Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Các sản phẩm tiêu dùng hiện nay chủ yếu được đóng gói trong các loại bao bì dạng chai lọ, đặc biệt trong ngành thực phẩm và đồ uống như bia, rượu, nước giải khát, mỹ phẩm, mang lại nhiều lợi ích về giá thành thấp, độ cứng cáp, tính thẩm mỹ cao và dễ sản xuất Chính vì lý do này, các hệ thống máy chiết rót và đóng chai tự động được sử dụng rộng rãi với đa dạng chủng loại, góp phần nâng cao năng suất và hiệu quả sản xuất Trong khóa luận này, tôi sẽ thiết kế hệ thống trộn, chiết rót và đóng nắp chai sử dụng PLC S7-1200 và phần mềm điều khiển giám sát WinCC, nhằm tối ưu hóa dây chuyền sản xuất nước giải khát và các sản phẩm liên quan.

Trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, tự động hóa đóng vai trò không thể thiếu trong mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân Công nghệ tự động giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng năng suất lao động Nhờ đó, các doanh nghiệp có khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường quốc tế Việc ứng dụng tự động hóa là chìa khóa thúc đẩy sự phát triển bền vững của nền công nghiệp trong thời kỳ hiện đại.

Với sự phát triển của khoa học và công nghệ, kỹ thuật Điện - Điện tử đã tiến bộ vượt bậc và phát triển nhanh chóng Tự động hóa ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và sản xuất, đóng vai trò không thể thiếu trong ngành công nghiệp Các dây chuyền tự động hóa ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu công nghệ và nâng cao năng suất lao động bằng cách thay thế con người trong nhiều công đoạn.

Lý do chọn đề tài

Trong bối cảnh hiện nay, nhờ sự ứng dụng khoa học kỹ thuật, thế giới đã chứng kiến những bước chuyển biến rõ rệt và ngày càng tiến bộ hơn Phát triển công nghệ, đặc biệt là công nghệ tự động, đã tạo ra nhiều dây chuyền sản xuất và thiết bị máy móc hiện đại với các đặc điểm nổi bật như độ chính xác cao, tốc độ nhanh và khả năng kích ứng linh hoạt.

Chương I: Tổng Quan Về Dây Chuyền 2

Công nghệ tự động hóa đang trở thành một ngành kỹ thuật đa nhiệm vụ, đáp ứng những đòi hỏi ngày càng cao của các ngành công nghiệp, xây dựng, y tế và lâm nghiệp Nhờ khả năng tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu quả hoạt động, tự động hóa ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày.

Trong ngành công nghiệp sản xuất nước uống đóng chai, dây chuyền chiết rót đóng vai trò không thể thiếu và đặc biệt quan trọng trong quá trình sản xuất Đáp ứng nhu cầu thực tế của ngành, tôi đã thiết kế và xây dựng chương trình "Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC – S7 1200", giúp tối ưu hóa hoạt động của dây chuyền nhờ vào công nghệ PLC điều khiển hiện đại.

Đối tượng nghiên cứu

Hiện nay, tại Việt Nam có nhiều nhà máy và xí nghiệp sử dụng hệ thống tự động hóa trong sản xuất, nhưng chưa có sự liên kết chặt chẽ giữa các hệ thống này để nâng cao hiệu quả Để đạt được năng suất tối ưu và giảm thiểu công tác giám sát thủ công, việc sử dụng phần mềm quản lý và giám sát tự động là vô cùng cần thiết Phần mềm này giúp tích hợp các hệ thống tự động hóa, từ đó tối đa hóa hiệu quả sản xuất và giảm gánh nặng quản lý.

Hiện nay, có nhiều phần mềm SCADA của các hãng như Mitsubishi, Wonderware, Siemens, trong đó WinCC là giải pháp mạnh mẽ hỗ trợ hệ thống tự động hóa Phần mềm WinCC nổi bật với giao diện đồ họa đẹp mắt, chuyên nghiệp, giúp các kỹ sư dễ dàng tùy biến và thiết kế hệ thống SCADA tối ưu WinCC còn có khả năng trình bày dữ liệu bằng các ngôn ngữ lập trình như C hoặc Visual Basic, mang lại hiệu quả cao trong vận hành và giám sát hệ thống tự động hóa.

Mục tiêu của đề tài

Sau khi hoàn thành đề tài, mục tiêu là lắp đặt thành công mô hình dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai, đồng thời hiểu rõ các thiết bị cảm biến, cách đấu nối và lập trình PLC cũng như các thiết bị tự động hóa Ứng dụng phần mềm WinCC Comfort để giám sát hệ thống, điều khiển qua màn hình, xuất dữ liệu lên website và nhận cảnh báo khi gặp sự cố Sử dụng PLC CPU S7-1200 để thu tín hiệu từ cảm biến, điều khiển hệ thống van khí nén và động cơ bước, đảm bảo hoạt động chính xác và tự động hóa cao của dây chuyền sản xuất.

Ưu điểm và thiếu sót khi thực hiện đề tài

Do kiến thức còn hạn chế và hệ thống SCADA chưa phổ biến tại Việt Nam, thời gian thực hiện đề tài ngắn hạn, cùng với hạn chế về kinh tế, mô hình còn nhiều thiếu sót Mô hình chưa thể hiện rõ ràng các yếu tố thực tế trong quá trình sản xuất nước uống đóng chai Tuy nhiên, đề tài đã thể hiện được nhu cầu thực tế của ngành và đáp ứng cơ bản các yêu cầu sản xuất.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Điều khiển tự động là xu thế tất yếu trong các lĩnh vực công nghiệp và sinh hoạt nhờ vào các ứng dụng vượt trội của nó Trong các hệ thống tự động quy mô vừa và lớn, việc tích hợp PLC và SCADA, đặc biệt là phần mềm WinCC phối hợp với SIMATIC S7 300, cho phép điều khiển và giám sát từ xa một cách chính xác từ phòng xử lý trung tâm Việc kết hợp SCADA vào hệ thống tự động hóa là bước cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm, mở rộng quy mô hệ thống, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong xây dựng hệ thống tự động hoàn chỉnh về chức năng và hiệu quả kinh tế.

Dự án tập trung vào nhu cầu thực tế của các nhà máy và dây chuyền sản xuất đang được nâng cấp và mở rộng Điểm mạnh của đề tài là khả năng ứng dụng vào các doanh nghiệp quy mô vừa và lớn, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.

Phương pháp nghiên cứu

- Tìm tài liệu liên quan đến đề tài mà mình nghiên cứu

- Đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc thiết kế chế tạo sản phẩm thực tế

Chương I: Tổng Quan Về Dây Chuyền 4

- Tìm hiểu các thiết bị và khí cụ điện sử dụng cho mô hình

- Tìm nguồn cung cấp điện áp và dòng điện ổn định cho mô hình hoạt động

- Tiến hành viết chương trình điều khiển.

Nội dung nghiên cứu

• Các thiết bị được sử dụng trong hệ thống chiết rót nước đóng chai

• Thiết bị điều khiển plc s7-1200 và phần mềm

- Hệ thống dựa trên cơ sở lý thuyết và các hệ thống có sẵn trong thực tế

- Thiết kế mô hình, giám sát và điều khiển hệ chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC – S7 1200

- Kết quả và hướng phát triển hệ thống chiết rót nước đóng chai.

CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Tổng quan về thiết bị vận tải

Các loại thiết bị vận tải thường dùng để vận chuyển thể hạt, kích thước nhỏ, chuyên chở các chi tiết ở dạng thành phẩm và bán thành phẩm, đồng thời để vận chuyển hành khách theo hành trình cố định không điểm dừng giữa đường Các loại băng chuyền phổ biến như băng tải, băng chuyền, băng gầu, đường gòng treo và thang chuyền được ưa chuộng nhờ năng suất cao và hiệu quả vượt trội, đặc biệt tại những địa hình phức tạp Những thiết bị này góp phần nâng cao năng suất sản xuất và tối ưu hóa quá trình vận chuyển trong các khu công nghiệp và vùng địa lý đa dạng.

