LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban Giám hiệu và toàn thể quý thầy, cô trong Khoa Kỹ thuật và Công nghệ và Th.S Nguyễn Ngọc Ánh là những người đã tận tâm hướng dẫn, chia sẻ tri thức và truyền cảm hứng, giúp tôi từng bước hoàn thiện đề tài này. Tôi xin gửi đến gia đình lời cảm ơn chân thành vì sự yêu thương, sự quan tâm và nguồn động lực vô giá mà các thành viên đã dành cho tôi suốt quá trình nghiên cứu. Đồng thời, tôi cũng trân trọng cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã luôn hỗ trợ, trao đổi kiến thức và góp ý quý báu, giúp công trình của tôi ngày một hoàn thiện. Cuối cùng, tôi thành thật nhận rằng do hạn chế về kinh nghiệm và kiến thức, báo cáo này khó tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong tiếp tục nhận được ý kiến đóng góp từ quý thầy, cô và bạn đọc để bổ sung, hoàn thiện hơn trong những nghiên cứu sau. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm SINH VIÊN THỰC HIỆN MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 1 LỜI CẢM ƠN 2 MỤC LỤC 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH 6 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 8 LỜI MỞ ĐẦU 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHA CHẾ COCKTAL. 10 1.1. Nhiệm vụ và phạm vi sử pha chế cocktail. 10 1.1.1.Nhiệm vụ. 10 1.1.2. Phạm vi. 10 1.2. Một số máy hiện có. 11 1.2.1.Máy pha chế cocktal Keurig Drinkwoed. 11 1.2.2. Máy pha chế Bartesian. 12 1.2.3. Máy pha chế Somabar. 13 1.3 Kết luận chương 1 13 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUY TRÌNH PHA CHẾ COCKTAIL. 14 2.1 Thiết kế bản vẽ Autocad. 14 2.2 Các thiết bị cấu thành lên hệ thống điều khiển quy trình pha chế Cocktail. 16 2.2.1 Khung nhôm định hình 20x20. 16 2.2.2 Động cơ Step. 17 2.2.3 Động cơ Bơm. 19 2.2.4 Thanh day Vitme. 20 2.2.5 Cảm biến lưu lượng YF-S201. 21 2.2.6. Cảm biến khoảng cách NPN E3F-DS30C4 22 2.2.7. Nút ấn 24 2.2.8 Màn hình HMI. 25 2.2.9. Nguồn tổ ong 26 2.3 Chế tạo phần cứng. 28 2.4 Kết luân chương 2. 29 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH ĐIỀU SỬ DỤNG NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH PLC 30 3.1. Đặt vấn đề riêng 30 3.2. Sơ lược về sự phát triển PLC 30 3.3. Tổng quan về bộ điều khiển Logic khả trình PLC 32 3.3.1. Khái niệm về PLC 32 3.3.2. Cấu trúc chung và nguyên lý hoạt động của PLC 33 3.3.3. Ngôn ngữ lập trình 36 3.3.4. Phân loại về PLC 38 3.4. Tổng quan về PLC S7 - 1200 39 3.5. Làm việc với phần mềm Tia Portal 42 3.5.1. Giới thiệu SIMATIC STEP 7 Basic – tích hợp lập trình PLC và HMI Step 42 3.5.2. Kết nối qua giao thức TCP/IP 43 3.5.3. Cách tạo một Project 43 3.5.4. TAG của PLC / TAG local 46 3.6. Làm việc với một trạm PLC 47 3.6.1. Quy định địa chỉ IP cho module CPU 47 3.6.2. Đổ chương trình xuống CPU 47 3.6.3. Giám sát và thực hiện chương trình 48 3.7. Kỹ thuật lập trình 49 3.7.1. Vòng quét chương trình 49 3.7.2. Cấu trúc lập trình 50 3.8.Lập trình điều khiển. 52 3.9. Kết luận chương 3 57 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM 58 4.1. Cấu trúc tổng thể hệ thống 58 4.1.1. Sơ đồ khối hệ thống 58 4.2. Nguyên lý làm việc 59 4.3. Cấu hình phần cứng cho PLC S7 - 1200 59 4.4. Sơ đồ mạch điều khiển và mạch động lực của hệ thống 61 4.4.1. Sơ đồ bố trí thiết bị 61 4.4.2. Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống 62 4.4.3. Sơ đồ mạch động lực hệ thống 63 4.5. Lưu đồ thuật toán và chương trình 64 4.5.1. Lưu đồ thuật toán 64 4.5.2. PLC tag của hệ thống 65 4.6. Mô hình hoạt động chi tiết 66 4.7. Kết luận chương 4 68 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC 71 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Máy pha chế cocktal 11 Hình 1.2: Máy pha chế Bartesian. 12 Hình 1.3: Máy pha chế Somabar. 13 Hình 2.1. Bản vẽ thiết kế máy pha chế Cocktail. 14 Hình 2.2. Bản vẽ chiếu đứng của máy pha chế Cocktail. 14 Hình 2.3. Bản vẽ chiếu bằng của máy pha chế Cocktail. 15 Hình 2.4. Bản vẽ chiếu cạnh của máy pha chế Cocktail. 15 Hình 2.5.Kung nhôm định hình. 16 Hình 2.6. Động cơ Step. 17 Hình 2.7. Động cơ bơm. 19 Hình 2.8. Thanh day vitme. 20 Hình 2.9. Cảm biến lưu lượng YF-S201. 21 Hình 2.10: Cảm biến khoảng cách NPN E3F-DS30C4 -(NO)- 5-30cm 23 Hình 2.11: Nút ấn. 24 Hình 2.12:Màn hinh HMI. 25 Hình 2.13: Nguồn tổ ong 27 Hình 2.14.Mô hình đã dựng hoàn thành phần cứng 28 Hình 2.15.Mô hình hoàn thành . 29 Hình 3.1: Một hệ thống PLC 32 Hình 3.2: Cấu trúc PLC 34 Hình 3.3: Cấu tạo kiến trúc PLC 35 Hình 3.4: Vòng quét của PLC 35 Hình 3.5: Ngôn ngữ LAD 36 Hình 3.6: Ngôn ngữ lập trình STL 37 Hình 3.7: Ngôn ngữ lập trình FBD 37 Hình 3.8: Mối quan hệ giữa các ngôn ngữ lập trình PLC 37 Hình 3.9: Hình ảnh PLC S7- 1200 40 Hình 3.10: Giao diện TAG của PLC và TAG local 46 Hình 3.11: Giao diện đổ chương trình xuống CPU 47 Hình 3.12: Chọn cấu hình 48 Hình 3.13: Load chương trình 48 Hình 3.14: Màn hình soạn thảo 1 48 Hình 3.15: Màn hình soạn thảo 2 49 Hình 3.16: Màn hình soạn thảo 3 49 Hình 3.17: Cấu trúc lập trình 50 Hình 3.18: Cấu trúc lập trình 51 Hình 4.1. Sơ đồ khối hệ thống 58 Hình 4.2: CPU PLC 1214 DC/DC/DC v3.0 59 Hình 4.3: Win CC RT Advanced 60 Hình 4.4: Kết nối giữa PLC và HMI 60 Hình 4.5: Sơ đồ bố trí thiết bị 61 Hình 4.6: Sơ đồ mạch điều khiển 62 Hình 4.7: Sơ đồ mạch động lực. 63 Hình 4.8: Lưu đồ thuật toán hệ thống 64 Hình 4.9: Bảng tag hệ thống 65 Hình 4.10: Mô hình thực tế cốc nước tại vị trí ban đầu. 66 Hình 4.11: Mô hình thực tế cốc nước tại vị trí nước 1. 66 Hình 4.12: Mô hình thực tế cốc nước tại vị trí nước 2. 67 Hình 4.13: Mô hình thực tế cốc nước tại vị trí nước 3. 67 Hình 4.14: Mô hình thực tế cốc nước tại vị trí nước 4. 68 Hình 4.15: Mô hình thực tế cốc nước tại vị trí hoàn thành. 68 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Ký hiệu chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ 1 PLC Bộ điều khiển Logic có thể lập trình được 2 CPU bộ xử lý trung tâm 3 LAD Ngôn ngữ hình thang 4 STL Ngôn ngữ liệt kê lệnh 5 FBD Ngôn ngữ hình khối 6 SBR Khối chương trình con LỜI MỞ ĐẦU Trong xu hướng công nghiệp hóa hiện đại hóa sâu rộng, tự động hóa ngày càng khẳng định vai trò then chốt trong sản xuất và đời sống, đáp ứng yêu cầu về hiệu suất, tính linh hoạt và tiện ích. Sự bùng nổ của công nghệ thông tin và điện tử đã tạo đà cho các bộ điều khiển khả trình (PLC) phát triển mạnh mẽ, trở thành nền tảng cho các hệ thống điều khiển tự động. Đặc biệt, trong ngành dịch vụ ăn uống, máy pha chế tự động và bán tự động đang dần thay thế hoàn toàn phương thức thủ công. Những thiết bị này không chỉ rút ngắn thời gian phục vụ và đảm bảo độ đồng nhất về chất lượng mà còn giảm thiểu sai sót và chi phí nhân công. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài này sẽ phân tích, so sánh các giải pháp pha chế tự động khác nhau, đồng thời đề xuất phương án tối ưu nhất để ứng dụng vào điều kiện cụ thể tại Việt Nam. Mục tiêu là xây dựng hệ thống pha chế vừa đảm bảo hiệu năng, vừa linh hoạt, dễ bảo trì và phù hợp với quy mô kinh doanh của các cơ sở dịch vụ nội địa. Từ những thực tế trên, là sinh viên của ngành Công Nghệ Tự Động Hóa, từ những kiến thức đã được học, Em đã lựa chọn đề tài: “Xây dựng, điều khiển mô hình hệ thống pha chế Cocktail tự động sử dụng PLC S7 – 1200” thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S NGUYỄN NGỌC ÁNH. Đề tài gồm những nội dung sau: o CHƯƠNG 1: Tìm hiểu về hệ thống hệ thống điều khiển quy trình pha chế Cocktail o CHƯƠNG 2: Thiết kế và chế tạo phần cứng mô hình hệ thống điều khiển quy trình pha chế Cocktail o CHƯƠNG 3: Lập trình điều khiển sử dụng ngôn ngữ lập trình PLC o CHƯƠNG 4: Kết quả và ứng dụng của sản phẩm Trong thời gian thực hiện đồ án còn gặp nhiều khó khăn đó là tài liệu tham khảo cho vấn đề này, nó liên quan đến nhiều vấn đề như phần cơ khí trong dây chuyền, phần bố trí thiết bị. Mặc dù rất cố gắng nhưng khả năng, thời gian có hạn và kinh nghiệm chưa nhiều nên không thế tránh khỏi những sai sót rất mong sự đóng góp ý kiến bổ sung của các thầy cô giáo để đồ án này được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHA CHẾ COCKTAL. 1.1. Nhiệm vụ và phạm vi sử pha chế cocktail. 