Tổng quan sơ lược
Dây chuyền chiết rót nước, đóng nắp và đóng thùng sản phẩm
Dây chuyền chiết rót, đóng nắp và đóng thùng sản phẩm là hệ thống máy móc hiện đại, tạo thành quy trình sản xuất nước đóng chai hoàn chỉnh Quy trình này bao gồm các bước: định hình chai, xử lý vô trùng, chiết rót, đóng nắp, dán nhãn, in date và đóng thùng Trong đó, chiết rót, đóng nắp và đóng thùng là các công đoạn quan trọng nhất Với mức độ tự động hóa cao, dây chuyền chiết rót đảm bảo hiệu quả, năng suất và tính vệ sinh tối ưu; việc đóng nắp cần chặt chẽ để ngăn ngừa rò rỉ trong quá trình vận chuyển, đồng thời khâu đóng thùng giúp sản phẩm được sắp xếp gọn gàng.
Dây chuyền chiết rót, đóng nắp và đóng thùng sản phẩm có nhiều ưu điểm như:
Dễ dàng điều khiển: dễ điều chỉnh dung tích cần chiết rót bằng cách thiết lập trên màn hình cảm ứng
Độ chuẩn xác cao: các cơ cấu chấp hành thay đổi theo lệnh tác động, máy điều khiển hoạt động chính xác bằng các thiết bị điện thông minh
Tốc độ chiết rót cao được đạt được nhờ vào công nghệ chiết rót mới, trong đó áp lực dòng chảy được điều khiển thông qua biến tần, cho phép điều chỉnh linh hoạt tốc độ chiết rót.
Các bộ phận tiếp xúc với chất chiết rót được chế tạo từ inox chống gỉ, mang lại khả năng chống ăn mòn vượt trội và dễ dàng trong việc vệ sinh.
Đặc điểm của dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai tự động
Hệ thống điều khiển bằng màn hình cảm ứng PLC giúp việc cài đặt và thao tác dễ dàng hơn
Thiết bị này đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của GMP, được chế tạo từ thép không gỉ và hợp kim nhôm cao cấp, mang lại khả năng chống ăn mòn tối ưu và thuận tiện trong việc vệ sinh sau khi sử dụng.
Toàn bộ các thông số, mẫu mã có thể được thiết kế và tùy chỉnh theo yêu cầu của khách hàng
Dây chuyền chiết rót tự động 3 trong 1 tích hợp đầy đủ các công đoạn chiết rót, đóng nắp chai và đóng thùng một cách tự động, mang lại hiệu quả cao và tiết kiệm thời gian cho quy trình sản xuất.
Hệ thống định lượng chiết theo thời gian lập trình sẵn giúp đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình chiết Dây chuyền được thiết kế dựa trên công nghệ tiên tiến nhất, mang lại sự ổn định trong hoạt động.
Điều chỉnh lượng chiết theo nhu cầu sản xuất mang lại độ chính xác cao, giúp giảm thiểu chi phí nhân công và nâng cao hiệu quả công việc.
Quy trình sản xuất đồ uống đóng chai của các nhà máy
1 Trong kho nguyên liệu, các hộp chứa các chai rỗng được đặt trên băng tải đến máy cấp chai
2 Bộ phận cấp chai lấy chai ra khỏi thùng và đặt lên băng chuyền để đưa đến máy rửa
3 Máy rửa chai và sau đó làm khô bằng dòng khí nóng
4 Các chai đi vào máy chiết rót qua một đường ống và được làm đầy thể tích
5 Các chai đã đầy vào máy đóng nắp, nơi nắp vặn được đặt và đóng kín
6 Máy dán nhãn có nhiệm vụ gắn nhãn nhận dạng và đánh dấu vào từng chai
7 Các chai được đặt trên mâm xoay và xếp vào các hộp
8 Các hộp được đóng và niêm phong trong kho thành phẩm.
Phân loại các dạng dây chuyền chiết rót, đóng nắp và đóng thùng chai
Dây chuyền chiết rót, đóng nắp và đóng thùng thường được chia thành hai loại chính: loại kết hợp chiết rót và đóng nắp, và loại đóng thùng riêng biệt.
