Đồ án mô phỏng hệ thống chiết rót dập nắp đóng gói TIA Portal PLC S7-1200 - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

Hướng dẫn chi tiết thiết kế mô phỏng hệ thống chiết rót dập nắp và đóng gói sản phẩm tự động bằng PLC S7 1200 trên TIA Portal chuẩn xác.

• Tác giả: Cao Ngọc Sơn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Mi Sa
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử
• Đề tài: Thiết kế, mô phỏng hệ thống chiết rót dập nắp và đóng gói sản phẩm bằng phần mềm TIA Portal – PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống chiết rót đóng gói TIA Portal PLC S7 1200

Dây chuyền chiết rót, đóng nắp và đóng gói tự động giữ vai trò sống còn trong ngành công nghiệp chế biến hiện đại. Nhu cầu nâng cao năng suất đòi hỏi sự chuẩn xác tuyệt đối trong quy trình định lượng và đóng thùng. Đồ án tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tập trung giải quyết bài toán tự động hóa hoàn toàn chu trình sản xuất. Phần mềm TIA Portal kết hợp bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 tạo thành nền tảng lõi cho toàn bộ hệ thống. Mô hình tích hợp mâm xoay cấp phôi, vòi rót chất lỏng, cơ cấu dập nắp khí nén và cánh tay gắp đóng gói sáu chai vào thùng carton. Cảm biến quang học và công tắc hành trình xác định chính xác vị trí chai trên băng chuyền. Tín hiệu số được xử lý tức thời qua các khối hàm chức năng trong CPU 1214C. Mô phỏng đồ họa trên WinCC RT Advanced hỗ trợ người kỹ sư giám sát trực quan các thông số vận hành thời gian thực. Hệ thống vận hành trơn tru ở cả hai chế độ bằng tay và tự động. Toàn bộ thiết kế mang lại giải pháp công nghệ toàn diện, tiết kiệm chi phí thử nghiệm thực địa.

1.1. Cấu trúc phần cứng PLC S7 1200 trong công nghiệp

Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 đóng vai trò bộ não điều hành toàn bộ quy trình công nghệ. Thiết bị sở hữu CPU tốc độ cao, tích hợp sẵn các cổng truyền thông Profinet hiện đại. Các module đầu vào số tiếp nhận tín hiệu từ hệ thống cảm biến quang và cảm biến tiệm cận. Module đầu ra kích hoạt các van điện từ, rơ le trung gian và khởi động từ. Nguồn cấp 24VDC công nghiệp đảm bảo mạch điện vận hành bền bỉ, chống nhiễu vượt trội. Cấu trúc module linh hoạt cho phép mở rộng quy mô sản xuất nhanh chóng mà không cần thay đổi kiến trúc cơ sở. Khả năng lưu trữ khối dữ liệu lớn hỗ trợ kiểm soát chu kỳ chiết rót chính xác đến từng mili-giây.

1.2. Vai trò của phần mềm TIA Portal và giao diện HMI

Phần mềm TIA Portal hợp nhất môi trường lập trình logic PLC và thiết kế giao diện giám sát HMI. Kỹ sư xây dựng thuật toán điều khiển tuần tự kết hợp đồng bộ hóa tín hiệu truyền thông. Màn hình giám sát hiển thị trực quan sơ đồ tổng thể dây chuyền, trạng thái bơm dung dịch và cơ cấu xi lanh. Các thông số thời gian chiết, số lượng sản phẩm hoàn thiện và lịch sử cảnh báo lỗi được cập nhật tức thời. Việc mô phỏng đồ họa giúp phát hiện sớm xung đột logic điều khiển, giảm thiểu sai sót kỹ thuật và rút ngắn thời gian lắp đặt thực tế. Hệ thống tạo ra một môi trường điều khiển số hóa trực quan, hỗ trợ vận hành an toàn và tối ưu năng suất lao động.

II. Thách thức kỹ thuật khi vận hành hệ thống chiết rót chai

Quy trình chiết rót và đóng gói truyền thống tồn tại nhiều hạn chế lớn về mặt kỹ thuật. Thao tác thủ công thường dẫn đến sai số dung tích chiết rót chất lỏng giữa các mẻ sản phẩm. Tình trạng rơi vãi dung dịch gây thất thoát nguyên liệu và mất vệ sinh công nghiệp. Quá trình dập nắp chai đòi hỏi lực ép đồng đều nhằm tránh làm biến dạng miệng chai hoặc gây rò rỉ dung dịch khi vận chuyển. Việc đóng gói thủ công vào thùng giấy tiêu tốn nhiều nhân lực, làm chậm nhịp độ chung của dây chuyền chế tạo. Tốc độ di chuyển của băng tải cần đồng bộ hoàn toàn với chu kỳ làm việc của mâm xoay và cơ cấu gắp đặt. Bất kỳ sự lệch pha thời gian nào cũng gây ra tình trạng ùn tắc, đổ vỡ vỏ chai hoặc kẹt phôi cơ khí. Môi trường công nghiệp ẩm ướt và rung lắc mạnh dễ gây nhiễu tín hiệu cảm biến điện tử. Do đó, việc xây dựng mô hình điều khiển số chính xác trở thành yêu cầu bức thiết.

2.1. Rủi ro sai số định lượng và sự cố cơ khí dập nắp

Sai số định lượng thể tích xảy ra chủ yếu do áp suất bồn chứa không ổn định và thời gian mở van thiếu chuẩn xác. Van chiết cơ khí dễ bị rò rỉ sau thời gian dài sử dụng liên tục. Lỗi dập nắp xuất phát từ cơ cấu dẫn hướng bị lệch tâm hoặc áp lực khí nén dao động thất thường. Lực siết nắp không đạt tiêu chuẩn khiến chất lỏng rò rỉ ra môi trường bên ngoài. Ngược lại, lực dập quá mạnh dễ làm nứt vỡ cổ chai thủy tinh hoặc méo mó chai nhựa. Những sự cố này trực tiếp làm tăng chi phí phế phẩm và làm gián đoạn nghiêm trọng tiến độ vận hành dây chuyền. Hệ thống đòi hỏi sự kiểm soát đồng bộ các cảm biến vị trí nhằm loại bỏ hoàn toàn các sai số cơ khí phát sinh.

