Tổng quan sơ lược
Dây chuyền chiết rót nước, đóng nắp và đóng thùng sản phẩm
Dây chuyền chiết rót, đóng nắp và đóng thùng sản phẩm là hệ thống máy móc hiện đại, tạo thành quy trình sản xuất nước đóng chai hoàn chỉnh Quy trình này bao gồm các bước: định hình chai, xử lý vô trùng, chiết rót, đóng nắp, dán nhãn, in date và đóng thùng Trong đó, chiết rót, đóng nắp và đóng thùng là những công đoạn quan trọng nhất, đảm bảo hiệu quả và năng suất cao Dây chuyền chiết rót với mức tự động hóa cao giúp nâng cao tính vệ sinh, trong khi việc đóng nắp chặt chẽ ngăn ngừa rò rỉ trong quá trình vận chuyển và đóng thùng giúp sắp xếp sản phẩm gọn gàng.
Dây chuyền chiết rót, đóng nắp và đóng thùng sản phẩm có nhiều ưu điểm như:
Dễ dàng điều khiển: dễ điều chỉnh dung tích cần chiết rót bằng cách thiết lập trên màn hình cảm ứng
Độ chuẩn xác cao: các cơ cấu chấp hành thay đổi theo lệnh tác động, máy điều khiển hoạt động chính xác bằng các thiết bị điện thông minh
Kiểu chiết rót mới với tốc độ chiết rót cao sử dụng công nghệ điều khiển biến đổi tần số để điều chỉnh áp lực dòng chảy phun, giúp nâng cao hiệu quả trong quá trình chiết rót.
Các bộ phận tiếp xúc với chất chiết rót được chế tạo từ inox chống gỉ, đảm bảo độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt Chất liệu này cũng rất dễ dàng trong việc vệ sinh và chùi rửa, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
Đặc điểm của dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai tự động
Hệ thống điều khiển bằng màn hình cảm ứng PLC giúp việc cài đặt và thao tác dễ dàng hơn
Thiết bị được sản xuất theo tiêu chuẩn GMP nghiêm ngặt, sử dụng vật liệu thép không gỉ và hợp kim nhôm cao cấp, đảm bảo khả năng chống ăn mòn và dễ dàng vệ sinh sau khi sử dụng.
Toàn bộ các thông số, mẫu mã có thể được thiết kế và tùy chỉnh theo yêu cầu của khách hàng
Dây chuyền chiết rót tự động 3 trong 1 tích hợp quy trình chiết rót, đóng nắp chai và đóng thùng tự động trong một thiết bị duy nhất, mang lại hiệu quả cao và tiết kiệm thời gian cho sản xuất.
Định lượng chiết theo thời gian lập trình sẵn giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình chiết Dây chuyền sản xuất được thiết kế với công nghệ tiên tiến nhất, mang lại sự ổn định cao trong hoạt động.
Điều chỉnh lượng chiết theo nhu cầu của người sản xuất không chỉ mang lại độ chính xác cao mà còn giúp giảm thiểu chi phí nhân công, từ đó nâng cao hiệu quả công việc.
Quy trình sản xuất đồ uống đóng chai của các nhà máy
1 Trong kho nguyên liệu, các hộp chứa các chai rỗng được đặt trên băng tải đến máy cấp chai
2 Bộ phận cấp chai lấy chai ra khỏi thùng và đặt lên băng chuyền để đưa đến máy rửa
3 Máy rửa chai và sau đó làm khô bằng dòng khí nóng
4 Các chai đi vào máy chiết rót qua một đường ống và được làm đầy thể tích
5 Các chai đã đầy vào máy đóng nắp, nơi nắp vặn được đặt và đóng kín
6 Máy dán nhãn có nhiệm vụ gắn nhãn nhận dạng và đánh dấu vào từng chai
7 Các chai được đặt trên mâm xoay và xếp vào các hộp
8 Các hộp được đóng và niêm phong trong kho thành phẩm.
Phân loại các dạng dây chuyền chiết rót, đóng nắp và đóng thùng chai
Dây chuyền chiết rót, đóng nắp và đóng thùng thường được thiết kế với hai phần chính: chiết rót và đóng nắp kết hợp với nhau, trong khi đó, quá trình đóng thùng thường thực hiện riêng biệt Do đó, có thể phân loại dây chuyền này thành hai kiểu chính.
1.1.4.1 Máy chiết rót và đóng nắp
Máy chiết rót và đóng nắp dạng mâm xoay:
Dây chuyền chiết rót và đóng nắp dạng mâm xoay hoạt động theo quy trình tự động hóa, bắt đầu từ việc máy tự động cấp chai, tiếp theo là quy trình chiết rót, sau đó là công đoạn cấp nắp bằng tay, vặn nắp tự động, và cuối cùng là thu chai.
Máy chiết rót và vặn nắp dạng thẳng:
Hình 1.3 Dây chuyền chiết rót và đóng nắp dạng thẳng Quy trình hoạt động: Cấp chai bằng tay → Chiết rót tự động → Cấp nắp bằng tay
Máy chiết rót và siết nắp tự động hoàn toàn:
Quy trình hoạt động: Cấp chai tự động → Chiết rót tự động → Cấp nắp tự động
Máy đóng thùng tự động:
Hình 1.4 Máy đóng thùng tự động Quy trình hoạt động: Cấp thùng tự động Gập nắp tự động Dán keo tự động
Máy đóng thùng bán tự động:
Hình 1.5 Máy đóng thùng bán tự động Quy trình hoạt động: Cấp thùng bằng tay Gập nắp tự động Dán keo tự động
Các công đoạn của quy trình sản xuất nước của các nhà máy
Quy trình sản xuất nước của các nhà máy gồm 6 công đoạn như mục bên dưới
Trong giai đoạn tạo phôi, việc sử dụng nguyên liệu nhựa PET chính phẩm là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng Quá trình bắt đầu bằng việc sấy hạt nhựa ở nhiệt độ lên tới 180°C trong 3 đến 4 giờ Sau đó, hạt nhựa sẽ được chuyển qua máy tạo phôi bán tự động, nơi chúng chuyển từ dạng rắn sang lỏng và được đổ vào khuôn để tạo hình Phôi sau đó được làm nguội, với chu kỳ ép chỉ kéo dài từ vài chục giây đến vài phút, tạo ra từ 12 đến 16 phôi mỗi lần Các phôi này được chứa trong thùng và kiểm tra để phát hiện bọt khí, đồng thời loại bỏ bavia Những sản phẩm đạt tiêu chuẩn sẽ được để nguội ngoài không khí trước khi được sử dụng làm nguyên liệu thổi chai.
Giai đoạn thổi chai: Công đoạn này sẽ phải trải qua hai giai đoạn chính là gia công làm mềm phôi và thổi chai trong khuôn:
Để làm mềm phôi chai nhựa Pet, cần phải sử dụng đến hệ thống đèn sấy đặc biệt
Sở dĩ cần phải làm điều này là bởi sẽ giúp phôi mềm hơn để có thể dễ dàng thổi ra hình dạng cần thiết
Sau khi phôi Pet mềm, nó sẽ được gắn lên ngàm kẹp của khuôn Khuôn được đóng kín, và thanh đẩy kéo phôi Pet xuống đáy khuôn Khi khí nén được bơm vào, áp lực trong khuôn tăng lên, khiến phôi Pet dạt ra ngoài và tạo hình dạng giống như khuôn.
Trong quá trình sản xuất chai nhựa, áp suất được duy trì ổn định trong suốt quá trình thổi và sau thổi, giúp phôi PET được định hình hoàn toàn Sau đó, phôi được làm nguội bằng nước lạnh, đồng thời loại bỏ mùi hôi, vi khuẩn và vi trùng thông qua quá trình nhả áp Cuối cùng, chai được lấy ra khỏi khuôn và kiểm tra kỹ lưỡng trước khi chiết rót các chất lỏng như nước tinh khiết và nước uống có ga.
Các nguồn nước ngọt thường chứa tạp chất và vi khuẩn, do đó, khử trùng là bước quan trọng trong sản xuất nước uống Việc chọn phương pháp khử trùng phù hợp cần dựa trên yêu cầu cụ thể để đảm bảo an toàn cho người sử dụng Ngoài ra, cần tuân thủ quy định về việc chỉ sử dụng một số chất khử trùng nhất định trong quá trình khử trùng nước uống.
Khử trùng bằng tia cực tím là một phương pháp hiệu quả, sử dụng tia cực tím bước sóng ngắn để xử lý nước Phương pháp này giúp loại bỏ vi khuẩn một cách an toàn, đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng nước.
UV không có hiệu quả kéo dài nhưng phương pháp này lại vượt trội hơn các phương pháp khác trong việc khử khuẩn Cryptosporidium hoặc Giardia
Khử trùng bằng ion bạc là phương pháp sử dụng ion bạc với nồng độ từ 0.005-0.1 mg/l để diệt khuẩn Mặc dù ion bạc có khả năng diệt khuẩn (olidodynamic), hiệu quả cụ thể và khả năng bảo vệ lâu dài khỏi vi khuẩn vẫn chưa được xác định rõ Thời gian xử lý thường kéo dài vài giờ và quy trình này chủ yếu được áp dụng trong khử trùng nước uống trên tàu hoặc cung cấp nước cho các khu vực bị thiên tai.
Hiện nay, có nhiều công nghệ khác nhau để rót nước vào chai, tùy thuộc vào loại chất lỏng như nước có ga, nước không ga và chất lỏng dạng cô đặc Định lượng sản phẩm lỏng là quá trình chiết rót một thể tích nhất định vào chai, bình hoặc lọ Việc sử dụng máy định lượng trong ngành sản xuất thực phẩm ngày càng phổ biến, giúp cải thiện điều kiện vệ sinh, tăng năng suất và đảm bảo độ chính xác trong việc định lượng sản phẩm.
Các phương pháp định lượng chủ yếu gồm có:
Định lượng bằng bình định mức: Chất lỏng được định mức chính xác bằng bình định mức trước khi rót vào chai
Định lượng chất lỏng bằng cách chiết tới mức cố định là phương pháp chiết đầy chai và sau đó loại bỏ một khối thể tích bù trừ, dẫn đến thể tích trong chai sụt giảm một khoảng nhất định Phương pháp này sử dụng ống thông hơi, khi chất lỏng ngập miệng ống thì quá trình chiết sẽ dừng lại Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp này không cao và phụ thuộc nhiều vào độ đồng đều của chai.
Định lượng bằng cách chiết theo thời gian là phương pháp cho phép chất lỏng chảy vào chai trong một khoảng thời gian nhất định, với giả định rằng thể tích chất lỏng chảy là không đổi Phương pháp này thường được áp dụng cho các sản phẩm có giá trị thấp và không yêu cầu độ chính xác cao về trọng lượng Các phương pháp chiết rót sản phẩm bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau.
