Thiết kế hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai nước lọc sử dụng plc s7 1200

Với yêu cầu cấp thiết đó, đề tài " Thiết kế hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai nước lọc sử dụng plc S7-1200 " đã được đề xuất nhằm đáp ứng các nhu cầu trên.. Nhằm giải quyết c

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

LỌC SỬ DỤNG PLC S7-1200

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

LỌC SỬ DỤNG PLC S7-1200

Ngô Đức Lâm

1911505510222

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Tên đề tài: “ Thiết kế hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai nước lọc sử

ngày càng quan trọng Trong số các yếu tố quan trọng đối với sức khỏe, nước sạch

đóng vai trò vô cùng quan trọng trong cơ thể con người Với tỷ lệ chiếm khoảng

70-80% khối lượng cơ thể, nước được phân bố khắp các cơ quan như máu, cơ bắp và

phổi Một người trưởng thành có thể không ăn trong vài ngày, nhưng không thể sống

mà không uống nước trong 3-4 ngày

Mặc dù 70% bề mặt trái đất là nước, chỉ có 4% là nước ngọt và chỉ 0.5% trong

số đó là nước sạch, an toàn để sử dụng Tình trạng này đang dẫn đến một vấn đề

nghiêm trọng, khi con người đang sử dụng nước sạch nhanh hơn tốc độ cung cấp từ

thiên nhiên Điều này dẫn đến nạn đói, dịch bệnh, xung đột và làn sóng di cư tại một

số khu vực, gây ảnh hưởng đến nguồn nước sạch

Để đáp ứng nhu cầu sử dụng nước sạch, cần có các biện pháp bảo vệ và quản

lý tài nguyên nước hiệu quả Công ty sản xuất nước lọc cần áp dụng công nghệ tiên

tiến để xử lý nước và đảm bảo chất lượng nước đạt tiêu chuẩn an toàn Đồng thời,

quy trình đóng gói nên được thực hiện với các tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt để

đảm bảo không có tiếp xúc với các chất gây ô nhiễm và cặn bẩn từ môi trường Sự tự

động hóa trong dây chuyền đóng gói cũng sẽ giúp tăng năng suất và giảm sự phụ

thuộc vào nhân công, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm chi phí

Với yêu cầu cấp thiết đó, đề tài " Thiết kế hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán

nhãn chai nước lọc sử dụng plc S7-1200 " đã được đề xuất nhằm đáp ứng các nhu cầu

trên Nội dung đề tài:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống dây chuyền chiết rót, đóng nắp và dán nhãn

chai nước lọc

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Thiết kế hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai nước lọc

Chương 4: Chương trình điều khiển và giám sát hệ thống dây chuyền chiết rót,

đóng nắp và dán nhãn chai nước lọc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

3 Nội dung chính của đồ án

Chương 1: Tổng quan về hệ thống dây chuyền chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chainước lọc

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Thiết kế hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai nước lọc

Chương 4: Chương trình điều khiển và giám sát hệ thống dây chuyền chiết rót, đóngnắp và dán nhãn chai nước lọc

Đánh giá kết quả thực hiện của đề tài

Hướng phát triển đề tài

4 Các sản phẩm dự kiến

- Mô hình hệ thống điều khiển và giám sát dây chuyền chiết rót, đóng nắp và dánnhãn chai nước lọc

- Báo cáo thuyết minh đề tài

- Chương trình điều khiển hệ thống trên TIA Portal

5 Ngày giao đồ án: 28/08/2023

6 Ngày nộp đồ án: 11/12/2023

Đà Nẵng, ngày 29 tháng 12 năm 2023

ThS Phan Thị Thanh Vân

Trong quá trình xây dựng và phát triển thành một nước công nghiệp hiện đại,

tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày và sản xuất Ngành

tự động hóa đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu và cũng tương tự tại Việt Nam.Công nghệ tự động hóa đang được áp dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực, mang lạinhiều lợi ích như tăng năng suất, giảm chi phí, nâng cao chất lượng sản phẩm và tiếpcận thị trường

Tuy nhiên, để đảm bảo độ chính xác trong quá trình sản xuất, các nhà máythường phải sử dụng các thiết bị và máy móc tự động hóa Mặc dù đầu tư vào cácthiết bị này có thể đòi hỏi số vốn lớn, nhưng vì nhu cầu thị trường và tình hình cạnhtranh khốc liệt, việc áp dụng tự động hóa vào quy trình sản xuất trở thành điều khôngthể thiếu đối với các nhà máy

Đặc biệt, trong quá trình sản xuất nước lọc đóng chai, việc sử dụng tự độnghóa là vô cùng quan trọng Nhằm giải quyết các vấn đề đó nhóm đã chọn đề tài

"Thiết kế hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai nước lọc sử dụng PLC

S7-1200" Bằng cách nghiên cứu về PLC S7-1200, tham khảo các dây chuyền sản

xuất nước lọc và áp dụng kiến thức đã học, nhóm đã hoàn thành đề án này

Sau một thời gian dài học tập tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học

Đà Nẵng, em đã được sự hướng dẫn và giảng dạy tận tâm từ các thầy cô giáo Nhờ

đó, nhóm em đã thu nhận được những kiến thức quý báu như hôm nay Để hoànthành bài báo cáo này, nhóm em đã cố gắng hết sức và áp dụng những kiến thức đãhọc được trên ghế nhà trường, với sự hỗ trợ đặc biệt từ cô Phan Thị Thanh Vân Cô

đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và chia sẻ những kiến thức quý giá trong quá trìnhthực hiện bài báo cáo

Vì vậy, trước hết nhóm em xin chân thành cảm ơn cô Phan Thị Thanh Vân.Tiếp theo, nhóm xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử,

và toàn thể giảng viên của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng nóichung, vì đã truyền đạt kiến thức cho nhóm em trong suốt quãng thời gian là sinhviên của trường

Một lần nữa, nhóm em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm em cam đoan rằng đề tài " Thiết kế hệ thống chiết rót, đóng nắp và dánnhãn chai nước lọc sử dụng PLC S7-1200 " đã được thực hiện một cách minh bạch,công khai và chính xác Mọi thông tin và kết quả trong bài đồ án này đều dựa trên sự

cố gắng và nỗ lực của nhóm em, cũng như sự hỗ trợ đáng kể từ cô Phan Thị ThanhVân và các thầy cô trong khoa

Nhóm em cam kết rằng các số liệu và kết quả trong bài đồ án này là hoàn toàn

tự biên soạn và không sao chép từ bất kỳ nguồn tài liệu nào khác Nếu phát hiện bất

kỳ hành vi sao chép kết quả nghiên cứu từ các đề tài khác, nhóm em xin chịu hoàntoàn trách nhiệm

Sinh viên thực hiện

Cao Hữu Trọng Ngô Đức Lâm

Nhận xét của người hướng dẫn

Nhận xét của người phản biện

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp

Lời nói đầu i

Cam đoan ii

Mục lục iii

Danh sách các bảng, hình vẽ vi

Danh sách các ký hiệu, chữ viết tắt x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DÂY CHUYỀN CHIẾT RÓT, ĐÓNG NẮP VÀ DÁN NHÃN VÀ DÁN NHÃN CHAI NƯỚC LỌC 3

