Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, việc ứng dụng các dây chuyền tự động hóa vào sản xuất đóng vai trò thiết yếu nhằm tiết giảm chi phí, gia tăng năng suất và bảo đảm chất lượng sản phẩm đồng đều. Cùng với tốc độ phát triển nhanh của ngành xây dựng, sơn trở thành vật liệu hoàn thiện và bảo vệ bề mặt không thể thiếu. Một trong những yếu tố kỹ thuật then chốt quyết định chất lượng thành phẩm là độ chính xác của quá trình pha trộn màu sắc.

Tại thị trường Việt Nam, phần lớn các công đoạn pha trộn màu sơn ở quy mô vừa và nhỏ vẫn được thực hiện thủ công dựa vào kinh nghiệm cảm quan của người thợ. Phương thức này tồn tại nhiều nhược điểm: độ chuẩn xác thấp, sai lệch tỷ lệ màu giữa các mẻ sản xuất, năng suất lao động hạn chế và tiêu hao nhiều thời gian. Để khắc phục các hạn chế trên, đề tài "Thiết kế hệ thống trộn sơn tự động dùng PLC S7-200" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Thanh Hà, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Đoàn Phong tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (chuyên ngành Điện Tự động Công nghiệp, năm 2018).

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định theo các nội dung chính:

  1. Nghiên cứu tổng quan lịch sử phát triển ngành công nghiệp sản xuất sơn trên thế giới và tại Việt Nam, phân tích cấu tạo cơ bản của một hệ thống trộn sơn công nghiệp.
  2. Khảo sát cấu trúc phần cứng, nguyên lý làm việc của CPU, cấu trúc bộ nhớ, tập lệnh và phần mềm lập trình của dòng vi điều khiển khả trình PLC S7-200 (hãng Siemens).
  3. Thiết kế giải pháp kỹ thuật cho hệ thống trộn sơn tự động 3 màu cơ bản: lựa chọn thiết bị công nghệ (bơm, van, cảm biến, động cơ), thiết lập sơ đồ đấu nối điện, phân bổ địa chỉ đầu vào/ra (I/O) và xây dựng chương trình điều khiển logic.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống công nghệ trộn sơn tự động hoạt động theo chu trình logic khép kín. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào ứng dụng thiết bị điều khiển khả trình PLC S7-200 (trọng tâm là CPU 214/224) kết hợp các thiết bị ngoại vi công nghiệp tiêu chuẩn, áp dụng trong bối cảnh sản xuất thực tế tại Việt Nam thời điểm năm 2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý điều khiển tự động hóa quá trình công nghiệp và lý thuyết thiết bị đo lường - chấp hành:

  • Lý thuyết điều khiển khả trình PLC: Nguyên tắc xử lý tín hiệu theo chu trình quét (Scan cycle) lặp 4 giai đoạn của CPU; phương pháp phân chia vùng nhớ (chương trình, tham số, dữ liệu và đối tượng); logic điều khiển rời rạc và các chuẩn ngôn ngữ lập trình theo tiêu chuẩn IEC (LAD, FBD, STL).
  • Lý thuyết cảm biến và đo lường công nghiệp: Nguyên lý đo mức bằng phương pháp cảm ứng điện dung (sự thay đổi điện dung tỷ lệ thuận với mức môi chất lỏng trong bồn chứa); nguyên lý cảm biến quang hồng ngoại phản xạ khuếch tán sử dụng transistor NPN phát hiện vật thể.
  • Lý thuyết chấp hành cơ điện và khí nén: Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ một pha trong cơ cấu khuấy trộn; nguyên lý truyền động của bơm màng khí nén và van điện từ điều khiển dòng lưu chất.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, xử lý số liệu lịch sử ngành sơn (tài liệu Hiệp hội Sơn - Mực in Việt Nam - VPIA), tài liệu hướng dẫn kỹ thuật (manual) của thiết bị PLC S7-200 Siemens, bảng thông số kỹ thuật của các nhà sản xuất linh kiện Omron, Kailing.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán lựa chọn công suất động cơ khuấy (90W), thông số bơm sơn khí nén APP-2504, van điện từ phi 21 và thiết bị đóng cắt bảo vệ.
  • Phương pháp mô hình hóa và lập trình: Thiết kế lưu đồ thuật toán điều khiển mẻ trộn; sử dụng phần mềm STEP 7 Micro/WIN để viết code bằng ngôn ngữ hình thang (LADDER) kết hợp công cụ mô phỏng để kiểm tra tính đúng đắn của logic điều khiển.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm sổ tay kỹ thuật phần cứng SIMATIC S7-200 của hãng Siemens, dữ liệu kiểm định thiết bị công nghiệp thực tế và báo cáo thống kê thị phần ngành sơn Việt Nam.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống trộn sơn tự động được thiết kế nhằm điều khiển quá trình định lượng nguyên liệu từ 3 bồn sơn cơ bản (Xanh, Đỏ, Vàng) đưa vào bồn trộn chính, thực hiện khuấy đều và chiết rót thành phẩm vào thùng chứa.

