Thiết kế hệ thống và chế tạo mô hình dây chuyền chiết rót, đóng nắp chai sử dụng plc s7 1200

Tên đề tài: “ĐIỀU KHIỂN BĂNG CHUYỀN CHIẾT RÓT, ĐÓNG NẮP CHAI TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PLC S7-1200”Sinh viên thực hiện: Trần Văn Thảo Sử dụng các kiến thức chuyên ngành để thực hiện việc vận hành

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Đà nẵng, 01/2023

Họ và tên: Trần Văn ThảoĐIỀU KHIỂN BĂNG CHUYỀN CHIẾC RÓT, ĐÓNG NẮP CHAI TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PLC S7-

1200

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Đà nẵng, 01/2023

Tên đề tài: “ĐIỀU KHIỂN BĂNG CHUYỀN CHIẾT RÓT, ĐÓNG NẮP CHAI TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PLC S7-1200”

Sinh viên thực hiện: Trần Văn Thảo

Sử dụng các kiến thức chuyên ngành để thực hiện việc vận hành và điều khiển

mô hình đúng với yêu cầu đặt ra của đề tài.

Từ đó hoàn thiện và tiến hành vận hành hệ thống một cách tối ưu nhất và đúng với thực tế của đề tài Cùng với đó, sẽ đánh giá tính khả thi mà các giải pháp đề ra sau khi hoàn thành đồ án

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại

Sinh viên thực hiện: Trần Văn Thảo – 1911505510140

1 Tên đề tài: “ĐIỀU KHIỂN BĂNG CHUYỀN CHIẾT RÓT, ĐÓNG NẮP CHAI

TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PLC S7-1200”

2 Các thông số, tài liệu ban đầu.

+ Tài liệu “Giáo trình tài liệu lập trình PLC S7 – 1200 SIEMENS”

+ Tài liệu “Tự động hoá với WINCC – Nhà xuất bản Hồng Đức”

3 Nội dung chính của đồ án:

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN HỆ THỐNG BĂNG CHUYỀN

CHIẾT RÓT TỰ ĐỘNG

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

CHƯƠNG 3: THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BĂNG CHUYỀN

CHIẾT RÓT TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PLC S7-1200

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN 4

TÓM TẮT 5

MỤC LỤC 1

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH 4

MỞ ĐẦU 7

CAM ĐOAN 9

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT TỰ ĐỘNG 10

1.1 Tổng quan về hệ thống 10

1.2 Tìm hiểu về hệ thống vận hành trên thực tế 10

1.2.1 Phạm vi ứng dụng của hệ thống 10

1.2.2 Yêu cầu thực tế của hệ thống 11

1.2.3 Các chức năng chính của hệ thống 12

1.2.4 Nguyên lý hoạt động 13

1.2.5 Các công nghệ trên dây chuyền chiết, đóng nắp, đóng thùng 14

1.3 Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 22

2.1 Khái quát chung về PLC 22

2.1.1 Lịch sử hình thành 22

2.1.2 Ngôn ngữ lập trình 22

2.1.3 Cấu trúc và phương thức thực hiện chương trình PLC 22

2.1.4 Module mở rộng PLC S7–1200 25

2.1.5 Thiết bị hiển thị Human Machine Interface-HMI 26

2.1.6 Vai trò và ứng dụng PLC 26

2.2 Giới thiệu về PLC s7-1200 28

2.2.1 Cấu trúc 28

2.2.2 Phân vùng bộ nhớ 31

2.2.3 Sơ đồ đấu dây 31

2.3 Tổng quan về Tia Portal và WinCC 32

2.3.1 Phần mềm Tia Portal 32

2.3.2 Phần mềm WinCC 34

2.4 Các thiết bị ngoại vi 35

2.4.1 Các thiết bị cảnh báo 35

2.4.2 Thiết bị chấp hành 36

2.4.3 Các thiết bị cảm biến, bảo vệ 42

2.5 Kết luận chương 2 44

CHƯƠNG 3 THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BĂNG CHUYỀN CHIẾC RÓT TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PLC S7 - 1200 45