1.1 Tính cấp thiết 3

1.2 Tổng quan về dây chuyền chiết rót, đóng nắp và dán nhãn và dán nhãn chai nước lọc 4

1.2.1 Giới thiệu chung 4

1.2.2 Ưu điểm chính của hệ thống 5

1.2.3 Phạm vi ứng dụng 5

1.2.4 Yếu tố về an toàn, vấn đề môi trường và toàn cầu 5

1.3 Nguyên lí hoạt động của hệ thống 6

1.4 Các công nghệ trên dây chuyền chiết rót, đóng nắp và dán nhãn và dán nhãn chai nước lọc 6

1.4.1 Công nghệ chiết rót 6

1.4.2 Công nghệ đóng nắp 7

1.4.3 Công nghệ dán nhãn 8

1.4.4 Công nghệ xử lý ảnh kiểm tra lỗi 9

1.4.5 Dây chuyền chiết rót, đóng nắp và dán nhãn 9

1.5 Phương án thiết kế 10

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 Tổng quan về PLC 14

2.1.1 Giới thiệu về PLC 14

2.1.2 Cấu trúc của PLC 14

2.1.3 Hoạt động của PLC 15

2.1.4 Ứng dụng PLC 15

2.2.1 Khái niệm chung PLC S7 – 1200 16

2.2.2 Các bảng tín hiệu 18

2.2.3 Các module tín hiệu 18

2.2.4 Các module truyền thông 19

2.3 Giới thiệu về phần mềm TIA Portal và Wincc 19

2.3.1 Tia portal 19

2.3.2 Giới thiệu về giao diện hệ thống điều khiển và giám sát SCADA 20

2.3.3 Wincc 20

2.4 Tổng quan về xử lý ảnh 20

2.4.1 Thu nhận ảnh (Image Acquisition) 21

2.4.2 Tiền xử lý (Image processing) 21

2.4.3 Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh 21

2.4.4 Biểu diễn ảnh (Image Representation) 22

2.4.5 Nhận dạng và nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation) 22

2.4.6 Cơ sở tri thức (Knowledge Base) 22

2.5 Giới thiệu ngôn ngữ Python và thư viện OpenCV 22

2.5.1 Ngôn ngữ Python 22

2.5.2 Thư viện OpenCV 23

2.6 Giới thiệu về phần mềm Pycharm và QT Designer 24

2.6.1 Phần mềm Pycharm 24

2.6.2 Phần mềm QT Designer 25

2.7 Phương pháp phân loại sản phẩm theo màu sắc 26

2.7.1 Giới thiệu về các không gian màu 26

2.7.2 Phương pháp nhận dạng màu sắc 28

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT, ĐÓNG NẮP VÀ DÁN NHÃN CHAI NƯỚC LỌC 30

3.1 Quy trình công nghệ của hệ thống 30

3.2 Sơ đồ khối 31

3.3 Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí 32

3.3.1 Kết cấu của hệ thống 32

3.3.2 Mâm xoay 32

3.3.4 Cơ cấp cấp nắp tự động 34

3.3.5 Cơ cấu đóng nắp chai 34

3.3.6 Cơ cấu dán nhãn chai 36

3.3.7 Cơ cấu phân loại chai 37

3.4 Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển 39

3.4.1 Khối cảm biến 39

3.4.2 Khối động lực 41

3.4.3 Khối cách ly bảo vệ 46

3.4.4 Khối nguồn 47

3.4.5 Camera 48

3.5 Sơ đồ đấu nối 49

3.6 Thi công mô hình chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai nước lọc 51

CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG DÂY CHUYỀN CHIẾT RÓT, ĐÓNG NẮP VÀ DÁN NHÃN CHAI NƯỚC LỌC 52

4.1 Bảng phân công đầu vào đầu ra 52

4.2 Giản đồ thời gian 53

4.3 Lưu đồ thuật toán 54

4.3.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 54

4.3.2 Lưu đồ thuật toán chương trình thủ công 55

4.3.3 Lưu đồ thuật toán chương trình tự động 56

4.3.4 Lưu đồ thuật toán chương trình con băng tải 1 57

4.3.5 Lưu đồ thuật toán chương trình con chiết rót 58

4.3.6 Lưu đồ thuật toán chương trình con đóng nắp 59

4.3.7 Lưu đồ thuật toán chương trình con dán nhãn 61

4.3.8 Lưu đồ thuật toán chương trình con kiểm tra lỗi 62

4.4 Chương trình điều khiển và giám sát 64

4.4.1 Viết chương trình điều khiển 64

4.4.2 Viết chương trình giám sát cho hệ thống qua WinCC 65

4.4.3 Viết chương trình giám sát kiểm tra xử lý ảnh qua QT Designer và PyQt5 68

4.5 Giao tiếp và truyền thông Pycharm với PLC S7 1200 69

4.5.1 Mở quyền truy cập truyền nhận dữ liệu trên PLC S7 1200 69

4.5.2 Cài đặt địa chỉ và truyền thông 70

4.5.3 Đọc và ghi dữ liệu 70

KẾT LUẬN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Hình 1.1 Nguyên nhân nguồn nước bị ô nhiễm 3

Hình 1.3 Hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai tự động 4

Hình 1.4 Dây chuyền khâu chiết rót nước 6

Hình 1.5 Dây chuyền đóng nắp chai 7

Hình 1.6 Máy dán nhãn chai tròn 8

Hình 1.7 Máy dán nhãn mặt phẳng 8

Hình 1.8 Công nghệ kiểm tra bằng xử lý ảnh trong công nghiệp 9

Hình 1.9 Máy chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai dạng mâm xoay 10

Hình 1.10 Máy chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai dạng thẳng 10