1.1.1.Nhiệm vụ. Cocktail là thức uống tổng hợp, kết hợp tinh tế giữa các loại rượu với nước trái cây tươi, nước ngọt có gas hoặc siro hương vị, đôi khi điểm thêm thảo mộc, gia vị và các chiết xuất tự nhiên. Mục đích chính khi pha cocktail là điều chỉnh độ cồn, làm dịu vị mạnh của rượu, đồng thời tạo nên sự cân bằng hương vị, giúp ly đồ uống trở nên hấp dẫn và dễ thưởng thức hơn. Khởi nguồn từ cách dùng lá thơm nghiền hoặc vài giọt nước chanh để làm dậy mùi rượu, cocktail đã không ngừng biến hóa theo dòng thời gian. Ngày nay, bartender tận dụng vô số nguyên liệu từ nước ép trái cây tươi, soda, siro trái cây đến các tinh dầu hương liệu kết hợp với kỹ thuật lắc, khuấy và trang trí sáng tạo, mang đến hàng trăm biến thể cocktail độc đáo, đa sắc màu và phong phú về hương vị. Trong điều kiện nhu cầu khoa học kỹ thuật ngày càng tiên tiến, việc áp dụng những tiến bộ của khoa học để góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống con người là điều thiết yếu. Với tiêu chí đó, nhóm đã nghiên cứu và xây dựng một hệ thống tự động nhằm giải quyết những yếu điểm của phương pháp pha chế truyền thống. Sản phẩm ra đời dựa trên ý tưởng mong muốn giảm nhẹ , tăng năng suất công việc cho những người pha chế tại các nhà hàng, khách sạn. Ngoài ra, sản phẩm còn có thê hỗ trợ cho những khách hàng muốn được tự tay pha chế thức uống tại nhà. Với hệ thống này, quá trình phục vụ trong các khu vui chơi , ăn uống sẽ trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết. Hệ thống góp phần giảm thiểu số lượng nhân viên phục vụ, tiết kiệm chi phí cho chủ cửa hàng, khách sạn. Bên cạnh đó, sảu phẩm ứng dụng máy pha chế tự động giúp giảm thời gian chờ đợi của khách hàng, đem lại những trải nghiệm tốt hơn về ngành dịch vụ ở Thái Nguyên. 1.1.2. Phạm vi. Những năm gần đây Thái Nguyên đang phát triên nhanh về mặt du lịch và dịch vụ để đáp ứng một lượng lớn khách du lịch từ khắp nơi trên thế giới. Trong tình hình , việc áp dụng những tiến bộ khoa học vào những lĩnh vực này nhằm đáp ứng và nâng cao chất lượng dịch vụ là điều rất cần thiết. Nhưng hiện nay, đa số nhà hàng và khách sạn tại Thái Nguyên vẫn đang sử dụng phương pháp pha chế theo kiểu truyền thống. Phương pháp này tỏ ra rất bất tiện khi nhà hàng hoặc khách sạn phải đáp ứng một lượng lớn khách hàng. Trong cầu đó, nhóm đã xây dựng và phát triển một hệ thống order và pha chế tự động. Sản phẩm này là tiên phong để tự động hóa hệ thống dịch vụ nhà hàng và khách sạn tại thành phố Thái Nguyên trong tương lai. Hệ thống máy pha chế cocktail tự động là một hệ thống giúp cho mọi việc pha chế cocktail trở nên dễ dàng hơn, mọi việc gần như là tự động hoàn toàn. Hệ thống hoạt động chính xác giúp người sử dụng giảm, nhân lực giảm được thời gian. Là thiết bị trợ giúp cho người pha chế . Cung cấp một hệ thống đầy đủ tiện ích giúp việc pha chế trở nên thuận tiện và đễ dàng hơn nhiều cho người sử dụng. Đồ án máy pha chế tự động sử dụng hệ thống điều khiển PLC, động cơ bước điều khiển trên trượt trên thanh trượt vítme và hệ thống triết rót. 1.2. Một số máy hiện có. 1.2.1.Máy pha chế cocktal Keurig Drinkwoed. Máy pha cocktail Keurig Drinkworks là kết quả hợp tác giữa Keurig và Anheuser-Busch, mang phong cách hiện đại, tiết kiệm không gian. Với đầu quét mã vạch thông minh, thiết bị tự động nhận diện và pha chế chính xác 15 loại cocktail khác nhau chỉ trong vài giây. Người dùng có thể thao tác trực tiếp qua màn hình cảm ứng trên máy hoặc điều khiển tiện lợi qua ứng dụng di động hiện đã có mặt trên iOS và sắp tới sẽ hỗ trợ Android. Hình 1.1: Máy pha chế cocktal Vận hành Keurig Drinkworks giống như phép thuật thu nhỏ: bạn chỉ việc đổ nước vào bình, gắn bình khí CO₂ và đưa viên cocktail vào khoang chứa rồi khép nắp lại. Máy sẽ tự bơm khí, đun nóng, trộn theo tỉ lệ hoàn hảo và chỉ trong khoảng 60-75 giây, bạn đã có ngay một ly cocktail sủi bọt đúng gu. Cách làm này không chỉ đơn giản hóa mọi thao tác mà còn giảm thiểu chi phí so với pha chế thủ công, giúp bạn dễ dàng đãi khách bằng những thức uống có gas đầy phong cách. 1.2.2. Máy pha chế Bartesian. Nếu ưa thích những thức uống cầu kỳ được làm từ nhiều công thức và thành phần khác nhau như cocktail, thì đây chính là chiếc máy dành cho mọi người . Với Bartesian, người dùng sẽ có ngay những ly cocktail như ý sau 1 phút . Chỉ cần chọn đồ uống với hương vị yêu thích, Bartesian sẽ thực hiện nốt những công việc còn lại.Bartesian là máy pha chế cocktail thông minh. Bởi tất cả mọi thứ mà chúng ta cần đều có sẵn trong hộp nhỏ, chứa sẵn những thành phần phù hợp để làm ra ly nước cơ bản. Chỉ cần chọn loại rượu ưa thích để pha chế ra ly cocktail với hương vị không thua kém khi chúng ta thưởng thức ở các khu vui chơi, ăn uống. Hình 1.2: Máy pha chế Bartesian. Ngoài ra, máy còn được trang bị hệ thống mã vạch thông minh tự động đọc các công thức với các loại cocktail khác nhau và tùy chỉnh sao cho phù hợp với người dùng. Hiện nay, máy có thể pha chế 6 vị cocktail cơ bản và sẽ nhanh chóng được rộng với nhiều công thức pha chế hơn trong tương lai tùy theo khẩu vị, theo mùa hay lựa chọn của người dùng khác nhau. 1.2.3. Máy pha chế Somabar. Hình 1.3: Máy pha chế Somabar. Somabar là chiếc máy pha cocktail tự động dành cho gia đình, được phát triển bởi đội ngũ Somabar tại Mỹ. Thiết bị trang bị sáu ống chứa nguyên liệu, cho phép người dùng tùy chọn nhiều loại rượu, siro và nước trái cây qua ứng dụng trên điện thoại hoặc máy tính bảng. Chỉ sau vài thao tác cài đặt tỉ lệ, Somabar sẽ tự động hút, cân đo và trộn các thành phần, hoàn thiện ly cocktail chỉ trong vòng 60–120 giây. Điểm đặc biệt của Somabar là khả năng kết nối Internet, giúp bạn khởi lệnh pha chế dù đang ở bất cứ đâu rất lý tưởng cho những buổi tiệc trực tuyến hay khi bạn muốn gửi ly cocktail ảo đến bạn bè. Dù không thay thế hoàn toàn kỹ năng của bartender chuyên nghiệp, Somabar vẫn mang đến trải nghiệm pha chế nhanh chóng, tiện nghi và đủ sức làm hài lòng những tín đồ cocktail tại gia. 1.3 Kết luận chương 1 - Tìm hiểu được các hệ thống pha chế Cocktail tự động của các hãng , hiểu được cấu tạo nguyên lý làm việc của các hệ thống. - Chọn được phương án,thiết bị thiết kế hệ thống. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUY TRÌNH PHA CHẾ COCKTAIL. 2.1 Thiết kế bản vẽ Autocad. Hình 2.1. Bản vẽ thiết kế máy pha chế Cocktail. Hình 2.2. Bản vẽ chiếu đứng của máy pha chế Cocktail. Hình 2.3. Bản vẽ chiếu bằng của máy pha chế Cocktail. Hình 2.4. Bản vẽ chiếu cạnh của máy pha chế Cocktail. 2.2 Các thiết bị cấu thành lên hệ thống điều khiển quy trình pha chế Cocktail. 2.2.1 Khung nhôm định hình 20x20. Nhôm định hình 20×20 là thanh hợp kim nhôm với mặt cắt vuông cạnh 20 mm, kết hợp rãnh T-slot để dễ lắp ghép. Thông thường, nó được anod hóa bề mặt tạo màu bạc sáng, tăng khả năng chống ăn mòn. Hình 2.5.Kung nhôm định hình. - Kích thước & cấu tạo + Mặt cắt: 20 mm × 20 mm + Rãnh hình chữ T (slot): rộng ~6 mm, sâu ~6 mm + Độ dày thành: khoảng 1,5 mm -Vật liệu & xử lý bề mặt + Hợp kim nhôm 6063-T5: nhẹ, cứng, chịu kéo tốt + Anod hóa (oxid) tạo lớp bảo vệ, chống oxy hóa và trầy xước -Chiều dài tiêu chuẩn + 1 m, 2 m, 3 m (có thể cắt theo yêu cầu dự án) -Phụ kiện đi kèm + Bộ ke góc (đồng tâm, lệch tâm) + Bulông T-nut gắn vào rãnh để kết nối + Nắp bịt đầu và con trượt (slider) Ưu điểm chính: - Lắp ráp nhanh – tháo rời dễ dàng, tái sử dụng linh hoạt. - Khối lượng nhẹ, chịu tải vừa phải (thích hợp khung máy nhỏ, robot, giá đỡ). - Bề mặt sáng bóng, chống ăn mòn trong môi trường phòng thí nghiệm hay xưởng cơ khí nhẹ. Một số ứng dụng điển hình: + Khung máy in 3D, CNC mini + Giá đỡ cảm biến, camera theo dõi + Kết cấu robot giáo dục, DIY + Khung tủ, khung giá kệ nhẹ trong phòng thí nghiệm 2.2.2 Động cơ Step. Động cơ bước là động cơ điện quay theo từng nấc cố định, cho phép định vị chính xác mà không cần cảm biến đo vị trí. Hình 2.6. Động cơ Step. - Cấu tạo & nguyên lý + Rotor: thường là nam châm vĩnh cửu hoặc tâm gần. + Stator: gồm các cuộn dây phân thành nhiều pha, khi kích kích đồng thời/phối hợp tạo từ trường quay kéo theo rotor. + Mỗi xung điều khiển (step) làm rotor quay một góc nhất định (ví dụ 1,8° hoặc 0,9°). - Các loại phổ biến + Unipolar (5–6 dây): Kích điều khiển đơn giản nhưng mô-men thấp hơn. + Bipolar (4 dây): Mô-men cao, cần mạch cầu H để đảo chiều dòng. + Hybrid: Kết hợp nhược/ưu điểm, cho bước mịn và mô-men lớn. - Chế độ điều khiển + Full-step: Chạy từng bước lớn, độ phân giải thấp. + Half-step: Xen kẽ bước, tăng độ phân giải gấp đôi. + Micro-step: Chia nhỏ bước, cho chuyển động cực êm và chính xác. -Thông số cần lưu ý + Step angle: Góc mỗi bước (°/step). + Holding torque: Mô-men giữ khi cấp điện (kg·cm hoặc N·m). + Rated current và Voltage: Chọn driver và nguồn phù hợp. + Number of leads: 4 (bipolar) hoặc 5–6 (unipolar). - Driver thường dùng + A4988, DRV8825 (cho motor bipolar) + ULN2003 (cho motor unipolar) - Giao tiếp với MCU + Chân STEP: nhận xung để quay một bước. + Chân DIR: chọn chiều quay. + Chân ENABLE (tùy chọn): bật/tắt động cơ. - Ứng dụng điển hình + Máy in 3D, CNC mini + Robot di chuyển theo trục X–Y + Bàn xoay định vị, van tự động 2.2.3 Động cơ Bơm. Động cơ bơm 12v, 24v là cơ cấu truyền động dùng để vận hành cánh bơm, tạo áp lực và lưu lượng cho chất lỏng hoặc khí. Hình 2.7. Động cơ bơm. - Thành phần chính + Stator & Rotor: như trong động cơ điện AC/DC thông thường. + Khớp nối (coupling) hoặc trục trực tiếp: truyền mô-men từ rotor sang cánh bơm. - Phân chia theo công nghệ + Động cơ một pha/ba pha (AC): Khởi động đơn giản, độ bền cao, cần biến tần để thay đổi tốc độ. + Động cơ DC (chổi than hoặc BLDC): Tốc độ điều chỉnh rộng, mô-men khởi động mạnh. BLDC ít bảo trì hơn. + Servo motor bơm: Chính xác, phản hồi nhanh, phù hợp ứng dụng đòi hỏi điều khiển vị trí/lưu lượng tinh vi. - Thông số kỹ thuật quan trọng + Công suất (kW hoặc HP): tương quan với lưu lượng và cột áp. + Tốc độ quay (rpm): AC thường cố định ~1.450–3.000 rpm; DC/BLDC có thể điều chỉnh. + Điện áp & dòng định mức: 220–380 V AC, 24–48 V DC… + Mô-men khởi động & mô-men cực đại: đảm bảo khởi động dưới tải. + Bảo vệ và cách điện: IP rating, lớp cách điện phù hợp môi trường. - Hệ điều khiển và bảo vệ + Biến tần (VFD) cho động cơ AC: điều chỉnh tốc độ, giám sát lỗi, tiết kiệm điện. + Driver PWM cho DC/BLDC: giới hạn dòng, bảo vệ quá nhiệt. + Cảm biến (áp suất, lưu lượng): feedback để tự động cân bằng lưu lượng/áp suất theo yêu cầu. - Ứng dụng tiêu biểu + Bơm cấp nước sinh hoạt, công nghiệp. + Bơm hóa chất, dầu thủy lực. + Hệ thống HVAC, phun sương, làm mát. + Tưới tiêu nông nghiệp, bể bơi, đài phun. 2.2.4 Thanh day Vitme. Thanh trượt vít me là cơ cấu truyền lực quay–tịnh tiến, biến mô-men xoắn từ động cơ thành chuyển động thẳng định vị chính xác. Hình 2.8. Thanh day vitme. Nguyên lý hoạt động: Khi trục vít quay, đai ốc (nut) trượt theo ren trên trục, tạo ra chuyển động tịnh tiến. * Hai loại ren chính - Ren vuông/trapezoidal + Ma sát cao, tự chốt (khi ngừng quay giữ vị trí). + Giá thành thấp, bảo trì đơn giản. -Ball screw (vít bi) + Bi thép tuần hoàn giữa rãnh ren, ma sát rất thấp. + Hiệu suất cao, phù hợp ứng dụng tốc độ lớn và độ chính xác cao. * Các chỉ số cần quan tâm - Đường kính trục (ø): 8–32 mm phổ biến. - Bước ren (lead): Khoảng cách dịch chuyển trên một vòng ren, thường 2–10 mm/vòng. - Độ chính xác: Tùy loại, từ ±0.01 mm/100 mm (lead screw) đến ±0.005 mm/300 mm (ball screw). - Tải trọng dọc trục: Xác định khả năng chịu lực đẩy, kéo, thường tính bằng N hoặc kN. * Ưu – nhược điểm - Lead screw + Ưu: tự chốt, thiết kế gọn, chi phí thấp. + Nhược: ma sát lớn, mòn nhanh, tốc độ và tuổi thọ hạn chế. - Ball screw + Ưu: hệ số ma sát thấp, tuổi thọ và hiệu suất cao. + Nhược: giá cao, cần che chắn bi để tránh bụi bẩn. *Ứng dụng điển hình - Cơ cấu nâng hạ bàn CNC, máy tiện. - Trục Z máy in 3D, đo độ cao. - Bàn trượt tự động, hệ dẫn hướng chính xác trong robot. 2.2.5 Cảm biến lưu lượng YF-S201. Cảm biến lưu lượng nước YF-S201 chuyển tốc độ dòng nước thành tín hiệu xung điện, giúp vi điều khiển dễ dàng đọc và tính toán lưu lượng. Hình 2.9. Cảm biến lưu lượng YF-S201. - Cấu tạo & nguyên lý + Bên trong thân nhựa có một bánh quay (turbine) gắn nam châm nhỏ. + Khi nước đi qua, lực đẩy khiến turbine quay. + Cảm biến Hall gắn sát thân nhận biết mỗi lần nam châm đi qua, tạo ra một xung điện. - Thông số chính + Lưu lượng đo được: 0,3 – 6 L/phút + Độ chính xác: ±5% + Nguồn cấp: 3,5 – 24 VDC (thường dùng 5 V) + Ngõ ra: xung vuông, tần số tối đa ~200 Hz + Hệ số chuẩn: ~450 xung = 1 L (có thể hiệu chỉnh) + Áp suất làm việc: tối đa 1,75 MPa + Nhiệt độ hoạt động: –10 ÷ 80 °C + Kích thước ren: ½″ BSP ren trong - Tính toán lưu lượng + Đếm số xung trong khoảng thời gian Δt (giả sử 1 giây). + Lấy số xung ÷ 450 để ra thể tích nước (L) chảy qua trong 1 giây. + Nhân với 60 để được lưu lượng (L/phút). VD: 75 xung/1 giây → 75/450 = 0,167 Lít → 0,167×60 ≈ 10 Lít/phút. - Hiệu chuẩn & lưu ý vận hành + Để xác định chính xác hệ số xung/L, bơm một lượng nước tiêu chuẩn (ví dụ 1 L), đếm xung rồi điều chỉnh hệ số cho khớp. + Tránh bọt khí quá lớn hoặc cặn bẩn gây kẹt bánh quay. Lắp cảm biến đúng chiều mũi tên thể hiện hướng dòng chảy. 2.2.6. Cảm biến khoảng cách NPN E3F-DS30C4 Trong đồ án này, thay vì dùng cảm biến siêu âm vốn dễ bị nhiễu tạp âm ta đã chọn cảm biến hồng ngoại NPN E3F-DS30C4. Đây là loại cảm biến tiệm cận phát và thu tia IR đồng bộ, cho phép phát hiện vật cản nhanh chóng, chính xác và ổn định. Hình 2.10: Cảm biến khoảng cách NPN E3F-DS30C4 -(NO)- 5-30cm - Nguyên lý hoạt động Cảm biến liên tục phát ánh sáng hồng ngoại ở tần số cố định. Khi vật cản đi qua vùng quét, bước sóng IR phản xạ trở lại và được mắt thu bắt, mạch xử lý nội bộ sẽ so sánh tín hiệu với ngưỡng đã hiệu chỉnh. Nếu vượt ngưỡng, ngõ ra Digital (NPN) sẽ chuyển trạng thái (từ mức cao sang mức thấp). -Điều chỉnh phạm vi Một biến trở tích hợp ở đuôi cảm biến cho phép thay đổi ngưỡng phản hồi, từ khoảng cách vài cm đến tối đa ≈ 30 cm. Dễ dàng vặn “tua vít” để tinh chỉnh sao cho phù hợp với kích thước hoặc màu sắc của vật cần phát hiện. - Đặc điểm kỹ thuật nổi bật Đầu ra NPN (sinking): Khi phát hiện, đầu ra kéo xuống 0 V, tương thích tốt với PLC, Arduino hay các bộ điều khiển công nghiệp. Chống nhiễu: Mạch lọc bên trong loại bỏ tín hiệu không mong muốn (tia nắng, bóng đèn, sóng siêu âm lân cận…). Thời gian phản hồi nhanh: Dưới 1 ms, phù hợp ứng dụng chuyển động tốc độ cao. Độ bền cao: Vỏ thép không gỉ, kín IP67, chịu va đập và môi trường ẩm ướt. -Ứng dụng điển hình Robot tránh chướng ngại: phát hiện kịp thời, điều chỉnh hướng di chuyển. Dây chuyền sản xuất tự động: kiểm tra vị trí sản phẩm, chống kẹt, đồng bộ băng tải. Hệ thống báo động, đo mức: kích hoạt còi, đèn khi vật đạt ngưỡng cảnh báo. Với NPN E3F-DS30C4, bạn sẽ có một giải pháp phát hiện vật cản bền bỉ, chính xác và rất ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu ngoại vi, đồng thời dễ dàng tinh chỉnh cho nhiều tình huống ứng dụng khác nhau.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHA CHẾ COCKTAL
Một số máy hiện có
1.2.1.Máy pha chế cocktal Keurig Drinkwoed
Máy pha cocktail Keurig Drinkworks là sản phẩm hợp tác giữa Keurig và Anheuser-Busch, thiết kế hiện đại và tiết kiệm không gian Với công nghệ quét mã vạch thông minh, thiết bị tự động nhận diện và pha chế chính xác 15 loại cocktail đa dạng chỉ trong vài giây Người dùng có thể dễ dàng thao tác trực tiếp qua màn hình cảm ứng hoặc điều khiển từ xa qua ứng dụng di động, hiện đã có trên iOS và sắp ra mắt trên Android, mang lại trải nghiệm tiện lợi và linh hoạt.
Hình 1.1: Máy pha chế cocktal
Vận hành Keurig Drinkworks như một phép thuật thu nhỏ, chỉ cần đổ nước vào bình, gắn bình khí CO₂, và để viên cocktail vào khoang chứa rồi khép nắp lại Máy tự động bơm khí, đun nóng và trộn theo tỉ lệ hoàn hảo, giúp bạn có ngay ly cocktail sủi bọt trong vòng 60-75 giây Phương pháp này không chỉ đơn giản hóa quá trình pha chế mà còn giảm thiểu chi phí so với pha chế thủ công, mang lại trải nghiệm thưởng thức thức uống có gas đầy phong cách khi đãi khách.
Bartesian là máy pha chế cocktail thông minh, giúp bạn tạo ra những ly cocktail ý muốn chỉ trong 1 phút Với thiết kế nhỏ gọn chứa sẵn các thành phần phù hợp, bạn chỉ cần chọn loại rượu yêu thích, Bartesian sẽ tự động hoàn thiện công thức và mang đến hương vị đậm đà như tại các quán bar sang trọng Thích hợp cho những ai yêu thích thức uống cầu kỳ, Bartesian đem lại trải nghiệm pha chế đơn giản nhưng không kém phần chuyên nghiệp, phù hợp cho mọi người muốn thưởng thức cocktail tại nhà một cách dễ dàng và nhanh chóng.
Hình 1.2: Máy pha chế Bartesian.
Ngoài ra, máy còn được trang bị hệ thống mã vạch thông minh tự động đọc các công thức với các loại cocktail khác nhau và tùy chỉnh sao cho phù hợp với người dùng.