2.1.2 Giới thiệu tổng quan về cơ cấu truyền động

Băng chuyền là thiết bị vận chuyển quan trọng trong các dây chuyền sản xuất, chuyên chở các hạt thành phẩm và bán thành phẩm trong nhà máy Thiết bị này thường được thiết kế để hoạt động theo phương nằm ngang hoặc nghiêng với góc nhỏ, giúp tối ưu hóa quá trình vận chuyển nguyên liệu Cấu tạo của băng chuyền cố định đảm bảo độ bền và hiệu quả vận hành cao, phù hợp với các yêu cầu sản xuất công nghiệp hiện đại.

• Những yêu cầu đối với hệ truyên động băng chuyền:

Nguồn cung cấp cho động cơ truyền động băng chuyền phải có dung lượng lớn, đặc biệt là đối với các động cơ có công suất từ 30 kW trở lên, nhằm đảm bảo khởi động dễ dàng và nhẹ nhàng hơn mà không ảnh hưởng đến lưới điện Hệ thống khống chế tự động giúp kiểm soát quá trình khởi động một cách tối ưu, nâng cao độ an toàn và hiệu quả trong vận hành.

Hình 2 1 Sơ đồ hệ thống băng chuyền

Chương II: Cơ sở lí thuyết 6 hệ thống băng chuyền phải theo yêu cầu công nghệ của đối tượng mà băng chuyền phục vụ

- Thứ tự khởi động các băng tải

- Có thể dừng băng tải theo yêu cầu

- Phải có cảm biến phát hiện vật trên băng chuyền

Trong bối cảnh phát triển của khoa học và công nghệ, việc điều khiển băng chuyền trong sản xuất đã chuyển từ việc sử dụng các rơle tự động truyền thống sang các thiết bị hiện đại hơn PLC – Programmable Logic Controller – là bộ điều khiển số mạnh mẽ, nhỏ gọn, có khả năng lập trình linh hoạt, tốc độ điều khiển nhanh, chống nhiễu hiệu quả và cạnh tranh về giá Nhờ các ưu điểm này, PLC ngày càng được ưa chuộng trong các phân xưởng, nhà máy nhằm tối ưu hóa quá trình tự động hóa và nâng cao năng suất.

Giới thiệu các thiết bị và khí cụ điện sử dụng trong hệ thống chiết rót nước đóng chai

2.2.1.1 Động cơ điện một chiều

Gồm hai phần chính là phần tĩnh và phần quay, ngoài ra còn có các bộ phận khác

Cực từ chính là bộ phận tạo ra từ thông trong động cơ, bao gồm lõi thép và dây quấn kích từ Lõi thép được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện mỏng đối với các động cơ công suất lớn, hoặc đúc thành các từ khối cho các động cơ có công suất nhỏ, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của máy.

Cực từ phụ nằm giữa các cực từ chính trong các động cơ công suất lớn, giúp cải thiện quá trình đổi chiều và nâng cao hiệu suất hoạt động Cực từ phụ không có mặt cực riêng biệt, mà được tạo thành từ lõi thép khối trên thân cực từ có cuộn dây, có cấu tạo giống như các cực từ chính Dây quấn kích từ, được quấn quanh thanh cực từ và các cuộn dây này nối tiếp nhau, đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh từ trường và điều khiển hoạt động của động cơ.

Hình 2 2 Sơ đồ nối dây động cơ kính từ nối tiếp

Lõi thép được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm nhằm giảm tổn hao do dòng điện xoáy, cùng với rãnh bên ngoài để đặt dây quấn phần ứng Dây quấn gồm các dây đồng có lớp cách điện đặt bên trong rãnh phần ứng, gồm nhiều phần tử được nối với nhau qua hai phiến góp, tạo thành mạch điện kín nhằm đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu của thiết bị.

Cổ góp (vành góp hay vành đổi chiều) là thiết bị dùng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều trong máy thành dòng điện một chiều hoặc ngược lại, từ dòng một chiều ngoại quan thành dòng xoay chiều vào trong máy Cổ góp gồm nhiều miếng đồng ghép cách điện bằng mica dày từ 0,4 đến 1,2 mm, tạo thành hình tròn giúp duy trì sự chuyển đổi dòng điện hiệu quả và ổn định.

Vỏ máy được chế tạo bằng gang cho các động cơ có công suất lớn hoặc bằng thép cuộn thành ống cho các động cơ có công suất nhỏ Chức năng chính của vỏ máy là cố định lõi thép của cực từ, đảm bảo sự ổn định và hoạt động hiệu quả của động cơ.

+ Nắp máy: Thường làm bằng gang để bảo vệ dây quấn và đỡ trục của rôto nhờ các ổ bi

+ Trục: Được gắn với rôto làm bằng thép

+ Chổi than: Dùng để dẫn điện từ ngoài vào trong dây quấn phần ứng và ngược lại

❖ Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ nối tiếp

Chương II: Cơ sở lí thuyết 8

- Động cơ hay Motor: là bộ phận có vai trò kết nối, khiến cánh quạt quay và tạo ra áp lực để đưa nước lên trên cao

- Cánh quạt: Được thiết kế với hình tròn và nhiều rãnh công, có vai trò quạt nước để đẩy nước ở ống đầu vào tới ống đầu ra máy bơm

Tốc độ quay 100 vòng/phút

Hình 2 3 Động cơ điện một chiều

- Máy bơm nước mini là dòng máy bơm nước, được dùng để bơm nước cho hồ cá hoặc non bộ

Máy bơm nước mini hoạt động dựa trên nguyên tắc áp lực, giúp đẩy nước từ nơi có sức ép cao đến nơi có sức ép thấp hơn một cách hiệu quả Nhờ vào cơ chế này, thiết bị có thể cung cấp nguồn nước ổn định cho các mục đích gia đình hoặc công nghiệp nhỏ Việc sử dụng máy bơm mini là giải pháp tiết kiệm năng lượng, dễ vận hành và phù hợp với nhiều không gian hạn chế Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của máy bơm dựa trên áp lực giúp bạn lựa chọn sản phẩm phù hợp và tối ưu hóa hiệu suất sử dụng.

Hình 2 4 Hình ảnh thực tế của bơm nước

- Gồm có hai phần chính: phần quay (Rotor) và được bao xung quanh là phần tĩnh (Stator)

Hai bộ phận chính của Stator là lõi thép (mạch từ) và dây quấn

Lõi thép được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện dập theo khuôn, ghép lại thành dạng hình trụ rỗng với mặt trong có các rãnh để chứa dây quấn máy điện, có thể là dây quấn 2 pha, 3 pha, 4 pha hoặc 5 pha Phần phía ngoài của Stator được bao bọc bởi vỏ làm bằng nhôm hoặc hợp kim nhôm giúp bảo vệ cấu trúc và tăng khả năng dẫn nhiệt Hai đầu của Stator được cố định bằng hai nắp làm bằng cùng vật liệu nhằm chắc chắn kết cấu, đồng thời các nắp này còn được trang bị ổ trục (ổ trượt hoặc vòng bi) để đỡ trục quay của Rotor, đảm bảo hoạt động ổn định của máy.

Dây quấn Stator của động cơ bước nam châm vĩnh cửu là loại dây điện từ, có tiết diện hình tròn hoặc hình chữ nhật Dây quấn này được chia thành nhiều pha, mỗi pha gồm một tổ bối dây với số vòng dây W, được lồng vào cực từ của Stator để đảm bảo hoạt động hiệu quả và độ bền cao.

Rotor của động cơ bước nam châm vĩnh cửu thường không có răng cực từ, được từ hoá vĩnh cửu vuông góc với trục quay và lồng vào bên trong Stator Cực từ của Rotor thường gồm 2 hoặc 6 cực từ (N - S) xen kẽ nhau, tạo thành từ trường ổn định giúp định hướng chính xác cho quá trình vận hành của động cơ.