Y Hình 2.1 Điểu khiển bẳng relay và bằng PLC 14

Hình 2.2 Cấu trúc của PLC 14

Hình 2.3 Hoạt động PLC 15

Hình 2.4 Ứng dụng PLC 15

Hình 2.5 Cấu trúc PLC S7 – 1200 16

Hình 2.6 Bảng tín hiệu của PLC S7 1200 18

Hình 2.7 Các module tín hiệu của PLC S7 1200 18

Hình 2.8 Các module truyền thông của PLC S7 1200 19

Hình 2.9 Phần mềm Tia Portal 19

Hình 2.10 Giao diện giám sát của WinCC 20

Hình 2.11 Các công đoạn trong xử lý ảnh 21

Hình 2.12 Ngôn ngữ Python 22

Hình 2.13 Thư viện OpenCV 23

Hình 2.14 Phần mềm Pycharm 24

Hình 2.15 Giao diện lập trình của Pycharm 25

Hình 2.16 Giao diện của phần mềm QT Designer 25

Hình 2.17 Không gian màu RGB 26

Hình 2.18 Không gian màu CMYK 27

Hình 2.19 Không gian màu HSV 28

Hình 2.20 Các bước thực hiện phân loại màu 28

Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống 31

Hình 3.2 Sơ đồ hoạt động của hệ thống 32

Hình 3.3 Mặt trên mâm xoay 32

Hình 3.4 Cấu tạo mâm xoay 33

Hình 3.5 Các vị trí của mâm xoay 33

Hình 3.7 Cơ cấu cấp nắp thực tế 34

Hình 3.8 Cấu tạo cơ cấu vặn nắp chai 35

Hình 3.9 Cơ cấu đóng nắp thực tế 35

Hình 3.10 Cấu tạo cơ cấu đẩy và dán nhãn chai 36

Hình 3.11 Cơ cấu dán nhãn thực tế 37

Hình 3.12 Cấu tạo cơ cấu đẩy chai 37

Hình 3.13 Cơ cấu phân loại chai thực tế 37

Hình 3.14 Cấu tạo băng tải 38

Hình 3.15 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 39

Hình 3.16 Cảm biến điện dung 39

Hình 3.17 Cảm Biến Từ Xilanh AIRTAC CS1-J 40

Hình 3.18 Cảm biến quang Omron EE-SX473 40

Hình 3.19 Động cơ bơm nước DC 385 41

Hình 3.20 Động cơ giảm tốc GB37-3530 41

Hình 3.21 Động cơ bước Size 57X42 42

Hình 3.22 Driver TB6600 43

Hình 3.23 Động cơ JGB37 – 520 DC 44

Hình 3.24 Cấu tạo và ký hiệu của van điện từ khí nén 5/2 45

Hình 3.25 Van điện từ khí nén 4V210 – 08 45

Hình 3.26 Xi-lanh đôi TN 10X50-S 46

Hình 3.27 Xi-lanh đôi TN 10X100-S 46

Hình 3.28 MCB 2 pha 16A 47

Hình 3.29 Rơ-le MY2N – 24VDC 8 chân dẹt OMRON 47

Hình 3.30 Nguồn tổ ong 24V 48

Hình 3.31 Camera full HD 1080p 48

Hình 3.32 Sơ đồ nguồn cấp hệ thống 49

Hình 3.33 Sơ đồ đấu nối tín hiệu ngõ vào PLC 49

Hình 3.34 Sơ đồ đấu nối ngõ ra PLC 50

Hình 3.35 Sơ đồ đấu nối driver với động cơ step 50

Hình 3.36 Sơ đồ đấu nối cơ cấu chấp hành 51

Hình 3.37 Bảng điện của hệ thống 51

Hình 3.38 Mô hình thực tế sau khi thi công 51

Hình 4.1 Giản đồ thời gian chế độ Auto đối với chai đạt 53

Hình 4.2 Giản đồ thời gian chế độ Auto đối với chai lỗi 53

Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán chương trình thủ công của hệ thống 55

Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán chương trình tự động của hệ thống 56

Hình 4.6 Lưu đồ thuật toán chương trình con băng tải 1 57

Hình 4.7 Lưu đồ thuật toán chương trình con chiết rót – cấp nắp 58

Hình 4.8 Lưu đồ thuật toán chương trình con đóng nắp 59

Hình 4.9 Lưu đồ thuật toán chương trình con dán nhãn 61

Hình 4.10 Lưu đồ thuật toán chương trình con kiểm tra lỗi 62

Hình 4.11 Lưu đồ thuật toán chương trình xử lý ảnh 63

Hình 4.12 Đặt tên cho dự án mới 64

Hình 4.13 Chọn bộ điều khiển để lập trình 64

Hình 4.14 Giao diện viết chương trình PLC 64

Hình 4.15 Kết nối PLC với WinCC RT Advanced 65

Hình 4.16 Chọn Screen để tạo HMI 65

Hình 4.17 Add new screen để tạo giao diện 65

Hình 4.18 Giao diện thiết lập WinCC 65

Hình 4.19 Khối Basic objects 66

Hình 4.20 Khối Elements 66

Hình 4.21 Khối Controls 66

Hình 4.22 Thanh Properties 67

Hình 4.23 Thanh hiệu chỉnh Animations 67

Hình 4.24 Thanh hiệu chỉnh Events 67

Hình 4.25 Giao diện giám sát WinCC của hệ thống 67

Hình 4.26 Cửa sổ tạo dự án mới 68

Hình 4.27 Giao diện làm việc chính của QT Designer 68

Hình 4.28 Thiết kế giao diện giám sát xử lý ảnh 68

Hình 4.29 Giao diện giám sát xử lý ảnh kiểm tra lỗi 69

Hình 4.30 Mở quyền truy cập truyền nhận dữ liệu 69

Hình 4.31 Địa chỉ cài đặt trên PLC S7 – 1200 70

Hình 4.32 Kết nối với PLC bằng thư viện Snap7 70

Hình 4.33 Gửi dữ liệu đến PLC bằng thư viện Snap7 70

Bảng 1.1 So sánh các phương án thiết kế hệ thống 10

Bảng 1.2 So sánh các phương án chiết rót 11

Bảng 1.3 So sánh các phương án đóng nắp 11

Bảng 1.4 So sánh các phương án dán nhãn 12

Bảng 2.1 Bảng phân loại chức năng của dòng PLC S7 1200 16

Bảng 2.2 Bảng các module hỗ trợ PLC S7 -1200 17

Bảng 3.1 Cài đặt cường độ dòng điện 43

Bảng 3.2 Cài đặt vi bước cho driver 44

Bảng 4.1 Bảng phân công đầu vào 52

Bảng 4.2 Bảng phân công đầu ra 52

LAD : Ladder Diagram – Sơ đồ bậc thang.

FBD : Function Block Diagram – Khối chức năng

STL : Statement List – Liệt kê lệnh

I/O : Input/output – vào/ra

CPU : Central Processing Unit - bộ xử lý trung tâm

SCADA : Supervisory Control And Data Acquisition – hệ điều khiển,giám sát và thu thập dữ liệu

HMI : Human Machine Interface - màn hình hiển thị

IP : Internet Protocol - giao thức Internet

DI : Digital input là các đầu vào của PLC

DQ : Digital ouput là các đầu ra của PLC

WinCC : Windows Control Center là một phần mềm của hãng siemens.KCS : Kiểm tra chất lượng sản phẩm

RO : Reverse osmosis - một quy trình công nghệ dùng để sảnxuất nước sạch cho dân dụng

UV : Ultraviolet - là sóng điện từ có bước sóng ngắn hơn ánh sángnhìn thấy nhưng dài hơn tia X

GMP : good manufacturing practice – là hướng dẫn thực hành sản xuấttốt, áp dụng đối với cơ sở sản xuất, chế biến thực phẩm, dược phẩm nhằm kiểm soátcác yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hình thành chất lượng sản phẩm

sinh và thủ tục kiểm soát vệ sinh.

SQF : Safe quality food - an toàn thực phẩm

HACCP : Hazard Analysis Critical Controll Point là những nguyên tắcđược sử dụng trong việc thiết lập hệ thống quản lý an toàn thực phẩm

ISO : International Organization for Standardization là tổ chức tiêuchuẩn hóa quốc tế

TDS : Total Dissolved Solids là chỉ số thể hiện tổng chất rắn hòa tan.PROFINET : Process Field Net là một tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp đểtruyền dữ liệu qua Ethernet công nghiệp