Phương pháp rót áp suất thường cho phép chất lỏng tự chảy vào chai nhờ chênh lệch độ cao thủy tĩnh Tốc độ chảy của phương pháp này khá chậm, vì vậy nó chỉ thích hợp cho các loại chất lỏng có độ nhớt thấp.
Phương pháp rót chân không là kỹ thuật kết nối chai với hệ thống hút chân không, cho phép chất lỏng chảy vào chai nhờ chênh lệch áp suất giữa thùng chứa và áp suất trong chai Phương pháp này thường được áp dụng cùng với các kỹ thuật bù trừ hoặc chiết đầy chai để đảm bảo lượng chất lỏng được rót vào chính xác.
Phương pháp rót đẳng áp được áp dụng cho các sản phẩm có gas như bia và nước ngọt, nhằm duy trì áp suất trong chai lớn hơn áp suất khí quyển, ngăn chặn việc thoát khí Trong quy trình này, khí CO2 được nạp vào chai cho đến khi áp suất đạt mức tương đương với bình chứa, sau đó sản phẩm được rót vào chai nhờ chênh lệch độ cao Máy định lượng chiết rót bao gồm nhiều cơ cấu rót, mỗi cơ cấu được thiết kế riêng cho từng chai.
Các cơ cấu rót có thể được bố trí thẳng hàng để làm việc đồng thời hoặc trên bàn quay để làm việc tuần tự Đầu tiên, chai được đưa lên băng tải và đi qua hệ thống súc rửa để loại bỏ bụi bẩn Sau khi được làm sạch, chai sẽ được chuyển đến hệ thống rót liệu, nơi các cơ cấu cơ khí kẹp giữ chai Tại đây, chất lỏng được chiết vào chai thông qua các phương pháp như chiết đẳng áp, chiết đẳng tích và chiết định lượng.
Máy đóng nắp chai là thiết bị quan trọng trong ngành sản xuất đồ uống, thực phẩm, mỹ phẩm và hóa chất công nghiệp, giúp đảm bảo chai thủy tinh và nhựa được đóng kín, ngăn chặn rò rỉ chất lỏng Sau khi chiết rót, chai sẽ được vận chuyển qua băng tải đến vị trí đóng nắp Quy trình đóng nắp bao gồm hai phần chính: cơ cấu cấp phôi và cơ cấu đóng nắp, có thể sử dụng xylanh khí nén cho nắp dập hoặc động cơ cho nắp vặn.
Quá trình đóng nắp chai bằng xylanh khí nén (nút dập) diễn ra sau khi chai được đưa qua cơ cấu cấp nắp tự động Tại vị trí đóng nắp, hệ thống xylanh khí nén sẽ thực hiện việc dập nắp trực tiếp, đảm bảo nắp chai được kín và khớp hoàn hảo với miệng chai.
Khảo sát mô hình trong thực tế
Sục rửa vỏ chai tự động
Quá trình súc rửa vỏ chai sử dụng nước nóng để tiệt trùng và làm sạch, sau đó vỏ chai được sấy khô bằng hệ thống dryer hoặc blower Đối với chai nhựa dùng một lần, bước súc rửa sẽ được bỏ qua Vỏ chai nước tinh khiết được cấp trực tiếp vào vòi chiết rót qua hệ thống feeder Để đảm bảo hiệu suất cao và vệ sinh an toàn thực phẩm, dây chuyền công suất lớn thường sử dụng máy sục rửa - chiết rót và vặn nắp 3in1, giúp quy trình chiết rót khép kín.
Chiết rót tự động
Máy chiết rót tự động với bàn xoay có thể hoạt động với 8-10-16-20-40 đầu chiết cùng lúc, tùy thuộc vào công suất và dung tích chai Ngoài ra, máy cũng hỗ trợ chiết rót thẳng hàng, trong đó chai được đưa vào theo định lượng, hoặc chiết rót nhiều lần qua các vòi với thể tích nhất định Điều này đảm bảo rằng chai được chiết rót đủ dung tích theo yêu cầu khi ra khỏi đầu chiết cuối cùng.
Dây chuyền chiết rót với yêu cầu tự động hóa thấp và sản lượng nhỏ có thể sử dụng băng tải gắn liền với máy chiết rót 1-2 đầu Trong quy trình này, công nhân hoặc băng tải ngắn sẽ đặt và nhấc vỏ chai ra khỏi vị trí chiết rót, đảm bảo lượng vỏ chai phù hợp với công suất chiết rót thấp.
Có nhiều lựa chọn chiết rót tự động bao gồm:
Chiết rót với dung tích cố định cho một loại chai với một dung tích chính xác
Chiết rót với dung tích có thể thay đổi linh hoạt
Chiết rót theo dải dung tích: 100-500ml, 500-1000ml, 1000-2000ml, 2000- 5000ml…
Việc kiểm soát dây chuyền chiết rót, bao gồm số lượng chiết và công suất, được thực hiện dễ dàng thông qua màn hình điều khiển HMI với giao diện thân thiện và dễ thao tác, cho phép điều chỉnh dung tích chiết rót một cách hiệu quả.
Vặn nắp chai tự động
Máy vặn nắp chai sử dụng đầu 2, 3, 4 roller giúp đảm bảo tính chính xác và hiệu suất trong quá trình chiết rót Sản phẩm chủ yếu là chai, lọ nhựa và thủy tinh cho nước tinh khiết, nước ngọt và đồ uống, thường sử dụng nắp chai nhựa có ren Chúng tôi cung cấp giải pháp đóng nắp cho chai thủy tinh chứa đồ uống có cồn như rượu vang và rượu trắng với nút bấc Đối với một số loại chai nước tinh khiết, nắp chai được niêm phong nhãn sau khi vặn nắp nhờ máy co màng nắp chai dạng hầm gia nhiệt - Shrink Tunnel.
Dây chuyền vặn nắp chai tự động có thể được vận hành bởi công nhân để tiết kiệm chi phí, tuy nhiên, nắp chai cũng có thể được cấp tự động thông qua hệ thống bowl feeder và phễu rung tích hợp với máy vặn nắp.
Có 2 hình thức dán nhãn chai phổ biến đó là phóng nhãn + co nhãn nilon và dán nhãn chai bằng nhãn giấy, nhãn decal, sticker.
Dán nhãn tự động, phóng nhãn tự động
Các sản phẩm như chai nước lọc thường sử dụng nhãn màng nhựa do hình dáng đặc thù của vỏ chai Quy trình dán nhãn này được thực hiện bằng máy phóng nhãn màng nilon, hay còn gọi là Sleeve labelling Máy được thiết kế với khuôn phóng nhãn phù hợp với hình dạng của chai, tự động cắt nhãn từ cuộn và dán lên cổ và thân chai tại vị trí chính xác theo yêu cầu của khách hàng.
Hình 1.16 Dây chuyền dán nhãn tự động, phóng nhãn tự động
Co màng tự động
Máy co màng với buồng gia nhiệt giúp nhãn co nhiệt và bám chắc vào chai, cho phép điều chỉnh nhiệt độ và lưu lượng khí nóng theo loại nhãn Điều này đảm bảo màng co nhanh, chắc chắn và đẹp mà không ảnh hưởng đến chất lượng chai và sản phẩm bên trong.
Dán nhãn chai tròn, dán nhãn decal, sticker
Phương pháp dán nhãn chai bằng giấy decal hoặc sticker được áp dụng cho chai nhựa PE, PET và chai thủy tinh có bề mặt trơn, không thay đổi hình dáng Quy trình dán nhãn này cho phép chai di chuyển qua hệ thống roller để dán nhãn chính xác vào vị trí trên thân chai Khác với nhãn nilon hay nhãn màng nhựa, việc dán nhãn decal và nhãn giấy không yêu cầu máy co màng Máy dán nhãn giấy thường có cấu tạo đơn giản và hiệu quả, phù hợp cho việc dán nhãn nhanh chóng và chính xác.
Cụm tách chai là sản phẩm quan trọng giúp tạo khoảng cách giữa các chai khi chúng di chuyển vào máy dán Việc này đảm bảo thời gian chu trình (cycle time) và giúp hệ thống hoạt động một cách nhịp nhàng.
Cụm ép xoay chai để dán nhãn gồm động cơ xoay và xylanh điều khiển
Cụm cấp nhãn tự động sử dụng động cơ step motor và cảm biến để xác định vị trí dừng nhãn, cùng với cảm biến sản phẩm đầu vào, đảm bảo việc cấp và dừng nhãn chính xác Hệ thống điều khiển thông minh tự động tính toán và điều chỉnh các cụm chức năng hoạt động đồng bộ, giúp quy trình dán nhãn chai tròn diễn ra tuần tự và chính xác.
Hệ thống kiểm soát lỗi với sensor, cảm biến phát hiện khi không có chai, hết nhãn, nhãn bị rách…giảm thiểu tối đa sai hỏng
Tủ điện điều khiển được thiết kế gọn nhẹ, tích hợp các thiết bị PLC, servo, drive, biến tần, sensor và màn hình cảm ứng từ các thương hiệu uy tín như Schneider, Panasonic, Delta, với nguồn gốc từ Đài Loan, EU, Nhật Bản, Australia và Trung Quốc Điều này đảm bảo vận hành ổn định, nâng cao chất lượng và độ chính xác trong quá trình dán nhãn Màn hình HMI cảm ứng mang lại trải nghiệm điều khiển trực quan với giao diện thân thiện, dễ thao tác Hệ thống hiệu chỉnh mold cho chai cho phép thay đổi nhãn dán linh hoạt theo từng sản phẩm và vị trí khác nhau.
Dây chuyền dán nhãn cho các sản phẩm chai vuông và chai dẹp có thiết kế đặc biệt, với cơ cấu dán nhãn được tùy chỉnh nhằm đảm bảo nhãn được dán chính xác, không nhăn nheo và bám dính tốt Các loại máy dán nhãn bao gồm máy dán nhãn phẳng, máy dán nhãn chai vuông, máy dán nhãn chai dẹp, máy dán nhãn một mặt, hai mặt và máy dán nhãn nằm ngang.
Sau khi hoàn tất quy trình dán nhãn và vặn nắp, các loại chai nước lọc sẽ được chuyển ngay vào công đoạn đóng thùng trên máy dán thùng carton Đối với các chai nước ngọt và đồ uống, quy trình đóng gói thường diễn ra theo hình thức block trước khi được đóng thùng carton Việc đóng gói chai theo block với màng co không chỉ giúp bảo quản sản phẩm tốt hơn mà còn tạo sự thuận tiện trong việc vận chuyển và tiêu thụ hàng hóa.