2.2. Khó khăn trong việc đồng bộ băng chuyền và đóng gói

Băng tải vận chuyển sản phẩm cần phối hợp nhịp nhàng với từng trạm công nghệ độc lập. Cơ cấu mâm xoay bốn vị trí yêu cầu dừng chính xác tại từng góc độ nhất định. Tín hiệu cảm biến quang dễ bị nhiễu bởi bụi bẩn hoặc bề mặt phản quang của vỏ chai. Khâu đóng thùng đòi hỏi cơ cấu xi lanh gắp đủ số lượng sáu chai trước khi chuyển động cơ cấu nâng hạ. Sự trễ tín hiệu giữa PLC và các cơ cấu chấp hành dễ dẫn đến va chạm cơ khí giữa kẹp gắp và thành vỏ hộp carton. Điều này đe dọa sự an toàn của toàn bộ dây chuyền tự động hóa. Việc tối ưu thuật toán đếm xung và khóa liên động bảo vệ là chìa khóa để duy trì sự ổn định vận hành.

III. Phương pháp lập trình TIA Portal và mô phỏng hệ thống

Mô hình giải pháp sử dụng ngôn ngữ lập trình Ladder Logic trên nền tảng Siemens TIA Portal V16. Thuật toán điều khiển phân chia thành các khối hàm chức năng độc lập gồm Organization Block, Function và Function Block. Bộ đếm thời gian Timer định thời chính xác khoảng thời gian mở van bơm mười một giây cho mỗi chai. Bộ đếm Counter theo dõi sát sao số lượng chai hoàn thiện trên băng chuyền thứ hai. Xi lanh gạt đẩy từng cặp hai chai vào bàn gom sản phẩm. Sau khi tích lũy đủ sáu chai, cơ cấu kẹp hút khí nén kích hoạt đưa sản phẩm vào thùng đóng gói. Toàn bộ logic an toàn được tích hợp công tắc dừng khẩn cấp E-Stop để ngắt mạch điện lập tức khi có sự cố. Giao diện WinCC thiết lập liên kết tag nội suy trực tiếp với PLC S7-PLCSIM. Người kỹ sư kiểm tra trạng thái I/O, giám sát chu trình tự động và kiểm thử các kịch bản lỗi mà không cần phần cứng vật lý. Phương pháp này tối ưu hóa độ tin cậy và rút ngắn đáng kể chu kỳ thiết kế dây chuyền tự động.

3.1. Thuật toán điều khiển tuần tự chiết rót dập nắp

Thuật toán vận hành tuần tự bắt đầu khi nút nhấn Start kích hoạt động cơ băng chuyền cấp phôi. Cảm biến phát hiện chai tại vị trí số một, băng chuyền dừng và van chiết dung dịch mở trong 11 giây. Sau khi hoàn thành chiết rót, mâm xoay quay đưa chai thứ nhất sang trạm cấp nắp, đồng thời chai thứ hai tiến vào trạm chiết. Tiếp theo, mâm xoay chuyển chai sang vị trí số ba để động cơ dập nắp đi xuống thực hiện siết kín cổ chai. Khóa liên động logic bảo đảm mỗi trạm chỉ kích hoạt khi chai đã vào đúng vị trí cơ khí. Thiết kế này loại trừ hoàn toàn nguy cơ va chạm và tràn đổ dung dịch. Chu trình tuần tự diễn ra nhịp nhàng, tối ưu hóa năng suất cho toàn bộ hệ thống chiết rót.

3.2. Thiết kế màn hình HMI giám sát SCADA bằng WinCC

Giao diện HMI trên nền tảng WinCC Runtime phân chia thành nhiều màn hình chuyên biệt trực quan. Trang tổng quan hiển thị dòng chảy sản phẩm liên tục cùng trạng thái chuyển động của các động cơ. Trang điều khiển cho phép người kỹ sư chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ tự động và chế độ chạy bằng tay. Trang giám sát hiển thị thông số mức bồn chứa, thời gian chiết rót và số lượng thành phẩm. Trang cảnh báo lỗi hiển thị tức thời các sự cố quá nhiệt động cơ hoặc kẹt cơ khí khí nén. Đồ thị xu hướng ghi nhận dữ liệu sản xuất giúp người quản lý đánh giá hiệu quả dây chuyền một cách toàn diện. Thiết kế thân thiện này giúp đơn giản hóa thao tác và giảm thiểu tối đa rủi ro vận hành kỹ thuật.

IV. Ứng dụng thực tiễn hệ thống đóng gói TIA Portal S7 1200

Mô hình mô phỏng hệ thống chiết rót và đóng gói sản phẩm của sinh viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM khẳng định tính ứng dụng cao. Đồ án kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết điều khiển tự động và nhu cầu thực tiễn của các nhà máy sản xuất. Việc ứng dụng PLC Siemens S7-1200 cùng TIA Portal chứng minh tính ổn định, linh hoạt và tiết kiệm chi phí triển khai. Kết quả mô phỏng trên S7-PLCSIM và WinCC đạt độ chính xác cao về mặt thời gian đáp ứng và logic tuần tự. Mô hình có khả năng mở rộng dễ dàng sang các ngành sản xuất nước giải khát, dược phẩm và hóa chất tiêu dùng. Dữ liệu vận hành được lưu trữ số hóa, tạo tiền đề kết nối trực tiếp với hệ sinh thái sản xuất thông minh theo tiêu chuẩn Công nghiệp 4.0. Giải pháp này giúp các doanh nghiệp vừa và nhỏ tự tin tự động hóa dây chuyền, loại bỏ hoàn toàn các điểm nghẽn năng suất truyền thống. Công trình nghiên cứu mang lại đóng góp thiết thực cho công tác đào tạo kỹ thuật chuyên sâu và ứng dụng chế tạo cơ điện tử.

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế và độ tin cậy vận hành

Hệ thống tự động hóa giúp cắt giảm tối đa chi phí nhân công trực tiếp tại các khâu lặp lại nhàm chán. Năng suất đóng gói được duy trì ổn định mà không phụ thuộc vào tay nghề người lao động. Dung tích chiết rót đồng đều giảm tỷ lệ hao hụt nguyên liệu xuống mức tối thiểu. Cơ cấu dập nắp khép kín bảo đảm vệ sinh an toàn thực phẩm theo quy chuẩn công nghiệp khắt khe. Phần mềm mô phỏng cho phép thử nghiệm nhiều kịch bản vận hành mà không gây hao mòn cơ khí hay tốn kém vật tư chế tạo. Đây là bước đệm tối ưu hóa ngân sách đầu tư thiết bị cho các nhà máy. Doanh nghiệp gia tăng năng lực cạnh tranh nhờ sản phẩm hoàn thiện đạt độ chuẩn xác vượt trội.