Micostepdriver : Driver điều khiển động cơ bước

MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề

Nước đóng chai là một trong những sản phẩm nước uống được người tiêudùng ưa chuộng bởi tính tiện lợi, an toàn và sạch sẽ Tuy nhiên, không phải tất cả cácloại nước uống đều có lợi cho sức khỏe Nhiều loại nước có ga, nước có chất bảoquản, nước có hương liệu có thể gây ra các bệnh như béo phì, ung thư, tiêu hóakém… Do đó, nhiều người đã chọn sử dụng nước uống tinh khiết, nước uống không

có chất bảo quản, được sản xuất từ các dây chuyền nước lọc đóng chai hiện đại Đây

là một xu hướng tiêu dùng ngày càng phổ biến và tăng trưởng mạnh mẽ

Một trong những nguyên nhân khác khiến nhiều người lựa chọn nước lọc đóngchai là do ô nhiễm nước trên thế giới Theo Unicef, 5 quốc gia có nguồn nước ônhiễm nặng nhất là: Indonesia, Thái Lan, Philippines, Trung Quốc và Việt Nam.Chính bởi vậy, cần phải có một quy trình sản xuất nước lọc đóng chai chất lượng cao,khép kín, tự động hóa và kiểm soát chặt chẽ Các bước trong quy trình sản xuất baogồm: chiết rót nước lọc vào chai, đóng nắp chai, dán nhãn chai và đóng gói chai

Để thực hiện được quy trình sản xuất trên, nhóm chúng tôi đã chọn đề tài

“Thiết kế hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai nước lọc dùng PLC S71200” Đây là một đề tài có ý nghĩa thực tiễn cao, nhằm đóng góp vào việc nâng caochất lượng sản phẩm, giảm thiểu nhân công và đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm

Mục tiêu đề tài

- Nắm vững kiến thức về các bước trong quy trình sản xuất nước lọc đóng chai,.Biết được nguyên lý hoạt động, cấu tạo, chức năng và đặc điểm kỹ thuật củacác thiết bị liên quan

- Tìm hiểu về bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 của hãng Siemens và phầnmềm TIA Portal Hiểu được cách lập trình, cấu hình, mô phỏng và giao tiếpcủa PLC với các thiết bị ngoại vi

- Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển, giám sát chiết rót, đóng nắp và dánnhãn chai nước lọc sử dụng PLC S7-1200 và WinCC

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

- Tham khảo các tài liệu và mô hình thực nghiệm về các bước trong quy trìnhsản xuất nước lọc đóng chai, bao gồm chiết rót, đóng nắp và dán nhãn

- Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát dây chuyền chiết rót, đóng nắp vàdán nhãn bằng phần mềm PLC S7 1200

- Sử dụng loại chai có dung tích từ 250ml đến 500ml

Ý nghĩa thực hiện đề tài

Các vấn đề trong dây chuyền sản xuất nước lọc như giảm nhân công nhân vànâng cao năng suất đang được giải quyết Đề tài này có thể áp dụng vào các nhà máy

xí nghiệp có quy mô vừa và lớn để nâng cao hiệu quả sản xuất trong công cuộc côngnghiệp hóa hiện đại hóa của đất nước Đặc biệt, đề tài này đáp ứng được nhu cầu vềnước lọc cho các thị trường và mọi người

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DÂY CHUYỀN CHIẾT RÓT, ĐÓNG NẮP VÀ DÁN NHÃN VÀ DÁN NHÃN CHAI NƯỚC LỌC

1.1 Tính cấp thiết

Theo thống kê của United Nations Environment Programme (UNEP), có tới60% nguồn nước trên các dòng sông của 3 châu lục Á, Phi, Âu bị ô nhiễm Ô nhiễmnước có thể gây ra các hậu quả nghiêm trọng cho sức khỏe, chất lượng sống của conngười và sinh vật Có nhiều nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm nước trên thế giới, baogồm:

 Hoạt động công nghiệp: Sự phát triển công nghiệp và sự gia tăng của cácngành công nghiệp đã dẫn đến việc xả chất thải từ các nhà máy và nhàxưởng có thể chứa các hợp chất độc hại và chất ô nhiễm

 Nông nghiệp: Sử dụng phân bón hóa học và thuốc trừ sâu trong nôngnghiệp có thể dẫn đến việc xả thải các chất ô nhiễm vào nguồn nước.Ngoài ra, việc xả thải chất thải từ chăn nuôi và nông trại cũng góp phầnvào ô nhiễm nước

 Xả thải sinh hoạt: Sự gia tăng dân số và hoạt động sinh hoạt hàng ngày tạo

ra lượng lớn chất thải sinh hoạt Nếu không được xử lý và xả thải đúngcách, chất thải này có thể gây ô nhiễm nước

Hình 1.1 Nguyên nhân nguồn nước bị ô nhiễm

Để giải quyết tình trạng ô nhiễm nước, người dân đang dần nhận thức đượchậu quả nghiêm trọng của việc sử dụng nước không an toàn Việc sử dụng nước lọc

đã được thực hiện để giảm thiểu nguy cơ mắc bệnh

Hình 1.2 Nước lọcLợi ích của việc sử dụng nước lọc đóng chai:

 Đảm bảo chất lượng nước: Nước lọc đóng chai thường trải qua quy trìnhlọc và xử lý nghiêm ngặt để loại bỏ các chất ô nhiễm và vi khuẩn có trongnước

 Tiện lợi và di động: Nước lọc đóng chai có thể dễ dàng mang theo và sửdụng ở bất kỳ đâu

 Bảo quản lâu dài: Nước lọc đóng chai thường có thời hạn sử dụng dài,giúp bảo quản nước trong thời gian dài mà không cần lo ngại về việc hỏnghóc hay ô nhiễm

 Đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh: Nước lọc đóng chai thường được đóng góitrong các chai kín, ngăn ngừa sự tiếp xúc với không khí bên ngoài và nguy

cơ bị ô nhiễm

1.2 Tổng quan về dây chuyền chiết rót, đóng nắp và dán nhãn và dán nhãn chai nước lọc

1.2.1 Giới thiệu chung

Hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai là một thiết bị tự động hóa quantrọng trong các ngành sản xuất Hệ thống này giúp các nhà sản xuất tiết kiệm đượcnhiều chi phí, thời gian và nhân lực, đồng thời nâng cao được chất lượng và hiệu quảcủa sản phẩm

Hình 1.3 Hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai tự động

Từ đầu vào là nguyên liệu và chai rỗng, đến đầu ra là chai thành phẩm, hệthống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai đã thực hiện toàn bộ quy trình công nghệmột cách tự động, hiệu quả và an toàn

1.2.2 Ưu điểm chính của hệ thống

Toàn bộ hệ thống là một dây chuyền để hoàn thành các công đoạn ra thànhphẩm Các khâu trong dây chuyền được tự động hóa cao, con người chỉ tác động vàovận hành, đầu vào và đầu ra Kết quả mang lại những ưu điểm:

 Hiệu suất và năng suất cao: Các máy móc tự động có thể hoạt động liêntục và nhanh chóng, giảm thời gian sản xuất so với quy trình thủ công

 Độ chính xác và đồng nhất: Máy móc được lập trình để thực hiện các tác

vụ một cách chính xác và đồng nhất

 Đảm bảo vệ sinh và chất lượng: Máy móc sản xuất nước đóng chai thườngđược điều khiển bằng các hệ thống tự động Giảm tối đa sự can thiệp củacon người và rủi ro liên quan đến việc không tuân thủ quy trình vệ sinh

 Tiết kiệm lao động và chi phí: Thay vì phải có một đội ngũ lao động lớn

để thực hiện các công đoạn sản xuất, các máy móc tự động có thể thựchiện công việc nhanh chóng và hiệu quả hơn

1.2.3 Phạm vi ứng dụng

Các cơ sở sản xuất nước rửa chén, sản xuất nước giải khát, nước tinh khiết,bia… Các sản phẩm chất lỏng hoặc chất lỏng cô đặc có yêu cầu vệ sinh khử trùngcao