Đóng gói màng Block – Shrink Tunnel
Các chai được đóng gói theo các khối 6, 10, 20 chai tùy thuộc vào quy cách đóng gói cũng như kích thước và trọng lượng của chai Sau khi hoàn thành công đoạn co màng nhãn và dán nhãn tự động, các chai sẽ được vận chuyển qua băng tải đến vị trí chờ và nhanh chóng được tập hợp thành các khối Những khối này, có thể được xếp vào khay, sẽ được đóng gói bằng máy đóng gói và hàn nhiệt.
Đóng thùng Carton + Dán thùng Carton tự động – Carton Sealer
Dây chuyền đóng thùng và dán thùng carton là công đoạn quan trọng trong quy trình đóng gói sản phẩm Sau khi dán nhãn, nếu các chai không được đóng gói theo các block, chúng sẽ được sắp xếp vào thùng carton bằng tay hoặc tự động Thùng carton thường được mở và chuẩn bị sẵn để dán sau khi sản phẩm đã được xếp Quy trình này có thể được tự động hóa với máy mở vỏ thùng, và sau đó thùng carton sẽ được gập nắp và dán niêm phong cả mặt trên và mặt dưới.
Đóng đai tự động – Strapping Mchine
Công đoạn đóng đai nhựa cho thùng sản phẩm hoàn thiện với máy đóng đai thùng carton đảm bảo chắc chắn trong lưu kho và vận chuyển
Máy đóng đai loại lớn hoạt động hiệu quả với nhiều kích thước và chiều dày đai khác nhau, phù hợp cho các loại thùng có kích cỡ và trọng lượng đa dạng, sử dụng đai nhựa từ 9-15mm và dày 0.5-1.1mm Thiết bị này hỗ trợ đóng đai cho cả thùng ngang và thùng carton đứng một cách linh hoạt Quá trình đóng đai diễn ra nhanh chóng chỉ trong vài giây với tốc độ 20-30 đai/phút, mang lại năng suất đóng đai cao.
Máy đóng đai nhỏ và trung bình chuyên dụng cho việc đóng đai thùng carton đơn, trong khi máy siết đai lớn hỗ trợ cố định các thùng hàng trên pallet, đảm bảo an toàn và chắc chắn cho việc vận chuyển.
Hình 1.20 Dây chuyền đóng đai loại nhỏ.
Quấn màng Pallet – Wrapping Machine
Sản phẩm sau khi đóng pallet sẽ được quấn màng tự động để bảo quản trong quá trình vận chuyển Việc quấn màng sẽ được thực hiện trên bàn xoay hoặc băng tải, tùy thuộc vào kích thước và trọng lượng của pallet.
Máy quấn màng pallet trong dây chuyền chiết rót, đóng chai và đóng thùng tự động không chỉ thay thế sức lao động con người mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất.
Sau khi khảo sát các dây chuyền sản xuất chai nước tại các nhà máy, nhóm chúng tôi đã quyết định mô phỏng ba khâu quan trọng: chiết rót, đóng nắp dạng thẳng và đóng thùng tự động Chúng tôi sử dụng ba PLC để điều khiển quá trình này, nhằm tối ưu hóa hiệu suất sản xuất.
TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ TIA PORTAL
Tổng quan PLC
PLC (Bộ điều khiển logic có khả năng lập trình) cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic một cách linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Sự khác biệt chính giữa điều khiển logic khả trình và điều khiển theo kết nối cứng là khả năng thay đổi quy trình hoạt động thông qua chương trình thay vì kết nối dây Người sử dụng có thể lập trình PLC dễ dàng bằng các ngôn ngữ lập trình đơn giản hoặc thông qua các liên kết logic cơ bản mà không cần kiến thức lập trình phức tạp.
Thiết bị PLC thay thế mạch điện điều khiển trong xử lý số liệu, với nhiệm vụ xác định sơ đồ mạch điều khiển thông qua một chương trình gồm các bước thực hiện hữu hạn Chương trình này mô tả tiến trình điều khiển và được lưu vào bộ nhớ, do đó gọi là điều khiển theo lập trình nhớ hay điều khiển khả trình Hai hệ điều khiển có thể được biểu diễn khác nhau dựa trên cách xử lý số liệu.
Khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển, cần lắp lại mạch và thay thế các phần tử trong hệ điều khiển bằng relay điện Ngược lại, đối với hệ điều khiển logic khả trình (PLC), chỉ cần thay đổi chương trình soạn thảo để điều chỉnh nhiệm vụ điều khiển.
Cấu trúc của một PLC có thể được mô tả như hình vẽ sau:
Hình 2.2 Cấu trúc chung của bộ điều khiển lập trình PLC
Bộ điều khiển PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến ở ngõ vào, sau đó xử lý tín hiệu này thông qua chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ Kết quả xử lý sẽ được xuất ra ngõ ra dưới dạng tín hiệu để điều khiển các đối tượng hoặc khâu điều khiển.
2.1.1.1 Bộ nhớ chương trình trong PLC
Bộ nhớ chương trình trong PLC là bộ nhớ điện tử có khả năng đọc, với RAM cho phép thay đổi nội dung trong quá trình điều khiển Nếu mất điện, nội dung RAM có thể được giữ lại nhờ pin dự phòng Khi chương trình điều khiển hoạt động ổn định, nó có thể được nạp vào bộ nhớ cố định như EPROM hoặc EEPROM Đặc biệt, nội dung trong EPROM có thể bị xóa bằng tia cực tím.
2.1.1.2 Hệ điều hành trong PLC
Sau khi khởi động bộ điều khiển, hệ điều hành sẽ thiết lập các bộ đếm, bộ hẹn giờ, dữ liệu và bit nhớ với thuộc tính không lưu trữ (non-retentive) và đặt ACCU về 0 Để thực hiện chương trình, hệ điều hành sẽ đọc từng dòng chương trình từ đầu đến cuối và thực hiện các câu lệnh tương ứng.
Bit nhớ (Bit memory): Các bit memory là các phần tử nhớ, mà hệ điều hành ghi nhớ trạng thái tín hiệu
Bộ đệm (Proccess Image): Bộ đệm là một vùng nhớ, mà hệ điều hành ghi nhớ các trạng thái tín hiệu ở các ngõ vào ra nhị phân
Accumulator: Là một bộ nhớ trung gian mà qua nó timer hay counter được nạp vào hay thực hiện các phép toán số học
Counter, Timer: Timer và counter cũng là các vùng nhớ, hệ điều hành ghi nhớ các giá trị đếm trong nó
Hệ thống Bus trong PLC kết nối bộ nhớ chương trình, hệ điều hành và các modul ngoại vi thông qua các dây dẫn, cho phép trao đổi dữ liệu hiệu quả Hệ điều hành đóng vai trò quan trọng trong việc tổ chức và quản lý quá trình truyền dữ liệu trên các dây dẫn này.
2.1.2 Nguyên lí hoạt động của PLC Đầu tiên các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi (sensor, contact, …) được đưa vào CPU thông qua module đầu vào Sau khi nhận được tín hiệu đầu vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua module đầu ra xuất ra các thiết bị được điều khiển bên ngoài theo 1 chương trình đã được lập trình sẵn
Một chu kỳ quét (Scan Cycle) bao gồm các bước: đọc tín hiệu đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội, tự kiểm tra lỗi và gửi cập nhật tín hiệu đầu ra Thời gian thực hiện một vòng quét thường rất ngắn, dao động từ 1ms đến 100ms, và phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh của PLC, độ dài chương trình, cũng như tốc độ giao tiếp giữa PLC và thiết bị ngoại vi.
Tùy thuộc vào từng loại PLC mà có các cách phân loại khác nhau như PLC S7-
1200 thì phân loại theo 2 đặc điểm sau
Có hai kiểu cơ cấu thông dụng với các hệ thống PLC là kiểu hộp đơn và kiểu module nối ghép
Kiểu hộp đơn thường được sử dụng cho các thiết bị điều khiển lập trình cỡ nhỏ và được cung cấp dưới dạng nguyên chiếc hoàn chỉnh
Kiểu module ghép nối bao gồm nhiều module riêng biệt cho bộ nguồn, CPU, và cổng vào/ra, được lắp đặt trên thanh ray Thiết kế này cho phép sử dụng cho các thiết bị lập trình với nhiều kích cỡ khác nhau.
2.1.3.2 Về số lượng các đầu vào ra
Căn cứ vào số lượng đầu vào/ ra ta có thể phân PLC thành bốn loại sau:
PLC nhỏ có đến 256 kênh vào/ra
PLC trung bình có đến 1024 kênh vào/ra
PLC cỡ lớn có trên 1024 kênh vào/ra
2.1.4 Ưu nhược điểm và ứng dụng của PLC
PLC mang lại nhiều lợi ích cho con người, đồng thời cũng tồn tại những ưu nhược điểm đáng lưu ý Ứng dụng của PLC rất đa dạng, trải rộng qua nhiều ngành nghề khác nhau, được phân tích chi tiết trong các mục dưới đây.
Chức năng lập trình PLC dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn
Thực hiện được các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao
Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản và sửa chữa, giảm đến 80% số lượng dây nối
Cấu trúc của PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng chức năng khác
Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp
Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: Máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị khác
Giá thành phần cứng cao, một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình
Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn
PLC được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, điều khiển quá trình, máy nông nghiệp, thiết bị y tế và thiết bị thu thập dữ liệu trong các hệ thống SCADA.
Giới thiệu PLC Siemens
PLC Siemens có nhiều loại dành cho lập trình và điều khiển, nhưng PLC S7-1200 là loại phổ biến và dễ lập trình nhất Chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về PLC S7-1200 trong phần dưới đây.
Các kết cấu chính và đặc điểm nhận dạng PLC được thể hiện qua các mục sau
S7-1200 là dòng bộ điều khiển logic lập trình (PLC) lý tưởng cho nhiều ứng dụng tự động hóa nhờ thiết kế nhỏ gọn và chi phí hợp lý Với tập lệnh mạnh mẽ, S7-1200 mang đến giải pháp tối ưu cho các nhu cầu tự động hóa hiện đại.
1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO)
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:
Tất cả các CPU đều tích hợp tính năng bảo vệ bằng mật khẩu nhằm ngăn chặn truy cập trái phép vào PLC Ngoài ra, tính năng “bảo vệ bí quyết” cũng được cung cấp để bảo vệ các khối đặc biệt của hệ thống.
Bộ điều khiển S7-1200 được trang bị cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP, cho phép kết nối linh hoạt Ngoài ra, người dùng có thể mở rộng khả năng truyền thông thông qua các module RS485 hoặc RS232.
Phần mềm Step7 Basic, tích hợp trong Tia Portal 15 của Siemens, là công cụ lập trình cho S7-1200 Nó hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình chính là FBD, LAD và SCL.