3.1 Sơ đồ khối và các phần tử chấp hành 45

3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển 46

3.2.1 Bắt đầu chương trình 46

3.2.2 Chế độ Auto 47

3.2.3 Chế độ Manual 48

3.3 Quy trình hoạt động của dây chuyền hệ thống 49

3.4 Thiết kế mô hình thực tế 50

3.4.1 Thành phần đầu vào 51

3.4.2 Khâu cấp và thoát chai 51

3.4.3 Mâm xoay và động cơ bước 54

3.4.4 Khâu chiết rót 57

3.4.5 Khâu cấp nắp 59

3.4.6 Khâu đóng nắp 60

3.4.7 Khâu phân loại 63

3.4.8 Lựa chọn thiết kế tủ điện 66

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 67

4.1 Xác định biến đầu vào và đầu ra: 67

4.1.1 Các biến đầu vào: 67

4.1.2 Các biến ngõ ra: 67

4.2 Code lập trình PLC: 68

4.2.1 Chương trình chính 68

4.2.2 Chương trình manual 75

4.2.3 Chương trình lỗi 76

4.3 Kết quả mô phỏng và mô hình thực tế 78

4.4 Kết luận chương 4 80

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC HÌNH Ả

Hình 1.1 Nhà máy Heineken Việt Nam 10

Hình 1.2 Tổng quan hệ thống nhà máy bia Heineken 11

Hình 1.3 Máy đóng chai PET 3 trong 1 12

Hình 1.4 Dây chuyền sản xuất nước đóng chai 14

Hình 1.5 Các loại chai có thể nhận diện bằng máy CP500 và hình chụp của máy 15

Hình 1.6 Máy kiểm tra khuyết tật 15

Hình 1.7 Máy chiết bàn quay 17

Hình 1.8 Máy chiết rót và đóng nắp chai bàn xoay 18

Hình 1.9 Cảm biến phát quang 19

Hình 1.10 Bộ phận gắp chai 20

Hình 1.11 Một cánh tay robot đang làm việc 20Y Hình 2.1 Sơ đồ khối PLC 23

Hình 2.2 Ứng dụng của PLC 28

Hình 2.3 Sơ đồ đấu dây CPU 1214C AC/DC/Relay 31

Hình 2.4 Sơ đồ đấu dây CPU 1214C DC/DC/Relay 32

Hình 2.5 Sơ đồ đấu dây CPU 1214C DC/DC/DC 32

Hình 2.6 Giao diện của chương trình được lập trình trong phần mềm TIA PORTAL 33

Hình 2.7 Giao diện của chương trình được lập trình trong phần mềm TIA PORTAL 34

Hình 2.8 Giao diện WinCC 35

Hình 2.9 LED cảnh báo 35

Hình 2.10 Còi công nghiệp 36

Hình 2.11 Động cơ bước 36

Hình 2.12 Cấu tạo động cơ bước 37

Hình 2.13 Động cơ bước hoạt động nhờ vào hoạt động của các bộ chuyển mạch điện tử 38

Hình 2.14 Hệ thống điều khiển driver động cơ bước 39

Hình 2.15 Cấu tạo động cơ giảm tốc 40

Hình 2.16 Cấu tạo xilanh khí nén 40

Hình 2.17 Rơ le trung gian và cấu tạo 4 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 45

Hình 3.2 Lưu đồ bắt đầu chương trình 46

Hình 3.3 Lưu đồ chương trình chế độ Auto 47

Hình 3.4 Lưu đồ chương trình chế độ Manual 48

Hình 3.5 Sơ đồ mạch lực đấu nối thực tế 50

Hình 3.6 Chai nước Number One 51

Hình 3.7 Cấu tạo băng tải 52

Hình 3.8 Băng tải 52

Hình 3.9 Mâm xoay 54

Hình 3.10 Driver điều khiển động cơ bước DM556 55

Hình 3.11 Động cơ bước giảm tốc Nema 56

Hình 3.12 Bơm nước Việt Nhật model LD6666 57

Hình 3.13 Ống dẫn nước 58

Hình 3.14 Mạch giảm áp LM2596 58

Hình 3.15 Các cơ cấu cấp nắp theo kiểu máng nghiêng dựa trên nguyên lý trọng lực 59

Hình 3.16 Cơ cấu cấp nắp 60

Hình 3.17 Cơ cấu cấp nắp 60

Hình 3.18 Xilanh 2 cực Air tac 61

Hình 3.19 Động cơ DC giảm tốc 24VDC JGB37 62

Hình 3.20 Khâu phân loại chai 63

Hình 3.21 Xilanh khí nén 64

Hình 3.22 Van điện từ Air-tac 65 Hình 3.23 Tủ điện điều khiển 6

Hình 4.1 Mô hình mô phỏng chế độ AUTO trên WinCC 78

Hình 4.2 Mô hình mô phỏng chế độ MANUAL trên WinCC 78

Hình 4.3 Bản vẽ thiết kế mô hình 79

Hình 4.4 Mô hình hoàn thiện thực tế 79

Hình 4.5 Mặt ngoài và bên trong tủ điện 80

MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nền kinh tế nước ta đangngày một đi lên Ứng dụng công nghệ tự động hóa vào quá trình sản xuất lànhu cầu tất yếu của hầu hết các quốc gia trong đó có Việt Nam, một nướcđang trên đường phát triển và hội nhập cùng thế giới Ngành tự động hóacũng không ngừng phát triển để đáp ứng nhu cầu của sản xuất Tự động hóatrong quá trình sản xuất đã và đang được ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnhvực, nhiều ngành nghề góp phần không nhỏ vào sự phát triển của đất nước.Trong thời đại công nghiệp hóa 4.0, dây chuyền sản xuất trong các nhà máycông nghiệp ngày càng cải tiến để sản phẩm ngày càng phù hợp với nhu cầucủa thị trường Bên cạnh đó chi phí vật tư linh kiện sản xuất cũng là mối quantâm đặc biệt của các doanh nghiệp Việt Nam (trung và nhỏ) Điều đó đặt rabài toán kinh tế cho doanh nghiệp là sau một thời gian dài sử dụng thì điều tấtyếu xảy ra là một số linh kiện hư hỏng Do đó, các doanh nghiệp có thể vậndụng những thiết bị có sẵn tại doanh nghiệp hoặc dùng những thiết bị có giáthành hợp lý, có thể khác hãng thiết bị mà trước đây sử dụng

Từ những kiến thức đã học về kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, vớimong muốn tìm hiểu sâu hơn về kiến thức học tập tại trường Đại Học Sư

phạm Kỹ thuật Đà Nẵng, chúng em lựa chọn đề tài: “Thiết kế và mô phỏng

hệ thống chiết rót và đóng nắp chai trự động ứng dụng PLC S7-1200”

làm Đồ án tốt nghiệp Đại học của mình Nội dung đồ án gồm 4 chương:

- CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN HỆ THỐNG BĂNG CHUYỀN

CHIẾT RÓT TỰ ĐỘNG

- CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

- CHƯƠNG 3 THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG BĂNG

CHUYỀN CHIẾT RÓT ĐÓNG NẮP CHAI SỬ DỤNG PLC S7-X200

- CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

- KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Đồ án đã được thực hiện và hoàn thành song do còn nhiều hạn chế về kiếnthức chuyên ngành và thời gian nên không tránh khỏi thiếu sót Rất mongnhận được đóng góp ý kiến của các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp để đồ ánđược hoàn thiện hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Trần Văn Thảo

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT

TỰ ĐỘNG

1.1 Tổng quan về hệ thống

- Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót, đóng nắp sản phẩmchất lỏng tự động đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật (an toàn, chính xác, dễ sửdụng ), hiệu quả kinh tế (năng suất, giá thành sản suất ), không độc hại,không gây ô nhiễm môi trường và phù hợp với công nghệ sản xuất trongnước

- Nghiên cứu thiết kế và lựa chọn các khâu phân loại sản phẩm phù hợpvới yêu cầu

- Phương pháp thực hiện: Dùng PLC điều khiển các khâu chiết rót đóngnắp, phân loại chai lỗi

1.2 Tìm hiểu về hệ thống vận hành trên thực tế

1.2.1 Phạm vi ứng dụng của hệ thống

Cơ sở sản xuất nước uống tinh khiết đóng chai hoặc nước khoáng, hoặc cácloại nước uống không gas khác

Chai nước sử dụng: Loại chai PET có dung tích từ 250ml đến 2250ml

Ví dụ được lấy trong đề tài này là về dây chuyền sản xuất bia tươi của nhàmáy Heiniken Việt Nam:

Hình 1.1 Nhà máy Heineken Việt Nam

Tìm hiểu qua internet, chúng em đã được khám phá các công đoạn của quytrình sản xuất bia, từ khâu kiểm tra nguyên liệu đầu vào, quá trình ủ bia đếncông đoạn lên men, đóng chai và kiểm tra chất lượng toàn diện trước khi đưasản phẩm ra thị trường

Hình 1.2 Tổng quan hệ thống nhà máy bia Heineken

1.2.2 Yêu cầu thực tế của hệ thống

- Nguồn nước tinh khiết: có chất lượng nước đạt chuẩn nước uống tinhkhiết TCVN 6096:2004

- Áp suất nước trong hệ thống: hệ thống được thiết kế với áp suất trungbình không quá 10kgf/cm2 Vì vậy cần phải dùng công tác áp suất hoặc dùngbiến tần để điều chỉnh áp lực nước phù hợp trong quá trình vận hành

- Điện áp sử dụng:1 pha 220V, 50Hz hay 3 pha 380V, 50 Hz

- Dòng tải: tùy theo công suất bơm sử dụng và các thiết bị ngoại vi khác,thông thường không nhỏ hơn 5A

- Các biện pháp an toàn điện: hệ thống được thiết kế ELCB chống giậttrên toàn hệ thống và các thiết bị điện khác đạt chuẩn CE Nút tắt khẩn cấpkhi có sự cố xảy ra

- Khung sườn thiết bị: được thiết kế bằng thép không gỉ SS304 hoặcSS316, chịu được lực rung lớn

- Ống dẫn nước: ống chịu áp lực cao bằng PVC hoặc bằng thép không gỉ

304 (tùy theo yêu cầu thiết kế), đảm bảo an toàn vệ sinh, không đóng cặn, gỉsét và gây ra các nấm mốc vi sinh

- Các thiết bị lọc nước: vật tư, thiết bị lọc nước đạt chuẩn NSF

- Tham khảo và tổng hợp tài liệu từ các nguồn khác nhau

- Tiến hành thực nghiệm trên mô hình thực tế của nhóm

- Theo dõi, đánh giá nhận xét các số liệu thực nghiệm

- Xử lí số liệu, tính toán và viết báo cáo

- Tham khảo mô hình chiết rót trên tài liệu sách vở, internet … nghiêncứu mô hình của nhóm so với các mô hình thực tế khác để tìm ra giải pháphiệu quả

Hình 1.3 Máy đóng chai PET 3 trong 1

- Khung sườn: được làm bằng thép không gỉ.

- Động cơ xoay vòng bằng công nghệ Đức: các chai PET được vậnchuyển tự động trên băng chuyền xoay vòng liên tục vào hệ thống chiết rót,súc rửa

- Nguồn nước tinh khiết từ bồn chứa được nối vào hệ thống RFC

- Máy tính độc lập theo dõi chuyển động quay của mỗi đầu máy bơm

- Băng chuyền sẽ tự động vận chuyển chai PET vào hệ thống súc rửa.Các chai di chuyển xoay vòng và vào đúng vị trí vòi nước súc rửa Lưu ý

nước rửa có áp lực khá mạnh để rửa sạch chai PET do bơm thiết kế sẵn trongmáy phun lên.