1.1.4.1 Máy chiết rót và đóng nắp
Máy chiết rót và đóng nắp dạng mâm xoay:
Dây chuyền chiết rót và đóng nắp dạng mâm xoay hoạt động theo quy trình tự động, bắt đầu từ việc máy tự động cấp chai vào hệ thống Sau đó, quy trình chiết rót diễn ra, tiếp theo là việc cấp nắp bằng tay Cuối cùng, nắp được vặn tự động và chai được thu lại.
Máy chiết rót và vặn nắp dạng thẳng:
Hình 1.3 Dây chuyền chiết rót và đóng nắp dạng thẳng Quy trình hoạt động: Cấp chai bằng tay → Chiết rót tự động → Cấp nắp bằng tay
Quy trình hoạt động: Cấp chai tự động → Chiết rót tự động → Cấp nắp tự động
Máy đóng thùng tự động:
Hình 1.4 Máy đóng thùng tự động Quy trình hoạt động: Cấp thùng tự động Gập nắp tự động Dán keo tự động
Máy đóng thùng bán tự động:
Hình 1.5 Máy đóng thùng bán tự động Quy trình hoạt động: Cấp thùng bằng tay Gập nắp tự động Dán keo tự động
Các công đoạn của quy trình sản xuất nước của các nhà máy
Quy trình sản xuất nước của các nhà máy gồm 6 công đoạn như mục bên dưới
Giai đoạn tạo phôi bắt đầu bằng việc sử dụng nguyên liệu nhựa PET chính phẩm, được sấy nóng ở nhiệt độ 180°C trong 3-4 giờ Sau đó, hạt nhựa được chuyển qua máy tạo phôi bán tự động, nơi chúng biến đổi từ dạng rắn sang lỏng và được đưa vào khuôn để tạo hình Quá trình ép phôi chỉ diễn ra trong vài chục giây đến vài phút, cho ra từ 12 đến 16 phôi mỗi chu kỳ Các phôi này được chứa trong thùng, kiểm tra bọt khí và cắt bỏ bavia Những sản phẩm đạt tiêu chuẩn sẽ được làm nguội ngoài không khí trước khi được sử dụng làm nguyên liệu để thổi chai.
Giai đoạn thổi chai: Công đoạn này sẽ phải trải qua hai giai đoạn chính là gia công làm mềm phôi và thổi chai trong khuôn:
Để làm mềm phôi chai nhựa Pet, cần phải sử dụng đến hệ thống đèn sấy đặc biệt
Sở dĩ cần phải làm điều này là bởi sẽ giúp phôi mềm hơn để có thể dễ dàng thổi ra hình dạng cần thiết
Sau khi phôi PET trở nên mềm, nó sẽ được gắn vào ngàm kẹp của khuôn Khuôn sau đó được đóng kín, và thanh đẩy sẽ kéo phôi PET xuống đáy khuôn Khi này, khí nén được bơm vào, tạo áp lực trong lòng khuôn, khiến phôi PET dạt ra ngoài và hình thành theo hình dạng của khuôn.
Trong quá trình sản xuất chai nhựa, áp suất được duy trì ổn định trong suốt quá trình thổi và làm nguội phôi PET, giúp định hình hoàn hảo sản phẩm Sau khi được làm nguội bằng nước lạnh, phôi sẽ trải qua quá trình loại bỏ mùi hôi, vi khuẩn và vi trùng Cuối cùng, chai nhựa được lấy ra khỏi khuôn và kiểm tra kỹ lưỡng trước khi được chiết rót các loại chất lỏng như nước tinh khiết và nước uống có ga.