Hình 2.3 Bộ điều khiển lập trình S7 – 1200
2.2.1.2 Các thành phần của PLC S7-1200
3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như điều khiển AC, RELAY hoặc DC phạm vi rộng
2 mạch tương tự và số mở rộng ngõ vào/ra trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản phẩm
13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau bao gồm (module SM và SB)
2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP
Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24 VDC
S7-1200 có 5 dòng là CPU 1211C, CPU 1212C và CPU 1214C, CPU 1215C, CPU 1217C
2.2.2 Đặc điểm kỹ thuật dòng CPU 121x
Các PLC S7-1200 có những thông số kỹ thuật đa dạng, cho phép người dùng lựa chọn các đặc điểm phù hợp với nhu cầu ứng dụng cụ thể Việc này giúp tối ưu hóa không gian và tốc độ xử lý, đồng thời tránh lãng phí tài nguyên Thông tin chi tiết được trình bày qua bảng so sánh bên dưới.
Bảng 2.1 Đặc điểm kỹ thuật dòng CPU 121x
Gồm có 2 cấu trúc là phần cứng và bộ nhớ được nêu rõ ở mục bên dưới
PLC S7-1200 có 4 bộ phận cơ bản: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất/ nhập
Bộ xử lý trung tâm (CPU) trong hệ thống PLC có vai trò quan trọng, bao gồm hai chức năng chính: đầu tiên, nó biên dịch các tín hiệu đầu vào và thứ hai, thực hiện các hành động điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC.
Bộ nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện áp AC thành DC (24V), cung cấp năng lượng cần thiết cho các bộ vi xử lý và các mạch điện trong module giao tiếp nhập và xuất.
Bộ nhớ: Lưu trữ các chương trình để sử dụng cho các hoạt động dưới sự quản lý của bộ vi xử lý
Các thành phần giao tiếp nhập/xuất đóng vai trò quan trọng trong việc nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và gửi đến các thiết bị điều khiển Tín hiệu vào có thể bao gồm công tắc và cảm biến, trong khi tín hiệu ra có thể là động cơ hoặc biến tần Chương trình điều khiển được nạp vào thông qua bộ lập trình hoặc máy vi tính, giúp điều khiển hệ thống một cách hiệu quả.
Bộ mở rộng của PLC S7-1200 cho phép kết nối tối đa 8 module tín hiệu đa dạng và 1 mạch tín hiệu cho bộ vi xử lý, mang lại khả năng mở rộng linh hoạt Ngoài ra, hệ thống còn hỗ trợ 3 module giao tiếp thông qua các giao tiếp truyền thông, nâng cao khả năng tương tác và kết nối.
Hình 2.4 Sơ đồ khối của PLC S7 – 1200
Hình 2.5 Sơ đồ khối vào ra và đấu nối PLC S7 – 1200 1214C
Vùng nhớ Load memory là loại vùng nhớ non-volatile, nghĩa là thông tin lưu trữ trên đó không bị mất khi mất nguồn điện Nó được sử dụng để lưu trữ chương trình người dùng, dữ liệu và cấu hình Khi người dùng tải một dự án xuống CPU, chương trình sẽ được lưu trữ trong vùng nhớ Load, có thể nằm trong CPU hoặc trong thẻ nhớ nếu có Việc sử dụng thẻ nhớ cho phép người dùng mở rộng kích thước chương trình, tương tự như ổ cứng của máy tính.
Vùng nhớ Work memory là loại vùng nhớ tạm thời (volatile), nơi thông tin sẽ bị mất khi nguồn điện bị ngắt Nó được sử dụng để lưu trữ một số thành phần của dự án trong quá trình thực hiện chương trình của người dùng CPU sẽ sao chép các thành phần từ vùng nhớ Load memory sang vùng nhớ Work memory, và dữ liệu trong vùng nhớ này sẽ không còn khi mất điện Khi nguồn điện được khôi phục, CPU sẽ khôi phục lại vùng nhớ này Vùng nhớ Work memory có thể được so sánh với RAM của máy tính.
Vùng nhớ Retentive là loại nhớ không bị mất dữ liệu khi mất điện, dùng để lưu trữ các giá trị từ vùng nhớ Work memory CPU sử dụng vùng nhớ này để giữ lại các giá trị do người dùng chọn, ngay cả khi mất điện Khi có điện trở lại, CPU sẽ khôi phục các giá trị đã lưu Những giá trị này sẽ không bị mất cho đến khi người dùng tải xuống một dự án khác Trong quá trình thực hiện chương trình, CPU sao chép chương trình vào vùng nhớ Work memory, và những giá trị được chọn là Retentive sẽ được lưu giữ bất chấp việc CPU bị mất nguồn.
2.2.4 Kích thước vùng nhớ trong PLC S7-1200
Vùng nhớ Load memory trong PLC S7-1200:
Các PLC khác nhau có các không gian vùng nhớ Load khác nhau và mục đích lưu trữ thì giống nhau được thể hiện ở bảng 2.2
Bảng 2.2 Vùng nhớ Load memory trong PLC S7-1200
Vùng nhớ Word memory trong PLC S7-1200:
Các PLC khác nhau có các không gian vùng nhớ Word khác nhau được thể hiện ở bảng 2.3
Bảng 2.3 Vùng nhớ Word memory trong PLC S7-1200
Vùng nhớ Retentive memory trong PLC S7-1200:
Các PLC khác nhau có các không gian vùng nhớ Retentive và thời gian lưu giống nhau được thể hiện ở bảng 2.4
Bảng 2.4 Vùng nhớ Retentive memory trong PLC S7-1200
Giới thiệu phần mềm Tia Portal
Tương tự như PLC Siemens, Tia Portal có nhiều phiên bản khác nhau với các chức năng giao diện đa dạng và dung lượng tải về tương ứng Để đảm bảo máy PC hoạt động hiệu quả trong việc lập trình chương trình điều khiển, phiên bản Tia Portal V15 là sự lựa chọn tối ưu.
2.3.1 Giới thiệu phần mềm Tia Portal V15
Tia Portal là phần mềm tích hợp nhiều công cụ quản lý và điều khiển tự động hóa hệ thống điện Đây là phần mềm tự động hóa đầu tiên sử dụng một môi trường nền tảng chung để thực hiện các nhiệm vụ điều khiển hệ thống hiệu quả.
Tia Portal là phần mềm tích hợp tự động toàn diện, phục vụ cho việc lập trình và cấu hình thiết bị trong dải sản phẩm Đặc điểm nổi bật của Tia Portal là khả năng chia sẻ cơ sở dữ liệu chung giữa các phần mềm, giúp tạo ra tính thống nhất và toàn vẹn cho hệ thống quản lý và vận hành.
Tia Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện các thao tác:
1 Thiết kế giao diện kéo nhả thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ đa dạng
2 Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát
3 Thực hiện go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị trong project để xác định bệnh, lỗi hệ thống
4 Tích hợp mô phỏng hệ thống
5 Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens
Hiện tại phần mềm Tia Portal có nhiều phiên bản như Tia Portal V14,Tia Portal V15, Tia Portal V16 và mới nhất là Tia Portal V17
Tia Portal là một phần mềm quen thuộc trong lĩnh vực tự động hóa, tích hợp nhiều ứng dụng như HMI, PLC và Inverter của Siemens Phần mềm này có những ưu điểm và nhược điểm riêng trong việc vận hành hệ thống tự động hóa.
2.3.2 Ưu điểm và hạn chế của phần mềm Tia Portal 2.3.2.1 Ưu điểm của phần mềm Tia Portal
Tích hợp tất cả phần mềm trong một nền tảng giúp chia sẻ cơ sở dữ liệu chung, dễ dàng quản lý và thống nhất cấu hình Giải pháp này mang lại khả năng vận hành thiết bị nhanh chóng và hiệu quả, đồng thời hỗ trợ tìm kiếm và khắc phục sự cố trong thời gian ngắn.
Bộ lập trình PLC và màn hình HMI được lập trình trên Tia Portal giúp chuyên viên tiết kiệm thời gian thao tác và thiết lập truyền thông giữa các thiết bị Chỉ cần một biến số từ bộ lập trình PLC được đưa vào màn hình HMI, kết nối sẽ được thiết lập tự động mà không cần thêm bất kỳ thao tác lập trình nào.
2.3.2.2 Hạn chế của phần mềm Tia Portal
Do tích hợp nhiều phần mềm, cơ sở dữ liệu hệ thống lớn nên dung lượng bộ nhớ
Yêu cầu kỹ thuật cao của người lập trình, quản lý, tốn nhiều thời gian để làm quen sử dụng
Phần mềm Tia Portal, được phát triển bởi Siemens, cung cấp nhiều thành phần hỗ trợ người dùng trong việc quản lý và lập trình PLC cũng như HMI một cách hiệu quả Các thành phần chính trong bộ Tia Portal bao gồm các công cụ mạnh mẽ giúp tối ưu hóa quy trình tự động hóa.
Simatic Step 7 professional và Simatic step 7 PLCSIM: Giải pháp lập trình và mô phỏng PLC S7-300, S&-400, Simatic S7-1200, Simatic S7-1500…
Simatic WinCC Professional: Được dùng để lập trình màn hình HMI, và giao diện SCADA
Simatic Start Driver: Được lập trình cấu hình Siemens
Sirius và Simocode: Thiết lập cấu hình và chuẩn đoán lỗi linh hoạt
Điều khiển chuyển động đơn trục và đa trục được hỗ trợ bởi Scout Tia, giúp người dùng thiết lập cấu hình và hệ thống một cách nhanh chóng với thư viện Simatic Robot đầy đủ dữ liệu.
Sau khi tải về ta có các file như sau:
Ta thực hiện các bước sau để cài đặt bộ phần mềm Tia V15:
Bước 1: Mở file “TIA Portal STEP 7 Professional WinCC Professional V15”⇒ Chọn Start.exe ⇒ Nhấn chuột phải ⇒ chọn Run as adminitrator
Bước 2: Sau khi chạy xong sẽ hiển thi lên bảng như hình dưới đây
Nếu hệ thống yêu cầu tải phần mềm **.NET Framework 3.5 SP1**, bạn có thể tìm kiếm và tải phần mềm này từ trang web chính thức **.NET Framework 3.5** là nền tảng phần mềm cần thiết để chạy nhiều ứng dụng trên hệ điều hành Windows, hỗ trợ lập trình và phát triển phần mềm hiệu quả Hãy truy cập [đây](https://taimienphi.vn/download-microsoft-net-framework-35-18711) để tải về và cài đặt.
