Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa quá trình sản xuất đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao năng suất lao động, ổn định chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa giá thành. Trong các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, dược phẩm, dầu khí, và đặc biệt là ngành sản xuất nước giải khát, rượu bia, các dây chuyền chiết rót và đóng nắp tự động yêu cầu độ chính xác và tính liên tục cao. Bộ điều khiển logic lập trình được (PLC) trở thành giải pháp điều khiển tiêu chuẩn nhờ các ưu điểm: kết cấu nhỏ gọn, khả năng chịu đựng môi trường công nghiệp (chống rung, nhiệt, ẩm, nhiễu), độ ổn định cao, cấu trúc mạch điều khiển linh hoạt và lập trình thuận tiện so với các hệ thống điều khiển rơle truyền thống.

Đề tài khóa luận tốt nghiệp kỹ sư ngành Tự động điều khiển tại Đại học Tôn Đức Thắng (thực hiện năm 2008) được thực hiện với nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế và thi công hệ thống: "Mô hình chiết nước giải khát tự động".

Nhiệm vụ nghiên cứu và thực hiện của đề tài bao gồm 3 yêu cầu cụ thể:

  1. Thiết kế và thi công mô hình phần cứng cơ khí - điện của hệ thống chiết rót nước giải khát tự động.
  2. Lập trình điều khiển toàn bộ chu trình hoạt động tự động của hệ thống bằng PLC Siemens S7-200.
  3. Lập trình cảnh báo và xử lý sự cố trong quá trình vận hành hệ thống.
  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ chiết rót - cấp nắp - đóng nắp chai nước giải khát và bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-200 (CPU 226).
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm bao gồm băng tải, cơ cấu cấp phôi chai, cụm 02 vòi bơm chiết rót, cơ cấu cấp nắp, cơ cấu dập đóng nắp, cơ cấu phân loại/gạt sản phẩm vào khay chứa, cùng hệ thống cảm biến quang và rơle trung gian.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động quá trình rời rạc và kỹ thuật lập trình điều khiển logic công nghiệp.

  • Cơ sở lý thuyết và công nghệ:

    • Lý thuyết về cấu trúc phần cứng và nguyên lý hoạt động của PLC: chu kỳ quét (Scan Cycle) từ 10–50 ms bao gồm các giai đoạn đọc dữ liệu đầu vào vào bộ đệm ảo, thực thi vòng quét chương trình chính (OB1), thực hiện truyền thông/kiểm lỗi, và xuất dữ liệu từ bộ đệm ảo ra các ngõ ra vật lý.
    • Cấu trúc tổ chức vùng nhớ của PLC Siemens S7-200 CPU 226: bộ nhớ chương trình (16 KB), bộ nhớ dữ liệu (10 KB), vùng nhớ biến ($V$), ngõ vào/ra số ($I$, $Q$), vùng nhớ nội ($M$), vùng nhớ đặc biệt ($SM$), vùng đối tượng đếm ($C$), định thời ($T$), bộ đếm tốc độ cao ($HC$), ngõ vào/ra tương tự ($AIW$, $AQW$), và thanh ghi tích lũy ($AC0$–$AC3$).
    • Phương pháp lập trình đồ họa hình thang (Ladder Logic - LAD) kết hợp tập lệnh Statement List (STL) trên phần mềm STEP 7-Micro/WIN; cấu trúc chương trình phân cấp gồm chương trình chính (MAIN), chương trình con (SBR), và chương trình phục vụ ngắt (INT).
    • Nguyên lý hoạt động của cảm biến thu phát quang phát hiện vật cản (ngõ ra transistor dạng Dark/Light) và nguyên lý điều khiển truyền động động cơ một chiều (DC 24V).

  • Phương pháp nghiên cứu thực hiện:

    • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Nghiên cứu tài liệu kỹ thuật của dòng PLC Siemens S7-200 CPU 226, tập lệnh logic, bộ định thời (TON, TONR, TOF), bộ đếm (CTU, CTD, CTUD, High-Speed Counter HSC) và các hàm chức năng.
    • Phương pháp thiết kế hệ thống: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện động lực và điều khiển, phân bổ địa chỉ I/O, lựa chọn thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành phù hợp điện áp và công suất.
    • Phương pháp thực nghiệm - thi công: Gia công lắp ráp mô hình vật lý cơ khí (băng chuyền, thanh cản, van kẹp, đầu dập nắp), đấu nối dây tín hiệu, nạp chương trình điều khiển từ máy tính qua cáp truyền thông PC/PPI (RS-232/RS-485) và chạy thử nghiệm hiệu chỉnh thuật toán điều khiển.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển và chấp hành của mô hình chiết nước giải khát tự động được xây dựng từ các thành phần thiết bị với thông số kỹ thuật chi tiết như sau:

Thiết bị / Khối chức năng Mã hiệu / Quy cách Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Khối điều khiển trung tâm Siemens S7-200 CPU 226 AC/DC/Relay Nguồn cấp 100–230 VAC (50/60 Hz), dòng tải tối đa 2A; 24 ngõ vào số (24 VDC), 16 ngõ ra rơle; thời gian thực hiện lệnh bit 0.37 $\mu$s; 02 cổng RS-485 Tiếp nhận tín hiệu cảm biến, xử lý logic điều khiển chu trình và xuất lệnh điều khiển chấp hành
Cảm biến phát hiện Cảm biến quang (03 bộ) Điện áp nguồn 12–24 VDC; ngõ ra 0V/12VDC; dòng định mức 20 mA; khoảng cách phát hiện 20 cm; 3 dây (2 nguồn, 1 tín hiệu) - CB_BƠM: Phát hiện chai vào vị trí chiết rót
- CB_NẮP: Phát hiện chai tại vị trí đóng nắp
- SẢN_PHẨM: Đếm số lượng sản phẩm vào khay
Động cơ bơm chiết rót Động cơ bơm DC (02 bộ) Nguồn 24 VDC; dòng 0.49 A; công suất 5 W; lưu lượng tối đa 14 lít/phút; cột áp tối đa 2.6 m Bơm chất lỏng định lượng trực tiếp vào 02 chai đồng thời
Động cơ chấp hành cơ cấu Động cơ điện 24 VDC (04 bộ) Nguồn 24 VDC - Động cơ 1: Truyền động băng tải (BTR)
- Động cơ 2: Điều khiển cơ cấu cản chai số 1 (CẢN_1)
- Động cơ 3: Dập cơ cấu đóng nắp (ĐÓNG_NẮP)
- Động cơ 4: Điều khiển thanh gạt sản phẩm (CẢN_2)
Rơle trung gian Rơle 24 VDC Cuộn hút 24 VDC / 5 A; tiếp điểm định mức 5 A (28 VDC / 220 VAC); cấu hình 2 tiếp điểm thường đóng (NC), 2 thường hở (NO) Cách ly tín hiệu ngõ ra PLC và đóng cắt nguồn động lực cho các động cơ DC
Khối cấp nguồn Nguồn đôi - Nguồn xoay chiều 220 VAC
- Bộ nguồn một chiều 24 VDC		 - 220 VAC cấp nguồn nuôi PLC CPU 226
- 24 VDC cấp nguồn cho cảm biến, rơle và động cơ DC

Chu trình vận hành và nguyên lý hoạt động

Hệ thống vận hành theo quy trình tuần tự liên động:

  1. Khởi tạo: Cấp nguồn cho PLC và khối động lực. Ở trạng thái ban đầu, băng chuyền (BTR) và 2 bơm ngừng hoạt động; cơ cấu CẢN_1 ở vị trí thuận (chặn đường chai); khâu bỏ nắp đã nạp sẵn nắp; cơ cấu ĐÓNG_NẮP ở vị trí trên cao; cơ cấu CẢN_2 ở trạng thái mở tiếp nhận.
  2. Giai đoạn cấp chai và chiết rót: Nhấn nút START, băng chuyền BTR hoạt động đưa chai vào. Khi cảm biến CB_BƠM ghi nhận đủ 02 chai nằm sát nhau, băng chuyền tạm dừng, động cơ BƠM_1 và BƠM_2 đồng thời kích hoạt bơm nước vào chai theo thời gian định sẵn.
  3. Giai đoạn chuyển tiếp và cấp nắp: Khi bơm hoàn tất, CẢN_1 chuyển sang trạng thái nghịch (thu lại) để 02 chai đã chiết nước đi tiếp, đồng thời giữ các chai phía sau lại. Sau khi 02 chai qua khỏi, CẢN_1 trả về trạng thái thuận đón lượt tiếp theo. Chai chạy ngang qua khâu bỏ nắp, cơ cấu thả tự động định vị nắp lên miệng chai.
  4. Giai đoạn đóng nắp và lưu kho: Khi chai có nắp di chuyển đến vị trí dập, cảm biến CB_NẮP phát hiện vật thể, kích hoạt cơ cấu ĐÓNG_NẮP hạ xuống dập chặt nắp vào miệng chai.
  5. Giai đoạn hoàn tất: Sau khi đóng nắp xong, cơ cấu CẢN_2 gạt chai thành phẩm vào khay chứa. Cảm biến SẢN_PHẨM ghi nhận và tăng biến đếm số lượng. Quy trình lặp lại liên tục cho đến khi người vận hành nhấn PAUSE hoặc STOP.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN MÔ HÌNH CHIẾT NƯỚC GIẢI KHÁT TỰ ĐỘNG