Nguyên lý hoạt động của loại động cơ này dựa trên tác động của trường điện từ lên một hoặc nhiều nam châm vĩnh cửu, tạo ra lực đẩy để quay rotor Rotor của động cơ tạo thành các cặp từ và moment điện từ của nam châm được sắp xếp thẳng hàng trên trường từ quay do các cuộn dây tạo ra Sử dụng trường điện từ để tương tác với nam châm giúp động cơ vận hành hiệu quả và ổn định trong các ứng dụng công nghiệp.

Các cuộn dây của Stator được gọi là các pha, và động cơ bước có thể có từ 2 đến 5 pha, giúp điều chỉnh quay của motor Động cơ bước hoạt động bằng cách cấp điện cho từng cuộn dây theo thứ tự nhất định, sau mỗi bước quay, dòng điện được đảo chiều để tiếp tục quá trình chuyển động chính xác Chiều quay của động cơ phụ thuộc vào thứ tự cấp điện của các pha và hướng của từ trường tạo ra, đảm bảo điều khiển chính xác vị trí và tốc độ của động cơ.

Góc bước của động cơ thường dao động từ 60 đến 450, phù hợp với chế độ điều khiển bước đủ, giúp đảm bảo khả năng hoạt động chính xác và ổn định Moment hãm của động cơ trong phạm vi từ 0,5 đến 25 Ncm, cung cấp lực giữ chặt phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp Tần số khởi động tối đa đạt 0,5 kHz, trong khi tần số làm việc tối đa ở chế độ không tải lên đến 5 kHz, đảm bảo khả năng vận hành linh hoạt và hiệu quả cao trong các hệ thống điều khiển tự động.

Hình 2 5 Hình ảnh động cơ bước trong thực tế

2.2.2 Các thiết bị đóng ngắt relay

Module 1 Relay với opto cách ly nhỏ gọn, có opto và transistor cách ly giúp cho việc sử dụng trở nên an toàn với board mạch chính Mạch được sử dụng để đóng ngắt nguồn điện công suất cao AC hoặc DC, có thể chọn đóng khi kích mức cao hoặc mức thấp bằng Jumper

Tiếp điểm đóng ngắt gồm 3 loại chính là NC (thường đóng), NO (thường mở) và COM (chân chung), được cách ly hoàn toàn với mạch chính để đảm bảo an toàn và độ chính xác trong quá trình hoạt động Khi ở trạng thái bình thường chưa kích, tiếp điểm NC sẽ nối với COM, giúp duy trì kết nối ổn định Khi có tín hiệu kích hoạt, tiếp điểm COM sẽ chuyển sang nối với NO, đồng thời mất kết nối với NC, đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống.

Hình 2 6 Hình ảnh relay trung gian Omron

2.2.2.2 Van điện từ khí nén AIRTAC 4V110-06

Van điện từ là thiết bị hoạt động bằng điện, có nhiều loại với cấu tạo khác nhau phù hợp với từng ứng dụng Chúng được điều khiển bởi dòng điện tác dụng lực từ để mở hoặc đóng các cửa van Đối với van 2 cửa, cửa vào và cửa ra sẽ đóng mở lần lượt, trong khi van 3 cửa có hai cửa ra thay phiên nhau đóng mở để điều hướng lưu chất Hệ thống phức tạp có thể tích hợp nhiều van điện từ ghép lại để kiểm soát dòng chảy chính xác Thông thường, điện áp của cuộn coil van là 24 VDC, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.

Số cặp tiếp điểm 4 cặp Đèn báo Có

Hình 2 7 Van khí điện từ

1 Thân van bằng đồng hoặc inox, nhựa

2 Lưu chất chất lỏng ( Dầu , nước ) , khí ( gas, khí nén, ….)

4 Vỏ ngoài cuộc hút ( Dùng để bảo vệ cuộn điện)

5 Cuộn từ - cuộn coil ( Cuộn từ sinh ra lực hút )

7 Trục van làm kín ( Trạng thái bình thường lò xo sẽ tác động ép kín , giúp van ở trường thái thường đóng )

9 Khe hở lưu chất khi van mở

TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN ĐÓNG NẮP CHAI

Tổng quan về dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai trên thị trường

Công nghệ chiết rót và đóng nắp chai tự động là một giải pháp hiện đại được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất nước giải khát và các sản phẩm đóng chai khác Công nghệ này giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, đảm bảo chất lượng đóng gói và tối ưu hóa quá trình đóng chai tự động Sử dụng hệ thống tự động giúp giảm thiểu sai sót, tiết kiệm thời gian và chi phí sản xuất, đồng thời đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm Chính nhờ những ưu điểm nổi bật này, công nghệ chiết rót và đóng nắp chai tự động ngày càng trở thành xu hướng không thể thiếu trong ngành công nghiệp đóng chai hiện nay.

Dây chuyền đóng nắp chai tự động với nhiều kích thước đa dạng là giải pháp tối ưu cho quy trình đóng nắp chai hiệu quả Hệ thống này thường được tích hợp chung với dây chuyền chiết rót chất lỏng, giúp nâng cao năng suất và tiết kiệm thời gian sản xuất Thiết bị không chỉ phù hợp cho các công ty lớn, mà còn phù hợp với các cơ sở sản xuất tư nhân nhỏ, đáp ứng mọi quy mô và nhu cầu khách hàng.

Một số công ty sản xuất và phân phối dây chuyền đóng nắp chai ở Việt Nam:

Công Ty THHH Tự Động Việt Quang & KHS

Các mô hình chiết rót và đóng nắp chai có sẵn trên thị trường

Hình 3 1 Dây chuyền đóng chiết rót KHSb

Dây chuyền chiết rót 3 trong 1 của công ty KHS sở hữu các công đoạn chính gồm thổi căng chai, chiết rót nước và đóng nắp chai, giúp tối ưu hóa quy trình đóng chai Với công nghệ tiên tiến, hệ thống này có khả năng sản xuất lên đến 72.000 chai mỗi giờ, đáp ứng nhu cầu của các nhà máy sản xuất nước uống nhanh, hiệu quả cao Dây chuyền chiết rót 3 trong 1 của KHS là giải pháp lý tưởng cho các doanh nghiệp muốn nâng cao năng suất và tiết kiệm chi phí sản xuất.

1 Dây chuyền làm mát chai

4 Băng tải outfeed Đầu tiên các chai được thổi căng sau đó sẽ được đưa vào dây chuyền làm mát chai Dây chuyền làm mát chai sẽ đưa các chai vào hệ thống rót Sau khi đã được chiết rót đầy

Hình 3 2 Tổng quan máy chiết rót KHS

Chương III: Tổng Quan Về Dây Chuyền Đóng Nắp Chai 30 đóng nắp và chuyển đến băng tải outfeed Băng tải outfeed sẽ chuyển các chai đầy và được đóng nắp ra ngoài.

Dây chuyền làm mát chai

Chai được làm mát dọc theo đường đi của chúng từ máy đúc đến hệ thống chiết rót Vòi phun phun nước lên đế chai

Hình 3 3 Dây chuyền làm mát chai

Hệ thống chiết rót

Khi làm đầy các chai, lượng nước cần được xác định chính xác để đảm bảo quá trình đóng chai diễn ra hiệu quả Có hai phương pháp định lượng cơ bản: định lượng theo chiều cao và định lượng theo thể tích nước Phương pháp định lượng theo chiều cao dựa trên thiết kế của van điền và các thiết bị liên quan như đầu dò, Trinox, ống dẫn khí trở lại, đo khoảng cách giữa mức độ đổ đầy và vành chứa Trong khi đó, định lượng theo thể tích sử dụng đồng hồ đo lưu lượng để xác định khối lượng nước đã đổ đầy, và quá trình bơm nước dừng lại khi đạt tới thể tích đã xác định, đảm bảo chính xác cho quá trình đóng chai.