Hiện nay, máy có thể pha chế 6 vị cocktail cơ bản và sẽ nhanh chóng được rộng với nhiều công thức pha chế hơn trong tương lai tùy theo khẩu vị, theo mùa hay lựa chọn của người dùng khác nhau.
Hình 1.3: Máy pha chế Somabar.
Somabar là chi c máy pha cocktail t đ ng dành cho gia đình, đế ự ộ ược phát tri n b i đ i ngũ Somabar t i Mỹ Thi t b trang b sáu ng ch a nguyên li u, choể ở ộ ạ ế ị ị ố ứ ệ phép người dùng tùy ch n nhi u lo i rọ ề ạ ượu, siro và nước trái cây qua ng d ngứ ụ trên đi n tho i ho c máy tính b ng Ch sau vài thao tác cài đ t t l , Somabar sẽ tệ ạ ặ ả ỉ ặ ỉ ệ ự đ ng hút, cân đo và tr n các thành ph n, hoàn thi n ly cocktail ch trong vòng 60–ộ ộ ầ ệ ỉ
120 giây. Đi m đ c bi t c a Somabar là kh năng k t n i Internet, giúp b n kh i l nhể ặ ệ ủ ả ế ố ạ ở ệ pha ch dù đang b t c đâu r t lý tế ở ấ ứ ấ ưởng cho nh ng bu i ti c tr c tuy n hay khiữ ổ ệ ự ế b n mu n g i ly cocktail o đ n b n bè Dù không thay th hoàn toàn kỹ năng c aạ ố ử ả ế ạ ế ủ bartender chuyên nghi p, Somabar v n mang đ n tr i nghi m pha ch nhanhệ ẫ ế ả ệ ế chóng, ti n nghi và đ s c làm hài lòng nh ng tín đ cocktail t i gia.ệ ủ ứ ữ ồ ạ
Kết luận chương 1
- Tìm hiểu được các hệ thống pha chế Cocktail tự động của các hãng , hiểu được cấu tạo nguyên lý làm việc của các hệ thống.
- Chọn được phương án,thiết bị thiết kế hệ thống.
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUY TRÌNH PHA CHẾ COCKTAIL
Thiết kế bản vẽ Autocad
Hình 2.1 Bản vẽ thiết kế máy pha chế Cocktail.
Hình 2.2 Bản vẽ chiếu đứng của máy pha chế Cocktail.
Hình 2.3 Bản vẽ chiếu bằng của máy pha chế Cocktail.
Hình 2.4 Bản vẽ chiếu cạnh của máy pha chế Cocktail.
Các thiết bị cấu thành lên hệ thống điều khiển quy trình pha chế Cocktail
Nhôm định hình 20×20 là thanh hợp kim nhôm với mặt cắt vuông cạnh 20 mm, kết hợp rãnh T-slot để dễ lắp ghép Thông thường, nó được anod hóa bề mặt tạo màu bạc sáng, tăng khả năng chống ăn mòn.
Hình 2.5.Kung nhôm định hình.
+ Rãnh hình chữ T (slot): rộng ~6 mm, sâu ~6 mm + Độ dày thành: khoảng 1,5 mm
-Vật liệu & xử lý bề mặt
+ Hợp kim nhôm 6063-T5: nhẹ, cứng, chịu kéo tốt + Anod hóa (oxid) tạo lớp bảo vệ, chống oxy hóa và trầy xước -Chiều dài tiêu chuẩn
+ 1 m, 2 m, 3 m (có thể cắt theo yêu cầu dự án)
+ Bộ ke góc (đồng tâm, lệch tâm) + Bulông T-nut gắn vào rãnh để kết nối + Nắp bịt đầu và con trượt (slider) Ưu điểm chính:
- Lắp ráp nhanh – tháo rời dễ dàng, tái sử dụng linh hoạt.
- Khối lượng nhẹ, chịu tải vừa phải (thích hợp khung máy nhỏ, robot, giá đỡ).
- Bề mặt sáng bóng, chống ăn mòn trong môi trường phòng thí nghiệm hay xưởng cơ khí nhẹ.
Một số ứng dụng điển hình:
+ Khung máy in 3D, CNC mini
+ Giá đỡ cảm biến, camera theo dõi
+ Kết cấu robot giáo dục, DIY
+ Khung tủ, khung giá kệ nhẹ trong phòng thí nghiệm
2.2.2 Động cơ Step Động cơ bước là động cơ điện quay theo từng nấc cố định, cho phép định vị chính xác mà không cần cảm biến đo vị trí.
+ Rotor: thường là nam châm vĩnh cửu hoặc tâm gần.
+ Stator: gồm các cuộn dây phân thành nhiều pha, khi kích kích đồng thời/phối hợp tạo từ trường quay kéo theo rotor.
+ Mỗi xung điều khiển (step) làm rotor quay một góc nhất định (ví dụ 1,8° hoặc 0,9°).
+ Unipolar (5–6 dây): Kích điều khiển đơn giản nhưng mô-men thấp hơn.
+ Bipolar (4 dây): Mô-men cao, cần mạch cầu H để đảo chiều dòng.
+ Hybrid: Kết hợp nhược/ưu điểm, cho bước mịn và mô-men lớn.
+ Full-step: Chạy từng bước lớn, độ phân giải thấp.
+ Half-step: Xen kẽ bước, tăng độ phân giải gấp đôi.
+ Micro-step: Chia nhỏ bước, cho chuyển động cực êm và chính xác. -Thông số cần lưu ý
+ Step angle: Góc mỗi bước (°/step).
+ Holding torque: Mụ-men giữ khi cấp điện (kgãcm hoặc Nãm).
+ Rated current và Voltage: Chọn driver và nguồn phù hợp.
+ Number of leads: 4 (bipolar) hoặc 5–6 (unipolar).
+ Chân STEP: nhận xung để quay một bước.
+ Chân DIR: chọn chiều quay.
+ Chân ENABLE (tùy chọn): bật/tắt động cơ.
+ Robot di chuyển theo trục X–Y
+ Bàn xoay định vị, van tự động
2.2.3 Động cơ Bơm Động cơ bơm 12v, 24v là cơ cấu truyền động dùng để vận hành cánh bơm, tạo áp lực và lưu lượng cho chất lỏng hoặc khí.
+ Stator & Rotor: như trong động cơ điện AC/DC thông thường.
+ Khớp nối (coupling) hoặc trục trực tiếp: truyền mô-men từ rotor sang cánh bơm.
- Phân chia theo công nghệ
+ Động cơ một pha/ba pha (AC): Khởi động đơn giản, độ bền cao, cần biến tần để thay đổi tốc độ.
+ Động cơ DC (chổi than hoặc BLDC): Tốc độ điều chỉnh rộng, mô-men khởi động mạnh BLDC ít bảo trì hơn.
+ Servo motor bơm: Chính xác, phản hồi nhanh, phù hợp ứng dụng đòi hỏi điều khiển vị trí/lưu lượng tinh vi.
- Thông số kỹ thuật quan trọng
+ Công suất (kW hoặc HP): tương quan với lưu lượng và cột áp.
+ Tốc độ quay (rpm): AC thường cố định ~1.450–3.000 rpm; DC/BLDC có thể điều chỉnh.
+ Điện áp & dòng định mức: 220–380 V AC, 24–48 V DC…
+ Mô-men khởi động & mô-men cực đại: đảm bảo khởi động dưới tải.
+ Bảo vệ và cách điện: IP rating, lớp cách điện phù hợp môi trường.
- Hệ điều khiển và bảo vệ
+ Biến tần (VFD) cho động cơ AC: điều chỉnh tốc độ, giám sát lỗi, tiết kiệm điện. + Driver PWM cho DC/BLDC: giới hạn dòng, bảo vệ quá nhiệt.
+ Cảm biến (áp suất, lưu lượng): feedback để tự động cân bằng lưu lượng/áp suất theo yêu cầu.
+ Bơm cấp nước sinh hoạt, công nghiệp.
+ Bơm hóa chất, dầu thủy lực.
+ Hệ thống HVAC, phun sương, làm mát.
+ Tưới tiêu nông nghiệp, bể bơi, đài phun.
Thanh trượt vít me là cơ cấu truyền lực quay–tịnh tiến, biến mô-men xoắn từ động cơ thành chuyển động thẳng định vị chính xác.
Khi trục vít quay, đai ốc (nut) trượt theo ren trên trục, tạo ra chuyển động tịnh tiến.
+ Ma sát cao, tự chốt (khi ngừng quay giữ vị trí).
+ Giá thành thấp, bảo trì đơn giản.
+ Bi thép tuần hoàn giữa rãnh ren, ma sát rất thấp.
+ Hiệu suất cao, phù hợp ứng dụng tốc độ lớn và độ chính xác cao.
* Các chỉ số cần quan tâm
- Đường kớnh trục (ứ): 8–32 mm phổ biến.
- Bước ren (lead): Khoảng cách dịch chuyển trên một vòng ren, thường 2–10 mm/vòng.
- Độ chính xác: Tùy loại, từ ±0.01 mm/100 mm (lead screw) đến ±0.005 mm/300 mm (ball screw).
- Tải trọng dọc trục: Xác định khả năng chịu lực đẩy, kéo, thường tính bằng N hoặc kN.
+ Ưu: tự chốt, thiết kế gọn, chi phí thấp.
+ Nhược: ma sát lớn, mòn nhanh, tốc độ và tuổi thọ hạn chế.
+ Ưu: hệ số ma sát thấp, tuổi thọ và hiệu suất cao.
+ Nhược: giá cao, cần che chắn bi để tránh bụi bẩn.
- Cơ cấu nâng hạ bàn CNC, máy tiện.
- Trục Z máy in 3D, đo độ cao.
- Bàn trượt tự động, hệ dẫn hướng chính xác trong robot.
2.2.5 Cảm biến lưu lượng YF-S201
Cảm biến lưu lượng nước YF-S201 chuyển tốc độ dòng nước thành tín hiệu xung điện, giúp vi điều khiển dễ dàng đọc và tính toán lưu lượng.
Hình 2.9 Cảm biến lưu lượng YF-S201.
+ Bên trong thân nhựa có một bánh quay (turbine) gắn nam châm nhỏ.
+ Khi nước đi qua, lực đẩy khiến turbine quay.
+ Cảm biến Hall gắn sát thân nhận biết mỗi lần nam châm đi qua, tạo ra một xung điện.
+ Lưu lượng đo được: 0,3 – 6 L/phút
+ Nguồn cấp: 3,5 – 24 VDC (thường dùng 5 V)
+ Ngõ ra: xung vuông, tần số tối đa ~200 Hz
+ Hệ số chuẩn: ~450 xung = 1 L (có thể hiệu chỉnh)
+ Áp suất làm việc: tối đa 1,75 MPa
+ Kớch thước ren: ẵ″ BSP ren trong
+ Đếm số xung trong khoảng thời gian Δt (giả sử 1 giây).
+ Lấy số xung ÷ 450 để ra thể tích nước (L) chảy qua trong 1 giây.
+ Nhân với 60 để được lưu lượng (L/phút).
VD: 75 xung/1 giây → 75/450 = 0,167 Lít → 0,167×60 ≈ 10 Lít/phút.
- Hiệu chuẩn & lưu ý vận hành
+ Để xác định chính xác hệ số xung/L, bơm một lượng nước tiêu chuẩn (ví dụ 1 L), đếm xung rồi điều chỉnh hệ số cho khớp.