- Sau khi rửa, chai PET sẽ được đưa vào vị trí chiết rót, các cánh tay đòn

sẽ giữ chặt cổ chai để tránh đổ chai trong qua trinh rót

- Các chai được xoay vòng liên tục trên băng chuyền chiết rót Máy bơmnước được thiết kế sẵn trong máy sẽ tự động chiết rót vào bình (Lưu ý: thểtích nước có thể điều chỉnh được)

- Khi bình chứa đã đầy nước, sẽ được chuyển sang vị trí đóng nắp Nắpbình chứa được lấp đầy trong ống chứa và được đưa vào ngay đầu chai PET

- Các tay đòn sẽ siết nắp chặt

- Sau đó chai PET được chuyển trên băng tải ra ngoài

- Bình chứa được tiếp tục chuyển đến máy bao màng co bằng (nếu có)

Hình 1.4 Dây chuyền sản xuất nước đóng chai

1.2.5 Các công nghệ trên dây chuyền chiết, đóng nắp, đóng thùng

a Kiểm tra khuyết tật chai

Để kiểm tra được khuyết tật trên sản phẩm chai nhựa người ta thường dùngcác hệ thống máy hiện đại, hiện nay có không ít các nhà cung cấp thiết bị đểthực hiện quá trình này, theo kinh nghiệm và tìm hiểu thì chúng em được biếthãng PRESSCO TECHNOLOGY INC là nhà cung cấp dòng sản phẩm

INTELLISPEC mã CP500 thực hiện quá trình kiểm tra và phân loại và loại bỏchai bị hỏng không đủ yêu cầu chất lượng như:

- Chai bị móp trong lúc sản xuất hay trong quá trình vận chuyển

- Chai dính bẩn

Dòng sản phẩm INTELLISPEC CP500: được trang bị 2 camera bên trong

và được kết nối với hệ thống máy tính chuyên dụng được cung cấp bởi chínhnhà cung cấp Máy có bộ nguồn UPS mắc song song với nguồn điện nên cóthể hoạt động thêm một thời gian sau khi cúp điện

Nguyên tắc: Camera chụp và phân tích hình ảnh từng chai, đưa tín hiệu vềmáy tính xử lí với phần mềm chuyên dụng được cài đặt độ nhạy theo mụcđích của yêu cầu sản phẩm và loại (Reject) các sản phẩm không đạt yêu cầu.Tốc độ chụp của camera có thể lên đến hàng nghìn chai một phút

Hình 1.5 Các loại chai có thể nhận diện bằng máy CP500 và hình chụp của máy

Hình 1.6 Máy kiểm tra khuyết tật

b Chiết rót nước vào chai

Hiện nay có khá nhiều công nghệ chiết nước vào chai, tùy loại chất lỏng sẽ

có cách chiết rót khác nhau như: Nước có gaz, nước không gaz, chất lỏngdạng cô đặc Định lượng sản phẩm lỏng là chiết một thể tích nhất định sảnphẩm lỏng và rót vào trong chai, bình, lọ, v.v… Định lượng sản phẩm lỏngbằng máy được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất thực phẩm Khiđịnh lượng bằng máy thì cải thiện được điều kiện vệ sinh, đảm bảo được năngsuất cao và định lượng sản phẩm một cách chính xác

- Các phương pháp định lượng chủ yếu gồm có:

Định lượng bằng bình định mức: chất lỏng được định lượng chính xác nhờ

bình định mức trước khi rót vào chai

Định lượng bằng chiết tới mức cố định: chất lỏng được chiết tới mức cố

định trong chai bằng cách chiết đầy, sau đó lấy khối thể tích bù trừ ra khỏichai, khi đó mức lỏng trong chai sẽ sụt xuống một khoảng như nhau bất kểthể tích của các chai có bằng nhau hay không Ngoài ra còn sử dụng ốngthông hơi, chất lỏng được chiết tới khi ngập miệng ống thông hơi sẽ đứng lại.Phương pháp này có độ chính xác không cao, tuỳ thuộc độ đồng đều của chai

Định lượng bằng cách chiết theo thời gian: cho chất lỏng chảy vào chai

trong khoảng thời gian xác định, có thể xem như thể tích chất lỏng chảy làkhông đổi Phương pháp này chỉ áp dụng cho các sản phẩm có giá trị thấp,không yêu cầu độ chính xác định lượng

- Các phương pháp chiết rót sản phẩm gồm có:

Phương pháp rót áp suất thường: chất lỏng tự chảy vào trong chai do

chênh lệch về độ cao thủy tĩnh Tốc độ chảy chậm nên chỉ thích hợp với cácchất lỏng ít nhớt

Phương pháp rót chân không: Nối chai với một hệ thống hút chân không,

chất lỏng sẽ chảy vào trong chai do chênh áp giữa thùng chứa và áp suất trongchai

Lượng chất lỏng chảy vào chai thông thường cũng được áp dụng phươngpháp bù trừ hoặc chiết đầy chai

Phương pháp rót đẳng áp: Phương pháp này được áp dụng cho các sản

phẩm có gas như bia, nước ngọt Trong khi rót, áp suất trong chai lớn hơn ápsuất khí quyển nhằm tránh không cho ga (khí CO2) thoát khỏi chất lỏng Vớiphương pháp rót đẳng áp thông thường, người ta nạp khí CO2 vào trong chaicho đến khi áp suất trong chai bằng áp suất trong bình chứa, sau đó cho sảnphẩm từ bình chứa chảy vào trong chai nhờ chênh lệch độ cao

Máy định lượng chiết rót sản phẩm lỏng gồm nhiều cơ cấu rót, mỗi cơ cấurót được bố trí chiết cho 1 chai