Cấu trúc phần cứng và thiết bị công nghệ được tác giả lựa chọn cụ thể như sau:

Hạng mục thiết bị Chủng loại / Model Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Bồn chứa nguyên liệu Thùng trụ tròn (03 bồn) Dung tích 1 $\text{m}^3$ / bồn Chứa 3 loại sơn gốc: Xanh, Đỏ, Vàng
Bồn trộn chính Thùng trụ tròn (01 bồn) Dung tích 50 lít Không gian diễn ra quá trình khuấy trộn
Máy bơm cấp sơn APP-2504 (Đài Loan) Áp suất khí 20–100 psi, đường kính mô tơ 85 mm, nhiệt độ 4,4–70°C, nặng 20 kg Bơm chuyển sơn từ bồn chứa sang bồn trộn
Động cơ khuấy Động cơ xoay chiều 1 pha Công suất 90W, tần số 50 Hz Dẫn động cánh khuấy trộn đều hỗn hợp sơn
Cảm biến báo mức Cảm biến điện dung SA SERIES Nhiệt độ -20~200°C, độ nhạy 10/20/40 pF, độ trễ 0~6s, nguồn 24VDC/220VAC, IP65 Đo và báo trạng thái cạn/đầy tại các bồn sơn
Cảm biến vị trí Hồng ngoại SN-E18-B03N1 Ngõ ra NPN, nguồn 6–36VDC, dòng <300 mA, khoảng cách phát hiện tối đa 30 cm Phát hiện thùng đựng sơn đã vào đúng vị trí rót
Van điều khiển Van điện từ Kailing phi 21 Ký hiệu 2W 160-15 NC (thường đóng), ren $\Phi 21$ mm, thân đồng thau, áp suất $\le 1$ MPa Đóng/mở xả sơn từ bồn trộn ra ngoài
Rơ le trung gian Omron LY2N DC24 2 cực, cuộn hút 24VDC, thời gian đóng/ngắt 25 ms, tuổi thọ 500.000 lần Cách ly và đệm công suất điều khiển động cơ, bơm
Thiết bị hiển thị Hệ thống đèn báo màu Xanh dương, Đỏ, Xanh lá cây, Vàng Báo trạng thái: đang trộn, dừng, đầy sơn, hết sơn

Quy trình triển khai điều khiển trên PLC S7-200 được cấu hình thông qua việc phân định các tín hiệu vào/ra vật lý (Digital Input/Output). Khi tín hiệu khởi động được kích hoạt và cảm biến hồng ngoại xác nhận có vỏ thùng tại vị trí xả, PLC sẽ điều khiển máy bơm APP-2504 cấp sơn từ các bồn 1 $\text{m}^3$ vào bồn trộn 50 lít theo tỷ lệ cài đặt trước thông qua thời gian mở van hoặc ngưỡng cảm biến mức. Khi lượng sơn đạt ngưỡng, động cơ 90W sẽ quay trong khoảng thời gian quy định để đồng hóa dung dịch. Kết thúc chu trình trộn, van xả điện từ Kailing mở ra để rót sơn vào thùng chứa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu về hệ thống trộn sơn

Chương này trình bày bức tranh toàn cảnh về sự phát triển của công nghệ sản xuất sơn và phân tích chi tiết các thiết bị cấu thành hệ thống trộn tự động.