+ Tránh bọt khí quá lớn hoặc cặn bẩn gây kẹt bánh quay.
Lắp cảm biến đúng chiều mũi tên thể hiện hướng dòng chảy.
2.2.6 Cảm biến khoảng cách NPN E3F-DS30C4
Trong đồ án này, thay vì dùng cảm biến siêu âm vốn dễ bị nhiễu tạp âm ta đã chọn cảm biến hồng ngoại NPN E3F-DS30C4 Đây là loại cảm biến tiệm cận phát và thu tia
IR đồng bộ, cho phép phát hiện vật cản nhanh chóng, chính xác và ổn định.
Hình 2.10: Cảm biến khoảng cách NPN E3F-DS30C4 -(NO)- 5-30cm
Cảm biến liên tục phát ánh sáng hồng ngoại ở tần số cố định.
Khi vật cản đi qua vùng quét, bước sóng hồng ngoại phản xạ trở lại và được cảm biến thu nhận, giúp hệ thống xác định sự xuất hiện của vật thể Mạch xử lý nội bộ sẽ so sánh tín hiệu phản xạ này với ngưỡng đã được hiệu chỉnh sẵn để xác định chính xác vị trí và sự di chuyển của vật cản Quy trình này đảm bảo khả năng cảm biến hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau, nâng cao độ chính xác của hệ thống cảm biến hồng ngoại.
Nếu vượt ngưỡng, ngõ ra Digital (NPN) sẽ chuyển trạng thái (từ mức cao sang mức thấp).
Một biến trở tích hợp ở đuôi cảm biến cho phép thay đổi ngưỡng phản hồi, từ khoảng cách vài cm đến tối đa ≈ 30 cm.
Dễ dàng vặn “tua vít” để tinh chỉnh sao cho phù hợp với kích thước hoặc màu sắc của vật cần phát hiện.
- Đặc điểm kỹ thuật nổi bật Đầu ra NPN (sinking): Khi phát hiện, đầu ra kéo xuống 0 V, tương thích tốt với PLC, Arduino hay các bộ điều khiển công nghiệp.
Chống nhiễu: Mạch lọc bên trong loại bỏ tín hiệu không mong muốn (tia nắng, bóng đèn, sóng siêu âm lân cận…).
Thời gian phản hồi nhanh: Dưới 1 ms, phù hợp ứng dụng chuyển động tốc độ cao. Độ bền cao: Vỏ thép không gỉ, kín IP67, chịu va đập và môi trường ẩm ướt.
Robot tránh chướng ngại: phát hiện kịp thời, điều chỉnh hướng di chuyển.
Dây chuyền sản xuất tự động: kiểm tra vị trí sản phẩm, chống kẹt, đồng bộ băng tải.
Hệ thống báo động, đo mức của NPN E3F-DS30C4 kích hoạt còi và đèn cảnh báo khi vật đạt ngưỡng giới hạn, giúp theo dõi mức độ chính xác và nhanh chóng Với thiết bị này, bạn có một giải pháp phát hiện vật cản bền bỉ, chính xác, ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu ngoại vi và dễ dàng tùy chỉnh để phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.
Nút nhấn là công tắc cơ học đơn giản giúp khởi động, dừng hoặc chuyển đổi trạng thái của mạch điện và máy móc Thân nút thường được làm bằng nhựa hoặc kim loại, thiết kế nhỏ gọn, chắc chắn nhằm đảm bảo thao tác dễ dàng và an toàn trong quá trình vận hành.
Hai dạng chức năng chính
Nút nhấn thường mở (NO): mạch chỉ đóng khi nút được nhấn, khi buông ra mạch mở trở lại.
Nút nhấn thường đóng (NC): mạch mở khi nhấn và đóng lại khi buông.
Bộ truyền động : phần nhô ra bên trên, chịu lực nhấn trực tiếp.
Lò xo và tiếp điểm động: nằm trong thân, giữ tiếp điểm động tách hoặc ép vào tiếp điểm cố định.
Tiếp điểm cố định : hai bề mặt kim loại không di động, đối diện với tiếp điểm động.
Vỏ ngoài và rãnh dẫn: bảo vệ cơ cấu bên trong, cố định vị trí tiếp điểm.
Khi nhấn, ép tiếp điểm động chạm vào tiếp điểm cố định (NO) hoặc tách khỏi tiếp điểm (NC), thay đổi trạng thái mạch.
Lò xo hồi vị và tiếp điểm động về vị trí ban đầu khi buông tay.
Nhấn giữ : chỉ duy trì trạng thái khi nút đang bị bấm.
Nhấn khóa : bấm một lần để giữ trạng thái cho đến khi bấm lại.
Với cấu tạo đơn giản và vận hành dễ hiểu, nút nhấn được dùng rộng rãi trong bảng điều khiển, tủ điện, máy công nghiệp và thiết bị điện tử tiêu dùng.
Giao diện HMI là thiết bị trung gian cho phép người vận hành theo dõi và điều khiển trực tiếp hệ thống tự động.
Màn hình hiển thị: thường là màn cảm ứng đa điểm kích thước từ 4″ đến 15″, độ phân giải và độ sáng tùy model.
Bộ xử lý tích hợp: CPU xử lý giao diện, truyền nhận dữ liệu, lưu trữ dự án và lịch sử hoạt động.
Kết nối truyền thông: RS-232/485, Ethernet , CANopen, PROFIBUS
Nguồn cấp: phổ biến 24 V DC, một số hỗ trợ 100–240 V AC.
Công cụ kéo-thả để tạo màn hình với các thành phần như: nút bấm ảo, biểu đồ thời gian, thanh trạng thái, đồng hồ, cảnh báo.
Thiết lập alarm, lịch sử sự kiện , lưu và đọc recipe, tham số.
Map tag giữa HMI và PLC và thư viện thiết bị qua giao thức tương ứng.
HMI độc lập: chạy firmware của hãng, kết nối với PLC qua cổng truyền thông.
Panel PC: máy tính công nghiệp tích hợp màn hình cảm ứng, chạy SCADA hoặc phần mềm Windows và Linux.
Module HMI gắn rời: gắn trực tiếp lên khung PLC
Giám sát: hiển thị trạng thái I/O, giá trị sensor, cảnh báo fault. Điều khiển: gửi lệnh Start và Stop, thay đổi setpoint qua các
Alarm và Log: báo lỗi, ghi lại thời gian và nguyên nhân, hỗ trợ phân tích.
Trend: đồ thị biến thiên thông số theo thời gian, real-time hoặc xem lại.
Recipe: lưu và tải nhanh các bộ giá trị cho từng công đoạn sản xuất.
Dây chuyền tự động hóa trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, đóng gói).
Máy CNC, robot công nghiệp, thiết bị kiểm tra và đo lường.
Nguồn tổ ong, còn gọi là nguồn biến đổi điện áp, được đặt tên dựa trên hình dạng các lỗ nhỏ thông hơi thoát nhiệt trên vỏ của bộ nguồn Những lỗ này có hình lục giác giống tổ ong, giúp làm mát hiệu quả và tăng độ bền của thiết bị Chính vì đặc điểm thiết kế này, nguồn tổ ong trở nên thân thuộc và dễ nhận biết trong các hệ thống điện và điện tử.
Nguồn tổ ong là bộ chuyển đổi điện AC thành DC bằng cách sử dụng mạch dao động xung kết hợp với biến áp xung, thay cho biến áp sắt nặng nề của nguồn tuyến tính truyền thống Thay vì hạ áp trước rồi chỉnh lưu và ổn áp qua IC, nguồn xung trực tiếp tạo xung cao tần, đưa vào biến áp nhỏ gọn, rồi chỉnh lưu để ra các mức điện áp DC ổn định như 3.3
Dù nguồn tuyến tính cho tín hiệu sạch hơn (ít nhiễu và méo hài), chúng luôn chiếm nhiều không gian và vật liệu, còn nguồn xung có các lợi thế:
Kích thước và trọng lượng nhẹ: Biến áp xung nhỏ gọn, giảm thiểu diện tích lắp đặt.
Hiệu suất cao: Tổn hao năng lượng thấp nhờ hoạt động ở tần số cao.
Tính bảo vệ: Tích hợp chống quá dòng, quá áp, ngắn mạch, giúp kéo dài tuổi đời thiết bị.
Với những ưu điểm đó, nguồn tổ ong (một dạng nguồn xung phổ biến) được ứng dụng rộng rãi trong chiếu sáng LED, tủ điện công nghiệp như PLC, relay, cảm biến và các thiết bị dân dụng và văn phòng như camera, máy tính, loa và cũng như bất kỳ mạch DC nào cần độ ổn định và bảo vệ cao.
+ Sai số điện áp ra: 1-3 %
+ Công suất trong thực tế : 88 %
+ Nhiệt độ trong làm việc :0-70 độ C
Chế tạo phần cứng
Hình 2.14.Mô hình đã dựng hoàn thành phần cứng
Phần cứng đã hoàn thành , gồm:
Hình 2.15.Mô hình hoàn thành
Kết luân chương 2
- Tìm hiểu được cấu tạo của thanh trượt vitme, nghiên cứu và chế tạo thanh truyền vitme mini sử dụng trong hệ thống pha chế Cocktail tự động.
-Thiết kế được bản vẽ cho hệ thống.
- Chọn các thiết bị điện sử dụng trong hệ thống
- Chế Tạo Thành công mô hình hệ thống
CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH ĐIỀU SỬ DỤNG NGÔN NGỮ LẬP
Đặt vấn đề riêng
Trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0, tự động hóa đang thay thế con người trong nhiều lĩnh vực như kinh tế, y tế, giáo dục, quốc phòng, hàng không và không gian vũ trụ Các nhà khoa học và kỹ sư liên tục phát triển các giải pháp phần cứng, phần mềm tiên tiến nhằm đáp ứng yêu cầu về tốc độ, độ ổn định và độ chính xác ngày càng khắt khe Bộ điều khiển lập trình PLC trở thành thành phần quan trọng trong các dây chuyền sản xuất nhờ khả năng lập trình linh hoạt, độ tin cậy cao và dễ tích hợp hệ thống Trong các máy pha chế tự động, việc sử dụng PLC Siemens chuyên dụng đảm bảo vận hành chính xác, ổn định, tối ưu chi phí và phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam và toàn cầu Nghiên cứu sâu và ứng dụng thành thạo PLC đóng vai trò then chốt trong xu hướng công nghiệp hóa và hiện đại hóa, giúp nâng cao năng suất sản xuất nội địa hướng tới tiêu chuẩn thông minh và hiệu quả.
Sơ lược về sự phát triển PLC
Lịch sử hình thành và phát triển của bộ điều khiển lập trình plc trải qua nhiều giai đoạn quan trọng, đánh dấu bởi những bước tiến về cả phần cứng lẫn phần mềm:
Năm 1968: Công ty General Motors đặt thiết kế thiết bị điều khiển, lập trình đầu tiên, với mục tiêu thay thế hàng trăm relay và dây nối trong dây chuyền lắp ráp ô tô Mẫu PLC đầu tiên tuy còn cồng kềnh, đơn giản và thiếu giao diện người máy, nhưng đã mở ra kỷ nguyên mới cho tự động hóa công nghiệp.