Các cơ cấu rót có thể được bố trí thẳng hàng, làm việc cùng lúc (máy chiết

có cơ cấu chiết thẳng) hoặc bố trí trên bàn quay, làm việc tuần tự (máy chiếtbàn quay) như hình bên dưới:

Hình 1.7 Máy chiết bàn quay

c Đóng nắp chai

Máy đóng nắp chai được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất đồ uống,thức phẩm, mỹ phẩm và hóa chất công nghiệp Máy có tác dụng đóng bao kíncác loại chai thủy tinh, nhựa, đảm bảo việc niêm phóng kín, không rò rỉ chấtlỏng ra ngoài

Nắp chai được dẫn từ thùng chứa xuống đường dẫn đồng thời được xếpđúng chiều, chai nước được đưa vào vị trí dập nắp và cố định để hệ thống dậpnắp hoạt động

Sau khi dập nắp chai sẽ được đưa tới bộ phận vặn nắp để chắc chắn rằng tất

cả các nắp phải được đóng kín

Hình 1.8 Máy chiết rót và đóng nắp chai bàn xoay

d Cảm biến trong các dây chuyền chiết rót

Tại mỗi khâu chúng ta dùng cảm biến vị trí để xác định vị trí của sản phẩm.Khi gặp sản phẩm cảm biến sẽ có tín hiệu báo về bộ điều khiển để ra lệnhđiều khiển Để xác định vị trí và dịch chuyển của sản phẩm, ta dùng loại cảmbiến quang điện

Cảm biến quang điện bao gồm 1 nguồn phát quang và 1 bộ thu quang.Nguồn phát quang sử dụng Led hoặc Laser phát ra ánh sáng thấy hoặc khôngthấy tùy theo bước sóng Một bộ thu quang sử dụng diode hoặc transitorquang

Ta đặt bộ thu và phát sao cho vật cần nhận biết có thể che chắn hoặc phản

xạ ánh sáng khi vật xuất hiện Ánh sáng do Led phát ra được hội tụ qua thấukính

Ở phần thu ánh sáng từ thấu kính tác động đến transitor thu quang Nếu cóvật che chắn thì chùm tia sẽ không tác động đến bộ thu được

Sóng dao động dùng để bộ thu loại bỏ ảnh hưởng của ánh sáng trongphòng Ánh sáng của mạch phát sẽ tắt và sáng theo tần số mạch dao động Phương pháp này sử dụng mạch dao động làm cho cảm biến thu phát xahơn và tiêu thụ ít công suất hơn Trên thị trường hiện nay có 3 loại cảm biếnquang điện chính: Through-beam sensors (cảm biến tia xuyên qua), Retro-reflective sensors (cảm biến phản quang), Diffuse reflection sensor

Hình 1.9 Cảm biến phát quang

Trong quá khứ, đối với nhà máy bia, nước ngọt, việc phát hiện các chaiPET có chất liệu trong suốt là rất khó khăn, yêu cầu phải điều chỉnh phức tạpcảm biến cho ứng dụng đó Hiện nay công nghệ phát triển hơn ta có loại cảm

biến phản quang dể dàng phát hiện các vật liệu cho trai PET và thủy tinh Mộttrong số đó là bộ cảm biến O5G500 và một bộ lọc phân cực cùng với lăngkính phản xạ E20722.

số lượng chai gắp trong một lần cũng dễ dàng cài đặt, ví dụ như để đóng kétcho bia chai thì mỗi lần cánh tay robot có thể gắp 20 chai

Dây chuyền đóng thùng gồm 2 băng tải, một băng tải đưa sản phẩm đến taygắp, một băng vận chuyển thùng, hai băng tải đặt ngang nhau Bộ phận gắpchai được điểu khiển đồng bộ bằng khí nén

Hình 1.10 Bộ phận gắp chai

Hình 1.11 Một cánh tay robot đang làm việc

Với các loại chai nhỏ và khó vỡ thì thường dùng phương pháp đóng thùngkiểu “Drop”, hệ thống có hai băng tải, một băng tải chở sản phẩm chai ở phía

trên, băng tải chứa thùng phía dưới, khi số chai chạy vào khung đủ số lượngthì phần đáy của khung mở ra để toàn bộ chai trong khung rơi xuống thùng,các chai rơi xuống thùng đồng thời thùng được hạ xuống để giảm lực tác độngvào đáy chai, cách đóng thùng này nhanh và đơn giản hơn dùng cánh tayRobot

Với chai lọ thủy tinh dễ vỡ hay các chai có dung tích lớn thường

được đóng thùng bằng cánh tay Robot

1.3 Kết luận chương 1

Như vậy trên cơ sở tìm hiểu dây chuyền công nghệ thực tế của nhà máy

bia Heiniken và nghiên cứu khảo sát máy chiết rót 3 trong 1, và vì giới hạn đềtài nên nhóm sẽ nghiên cứu một dây chuyền gồm các khâu thành phần chủyếu trích ra trong hệ thống lớn mà một số điểm không được giống so với hệthống thực tế Cụ thể sẽ có các khâu chính là:

 Chiết nước vào chai

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

2.1 Khái quát chung về PLC

2.1.1 Lịch sử hình thành

Thiết bị điều khiển khả trình (PLC - Programmable Logic Controller) làmột loại máy tính điều khiển chuyên dụng, cho phép thực hiện linh hoạt cácthuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình, do nhà phátminh người Mỹ Richard Morley lần đầu tiên đưa ra ý tưởng vào năm 1968.Dựa trên yêu cầu kỹ thuật của General Motors là xây dựng một thiết bị có khảnăng lập trình mềm dẻo thay thế cho mạch điều khiển logic cứng, công tyAllen Bradley và Bedford Associate (Modicon) đã đưa ra trình bày đầu tiên.Trước đây thiết bị này thường được gọi với cái tên Programmable Controller,viết tắt là PC, sau này khi máy tính cá nhân PC (Personal Computer) trở nênphổ biến từ viết tắt PLC hay được dùng hơn để tránh nhầm lẫn

2.1.2 Ngôn ngữ lập trình

Các ngôn ngữ lập trình PLC được quy định trong chuẩn IEC 61131– 3 baogồm:

- Ngôn ngữ lập trình cơ bản:

- Instruction List (IL): dạng hợp ngữ

- Ladder Diagram (LD): giống mạch rơ le

- Function Block Diagram (FBD): giống mạch nguyên lý

2.1.3 Cấu trúc và phương thức thực hiện chương trình PLC

PLC được nhiều hãng chế tạo, và mỗi hãng có nhiều họ khác nhau, và cónhiều phiên bản (version) trong mỗi họ, chúng khác nhau về tính năng và giáthành, phù hợp với mức độ bài toán đơn giản hay phức tạp Ngoài ra còn cócác bộ ghép nối mở rộng cho phép liên kết nhiều bộ PLC nhỏ (thành mạngPLC) để thực hiện các chức năng phức tạp, hay giao tiếp với máy tính để tạothành một mạng tích hợp, thực hiện việc theo dõi, kiểm tra, điều khiển một

quá trình công nghệ phức tạp hay toàn bộ một phân xưởng sản xuất Mặc dùvậy, một hệ thống điều khiển dùng bất kỳ loại PLC nào cũng đều có cấu trúcnhư hình 1.12

Chương trình của các PLC thường có cấu trúc, gồm có chương trình chính(main program), các chương trình con (subroutine) và chương trình ngắt(interrupt) Nhờ đó cấu trúc của chương trình trở nên dễ đọc và rõ ràng hơn.Chương trình PLC được thực thi theo các chu kỳ quét liên tục Chương trìnhPLC thực thi là một phần của một quá trình lặp lại: chu kỳ quét Chu kỳ quétcủa PLC bắt đầu với việc CPU đọc trạng thái của các ngõ vào Chương trìnhứng dụng được thực hiện sử dụng trạng thái của các đầu vào này:

Hình 2.1 Sơ đồ khối PLC

Bộ xử lý trung tâm (CPU): Bao gồm một hay nhiều bộ vi xử lý điều hành

hoạt động của toàn hệ thống

Các kênh truyền (các BUS): bus dữ liệu (thường là 8 bit), đường dẫn các

thông tin dữ liệu, mỗi dây truyền 1bit dạng số nhị phân Bus địa chỉ (thường

là 8 hoặc 16 bit), tải địa chỉ vị trí nhớ trong bộ nhớ Bus điều khiển, truyền tínhiệu điều khiển từ CPU đến các bộ phận Bus hệ thống, trao đổi thông tin giữacác cổng nhập xuất và thiết bị nhập xuất

Bộ nguồn: cung cấp nguồn một chiều (5V) ổn định cho CPU và các thành

phần chức năng khác từ một nguồn xoay chiều (110, 220V…) hoặc nguồnmột chiều (12, 24V…)

Các thành phần vào/ra: đóng vai trò là giao diện giữa CPU và quá trình kỹ

thuật Nhiệm vụ của chúng là chuyển đổi, thích ứng tín hiệu và cách ly giữacác thiết bị ngoại vi (cảm biến, cơ cấu chấp hành) và CPU

Đầu vào số (DI: Digital Input): các ngõ vào của khối này được kết nối với

các bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu nhị phân như nút ấn, công tắc, cảm biến tạotín hiệu nhị phân Dải điện áp đầu vào có thể là 5 VDC, 12 – 24 VDC/VAC,

48 VDC, 100 – 120 VAC, 200 – 240 VAC…

Đầu vào tương tự (AI: Analog Input): Khối này có nhiệm vụ biến đổi tín

hiệu tương tự thành tín hiệu số Các ngõ vào của khối này thường được kếtnối với các bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu analog như cảm biến nhiệt độ, cảmbiến lưu lượng, hay ngõ ra analog của biến tần Các chuẩn tín hiệu tương tựthường gặp là 4 – 20mA, 0 – 5V, 0 – 10V

Đầu ra tương tự (AO: Analog Output): Khối này có nhiệm vụ biến đổi tín

hiệu số được gửi từ CPU đến đối tượng điều khiển thành tín hiệu tương tự.Các đầu ra của khối này được kết nối với các đối tượng điều khiển nhận tínhiệu tương tự như ngõ vào analog của biến tần, van điện từ…

Đầu ra số (DO: Digital Output): Các đầu ra của khối này được kết nối với

các đối tượng điều khiển nhận tín hiệu nhị phân như đèn báo, cuộn hútRelay… Có 3 loại đầu ra số là dạng Trans (1 chiều), Triac (xoay chiều) vàRelay với các dải điện áp 5 VDC, 24 VDC, 12 – 48VDC/VAC, 120 VAC,