3.4.1 Đồng hồ đo lưu lượng (flow meter) Đồng hồ đo lưu lượng được lắp vào đường kết nối tương ứng giữa vòng đệm và vòng phân phối cho mỗi van nạp Đồng hồ đo lưu lượng được sử dụng để đo chính xác thể tích chiết trên mỗi chai Khối lượng nạp cho các chai được đặt trên bảng điều khiển vận hành

Hình 3 4 Phương pháp định lượng nước trong chai

Chương III: Tổng Quan Về Dây Chuyền Đóng Nắp Chai 32 và tạo thành điểm đặt cho đồng hồ đo lưu lượng Quá trình làm đầy được chấm dứt khi khối lượng chiết được đo bằng đồng hồ đo lưu lượng đạt đến điểm đặt

Quá trình làm đầy được kiểm soát bởi van nạp nhằm đảm bảo hoạt động chính xác Đồng hồ đo lưu lượng tích hợp giữa tô chuông và van nạp giúp xác định tốc độ dòng chảy chính xác trong quá trình chiết Khi đạt đến giá trị thể tích đã được thiết lập trước, quá trình chiết tự động dừng lại để đảm bảo tính chính xác và an toàn trong quá trình đóng gói.

Hình 3 5 Vị trí của van và flow meter

Hệ thống đóng nắp

6 Khung trong đó được gắn cáp

Hình 3 6 Hệ thống đóng nắp

Chương III: Tổng Quan Về Dây Chuyền Đóng Nắp Chai 34

Các máng nắp truyền tải nắp để động cơ đóng nắp Nắp được nhận bởi các nón trên các cọc đóng nắp

Vòng xoay chai giữa hệ thống chiết rót và đóng nắp chuyển các chai chưa được đóng nắp vào hệ thống đóng nắp Vòng trung tâm nhận được chai

Các động cơ đóng nắp sẽ đóng nắp chai sau đó các chai được đóng nắp kín sẽ được truyền tới băng tải outfeed

Hình 3 7 Bố cục của drive

9 Bánh răng 3 Động cơ servo điều khiển bánh răng 1 thông qua bánh răng 2 Các bánh răng 1 quay các trục đưa các chai đi bằng các dây đai và hầm cáp quay các bánh răng 3 Hầm cáp xoay các cọc đóng nắp thông qua các bánh răng 2

Hình 3 8 Máng cấp nắp

Chương III: Tổng Quan Về Dây Chuyền Đóng Nắp Chai 36

Bánh răng giám sát giữ lại các nắp có vị trí không chính xác

Bộ phận lưu trữ nắp giữ lại các nắp chai bị thiếu hoặc bị mất trong quá trình sản xuất Hệ thống cung cấp không khí qua các vòi phun khí giúp đẩy nắp chai chính xác vào tay quay hình sao Bánh xe hình sao phân chia nắp chai thành các nhóm nhỏ và chuyển chúng vào các khối trục quay để tiến trình đóng chai diễn ra hiệu quả.

Băng tải outfeed

Các băng tải outfeed nhận chai từ máy và chuyển chúng vào các thùng chứa một cách tự động, nâng cao hiệu quả sản xuất Để đảm bảo quá trình vận chuyển chính xác, các băng tải này được trang bị thiết bị điều chỉnh chiều cao, giúp định hướng chai đúng theo cổ chai và phù hợp với chiều cao của thùng chứa Khi chiều cao giữa các thùng chứa và băng tải outfeed không đồng bộ, khách hàng có thể dễ dàng điều chỉnh chiều cao của băng tải để đảm bảo khoảng cách giữa các vị trí là hợp lý, tối ưu hóa quá trình xếp dỡ hàng hóa.

Trong trường hợp gặp tắc nghẽn chai trên băng tải, các chai vẫn đang hoàn thành quá trình thoát khỏi băng tải qua máng xả vào thùng chứa do khách hàng cung cấp Hệ thống cảm biến báo cáo chính xác vị trí và tình trạng tắc nghẽn giúp theo dõi hiệu quả, giảm thiểu thời gian chết của dây chuyền sản xuất Việc phát hiện sớm sự cố tắc nghẽn giúp tối ưu hóa quy trình vận hành và duy trì năng suất cao.

Trong quá trình thay thế các chai trên băng tải outfeed, máy sẽ dừng lại để đảm bảo an toàn và thuận tiện cho việc thay thế Sau khi các chai còn lại trên băng tải đã được loại bỏ, máy tự động khởi động lại để tiếp tục quá trình sản xuất một cách hiệu quả Quá trình này giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống băng tải outfeed, đảm bảo liên tục và giảm thiểu thời gian dừng máy không cần thiết.

Hình 3 10 Hệ thống phát hiện sản phẩm lỗi

Chương IV: Tổng Quan Về PLC S7-1200 38

TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200

Giới thiệu về PLC S7-1200

4.1.1 Khái niệm chung về PLC S7-1200

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200

So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội

S7-1200 là dòng PLC (bộ điều khiển logic lập trình) đa năng, phù hợp để kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau Thiết kế nhỏ gọn, chi phí hợp lý và khả năng lập trình mạnh mẽ giúp cung cấp giải pháp tối ưu cho các dự án tự động hóa, nâng cao hiệu quả vận hành và tiết kiệm ngân sách.

S7-1200 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 cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC

• Tính năng “know-how protection” và “copy protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình

S7-1200 hỗ trợ cổng PROFINET kết hợp với chuẩn Ethernet và TCP/IP, giúp dễ dàng tích hợp vào mạng tự động hóa Ngoài ra, thiết bị còn có thể mở rộng kết nối bằng các module truyền thông như RS485 hoặc RS232, nâng cao khả năng giao tiếp đa dạng Phần mềm lập trình chính cho S7-1200 là Step 7 Basic, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình phổ biến gồm FBD, LAD và SCL, giúp người dùng dễ dàng lập trình và cấu hình hệ thống Phần mềm này được tích hợp trong môi trường TIA Portal, đảm bảo quy trình lập trình và vận hành diễn ra thuận tiện và hiệu quả.

Để thực hiện dự án với PLC S7-1200, bạn chỉ cần cài đặt phần mềm TIA Portal, vì phần mềm này tích hợp đầy đủ môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI TIA Portal là giải pháp toàn diện giúp dễ dàng cấu hình, lập trình và vận hành hệ thống điều khiển tự động, phù hợp cho các dự án công nghiệp Việc sử dụng TIA Portal giúp tiết kiệm thời gian, nâng cao hiệu quả công việc và đảm bảo tính nhất quán trong quá trình phát triển hệ thống tự động hóa.

Hình 4 1 Sơ khối kết nối CPU

4.1.2 Cấu hình và điều hành SIMATIC S7-1200

2 Kết nối hệ thống dây dẫn

1 Trạng thái đèn LED của module I/O

3 Kết nối hệ thống dậy nối

1 Tráng thái đèn LED cho các module giao tiếp

4.1.3 Một số dòng CPU S7-1200 thông dụng

Hiện nay, PLC S7-1200 có nhiều dòng CPU đa dạng như CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C và CPU 1217C, mang đến sự lựa chọn linh hoạt cho các ứng dụng khác nhau Người dùng có thể lựa chọn các nguồn điện áp AC/DC và các tín hiệu đầu vào/ra relay, DC phù hợp với từng yêu cầu hệ thống Việc chọn đúng loại CPU dựa trên yêu cầu của ứng dụng, cấu hình hệ thống và ngân sách là yếu tố quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

Bảng 4 1 Thông tin về CPU 1211C/1212C

• (*) Signal board (SB), Battery board (B) và communication board (CB)

• Tốc độ xử lý HSC thấp khi sử dụng chế độ lệch pha 900

• Khi CPU với ngõ ra relay thì có thể mua SB gắn vào mở rộng để sử dụng chế độ phát xung

Bảng 4 2 Thông tin về CPU 1214C/1215C

Nguyên lý làm việc của PLC

CPU điều khiển hoạt động bên trong PLC bằng cách đọc và kiểm tra chương trình trong bộ nhớ Bộ xử lý thực hiện theo thứ tự từng lệnh, đóng hoặc ngắt các đầu ra để điều khiển thiết bị liên kết Các trạng thái của ngõ ra sau đó được gửi đến các thiết bị khác để thực thi Toàn bộ quá trình thực thi này đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC.