Các nguồn nước ngọt dùng trong sản xuất nước uống thường chứa tạp chất và vi khuẩn, vì vậy khử trùng là bước cần thiết Việc chọn phương pháp khử trùng phù hợp cần dựa vào yêu cầu cụ thể để đảm bảo an toàn cho người sử dụng Ngoài ra, cần tuân thủ quy định về việc sử dụng các chất khử trùng nhất định trong quá trình khử trùng nước uống.
Khử trùng bằng tia cực tím là một phương pháp hiệu quả, sử dụng tia cực tím bước sóng ngắn để xử lý nước Phương pháp này giúp loại bỏ vi khuẩn một cách an toàn mà không ảnh hưởng đến chất lượng nước.
UV không có hiệu quả kéo dài nhưng phương pháp này lại vượt trội hơn các phương pháp khác trong việc khử khuẩn Cryptosporidium hoặc Giardia
Khử trùng bằng ion bạc là phương pháp bổ sung ion bạc vào nước với tỷ lệ từ 0.005-0.1 mg/l, giúp diệt khuẩn hiệu quả (olidodynamic) Tuy nhiên, hiệu quả diệt khuẩn cụ thể chưa được xác định và khả năng bảo vệ khỏi vi khuẩn trong thời gian dài không được đảm bảo Thời gian xử lý kéo dài khoảng vài giờ, và quy trình này chủ yếu được sử dụng trong khử trùng nước uống trên tàu hoặc cung cấp nước cho các vùng gặp thiên tai.
Hiện nay, có nhiều công nghệ khác nhau để rót nước vào chai, phù hợp với từng loại chất lỏng như nước có ga, nước không ga và chất lỏng dạng cô đặc Quy trình định lượng sản phẩm lỏng liên quan đến việc chiết một thể tích nhất định và rót vào chai, đảm bảo tiêu chuẩn xuất thực phẩm Sử dụng máy móc trong quá trình định lượng không chỉ cải thiện điều kiện vệ sinh mà còn nâng cao năng suất và đảm bảo độ chính xác trong việc định lượng sản phẩm.
Các phương pháp định lượng chủ yếu gồm có:
Định lượng bằng bình định mức: Chất lỏng được định mức chính xác bằng bình định mức trước khi rót vào chai
Định lượng bằng cách chiết tới mức cố định là phương pháp chiết chất lỏng vào chai cho đến khi đạt một mức nhất định Quá trình này bao gồm việc chiết đầy chai và sau đó loại bỏ một khối lượng nhất định để đạt được thể tích mong muốn Mặc dù phương pháp này đơn giản, nhưng độ chính xác của nó không cao và phụ thuộc nhiều vào sự đồng đều của chai Việc sử dụng ống thông hơi cũng giúp ngăn chặn việc chiết quá mức, khi chất lỏng đạt đến miệng ống thông hơi thì quá trình sẽ dừng lại.
Định lượng bằng cách chiết theo thời gian là phương pháp cho phép chất lỏng chảy vào chai trong khoảng thời gian xác định, giả định rằng thể tích chất lỏng chảy là không đổi Phương pháp này thường được áp dụng cho các sản phẩm có giá trị thấp và không yêu cầu độ chính xác cao về trọng lượng Các phương pháp chiết rót sản phẩm bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau.
Phương pháp rót áp suất thường cho phép chất lỏng tự chảy vào chai nhờ vào sự chênh lệch độ cao thủy tĩnh Tốc độ chảy của chất lỏng trong phương pháp này khá chậm, do đó, nó chỉ phù hợp với các loại chất lỏng có độ nhớt thấp.
Phương pháp rót chân không là kỹ thuật kết nối chai với hệ thống hút chân không, cho phép chất lỏng chảy vào chai nhờ chênh lệch áp suất giữa thùng chứa và áp suất trong chai Phương pháp này thường được kết hợp với kỹ thuật bù trừ hoặc chiết đầy chai để đảm bảo lượng chất lỏng được rót vào một cách chính xác.