Bước 4: Sau khi tải xem chúng ta quay lại tiếp tục cài phần mềm Step 7 Chọn ngôn ngữ
Bước 5: Chọn đường dẫn để cài đặt phần mềm sau đó chọn Next
Bước 6: Tích chọn vào hai ô như hình phía dưới sau đấy chọn Next
Bước 7: Chọn tích vào ô trống ( như hình phía dưới ) sau đấy chọn Next
Sau đó chờ cho phần mềm cài đặt, vậy là đã cài xong quá trình.
Giới thiệu về phần mềm WinCC
Hiện nay, có nhiều phần mềm WinCC độc lập, bên cạnh đó còn có các phần mềm tích hợp như Tia Portal, giúp thuận tiện trong việc trao đổi dữ liệu giữa PLC và WinCC.
2.4.1 Phần mềm WinCC trong Tia Portal
WinCC là phần mềm của Siemens, chuyên giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong sản xuất Nó cung cấp các module chức năng thiết yếu như hiển thị hình ảnh, tạo thông điệp, lưu trữ và báo cáo Giao diện điều khiển mạnh mẽ, khả năng truy cập hình ảnh nhanh chóng và chức năng lưu trữ an toàn giúp đảm bảo tính hữu dụng cao của phần mềm.
Với WinCC, người dùng có khả năng giao tiếp và trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhiều loại PLC từ các thương hiệu khác nhau như Mitsubishi và Siemens Điều này được thực hiện thông qua cổng COM, kết nối chuẩn RS-232 của máy tính với chuẩn RS-485 của PLC.
2.4.2 Các ứng dụng của WinCC
Tự động hóa quá trình điều khiển và giám sát sản xuất thông qua hệ thống WinCC cho phép thu thập dữ liệu và mô phỏng các sự kiện điều khiển dưới dạng chuỗi sự kiện WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng phục vụ cho việc hiển thị, thông báo đồ họa, xử lý thông tin đo lường và các tham số công thức, đáp ứng yêu cầu công nghệ và hỗ trợ thiết kế giao diện người máy (HMI).
Phương thức truyền thông Ethernet của các PLC
Trong lĩnh vực truyền thông giữa các PLC, có nhiều chuẩn khác nhau phù hợp với các kiểu và mô hình khác nhau Tuy nhiên, bài viết này sẽ tập trung chủ yếu vào chuẩn truyền thông Ethernet.
2.5.1 Giới thiệu phương thức truyền thông Ethernet
Ethernet là công nghệ truyền thống kết nối mạng LAN cục bộ, cho phép các thiết bị giao tiếp qua một giao thức chung Là lớp giao thức Data-Link trong tầng TCP/IP, Ethernet định dạng và truyền dữ liệu, giúp các thiết bị trên cùng phân khúc mạng phát hiện và xử lý gói dữ liệu Cáp Ethernet là hệ thống dây vật lý truyền dữ liệu, phục vụ đa dạng đối tượng từ doanh nghiệp đến game thủ và người dùng cuối, nhờ vào lợi ích mà Ethernet mang lại.
So với công nghệ mạng LAN không dây, Ethernet ít bị gián đoạn hơn và cung cấp mức độ bảo mật tốt hơn nhờ vào việc kết nối bằng cáp vật lý Mạng Ethernet công nghiệp đang nhanh chóng thay thế các mạng truyền thống, mang lại lợi ích trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất và tích hợp thông tin giữa sản xuất và quản lý Tuy nhiên, Ethernet công nghiệp có những khác biệt so với Ethernet dân dụng, vì vậy kỹ sư cần nắm vững kiến thức cơ bản về Ethernet công nghiệp để triển khai và vận hành hiệu quả.
Hiện nay, có 2 chuẩn mạng Ethernet phổ biến đó là:
Tốc độ 10/100Mbs: Đây là tốc độ mạng đạt chuẩn Megabit Hầu hết các kết nối Internet mà ta đang sử dụng đều đạt tốc độ chuẩn này
Tốc độ mạng 10/100/1000Mbs đạt chuẩn Gigabit, phù hợp cho các nhu cầu sử dụng cao như quán net và doanh nghiệp.
Việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp mở ra khả năng áp dụng các kiến trúc điều khiển tiên tiến như điều khiển phân tán và điều khiển từ xa Điều này cho phép giám sát và chẩn đoán lỗi qua Internet, đồng thời tích hợp thông tin giữa hệ thống điều khiển, giám sát và các hoạt động sản xuất, quản lý của công ty.
Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp giúp kết nối nhiều loại thiết bị khác nhau thông qua một đường truyền duy nhất.
Cấu trúc đơn giản của hệ thống giúp tiết kiệm dây nối và giảm chi phí thiết kế, lắp đặt Việc thay thế nhiều cáp truyền bằng một đường duy nhất không chỉ làm cho quá trình thiết kế trở nên dễ dàng hơn mà còn giảm đáng kể chi phí nguyên vật liệu và công lắp đặt.
Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin là rất quan trọng trong truyền tín hiệu Phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu, điều này có thể làm thay đổi nội dung thông tin mà các thiết bị không thể nhận biết được.
Kỹ thuật truyền thông số giúp thông tin được truyền đi một cách chính xác hơn, đồng thời các thiết bị kết nối có khả năng tự phát hiện và chẩn đoán lỗi Việc giảm thiểu các chuyển đổi giữa tín hiệu tương tự và số cũng góp phần nâng cao độ chính xác của dữ liệu.
Nâng cao độ linh hoạt và tính năng mở của hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế cho phép sử dụng thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau Việc thay thế, nâng cấp và mở rộng chức năng của hệ thống trở nên dễ dàng hơn, trong khi khả năng tương tác giữa các thành phần phần cứng và phần mềm được cải thiện nhờ các giao diện chuẩn.
Việc đơn giản hóa và tiện lợi hóa tham số hóa, chẩn đoán, và định vị lỗi cho các thiết bị được thực hiện qua một đường truyền duy nhất Điều này cho phép các thiết bị không chỉ trao đổi dữ liệu quá trình mà còn chia sẻ dữ liệu tham số, trạng thái, cảnh báo và chẩn đoán Hơn nữa, các thiết bị có thể tích hợp khả năng tự chẩn đoán, trong khi các trạm trong mạng cũng có thể thực hiện chức năng cảnh giới lẫn nhau.
Cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa và điều chỉnh thiết bị có thể được thực hiện từ xa thông qua một trạm kỹ thuật trung tâm, mang lại nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới cho hệ thống.
2.5.2 Ưu điểm và nhược điểm của Ethernet
Sau khi đem vào ứng dụng và hoạt động thử thì có những ưu nhược như mục bên dưới
Khi thiết lập mạng LAN có dây, mặc dù tốn kém và mất thời gian hơn mạng WLAN, nhưng nó mang lại nhiều lợi ích không thể phủ nhận Tín hiệu Wifi dễ bị nhiễu do truyền qua tần số vô tuyến, trong khi Ethernet có dây không gặp phải vấn đề này, giúp giảm thiểu can thiệp Nhờ đó, Internet ít gặp sự cố, ngắt kết nối hoặc gián đoạn, điều này rất quan trọng khi chuyển các tệp phương tiện dữ liệu lớn giữa các thiết bị.
Ethernet cung cấp tính linh hoạt và bảo mật vượt trội cho các doanh nghiệp, cho phép kiểm soát chặt chẽ các thiết bị kết nối với mạng nội bộ Việc duy trì quyền kiểm soát này không chỉ giúp giải phóng dữ liệu cho người dùng mà còn ngăn chặn các vi phạm an ninh tiềm ẩn, tránh được những rủi ro và chi phí phát sinh Trong khi đó, mạng WLAN doanh nghiệp với Wifi có thể dễ dàng tiếp cận các mối đe dọa bên ngoài, làm tăng nguy cơ an ninh.
Giá cả của mạng LAN có dây thường cao hơn do tính phức tạp và quy mô lớn hơn Đối với doanh nghiệp nhỏ muốn thiết lập một mạng lưới an toàn, ổn định và riêng tư, chi phí sẽ tăng lên theo số lượng máy trạm truy cập mạng, dẫn đến một khoản đầu tư ban đầu đáng kể.
Cách truyền nhận dữ liệu giữa các PLC
S7 Connection kết nối dựa trên phần cứng cổng Ethernet với mạng profinet Giữa
Ba PLC có thể kết nối qua Ethernet thông thường bằng cách sử dụng các lệnh TCON, TSEND và TRCV Quá trình truyền nhận dữ liệu sẽ được giám sát thông qua PC và Switch mạng Khi cấu hình phần cứng và tạo kết nối S7, cần đảm bảo rằng ID giữa ba PLC là khác nhau Để truy cập giữa ba PLC, cần cho phép các quyền truy cập cần thiết.
Bước 1: Tích vào ô như hình bên dưới khi của sổ hiện ra
Kết nối S7 cung cấp hai khối hàm GET và PUT, khác với kết nối Ethernet thông thường yêu cầu khai báo cả hai bên, S7 chỉ cần khai báo một bên gọi là Master Master có nhiệm vụ ghi và đọc dữ liệu, giúp tối ưu hóa quy trình truyền nhận thông tin.
Bước 2: Tiến hành tạo khối datablock ở cả 3 PLC
Hàm PUT hiểu là ghi dữ liệu từ Master xuống Slave
ADDR_1: địa chỉ trên Slave
SD_1: địa chỉ trên Master Bước 3: Để có được dữ liệu ta tiến hành cài cấu hình hàm PUT như hình dưới
Ta tiếp tục cấu hình khung truyền dữ liệu
Bước 4: Ta cần cấu hình đúng địa chỉ IP, ID, dữ liệu muốn truyền, độ dài…
ADDR_1: địa chỉ nhận trên Slave
RD_1: địa chỉ lưu lại giá trị trên Master
Ta chỉ cần cấu hình trên Master là PLC tự kết nối
Chúng ta đã kết nối thành công ba PLC và tiếp theo là viết chương trình để các PLC giao tiếp với nhau Để xác nhận việc truyền dữ liệu thành công, chúng ta sẽ thực hiện thêm các bước cần thiết.
Bước 1: Truyền dữ liệu qua lại giữa các PLC bằng cách nhập các chữ số để xem
Bước 2: Để xác nhận xem PLC đã nhận tín hiệu từ PLC khác hay chưa, cần thiết lập giá trị của PLC kia lên mức 1 Sau đó, nếu giá trị bên này cũng lên 1, điều đó chứng tỏ tín hiệu đã được nhận.