PLC hoạt động dựa trên mã máy sử dụng hệ thống số nhị phân, giúp tốc độ quét vòng chương trình đạt đến vài phần nghìn giây Các phần mềm lập trình PLC tích hợp sẵn chức năng biên dịch, chuyển đổi mã nguồn thành mã máy, ghi các bit “0” hoặc “1” vào đúng vị trí địa chỉ đã quy ước trong PLC Quá trình lập trình diễn ra như sau: trình biên dịch chuyển đổi lệnh sang mã máy và thực hiện ghi dữ liệu, sau đó chương trình đã được biên dịch hoàn chỉnh trước khi tải lên máy chủ hoặc monitor để thực thi.

Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:

✓ Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau

✓ Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu

✓ Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC

Trong PLC, dữ liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các module vào ra thông qua các bus dữ liệu, gồm Data Bus và Address Bus Cả hai Bus này đều gồm 8 đường truyền, cho phép truyền đồng thời 8 bit của một byte một cách song song Điều này giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu, đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống tự động hóa.

Khi modul đầu vào nhận được địa chỉ từ Address Bus, nó sẽ chuyển toàn bộ trạng thái đầu vào vào Data Bus để chuẩn bị xử lý Nếu địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận dữ liệu từ Data Bus để thực hiện tác vụ Control Bus đảm nhiệm việc chuyển các tín hiệu điều khiển để theo dõi chu trình hoạt động của PLC một cách chính xác Các địa chỉ và số liệu sẽ được truyền tải qua các Bus tương ứng trong một khoảng thời gian hạn chế nhằm đảm bảo hoạt động đồng bộ của hệ thống tự động.

Hệ thống Bus đảm nhận nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và thiết bị I/O, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả CPU được cung cấp một xung clock có tần số từ 1 đến 8 MHz, quyết định tốc độ vận hành của PLC Xung clock còn cung cấp các yếu tố về định thời và đồng hồ cho hệ thống, đảm bảo quá trình hoạt động chính xác và ổn định.

4.2.1 Vòng quét của chương trình

PLC hoạt động theo chu trình lặp, trong đó mỗi vòng lặp gọi là một vòng quét (scan cycle) Trong quá trình này, dữ liệu từ các cổng vào số được chuyển vào vùng bộ đệm ảo I để chuẩn bị cho quá trình xử lý Tiếp theo, PLC thực hiện chương trình điều khiển trong từng vòng quét, bắt đầu từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng của khối OB1 Quá trình này đảm bảo PLC hoạt động một cách liên tục, chính xác và hiệu quả trong việc điều khiển tự động.

Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo

Trong quá trình hoạt động, hệ thống tiến hành quét các cổng ra số để kiểm tra các yêu cầu truyền thông (nếu có) và đánh giá trạng thái của CPU Mỗi vòng quét giúp đảm bảo rằng các yêu cầu truyền dữ liệu được xử lý chính xác, đồng thời cập nhật tình trạng hoạt động của CPU để duy trì hiệu suất hệ thống ổn định Quét định kỳ này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu năng và đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru.

Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan đến các cổng vào/ra tương tự, do đó các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp trên cổng vật lý mà không thông qua bộ đệm.

Thời gian vòng quét (Scan time) là khoảng thời gian cần thiết để PLC hoàn thành một quy trình quét Thời gian này không cố định và có thể thay đổi, vì vậy mỗi vòng quét không nhất thiết diễn ra trong cùng một khoảng thời gian Hiểu rõ thời gian vòng quét giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống tự động hóa, đảm bảo quá trình điều khiển diễn ra chính xác và hiệu quả.

Hình 4 2 Vòng quét của chương trình

Chương IV: Tổng Quan Về PLC S7-1200 44 được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu truyền thông Trong vòng quét đó Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượngđể xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển đến đối tượng có một khoảngthời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao

Việc sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt như OB40, OB80 cho phép các chương trình này được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại Các khối này có thể thực hiện bất cứ lúc nào trong quá trình vòng quét, không bị giới hạn phải nằm trong giai đoạn thực hiện chương trình chính Khi tín hiệu ngắt xuất hiện trong quá trình PLC đang thực hiện các hoạt động như truyền thông hoặc kiểm tra nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công việc đó để xử lý ngắt Tuy nhiên, việc sử dụng quá nhiều tín hiệu ngắt hoặc viết các chương trình xử lý ngắt quá dài có thể làm tăng thời gian vòng quét, ảnh hưởng đến tính thời gian thực của hệ thống điều khiển Để đảm bảo hiệu quả vận hành, cần hạn chế lạm dụng chế độ ngắt và tối ưu hóa các chương trình xử lý ngắt trong PLC.

Khi thực hiện lệnh vào/ra, thường thì lệnh không truy cập trực tiếp vào cổng vào/ra mà qua bộ nhớ đệm trong vùng nhớ tham số Việc truyền dữ liệu giữa bộ đệm ảo và ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 3 do hệ điều hành và CPU quản lý Trong một số module CPU, khi gặp lệnh vào/ra, hệ thống sẽ tạm dừng các công việc khác, kể cả xử lý ngắt, để đảm bảo thực hiện lệnh chính xác.

4.2.3 Sự thực thi chương trình của người dùng

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình như Ladder hoặc State Logic Người dùng có thể lập trình để thực hiện chuỗi các sự kiện kích hoạt bởi ngõ vào hoặc các hoạt động có trễ, như thời gian định trước hoặc đếm số PLC thường sử dụng để thay thế các mạch relay trong thực tế, hoạt động theo phương thức quét trạng thái đầu vào và đầu ra để phản ứng nhanh với sự thay đổi Hiện nay, có nhiều hãng sản xuất PLC danh tiếng như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell, mang lại nhiều giải pháp đa dạng cho các ứng dụng công nghiệp.

Khi sự kiện được kích hoạt thành công, nó sẽ bật hoặc tắt thiết bị điều khiển bên ngoài gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình hoạt động liên tục trong chương trình, chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra theo các thời điểm đã được lập trình sẵn.

Module phần cứng của PLC S7-1200

Để hiểu rõ hơn về PLC S7-1200, chúng ta cần tìm hiểu chi tiết về các module phần cứng mà PLC này hỗ trợ Việc nắm bắt các module này giúp người dùng lựa chọn sản phẩm phù hợp với ứng dụng và yêu cầu khách hàng Điều này đảm bảo hoạt động hiệu quả và tối ưu cho hệ thống tự động hóa của bạn.

4.3.1 Module xử lý trung tâm CPU

Module xử lý trung tâm CPU chứa vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thì, bộ đếm, cổng truyền thông Profinet, đồng thời lưu trữ chương trình người dùng trong bộ nhớ của nó CPU S7-120 hỗ trợ các giao thức truyền thông như TCP/IP, ISO-on-TCP, và S7 communication, giúp kết nối linh hoạt với các thiết bị khác Ngoài ra, CPU tích hợp các tập lệnh hỗ trợ truyền thông như USS, Modbus RTU, S7 communication („T-Send/ T-Receive‟), hay Freeport, nâng cao khả năng giao tiếp dữ liệu Cổng Profinet tích hợp cho phép CPU kết nối dễ dàng với HMI, máy tính lập trình, và các PLC S7 khác qua mạng Profinet, đảm bảo hệ thống tự động hóa vận hành ổn định và hiệu quả.

Module AI giúp đọc các tín hiệu analog đa dạng như dòng 4-20 mA theo cách đấu hai dây hoặc bốn dây, tín hiệu điện áp 0-10 VDC, và tín hiệu RTD, đảm bảo khả năng tích hợp linh hoạt trong hệ thống tự động hóa và công nghiệp.