Chương I trình bày cơ sở lý luận, tính cấp thiết của việc tự động hóa trong sản xuất công nghiệp và các yêu cầu kỹ thuật đặt ra cho đề tài. Tác giả khái quát nguyên lý điều khiển dây chuyền chiết rót liên hoàn qua các trạm chức năng (cấp chai $\rightarrow$ chiết rót $\rightarrow$ cấp nắp $\rightarrow$ dập nắp $\rightarrow$ chuyển khay thành phẩm) và định hướng giải pháp kỹ thuật sử dụng PLC họ S7-200 làm trung tâm xử lý dữ liệu, liên kết với các cảm biến quang học và hệ thống cơ cấu cản, gạt.

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH

Chương II mô tả thông số kỹ thuật, cấu tạo và đặc tính hoạt động của toàn bộ thiết bị phần cứng được tích hợp vào mô hình:

  • Phân tích chi tiết PLC Siemens S7-200 CPU 226 AC/DC/Relay: kích thước ($196 \times 80 \times 62\text{ mm}$), trọng lượng ($660\text{ g}$), công suất tiêu thụ ($3\text{ W}$), cấu trúc 24 đầu vào DC / 16 đầu ra Rơle, 2 cổng truyền thông RS-485, dải thời gian các nhóm Timer và bộ đếm 32-bit.
  • Thông số kỹ thuật của 03 cảm biến quang học (tầm quét $20\text{ cm}$, ngõ ra logic $0/12\text{VDC}$), 02 động cơ bơm chiết nước ($24\text{VDC} - 5\text{W}$, lưu lượng $14\text{ lít/phút}$), 04 động cơ chấp hành DC điều khiển băng tải và các cơ cấu cản/gạt.
  • Đặc tính rơle trung gian cách ly $24\text{VDC}/5\text{A}$ và giải pháp cấp nguồn kép ($220\text{VAC}$ cho CPU và $24\text{VDC}$ cho hệ thống ngoại vi).

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 VÀ TẬP LỆNH

Chương III tổng hợp lý thuyết điều khiển lập trình trên nền tảng PLC Siemens S7-200:

  • Cấu trúc phần cứng PLC, các đèn chỉ thị trạng thái (SF, RUN, STOP, Ix, Qx), các chế độ công tắc gạt (RUN, STOP, TERM), chuẩn truyền thông PC/PPI và tốc độ truyền 9600 baud.
  • Kiến trúc bộ nhớ: phân định vùng chương trình, vùng tham số, vùng dữ liệu ($I, Q, M, SM, V$) và vùng đối tượng ($C, T, HC, AI, AQ, AC, L$). Các chế độ truy xuất dữ liệu theo bit, byte, từ đơn (Word), từ kép (Double Word), truy cập trực tiếp và gián tiếp bằng con trỏ địa chỉ (&, *).
  • Bảng chức năng các bit nhớ đặc biệt: SM0.0 (luôn ON), SM0.1 (ON trong chu kỳ quét đầu tiên), SM0.4 (xung chu kỳ 1 phút), SM0.5 (xung chu kỳ 1 giây), các cờ báo tràn và lỗi tính toán toán học (SM1.0–SM1.3).
  • Nguyên lý thực thi vòng quét chương trình, cấu trúc phân đoạn giữa chương trình chính (OB1), chương trình con (SBR), chương trình ngắt (INT).
  • Hệ thống tập lệnh hoàn chỉnh trong ngôn ngữ LAD và STL: các lệnh tiếp điểm logic cơ bản (NO, NC, NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR), lệnh bắt sườn xung cạnh lên/cạnh xuống (P, N), lệnh gán ngõ ra, lệnh ghi nhớ/xóa trạng thái (Set/Reset), khối hàm định thì (TON, TONR, TOF), khối hàm đếm xung (CTU, CTD, CTUD, HSC), các lệnh toán học số nguyên/số thực, chuyển đổi kiểu dữ liệu (B_I, I_DI, DI_R, BCD, ASCII, LED 7 đoạn), các lệnh logic xử lý bit, lệnh dịch/quay thanh ghi và lệnh điều khiển luồng (FOR/NEXT, JMP/LBL, CALL/RET, END, STOP).