Vào năm 1969, các kỹ sư đã phát minh ra máy lập trình cầm tay nhỏ gọn, giúp tải chương trình vào PLC một cách dễ dàng hơn, giải quyết khó khăn của việc nhập lệnh trực tiếp trên hệ thống gốc Giải pháp này cho phép kỹ thuật viên vận hành và chỉnh sửa chương trình ngay tại hiện trường mà không cần mang theo khối hộp PLC đến phòng lập trình Đến đầu thập niên 1970, ngôn ngữ lập trình dạng hình thang được tiêu chuẩn hóa dựa trên sơ đồ mạch điện relay truyền thống, giúp các kỹ sư điện nhanh chóng làm quen và triển khai ứng dụng PLC một cách hiệu quả.
- Giai đoạn hoàn thiện tính năng (1971–1980)
PLC thế hệ đầu chỉ thực hiện các phép đóng/mở đơn giản, tương tự như relay Tuy nhiên, sau vài năm, nhà sản xuất đã nâng cấp PLC bằng cách tích hợp các lệnh cơ bản về số học như cộng, trừ, nhân, chia, giúp mở rộng khả năng xử lý dữ liệu Ngoài ra, các PLC hiện đại còn hỗ trợ xử lý dữ liệu so sánh và di chuyển khối nhớ, mang lại khả năng tự động hóa linh hoạt và hiệu quả hơn cho các hệ thống công nghiệp.
Màn hình CRT ra đời giúp giao diện lập trình và giám sát PLC trở nên trực quan hơn, cho phép kỹ thuật viên dễ dàng xem trạng thái I/O và theo dõi biến trung gian Nhờ đó, quá trình gỡ lỗi chương trình trở nên dễ dàng hơn, giảm sự phụ thuộc vào đèn LED hiển thị đơn sắc truyền thống Công nghệ này nâng cao hiệu quả vận hành và dễ dàng quản lý hệ thống tự động hóa.
Phần cứng PLC hiện nay đang chuyển từ thiết kế module đơn giản sang dạng rack và mount, giúp mở rộng khả năng tích hợp nhiều module I/O, nguồn và CPU phù hợp với nhu cầu mở rộng hệ thống tự động hóa.
-Bùng nổ công suất và khả năng mở rộng (1981–1995)
Từ giữa thập niên 1980, PLC đã phát triển khả năng hỗ trợ hàng trăm đầu vào/ra, đáp ứng nhu cầu kiểm soát phức tạp trong các nhà máy công nghiệp Với bộ nhớ chương trình mở rộng lên hàng chục nghìn từ, PLC giúp cài đặt và vận hành các nhà máy quy mô lớn một cách hiệu quả hơn, nâng cao hiệu suất sản xuất và tối ưu hóa quản lý hệ thống tự động hóa.
Tốc độ quét của CPU PLC được cải thiện rõ rệt, giảm thời gian cập nhật I/O, tăng khả năng đáp ứng các tác vụ thời gian thực Nhiều hãng giới thiệu chế độ đa nhiệm, cho phép PLC chạy song song nhiều chương trình hoặc ưu tiên xử lý alarm, event đặc biệt. Công nghệ truyền thông công nghiệp như Modbus, PROFIBUS, DeviceNet Bắt đầu được tích hợp, giúp PLC giao tiếp linh hoạt với các thiết bị đo lường, biến tần, robot hay HMI/SCADA.
-Xu hướng thông minh và tích hợp hệ sinh thái (1996–nay)
Trong thế kỷ 21, khái niệm về PLC siêu hay intelligent đã nổi bật với khả năng tích hợp sẵn web server, cơ sở dữ liệu nhúng và khả năng phân tích dữ liệu thông minh Những tính năng này giúp nâng cao hiệu suất vận hành và tối ưu hoá quá trình tự động hóa công nghiệp Ngoài ra, các PLC này còn hỗ trợ chuẩn OPC, giúp giao tiếp và tích hợp dễ dàng hơn với hệ thống quản lý dữ liệu và thiết bị khác Sự xuất hiện của PLC thông minh đã mở ra kỷ nguyên mới cho tự động hóa công nghiệp, mang lại lợi ích về độ chính xác, linh hoạt và khả năng mở rộng dễ dàng cho các hệ thống tự động ngày càng phức tạp.
UA, MQTT để kết nối vào IoT công nghiệp.
Các PLC hiện đại không chỉ thực hiện chức năng điều khiển tuần tự mà còn xử lý tín hiệu analog phức tạp, phục vụ các ứng dụng điều khiển chuyển động và vận hành hệ thống machine vision, giúp nâng cao hiệu quả tự động hóa trong sản xuất.
Trong xu hướng nhà máy thông minh và công nghiệp 4.0, PLC đóng vai trò là bộ não phân tán, đảm nhận nhiệm vụ điều khiển và giám sát quy trình sản xuất một cách linh hoạt PLC phối hợp hiệu quả với các hệ thống quản lý như SCADA, MES, ERP cũng như các hệ thống AI và Analytics để tối ưu hóa quá trình sản xuất theo thời gian thực Nhờ đó, doanh nghiệp có thể dự đoán bảo trì, nâng cao chất lượng sản phẩm và nâng cao năng suất, hướng đến mục tiêu phát triển bền vững trong lĩnh vực công nghiệp hiện đại.
Qua hơn nửa thế kỷ phát triển không ngừng, PLC đã tiến từ một thiết bị thay relay cồng kềnh thành nền tảng điều khiển thông minh, có khả năng kết nối, phân tích và tự động tối ưu quy trình sản xuất trong mọi ngành công nghiệp Việc hiểu rõ lịch sử và tính năng của PLC sẽ là tiền đề quan trọng để triển khai các giải pháp tự động hóa hiện đại và đáp ứng tốt hơn yêu cầu của nền công nghiệp 4.0 và phát triwwne nên công nghiệp 5.0.
Tổng quan về bộ điều khiển Logic khả trình PLC
Hình 3.1: Một hệ thống PLC
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển công nghiệp được trang bị các chức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung và tính toán để điều khiển nhiều loại máy móc và bộ xử lý Các chức năng này được lưu trữ trong bộ nhớ và sắp xếp theo chương trình đã lập, giúp PLC thực hiện quá trình tự động hóa hiệu quả Nói ngắn gọn, PLC là một máy tính công nghiệp chuyên dụng để điều khiển các quá trình tự động trong nhà máy.
Bộ PLC S7-1200 là trung tâm điều khiển tự động nhỏ gọn nhưng vô cùng mạnh mẽ, tích hợp vi xử lý, nguồn cấp và các đầu vào/đầu ra trong một thiết kế compact Sau khi nạp chương trình, CPU của S7-1200 hoạt động hiệu quả, đảm bảo hệ thống tự động vận hành chính xác và ổn định Sử dụng PLC S7-1200 giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống tự động hóa công nghiệp Với khả năng tích hợp đa dạng chức năng, S7-1200 là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng tự động hóa hiện đại.
Hệ thống liên tục đọc các trạng thái đầu vào trong suốt quá trình thực thi, điều này đảm bảo các lệnh như Boolean, đếm, định thời, toán học, giao tiếp và cập nhật đầu ra diễn ra chính xác theo logic đã lập sẵn Điểm nổi bật của hệ thống là khả năng xử lý liên tục, ổn định và chính xác các lệnh theo trình tự, đảm bảo hiệu quả cao trong các quá trình điều khiển tự động và hệ thống nhúng Các phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động, đồng thời duy trì tính chuẩn xác của các thao tác logic và toán học, góp phần nâng cao độ tin cậy và khả năng mở rộng của hệ thống.
Thiết kế tích hợp: CPU, bộ cấp nguồn và các kênh I/O nằm chung trong một mô- đun, tiết kiệm không gian tủ điện.
Hệ thống bảo mật cao cấp với mật khẩu bảo vệ truy cập CPU giúp đảm bảo an toàn tối đa cho dữ liệu Ngoài ra, cơ chế bảo vệ bằng know-how giữ kín các khối mã quan trọng, giúp bảo vệ bí quyết vận hành khỏi các mối đe dọa từ bên ngoài.
Giao tiếp linh hoạt: cổng PROFINET tích hợp sẵn cho mạng Ethernet công nghiệp tốc độ cao; dễ dàng mở rộng thêm các module truyền thông khi cần.
Với khả năng xử lý mạnh mẽ và cấu hình đa dạng, S7-1200 phù hợp từ những giải pháp điều khiển đơn giản cho đến hệ thống phân tán phức tạp, đồng thời đảm bảo an toàn và dễ mở rộng trong tương lai.
3.3.2 Cấu trúc chung và nguyên lý hoạt động của PLC
Với các bộ điều khiển PLC được sản xuất theo dòng sản phẩm Với tất cả các cổng logic cơ bản, chức năng nhớ, timer, counter được nhà chế tạo tích hợp trong chúng và được kết nối với nhau bằng chương trình được viết cho một nhiệm vụ cụ thể nào đó.
Bộ điều khiển PLC có nhiều loại khác nhau và được phân biệt với nhau qua các thành phần sau: Đối với các bộ điều khiển lớn thì các thành phần trên được sản xuất thành các module riêng Đối với các bộ điều khiển nhỏ, chúng được tích hợp sẵn trên CPU Các bộ điều khiển nhỏ này có số lượng đầu vào và ra cố định.
Các đầu vào và ra của PLC được ghép nối với các thiết bị cấp trường: cảm biến và cơ cấu chấp hành Tín hiệu đầu vào và ra của PLC có thể có dạng tín hiệu số, tương tự,truyền thông hoặc một số loại tín hiệu đặc biệt khác.
Cấu trúc của một PLC có thể được mô tả như hình ảnh dưới:
Bên cạnh đó, một hệ PLC hoàn chỉnh không chỉ bao gồm CPU và các mô-đun I/O, mà còn phải có thiết bị lập trình dù là bộ cầm tay gọn nhẹ hay phần mềm chuyên dụng trên máy tính Thiết bị cầm tay thường dùng RAM dung lượng lớn để lưu trữ chương trình khi đang hiệu chỉnh Khi chương trình đã được thử nghiệm và hiệu chỉnh xong, người vận hành mới truyền code xuống PLC Trong các hệ PLC quy mô lớn, kỹ sư thường xây dựng, chỉnh sửa và mô phỏng chương trình trực tiếp trên máy tính, sau đó kết nối với PLC thông qua các giao thức RS-232, RS-422 hoặc RS-485 để tải chương trình và theo dõi quá trình vận hành. Đầu vào Đầu ra
Cấu trúc bên trong của PLC
Hình 3.3: Cấu tạo kiến trúc PLC 3.3.2.2 Nguyên lý ho t đ ng c a PLCạ ộ ủ
Hình 3.4: Vòng quét của PLC
Cấu tạo Kiến trúc PLC
Khi PLC chạy chương trình, quá trình cập nhật đầu ra không diễn ra ngay lập tức khi có thay đổi ở đầu vào, mà theo quy trình hai pha Đầu tiên, CPU đọc tất cả trạng thái đầu vào (ON và OFF) và thực thi tuần tự các lệnh logic, chuyển đổi các bit đầu ra tương ứng trong bộ nhớ nội Chỉ sau khi hoàn thành toàn bộ chu trình xử lý gọi là một vòng tuần tự PLC mới đưa trạng thái đầu ra mới ra thực tế để điều khiển thiết bị ngoại vi.