TC … Module AI/AO: module đọc/xuất analog Module AO: module xuất tín hiệu analog

4.3.3 Module xử lý truyền thông

Module truyền thông được gắn bên trái CPU và được ký hiệu là CM 1241 CP 124x Tối đa chỉ có thể gắn được 3 module mở rộng về truyền thông

4.3.3.1 Module xử lý truyền thông CM 1241

Module truyền thông CM 1241 hỗ trợ các protocol theo các tiêu chuẩn như:

Truyền thông ASCII được sử dụng để giao tiếp với các hệ thống bên thứ ba (third-party systems), giúp truyền các giao thức đơn giản như kiểm tra ký tự đầu và cuối của tin nhắn hoặc xác định các thông số của khối dữ liệu Việc áp dụng truyền thông ASCII đảm bảo sự tương thích và dễ dàng trao đổi thông tin giữa các hệ thống khác nhau trong môi trường công nghệ.

Truyền thông Modbus là phương pháp truyền dữ liệu theo tiêu chuẩn Modbus RTU, phù hợp cho các hệ thống tự động hóa công nghiệp Trong đó, Modbus Master có thể hoạt động như thiết bị chủ (master) giao tiếp với PLC S7, còn Modbus Slave đóng vai trò là thiết bị nhận lệnh (slave) và không cho phép trao đổi dữ liệu trực tiếp giữa các slave với nhau trong quá trình truyền thông.

Truyền thông USS Driver là lệnh cho phép kết nối USS với các Driver, giúp các Driver có khả năng trao đổi dữ liệu theo chuẩn RS485 Hệ thống truyền thông này cho phép điều khiển Driver từ xa và thực hiện đọc, ghi các thông số cần thiết một cách chính xác và hiệu quả Việc áp dụng truyền thông USS Driver nâng cao khả năng điều khiển và quản lý hệ thống tự động, đảm bảo sự linh hoạt và ổn định trong vận hành.

Truyền thông Point-to-point là hình thức kết nối đa điểm được sử dụng trong truyền thông trao đổi dữ liệu nối tiếp Hệ thống truyền thông đa điểm phù hợp trong các hệ thống tự động hóa như Simatic S7, giúp liên kết dễ dàng với máy in, robot, máy quét và đọc mã vạch Các giải pháp này tối ưu hóa quá trình tự động hóa, nâng cao hiệu suất vận hành và đảm bảo kết nối liên tục, ổn định trong các hệ thống công nghiệp hiện đại.

Truyền thông Profibus sử dụng tiêu chuẩn Profibus DP hỗ trợ DPV1, cho phép hệ thống truyền dữ liệu hiệu quả trong các ứng dụng tự động hóa Module Profibus có thể hoạt động với vai trò master hoặc slave, tùy thuộc vào yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể, mang lại tính linh hoạt cao trong hệ thống điều khiển tự động.

✓ Module hỗ trợ AS – I Master

4.3.3.2 Module xử lý truyền thông CP 124x

The CP 123x communication processing modules support a wide range of communication standards including GPRS/GSM, Messages/Email, DNP3, SNMP, and Teleservice, ensuring versatile connectivity options Specifically, the CP 1242-7 module facilitates seamless communication between S7-1200 PLCs and GPRS/GSM networks, enabling reliable remote control and data transmission Additionally, the CP 1243-1 module provides connectivity support for S7-1200 PLCs with Messages/Email, DNP3, SNMP, and Redundancy features, enhancing system robustness and communication redundancy.

4.3.4 Module nguồn cung cấp Power Module

Module nguồn Power module cung cấp nguồn hoạt động cho các module phần cứng kết nối với CPU Tên viết tắt của module nguồn S7 – 1200 là PM 1207 Module nguồn

PM 1207 yêu cầu áp cung cấp đầu vào là 120/230 VAC và ngõ ra là 24 VDC / 2,5 A được thiết lập riêng dành cho S7 – 1200 và không cần cấu hình trong phần cứng

4.3.5 Các module đặc biệt và board tín hiệu

Module I/O Link V1.1 có khả năng kết nối tối đa đến 4 thiết bị I/O, phù hợp với đặc tính kỹ thuật của tiêu chuẩn này Các thông số của module có thể dễ dàng cấu hình thông qua phần mềm Port Configuration Tool (PCT) từ phiên bản 3.2 trở lên, giúp tối ưu hóa hoạt động và tích hợp hệ thống một cách linh hoạt, hiệu quả.

Module cân Siwares WP231 là giải pháp cân đa năng phù hợp cho mọi ứng dụng, từ cân đơn giản đến các ứng dụng đo lực phức tạp Thiết kế nhỏ gọn giúp dễ dàng lắp đặt và tích hợp với PLC S7-1200, giúp tối ưu hóa quá trình tự động hóa Ngoài ra, module còn có khả năng hoạt động độc lập mà không cần kết nối với PLC S7-1200, mang lại tính linh hoạt cao cho hệ thống của bạn.

Module cân Siwares WP1 dễ dàng kết nối trực tiếp với PLC S7 qua Ethernet (Modbus TCP/IP) hoặc RS485 (Modbus RTU), mang lại khả năng giao tiếp linh hoạt và ổn định Ngoài ra, module còn tương thích với các PLC và thiết bị tự động hóa từ nhiều hãng khác nhau, mở rộng khả năng tích hợp trong hệ thống tự động hóa của bạn.

4.3.5.3 Module CANopen Để mở rộng tính năng kết nối, giao tiếp truyền thông với các thiết bị của nhiều hãng, Siemens phát triển module CM CANopen cho PLC S7 – 1200, cho phép cấu hình với cả hai chế độ Master và slave

The Sing Board is installed above the CPU to facilitate the expansion of digital (DI/DO), analog (AI/AO), and backup power (Battery Board) for real-time data storage Additionally, it enables communication extensions with RS485 communication boards, enhancing system connectivity and functionality This setup optimizes system performance by providing flexible I/O expansion and reliable data backup and communication.

Vùng nhớ, kiểu dữ liệu và địa chỉ trong PLC S7-1200

4.4.1 Vùng nhớ chương trình PLC S7-1200

CPU hỗ trợ những vùng nhớ để lưu trữ chương trình người dùng, dữ liệu và cấu hình hệ thống như sau:

Trong hệ thống PLC, vùng nhớ Load memory là loại bộ nhớ không mất đi (non-volatile) dùng để lưu trữ chương trình người dùng, dữ liệu và cấu hình của PLC Khi tải một dự án xuống PLC, dữ liệu được lưu trữ đầu tiên tại vùng nhớ này, nằm trong thể nhớ MMC (nếu có) hoặc trên CPU Người dùng có thể mở rộng dung lượng của vùng nhớ Load memory bằng cách thêm thẻ MMC để phù hợp với nhu cầu lưu trữ ngày càng tăng.

Vùng nhớ Work memory là nơi chứa dữ liệu tạm thời bị mất khi CPU mất điện, đảm bảo quá trình xử lý thông tin nhanh chóng Trong quá trình hoạt động, CPU có thể sao chép một số phần của dự án từ vùng nhớ Load memory sang Work memory để thực hiện các chức năng cần thiết, giúp tối ưu hóa hiệu suất xử lý dữ liệu.

✓ Retentive memory: là vùng nhớ được sử dụng để lưu trữ lại những dữ liệu cần thiết, mong muốn khi CPU mất điện hoàn toàn

Simatic MMC là lựa chọn tiện lợi để lưu trữ và chuyển đổi chương trình người dùng, thay thế vùng nhớ truyền thống Khi sử dụng thẻ nhớ MMC, CPU sẽ chạy chương trình trực tiếp từ thẻ nhớ thay vì vùng nhớ nội bộ, giúp nâng cao hiệu suất và linh hoạt trong quản lý dữ liệu Thẻ nhớ Simatic MMC còn có thể đảm nhiệm vai trò lưu trữ dữ liệu data log, chuyển giao chương trình, hoặc dùng để nâng cấp firmware cho CPU, đáp ứng đa dạng nhu cầu của hệ thống tự động hóa.

Khi cần tải xuống chương trình cho nhiều CPU cùng một dự án, việc sử dụng phần mềm thường tốn nhiều thời gian và công sức Giải pháp tối ưu là sử dụng thẻ chuyển dữ liệu MMC của Simatic, giúp tăng hiệu quả đáng kể trong quá trình transfer Người dùng chỉ cần cắm thẻ nhớ MMC vào thiết bị, đợi quá trình chuyển dữ liệu hoàn tất và sau đó lấy thẻ ra để tiếp tục công việc Sử dụng MMC transfer của Simatic không những tiết kiệm thời gian mà còn thông minh và tiện lợi cho quá trình quản lý và tải chương trình.