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH CHIẾT NƯỚC GIẢI KHÁT TỰ ĐỘNG

Chương IV trình bày toàn bộ quá trình hiện thực hóa mô hình thực tế:

  • Bản vẽ tổng quan bố trí cơ khí mô hình chiết nước giải khát.
  • Phân tích chi tiết lưu trình và nguyên lý hoạt động phối hợp giữa các cơ cấu chấp hành (BTR, BƠM_1, BƠM_2, CẢN_1, ĐÓNG_NẮP, CẢN_2) và các cảm biến (CB_BƠM, CB_NẮP, SẢN_PHẨM).
  • Thiết kế sơ đồ mạch điện điều khiển và sơ đồ đấu nối I/O với CPU 226.
  • Xây dựng thuật toán và mã chương trình điều khiển ứng dụng trên phần mềm STEP 7-Micro/WIN.
  • Tổng kết kết quả thực nghiệm thi công mô hình và đánh giá các nội dung đã hoàn thành.

CHƯƠNG V: TÀI LIỆU THAM KHẢO

Liệt kê danh mục các tài liệu, giáo trình kỹ thuật và cẩm nang hướng dẫn lập trình PLC S7-200 được sử dụng trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả đạt được:

    • Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình vật lý chiết rót và đóng nắp chai nước giải khát tự động hoạt động đồng bộ, đáp ứng đúng yêu cầu công nghệ đặt ra.
    • Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển phân chia rõ ràng giữa mạch nguồn 220 VAC và nguồn điều khiển 24 VDC, đảm bảo an toàn và chống nhiễu cho CPU 226.
    • Lập trình điều khiển thành công chu trình tự động khép kín trên phần mềm STEP 7-Micro/WIN: phát hiện 02 chai $\rightarrow$ dừng băng chuyền $\rightarrow$ kích hoạt đồng thời 02 vòi bơm định lượng $\rightarrow$ nhả cơ cấu cản $\rightarrow$ cấp nắp tự động $\rightarrow$ dập đóng nắp $\rightarrow$ gạt sản phẩm vào khay và đếm thành phẩm.
    • Tích hợp các khối lệnh xử lý an toàn, cho phép dừng khẩn cấp hoặc tạm dừng hệ thống khi xảy ra sự cố.

  • Đóng góp của đồ án:

    • Cung cấp mô hình thực hành thí nghiệm trực quan, kết nối chặt chẽ giữa lý thuyết lập trình điều khiển logic PLC S7-200 và các cơ cấu cơ điện tử thực tế (băng tải, bơm định lượng, cơ cấu chấp hành khí cụ điện, cảm biến quang).
    • Chuẩn hóa tài liệu thuyết minh kỹ thuật chi tiết về phần cứng CPU 226 và tập lệnh lập trình mở rộng của dòng PLC S7-200, làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Tự động điều khiển.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Mô hình dừng lại ở mức độ thực nghiệm quy mô nhỏ, sử dụng các động cơ bơm công suất nhỏ ($5\text{ W}$) và cơ cấu dập nắp đơn giản.
    • Hệ thống chiết rót dựa trên nguyên lý định lượng theo thời gian (Timer) thay vì định lượng theo thể tích hoặc khối lượng (sử dụng loadcell/cảm biến mức tương tự).
    • Chưa tích hợp giao diện giám sát và thu thập dữ liệu (HMI hoặc SCADA) trên máy tính để theo dõi trạng thái vận hành trực quan từ xa.

  • Hướng phát triển đề tài:

    • Tích hợp thêm màn hình cảm ứng HMI hoặc phần mềm SCADA trên PC kết nối qua cổng truyền thông RS-485 (giao thức PPI/MPI hoặc mở rộng Profibus qua module EM 277) để giám sát và điều khiển dây chuyền.
    • Nâng cấp hệ thống định lượng bằng cảm biến lưu lượng hoặc cảm biến đo mức tương tự (Analog Input qua module mở rộng EM 235) để nâng cao độ chính xác khi chiết rót.
    • Mở rộng thêm khâu dán nhãn tự động và đóng thùng sản phẩm ở cuối dây chuyền.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo trực tiếp cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Điện – Điện tử: Nắm vững phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển tự động, kỹ thuật đấu nối phần cứng I/O cho PLC Siemens họ S7-200 (CPU 226), và phương pháp lập trình tuần tự trên phần mềm STEP 7-Micro/WIN.
  • Người thực hiện các đề tài/dự án tương tự: Tham khảo cấu trúc chương III với hệ thống tra cứu tập lệnh LAD/STL, bảng bit nhớ đặc biệt ($SM$), nguyên lý quét vòng, kỹ thuật truy cập bộ nhớ trực tiếp/gián tiếp qua con trỏ, và giải pháp phối hợp các cảm biến quang với cơ cấu cơ khí chấp hành.

