Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình chiết rót và đóng nắp chai tự động

Tài liệu đồ án thiết kế mô hình chiết rót và đóng nắp chai tự động. Chi tiết hệ thống điều khiển PLC S7-1200 và giám sát SCADA WinCC.

• Tác giả: Phạm Hoàng Cường
• Người hướng dẫn: Ths. Võ Thị Bích Ngọc
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hoá
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Chiết Rót Tự Động PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Chiết Rót Tự động PLC S7 1200

Hệ thống chiết rót tự động là một giải pháp hiện đại trong ngành công nghiệp sản xuất đồ uống. Đồ án thiết kế mô hình chiết rót bằng PLC S7-1200 của Siemens đại diện cho một bước tiến quan trọng trong tự động hóa dây chuyền sản xuất. PLC S7-1200 là loại bộ điều khiển lập trình cao cấp của Siemens, được ứng dụng rộng rãi trong các khu công nghiệp tự động vừa và lớn với yêu cầu về ổn định và chất lượng cao. Mô hình này kết hợp các thành phần như băng tải vận chuyển chai, hệ thống vòi chiết rót, hệ thống cấp và vặn nắp, cùng với mâm xoay và hệ thống phân loại chai đã đóng nắp. Công nghệ này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao năng suất và đảm bảo chất lượng sản phẩm.

1.1. Vai trò của PLC S7 1200 trong Tự động hóa

PLC S7-1200 đóng vai trò trung tâm trong việc điều khiển toàn bộ dây chuyền chiết rót. Bộ điều khiển này nhận tín hiệu từ các cảm biến quang, cảm biến lưu lượng và các thiết bị khác, sau đó xử lý và gửi lệnh điều khiển tới động cơ, xi lanh khí nén và các hệ thống khác. Khả năng xử lý dữ liệu nhanh và độ ổn định cao của S7-1200 giúp đảm bảo quá trình sản xuất diễn ra liên tục mà không gián đoạn.

1.2. Ứng dụng Thực tiễn trong Công nghiệp

Trong các nhà máy sản xuất đồ uống như Coca Cola, hệ thống chiết rót tự động PLC giúp tăng tốc độ sản xuất từ hàng chục đến hàng trăm chai mỗi phút. Hệ thống tự động giảm thiểu sai sót do con người, nâng cao độ chính xác trong việc đổ nước và đóng nắp. Điều này đặc biệt quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm nơi chất lượng và vệ sinh là yếu tố hàng đầu.

II. Các Thành phần Chính của Mô hình Chiết Rót

Mô hình thiết kế mô hình chiết rót tự động được tích hợp nhiều thiết bị tự động tiên tiến nhằm thực hiện các chức năng khác nhau. Thành phần chính bao gồm động cơ bước để điều khiển vòi chiết rót, xi lanh khí nén để tác động các cơ cấu cấp nắp và vặn nắp, cùng với cảm biến lưu lượng nước SEA YF-S402B giúp xác định chính xác lượng nước đã rót. Module driver L298N được sử dụng để điều khiển động cơ giảm tốc 52rpm, trong khi mạch opto cách ly PC817 bảo vệ PLC S7-1200 khỏi các tín hiệu nhiễu từ bên ngoài. Mạch giảm áp XL4015 cung cấp nguồn điện ổn định cho các thành phần yêu cầu điện áp thấp.

2.1. Hệ thống Cảm biến và Giám sát

Hệ thống sử dụng cảm biến quang E3F-DS30C4 để phát hiện vị trí chai trên băng tải vận chuyển. Cảm biến lưu lượng nước đo chính xác lượng chất lỏng được rót vào mỗi chai. Các tín hiệu từ cảm biến được gửi tới PLC S7-1200 để xử lý và điều khiển các hoạt động tiếp theo, đảm bảo quá trình sản xuất diễn ra theo quy trình đã lập trình.