✓ Dùng thẻ nhớ với chức năng thẻ nhớ chương trình thì tất cả những chức năng CPU hoạt động sẽ được load từ thẻ nhớ

Thẻ MMC không chỉ hỗ trợ lưu trữ dữ liệu log mà còn có khả năng mở rộng dung lượng ghi nhớ cho Web server, giúp nâng cao hiệu suất hoạt động Ngoài ra, thẻ MMC còn được sử dụng để nâng cấp firmware cho CPU, ví dụ từ phiên bản V1.0 lên V2.0 hoặc từ V2.0 lên V2.3, đảm bảo hệ thống luôn được cập nhật phần mềm mới nhất.

Bảng 4.3 Kiểu dữ liệu của PLC S7-1200

Ghi chú: (*) BCD không phải kiểu dữ liệu, tuy nhiên được đưa vào vì liên quan tới việc đến việc chuyển đổi dữ liệu sau này

Step 7 Basic V1x của Tia Portal hỗ trợ cho việc lập trình bằng tag nhớ (Symbolic) Người dùng có thể tạo tag nhớ hay Symbolic (tên gợi nhớ) cho các địa chỉ dữ liệu cần dùng, không phân biệt vùng nhớ toàn cục (global) hay vùng nhớ cục bộ (local) Để truy xuất các Tag nhớ trong chương trình chỉ cần gọi tên của Tag cho các tham số của lệnh Để hiểu rõ hơn về cấu trúc CPU và địa chỉ vùng nhớ, chúng ta sẽ đi tìm hiểu sâu hơn về địa chỉ trực tiếp (absolute) là nền tảng cho việc sử dụng các Tag nhớ của PLC

Vùng nhớ toàn cục, hay còn gọi là global memory, là các khu vực lưu trữ do CPU cung cấp như vùng nhớ input (I), output (Q), và bộ nhớ nội (M) Những vùng nhớ này có đặc điểm là khả năng truy xuất dễ dàng từ tất cả các khối xử lý, giúp tối ưu hóa hiệu suất xử lý dữ liệu trong hệ thống.

Khối dữ liệu DB là vùng nhớ toàn cục quan trọng trong hệ thống Vùng nhớ này được sử dụng với chức năng Instance DB để lưu trữ dữ liệu chỉ định cho các Function Block (FB) và cấu trúc dữ liệu thông qua các tham số của FB, giúp tối ưu hoá việc quản lý và truy xuất dữ liệu trong hệ thống tự động hóa.

Vùng nhớ tạm – Temp (hay vùng nhớ Local) là khu vực lưu trữ dữ liệu cục bộ trong các khối chương trình OB, FC, FB, chủ yếu dành cho lưu trữ biến tạm (temp) và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với các khối chương trình gọi nó Dữ liệu trong vùng nhớ này sẽ bị xóa khi kết thúc chương trình, đảm bảo tính chất tạm thời và an toàn cho quá trình xử lý dữ liệu nội bộ.

Vùng nhớ I, Q của PLC S7-1200 có thể truy xuất dưới dạng process image để dễ dàng quản lý dữ liệu Để truy xuất trực tiếp và tức thì với các ngõ vào/ra vật lý, người dùng có thể thêm ký tự “:P” vào địa chỉ, chẳng hạn như I0.0:P hoặc Q0.0:P This method giúp tăng tốc độ truy cập và kiểm soát thiết bị tự động chính xác hơn trong hệ thống tự động hóa.

Chế độ Forcing chỉ có thể ứng dụng cho các tín hiệu vào/ra vật lý (Ix.y:P, Qx.y:P)

Bảng 4.4 Bảng phân loại vùng nhớ PLC S7-1200.

Chế độ bảo mật của PLC S7-1200

Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ truy cập vào CPU và chương trình điều khiển

4.5.1 Chế độ bảo mật về quyền truy cập vào CPU và khối hàm

CPU cung cấp các cấp độ bảo mật giúp hạn chế truy cập vào các chức năng quan trọng Khi người dùng cấu hình mức độ bảo mật và thiết lập mật khẩu cho CPU, họ có thể kiểm soát và giới hạn quyền truy cập vào các chức năng và vùng nhớ mong muốn Điều này giúp tăng cường khả năng bảo vệ hệ thống và đảm bảo an toàn dữ liệu, ngay cả khi không sử dụng mật khẩu để truy cập.

Trong hệ thống, mỗi cấp độ truy cập cho phép người dùng thực hiện các chức năng nhất định mà không cần nhập mật khẩu Chế độ mặc định của CPU thường là chế độ toàn quyền truy cập không có bảo vệ bằng mật khẩu, gây nguy cơ bảo mật Để đảm bảo an toàn, người dùng cần cấu hình các thuộc tính phù hợp để hạn chế quyền truy cập vào CPU.

“Protection” và mật khẩu bảo mật

Mật khẩu bảo vệ không áp dụng cho các chương trình sử dụng chức năng truyền thông PLC Các chức năng truyền thông PLC - PLC, sử dụng các tập lệnh truyền thông kết hợp với các khối hàm, không bị hạn chế bởi các chế độ bảo mật trong CPU Điều này cho phép hoạt động truyền thông diễn ra liên tục và linh hoạt mà không bị ảnh hưởng bởi các biện pháp bảo vệ mật khẩu.

Table 4.5 outlines the security levels of the CPU To configure security mode and set a password, users should navigate to Device Configuration, select CPU, go to Properties, and then choose Protection Users can then select the desired security mode and assign a password for enhanced system security.

4.5.1 Chế độ Know – How Protection

Chế độ Know-how protection giúp người dùng ngăn chặn truy cập trái phép vào các khối hàm, khối tổ chức OB, FB, FC, DB, đảm bảo an toàn dữ liệu hệ thống Người dùng có thể tạo mật khẩu riêng biệt để giới hạn quyền truy cập vào các khối hàm quan trọng Nếu không thiết lập mật khẩu, người dùng chỉ có thể đọc các thông tin nhất định, không thể chỉnh sửa hoặc truy cập toàn bộ dữ liệu Tính năng này tăng cường bảo vệ hệ thống và bảo mật thông tin quan trọng của doanh nghiệp.

✓ Tiêu đề khối, comment, và thuộc tính của khối hàm

✓ Thông tin về các tham số vào/ra (IN, OUT, IN_OUT, Return)

✓ Cấu trúc của chương trình

✓ Tag toàn cục trong cross references, tuy nhiên các tag cục bộ sẽ bị ẩn không quan sát được

Chương IV: Tổng Quan Về PLC S7-1200 54 Để cấu hình cho chế độ Know – how protection, người dùng có thể thực hiện theo các bước sau: Chọn block nào muốn bảo mật → Properties → Protection → Protection → Define và nhập password muốn đặt

Thêm tính năng bảo mật cho phép người dùng ẩn (blind) các khối chương trình sử dụng vào thẻ nhớ hoặc CPU, giúp bảo vệ sở hữu trí tuệ của nhà lập trình Chức năng Copy Protection có thể áp dụng cho các khối OB, FB và FC, mang lại lớp bảo vệ bổ sung cho mã nguồn Người dùng có thể dễ dàng cấu hình chế độ Copy Protection bằng cách chọn khối cần bảo mật, truy cập Properties → Protection → Copy Protection, và lựa chọn chế độ ẩn vào thẻ nhớ hoặc CPU để đảm bảo an toàn cho các khối chương trình.

Sau đó chọn chế độ Copy Protection và nhập số serial của thẻ nhớ và CPU khi download xuống CPU hoặc thẻ nhớ

Hình 4 3 Chế độ Know – How Protection

Chú ý: Chế độ bảo mật/password là chế độ nhạy cảm do đó người dùng cần chú ý khi sử dụng những chế độ này.