Phương pháp rót đẳng áp được sử dụng cho các sản phẩm có gas như bia và nước ngọt, với áp suất trong chai lớn hơn áp suất khí quyển để giữ ga trong chất lỏng Trong quy trình này, khí CO2 được nạp vào chai cho đến khi đạt áp suất tương đương với bình chứa, sau đó sản phẩm được rót vào chai nhờ chênh lệch độ cao Máy định lượng chiết rót có nhiều cơ cấu rót, mỗi cơ cấu phục vụ cho một chai riêng biệt.
Các cơ cấu rót có thể được bố trí thẳng hàng để làm việc đồng thời hoặc trên bàn quay để làm việc tuần tự Quy trình bắt đầu khi các chai được đưa lên hệ thống băng tải và đi qua hệ thống súc rửa để loại bỏ bụi bẩn Sau khi được làm sạch, các chai sẽ được chuyển đến hệ thống rót liệu, nơi chúng được định vị để các cơ cấu cơ khí có thể kẹp giữ Tại đây, chất lỏng được chiết vào chai bằng các phương pháp khác nhau như chiết đẳng áp, chiết đẳng tích và chiết định lượng.
Máy đóng nắp chai là thiết bị quan trọng trong ngành sản xuất đồ uống, thực phẩm, mỹ phẩm và hóa chất công nghiệp, giúp đảm bảo sự kín đáo và ngăn ngừa rò rỉ chất lỏng Sau khi chiết rót, chai sẽ được vận chuyển qua băng tải đến vị trí đóng nắp Quá trình đóng nắp bao gồm cơ cấu cấp phôi và hệ thống đóng nắp, có thể sử dụng xylanh khí nén cho nắp dập hoặc motor cho nắp vặn.
Quá trình đóng nắp chai bằng xylanh khí nén (nút dập) diễn ra sau khi chai đã được cấp nắp tự động Tại vị trí đóng nắp, hệ thống xylanh khí nén sẽ thực hiện việc dập nắp trực tiếp, đảm bảo nắp chai kín và khớp hoàn hảo với miệng chai.
Khảo sát mô hình trong thực tế
Sục rửa vỏ chai tự động
Công đoạn sục rửa vỏ chai sử dụng nước nóng để tiệt trùng và làm sạch, sau đó vỏ chai sẽ được sấy khô bằng hệ thống dryer hoặc blower Đối với chai nhựa dùng một lần, quá trình sục rửa sẽ không được thực hiện Vỏ chai nước tinh khiết được cấp trực tiếp vào các vòi chiết rót qua hệ thống feeder Để đảm bảo quy trình khép kín và đạt công suất cao, dây chuyền sản xuất lớn thường sử dụng máy sục rửa - chiết rót và vặn nắp 3in1, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm.
Chiết rót tự động
Dây chuyền chiết rót tự động với máy chiết rót bàn xoay có khả năng sử dụng từ 8 đến 40 đầu chiết cùng lúc, tùy thuộc vào công suất định lượng Máy có thể chiết rót nhiều lần qua từng vòi với một lượng thể tích nhất định, đảm bảo chai được chiết rót đủ dung tích theo yêu cầu sau khi ra khỏi đầu chiết cuối cùng theo phương pháp chiết rót tuyến tính (Linear filling).
Dây chuyền chiết rót có công suất thấp và không yêu cầu tự động hóa cao có thể sử dụng băng tải gắn liền với máy chiết rót 1-2 đầu Trong quy trình này, công nhân hoặc băng tải ngắn sẽ đặt và nhấc vỏ chai ra khỏi vị trí chiết rót, đảm bảo số lượng vỏ chai phù hợp với công suất chiết rót thấp.