Bước 3: Nhận dữ liệu thành công từ PLC khi ta gõ dữ liệu từ bên PLC này là bên PLC kia có
Để nhận dữ liệu hiệu quả, tín hiệu REQ cần được thiết lập dưới dạng xung Qua đó, chúng ta đã thành công trong việc truyền thông giữa ba PLC và tiến hành viết mã cho chương trình mong muốn.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Các phương án thiết kế
Hiện nay, có hai phương án thiết kế chính là tập trung và phân tán, được áp dụng tùy thuộc vào từng kiểu mô hình nhằm tối ưu hóa chi phí, năng suất, tốc độ và bảo mật, từ đó mang lại lợi ích cao nhất cho người sử dụng.
3.1.1 Phương án thiết kế tập trung
Phương án thiết kế tập trung sử dụng một PLC trung tâm để điều khiển toàn bộ hệ thống PLC này đảm nhận việc xử lý tín hiệu vào và ra với trạng thái hoạt động liên tục Tất cả các khối đầu vào và đầu ra của hệ thống được kết nối về một PLC tổng, giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển và giám sát.
Mô hình yêu cầu 20 đầu vào và 10 đầu ra, trong khi một PLC chỉ có 14 đầu vào và 8 đầu ra Do đó, để điều khiển toàn bộ hệ thống chiết rót, đóng nắp và đóng thùng, cần sử dụng một PLC trung tâm kèm theo một số modul mở rộng để xử lý tín hiệu hiệu quả.
1 PLC thì không đem lại hiểu quả cao
3.1.2 Phương án thiết kế phân tán
Phương án này áp dụng nhiều PLC để điều khiển từng khâu trong toàn bộ hệ thống, với một PLC trung tâm giám sát và điều khiển các PLC khu vực khác hoạt động không thường xuyên Các PLC khu vực sẽ đảm nhận từng khâu và dây chuyền của hệ thống, nhận tín hiệu từ PLC trung tâm và được giám sát trong quá trình thực hiện Tất cả các khối đầu vào và đầu ra của hệ thống được phân chia theo từng khâu và dây chuyền, cho phép các PLC khu vực điều khiển quá trình hiệu quả.
Mô hình yêu cầu 20 đầu vào và 10 đầu ra, do đó việc sử dụng 1 PLC làm trung tâm điều khiển kết hợp với 2 PLC cho 2 khu vực nhỏ trong hệ thống giúp tối ưu hóa số lượng đầu vào và đầu ra cho từng khâu Điều này không chỉ giảm bớt gánh nặng trong việc xử lý tín hiệu mà còn nâng cao hiệu quả làm việc.
Hình 3.2 Sơ đồ khối phương án thiết kế phân tán
3.1.3 So sánh giữa hai phương án
Ta sẽ liệt kê các ưu nhược điểm của 2 phương án để thấy được nó phù hợp với từng dạng mô hình khác nhau
3.1.3.1 Ưu điểm của hai phương án
Với phương án thiết kế tập trung
Tiết kiệm được lượng lớn dây nối
Thời gian truyền dữ liệu nhanh
Độ kiểm soát và bảo mật khó bị đánh bại
Truyền chính xác dữ liệu cho đối tượng nhận
Không bị ngắt kết nối do không có hiện tượng thiếu băng thông
Với phương án thiết kế phân tán
Thời gian truyền dữ liệu nhanh
Độ kiểm soát và bảo mật khó bị đánh bại
Truyền chính xác dữ liệu cho đối tượng nhận
Không bị ngắt kết nối do không có hiện tượng thiếu băng thông
3.1.3.2 Nhược điểm của hai phương án
Với phương án thiết kế tập trung
Mất đi một số tính năng di động như kết nối Wifi,…
Với phương án thiết kế phân tán
Mất đi một số tính năng di động như kết nối Wifi,…
Chi phí tốn kém khi nối dây và PLC
Việc thiết lập truyền thông tương đối phức tạp
Sau khi xem xét thống kê các ưu thế của 2 cách thiết kế, lựa chọn thiết kế phân tán cho hệ thống là phù hợp nhất
Các chức năng chính hệ thống chiết rót, đóng nắp và đóng thùng sản phẩm 47 1 Hệ thống tiêu chuẩn
Hệ thống kết hợp 3 máy chiết rót, đóng nắp và đóng thùng thành một dây chuyền thống nhất
Hệ thống dây chuyền gồm:
Gồm 2 băng chuyền rời rạc chiết rót, đóng nắp và đóng thùng nối liền nhau thành một hệ thống xuyên suốt
Mạch điều khiển trung tâm của PLC đảm nhận vai trò điều khiển toàn bộ quy trình chiết rót, đóng nắp và đóng thùng sản phẩm Hệ thống HMI cung cấp thông tin trạng thái qua các đèn LED, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và quản lý quá trình sản xuất.
Vòi nước: Được thiết kế linh hoạt, có thể thay đổi theo chiều cao của chai
Dung tích chiết rót: Có thể thay đổi theo dung tích của chai chứa
Hệ thống khí nén trong quá trình đóng nắp và đóng thùng chai
Hệ thống được trang bị:
Mạch điều khiển trung tâm PLC của Siemens đảm nhiệm việc điều khiển toàn bộ hệ thống chiết rót, đóng nắp và đóng thùng Bảng mạch hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống qua các đèn LED màu xanh Khi xảy ra sự cố, hệ thống tự động ngắt điện và phát tín hiệu cảnh báo thông qua đèn LED.
Khung sườn: Được làm bằng thép chữ V, nhôm định hình trong suốt giúp người sử dụng dễ dàng quan sát hệ thống trong quá trình vận hành
Ống dẫn nước: Bằng nhựa
Chế độ hoạt động auto/manual: Giúp người sử dụng có thể kiểm tra hoạt động của các chức năng
3.2.2 Chức năng chính của khối trung tâm
Khối trung tâm có vai trò giám sát và điều khiển các khối khu vực, theo dõi quá trình hoạt động của từng công đoạn từ xa Khi một công đoạn hoàn thành, khối trung tâm sẽ cho phép công đoạn tiếp theo thực hiện bằng cách nhận tín hiệu từ khâu trước đó Nó có khả năng điều khiển trực tiếp tất cả các khâu của hệ thống hoặc gián tiếp qua các trạm khu vực, đảm bảo xử lý tín hiệu từ nhiều trạm khu vực một cách hiệu quả.
3.2.3 Chức năng chính của khối khu vực
Các khối khu vực sẽ được quản lý và giám sát bởi khối trung tâm, đồng thời điều khiển các công đoạn nhỏ trong từng khâu Mỗi khối khu vực sẽ đảm nhận việc điều phối từng công đoạn cụ thể và liên tục gửi tín hiệu về khối trung tâm để đảm bảo sự phối hợp hiệu quả.
Giới thiệu phần cứng trong hệ thống
Sau khi nghiên cứu các dây chuyền công nghiệp và mô hình nhỏ lẻ, chúng tôi đã tổng hợp danh sách các thiết bị có trong mô hình, được trình bày trong các mục dưới đây.
Hình ảnh van điện từ có trong hệ thống
3.3.1.1 Khái niệm van điện từ 24V
Van điện từ là thiết bị điều tiết lưu lượng chất lỏng hoặc khí, hoạt động thông qua cơ chế ON/OFF Nó được điều khiển bằng nguồn điện 24V, 220V hoặc 110V, khác với các van điều khiển điện khác.
3.3.1.2 Nguyên lí hoạt động của van điện từ 24V
Van điện từ thường có 2 kiểu hoạt động:
Van điện từ thường đóng hoạt động bằng cách mở ra khi có nguồn điện cấp, trong khi bình thường ở trạng thái đóng hoàn toàn Loại van này rất phù hợp cho các ngành công nghiệp dân dụng và ứng dụng điện dân dụng.
Van điện từ thường mở: Khi cấp điện thì cửa van đóng, bình thường van mở hoàn toàn
Van điện từ hoạt động như một nam châm điện, mở ra dòng nước khi có nguồn điện và đóng lại để ngăn chặn lưu thông nước khi không có điện.
Hình ảnh xylanh khí nén có trong hệ thống
Hình 3.4 Xylanh tác động kép
3.3.2.1 Khái niệm xylanh khí nén
Xylanh khí nén là những thiết bị cơ học sử dụng sức mạnh của khí nén để tạo ra một lực trong chuyển động tuyến tính tịnh tiến
3.3.2.2 Nguyên lý làm việc của xylanh khí nén
Xylanh tác động kép khí nén hoạt động bằng cách đưa khí nén vào hai phía, cho phép điều khiển hướng di chuyển của xylanh Việc cấp khí nén vào bên nào sẽ quyết định xylanh đi vào hay đi ra Hai ngõ vào điều khiển giúp xylanh di chuyển qua lại, và khi cần thiết, xylanh sẽ ăn khớp với một bánh răng để làm bánh răng quay Trục bánh răng sau đó được gắn với cơ cấu chuyển động, tạo ra sự chuyển động cần thiết.
Chức năng: Đẩy ra, đẩy vào để đáp ứng các cơ cấu chấp hành của mô hình 3.3.3 Bộ nguồn 24V
Hình ảnh bộ nguồn tổ ong 24V có trong hệ thống
Bộ chuyển đổi nguồn điện từ điện thông thường 220V xoay chiều( AC ) về điện áp 24V một chiếu( DC ) thường được gọi tắt là bộ Nguồn 24V
3.3.3.2 Nguyên lí hoạt động của bộ nguồn 24V
Khi công tắc điện được bật, nguồn điện sẽ đi qua nguồn tổ ong, làm cho cuộn sơ cấp của biến áp hoạt động liên tục nhờ sò công suất, tạo ra từ trường biến thiên Cuộn thứ cấp của biến áp sẽ sinh ra điện áp, được chỉnh lưu qua diode và đưa vào tụ lọc để làm phẳng điện áp Cuối cùng, các tụ IC quang và IC TL431 điều khiển dao động đóng/cắt điện vào cuộn sơ cấp của biến áp xung, đảm bảo điện áp ra bên thứ cấp đạt yêu cầu.
Chức năng: Cung cấp nguồn 24V DC cho các thiết bị trong mô hình.
Hình ảnh cảm biến vật cản có trong hệ thống
Hình 3.6 Cảm biến vật cản
3.3.4.1 Khái niệm cảm biến vật cản
Cảm biến quang điện bao gồm hai thành phần chính: nguồn phát quang và bộ thu quang Nguồn phát quang, có thể là LED hoặc LASER, phát ra ánh sáng có thể nhìn thấy hoặc không nhìn thấy tùy thuộc vào bước sóng Bộ thu quang, sử dụng photodiode hoặc phototransistor, có chức năng chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện.
3.3.4.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến vật cản
Khi mục tiêu tiếp cận vùng phát của cảm biến, tín hiệu ánh sáng sẽ được phản xạ và tác động vào đèn LED thu Đèn LED thu sau đó kích hoạt transistor để phát tín hiệu ra ngoài.