Câu hỏi thường gặp

1. PLC được sử dụng trong mô hình là loại nào và có những đặc điểm phần cứng gì nổi bật?
Đề tài sử dụng bộ điều khiển lập trình Siemens S7-200 CPU 226 AC/DC/Relay. Thiết bị tích hợp 24 ngõ vào số (24 VDC), 16 ngõ ra rơle, 2 cổng truyền thông RS-485, bộ nhớ chương trình 16 KB, bộ nhớ dữ liệu 10 KB, hỗ trợ 6 bộ đếm tốc độ cao (HSC) tần số 30 kHz và cho phép mở rộng tối đa 7 module chức năng.

2. Hệ thống sử dụng bao nhiêu cảm biến quang và chúng được bố trí tại các vị trí nào?
Mô hình sử dụng 03 cảm biến quang (nguồn cấp 12–24 VDC, tầm nhìn 20 cm) tại các vị trí:

  • CB_BƠM: Bố trí tại vị trí bơm để phát hiện và đếm đủ 02 chai trước khi chiết nước.
  • CB_NẮP: Bố trí tại vị trí dập nắp để kích hoạt cơ cấu đóng nắp khi chai đi tới.
  • SẢN_PHẨM: Bố trí tại khay chứa để đếm số lượng chai thành phẩm đã hoàn thành.

3. Cơ cấu chiết rót hoạt động theo nguyên tắc nào khi phát hiện có chai?
Khi băng chuyền đưa chai đến vị trí bơm và cảm biến CB_BƠM đếm đủ 02 chai nằm sát nhau, băng chuyền sẽ tạm dừng. Đồng thời, 02 động cơ bơm (công suất 5W, lưu lượng 14 l/min) được kích hoạt để chiết nước đồng thời vào cả 2 chai qua vòi bơm. Khi bơm hoàn tất, cơ cấu CẢN_1 chuyển trạng thái để cho 2 chai này đi tiếp và cản các chai phía sau lại.

4. Khâu bỏ nắp và đóng nắp trong mô hình được thực hiện như thế nào?
Khâu bỏ nắp được thiết kế thụ động: nắp được sắp sẵn phía trên và tự động đặt lên miệng chai khi chai di chuyển ngang qua. Sau đó, chai tiếp tục di chuyển đến trạm đóng nắp; khi cảm biến CB_NẮP phát hiện chai, cơ cấu ĐÓNG_NẮP được kích hoạt dập nắp ép chặt vào miệng chai, sau đó cơ cấu CẢN_2 gạt chai thành phẩm vào khay chứa.

5. Chương trình điều khiển trên PLC S7-200 được tổ chức theo cấu trúc nào?
Chương trình được lập trình bằng phần mềm STEP 7-Micro/WIN với cấu trúc phân cấp gồm 3 phần: Chương trình chính (MAIN/OB1) thực hiện tuần tự theo từng vòng quét của CPU; các chương trình con (SBR) được gọi theo điều kiện để thực thi các tác vụ lặp lại; và các chương trình phục vụ ngắt (INT) được hệ thống kích hoạt tự động khi xuất hiện sự kiện ngắt định trước.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lưu Thế Hiển đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và thi công "Mô hình chiết nước giải khát tự động" điều khiển bằng PLC Siemens S7-200 CPU 226. Tác giả đã hệ thống hóa chi tiết cơ sở lý thuyết phần cứng, tập lệnh lập trình LAD/STL, xây dựng sơ đồ mạch điện động lực - điều khiển và hiện thực hóa thành công chu trình tự động hóa khép kín từ khâu cấp phôi, chiết rót định lượng, cấp nắp, đóng nắp đến phân loại thành phẩm. Đề tài là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao, phục vụ hiệu quả cho công tác học tập, nghiên cứu và phát triển các hệ thống điều khiển tự động hóa công nghiệp.