4.2. Khả năng nhân rộng vào nhà máy công nghiệp thực tế

Kiến trúc phần mềm xây dựng trên TIA Portal sở hữu tính tương thích cao với thiết bị công nghiệp thực tế. Kỹ sư có thể tải trực tiếp chương trình từ mô phỏng sang phần cứng PLC S7-1200 vật lý mà không cần viết lại mã lệnh. Dây chuyền dễ dàng tích hợp thêm các trạm dán nhãn tự động, kiểm tra ngoại quan bằng camera AI và đóng đai thùng tự động. Chuẩn truyền thông Profinet tạo điều kiện thuận lợi để kết nối toàn bộ hệ thống vào mạng quản trị sản xuất cấp cao MES và ERP. Giải pháp này khẳng định tiềm năng số hóa mạnh mẽ cho ngành công nghiệp đóng gói hiện đại. Mô hình mang lại giải pháp công nghệ chuyển đổi số bền vững và hiệu quả kinh tế lâu dài.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu hướng tự động hóa sản xuất hiện đại, các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, dược phẩm và hóa mỹ phẩm đòi hỏi tính đồng đều, năng suất cao, vệ sinh an toàn và giảm thiểu chi phí nhân công. Các công đoạn như chiết rót chất lỏng, dập nắp và đóng gói bao bì đóng vai trò then chốt trong dây chuyền đóng gói thứ cấp và phân phối. Việc áp dụng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) vào dây chuyền sản xuất là giải pháp công nghiệp hóa nhờ khả năng điều khiển tuần tự, xử lý tín hiệu nhanh, độ tin cậy cao và tính linh hoạt trong mở rộng phần cứng.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết Kế, Mô Phỏng Hệ Thống Chiết Rót Dập Nắp Và Đóng Gói Sản Phẩm Bằng Phần Mềm TIA Portal – PLC S7-1200" do sinh viên Cao Ngọc Sơn và Trần Quang Tá thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị Mi Sa tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (hoàn thành tháng 06/2025). Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu, lựa chọn phần cứng công nghiệp, xây dựng thuật toán logic và mô phỏng toàn diện dây chuyền chiết rót - dập nắp - đóng gói.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định theo 6 nội dung cụ thể:

1. Thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống chiết rót, dập nắp và đóng gói sản phẩm theo quy trình thực tế, đảm bảo hoạt động liên hoàn, chính xác và ổn định.
2. Ứng dụng PLC S7-1200 để điều khiển toàn bộ hệ thống từ các thao tác chiết rót định lượng, dập nắp đến đóng gói sản phẩm, đảm bảo đúng trình tự và logic vận hành.
3. Lập trình điều khiển trên phần mềm TIA Portal, sử dụng các khối hàm, cấu trúc lập trình rõ ràng, có khả năng dễ dàng sửa đổi và mở rộng trong tương lai.
4. Tích hợp cảm biến, cơ cấu chấp hành (van, xi lanh khí nén, động cơ) vào hệ thống, giúp quá trình vận hành diễn ra hoàn toàn tự động và an toàn.
5. Mô phỏng và kiểm tra hoạt động của hệ thống trong môi trường giả lập trước khi triển khai trên mô hình thực tế nhằm hạn chế lỗi và đảm bảo hiệu quả điều khiển.
6. Nâng cao kỹ năng thiết kế, lập trình và triển khai hệ thống điều khiển tự động, đồng thời rèn luyện khả năng tư duy logic, giải quyết vấn đề và làm việc nhóm cho sinh viên.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm:

• Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (cấu hình phần cứng CPU, khai báo tín hiệu vào/ra số và tương tự, lập trình trình tự liên hoàn).
• Hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành: Cảm biến quang điện, cảm biến tiệm cận cảm ứng từ, van điện từ, xi lanh khí nén tác động kép, động cơ giảm tốc kéo băng chuyền, động cơ xoay vặn nắp chai và hệ thống mâm xoay định vị.
• Phần mềm kỹ thuật: TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) phiên bản V15, công cụ mô phỏng PLCSIM và phần mềm giao diện giám sát SCADA/HMI.

Phạm vi nghiên cứu được xác định rõ ràng:

• Phạm vi phần cứng: Tập trung cấu hình CPU PLC S7-1200, các module mở rộng I/O, thiết bị dẫn động băng tải, bơm định lượng, cơ cấu dập nắp bằng xi lanh và động cơ quay, cơ cấu gắp sản phẩm khí nén.
• Phạm vi điều khiển: Xây dựng thuật toán điều khiển tuần tự liên động an toàn (không chiết khi không có chai, không dập nắp khi chưa chiết xong, băng tải chỉ kích hoạt khi công đoạn trước hoàn tất); thiết lập hai chế độ vận hành độc lập gồm Chạy tự động (Auto) và Chạy bằng tay (Manual), tích hợp chức năng dừng khẩn cấp (Emergency Stop) và thiết lập lại hệ thống (Reset).
• Phạm vi phần mềm: Lập trình logic điều khiển bằng ngôn ngữ sơ đồ thang (LAD) trên TIA Portal V15, chạy mô phỏng kiểm thử trạng thái I/O.
• Giới hạn nghiên cứu: Hệ thống được thiết kế và kiểm chứng dưới dạng mô phỏng và mô hình thực hành/bán thực tế; áp dụng cho một quy cách chai/lọ có kích thước cố định (không bao gồm cơ cấu thay đổi khuôn nắp linh hoạt); đồ án không nghiên cứu chuyên sâu về tính toán độ bền cơ học kết cấu mà tập trung chủ yếu vào kỹ thuật điện - điều khiển tự động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất công nghiệp và công nghệ giám sát thu thập dữ liệu:

• Khung lý thuyết SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): Gồm 4 cấp chức năng tiêu chuẩn là thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành (Sensors & Actuators), thiết bị điều khiển cấp cơ sở (PLC/DCS/RTU), hệ thống mạng truyền thông công nghiệp (hỗ trợ các giao thức như Ethernet, PROFINET, TCP/IP, Modbus, Profibus) và máy chủ giám sát trung tâm tích hợp giao diện người - máy (HMI).
• Khái niệm và phân loại giao diện HMI: Đóng vai trò cầu nối tương tác thời gian thực giữa người vận hành và hệ thống điều khiển, phân cấp thành HMI cục bộ (Local HMI gắn trên tủ điện máy), HMI trung tâm (SCADA HMI máy tính) và Web-based/Mobile HMI.
• Cấu trúc và chu trình vận hành của PLC: Khảo sát chu kỳ quét liên tục (Scan Cycle) gồm 3 giai đoạn: quét tín hiệu ngõ vào (Input Scan), thực thi chương trình người dùng (Program Scan) và cập nhật trạng thái ngõ ra (Output Scan).
• Nền tảng TIA Portal: Môi trường kỹ thuật tích hợp toàn diện do Siemens phát triển, đồng bộ cơ sở dữ liệu chung giữa cấu hình phần cứng PLC, thiết kế giao diện HMI/SCADA (WinCC), biến tần truyền động (Drive Control) và kiểm thử mô phỏng qua PLCSIM.

Phương pháp nghiên cứu trong đồ án kết hợp giữa phân tích kỹ thuật và mô phỏng thực nghiệm:

• Phương pháp khảo sát quy trình công nghệ: Phân tích các yêu cầu kỹ thuật của dây chuyền chiết rót, định vị mâm xoay, siết nắp chai và đóng thùng carton.
• Phương pháp tính toán và lựa chọn thiết bị: Căn cứ vào tải trọng, hành trình, tốc độ và điện áp công nghiệp để lựa chọn các mã thiết bị phần cứng điện - khí nén chuẩn hóa từ các nhà sản xuất công nghiệp.
• Phương pháp thiết kế thuật toán logic: Phân tích chu trình trạng thái theo thời gian và điều kiện liên động cảm biến, lập bảng quy hoạch địa chỉ vào/ra (I/O Mapping), xây dựng sơ đồ khối điều khiển cho chế độ tự động và chế độ cưỡng bức bằng tay.
• Phương pháp mô phỏng kiểm chứng (Simulation): Ứng dụng PLCSIM liên kết TIA Portal V15 và màn hình giao diện điều khiển để kiểm tra thuật toán logic, theo dõi phản hồi thời gian của các timer, counter và xử lý tình huống dừng khẩn cấp trước khi thi công phần cứng.

Nguồn tài liệu và dữ liệu kỹ thuật sử dụng trong đồ án dựa trên tài liệu hướng dẫn kỹ thuật phần cứng Siemens SIMATIC S7-1200, tiêu chuẩn động cơ điện TCVN 6627-1:2014 (tương đương IEC 60034-1:2010), catalogue kỹ thuật của hãng khí nén Airtac, thiết bị điện hạ thế Schneider Electric và thiết bị điều khiển IDEC.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc dây chuyền liên hoàn gồm 4 cụm chức năng chính: cấp phôi và chiết rót dung dịch, chuyển dịch mâm xoay định vị, dập/siết nắp chai tự động, và gom sản phẩm đóng thùng carton.

Bảng cấu hình và thông số kỹ thuật thiết bị lựa chọn

Khối chức năng	Tên thiết bị / Mã hiệu	Xuất xứ / Hãng	Thông số kỹ thuật chính
Điều khiển trung tâm	CPU S7-1200	Siemens	Nguồn cấp AC/DC/Relay hoặc DC/DC/DC; Bộ nhớ làm việc (Work memory) 50 KB, nạp (Load memory) 1 MB; Tích hợp 6 ngõ vào số (DI), 4 ngõ ra số (DQ), 2 ngõ vào tương tự (AI 0–10V); 1 khe mở rộng Signal Board (SB); Cổng truyền thông PROFINET/Ethernet.
Băng chuyền cấp	Băng tải xích nhựa / PU	Chế tạo công nghiệp	Bản rộng 190 mm; Dây băng tải xích nhựa Acetal/POM hoặc PU/PVC phẳng; Khung Inox 304 hoặc nhôm định hình; Dải tốc độ 5 – 30 m/phút; Thanh dẫn hướng giữ đứng chai hai bên.
Dẫn động băng tải	Motor giảm tốc Sungdo	Sungdo (Hàn Quốc)	Công suất 0.75 kW; Điện áp định mức 380V; Dòng điện 2.3A; Tần số 50Hz; Tiêu chuẩn MFG No. SH: K2403-0626; Chu kỳ làm việc 30 phút; Nhiệt độ môi trường làm việc 40°C.
Xoay vặn nắp chai	Động cơ điện Toàn Phát	Toàn Phát (Việt Nam)	Công suất 0.37 kW (0.5 HP); Điện áp một pha 220V; Tần số 50Hz; Cấp cách điện F; Cấp bảo vệ IP55; Tiêu chuẩn sản xuất TCVN 6627-1:2014 (IEC 60034-1:2010).
Nâng hạ đầu vặn nắp & cửa trượt	Xi lanh Airtac SC100x700	Airtac	Xi lanh khí nén thân tròn thanh đơn, tác động kép, có đệm cao su giảm chấn; Đường kính nòng (Bore) 100 mm; Hành trình (Stroke) 700 mm; Cổng khí PT 1/2" (ren 21 mm); Áp suất làm việc 0.5 ~ 10 bar; Áp suất kiểm chứng 1.6 bar.
Kẹp gắp sản phẩm	Xi lanh tay kẹp Airtac HFZ	Airtac	Xi lanh kẹp khí nén tác động kép; Đường kính piston Φ16 mm – Φ40 mm; Áp suất vận hành tối đa từ 0.7 MPa; Tần số hoạt động 60 – 180 chu kỳ/phút; Nhiệt độ làm việc -20°C ~ 70°C.
Cảm biến vị trí chai	Cảm biến quang E3F-5DN1-5L	Cảm biến quang thu phát riêng	Thân ren trụ M18; Điện áp nguồn cấp 12–30 VDC; Khoảng cách phát hiện từ 0.1 m đến 5 m; Ngõ ra kiểu NPN/PNP; Cấp bảo vệ chống thấm nước IP66; Chế độ chuyển mạch Light-On / Dark-On.
Cảm biến tiệm cận định vị	Cảm biến TXFM4-01NO	Cảm ứng từ kim loại	Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ bọc kim (Shielded); Thân ren trụ M4 bằng thép không gỉ; Điện áp 10–30 VDC; Khoảng cách phát hiện 1 mm; Tần số đáp ứng cao 5.0 kHz; Đấu nối 3 dây ngõ ra NPN NO.
Thiết bị điều khiển ngoài	Nút nhấn & Khóa chuyển mạch	Schneider Electric	Nút nhấn mở/dừng XA2EA31 và XA2EA42; Công tắc xoay chuyển mạch 2 vị trí XA2ED25 (chuyển đổi Auto/Manual).
Đèn báo trạng thái tủ	Đèn báo pha IDEC dòng YW	IDEC	Đèn báo màu xanh YW1P-1EQM3G 220V (báo ON và AUTO); Đèn báo màu đỏ YW1P-1EQM3R 220V (báo OFF và MAN); Đèn báo màu vàng YW1P-1EQM3Y 220V (báo lỗi hệ thống - FAULT).