  • Lịch sử phát triển ngành sơn thế giới: Khởi nguồn từ 25.000 năm trước với tranh vẽ hang động nguyên thủy; văn minh Ai Cập (3000–600 TCN) phát triển sơn mỹ thuật; Hy Lạp - La Mã (600 TCN – 400 SCN) chế tạo sơn dầu béo; thế kỷ 18 đánh dấu sự ra đời của các nhà máy sản xuất sơn quy mô công nghiệp. Đến nay, hơn 75% sản lượng toàn cầu là sơn gốc nước thay thế sơn gốc dung môi, đi kèm các công nghệ đan chéo, hybrid và nano.
  • Lịch sử ngành sơn Việt Nam: Khởi đầu từ các xưởng sơn dầu của ông Nguyễn Sơn Hà giai đoạn 1914–1920. Giai đoạn 1914–1954 hình thành 3 hãng sơn tại Hà Nội (Sơn Thái Bình), Hải Phòng (Sơn Nguyễn Sơn Hà) và Sài Gòn (Sơn Bạch Tuyết). Giai đoạn 1954–1975 miền Bắc có 3 nhà máy quốc doanh (Sơn Tổng hợp Hà Nội, Hóa chất Sơn Hà Nội, Sơn Hải Phòng), miền Nam có 16 hãng sơn (sản lượng khoảng 7.000 tấn). Giai đoạn 1976–1989 hoạt động theo cơ chế bao cấp, tổng sản lượng dưới 10.000 tấn/năm. Giai đoạn 1990–2008 thị trường tăng trưởng 15–20%/năm; đến năm 2008 doanh nghiệp FDI chiếm 60% thị phần, sơn trang trí chiếm 64–66% sản lượng (41–45% giá trị). Ngày 25/4/2008, Hiệp hội Sơn - Mực in Việt Nam (VPIA) chính thức được thành lập.
  • Cấu tạo hệ thống trộn sơn: Khảo sát chi tiết đặc tính kỹ thuật của bồn chứa, máy bơm APP-2504, động cơ 90W, cảm biến điện dung SA SERIES, cảm biến hồng ngoại SN-E18-B03N1, van điện từ Kailing 2W 160-15 NC, rơ le Omron LY2N và hệ thống đèn báo 4 màu.

Chương 2: Tổng quan về PLC S7 - 200

Chương 2 cung cấp cơ sở lý thuyết toàn diện về kỹ thuật vi điều khiển lập trình và thiết bị SIMATIC S7-200 của hãng Siemens.

  • Khái niệm và lịch sử PLC: Khởi nguồn từ yêu cầu của hãng General Motors (Mỹ) năm 1968 nhằm thay thế hệ thống rơ le cồng kềnh; thiết bị lập trình cầm tay đầu tiên ra đời năm 1969 xác lập tiêu chuẩn sơ đồ hình thang (LADDER).
  • Cấu hình phần cứng PLC S7-200: Trình bày chi tiết cấu trúc CPU 212 và CPU 214. CPU 214 tích hợp sẵn 14 đầu vào số (DI) và 10 đầu ra số (DO), cho phép ghép nối tối đa 7 module mở rộng (tổng dung lượng vào/ra cực đại đạt 64 DI / 64 DO), bộ nhớ 2048 từ đơn (4 KB), 128 Timer, 128 Counter, 688 bit nhớ đặc biệt (SM), 3 bộ đếm tốc độ cao (2 kHz và 7 kHz), 2 bộ phát xung PTO/PWM và khả năng duy trì dữ liệu 190 giờ khi mất nguồn.
  • Cấu trúc bộ nhớ và nguyên lý làm việc: Bộ nhớ gồm 4 vùng: chương trình, tham số, dữ liệu (V, I, Q, M, SM) và đối tượng (Timer, Counter, bộ đệm tương tự, thanh ghi AC). CPU hoạt động theo chu trình quét lặp 4 bước: (1) Đọc dữ liệu đầu vào vật lý vào bộ đệm ảo; (2) Thực hiện chương trình logic; (3) Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra cổng ra vật lý; (4) Xử lý truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
  • Ngôn ngữ lập trình và tập lệnh: Giới thiệu 3 ngôn ngữ LAD, FBD, STL và hệ thống các khối lệnh cơ bản trong LAD: lệnh tiếp điểm bit logic, lệnh SET/RESET, đại số Boolean, các lệnh so sánh ($=, \ge, \le$), bộ định thời TON/TONR (độ phân giải 1 ms, 10 ms, 100 ms), bộ đếm sườn xung CTU/CTUD, và các lệnh toán học (ADD, SUB, MUL, DIV, căn bậc hai).