Có nhiều lựa chọn chiết rót tự động bao gồm:
Chiết rót với dung tích cố định cho một loại chai với một dung tích chính xác
Chiết rót với dung tích có thể thay đổi linh hoạt
Chiết rót theo dải dung tích: 100-500ml, 500-1000ml, 1000-2000ml, 2000- 5000ml…
Việc kiểm soát dây chuyền chiết rót, bao gồm số lượng chiết, công suất và dung tích chiết rót, được tích hợp và điều chỉnh dễ dàng thông qua màn hình HMI với giao diện thân thiện, giúp người dùng thao tác thuận tiện.
Vặn nắp chai tự động
Máy vặn nắp chai sử dụng đầu 2, 3, 4 roller giúp đảm bảo tính chính xác và hiệu suất trong quá trình chiết rót Sản phẩm chủ yếu bao gồm chai nhựa và thủy tinh cho nước tinh khiết, nước ngọt và đồ uống, với nắp chai nhựa có ren Chúng tôi cũng cung cấp giải pháp đóng nắp cho chai thủy tinh chứa đồ uống có cồn như rượu vang và rượu trắng, sử dụng nút bấc Đối với một số loại chai nước tinh khiết và đồ uống, nắp chai sẽ được niêm phong nhãn sau khi vặn nắp nhờ máy co màng nắp chai dạng hầm gia nhiệt - Shrink Tunnel.
Dây chuyền vặn nắp chai tự động có thể thực hiện công đoạn cấp nắp chai bằng tay để tiết kiệm chi phí, tuy nhiên, nắp chai cũng có thể được cấp tự động thông qua hệ thống bowl feeder và phễu rung, kết hợp với máy vặn nắp.
Có 2 hình thức dán nhãn chai phổ biến đó là phóng nhãn + co nhãn nilon và dán nhãn chai bằng nhãn giấy, nhãn decal, sticker.
Dán nhãn tự động, phóng nhãn tự động
Sản phẩm chai nước lọc thường được dán nhãn bằng màng nhựa do hình dáng đặc thù của vỏ chai Quy trình dán nhãn này được thực hiện bằng máy phóng nhãn màng nilon (Sleeve labelling), với thiết kế khuôn phóng nhãn phù hợp với hình dáng của chai Máy tự động cắt nhãn từ cuộn và phóng nhãn lên cổ và thân chai tại vị trí chính xác theo yêu cầu của khách hàng.
Hình 1.16 Dây chuyền dán nhãn tự động, phóng nhãn tự động
Co màng tự động
Máy co màng với buồng gia nhiệt giúp nhãn co nhiệt và bám chắc vào thân chai, đảm bảo tính thẩm mỹ và chất lượng sản phẩm Thiết bị này cho phép điều chỉnh nhiệt độ và lưu lượng khí nóng phù hợp với từng loại nhãn chai, từ chai nhựa đến chai thủy tinh, giúp màng co nhanh chóng, chắc chắn mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng của chai và nội dung bên trong.
Dán nhãn chai tròn, dán nhãn decal, sticker
Phương pháp dán nhãn chai bằng giấy decal và sticker được áp dụng cho chai nhựa PE, PET và chai thủy tinh có bề mặt trơn Chai sẽ được đưa qua hệ thống roller để dán nhãn chính xác vào vị trí mong muốn trên thân chai mà không cần sử dụng máy co màng như với nhãn nilon hay nhãn màng nhựa Máy dán nhãn giấy thường có cấu tạo đơn giản và hiệu quả trong việc dán nhãn cho các sản phẩm này.
Cụm tách chai là một sản phẩm quan trọng, giúp tạo khoảng cách giữa các chai khi chúng di chuyển vào máy dán Điều này đảm bảo thời gian chu trình và giúp hệ thống hoạt động một cách nhịp nhàng, hiệu quả.