Nguyên lý hoạt động và chu trình công nghệ

1. Cấp chai và chiết rót: Chai rỗng được cấp lên băng chuyền số 1. Khi chai đi vào khu vực chiết rót, cảm biến quang E3F-5DN1-5L phát hiện chai, phát tín hiệu dừng động cơ băng tải. Bơm định lượng kích hoạt bơm dung dịch vào chai trong khoảng thời gian duy trì chính xác 11 giây.
2. Vận chuyển chuyển tiếp qua mâm xoay: Sau khi hoàn tất 11 giây chiết rót, bơm ngắt, băng tải 1 và mâm xoay hoạt động để dịch chuyển chai thứ nhất sang vị trí cấp nắp, đồng thời đưa chai thứ hai vào vị trí đầu rót.
3. Đóng nắp chai: Khi chai thứ hai được nạp đầy dung dịch, mâm xoay tiếp tục xoay đưa chai thứ nhất sang vị trí đóng nắp. Cảm biến tiệm cận phát hiện vị trí phôi, kích hoạt xi lanh Airtac SC100x700 hạ cụm đầu vặn xuống, đồng thời cấp điện cho động cơ Toàn Phát (0.37 kW) quay để siết chặt nắp vào miệng chai. Trong cùng chu kỳ này, chai thứ hai vào vị trí lấy nắp, chai thứ ba vào vị trí chiết rót.
4. Xả chai và gom cụm: Khi chai thứ tư hoàn thành công đoạn chiết, mâm xoay dịch chuyển đưa chai thành phẩm thứ nhất ra băng chuyền số 2 (băng tải ra) đến vị trí chờ của xi lanh đẩy. Quá trình vận hành lặp lại tuần tự cho đến khi cảm biến đếm đủ 2 chai hoàn thiện, xi lanh đẩy ngang sẽ kích hoạt đưa 2 chai sang bàn chờ gom bao gói.
5. Đóng thùng carton: Bàn chờ tiếp tục nhận sản phẩm qua các chu kỳ đẩy. Khi cụm tích lũy đủ 6 chai thành phẩm, cơ cấu xi lanh kẹp khí nén Airtac HFZ kết hợp cánh tay gắp sẽ thực hiện chu trình gắp đồng thời 6 chai đưa vào thùng đóng gói. Cửa trượt và băng tải thùng di chuyển để hoàn tất một kiện hàng.
6. Chế độ an toàn: Dây chuyền vận hành liên tục cho đến khi người vận hành nhấn nút STOP. Trong trường hợp xảy ra kẹt phôi, quá tải hoặc nguy cơ mất an toàn, nút dừng khẩn (Emergency Stop) được nhấn sẽ ngắt toàn bộ đầu ra chấp hành ngay lập tức và kích hoạt đèn vàng báo lỗi (FAULT).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Mở đầu

Chương này nêu bật lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu tự động hóa các dây chuyền đóng gói chất lỏng công nghiệp. Tác giả xác định mục tiêu áp dụng dòng PLC cỡ nhỏ Siemens S7-1200 và phần mềm TIA Portal để xây dựng mô hình dây chuyền khép kín từ chiết rót, vặn nắp đến đóng gói. Chương này quy định chi tiết 3 nhóm đối tượng nghiên cứu (PLC S7-1200, cảm biến - cơ cấu chấp hành, TIA Portal), phân định ranh giới phạm vi phần cứng, phần mềm, đồng thời xác lập rõ các giới hạn: tập trung vào thuật toán điều khiển và mô phỏng giả lập bán thực tế cho một quy cách chai cố định, không đi sâu vào gia công cơ khí chính xác.

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Tác giả hệ thống hóa các kiến thức nền tảng của tự động hóa công nghiệp phục vụ thiết kế:

• Tổng quan hệ thống đóng chai: Quy trình 3 bước (chiết định lượng theo thời gian/thể tích/trọng lượng, siết nắp bằng khí nén/servo, đóng gói thứ cấp).
• Hệ thống SCADA: Cấu trúc 4 tầng, chức năng thu thập dữ liệu, giám sát từ xa, cảnh báo lỗi và lưu trữ xu hướng; so sánh các phần mềm SCADA công nghiệp như WinCC (Siemens), iFIX (GE Digital), Citect (Schneider Electric), Wonderware (AVEVA) và Ignition.
• Giao diện HMI: Vai trò hiển thị dữ liệu thời gian thực, gửi lệnh điều khiển, thống kê sự kiện lỗi; phân loại HMI cục bộ, HMI trung tâm và Web HMI; giới thiệu các dòng phần cứng HMI thông dụng (Siemens KTP/Comfort Panel, Schneider Magelis, Delta DOP, Weintek MT/cMT, Mitsubishi GOT).
• Bộ điều khiển PLC và phần mềm TIA Portal: Cấu tạo phần cứng PLC (CPU, bộ nhớ, module vào/ra, truyền thông, nguồn cấp), chu kỳ quét tín hiệu, 5 ngôn ngữ lập trình chuẩn hóa (LAD, FBD, ST, IL, SFC); phân tích ưu - nhược điểm của TIA Portal V15 và cấu trúc PLC Siemens SIMATIC S7-1200.
• Khí nén, cảm biến và băng chuyền: Cấu tạo và nguyên lý của xi lanh khí nén một chiều, hai chiều, xi lanh quay; phân loại cảm biến (quang điện, tiệm cận cảm ứng từ, mức, nhiệt độ, gia tốc); cấu tạo và ứng dụng của các loại băng chuyền (PVC, PU, xích nhựa, con lăn).