Sử dụng với loại chai có dung tích từ 300 ml - 1000 ml

Trong đồ án này, nhóm tác giả chọn chai nước loại nắp vặn có dung tích 297

ml làm đối tượng nghiên cứu

1.2.4 Yếu tố về an toàn, vấn đề môi trường và toàn cầu

Hệ thống dây chuyền chiết rót, đóng nắp chai và dán nhãn được thiết kế vàchú trọng đến những lợi ích mà nó mang lại, đồng thời phải đáp ứng các yêu cầu về

an toàn, môi trường, cộng đồng và các vấn đề toàn cầu

 Về con người: Hệ thống dây chuyền giúp công nhân tránh tiếp xúc với hoáchất độc hại, vật nặng, điều kiện làm việc nguy hiểm và tăng tính an toàncho công nhân

 Về môi trường: Hệ thống được thiết kế với vật liệu thân thiện với môitrường, đảm bảo không gây ô nhiễm môi trường và hạn chế tác động tiêucực lên môi trường xung quanh

 Về các vấn đề toàn cầu: Hệ thống cần cải tiến và cạnh tranh trên thị trườngtoàn cầu, đồng thời đáp ứng các yêu cầu cơ bản của ngành công nghiệp

1.3 Nguyên lí hoạt động của hệ thống

Nhà máy sản xuất nước lọc tinh khiết trong nước được trang bị dây chuyềnsản xuất tự động hoàn toàn, từ khâu nguyên liệu đến khâu đóng gói sản phẩm Quytrình sản xuất nước lọc tinh khiết trong nhà máy bao gồm các bước sau:

Xử lý thô: Nước nguồn được xử lý để loại bỏ các tạp chất cơ học như cặn

bẩn, rỉ sét và các hạt lớn khác Các phương pháp xử lý thô bao gồm lọc qua lưới lọc,lọc qua bể lắng và lọc qua sục khí

Lọc tinh: Nước sau khi qua bước xử lý thô sẽ được lọc tinh để loại bỏ các tạp

chất hóa học, vi khuẩn, virus và các chất ô nhiễm khác Các phương pháp lọc tinhthông thường bao gồm sử dụng màng lọc ngược (RO), cột lọc than hoạt tính và tia tửngoại (UV)

Khử trùng: Nước sau khi qua bước lọc tinh cần được khử trùng để tiêu diệt

các vi sinh vật còn sót lại Các phương pháp khử trùng thông thường bao gồm sục khíclo, sục khí ozon và sử dụng tia UV

Chiết rót: Nước đã qua quá trình xử lý, lọc tinh và khử trùng sẽ được chiết rót

vào chai nhựa hoặc các loại bao bì khác Quá trình chiết rót thường được thực hiệnbằng các máy móc tự động để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả

Đóng nắp: Sau khi nước được chiết rót vào chai, các nắp chai sẽ được đóng

kín để ngăn ngừa vi khuẩn và các tạp chất khác xâm nhập vào sản phẩm

Dán nhãn: Sau khi nắp chai được đóng kín, chai nước sẽ được dán nhãn để

cung cấp thông tin về sản phẩm cho người tiêu dùng

Kiểm tra độ hoàn thiện: Quá trình này bao gồm kiểm tra các yếu tố như độ

căng và độ dính của nhãn, màu sắc và thông tin trên nhãn, độ kín của nắp chai,…

1.4 Các công nghệ trên dây chuyền chiết rót, đóng nắp và dán nhãn và dán nhãn chai nước lọc

1.4.1 Công nghệ chiết rót

Hình 1.4 Dây chuyền khâu chiết rót nướcTrong công nghiệp đóng chai nước, khâu chiết rót nước là một quy trình quantrọng để đảm bảo chất lượng và hiệu suất sản xuất Dưới đây là quy trình chiết rótnước đóng chai trong công nghiệp:

 Bước 1: Chai được đặt trên băng chuyền hoặc hệ thống vận chuyển để dichuyển qua quy trình chiết rót

 Bước 2: Máy chiết rót định vị chai và bắt đầu đổ nước vào chai Có thể sửdụng các phương pháp chiết rót như chiết rót theo định lượng, chiết róttheo định vị hoặc chiết rót theo thời gian

 Bước 3: Sau khi nước được đổ đủ vào chai, quy trình chiết rót dừng lại vàchai được chuyển đến bước tiếp theo trong quy trình đóng chai

Các phương pháp chiết rót sản phẩm hiện nay:

 Chiết rót định lượng: Phương pháp này sử dụng các thiết bị định lượng để

đo lượng nước cần đổ vào chai Các thiết bị định lượng có thể là cảm biến,van hoặc bơm điều khiển tự động

 Chiết rót định vị: Phương pháp này sử dụng cảm biến mức nước để xácđịnh khi nước đạt đến mức cần thiết, van hoặc bơm được tắt để ngừng đổnước

 Chiết rót theo thời gian: là một quy trình được sử dụng để định lượng chấtlỏng và đổ nó vào chai, bình hoặc lọ trong một khoảng thời gian nhất định

1.4.2 Công nghệ đóng nắp

Hình 1.5 Dây chuyền đóng nắp chaiKhâu đóng nắp chai nước là một quy trình quan trọng trong công nghiệp sảnxuất nước đóng chai Nó đảm bảo rằng chai nước được đóng kín, không bị rò rỉ vàgiữ được chất lượng sản phẩm

Các phương pháp đóng nắp:

 Đóng nắp bấm: Phương pháp này sử dụng một nắp chai có thiết kế đặcbiệt, có thể được bấm vào chỗ

 Đóng nắp ép: Phương pháp này sử dụng áp lực để ép nắp chai vào vị trí

Áp lực có thể được tạo ra bằng cách sử dụng máy ép hoặc máy ép nhiệt

 Đóng nắp xoay: Cơ cấu chính thường là một bộ trục xoay Bộ trục xoaytạo ra chuyển động xoay để đóng nắp chai Phương pháp này sử dụng mộtnắp chai có thiết kế đặc biệt, cho phép nắp được xoay để mở hoặc đóng

1.4.3 Công nghệ dán nhãn

1.4.3.1 Dán nhãn chai tròn

Các máy dán nhãn tròn được sử dụng để dán nhãn xung quanh chai nước đãtrở thành một công nghệ phổ biến trong ngành công nghiệp đóng chai và đóng gói.Thiết bị này cho phép định vị và dán nhãn một cách chính xác quanh chu vi của chai,đảm bảo rằng nhãn được dán đồng đều trên toàn bộ bề mặt của chai

Hình 1.6 Máy dán nhãn chai tròn

Máy dán nhãn tròn thường được thiết kế với cấu trúc nhỏ gọn và đơn giản để

dễ dàng tích hợp vào quy trình sản xuất Các thiết bị này thường được điều khiển bởi

các hệ thống tự động hoặc máy tính, cho phép tùy chỉnh các thông số như tốc độ dán

và độ chính xác

1.4.3.2 Dán nhãn mặt phẳng

Hình 1.7 Máy dán nhãn mặt phẳng

Máy được thiết kế nhỏ gọn và linh hoạt để phù hợp với chai có mặt vuông Nó

có thể được điều chỉnh để đảm bảo vị trí và góc dán nhãn chính xác trên bề mặt chaimặt vuông