2.2. Hệ thống Khí nén và Động cơ

Solenoid khí nén AIRTAC 4V110-06 điều khiển xi lanh khí nén để thực hiện các chuyển động như cấp nắp và vặn nắp. Động cơ giảm tốc DCM TG38 cùng với hộp số hành tinh tạo ra mô-men xoắn cần thiết cho mâm xoay và các cơ cấu khác. Sự kết hợp giữa hệ thống khí nén và động cơ điện tạo nên một dây chuyền công suất cao.

III. Thiết kế Giao diện Giám sát SCADA bằng WinCC

Một phần quan trọng của đồ án thiết kế mô hình chiết rót là phát triển giao diện SCADA bằng phần mềm WinCC. WinCC cho phép điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu từ PLC S7-1200 một cách trực quan và hiệu quả. Giao diện giám sát được thiết kế từ thư viện hình ảnh, với các nút nhấn tương tác, hiển thị tín hiệu thời gian thực từ các cảm biến và thiết bị trên dây chuyền. Hệ thống hỗ trợ phân quyền người dùng giúp kiểm soát quyền truy cập cho các nhân viên khác nhau. Giao diện cũng cho phép chuyển đổi giữa các chế độ hoạt động khác nhau và hiển thị biểu đồ dữ liệu theo thời gian.

3.1. Các Chức năng của Giao diện WinCC

Giao diện SCADA WinCC cung cấp các chức năng giám sát trực tiếp trạng thái của từng thành phần trên dây chuyền. Người vận hành có thể điều khiển các thông số như tốc độ băng tải, lưu lượng rót nước thông qua bộ điều khiển PID, và các chế độ hoạt động khác. Hệ thống cảnh báo tự động hiển thị khi phát hiện lỗi hoặc bất thường, giúp nhanh chóng xử lý sự cố.

3.2. Quản lý Dữ liệu và Phân quyền Người dùng

WinCC hỗ trợ thu thập dữ liệu tự động từ PLC S7-1200 và lưu trữ vào cơ sở dữ liệu. Hệ thống phân quyền người dùng giới hạn quyền truy cập dựa trên vai trò của nhân viên. Administrator có quyền truy cập đầy đủ, trong khi operator chỉ có quyền giám sát và điều khiển cơ bản, nâng cao tính bảo mật của hệ thống.

IV. Kết quả và Hướng phát triển Đồ án

Sau quá trình thiết kế, lắp ráp và thử nghiệm, nhóm tác giả đã hoàn thành một mô hình mô phỏng chiết rót có thể điều khiển thông qua PLC S7-1200. Giao diện giám sát WinCC đã được cấu hình thành công, cho phép giám sát và điều khiển toàn bộ dây chuyền từ máy tính. Mô hình đã chứng minh khả năng hoạt động trong các điều kiện thử nghiệm, mặc dù do kinh phí hạn chế nên chưa hoàn thiện hoàn toàn so với dây chuyền sản xuất thực tế. Tuy nhiên, đồ án tốt nghiệp này đã cung cấp những kiến thức quý báu về hệ thống tự động hóa, lập trình PLC, thiết kế SCADA và điều khiển quá trình bằng bộ điều khiển PID.

4.1. Kết quả Đạt được

Nhóm đã thành công trong việc thiết kế và cấu hình PLC S7-1200, lập trình logic điều khiển cho các quá trình chiết rót, vặn nắp và phân loại chai. Giao diện WinCC được thiết kế với các tính năng đầy đủ để giám sát thời gian thực và thu thập dữ liệu. Mô hình thực tế đã được lắp ráp và chạy thử nghiệm thành công, chứng minh khả năng áp dụng các công nghệ tự động hóa hiện đại.