Chương III: Thiết kế hệ thống

Chương này triển khai lựa chọn phần cứng dựa trên bài toán công nghệ:

• Khối điều khiển trung tâm: Lựa chọn CPU PLC S7-1200 với bộ nhớ làm việc 50 KB, nạp 1 MB, tích hợp 6 DI/4 DQ và 2 AI, hỗ trợ mở rộng thẻ truyền thông và Signal Board.
• Khối băng tải: Chọn băng tải xích nhựa Acetal bản rộng 190 mm, khung inox 304, vận hành qua motor giảm tốc Sungdo 0.75 kW (380V, 2.3A, 50Hz, chu kỳ 30 phút).
• Khối cảm biến: Cảm biến quang thu phát riêng E3F-5DN1-5L (M18, dải đo 0.1–5m, IP66) dùng phát hiện chai trên băng tải; cảm biến tiệm cận cảm ứng từ TXFM4-01NO (thân M4 inox, khoảng cách 1mm, tần số 5.0 kHz) dùng xác định vị trí mâm xoay và hành trình cơ cấu dập nắp.
• Khối xi lanh và động cơ chấp hành: Chọn xi lanh kẹp Airtac HFZ (piston Φ16–Φ40 mm, áp suất 0.7 MPa) cho tay gắp đóng gói; xi lanh thân tròn Airtac SC100x700 (nòng 100mm, hành trình 700mm, áp suất 0.5–10 bar) cho cụm nâng hạ dập nắp và đẩy phôi; động cơ xoay vặn nắp Toàn Phát 0.37 kW (0.5 HP, 220V, IP55, chuẩn IEC 60034-1:2010).
• Hệ thống thao tác và hiển thị: Nút nhấn Schneider XA2EA, công tắc xoay 2 vị trí XA2ED25, cụm đèn báo IDEC 220V (màu xanh báo ON/AUTO, đỏ báo OFF/MAN, vàng báo FAULT).
• Xây dựng nguyên lý vận hành: Chu trình chiết rót định thời 11 giây, phối hợp mâm xoay đưa chai vào cơ cấu siết nắp, đẩy gom 2 chai và tay gắp chuyển 6 chai vào thùng carton.

Chương IV: Thi công mô phỏng hệ thống

Tác giả trình bày các sơ đồ thuật toán và kết quả mô phỏng phần mềm:

• Thuật toán điều khiển: Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống, sơ đồ khối chế độ chạy bằng tay (Manual) và chế độ tự động (Auto).
• Lập trình điều khiển trên TIA Portal: Thiết lập bảng địa chỉ I/O; viết chương trình điều khiển bằng ngôn ngữ sơ đồ thang (LAD). Cấu trúc mã lệnh phân chia thành chương trình chính (Main OB1) và các khối chương trình con chức năng: điều khiển băng tải vào/ra, điều khiển bơm định lượng, điều khiển mâm xoay chia độ, điều khiển xi lanh nâng hạ và động cơ xoay nắp, điều khiển xi lanh đẩy sản phẩm, điều khiển cánh tay gắp, điều khiển cửa trượt, và khối hàm đếm số lượng thùng sản phẩm.
• Thiết kế giao diện giám sát: Tạo lập giao diện đồ họa SCADA/HMI trên WinCC tích hợp trong TIA Portal, cho phép người vận hành chuyển đổi chế độ Auto/Man, kích hoạt chạy/dừng từng thiết bị riêng lẻ ở chế độ Manual, theo dõi trạng thái đóng/mở của các cảm biến, hiển thị chu trình chiết rót và số lượng thùng đã đóng.
• Chạy thử nghiệm và kiểm tra mô phỏng: Tải chương trình vào PLC ảo thông qua PLCSIM, kích hoạt giám sát trực tuyến (Go Online & Diagnostic), kiểm tra sự đồng bộ tín hiệu ngõ vào/ra và xác nhận hoạt động ổn định của chu trình liên hoàn.

Chương V: Kết luận và hướng phát triển cho đề tài

Tổng kết các nội dung đã hoàn thành: thiết kế thành công kiến trúc điều khiển, thuật toán chương trình cho hệ thống chiết rót - dập nắp - đóng gói 6 chai/thùng; hoàn thiện giao diện giám sát mô phỏng trên TIA Portal V15 kết nối PLC S7-1200. Tác giả đồng thời nêu ra các định hướng phát triển nhằm đưa mô hình thử nghiệm vào ứng dụng thực tế.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể theo đúng các số liệu và giải pháp ghi nhận trong văn bản:

• Xây dựng hoàn chỉnh thuật toán điều khiển tuần tự và lập trình điều khiển thành công trên TIA Portal V15 cho dây chuyền 4 công đoạn khép kín.
• Thiết lập chu trình chiết rót tự động với thời gian định lượng 11 giây, kết hợp liên động khóa logic an toàn: ngắt bơm khi không có chai, mâm xoay chỉ quay khi quá trình rót kết thúc, cơ cấu dập nắp chỉ tác động khi chai vào đúng vị trí cảm biến.
• Hiện thực hóa cơ chế tích lũy sản phẩm: cơ cấu xi lanh đẩy kích hoạt gom đủ cụm 2 chai, và cơ cấu tay kẹp khí nén (Airtac HFZ) gắp đúng 6 chai thành phẩm xếp vào thùng carton đóng gói.
• Xây dựng giao diện SCADA mô phỏng hiển thị trực quan toàn bộ hệ thống, tích hợp hai chế độ vận hành (Auto và Manual), quản lý hệ thống đèn báo tín hiệu 3 màu (xanh, đỏ, vàng) và nút nhấn công nghiệp chuẩn Schneider/IDEC.
• Cấu hình hoàn chỉnh phần cứng với CPU S7-1200, kết nối truyền thông công nghiệp PROFINET qua môi trường mô phỏng PLCSIM, phục vụ kiểm thử không cần phần cứng thực tế.