Máy dán nhãn chai mặt vuông thường được điều khiển bởi các hệ thống tựđộng hoặc máy tính, giúp tăng cường độ chính xác và hiệu suất trong quy trình dánnhãn Người vận hành có thể tùy chỉnh tốc độ dán và các thông số khác để đáp ứngyêu cầu sản xuất

1.4.4 Công nghệ xử lý ảnh kiểm tra lỗi

Hình 1.8 Công nghệ kiểm tra bằng xử lý ảnh trong công nghiệp

Thông qua việc phân tích hình ảnh, hệ thống có khả năng tự động xác định xemmột sản phẩm có đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng hay không và thực hiện phân loạicác sản phẩm lỗi hoặc tiếp tục với quá trình sản xuất Quá trình hoạt động của hệthống kiểm tra - phân loại tự động thường bao gồm các bước sau:

 Thu thập dữ liệu: Đầu tiên, hệ thống cần được huấn luyện bằng cách cungcấp cho nó một lượng lớn hình ảnh đại diện cho các sản phẩm chất lượngcao và các sản phẩm lỗi

 Tiền xử lí dữ liệu: Trước khi xử lí ảnh, dữ liệu thường được tiền xử lí đểchuẩn hóa và loại bỏ nhiễu

 Trích xuất đặc trưng: Sau khi dữ liệu được tiền xử lí, hệ thống sẽ tríchxuất các đặc trưng quan trọng từ hình ảnh.

1.4.5 Dây chuyền chiết rót, đóng nắp và dán nhãn

1.4.5.1 Máy chiết rót, đóng nắp và dán nhãn dạng mâm xoay

Dây chuyền kiểu mâm xoay thường có một hệ thống mâm xoay tròn để định

vị và chuyển đổi chai vào các vị trí Mâm xoay có thể có từ một đến nhiều vị trí trênmỗi vòng quay

 Chiết rót: Máy được trang bị hệ thống chiết rót tự động để đưa nước lọcvào chai Hệ thống này có thể điều chỉnh để đảm bảo lượng nước chiết rótchính xác và đồng nhất trong mỗi chai

 Đóng nắp: Sau khi nước được chiết rót vào chai, máy sẽ tự động đưa racác nắp chai và đóng chúng chặt vào chai Quá trình này thường sử dụngcác hệ thống cơ khí để đảm bảo nắp chai được đóng kín và an toàn

 Dán nhãn: Máy được trang bị hệ thống dán nhãn tự động để dán nhãn lênchai một cách chính xác và đồng nhất trên bề mặt của chai

 Mâm xoay: Mâm xoay là bộ phận trung tâm của máy Nó được thiết kế đểđặt các chai lên và xoay chúng qua các bước xử lý Mâm xoay có thể điềuchỉnh tốc độ quay để phù hợp với tốc độ sản xuất

Hình 1.9 Máy chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai dạng mâm xoay

1.4.5.2 Máy chiết rót, đóng nắp và dán nhãn dạng thẳng

Dây chuyền kiểu dạng thẳng thường có các khâu được sắp xếp theo dạng hàngngang hoặc hàng dọc Chai được di chuyển dọc theo dây chuyền và qua từng vị trí đểhoàn thành các bước Dưới đây là một số đặc điểm và chức năng của máy chiết rót,đóng nắp và dán nhãn dạng thẳng:

 Qui mô nhỏ và phù hợp cho các cơ sở sản xuất ít mặt bằng: Máy này cókích thước nhỏ gọn và thiết kế linh hoạt, phù hợp cho các cơ sở sản xuất

có diện tích hạn chế

 Đóng nắp và dán nhãn cho các loại chai có dung tích khác nhau, như200ml, 300ml, 500ml và các dung tích khác

 Cấu trúc linh hoạt: Máy chiết rót, đóng nắp và dán nhãn dạng thẳng đượcthiết kế với cấu trúc linh hoạt, có thể dễ dàng điều chỉnh và thích ứng vớicác yêu cầu sản xuất khác nhau.

Hình 1.10 Máy chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai dạng thẳng

1.5 Phương án thiết kế

Phương án thiết kế hệ thống

Bảng 1.1 So sánh các phương án thiết kế hệ thốngPhương án Uư điểm Nhược điểm

Dạng mâm xoay • Năng suất cao

 Chọn phương án thiết kế hệ thống dạng mâm xoay vì khi sử dụng mâmxoay, các chai có thể được xử lý một cách liên tục và tự động, giúp tiếtkiệm thời gian và công sức lao động Điều này đặc biệt quan trọng khi sảnxuất hàng loạt trong công nghiệp

Phương án thiết kế các khâu của hệ thống

 Khâu chiết rót

Bảng 1.2 So sánh các phương án chiết rótPhương án Uư điểm Nhược điểm

Theo định lượng

(sử dụng cảm biến

lưu lượng)

• Đo chính xác lượng nước cần chiết rót

• Tương đối phức tạp và đòi hỏi sự cài đặt và hiệu chỉnh

kỹ thuậtTheo định vị

• Độ chính xác không cao

 Yêu cầu là chỉ cần chiết rót nước lọc nên không đặt quá nhiều yêu cầu về

độ chính xác, nên nhóm chọn phương án chiết rót định lượng theo thời

gian Với phương án này, có thể đơn giản điều chỉnh thời gian chiết rót đểđạt được lượng nước mong muốn.

 Khâu đóng nắp

Bảng 1.3 So sánh các phương án đóng nắpPhương án Uư điểm Nhược điểm

Đóng nắp bấm

• Đơn giản và dễ thực hiện

• Thích hợp cho chai có miệng rộng

 Với yêu cầu là đóng nắp cho chai nước lọc nên nhóm chọn phương phápđóng nắp xoay giúp cung cấp độ kín cao, khi sử dụng chỉ cần xoay nắp để

mở hoặc đóng nắp, giúp bảo quản chất lượng và tươi ngon của nước lọctrong chai

 Khâu dán nhãn

Bảng 1.4 So sánh các phương án dán nhãnPhương án Uư điểm Nhược điểm

Kiểu chai

tròn

• Dễ dàng dán nhãn cho các chai có kích thước khác nhau

• Độ thẩm mĩ cao

• Dán nhãn ở nhiều vị trí trên chai

• Yêu cầu thiết bị dán nhãn phức tạp

• Chi phí cao hơn dán nhãn chaimặt phẳng

Kiểu chai

mặt phẳng

• Chi phí thấp hơn dán nhãn chai tròn

• Thiết bị dán nhãn đơn giản, dễ

sử dụng

• Khó dán nhãn cho các chai cókích thước khác nhau

• Tạo hình ảnh sản phẩm kém bắt mắt hơn

 Nước lọc đóng chai là sản phẩm yêu cầu cao về chất lượng và hình ảnhsản phẩm Do đó, nhóm chọn phương pháp dán nhãn chai tròn Phươngpháp này đảm bảo rằng nhãn được dán một cách đồng đều và chính xác

trên toàn bề mặt chai, tạo ra một diện mạo thẩm mỹ cao hơn so với chaimặt phẳng.