4.2. Hướng phát triển Tương lai

Để nâng cao hiệu quả của hệ thống chiết rót tự động, các hướng phát triển tương lai bao gồm: tích hợp hệ thống nhận diện hình ảnh để kiểm tra chất lượng chai, nâng cấp động cơ để tăng tốc độ sản xuất, hay kết nối với hệ thống quản lý doanh nghiệp (ERP) để tối ưu hóa quản lý sản xuất. Những cải tiến này sẽ giúp mô hình trở thành một giải pháp tự động hóa hoàn chỉnh hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài Chương 2: Tổng quan giải pháp Chương 3: Thiết kế hệ thống Chương này trình bày yêu cầu cụ thể của hệ thống, lựa chọn thiết bị phù hợpvới yêu cầu cụ thể đề ra của hệ thống. Chương 4: Thi công hệ thống Chương này trình bày về quá trình thi công và lập trình PLC cho hệ thống. Chương 5: Kết quả thực hiện Chương này trình bày kết quả đã đạt được về phần cứng lẫn phần mềm. Chương 6: Kết Luận và hướng phát triển 2 Chương này trình bày kết quả hoạt động của hệ thống và đề ra hướng phát triển cho hệ thống.

Giới hạn Với những giới hạn về thời gian, kiến thức và kinh phí nên mô hình chỉ hoạt động ở mức độ sau: - Chiết rót và đóng nắp chai tự động. - Đưa thuật giải PID vào chương trình. - Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển cả hệ thống bằng TIA PORTAL V15. Kết quả và phần cứng của đề tài đã áp dụng để giải quyết một sản phẩm thực tế.

3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2. Giới thiệu về hệ thống tự động. Tổng quát Từ thuở sơ khai, con người luôn có ý niệm một cách mãnh liệt về sự tồn tại và phát triển. Máy móc được sinh ra để thực hiện hóa nỗi khát khao to lớn của loài người.

Ngành tự động hóa cũng không ngoại lệ, sự ra đời của nó là một bước tiến vượt bậc của con người trong nhận thức về tăng gia sản xuất và giảm sức lao động của con người. Khái niệm về từ khóa “ Tự Động Hóa” xuất hiện lần đầu trong ngành ô tô những năm 1946, do nhu cầu sử dụng các thiết bị điều khiển tự động trong các dây chuyền sản xuất cơ giới hóa ngày càng nhiều. Nguồn gốc của từ này là do DS Harder, một giám đốc kỹ thuật tại Ford Motor Company vào thời điểm đó. Tự động hóa đã được thực hiện bằng phương tiện khác nhau bao gồm cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính, thường kết hợp.

Vai trò của hệ thống tự động. Công nghệ tự động hóa đã phát triển từ lĩnh vực liên quan đến cơ giới hóa , bắt đầu từ cuộc Cách mạng Công nghiệp. Cơ giới hóa đề cập đến việc thay thế sức người (hoặc động vật) bằng sức mạnh cơ học ở một số dạng. Động lực thúc đẩy cơ giới hóa là thiên hướng của loài người trong việc tạo ra các công cụ và các thiết bị cơ khí.

Một số phát triển lịch sử quan trọng trong cơ khí hóa và tự động hóa dẫn đến các hệ thống tự động hiện đại được mô tả ở đây. Tự động hóa là một bước tiến vô cùng lớn trong việc giảm giá thành sản phẩm và nâng cao năng suất lao động. Tạo bước đệm trong việc giảm bớt áp lực từ các vấn đề kinh tế (về đào tạo nhân công và đội ngũ, giá thành trang thiết bị,. Khó khăn trong việc ứng dụng hệ thống tự động.

Giới hạn của máy móc nằm ở con người, khi phát triển hệ thống dễ mắc những lỗi do hạn chế về mặt kiến thức và công nghệ hiện tại. Không thể dự trù chính xác được kinh phí do có thể có nhiều vấn đề phát sinh ( đi sai hướng phát triển, lỗi trong lúc vận hành thực nghiệm, …) Chi phí đầu vào cao do đi đầu về công nghệ hoặc sản phẩm còn quá mới so với thị trường (kinh phí nghiên cứu ).2 Các thiết bị đang sử dụng trên thị trường. Thiết bị thủ công - Thiết bị chiết rót thủ công hoàn toàn, không có các thiết bị điện hỗ trợ. + Ưu điểm: - Đơn giản trong thao tác, an toàn trong vận hành - Chỉ tốn chi phí có nguyên vật liệu sản phẩm và tiền nhân công + Nhược điểm - Năng suất không cao.