Về mặt đóng góp kỹ thuật, đề tài cung cấp một tài liệu thiết kế hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh ở cấp độ đồ án tốt nghiệp kỹ sư: từ việc tính toán, chọn lựa thiết bị công nghiệp có mã hiệu thực tế (Airtac, Sungdo, Toàn Phát, Schneider, IDEC) đến phương pháp module hóa chương trình PLC trong TIA Portal, giúp người học tiếp cận phương pháp luận điều khiển liên hoàn trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung đồ án và các vấn đề do cán bộ phản biện nêu ra tại phiếu chấm, đề tài còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

• Hệ thống mới dừng lại ở mức độ thiết kế và chạy mô phỏng trên phần mềm TIA Portal (PLCSIM), chưa được gia công chế tạo cơ khí hoàn chỉnh và vận hành trên mô hình vật lý thực tế.
• Thiết kế chỉ áp dụng cho một dòng bao bì chai lọ có kích thước cố định; chưa có cơ cấu tự động căn chỉnh kích thước, cơ cấu cấp nắp tự động hoặc thay đổi khuôn theo các kích cỡ vỏ chai và quy cách thùng khác nhau.
• Đồ án chưa nghiên cứu sâu về động học cơ khí và kết cấu gia công khung vỏ máy mà chỉ tập trung vào mạch điện và chương trình điều khiển.
• Vấn đề kiểm soát sai số chiết rót: Phương pháp định lượng trong đồ án hoàn toàn dựa trên định thời gian (timer 11 giây). Đồ án chưa tích hợp giải thuật tính toán bù áp lực khí nén hoặc bù dòng chảy khi mức chất lỏng trong bồn chứa thay đổi, chưa đưa ra giải pháp kỹ thuật để đảm bảo sai số chiết rót nằm trong giới hạn công nghiệp khắt khe (chẳng hạn mức sai số ±2%).
• Vấn đề xử lý sản phẩm lỗi: Sơ đồ thuật toán tại lưu đồ hình 4.3 chưa xây dựng nhánh xử lý khi phát hiện chai bị lỗi tại khâu dập nắp (như nắp lệch, hỏng ren); hệ thống chưa có cơ cấu gạt/loại bỏ phế phẩm độc lập để tránh việc phải dừng toàn bộ dây chuyền sản xuất.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả và hội đồng đề xuất:

• Mở rộng cơ cấu phần cứng: Gia công mô hình thực tế, tích hợp màn hình cảm ứng HMI phần cứng (dòng Siemens KTP hoặc Comfort Panel) đặt tại tủ điều khiển hiện trường.
• Nâng cấp giải thuật điều khiển: Ứng dụng cảm biến đo lưu lượng (Flow meter) hoặc loadcell cân trọng lượng để kiểm soát sai số chiết rót tự động; bổ sung thuật toán kiểm tra nắp lỗi và điều khiển tay gạt phân loại phế phẩm tự động trên băng chuyền ra mà không làm gián đoạn chu trình chính.
• Mở rộng chức năng dây chuyền: Tích hợp thêm máy in phun hạn sử dụng, dán nhãn tự động và dán băng dính đáy thùng carton.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

• Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử đang thực hiện đồ án môn học PLC, đồ án SCADA hoặc khóa luận tốt nghiệp về dây chuyền sản xuất tự động.
• Kỹ sư thiết kế tự động hóa mới vào nghề cần mẫu tài liệu quy hoạch địa chỉ I/O, cấu hình mạng PROFINET trên TIA Portal và lập trình điều khiển mâm xoay kết hợp băng tải.
• Các phần đáng tham khảo nhất trong tài liệu:
  • Bảng chọn lựa và tra cứu thông số thiết bị công nghiệp tại Chương III (đầy đủ thông số động cơ Sungdo, động cơ Toàn Phát, xi lanh Airtac SC, xi lanh tay kẹp HFZ, cảm biến quang M18 và tiệm cận M4).
  • Thuật toán phân chia chương trình con (Subroutines/Function Blocks) tại Chương IV, xử lý riêng biệt từng trạm thao tác (bơm 11s, mâm xoay, siết nắp, đẩy 2 chai, gắp 6 chai) giúp mã nguồn mạch lạc và dễ mở rộng.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng phương pháp nào để định lượng chất lỏng vào chai và thời gian chiết rót là bao lâu?

Theo thiết kế tại Chương III của đồ án, hệ thống sử dụng phương pháp chiết rót định lượng theo thời gian thông qua việc điều khiển bơm/van điện từ. Khi cảm biến quang E3F-5DN1-5L phát hiện có chai đi vào vị trí, băng tải sẽ dừng và bơm được kích hoạt liên tục trong thời gian 11 giây để đổ đầy chai trước khi mâm xoay chuyển bước.

2. Dây chuyền thực hiện cơ chế đóng gói bao nhiêu chai vào một thùng carton?

Dây chuyền thực hiện đóng gói theo cơ chế hai cấp gom sản phẩm: trước tiên, xi lanh đẩy sẽ gom đủ 2 chai hoàn thiện từ băng tải ra đẩy sang bàn chờ; chu trình này lặp lại cho đến khi tích lũy đủ 6 chai tại bàn chờ thì cơ cấu cánh tay gắp sử dụng xi lanh kẹp khí nén Airtac HFZ sẽ gắp đồng thời cả 6 chai đặt vào thùng carton.

3. Tại sao hệ thống lại sử dụng kết hợp cả hai loại cảm biến quang điện và cảm biến tiệm cận?

Hai loại cảm biến được phân chia theo đặc tính vật lý của đối tượng phát hiện:

• Cảm biến quang điện E3F-5DN1-5L (dải đo 0.1–5m) được sử dụng để phát hiện sự xuất hiện của chai/vỏ bình trên băng chuyền cấp và băng chuyền xả nhờ nguyên lý phản xạ ánh sáng, không phụ thuộc vào vật liệu kim loại của chai.
• Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ TXFM4-01NO (thân M4, khoảng cách phát hiện 1mm, tần số 5.0 kHz) được dùng để xác định vị trí cơ khí chính xác của các chi tiết kim loại trên mâm xoay chia độ và hành trình nâng hạ của cơ cấu dập nắp.

4. Động cơ siết nắp chai và xi lanh nâng hạ cụm nắp sử dụng loại thiết bị nào, thông số ra sao?

Cụm siết nắp sử dụng cơ cấu phối hợp giữa khí nén và động cơ điện:

• Chuyển động nâng hạ tịnh tiến thực hiện bởi xi lanh khí nén Airtac SC100x700 tác động kép (đường kính nòng 100 mm, hành trình 700 mm, áp lực vận hành 0.5 ~ 10 bar).
• Chuyển động xoay siết chặt nắp được thực hiện bởi động cơ điện Toàn Phát công suất 0.37 kW (0.5 HP), điện áp một pha 220V/50Hz, cấp bảo vệ IP55, đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 6627-1:2014 (IEC 60034-1:2010).