 Khâu kiểm tra lỗi

Bảng 1.5 So sánh các phương án kiểm tra lỗiPhương án Uư điểm Nhược điểm

Cảm biến • Chi phí đầu tư ban đầu

thấp

• Chỉ có thể phát hiện được một số loại lỗi nhất định

• Độ chính xác không cao

Xử lý ảnh

• Có thể phát hiện được nhiều loại lỗi trên chai

Phương án thiết kế phần cơ khí

- Sử dụng các thanh nhôm định hình để thiết kế các khung băng tảiđộng cơ bơm, động cơ và xylanh đóng nắp, xylanh đẩy chai lỗi

- Sử dụng thép để làm khung mâm xoay

- Có nhiều phương án thiết kế mâm xoay, tuy nhiên dựa vào cơ sở bố trícác cơ cấu khác, nhóm lựa chọn mâm xoay 2 tầng có 4 lỗ đựng chaigiúp cố định phía trên và dưới của chai, giúp chai không dễ bị nghiêng

đổ lúc di chuyển

Phương án thiết kế phần điện

- Sử dụng nguồn điện 220V, nguồn tổ ong 24V

- Hệ thống được điều khiển bằng PLC S7-1200 CPU 1214 DC/DC/DC

- Sử dụng cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30P1 để phát hiện chai

- Sử dụng cảm biến tiệm cận để xác định vị trí mâm xoay

- Động cơ step để điều khiển mâm xoay và các động cơ bơm, động cơđóng nắp

- Sử dụng các nút nhấn để điều khiển hệ thống

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về PLC

2.1.1 Giới thiệu về PLC

PLC (Programmable Logic Controller) là một thiết bị điều khiển lập trìnhđược sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp để điều khiển các quy trình xử lý từđơn giản đến phức tạp Thiết bị này có khả năng thực hiện một loạt các chương trình

và sự kiện dựa trên các tác nhân kích thích (đầu vào) hoặc thông qua bộ định thời và

 CPU (Central Processing Unit): Đây là đơn vị xử lý trung tâm của PLC.CPU là bộ vi xử lý chịu trách nhiệm thực thi chương trình và xử lý các tínhiệu đầu vào/đầu ra của PLC.

 Thiết bị lập trình: Đây là nền tảng mà chương trình hoặc logic điều khiểnđược viết Thiết bị này cho phép người lập trình tạo, sửa đổi và tải chươngtrình vào PLC

 Nguồn cung cấp: PLC thường hoạt động trên nguồn cung cấp điện 24V.Nguồn này được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các đầu vào và đầu

ra của PLC

 Bộ nhớ: Bộ nhớ của PLC được chia thành hai phần chính: bộ nhớ dữ liệu

và bộ nhớ chương trình Bộ nhớ chương trình lưu trữ các lệnh và logicđiều khiển được sử dụng trong chương trình Bộ nhớ dữ liệu lưu trữ thôngtin về đầu vào, đầu ra, bộ định thời và bộ đếm

2.1.3 Hoạt động của PLC

Hoạt động của một PLC khá đơn giản Đầu tiên, PLC sử dụng các cổng vào/ra(Input/Output) để nhận các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi, ví dụ như cảm biến,contactor, hoặc tín hiệu từ động cơ Các tín hiệu này được chuyển đến CPU thôngqua các module xuất/nhập

Hình 2.3 Hoạt động PLCCác lệnh logic hoặc chương trình được viết vào thiết bị lập trình thông qua các

ký hiệu hoặc phép nhớ Chúng được lưu trữ trong bộ nhớ người dùng CPU sẽ lấy cáclệnh từ bộ nhớ người dùng và thực hiện xử lý các tín hiệu đầu vào để điều khiển cácthiết bị đầu ra

2.1.4 Ứng dụng PLC

Hình 2.4 Ứng dụng PLCỨng dụng của PLC rất đa dạng Trong công nghiệp, nó được sử dụng để điềukhiển các quy trình sản xuất, hệ thống tự động hóa và quản lý năng suất Nó có thểđiều khiển các hoạt động như quá trình sản xuất, quá trình đóng gói, quá trình lắpráp, quá trình vận chuyển và quá trình kiểm tra chất lượng Trong lĩnh vực dân dụng,PLC được ứng dụng trong các hệ thống tự động hóa trong nhà thông minh, hệ thốngđiều khiển nhiệt độ trong các tòa nhà, hệ thống điều khiển chiếu sáng và hệ thống anninh

2.2 Giới thiệu về PLC S7 – 1200

2.2.1 Khái niệm chung PLC S7 – 1200

Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt và hiệusuất cao để điều khiển một loạt các thiết bị khác nhau trong các ứng dụng tự động.Với thiết kế nhỏ gọn, khả năng cấu hình linh hoạt và khả năng lập trình mạnh mẽ,S7-1200 là một giải pháp lý tưởng cho việc điều khiển đa dạng các ứng dụng khácnhau

Bộ phận kết nối nguồn

1 Bộ phận kết nối dây củangười dùng có thể được tháorời thông qua các nắp chephía sau

2 Các đèn LED trạng thái đượctích hợp cho các thiết bị nhập/xuất (I/O)

3 Bộ phận kết nối PROFINETđược đặt ở phía trên của CPU

Hình 2.5 Cấu trúc PLC S7 – 1200

Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dunglượng giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khácnhau.

Bảng 2.1 Bảng phân loại chức năng của dòng PLC S7 1200

Kích thước, độ dài vật

lý (mm): 90 x 100 x 75

110 x 100 x75

trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte

Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Thời gian lưu giữ

đồng hồ thời gian thực Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 40

0CPROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet

Tốc độ thực thi tính

toán thực 18 μs/lệnhs/lệnh

Tốc độ thực thi

Boolean 0,1 μs/lệnhs/lệnh

Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu

để mở rộng dung lượng của CPU Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các moduletruyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác

16 x DC In / 16 x DCOut 16 x DC In / 16 x Relay

OutKiểu

tươngtự

tươngtự

_

1 xAnalogIn

1 Các LED trạng thái trên SB

2 Bộ phận kết nối dây của người dùng

Người dùng có thể sử dụng các module tínhiệu để mở rộng chức năng của CPU Các module tín hiệu được kết nối vào phía bênphải của CPU, cho phép người dùng dễ dàng thêm các tính năng và khả năng I/O bổsung

1 Các LED trạng thái dành cho I/O của

module tín hiệu

2 Bộ phận kết nối đường dẫn

3 Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra.

Hình 2.7 Các module tín hiệu của PLC S7 1200

2.2.4 Các module truyền thông

Dòng sản phẩm S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CommunicationModule - CM) để mở rộng tính năng của hệ thống CPU hỗ trợ tối đa ba moduletruyền thông, cho phép người dùng mở rộng khả năng truyền thông và tích hợp vớicác thiết bị ngoại vi khác Các module truyền thông được kết nối vào phía bên tráicủa CPU hoặc bên trái của một module truyền thông khác

Hình 2.8 Các module truyền thông của PLC

S7 1200

1 Các LED trạng thái dành cho

2 Bộ phận kết nối truyền thông

và Wincc

2.3.1 Tia portal

Hình 2.9 Phần mềm Tia PortalSiemens đã giới thiệu TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal), phầnmềm tự động hóa công nghiệp đầu tiên trên thế giới, mang đến một môi trườngchung cho tất cả các tác vụ tự động hóa

TIA Portal được thiết kế với giao diện thân thiện, phù hợp cho cả người mớibắt đầu và người lập trình tự động hóa có kinh nghiệm Đây là phần mềm cơ sở đểlập trình, cấu hình và tích hợp các thiết bị trong dải sản phẩm Tích hợp tự động hóatoàn diện (TIA) của Siemens