Cụm ép xoay chai để dán nhãn gồm động cơ xoay và xylanh điều khiển
Cụm cấp nhãn tự động sử dụng động cơ step motor và cảm biến để xác định vị trí dừng nhãn, cùng với cảm biến sản phẩm đầu vào, giúp đảm bảo việc cấp và dừng nhãn chính xác Hệ thống điều khiển thông minh tính toán và điều chỉnh các cụm chức năng hoạt động đồng bộ, cho phép quy trình dán nhãn chai tròn diễn ra tuần tự và chính xác.
Hệ thống kiểm soát lỗi với sensor, cảm biến phát hiện khi không có chai, hết nhãn, nhãn bị rách…giảm thiểu tối đa sai hỏng
Tủ điện điều khiển được thiết kế gọn nhẹ, tích hợp các thiết bị PLC, servo, drive, biến tần, sensor và màn hình cảm ứng từ các thương hiệu uy tín như Schneider, Panasonic, Delta với nguồn gốc từ Đài Loan, EU, Nhật Bản, Australia và Trung Quốc, đảm bảo vận hành ổn định và nâng cao chất lượng, độ chính xác khi dán nhãn Màn hình HMI cảm ứng có giao diện thân thiện, giúp thao tác và vận hành dễ dàng Hệ thống hiệu chỉnh mold cho chai cho phép thay đổi nhãn dán linh hoạt theo sản phẩm và vị trí khác nhau.
Dây chuyền dán nhãn cho sản phẩm chai vuông và chai dẹp yêu cầu sự tùy chỉnh đặc biệt để đảm bảo nhãn được dán chính xác, không bị nhàu nát và bám dính tốt Các loại máy dán nhãn bao gồm máy dán nhãn phẳng, máy dán nhãn chai vuông, máy dán nhãn chai dẹp, máy dán nhãn một mặt, hai mặt và máy dán nhãn nằm ngang, giúp đáp ứng nhu cầu đa dạng trong quy trình sản xuất.
Sau khi dán nhãn và vặn nắp, các loại chai nước lọc sẽ được chuyển ngay vào công đoạn đóng thùng trên máy dán thùng carton Trong khi đó, chai nước ngọt và đồ uống thường được đóng gói theo block trước khi cho vào thùng carton Việc đóng gói chai theo block với màng co không chỉ giúp bảo vệ sản phẩm mà còn tạo sự thuận tiện trong quá trình vận chuyển và tiêu thụ hàng hóa.
Đóng gói màng Block – Shrink Tunnel
Các chai được đóng gói theo các khối 6, 10, 20 chai tùy thuộc vào quy cách và kích thước, trọng lượng của chai Sau khi hoàn thành công đoạn co màng nhãn và dán nhãn tự động, các chai sẽ được chuyển qua băng tải đến vị trí tập kết, nơi chúng nhanh chóng được sắp xếp thành các khối Các khối này, có thể được xếp vào khay, sẽ được đóng gói bằng máy đóng gói và hàn nhiệt.
Đóng thùng Carton + Dán thùng Carton tự động – Carton Sealer
Dây chuyền đóng thùng và dán thùng carton là công đoạn quan trọng trong quy trình đóng gói sản phẩm Sau khi các chai được dán nhãn, chúng sẽ được xếp vào thùng carton, có thể thực hiện thủ công bởi công nhân hoặc tự động bằng các cơ cấu gạt, gắp Thùng carton thường được mở sẵn và đặt vào máy dán sau khi đã xếp sản phẩm, và có thể tự động hóa với máy mở vỏ thùng Cuối cùng, thùng carton sẽ được gập nắp và dán niêm phong cả mặt trên và mặt dưới để đảm bảo an toàn cho sản phẩm.
Đóng đai tự động – Strapping Mchine
Công đoạn đóng đai nhựa cho thùng sản phẩm hoàn thiện với máy đóng đai thùng carton đảm bảo chắc chắn trong lưu kho và vận chuyển
Máy đóng đai loại lớn hoạt động hiệu quả với các kích thước và độ dày đai từ 9-15mm và 0.5-1.1mm, phù hợp cho nhiều loại thùng với kích cỡ và trọng lượng khác nhau Thiết bị này hỗ trợ đóng đai cho cả thùng ngang và thùng carton đứng một cách linh hoạt Quá trình đóng đai diễn ra nhanh chóng, chỉ trong vài giây với tốc độ từ 20 đến 30 đai mỗi phút, mang lại năng suất đóng đai cao.