5. Cán bộ phản biện đã chỉ ra những vấn đề kỹ thuật trọng tâm nào cần khắc phục trong thuật toán điều khiển của đồ án?

Cán bộ phản biện đã nêu ra 3 vấn đề kỹ thuật lớn:

• Xem lại lưu đồ hình 4.3 về khối xác định không lỗi (thiếu nhánh so sánh đúng/sai) và yêu cầu giải thích cơ chế PLC xử lý các tập lệnh song song phía sau khối này.
• Yêu cầu xây dựng giải pháp điều khiển PLC để phát hiện và loại bỏ sản phẩm lỗi tại khâu dập nắp (như lệch nắp) mà không làm dừng toàn bộ dây chuyền sản xuất.
• Yêu cầu phương án tính toán, kiểm soát áp lực khí nén và thời gian đóng mở van chiết nhằm đảm bảo sai số lượng dung dịch chiết rót luôn trong giới hạn cho phép (±2%) thay vì chỉ đếm thời gian cố định.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Cao Ngọc Sơn và Trần Quang Tá đã hoàn thành việc thiết kế kỹ thuật và mô phỏng hệ thống tự động hóa chiết rót, dập nắp và đóng gói sản phẩm 6 chai/thùng sử dụng PLC Siemens S7-1200 trên phần mềm TIA Portal V15. Nghiên cứu đã đưa ra các bảng thông số kỹ thuật chi tiết cho các thiết bị công nghiệp thực tế gồm băng tải, motor giảm tốc Sungdo, động cơ siết nắp Toàn Phát, hệ thống xi lanh khí nén Airtac và các cảm biến công nghiệp. Dù còn một số hạn chế về mặt kiểm soát sai số chiết rót và phân loại phế phẩm tự động trên mô hình thực nghiệm, công trình thể hiện cấu trúc thiết kế logic rõ ràng, đáp ứng tốt các yêu cầu học thuật của đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Trong bối cảnh nền công nghiệp hiện đại đang ngày càng phát triển, yêu cầu về năng suất, độ chính xác và an toàn trong sản xuất cũng ngày càng cao. Đặc biệt, trong ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và hóa mỹ phẩm, các công đoạn như chiết rót, dập nắp và đóng gói sản phẩm đòi hỏi phải được tự động hóa nhằm đảm bảo tính đồng đều, vệ sinh và tiết kiệm chi phí nhân công.Việc áp dụng hệ thống điều khiển tự động sử dụng PLC vào dây chuyền sản xuất là một xu hướng tất yếu trong quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa. PLC (Programmable Logic Controller) có khả năng điều khiển chính xác, xử lý nhanh, dễ dàng lập trình và mở rộng, rất phù hợp cho các ứng dụng điều khiển liên hoàn, phức tạp.

Trong các dòng PLC hiện nay, PLC S7- 1200 của Siemens nổi bật nhờ vào khả năng điều khiển mạnh mẽ, tích hợp nhiều tính năng hiện đại như: Giao tiếp truyền thông qua Ethernet, điều khiển ngõ vào/ra số và tương tự, khả năng mở rộng mô-đun, hỗ trợ lập trình và mô phỏng trực quan thông qua phần mềm TIA Portal. Những tính năng này giúp việc triển khai một hệ thống điều khiển cho dây chuyền chiết rót – dập nắp – đóng gói trở nên hiệu quả và chuyên nghiệp hơn. Xuất phát từ nhu cầu thực tế và định hướng nâng cao năng lực ứng dụng công nghệ trong công nghiệp, đề tài "Thiết kế và điều khiển hệ thống chiết rót, dập nắp và đóng gói sản phẩm sử dụng PLC S7-1200" được lựa chọn làm đồ án tốt nghiệp. Đề tài nhằm mục tiêu xây dựng một mô hình điều khiển tự động cho dây chuyền sản xuất, góp phần giúp sinh viên tiếp cận và thực hành với các công nghệ điều khiển hiện đại đang được sử dụng phổ biến trong các nhà máy sản xuất hiện nay.2 Mục Tiêu Thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống chiết rót, dập nắp và đóng gói sản phẩm theo quy trình thực tế, đảm bảo hoạt động liên hoàn, chính xác và ổn định.

Ứng dụng PLC S7-1200 để điều khiển toàn bộ hệ thống, từ các thao tác chiết rót định lượng, dập nắp đến đóng gói sản phẩm, đảm bảo đúng trình tự và logic vận hành. Lập trình điều khiển trên phần mềm TIA Portal, sử dụng các khối hàm, cấu trúc lập trình rõ ràng, có khả năng dễ dàng sửa đổi và mở rộng trong tương lai. Tích hợp cảm biến, cơ cấu chấp hành (van, xi lanh khí nén, động cơ,…) vào hệ thống, giúp quá trình vận hành diễn ra hoàn toàn tự động và an toàn. Mô phỏng và kiểm tra hoạt động của hệ thống trong môi trường giả lập trước khi triển khai trên mô hình thực tế nhằm hạn chế lỗi và đảm bảo hiệu quả điều khiển.

1 Nâng cao kỹ năng thiết kế, lập trình và triển khai hệ thống điều khiển tự động, đồng thời rèn luyện khả năng tư duy logic, giải quyết vấn đề và làm việc nhóm cho sinh viên. Đối Tượng Nghiên Cứu Bộ điều khiển trung tâm – PLC S7-1200 Là thiết bị chính điều khiển toàn bộ quá trình vận hành của hệ thống. Nghiên cứu cách lập trình, khai báo các tín hiệu đầu vào/ra, thiết lập trình tự hoạt động cho từng giai đoạn trong dây chuyền (chiết rót, dập nắp, đóng gói). Giao tiếp và xử lý tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi như cảm biến, nút nhấn, van điện từ, động cơ,.

Hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành Cảm biến tiệm cận: Phát hiện vị trí chai/lọ tại các vị trí định sẵn (điểm chiết, điểm dập nắp, điểm đóng gói). Cảm biến mức: Kiểm tra mức đầy trong chai (nếu cần).