Ngôn ngữ lập trình

Siemens đã phát triển dòng sản phẩm PLC S7-1200 phù hợp cho các hệ thống nhỏ và vừa, đồng thời ưu tiên hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình chính là LAD, FBD và SCL để đáp ứng đa dạng nhu cầu của người dùng.

✓ LAD – Ladder: Đây là ngôn ngữ lập trình dựa theo sơ đồ mạch Nó đơn giản, dễ hiểu, dễ chỉnh sửa và tiện lợi

✓ FBD – Function Block Diagram: Đây là ngôn ngữ lập trình dựa theo đại số Bool

SCL – Structure Language Control là ngôn ngữ lập trình dạng văn bản và là ngôn ngữ cấp cao dựa trên nền tảng của Pascal Đây là ngôn ngữ hướng đối tượng dành cho PLC, giúp người dùng dễ dàng lập trình và quản lý hệ thống tự động hóa Ngôn ngữ SCL phát triển nhằm tối ưu hóa quá trình lập trình, đồng thời mang lại khả năng linh hoạt và dễ hiểu cho người lập trình viên.

Khi viết code cho một khối hàm nào đó ( OB, FB, FC ) thì người dùng có thể sử dụng

1 trong 3 ngôn ngữ trên để có thể lập trình

Hình 4 4 Chế độ Copy Protection

Cấu trúc lập trình

4.7.1 Khối tổ chức OB – Oganization Blocks

Các khối tổ chức (OBs) là giao diện kết nối giữa hoạt động hệ thống và chương trình người dùng, đóng vai trò trung gian trong quá trình vận hành hệ thống Chúng được hệ thống gọi ra và điều khiển theo một trình tự nhất định, đảm bảo quá trình xử lý diễn ra suôn sẻ và hiệu quả Việc hiểu rõ về tổ chức các khối này giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống tự động, nâng cao hiệu suất và độ ổn định của toàn bộ hệ thống.

✓ Xử lý chương trình theo quá trình

✓ Báo động – kiểm soát xử lý chương trình

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Hình 4 5 Cấu trúc lập trình một sự kiện tại thời gian thực hiện bằng cách sử dụng các lệnh ATTACH, hoặc tách biệt với lệnh DETACH

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Khi một số OB bắt đầu hoạt động, hệ điều hành sẽ đọc ra thông tin đã được xác thực từ chương trình người dùng, nhằm hỗ trợ công tác chẩn đoán lỗi hiệu quả Thông tin này, dù đã được cung cấp trong các mô tả của các khối, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chính xác nguyên nhân sự cố, giúp quá trình sửa chữa và bảo trì trở nên dễ dàng hơn.

Các Function (FCs) là các khối mã không cần bộ nhớ, giúp thực hiện các tác vụ mà không lưu trữ dữ liệu lâu dài Dữ liệu của các biến tạm thời trong FC sẽ bị mất sau khi chức năng được xử lý xong, do đó chúng không giữ trạng thái giữa các lần gọi Để lưu trữ dữ liệu của FC, có thể sử dụng các khối dữ liệu toàn cục, đảm bảo dữ liệu được duy trì và truy xuất dễ dàng trong suốt quá trình vận hành của chương trình.

Functions có thể được sử dụng với mục đích

✓ Trả lại giá trị cho hàm chức năng được gọi

✓ Thực hiện công nghệ chức năng, ví dụ: điều khiển riêng với các hoạt động nhị phân

Trong các chương trình, FC có thể được gọi nhiều lần trong các thời điểm khác nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho lập trình chức năng với khả năng lập đi lập lại các thao tác phức tạp một cách linh hoạt và hiệu quả.

In function block (FB) programming, each call requires a dedicated memory area When an FB is invoked, a Data Block (DB) is assigned to its instance, storing the instance-specific data This structure ensures proper data management and efficient execution within automation systems.

DB sau đó truy cập vào các biến của FB, trong đó các khu vực bộ nhớ khác nhau đã được gán cho một FB nếu nó được gọi ra nhiều lần Điều này giúp tối ưu hóa bộ nhớ và nâng cao hiệu quả xử lý dữ liệu trong hệ thống.

Trong lập trình PLC, DB (Data Block) thường được sử dụng để cung cấp bộ nhớ cho các biến dữ liệu Có hai loại DB chính là Global DBs, cho phép tất cả các OB, FB và FC có thể đọc và ghi dữ liệu một cách dễ dàng, hỗ trợ quản lý bộ nhớ hiệu quả và tối ưu hóa quá trình vận hành của hệ thống tự động hóa.

Chương IV: Tổng Quan Về PLC S7-1200 58 dữ liệu lưu trữ, hoặc có thể tự mình ghi dữ liệu vào DB, và instance DB được gán cho một FB nhất định

4.7.3 Lệnh CTRL_HSC (High Speed Counter)

Lệnh CTRL_HSC điều khiển các bộ đếm tốc độ cao nhằm đếm các sự kiện xảy ra nhanh hơn tốc độ thực thi của OB Tốc độ đếm của các lệnh bộ đếm như CTU, CTD và CTUD bị giới hạn bởi tốc độ hoạt động của OB chứa chúng Điều này giúp cải thiện khả năng xử lý các sự kiện nhanh trong hệ thống tự động hóa.

Một ứng dụng phổ biến của các bộ đếm tốc độ cao là đo lường số xung do máy phát xung sinh ra Các bộ đếm này dùng để tính tần suất của các xung, giúp theo dõi chính xác tốc độ của trục điều khiển trong các hệ thống tự động hóa Nhờ đó, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và kiểm soát các quá trình cơ khí và điện tử.

Các chi tiết thông số CTRL_HSC:

Nếu một cập nhật của một giá trị thông số không được yêu cầu, các giá trị ngõ vào tương ứng sẽ bị bỏ qua

Thông số DIR chỉ hợp lệ khi mệnh lệnh đếm đã được cấu hình về “User program (internal direction control)” Để sử dụng thông số này trên thiết bị HSC, ta cần xác định cách cấu hình phù hợp Đặc biệt, trên thiết bị HSC S7-1200, dù sử dụng CPU hay Signal Board, thông số BUSY luôn luôn có giá trị là 0, đảm bảo tính chính xác trong quá trình vận hành.

Các mã điều kiện: trong trường hợp có lỗi, ENO được đặt về 0 và ngõ ra STATUS chứa một mã điều kiện

Bảng 4.6 Giá trị trạng thái CPU cho phép bạn cấu hình lên đến 6 bộ đếm tốc độ cao

Bảng 4.7 Bộ đếm tốc độ cao

Hình 4 6 Thông số Step motor

- Các thiết bị lập trình

- Các bộ điều khiển SIMATIC khác

❖ Hỗ trợ giao thức kết nối:

4.7.6 Tổng quan về phần mềm

TIA Portal – phần mềm cơ sở tích hợp tất cả các phần mềm lập trình cho các hệ thống

Hình 4 7 Kết nối PLC với HMI

Chương IV: Tổng Quan Về PLC S7-1200 62 phát triển, tích hợp các hệ thông tự động hóa một cách nhanh chóng, do giảm nhiều thời gian trong việc tích hợp, xây dựng tất cả các bộ điều khiển PLC, màn hình HMI, các bộ truyền động của Siemens đều được lập trình, cấu hình trên TIA portal Việc này giúp giảm thời gian, công sưc trong việc thiết lập truyền thông giữa các thiết bị này Ví dụ người sử dụng có thể sử dụng tính năng “kéo và thả” một biến trong chương trình điều khiển PLC và một màn hình của chương trình HMI Biến này sẽ được gán vào chương trình HMI và sự kế nối giữa PLC – HMI đã được tự động thiết lập, không cần bất cứ sự cấu hình nào thêm

THIẾT KẾ, ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT

Tiêu đề	Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC S7 1200
Tác giả	Ngô Nhựt Hào, Trương Quang Hiệp
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Phan Thanh
Trường học	Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Điện Công Nghiệp
Thể loại	đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2019
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	146
Dung lượng	4,6 MB