Thời gian cho mỗi vòng quét thường rất nhanh, từ 1 ms đến 100 ms, tùy thuộc vào độ dài chương trình và khối lượng giao tiếp với thiết bị ngoại vi Nếu tín hiệu ngõ vào xuất hiện ngắn hơn thời gian vòng quét, CPU có thể bỏ sót tín hiệu đó, xem như không có Trong hầu hết hệ thống cơ khí, tốc độ này đủ để đáp ứng yêu cầu hoạt động Đối với các ứng dụng lớn, nhiều I/O và yêu cầu phản hồi nhanh, việc bổ sung cơ chế cập nhật tức thì (interrupts) hoặc các module chuyên dụng giúp đảm bảo tín hiệu khẩn cấp không bị trễ, duy trì độ chính xác và hiệu suất cao cho toàn bộ dây chuyền.
Các loại PLC thông thường nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ các đối tượng, mục đích sử dụng khác nhau
Các ngôn ngữ sử dụng là:
- Ngôn ngữ nhiều nhất là hình thang Ladder logic viết tăt LAD: đây là ngôn ngữ thích hợp cho người quen thiết kế mạch logic và dễ sử dụng.
Ngôn ngữ lập trình STL là ngôn ngữ phổ biến dùng để lập trình máy tính, trong đó chương trình được xây dựng từ nhiều câu lệnh khác nhau Mỗi câu lệnh nằm trên một dòng riêng biệt và có cấu trúc thống nhất gồm tên lệnh kèm các toán hạng đi kèm, giúp dễ dàng hiểu và thực thi Các lệnh và ký hiệu trong STL giúp người lập trình thao tác, điều hướng và kiểm soát quá trình xử lý của máy tính một cách hiệu quả.
Hình 3.6: Ngôn ngữ lập trình STL
Ngôn ngữ tiếp theo là hình khối, ký hiệu là FBD (Function Block Diagram), là ngôn ngữ đồ họa phù hợp cho những người quen thiết kế mạch điều khiển số FBD giúp lập trình các hệ thống điều khiển tự động một cách trực quan và dễ hiểu Đây là công cụ hiệu quả cho việc mô phỏng và xây dựng các hệ thống điều khiển phức tạp dựa trên các khối chức năng.
Hình 3.7: Ngôn ngữ lập trình FBD
Còn có thể sử dụng ngôn ngữ Graph, High Graph.
Trong các ngôn ngữ ở trên thì thường sử dụng 3 ngôn ngữ là STL, LAD, FBD. Chung có quan hệ của 3 ngôn ngữ cho bởi sơ đồ sau:
Hình 3.8: Mối quan hệ giữa các ngôn ngữ lập trình PLC
Chương trình điều khiển PLC có thể được viết theo 2 cách lập trình sau:
Lập trình tuyến tính là hình thức lập trình trong đó toàn bộ chương trình nằm trong một khối trong bộ nhớ Đây là loại hình cấu trúc tuyến tính phù hợp với các bài toán tự động nhỏ, không phức tạp Khối mã được chọn để thực thi phải là khối OB1, vì PLC luôn quét và thực hiện các lệnh trong khối này một cách liên tục từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng rồi quay trở lại lệnh đầu tiên, đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác cho hệ thống tự động nhỏ.
Lập trình có cấu trúc chia chương trình thành các phần nhỏ, mỗi phần đảm nhận nhiệm vụ riêng biệt trong các khối chương trình khác nhau Cấu trúc này phù hợp với các bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ phức tạp, giúp tối ưu hóa quá trình vận hành PLC S7-200 hỗ trợ các loại khối cơ bản như khối tổ chức, khối chức năng và khối lồng, giúp lập trình viên dễ dàng xây dựng các hệ thống điều khiển tự động hiệu quả.
Tổng quan về PLC S7 - 1200
Dòng sản phẩm S7-1200 được Siemens giới thiệu năm 2009, thay thế dần cho S7-
200, nhằm nâng cao hiệu năng, mở rộng khả năng kết nối, nhưng vẫn giữ kích thước nhỏ gọn và chi phí hợp lý.
Dòng S7-1200 là bộ điều khiển PLC phổ biến với khả năng kiểm soát đa dạng các ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn và chi phí hợp lý giúp nâng cao khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Với tập lệnh mạnh mẽ, S7-1200 mang lại giải pháp tự động hóa tối ưu, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các hệ thống tự động.
Dòng S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào ra (.
- 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 KHP để bảo vệ các dữ liệu đặc biệt của mình
Dòng S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP và
IP Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 và RS232.
- Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal
Với cấu hình sẵn mạnh mẽ, kết nối linh hoạt và công cụ lập trình all-in-one, dòng S7-
1200 kết hợp TIA Portal giúp triển khai nhanh gọn mọi dự án, công trình tự động hóa.
1- Bộ phận kết nối nguồn
2- Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên
3- Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được
4- Các LED trạng thái dành cho đầu ra vào tích hợp
5- Bộ phận kết nối PROFINET năm ở trên plc
Việc phân loại S7-1200 dựa vào loại CPU mà nó trang bị:
Các loại PLC thông dụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C
Thông thường S7-1200 được phân ra làm 2 loại chính:
+ Đầu vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (giao động từ 15VDC - 30VDC)
+ Ưu điểm của loại này là dùng đầu ra Relay Do đó có thể sử dụng đầu ra ra ở nhiều cấp điện áp khác nhau (có thể sử dụng ngõ ra 0V, 24V, 220V)
Tuy nhiên, nhược điểm của thiết bị này là do ngõ ra Relay nên thời gian đáp ứng không nhanh, khiến không phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi biến điệu độ rộng xung hoặc xử lý đầu ra tốc độ cao.
- Loại cấp điện áp 24VDC:
+ Đầu vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (giao động từ 15VDC - 30VDC)
+ Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra transistor Do đó có thể sử dụng ngõ ra này để biến điệu độ rộng xung, Output tốc độ cao.
Nhược điểm chính của loại này là do ngõ ra transistor chỉ có thể hoạt động với một cấp điện áp duy nhất là 24V, gây hạn chế trong các ứng dụng yêu cầu cấp điện áp khác nhau Trong những trường hợp này, cần sử dụng relay 24V để điều chỉnh và phù hợp với các mức điện áp đa dạng, đảm bảo hoạt động hiệu quả và ổn định của hệ thống.
Bảng 2.1 Đặc trưng của các CPU Đặc trưng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
Digital 6vào/4ra 8vào/6ra 14vào/10ra
Kích thước ảnh tiến trình Đầu vào
(I) 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes Đầu ra
Bộ nhớ bit (M) 4096 bytes 4096 bytes 8192 bytes
Bản tín hiệu (SB), bảng nguồn pin
Bộ đếm tốc độ cao
3 built-in I/O, 5 with SB built-in I/O, 6 with SB 6
3 trong 100 kHz SB: 2 trong 30 kHz
1 trong 30 kHz SB: 2 trong 30 kHz
3 trong 80 kHz SB: 2 trong 20 kHz
1 trong 20 kHz SB: 2 trong 20 kHz
Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)
(Real time clock) lưu trữ
Thông thường là 10 ngày/ ít nhất là 4 ngày tại 40 độ C
PROFINET 1 cổng truyền thông profinet
Tốc độ thực thi phép toán số thực 2.3 μs/lệnh
Làm việc với phần mềm Tia Portal
3.5.1 Giới thiệu SIMATIC STEP 7 Basic – tích hợp lập trình PLC và HMI Step
7 basic hệ thống kỹ thuật đồng bộ đảm bảo hoạt động liên tục hoàn hảo Một hệ thống kỹ thuật mới
Thông minh và trực quan cấu hình phần cứng kỹ thuật và cấu hình mạng, lập trình, chẩn đoán và nhiều hơn nữa.
Lợi ích với người dùng:
- Trực quan: dễ dàng để tìm hiểu và dễ dàng để hoạt động
- Hiệu quả: tốc độ về kỹ thuật
- Chức năng bảo vệ: Kiến trúc phần mềm tạo thành một cơ sở ổn định cho sự đổi mới trong tương lai.
3.5.2 Kết nối qua giao thức TCP/IP
- Để lập trình SIMATIC S7-1200 từ PC hay Laptop cần một kết nối TCP/IP
- Để PC và SIMATIC S7-1200 có thể giao tiếp với nhau, điều quan trọng là các địa chỉ IP của cả hai thiết bị phải phù hợp với nhau
Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng Tia Portal V17
Bước 2: Click chuột vào Create new project để tạo dự án.
Bước 3: Nhập tên dự án vào Project name sau đó nhấn create
Bước 5: Chọn add new device
Bước 6: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add
Bước 7: Project mới được hiện ra
3.5.4 TAG của PLC / TAG local
- Phạm vi ứng dụng: Giá trị Tag có thể được sử dụng mọi khối chức năng trong PLC
- Ứng dụng: Binary I và O, Bits of memory
- Định nghĩa vùng: Bảng tag của PLC
- Miêu tả: Tag PLC được đại diện bằng dấu ngoặc kép Tag Local
- Phạm vi ứng dụng: giá trị chỉ được ứng dụng trong khối được khai báo, mô tả tương tự có thể được sử dụng trong các khối khác nhau cho các mục đích khác nhau.
- Ứng dụng: tham số của khối, dữ liệu static của khối, dữ liệu tạm thời
- Định nghĩa vùng: khối giao diện
- Miêu tả: Tag được đại diện bằng dấu # Sử dụng Tag trong các hoạt động
Hình 3.10: Giao diện TAG của PLC và TAG local
Ngoài ra còn có một số chức năng sau:
-Giám sát tag của plc
-Hiện và ẩn biểu tượng
-Đổi tên tag: Rename tag
-Đổi tên địa chỉ tag: Rewire tag
-Copy tag từ thư viện Global
Làm việc với một trạm PLC
3.6.1 Quy định địa chỉ IP cho module CPU
IP TOOL có khả năng thay đổi địa chỉ IP của PLC S7-1200 theo hai phương pháp khác nhau Hướng tiếp cận phù hợp sẽ được tự động xác định dựa trên trạng thái hiện tại của địa chỉ IP đó, giúp quá trình cấu hình diễn ra thuận lợi và hiệu quả hơn.
Để thiết lập địa chỉ IP ban đầu cho PLC S7-1200, bạn cần sử dụng chức năng cài đặt của IP TOOL nếu PLC chưa có địa chỉ IP IP TOOL sẽ tự động cấp phát một địa chỉ IP mặc định, giúp quá trình kết nối và cấu hình thiết bị trở nên dễ dàng hơn Việc gán địa chỉ IP ban đầu này là bước quan trọng để đảm bảo PLC hoạt động chính xác trong hệ thống mạng của bạn.
- Thay đổi địa chỉ IP: nếu địa chỉ IP đã tồn tại, công cụ IP TOOL sẽ sửa đổi cấu hình phần cứng của PLC S7-1200.
3.6.2 Đổ chương trình xuống CPU Đổ từ màn hình soạn thảo chương trình bằng cách kích vào biểu tượng download trên thanh công cụ của màn hình
Hình 3.11: Giao diện đổ chương trình xuống CPU
Chọn cấu hình Type of the PGvà PC interface và PGvà PC interface như hình dưới sau đó nhấn chọn load
Chọn start all như hình vẽ và nhấn finish
Hình 3.13: Load chương trình 3.6.3 Giám sát và thực hiện chương trình Để giám sát chương trình trên màn hình soạn thảo kích chọn Monitor trên thanh công cụ.