Chương 3. Thiết kế hệ thống trộn sơn tự động dùng PLC S7 - 200

Chương 3 là phần hiện thực hóa giải pháp công nghệ cho hệ thống trộn sơn.

  • Nguyên lý hoạt động: Mô tả trình tự vận hành của dây chuyền từ khâu nạp nguyên liệu, định lượng theo tỷ lệ, quá trình khuấy trộn cưỡng bức, đến công đoạn đóng gói thành phẩm và báo lỗi an toàn.
  • Sơ đồ điện cho PLC: Thiết lập bản vẽ kết nối điện giữa CPU S7-200 với nguồn cung cấp, các ngõ vào cảm biến, nút bấm điều khiển và các ngõ ra kích hoạt cuộn dây rơ le trung gian, van điện từ, đèn chỉ thị.
  • Bảng phân bổ địa chỉ đầu vào/ra (I/O): Quy định cụ thể các cổng $I0.x$ cho nút nhấn (Start, Stop), cảm biến mức bồn, cảm biến hồng ngoại; các cổng $Q0.x$ cho điều khiển van cấp, động cơ khuấy, máy bơm và hệ thống đèn tín hiệu.
  • Chương trình điều khiển: Thiết kế lưu đồ thuật toán và xây dựng chương trình điều khiển hoàn chỉnh bằng ngôn ngữ LAD đáp ứng đầy đủ yêu cầu công nghệ của chu trình pha trộn.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả cụ thể sau:

  1. Thiết kế thành công hệ thống điều khiển tự động: Xây dựng hoàn chỉnh sơ đồ công nghệ trạm trộn sơn 3 màu cơ bản kết hợp bồn trộn trung tâm 50 lít, sử dụng bộ điều khiển PLC S7-200 (CPU 214/224) làm bộ xử lý trung tâm.
  2. Lựa chọn và phối ghép đồng bộ thiết bị công nghiệp: Xác lập bảng thông số kỹ thuật rõ ràng cho toàn bộ cơ cấu chấp hành và đo lường (bơm khí nén APP-2504 áp suất 20–100 psi, động cơ khuấy 90W, cảm biến mức điện dung SA SERIES dải đo -20~200°C, cảm biến hồng ngoại SN-E18-B03N1 phản xạ 30 cm, van Kailing 2W 160-15 NC và rơ le trung gian Omron LY2N).
  3. Xây dựng chương trình điều khiển logic: Hoàn thiện tập lệnh LAD trên phần mềm STEP 7 Micro/WIN với cấu trúc rõ ràng, xử lý liên động giữa tín hiệu cảm biến báo mức, cảm biến vị trí thùng và các bộ định thời gian khuấy trộn, đảm bảo chu trình diễn ra tuần tự và an toàn.

Đóng góp chính của đề tài là đề xuất một giải pháp tự động hóa khả thi, chi phí thấp nhằm thay thế phương pháp pha sơn thủ công truyền thống; nâng cao độ đồng nhất về màu sắc và chất lượng sản phẩm, đồng thời giải phóng sức lao động trực tiếp của con người trong môi trường hóa chất độc hại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong thuyết minh:

  • Hạn chế: Hệ thống điều khiển mới chỉ dừng lại ở mức điều khiển logic ON/OFF kết hợp định thời gian và báo mức bằng tiếp điểm rời rạc; chưa ứng dụng các module biến đổi tương tự (Analog AI/AO) hoặc cảm biến tải trọng (Loadcell) để định lượng tỷ lệ khối lượng/thể tích liên tục với độ chính xác cao. Đồ án chưa xây dựng giao diện giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA/HMI) trên máy tính hoặc màn hình cảm ứng công nghiệp.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Tích hợp thêm các module mở rộng Analog (như EM 231, EM 235) để thực hiện bài toán phối màu phức tạp theo thuật toán PID hoặc định lượng khối lượng chính xác; kết nối truyền thông công nghiệp (Modbus, PPI, Ethernet) với phần mềm giao diện người - máy (HMI/SCADA) để phục vụ công tác giám sát, thống kê sản lượng và lưu trữ công thức phối màu từ xa.