Máy đóng đai nhỏ và trung bình chuyên dùng để đóng đai thùng carton đơn, trong khi máy siết đai lớn có khả năng cố định nhiều thùng hàng lên pallet, giúp đảm bảo an toàn và ổn định cho hàng hóa trong quá trình vận chuyển.
Hình 1.20 Dây chuyền đóng đai loại nhỏ.
Quấn màng Pallet – Wrapping Machine
Sau khi được đóng pallet, sản phẩm sẽ được quấn màng tự động để bảo quản trong quá trình vận chuyển đến kho hoặc khách hàng Việc quấn màng sẽ được thực hiện trên bàn xoay hoặc băng tải hỗ trợ, tùy thuộc vào kích thước và trọng lượng của pallet.
Máy quấn màng Pallet là thiết bị quan trọng trong dây chuyền chiết rót, đóng chai và đóng thùng tự động, giúp thay thế sức lao động của con người Việc ứng dụng công nghệ này không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất hiệu quả.
Sau khi nghiên cứu khảo sát về dây chuyền sản xuất chai nước tại các nhà máy, nhóm chúng tôi đã quyết định mô phỏng 3 khâu chính của dây chuyền, bao gồm chiết rót, đóng nắp dạng thẳng và đóng thùng tự động Quá trình này được điều khiển bằng 3 PLC để đảm bảo hiệu quả và chính xác trong sản xuất.
TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ TIA PORTAL
Tổng quan PLC
PLC, hay bộ điều khiển logic có khả năng lập trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển thông qua ngôn ngữ lập trình đơn giản Sự khác biệt chính giữa điều khiển logic khả trình và điều khiển theo kết nối cứng là việc thay thế kết nối dây bằng chương trình lập trình Người sử dụng không cần phải am hiểu các ngôn ngữ lập trình phức tạp, mà vẫn có thể lập trình PLC thông qua các liên kết logic cơ bản.
Thiết bị PLC thay thế mạch điện điều khiển trong xử lý số liệu, với nhiệm vụ xác định sơ đồ mạch điều khiển thông qua một chương trình gồm các bước thực hiện hữu hạn Chương trình này mô tả tiến trình điều khiển và được lưu trữ trong bộ nhớ, dẫn đến khái niệm điều khiển theo lập trình nhớ hay điều khiển khả trình Hai hệ điều khiển có thể được biểu diễn dựa trên sự khác biệt trong xử lý số liệu.
Khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển, cần thay đổi mạch điều khiển bằng cách lắp lại mạch và thay thế các phần tử mới bằng relay điện Ngược lại, khi điều chỉnh nhiệm vụ trong hệ điều khiển logic khả trình (PLC), chỉ cần thay đổi chương trình soạn thảo mà không cần thay đổi mạch vật lý.
Cấu trúc của một PLC có thể được mô tả như hình vẽ sau:
Hình 2.2 Cấu trúc chung của bộ điều khiển lập trình PLC
Bộ điều khiển PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến đầu vào, sau đó xử lý tín hiệu này thông qua chương trình điều khiển lưu trữ trong bộ nhớ Kết quả của quá trình xử lý sẽ được xuất ra ở ngõ ra dưới dạng tín hiệu để điều khiển các đối tượng hoặc khâu điều khiển.