Hình 3.14: Màn hình soạn thảo 1
Hoặc cách 2 làm như hình dưới
Hình 3.15: Màn hình soạn thảo 2
Sau khi chọn monitor chương trình soạn thảo xuất hiện như sau:
Hình 3.16: Màn hình soạn thảo 3
Kỹ thuật lập trình
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp lại Mỗi chu kì lặp được gọi là vòng lặp Mỗi vòng lặp được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dụng của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số Vòng quét kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
Bộ đệm I và Q không liên quan đến các đầu vào và đầu ra tương tự, do đó, các lệnh truy cập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý mà không thông qua bộ đệm Điều này giúp tối ưu hóa hiệu năng và giảm thiểu độ trễ trong quá trình truyền dữ liệu Việc truy cập trực tiếp vào cổng vật lý đảm bảo tính chính xác và tốc độ xử lý cao, phù hợp với các yêu cầu của hệ thống RF và truyền thông Vì vậy, hiểu rõ vai trò của bộ đệm I và Q là quan trọng để thiết kế hệ thống hiệu quả và tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Hình 3.17: Cấu trúc lập trình 3.7.2.1 Kh i t ch c OBố ổ ứ
- Organization blocks: là giao diện giữa hoạt động hệ thống và chương trình người dùng Chúng được gọi ra bởi hệ thống hoạt động, và điều khiển theo quá trình:
+ Xử lý chương trình theo quá trình
+ Báo động và kiểm soát xử lý chương trình
- Startup oB, Cycle OB, Timing Error OB và Diagnosis OB:
Có thể chèn và lập trình các khối này trong các project Không cần phải gán các thông số cho chúng và cũng không cần gọi chúng trong chương trình chính.
Process Alarm OB và Time Interrupt OB là các khối OB cần được tham số hóa khi đưa vào chương trình PLC để đảm bảo hoạt động chính xác Quá trình báo động OB có thể được gán cho các sự kiện thời gian thực bằng cách sử dụng lệnh ATTACH, giúp quản lý hiệu quả các thông báo cảnh báo trong hệ thống tự động hóa Ngoài ra, các OB này còn có thể tách biệt khỏi nhau bằng lệnh DETACH nhằm linh hoạt trong quá trình vận hành và bảo trì hệ thống tự động.
Trong dự án điều khiển tự động, Time Delay Interrupt OB (OB ngắt thời gian trễ) có thể được tích hợp và lập trình dễ dàng Việc gọi OB này trong chương trình thực hiện thông qua lệnh SRT_DINT, trong đó tham số không cần thiết, giúp tối ưu hóa quá trình xử lý và đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống tự động hóa.
FC:CHỨC NĂNGDB:KHỐI DỮ LIỆUOB: KHỐI TỔ CHỨCFB: KHỐI CHỨC NĂNG
Khi một số OB bắt đầu hoạt động, hệ điều hành sẽ đọc ra thông tin xác thực từ chương trình người dùng, giúp hỗ trợ việc chẩn đoán lỗi hiệu quả Thông tin này, dù được cung cấp trong các mô tả của khối OB, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chính xác nguyên nhân phát sinh sự cố Việc đọc dữ liệu từ OB khi bắt đầu vận hành là bước quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và dễ dàng xử lý các sự cố kỹ thuật.
Functions (FC) là các khối mã không cần bộ nhớ, giúp tối ưu hóa hiệu suất lập trình Dữ liệu của các biến tạm thời bị mất sau khi FC được thực thi, giúp quản lý bộ nhớ hiệu quả hơn Các khối dữ liệu toàn cục có thể được sử dụng để lưu trữ dữ liệu liên quan đến FC, đảm bảo tính nhất quán và dễ truy cập trong quá trình lập trình.
- Functions có thể được sử dụng với mục đích
+ Trả lại giá trị cho hàm chức năng được gọi
Chức năng trong lập trình cho phép thực hiện các hoạt động nhị phân, mang lại khả năng điều khiển riêng biệt cho từng tác vụ Ngoài ra, Function Call (FC) có thể được gọi nhiều lần tại các thời điểm khác nhau trong cùng một chương trình, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lập trình chức năng lặp đi lặp lại phức tạp.
- FB đối với mỗi lần gọi, FB cần một khu vực nhớ Khi một FB được gọi, một Data Block được gán với instance DB Dữ liệu trong Instance DB sau đó truy cập vào các biến của FB Các khu vực bộ nhớ khác nhau đã được gán cho một FB nếu nó được gọi ra nhiều lần.
Trong hệ thống tự động hóa, DB (Data Block) thường dùng để cung cấp bộ nhớ cho các biến dữ liệu Có hai loại DB chính gồm Global DB, cho phép tất cả các OB, FB và FC truy cập và đọc dữ liệu lưu trữ, cũng như ghi dữ liệu vào DB, và Instance DB, được gán riêng cho một FB cụ thể để lưu trữ dữ liệu của từng instance.
Hình 3.18: Cấu trúc lập trình
1.Nguồn điện 24v: Để tăng khả năng chống nhiễu, hãy kết nối "M" với mặt đất của khung máy ngay cả khi không sử dụng nguồn cảm biến.
2.Đối với đầu vào chìm,hãy kết nối "-" với "M":Để lấy nguồn đầu vào, hãy kết nối "+" với "M".
Lập trình điều khiển
Network 1: chương trình động cơ step
Network 3: khai báo hệ thống.
Network 4.Vị trí nước ban đầu.
Network 9: Vị trí hoàn thành.
Network 10: Quay về vị trí ban đầu.
Network 11: Chuyển đổi chế độ nước 1 với chế độ nước 2.
Kết luận chương 3
Chọn PLC và các thiết bị sử dụng cho hệ thống.
- Tìm hiểu và chọn được PLC siemens 1214C DC/DC/DC
- Tìm hiểu và biết các sử dụng phần mềm lập trình PLC —TIA Portal.
- Lặp trình cho các thiết bị điện sử dụng trong hệ thống
KẾT QUẢ VÀ ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM
Cấu trúc tổng thể hệ thống
4.1.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng của từng khối:
+ Khối Nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống hoạt động
+ Khối cảm biến: Gồm các tín hiệu của cảm biến.
+ Cơ cấu chấp hành: Gồm các băng tải, động cơ bơm, quạt xấy, động cơ chổi rửa, để thực hiện việc xử lý hoạt động của hệ thống.
+ Khối xử lý trung tâm (PLC): Thực hiện việc điều khiển cơ cấu chấp hành khi có tín hiệu điều khiển từ máy tính và thu nhận dữ liệu từ khối tín hiệu truyền về gửi lên máy tính.
Khối tín hiệu vào ra (I/O) đóng vai trò quan trọng trong việc nhận dữ liệu từ PLC, giúp hiển thị trạng thái của các thiết bị trong hệ thống tự động hóa Ngoài ra, khối I/O còn thực hiện điều khiển các thiết bị của cơ cấu chấp hành, đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả Việc cài đặt các thông số qua PLC thông qua khối tín hiệu vào ra giúp tối ưu hóa quá trình vận hành và giám sát hệ thống tự động.
Nguyên lý làm việc
Dưới đây là đoạn văn đã được chỉnh sửa, tập trung vào các câu mang ý nghĩa rõ ràng và phù hợp với quy chuẩn SEO:Hệ thống chuyển bơm thực hiện theo chu kỳ gồm nhiều giai đoạn, bắt đầu từ việc điều chỉnh ống đựng dựa trên cảm biến Khi cảm biến phát hiện mức nước đạt mức 40 xung, bơm sẽ hoạt động trong vòng 5 giây (timer T1 = 5s) để rót nước vào bình Sau đó, hệ thống tạm dừng và chờ đợi tiếp tục, đến khi cảm biến phát hiện mức nước đạt mức 2, bơm sẽ hoạt động lại trong 5 giây (timer T2 = 5s) để tiếp tục rót nước Hệ thống tự động điều chỉnh quá trình chuyển bơm dựa trên dữ liệu cảm biến, đảm bảo nước được cấp chính xác theo yêu cầu.
3 đ 40 xung Sau 5s (timer T3 = 5s), c c đủ ố ượ ốc c c sẽ được đ a đ n v trí c m bi nư ế ị ả ế
4 rót và rót nước 4 đ 20 xung c a c m bi n l u lủ ủ ả ế ư ượng 3 và c c nố ước ra ngoài vị trí hoàn thành Ch m công t c hành trình v trí hoàn thành , h th ng d ng ho tạ ắ ị ệ ố ừ ạ đ ng trong timer T5=5s đ n l y c c nộ ể ấ ố ước hoàn thành sau đó h th ng t i quay vệ ố ả ề v trí đi m ch và STOP B m Ch đ nị ể ờ ấ ế ộ ước lo i 2 quy trình nh trên nh ng sẽạ ư ư không có lo i nạ ước 2 và nước 4.
Cấu hình phần cứng cho PLC S7 - 1200
Hình 4.2: CPU PLC 1214 DC/DC/DC v3.0
Chọn Catalog bên phải của màn hình
Chọn AQ rồi chọn AQ 2x14BIT ta chọn 6ES7 232-4Hb30-0XB0
Hình 4.3: Win CC RT Advanced
- Ta vào Add new device
- Chọn PC systems rồi chọn SIMATIC HMI application ta chọn Win CC RT Advanced
- Chọn Catalog bên phải của màn hình)
- Vào Communications modules rồi chọn PROFINET/Ethernet chọn IE general
Hình 4.4: Kết nối giữa PLC và HMI
Kết nối giữa PLC và HMI
- Kích ô vuông xanh green rồi kéo vào với nhau để liên kết giữa 2 khối
- Kích chuột vào Connections rồi chọn HMI connection kéo lại lần nữa
Ta đã tiến hành cấu hình phần cứng xong Modul để có thể điều khiển biến tần qua cổng vào ra tương tự Có thể sử dụng trực tiếp điều khiển biến tần qua biến trở và thông qua các nút nhấn trên Win CC.
Sơ đồ mạch điều khiển và mạch động lực của hệ thống
4.4.1 Sơ đồ bố trí thiết bị
Hình 4.5: Sơ đồ bố trí thiết bị
Trong hệ thống gồm có các thiết bị sau:
4.4.2 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống
Hình 4.6: Sơ đồ mạch điều khiển
4.4.3 Sơ đồ mạch động lực hệ thống
Hình 4.7: Sơ đồ mạch động lực.
Lưu đồ thuật toán và chương trình
Hình 4.8: Lưu đồ thuật toán hệ thống
4.5.2 PLC tag của hệ thống
Hình 4.9: Bảng tag hệ thống
Mô hình hoạt động chi tiết
Hình 4.10: Mô hình thực tế cốc nước tại vị trí ban đầu.
Hình 4.11: Mô hình thực tế cốc nước tại vị trí nước 1.
Hình 4.12: Mô hình thực tế cốc nước tại vị trí nước 2.
Hình 4.13: Mô hình thực tế cốc nước tại vị trí nước 3.
Hình 4.14: Mô hình thực tế cốc nước tại vị trí nước 4.
Hình 4.15: Mô hình thực tế cốc nước tại vị trí hoàn thành.
Kết luận chương 4
Xây dựng hoàn thiện được mô hình hệ thống pha chế cocktail tự động sử dụng PLC S7 – 1200
- Vẽ được sơ đồ đấu nối PLC với các thiết bị
- Vẽ được sơ đồ bố trí thiết bị
- Vẽ được sơ đồ khối của hệ thống
- Vẽ được lưu đồ thuật toán của hệ thống
- Hoàn thiện mô hình điều khiển hoàn chỉnh của mô hình hệ thống pha chế cocktail.