- Khả năng đồng đều về mặt sản phẩm thấp. Thiết bị tự động. Máy chiết rót tự động vận hành bằng cách bơm chất lỏng đã được định lượng sẵn từ bồn chứa trên đường ống trong thời gian và áp suất cố định. Tất cả quá trình diễn ra theo lập trình từ trước bằng bộ điều khiển PLC.

Các van chiết rót sử dụng khí nén để quá trình bơm chính xác, có các hệ thống van khác để tiết lưu dòng chảy và tốc độ chảy ổn định. Các thiết bị hiện nay đa phần có thể chỉnh được lượng rót tùy ý. + Ưu điểm: - Năng suất vô cùng cao. - Độ chính xác và đồng đều về mặt sản phẩm tốt.

- Dễ dàng tinh chỉnh hệ thống. 5 - Nâng cao khả năng sản xuất để cạnh tranh trong thị trường. + Nhược điểm: - Tốn kém chi phí nghiên cứu và phát triển. - Phải có đội ngũ nghiên cứu và vận hành chuyên nghiệp.

- Chiếm diện tích kho xưởng vô cùng lớn. “Hệ thống chiết rót, đóng nắp chai tự động” là hệ thống tự động, giúp người dùng đỡ vất vả hơn và có thể hoạt động trong nhiều giờ liền mà không cần nghỉ ngơi, … Chính vì những sự cần thiết đó nên có nhiều hệ thống đã ra đời nhằm góp phần đẩy nhanh tốc độ làm việc, chuẩn xác hơn và không cần nhiều người làm việc. Vì vậy nhóm tác giả chọn đề tài “Hệ thống chiết rót, đóng nắp chai tự động” để nhằm góp phần hạn chế hạn chế sức lao động của con người. Đề xuất giải pháp Hình 2.1: Mô hình mô phỏng hệ thống chiết rót - Phần cơ khí của mô hình phải được thiết kế chắn chắc, ổn định, chính xác, hạn chế xảy ra lỗi trong quá trình vận hành “Hệ thống chiết rót, đóng nắp chai” gồm 5 khâu chính : + Khâu cấp chai: chai được đặt trong băng tải rồi chạy tới nơi rót nước.

+ Khâu rót nước: chai đã vào vị trí rót dưới vòi, hệ thống bắt đầu rót nước. 6 + Khâu gác nắp chai: sau khi đã rót đủ số lượng nước, chai sẽ di chuyển qua phần nắp chai và nắp sẽ được gác lên trên miệng chai. + Khâu đóng nắp: chai nước khi di chuyển tới vị trí này sẽ được hệ thống tự động xoay nắp chai chặt lại. + Khâu thành phẩm: sau cùng chai nước di chuyển tới cuối băng tải và sẽ được lấy ra và cho vào thùng.

7 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3. Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống 3. Lựa chọn thiết bị 3. PLC S7 1214C Hiện nay, PLC S7-1200 có nhiều dòng CPU khác nhau như: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C, CPU 1217C và đồng thời người dùng có nhiều sự lựa chọn với các nguồn điện áp AC/DC, tín hiệu đầu vào/ra relay/DC,… Trong đồ án này, nhóm tác giả sử dụng CPU 1214C DC/DC/DC, dưới đây là thông tin về loại PLC này.

1: Thông tin về CPU 1214C Đặc điểm CPU 1214C Bộ nhớ chương Work 75KB trình Load 4MB Retentive 10KB I/O tích hợp Digital 14DI/10DO Analog 2AI Process image Input 1024 Byte 8 Output 1024 Byte Vùng nhớ M 8192 Byte Module mở rộng 8 SB, BB, CB(*) 1 Module truyền thông CM 3 Bộ đếm tốc độ cao Tổng cộng 6 Bộ phát xung Tổng cộng 4 PTO/PWM Thẻ nhớ Hỗ trợ Lưu trữ thời gian thực: 20 ngày/nhỏ nhất 12 ngày tại 40oC Tích hợp cổng Profinet 1 Tốc độ xử lý phép toán số thực 2.3 µs/lệnh Tốc độ xử lý phép toán Boolean 0. 2: PLC S7 1200 DC/DC/DC 9 Hình 3. 2: PLC S7 1200 DC/DC/DC 3. Động cơ bước, hộp số hành tinh và drive step motor a.