230 VDC

Phương thức thực hiện chương trình:

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi làvòng quét (Scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu

từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo ngõ vào, tiếp theo là giai đoạn thựchiện chương trình

Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên chođến lệnh kết thúc Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyểncác nội dung của bộ đệm ảo ngõ ra tới các cổng ra số Vòng quét được kếtthúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gianvòng quét (scan time) Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phảivòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Cóvòng quét thực hiện lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnhtrong chương trình được thực hiện và khối lượng dữ liệu truyền thông… trongvòng quét đó

2.1.4 Module mở rộng PLC S7–1200.

PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài

để mở rộng chức năng của CPU Ngoài ra, có thể cài đặt thêm các moduletruyền thông để hỗ trợ giao thức truyền thông khác

Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số

và quy định của nhà sản xuất

S7-1200 có các loại module mở rộng sau: Signal board (SB), Signalmodule (SM), Communication module (CP)

- Signal board: được kết nối trực tiếp với mặt trước của CPU Chúngthường được sử dụng khi không gian bị hạn chế hoặc nếu chỉ cần thêm một

số lượng nhỏ đầu vào/đầu ra của CPU

 Mỗi CPU S7-1200 có thể mở rộng I/O bởi một Signal Board

 Sử dụng Signal board không làm tăng không gian lắp đặt cần thiết cho

bộ điều khiển

 I/O có thể mở rộng bao gồm: DI, DO, AI, AO hoặc hỗn hợp

- Signal module (SM): được kết nối vào phía bên phải của CPU Chúng làcác module tín hiệu thêm vào PLC để mở rộng và sử dụng thêm các đầuvào/ra (số/tương tự) ngoài các đầu vào, đầu ra được tích hợp sẵn

 Có thể sử dụng Signal module với tất cả các CPU SIMATIC S7-1200ngoại trừ CPU 1211C

 Có sẵn các mô-đun với 8, 16 và 32 kênh đầu vào/đầu ra

 Cấu hình với TIA Portal cực kỳ đơn giản

- Communication module (CP):

Họ PLC S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho cáctính năng bổ sung vào hệ thống Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485

 CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông

 Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU (hay về phía bên trái củamột CM khác)

2.1.5 Thiết bị hiển thị Human Machine Interface-HMI

HMI là từ viết tắt của Human Machine Interface, nghĩa là thiết bị giao tiếpgiữa người điều hành và máy móc thiết bị Nói một cách chính xác, bất cứcách nào mà con người “giao tiếp” với một máy móc qua nó

Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang diễn ra mạnh mẽ ở tất cả các lĩnhvực và tất các khu vực trên thế giới HMI là một thiết bị không thể thiếu gópphần đẩy nhanh quá trình tự động hóa các công đoạn cũng như các quy trìnhsản xuất phức tạp và khó đòi hỏi độ chính xác cao Vì vậy HMI được ứngdụng ở hầu hết các công đoạn sản xuất trong các lĩnh vực Ví dụ như dầu khí,điện tử, sản xuất thép, dệt may, ngành điện, ngành nước, ô tô, xe máy…1 mànhình giao diện thì đó là một HMI

Các ưu điểm của HMI:

- Linh hoạt, dễ thay đổi bổ sung thông tin cần thiết

- Đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa

- Tính “Mở”: có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị vànhiều loại giao thức, IOT

- Khả năng lưu trữ cao

- Đầy đủ, kịp thời và chính xác của thông tin

2.1.6 Vai trò và ứng dụng PLC

PLC được xem như trái tim trong một hệ thống điều khiển đơn lẻ vớichương trình điều khiển được chứa trong bộ nhớ của PLC, PC thường xuyênkiểm tra trạng thái của hệ thống thông qua các tín hiệu hồi tiếp từ thiết bịnhập để từ đó có thể đưa ra những tín hiệu điều khiển tương ứng với thiết bịxuất PLC có thể được sử dụng cho những yêu cầu điều khiển dơn giản vàđược lập đi lập lại theo chu kỳ, hoặc liên kết với máy tính chủ khác hoặc máytính chủ thông qua một kiểu hệ thống mạng truyền thông để thực hiện các quátrình xử lý phức tạp

Tín hiệu vào: mức độ thông minh của một hệ thống điều khiển phụ thuộcchủ yếu vào khả năng của PLC để đọc được các dữ liệu khác nhau từ cảmbiến cũng như các thiết bị nhập bằng tay Tiêu biểu cho các thiết bị nhập bằngtay như: nút ấn, bàn phím và chuyển mạch Mặt khác để đo, kiểm tra chuyểnđộng, áp suất lưu lượng chất lỏng… PLC phải nhận các tín hiệu từ các cảmbiến Ví dụ: tiếp điểm hành trình, cảm biến quang điện…tín hiệu đưa vàoPLC có thể là tín hiệu số (Digital) hoặc tín hiệu tương tự (Analog) các tínhiệu này được giao tiếp với PLC thông qua các modul nhận tín hiệu vào khácnhau khác nhau DI (vào số) hoặc AI (vào tương tự)…

Một số ưu điểm của PLC:

Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiểncũng như các quan niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có nhiều

ưu điểm như sau:

- Giảm 80% số lượng dây nối

- Công suất tiêu thụ PLC rất thấp

- Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác sửa chữa đượcnhanh chóng và dễ dàng

- Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng băng thiết bị lập trình (máy tính,màn hình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớtcác thiết bị xuất nhập