Giá trị tham khảo

Bản đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Điện Tự động Công nghiệp, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đang thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến điều khiển quy trình sản xuất gián đoạn (batch process).
  • Các kỹ thuật viên, kỹ sư mới tiếp cận dòng PLC Siemens S7-200 cần tìm hiểu tài liệu hệ thống hóa về cấu trúc phần cứng CPU 212/214, tổ chức bộ nhớ, tập lệnh cơ bản trong ngôn ngữ LAD và phương pháp ghép nối thiết bị ngoại vi (cảm biến điện dung, cảm biến quang, van điện từ, rơ le công nghiệp).

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng bao nhiêu bồn chứa nguyên liệu và dung tích của bồn trộn chính là bao nhiêu?
Hệ thống sử dụng 3 bồn chứa sơn cơ bản (gồm các màu Xanh, Đỏ, Vàng) có dung tích 1 $\text{m}^3$ cho mỗi bồn. Bồn chứa chính dùng để thực hiện quá trình khuấy trộn có dung tích là 50 lít dạng hình trụ tròn.

2. Cảm biến mức điện dung SA SERIES và cảm biến hồng ngoại SN-E18-B03N1 có vai trò gì trong hệ thống?
Cảm biến điện dung SA SERIES được lắp tại các bồn chứa để đo và cảnh báo mức chất lỏng (báo đầy/báo cạn) dựa trên sự biến thiên điện dung giữa điện cực và thành bồn. Cảm biến hồng ngoại SN-E18-B03N1 (ngõ ra transistor NPN, khoảng cách phát hiện tối đa 30 cm) được lắp tại vị trí chiết rót nhằm phát hiện sự hiện diện của thùng đựng sơn trước khi hệ thống mở van xả thành phẩm.

3. Bộ vi xử lý CPU 214 của PLC S7-200 có những đặc tính phần cứng cơ bản nào?
CPU 214 tích hợp 14 cổng vào số (DI) và 10 cổng ra số (DO); khả năng mở rộng tối đa 7 module; bộ nhớ dữ liệu 2048 từ đơn (4 KB); 128 bộ thời gian (Timer); 128 bộ đếm (Counter); 688 bit nhớ đặc biệt (SM); tích hợp 3 bộ đếm tốc độ cao (2 kHz và 7 kHz); 2 bộ phát xung nhanh PTO/PWM; 2 bộ điều chỉnh tương tự và khả năng duy trì dữ liệu trong 190 giờ khi mất nguồn.

4. Quy định trạng thái và màu sắc của các đèn báo trên bảng điều khiển như thế nào?
Hệ thống sử dụng 4 màu đèn báo trạng thái:

  • Đèn màu xanh dương: Báo hệ thống đang trong quá trình thực hiện mẻ trộn.
  • Đèn màu đỏ: Báo hệ thống dừng quá trình trộn sơn.
  • Đèn màu xanh lá cây: Báo trạng thái đầy sơn ở các bồn chứa.
  • Đèn màu vàng: Báo trạng thái hết sơn ở các bồn chứa.

5. Chu trình quét (Scan cycle) của CPU PLC S7-200 được chia thành các giai đoạn nào?
Một chu trình quét của CPU S7-200 diễn ra lặp lại qua 4 giai đoạn:

  1. Giai đoạn 1: Đọc và chuyển dữ liệu từ các cổng vật lý đầu vào vào bộ đệm ảo (Input Image Register).
  2. Giai đoạn 2: Thực thi chương trình điều khiển từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng.
  3. Giai đoạn 3: Chuyển dữ liệu kết quả từ bộ đệm ảo đầu ra (Output Image Register) ra các cổng vật lý đầu ra.
  4. Giai đoạn 4: Thực hiện truyền thông nội bộ và tự kiểm tra lỗi hệ thống.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống trộn sơn tự động dùng PLC S7-200" của sinh viên Nguyễn Thanh Hà đã giải quyết trọn vẹn yêu cầu công nghệ đặt ra trong việc tự động hóa chu trình pha trộn sơn 3 màu cơ bản. Tác giả đã hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về thiết bị PLC S7-200, lựa chọn đồng bộ các linh kiện cơ điện - cảm biến công nghiệp và xây dựng thành công chương trình điều khiển logic trên phần mềm STEP 7 Micro/WIN. Kết quả nghiên cứu mang tính ứng dụng thực tiễn cao, cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị cho các bài toán điều khiển quy trình pha trộn và định lượng tự động trong công nghiệp.