Động cơ bước SANYO DENKI 103H7126-0740 Hình 3.3: Động cơ bước SANYO DENKI 103H7126-0740 Nhằm mục đích xoay mâm đôi inox, cùng 3 chai đầy nước 1 chai rỗng, tổng trọng lượng 12N. Nhóm tác giả lựa chọn động cơ bước SANYO DENKI 103H7126-0740 để điều khiển vị trí chính xác, cùng hộp số hành tinh 1:90 để tăng momen kéo tải (1. • Thông số kĩ thuật: - Nguồn: 24VDC 10 - Step: 1,8° - Số pha: 2 pha - Momen: 1.98kg - Dòng điện: 3A b. Hộp số hành tinh NEMA Dùng hộp số hành tinh NEMA 1:90 để làm tăng momen kéo tải cho động cơ bước.

- Tốc độ đầu vào: 3000 rpm - Tốc độ đầu ra: 280~600 rpm - Bố trí chuẩn: Hành tinh - Mô-men xoắn đầu ra: 6 N. 4: Hộp số hành tinh NEMA c. Drive TB6600 Driver điều khiển động cơ bước Microstep 3.5A 40VDC sử dụng IC Driver là SI09AFTG cho khả năng điều khiển động cơ bước 2 pha với công suất tối đa lên đến 3.5A 40VDC, chức năng và cách sử dụng hoàn toàn tương tự với Driver TB6600 thường thấy trên thị trường tuy nhiên độ phân giải tăng đến 1/32 step. Driver có thiết kế vỏ kim loại chống nhiễu, chắc chắn, bền bỉ, với tản nhiệt lớn cho hoạt động ổn định cao nhất.

11 Thông số kỹ thuật: • IC Driver: SI09AFTG của Japan • Nguồn cấp tối đa: 40VDC. • Dòng cấp IOUT = 3.5 A • Độ phân giải: 1/1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 step. • Có thể điều khiển đảo chiều quay. • Tích hợp chân Reset và Enable.

• Tích hợp tính năng Standby. • Tích hợp bảo vệ quá nhiệt TSD. • Tích hợp bảo vệ quá áp UVLO. • Kích thước: 96 x 57 x 35mm Hình 3.

Cảm biến quang phát hiện vật cản NPN E3F- DS30C4 a.Giới thiệu Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 dùng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách tới vật cản cho độ phản hồi nhanh và rất ít nhiễu do sử dụng mắt nhận và phát tia hồng ngoại theo tần số riêng biệt. Cảm biến có thể chỉnh khoảng cách báo mong muốn thông qua biến trở, ngõ ra cảm biến ở dạng cực thu hở.Đặc điểm Thông số kỹ thuật: - Nguồn điện cung cấp: 6 ~ 36VDC. 12 - Khoảng cách phát hiện: 5 ~ 30cm. - Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở.

- Dòng kích ngõ ra: 300mA. - Ngõ ra dạng NPN cực thu hở giúp tùy biến được điện áp ngõ ra, trở treo lên áp bao nhiêu sẽ tạo thành điện áp ngõ ra bấy nhiêu. - Chất liệu sản phẩm: nhựa. - Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ.

- Kích thước: 1. - Sơ đồ dây: - Nâu: VCC. - Đen: Chân tín hiệu ngõ ra cực thu hở NPN. - Xanh dương: GND.

- Kích thước: 1. Hình 3 6: Cảm biến phát hiện vật NPN Trong đề tài này, nhóm tác giả sử dụng ba cảm biến phát hiện vật cản này. Xi lanh khí nén Xi lanh khí nén (hay còn gọi là ben khí nén) là thiết bị cơ được vận hành bằng khí nén. Cụ thể, xi lanh khí nén hoạt động bằng cách chuyển hóa năng lượng của khí 13 nén thành động năng làm cho pit tông của xi lanh chuyển động theo hướng như mong muốn, thông qua đó truyền động đến thiết bị.