- Số lượng Rơle và Timer ít hơn nhiều so với hệ cổ điển

- Số lượng tiếp điểm trong chương trình sử dụng không hạn chế

- Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms) dẫnđến tăng cao quá trình sản xuất

- Chi phí lắp đặt thấp

- Độ tin cậy cao

- Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vài phút giúp thuậntiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống

Ứng dụng PLC

 Điều khiển các dây truyền đóng gói bao bì, tự động mạ tráng kẽm, sảnxuất bia, sản xuất xi măng…

 Hệ thống rửa ô tô tự động

 Điều khiển thang máy

 Điều khiển máy sấy, máy ép nhựa…

2.2 Giới thiệu về PLC s7-1200

Hình 2.2 Ứng dụng của PLC

2.2.1 Cấu trúc

S7 – 1200 là một dòng của bộ điều khiển logic khả trình (PLC) có thể kiểmsoát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và một tậplệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng

mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232

Phần mềm dùng để lập trình cho S7 – 1200 là Step 7 Basic Step 7 basic hỗtrợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợptrong TIA Portal của Siemens

Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộnhớ chương trình khác nhau PLC S7 – 1200 có các loại sau:

Tính năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C CPU 1215C

4 Out

8 Inputs /

tương tự 2 inputs 2 inputs 2 inputs

2 inputs / 2 outputs Kích

thước bộ

đệm

Inputs 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes Outputs 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes

Tính năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C CPU 1215C

Bit nhớ (M) 4096 bytes 4096 bytes 4096 bytes 4096 bytes Module mở

4 built – in I/O, 6 with

4 built – in I/O, 6 with

Singe phase

3 at 100kHz SB: 2 at 30kHz

30kHz

Quadrature

phase

3 at 80kHz SB: 2 at 20kHz

3 at 80kHz

1 at 20kHz SB: 2 at 20kHz

Card nhớ SIMATIC Memory Card (optional)

Lưu trữ thời gian

đồng hồ thời gian

thực

Chuẩn là 20 ngày, nhỏ nhất là 12 ngày ở nhiệt độ 400C (duy trì bằng tụ điện có điện dung lớn)

1 cổng truyền thông

Ethernet

2 cổng truyền thông Ethernet Tốc độ thực thi

 Load memory chứa bộ nhớ của chương trình khi down xuống

 Work memory là bộ nhớ lúc làm việc

 System memory thì có thể setup vùng này trong Hardware config, chỉcần chứa các dữ liệu cần lưu vào đây

Bộ nhớ CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C

3

2.2.3 Sơ đồ đấu dây

Hình 2.3 Sơ đồ đấu dây CPU 1214C AC/DC/Relay

Hình 2.4 Sơ đồ đấu dây CPU 1214C DC/DC/Relay

Hình 2.5 Sơ đồ đấu dây CPU 1214C DC/DC/DC

2.3 Tổng quan về Tia Portal và WinCC

truyền động điện: PLC, HMI, Inverter của Siemens Được thiết kế giao diệnthân thiện với người sử dụng TIA PORTAL thích hợp cho cả những ngườimới lẫn cho những người có nhiều kinh nghiệm trong lập trình tự động.

Hình 2.6 Giao diện của chương trình được lập trình trong phần mềm TIA

PORTAL

Chương trình TIA Portal:

- Ưu điểm: Tích hợp tất cả trong một phần mềm, 1 giao diện, tạo ra sựnhất quán trong việc cấu hình hệ thống

- Nhược điểm: dung lượng phần mềm lớn, yêu cầu cấu hình máy tínhcao

Các gói phần mềm có trong TIA Portal:

- SIMATIC STEP7 Professional và SIMATIC STEP7 PLCSIM: dùng

để lập trình và mô phỏng PLC S7-1200, S7-1500, S7-300, S7-400

- SIMATIC WinCC Professional: Lập trình giao diện HMI và giao diệnSCADA

- SIMATIC Start Driver: Cấu hình biến tần Siemens

Sử dụng một trong các hệ điều hành sau:

Windows 7 Home Premium/Professional/Enterprise/Ultimate SP 1 (32 Bit)Windows 7 Home Premium/ Professional/Enterprise/Ultimate SP1 (64 Bit) Windows 8.1

Windows 8.1 Professional/Enterprise

Windows 10 (đối với bản V13 Sp2 trở lên)

Cấu hình tốt nhất để chạy TIA Portal: Processor: Core i5-3320M, 3.3 GHzRAM: 16 GB Screen resolution: 1920 x 1080 px HDD: SSD với ít nhất 50GB

bộ nhớ trống

Hình 2.7 Giao diện của chương trình được lập trình trong phần mềm TIA

PORTAL

2.3.2 Phần mềm WinCC

WinCC (Windows Control Center) là phần mềm của hãng Siemens dùng

để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất Nói rỏhơn, WinCC là chương trình dùng để thiết kế các giao diện Người và Máy –HMI (Human Machine Interface) trong hệ thống SCADA, với chức năngchính là thu thập số liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất VớiWinCC, người dùng có thể trao đổi dữ liệu với PLC của nhiều hãng khácnhau như: Siemens, Mitsubishi, Allen braddly, Omron thông qua cổngCOM với chuẩn RS232 của PC và chuẩn RS485 của PLC

Hình 2.8 Giao diện WinCC

2.4 Các thiết bị ngoại vi