Chức năng: Phát hiện các vật cản (chai) để đưa tín hiệu về cho bộ điều khiển 3.3.5 Băng chuyền
Hình ảnh băng chuyền có trong hệ thống
Băng chuyền là thiết bị cơ khí chuyên dụng để di chuyển hàng hóa và vật tư từ vị trí này đến vị trí khác theo một lộ trình cố định Hệ thống băng chuyền mang lại khả năng vận chuyển nhanh chóng và hiệu quả cho nhiều loại vật liệu khác nhau.
3.3.5.2 Nguyên lí hoạt động của băng chuyền
Khi băng chuyền hoạt động, rulo quay nhờ lực ma sát, giúp dây băng tải di chuyển Tốc độ của băng chuyền có thể được điều chỉnh tùy theo nhu cầu vận chuyển Các vật phẩm đặt trên bề mặt băng chuyền sẽ được di chuyển nhờ sự chuyển động của dây băng tải.
Chức năng: Vận chuyển chai và thùng trong hệ thống
Hình ảnh động cơ DC có trong hệ thống
Hình 3.8 Các loại động cơ
3.3.6.1 Khái niệm động cơ DC Động cơ DC là động cơ hoạt động với dòng điện 1 chiều Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM
3.3.6.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC
Khi dòng điện đi qua cuộn dây quấn quanh lõi sắt, lực tác động lên các cực của cuộn dây theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming sẽ gây ra sự quay của rotor Để duy trì sự quay liên tục, bộ cổ góp điện sẽ chuyển mạch dòng điện sau mỗi 1/2 chu kỳ Tuy nhiên, lực quay sẽ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90 độ so với phương ban đầu, khiến rotor quay theo quán tính Sự tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo ra momen điện từ, làm cho phần ứng quay quanh trục.
Chức năng: Làm quay băng tải trong mô hình
Hình ảnh van khí nén 24V có trong hệ thống
3.3.7.1 Khái niệm van khí nén 24V
Van đảo chiều điều khiển dòng năng lượng bằng cách mở hoặc đóng các cửa van, giúp thay đổi hướng của dòng khí nén một cách hiệu quả.
3.3.7.2 Nguyên lý hoạt động của van khí nén 24V
Khi chưa có tín hiệu điện vào chân 14, van hoạt động ở vị trí bên phải, cho phép cửa số 1 thông với cửa số 2 và cửa số 4 thông với cửa số 5, trong khi cửa số 3 bị chặn Khi tín hiệu điện được đưa vào chân 14, van sẽ đảo trạng thái.
1 thông với cửa 4, cửa 2 thông với cửa 3, cửa số 5 bị chặn,
Chức năng: Đóng mở khí cho xylanh trong mô hình
Hình ảnh relay 24V có trong hệ thống
Rơ le là thiết bị tự động, giúp thay đổi tín hiệu đầu ra khi tín hiệu đầu vào đạt giá trị xác định Nó được sử dụng để đóng cắt mạch điện điều khiển và bảo vệ, đồng thời điều chỉnh hoạt động của mạch điện động lực.
Sơ đồ đấu nối dây
Để hệ thống hoạt động hiệu quả, việc đấu dây cho các phần cứng là một yếu tố quan trọng cần được chú ý.
Sơ đồ đấu nối của PLC Slave 1 cho thấy cách kết nối nguồn cấp cho PLC với 220VAC vào chân L+ và M (220V AC), trong khi chân M (24V DC) đồng bộ với âm nguồn của bộ nguồn tổ ong (24V) và chân L+ cùng chân 1M nối với dương nguồn Cảm biến vật cản sử dụng NPN, với tín hiệu trả về ở mức thấp, trong đó cảm biến rót nước, cảm biến đóng nắp và cảm biến đẩy chai được kết nối lần lượt từ I0.0 đến I0.2 Bên hàng outputs, chân 3L+ và 3M nối với dương và âm nguồn tổ ong, trong khi relay của băng chuyền, van nước và 2 xy lanh đóng đẩy chai kết nối vào chân Q0.0 đến Q0.3.
3.4.2.Sơ đồ đấu nối cho PLC Slave 2
Hình 3.18 minh họa sơ đồ đấu nối của PLC Slave 2, trong đó nguồn cấp cho PLC được kết nối với 220VAC tại chân L+ và M (220V AC) Chân M (24V DC) sẽ được đồng bộ với âm nguồn của bộ nguồn tổ ong (24V), cùng với chân L+.
Trong hệ thống NPN, tín hiệu trả về được thiết lập ở mức thấp, trong đó cảm biến gập thùng và cảm biến cắt keo được kết nối theo thứ tự từ I0.0 đến I0.1 Các chân outputs 3L+ và 3M được nối lần lượt với nguồn dương và âm của tổ ong, cùng với relay cho các chức năng như băng chuyền, kẹp chai, rút ván đỡ, thả chai, gập thùng và cắt keo, được kết nối vào các chân Q0.0 đến Q0.5.
3.4.3 Sơ đồ đấu nối cho Master
Hình 3.19 Sơ đồ đấu nối của Master
3.4.4 Sơ đồ đấu nối nguồn tổ ong và bộ giảm tốc
Hình 3.20 Sơ đồ đấu nối nguồn tổ ong và bộ giảm tốc
Bộ nguồn tổ ong(24V) chân L,N nối vào nguồn AC 220V, chân 0V DC và 24V
DC nối lần lượt vào Vin+ và Vin-
3.4.5 Sơ đồ đấu nối nút nhấn
Trong sơ đồ đấu nối nút nhấn cho Master, một đầu của nút nhấn được kết nối với đầu 0VDC của nguồn tổ ong Đầu còn lại của nút nhấn được nối tiếp với thiết bị cần điều khiển và sau đó kết nối về đầu 24VDC của nguồn tổ ong.
XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ, BẢNG PHÂN CÔNG ĐẦU VÀO – ĐẦU RA CHO TỪNG PLC
Quy trình công nghệ của hệ thống
Mỗi hệ thống đều có quy trình công nghệ riêng biệt, và dưới đây là quy trình công nghệ cho hệ thống chiết rót, đóng nắp và đóng thùng chai nước.
4.1.1 Giới thiệu quy trình công nghệ
Sau khi nghiên cứu quy trình công nghệ của các dây chuyền sản xuất nước uống đóng chai, kết hợp với phương án điều khiển phân tán đã được trình bày ở chương 3, chúng tôi sẽ trình bày quy trình công nghệ cho mô hình hệ thống chiết rót, đóng nắp và đóng thùng trong đề tài này.
Hình 4.1 Quy trình công nghệ của hệ thống Quy trình công nghệ của hệ thống:
Khi chai được đưa vào băng chuyền 1, cảm biến 1 phát hiện và gửi tín hiệu đến PLC 2 để điều khiển van nước và tạm dừng băng chuyền Sau khi chai được rót đầy, băng chuyền 1 tiếp tục hoạt động và đưa chai vào khâu đóng nắp tự động, lúc này cảm biến 2 kích hoạt PLC 2 để xylanh đóng nắp hoạt động Sau khi hoàn tất, băng chuyền 1 di chuyển chai đến cuối băng chuyền, và khi cảm biến 3 phát hiện đủ 2 chai, xylanh sẽ đẩy chúng qua giá đỡ Khi có đủ 4 chai trên giá đỡ, hệ thống xylanh sẽ kẹp và chuyển chai xuống băng chuyền 2 dưới sự điều khiển của PLC 3, trong khi cảm biến 4 nhận tín hiệu Khi chai được thả vào thùng, băng chuyền 2 chạy và cảm biến sẽ ngừng nhận tín hiệu, kích hoạt xylanh gập nắp thùng Cuối cùng, khi thùng gần đến cuối băng tải 2, keo sẽ được dán tự động nhờ cảm biến 5 gửi tín hiệu để xylanh cắt keo hoạt động Quá trình này lặp lại liên tục, tạo thành một hệ thống dây chuyền hoàn chỉnh được giám sát và điều khiển bởi PLC 1.
Quá trình điều khiển toàn bộ hệ thống tự động bắt đầu khi người vận hành nhấn nút Start, tuy nhiên, việc giám sát hoạt động của hệ thống cũng cần được thực hiện một cách tự động Điều này rất quan trọng vì nó đảm bảo tính hiệu quả và an toàn cho hệ thống.
Quá trình vận hành được thực hiện một cách hoàn toàn tự động
Quá trình điều khiển phải đúng quy trình công nghệ đảm bảo yêu cầu công nghệ
Người vận hành dễ dàng giám sát trạng thái hoạt dộng của hệ thống, theo dõi diễn biến các quá trình
Dễ dàng phát hiện các sự cố để có biện pháp xử lí kịp thời
Các giao diện thận thiện, linh hoạt và dễ dàng sử dụng.
Bảng phân công đầu vào - đầu ra cho từng PLC
Để thực hiện quy trình công nghệ đã nêu, bài viết sử dụng 3 PLC, bao gồm 1 PLC điều khiển trung tâm và 2 PLC điều khiển 2 dây chuyền sản xuất Phần này sẽ giới thiệu bảng phân công đầu vào và đầu ra cho 3 PLC, thông tin chi tiết sẽ được trình bày ở các mục tiếp theo.
4.2.1 Bảng phân công đầu vào – đầu ra cho PLC Master Đầu vào của PLC Master gồm có 5 chân từ i0.0 i0.4 được thể hiện ở bảng 4.1
Bảng 4.1 Bảng phân công đầu vào cho PLC Master Đầu vào I0.0 start
4.2.2 Bảng phân công đầu vào – đầu ra cho PLC Slave 1 Đầu vào của PLC Slave 1 gồm có 7 chân từ i0.0 i0.6 được thể hiện ở bảng 4.2
Bảng phân công đầu vào cho PLC Slave 1 bao gồm các cảm biến và thiết bị như sau: I0.0 là cảm biến khâu rót nước, I0.1 là cảm biến khâu đóng nắp, I0.2 là cảm biến khâu xếp chai, I0.3 là băng chuyển 1, I0.4 là van nước, I0.5 là xylanh đóng nắp và I0.6 là xylanh đẩy chai.
Bảng 4.3 Bảng phân công đầu ra cho PLC Slave 1 Đầu ra Q0.0 băng chuyền 1
Q0.2 xylanh đóng nắp Q0.3 xylanh đẩy chai
4.2.3 Bảng phân công đầu vào – đầu ra cho PLC Slave 2 Đầu vào của PLC Slave 2 gồm có 8 chân i0.0 và i0.7 được thể hiện ở bảng 4.4
Bảng 4.4 trình bày phân công đầu vào cho PLC Slave 2, bao gồm các cảm biến và nút bấm như: I0.0 cho cảm biến khâu đóng thùng, I0.1 cho cảm biến khâu cắt keo, I0.2 cho băng chuyển 2, I0.3 cho xylanh kẹp chai, I0.4 cho xylanh rút kệ đỡ chai, I0.5 cho xylanh thả chai, I0.6 cho xylanh đẩy nắp thùng và I0.7 cho xylanh cắt keo Đầu ra của PLC Slave 2 được thể hiện qua 6 chân từ q0.0 đến q0.5 như mô tả trong bảng 4.5.