2.3.2 Giới thiệu về giao diện hệ thống điều khiển và giám sát SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống thu thập

dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa

Người vận hành có thể nhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thôngqua máy tính và mạng truyền thông Nói cách khác, SCADA thường được dùng đểchỉ tất cả các hệ thống máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng sau:

 Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến

 Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được

 Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý

 Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị củanhà máy

2.4 Tổng quan về xử lý ảnh

Xử lý ảnh là một lĩnh vực khoa học và công nghệ ứng dụng các kiến thức và

kỹ thuật của toán học, thống kê, máy tính để thu thập, xử lý và phân tích thông tin từhình ảnh Các ứng dụng xử lý ảnh được tìm thấy trong nhiều lĩnh vực quan trọng củacuộc sống, bao gồm:

 An ninh bảo mật: Xử lý ảnh được sử dụng để nhận diện khuôn mặt, vântay, mẫu mắt, hình ảnh người và các thiết bị khác, nhằm mục đích bảo vệ

an ninh, chống tội phạm, và truy tìm tội phạm

 Giải trí: Xử lý ảnh được sử dụng để phục vụ quá trình làm phim và tạo racác trò chơi điện tử, giúp tạo ra những hình ảnh và hiệu ứng sống động,chân thực

 Trí tuệ nhân tạo: Xử lý ảnh được sử dụng để nhận dạng và xử lý ảnh củarobot, giúp robot giao tiếp với con người và môi trường xung quanh mộtcách hiệu quả hơn

Sau đây là các công đoạn trong xử lý ảnh

Hình 2.11 Các công đoạn trong xử lý ảnh

2.4.1 Thu nhận ảnh (Image Acquisition)

Ảnh thu được từ camera có thể là ảnh tương tự hoặc ảnh số Ảnh tương tự làảnh được ghi lại dưới dạng tín hiệu điện liên tục Ảnh số là ảnh được ghi lại dướidạng các giá trị rời rạc

Chất lượng ảnh thu được phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:

 Thiết bị thu: Thiết bị thu chất lượng cao sẽ tạo ra ảnh chất lượng cao

 Môi trường: Ánh sáng tốt và phong cảnh rõ ràng sẽ giúp tạo ra ảnh chấtlượng cao hơn

2.4.2 Tiền xử lý (Image processing)

Sau khi được thu nhận, ảnh có thể bị nhiễu và độ tương phản thấp Để cảithiện chất lượng ảnh, cần đưa ảnh vào bộ tiền xử lý Bộ tiền xử lý có chức năng chính

là lọc nhiễu và nâng độ tương phản, giúp ảnh rõ nét và có chất lượng tốt hơn

2.4.3 Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh

Phân vùng ảnh là quá trình chia một ảnh thành các vùng có đặc trưng tươngđồng Các vùng này có thể được sử dụng để biểu diễn, phân tích hoặc nhận dạng ảnh

Phân vùng ảnh là một trong những vấn đề khó khăn nhất trong xử lý ảnh Nó

có thể gây ra lỗi, làm mất độ chính xác của ảnh Kết quả nhận dạng ảnh phụ thuộc rấtnhiều vào công đoạn này

2.4.4 Biểu diễn ảnh (Image Representation)

Sau khi phân đoạn ảnh, chúng ta sẽ có được các vùng ảnh có đặc trưng tươngđồng Để xử lý tiếp theo bằng máy tính, cần biến đổi các số liệu này thành dạng thíchhợp Quá trình này được gọi là trích chọn đặc trưng

Trích chọn đặc trưng là quá trình lựa chọn các tính chất của ảnh để thể hiệnảnh dưới dạng các thông tin định lượng hoặc làm cơ sở để phân biệt lớp đối tượngnày với đối tượng khác trong phạm vi ảnh nhận được

2.4.5 Nhận dạng và nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation)

Nhận dạng ảnh là quá trình xác định và phân loại các đối tượng trong ảnh.Quá trình này thường được thực hiện bằng cách so sánh các đặc trưng của ảnh vớicác mẫu chuẩn đã được học (hoặc lưu) từ trước

Nội suy là quá trình dự đoán các giá trị chưa biết dựa trên các giá trị đã biết.Trong nhận dạng ảnh, nội suy thường được sử dụng để dự đoán các đặc trưng của đốitượng từ các đặc trưng đã biết

Có nhiều cách phân loại nhận dạng ảnh khác nhau Theo lý thuyết về nhậndạng, các mô hình toán học về ảnh được phân theo hai loại nhận dạng ảnh cơ bản:

 Nhận dạng theo tham số

 Nhận dạng theo cấu trúc

2.4.6 Cơ sở tri thức (Knowledge Base)

Ảnh là một đối tượng phức tạp, với nhiều đặc trưng khác nhau, bao gồmđường nét, độ sáng tối, dung lượng điểm ảnh, môi trường chụp, Để xử lý và phântích ảnh, các phương pháp toán học thường được sử dụng để đơn giản hóa các đặctrưng này, nhằm đảm bảo tính tiện lợi và hiệu quả

2.5 Giới thiệu ngôn ngữ Python và thư viện OpenCV

2.5.1 Ngôn ngữ Python

Giới thiệu ngôn ngữ

Python là một ngôn ngữ lập trình bậc cao, mã nguồn mở, được sử dụng rộngrãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ học tập, nghiên cứu đến phát triển phần mềm,trí tuệ nhân tạo và khoa học dữ liệu

Hình 2.12 Ngôn ngữ Python

Lịch sử phát triển của Python

Python được tạo ra bởi Guido van Rossum vào năm 1991 Ban đầu, Pythonđược thiết kế để trở thành một ngôn ngữ lập trình thay thế cho ABC, một ngôn ngữlập trình từng được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực khoa học máy tính

Ưu điểm của Python

Python có nhiều ưu điểm nổi bật, khiến nó trở thành một ngôn ngữ lập trìnhđược yêu thích:

 Dễ học, dễ sử dụng: Cú pháp của Python đơn giản, dễ hiểu, gần với ngônngữ tự nhiên

 Đa năng: Python có thể được sử dụng để phát triển nhiều loại ứng dụngkhác nhau, từ các chương trình đơn giản đến các dự án phức tạp

 Mã nguồn mở: Python là một dự án mã nguồn mở, có nghĩa là bất kỳ aicũng có thể tham gia phát triển và đóng góp cho ngôn ngữ này

Các lĩnh vực ứng dụng của Python

Python được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

 Phát triển phần mềm: Python được sử dụng để phát triển các ứng dụngweb, desktop, ứng dụng di động, trò chơi điện tử,

 Trí tuệ nhân tạo: Python là ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất trong lĩnhvực trí tuệ nhân tạo, được sử dụng để xây dựng các mô hình học máy, xử

lý ngôn ngữ tự nhiên,

 Khoa học dữ liệu: Python là ngôn ngữ lập trình được sử dụng nhiều nhấttrong lĩnh vực khoa học dữ liệu, được sử dụng để phân tích dữ liệu, xâydựng mô hình dự đoán,

2.5.2 Thư viện OpenCV

Giới thiệu

OpenCV (Open Source Computer Vision Library) là một thư viện mã nguồn

mở hàng đầu cho thị giác máy tính (computer vision), xử lý ảnh và máy học Nóđược phát triển bởi Intel vào năm 1999 và hiện đang được duy trì bởi cộng đồngOpenCV