Bảng phân công đầu ra cho PLC Slave 2 bao gồm các đầu ra quan trọng như sau: Q0.0 điều khiển băng chuyền 2, Q0.1 điều khiển xylanh kẹp chai, Q0.2 điều khiển xylanh rút kệ đỡ chai, Q0.3 điều khiển xylanh thả chai, Q0.4 điều khiển xylanh đẩy nắp thùng, và Q0.5 điều khiển xylanh cắt keo.
Giản đồ thời gian cho từng PLC
Trong phần này sẽ trình bày giản đồ thời gian của 3 PLC trong mô hình
4.3.1 Giản đồ thời gian cho PLC Slave 1
Hình 4.2 Giản đồ thời gian cho PLC Slave 1
4.3.2 Giản đồ thời gian cho PLC Slave 2
Hình 4.3 Giản đồ thời gian cho PLC Slave 2
4.3.3 Giản đồ thời gian cho PLC Master
Hình 4.4 Giản đồ thời gian cho PLC
Sơ đồ thuật toán của hệ thống
Trong mô hình hệ thống này, một PLC S7-1200 được sử dụng làm trung tâm xử lý (Master) Sơ đồ kết nối truyền thông giữa ba PLC được trình bày rõ ràng trong hình minh họa.
Xử lí, truyền và nhận tín hiệu từ PLC Master đến PLC Slave 1, PLC Slave 2:
PLC Master đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và giám sát hoạt động của hai PLC Slave, giúp người vận hành dễ dàng quan sát và điều khiển quá trình Hệ thống truyền thông giữa PLC Master và các PLC Slave sử dụng chuẩn truyền thông Profinet, đảm bảo tính hiệu quả trong việc truyền nhận tín hiệu.
Ngoài ra PLC Master này được kết nối với máy tính giám sát thông qua giao diện WinCC theo chuẩn truyền thông công nghiệp profinet
4.4.1 Sơ đồ thuật toán của PLC Slave 1
Chúng ta sẽ phân tích lưu đồ thuật toán của PLC Slave 1 theo từng bước nhỏ để dễ hiểu hơn và có cái nhìn chi tiết hơn, được trình bày ở các mục dưới đây.
4.4.1.1 Lưu đồ thuật toán tổng quát cho PLC Slave 1
Khi nhận tín hiệu khởi động, băng chuyền 1 sẽ bắt đầu hoạt động Hệ thống sẽ kiểm tra các tín hiệu từ cảm biến CB1, CB2, CB3 để xác định từng bước trong quy trình Nếu các tín hiệu đúng, hệ thống sẽ thực hiện các công đoạn chiết rót, đóng nắp và đóng thùng Quá trình này sẽ tiếp tục lặp lại, trong khi nếu có sai sót, tín hiệu sẽ liên tục trả về để ngăn chặn các bước không hợp lệ.
4.4.1.2 Lưu đồ thuật toán chương trình con cho khâu chiết rót trong PLC Slave 1
Hình 4.7 Lưu đồ thuật toán khâu chiết rót cho PLC Slave 1 Trong đó: CB1: Cảm biến khâu chiếc rót
BC1: Băng chuyền hệ thống 1
Khi tín hiệu băng chuyền 1 bắt đầu, cảm biến 1 sẽ phát hiện và khiến băng chuyền 1 dừng lại để van nước bắt đầu chiết rót trong 2,5 giây theo thiết lập Sau 2,5 giây, van nước sẽ tự động đóng và băng chuyền 1 sẽ tiếp tục hoạt động Nếu cảm biến 1 không phát hiện, băng chuyền 1 sẽ vẫn chạy mà không có quá trình rót nước.
4.4.1.3 Lưu đồ thuật toán chương trình con cho khâu đóng nắp trong PLC Slave 1
Trong đó: BC1: Băng chuyền hệ thống 1
CB2: Cảm biến khâu rót nước
XL ĐÓNG NẮP: Cơ cấu khâu dóng nắp
Khi băng chuyền 1 bắt đầu hoạt động, cảm biến 2 sẽ phát hiện và làm cho băng chuyền 1 dừng lại để xylanh đóng nắp thực hiện quá trình dập nắp trong 5 giây theo cài đặt Sau 5 giây, xylanh sẽ ngừng dập và băng chuyền 1 sẽ tiếp tục chạy Nếu cảm biến 2 không phát hiện, băng chuyền 1 sẽ tiếp tục hoạt động mà không có quá trình đóng nắp.
4.4.1.4 Lưu đồ thuật toán chương trình con cho khâu đẩy chai trong PLC Slave 1
Khi tín hiệu băng chuyền 1 bắt đầu, cảm biến 3 sẽ phát hiện và làm dừng băng chuyền 1, cho phép xylanh đẩy chai thực hiện quá trình đẩy chai nếu bộ đếm đạt 2
Hình 4.9 Lưu đồ thuật toán khâu đẩy chai cho PLC Slave 1 Trong đó: CB3: Cảm biến khâu đẩy chai
BC : Băng chuyền hệ thống 1
XL ĐẨY CHAI: Cơ cấu khâu đẩy chai
4.4.2 Sơ đồ thuật toán của PLC Slave 2
Chúng ta sẽ phân tích lưu đồ thuật toán của PLC Slave 2 theo từng bước một cách chi tiết, tương tự như PLC Slave 1, để dễ hiểu hơn và có cái nhìn sâu sắc hơn về quy trình này.
4 4.2.1 Lưu đồ thuật toán tổng quát cho PLC Slave 2
Khi tín hiệu băng chuyền 2 bắt đầu chạy, cảm biến sẽ phát hiện từng khâu trong quá trình đóng thùng và cắt keo Nếu các khâu thực hiện đúng, quá trình sẽ lặp lại một cách tuần tự Ngược lại, nếu có sai sót, tín hiệu sẽ liên tục trả về để thông báo rằng các khâu không được thực hiện.
4.4.2.2 Lưu đồ thuật toán chương trình con cho khâu thả chai vào thùng trong PLC Slave 2
Khi nhận tín hiệu từ master, cảm biến 4 sẽ phát hiện và kích hoạt xylanh kẹp để kẹp miệng 4 chai tiếp theo Sau đó, xylanh rút bệ sẽ thực hiện việc rút bảng đỡ, và xylanh thả sẽ reset về trạng thái ban đầu Khi quá trình hoàn tất, cảm biến 1 sẽ làm cho băng chuyền 1 chạy Nếu cảm biến 1 không hoạt động, quá trình thả chai vào thùng sẽ không diễn ra.
Hình 4.11 Lưu đồ thuật toán khâu thả chai vào thùng cho PLC Slave 2 Trong đó: CB1: Cảm Biến khâu đóng thùng
BC1: Băng chuyền hệ thống 2
XL KEP: Cơ cấu kẹp chai
XL RÚT BỆ: Cơ cấu rút bệ đỡ chai
XL THẢ: Cơ cấu thả chai
4.4.2.3 Lưu đồ thuật toán chương trình con cho khâu đẩy nắp thùng trong PLC Slave
Khi tín hiệu băng chuyền 1 tạm dừng, cảm biến 3 sẽ kích hoạt để dừng băng chuyền 1 và cho phép xylanh đẩy nắp thực hiện gập nắp thùng Sau khi quá trình đẩy hoàn tất, băng chuyền 1 sẽ tiếp tục chạy Nếu cảm biến 1 kích hoạt, quá trình gập nắp thùng sẽ không diễn ra.
Hình 4.12 Lưu đồ thuật toán khâu đóng nắp thùng cho PLC Slave 2 Trong đó: CB1: Cảm biến khâu đóng thùng,đẩy nắp thùng
BC1: Băng chuyền hệ thống 2
XL ĐẨY NẤP: Cơ cấu đẩy nắp thùng
4.4.2.4 Lưu đồ thuật toán chương trình con cho khâu cắt keo trong PLC Slave 2
Hình 4.13 Lưu đồ thuật toán khâu cắt băng keo cho PLC Slave 2
Trong đó: CB2: Cảm biến khâu cắt keo
BC1: Băng chuyền hệ thống 2
XL CẮT KEO: Cơ cấu cắt keo
Khi có tín hiệu cảm biến 5(=0) sẽ làm cho xylanh cắt băng keo(=1) \, sau 1s cho xylanh cắt băng keo(=0) và kết thúc quá trình.
Chương trình chính cho từng PLC
Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày chương trình chính cho từng PLC trong mô hình hệ thống Toàn bộ chi tiết chương trình cho ba PLC được cung cấp trong phần phụ lục.
4 5.1 Chương trình chính cho PLC Master
Sau khi viết và chỉnh sửa cuối cùng cũng xong chương trình điều khiển chính cho PLC Master
4.5.2 Chương trình chính cho PLC Slave 1
Sau khi viết và chỉnh sửa cuối cùng cũng xong chương trình điều khiển chính cho PLC Slave 1
4.5.3 Chương trình chính cho PLC Slave2
Sau khi viết và chỉnh sửa cuối cùng cũng xong chương trình điều khiển chính cho PLC Slave 2.
THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT TRÊN WINCC
Các bước kết nối giữa WinCC với PLC
Để kết nối WinCC với PLC ta thực hiện 6 bước sau:
Bước 1: Mở file đã viết chương trình trong Tia Portal V15 lên rồi chọn Add new device (1) chọn PC systems (2) chọn WinCC RT Advance (3) bấm OK (4)
Cửa sổ sau sẽ xuất hiện,
Bước 2: Ta tiến hành vào Communications modules (1) chọn PROFINET/Ethernet
Bước 3: Ta nhấn giữ IE general rồi lôi (3) thả vào vị trí như hình dưới
Bước 4: Ta vào Devices & networks (1) Cửa sổ sẽ xuất hiện như hình bên dưới
Bước 5: Ta nối 2 điểm (1) và (2) lại với nhau để tạo liên kết
Bước 6: Ta vào Connections (1) (2) chọn S7 connection (3)
Vậy là ta đã hoàn thành quá trình kết nối WinCC với PLC
Quá trình kết nối WinCC với PLC rất đơn giản, chỉ cần thực hiện theo các bước cơ bản Các PLC và WinCC được kết nối thông qua dây cáp mạng, sử dụng bộ chuyển đổi Switch để kết nối các đầu nối, từ đó dễ dàng trao đổi dữ liệu giữa chúng.