2.1.1.1 Bộ nhớ chương trình trong PLC
Bộ nhớ chương trình trong PLC là bộ nhớ điện tử đặc biệt, có thể đọc được Khi sử dụng bộ nhớ RAM, nội dung sẽ thay đổi liên tục trong quá trình điều khiển Nếu mất điện, nội dung RAM có thể được giữ lại nhờ pin dự phòng Đối với chương trình điều khiển ổn định, nó có thể được lưu trữ trong bộ nhớ cố định như EPROM hoặc EEPROM, trong đó EPROM có thể bị xóa bằng tia cực tím.
2.1.1.2 Hệ điều hành trong PLC
Sau khi khởi động bộ điều khiển, hệ điều hành sẽ thiết lập các counter, timer, dữ liệu và bit nhớ với thuộc tính non-retentive về 0 Để thực hiện chương trình, hệ điều hành đọc và thực thi từng câu lệnh từ đầu đến cuối.
Bit nhớ (Bit memory): Các bit memory là các phần tử nhớ, mà hệ điều hành ghi nhớ trạng thái tín hiệu
Bộ đệm (Proccess Image): Bộ đệm là một vùng nhớ, mà hệ điều hành ghi nhớ các trạng thái tín hiệu ở các ngõ vào ra nhị phân
Accumulator: Là một bộ nhớ trung gian mà qua nó timer hay counter được nạp vào hay thực hiện các phép toán số học
Counter, Timer: Timer và counter cũng là các vùng nhớ, hệ điều hành ghi nhớ các giá trị đếm trong nó
Hệ thống Bus là thành phần quan trọng trong PLC, kết nối bộ nhớ chương trình, hệ điều hành và các modul ngoại vi thông qua các dây dẫn Bus cho phép trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị, trong đó hệ điều hành đóng vai trò tổ chức và quản lý việc truyền dữ liệu trên các dây dẫn này.
2.1.2 Nguyên lí hoạt động của PLC Đầu tiên các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi (sensor, contact, …) được đưa vào CPU thông qua module đầu vào Sau khi nhận được tín hiệu đầu vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua module đầu ra xuất ra các thiết bị được điều khiển bên ngoài theo 1 chương trình đã được lập trình sẵn
Một chu kỳ quét (Scan Cycle) bao gồm các bước: đọc tín hiệu đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội bộ, tự kiểm tra lỗi và gửi cập nhật tín hiệu đầu ra Thời gian thực hiện một vòng quét thường rất ngắn, dao động từ 1ms đến 100ms, và phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh của PLC, độ dài chương trình cũng như tốc độ giao tiếp giữa PLC và thiết bị ngoại vi.
Tùy thuộc vào từng loại PLC mà có các cách phân loại khác nhau như PLC S7-
1200 thì phân loại theo 2 đặc điểm sau
Có hai kiểu cơ cấu thông dụng với các hệ thống PLC là kiểu hộp đơn và kiểu module nối ghép
Kiểu hộp đơn thường được sử dụng cho các thiết bị điều khiển lập trình cỡ nhỏ và được cung cấp dưới dạng nguyên chiếc hoàn chỉnh
Kiểu module ghép nối bao gồm nhiều module riêng biệt cho bộ nguồn, CPU và cổng vào/ra, được lắp đặt trên thanh ray Thiết kế này cho phép sử dụng cho các thiết bị lập trình với nhiều kích cỡ khác nhau.
2.1.3.2 Về số lượng các đầu vào ra
Căn cứ vào số lượng đầu vào/ ra ta có thể phân PLC thành bốn loại sau:
PLC nhỏ có đến 256 kênh vào/ra
PLC trung bình có đến 1024 kênh vào/ra
PLC cỡ lớn có trên 1024 kênh vào/ra
2.1.4 Ưu nhược điểm và ứng dụng của PLC
PLC mang lại nhiều lợi ích cho con người, đồng thời cũng có những ưu và nhược điểm riêng Các ứng dụng của PLC được thể hiện rõ ràng trong nhiều ngành nghề khác nhau, như công nghiệp, tự động hóa và quản lý quy trình.
Chức năng lập trình PLC dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn
Thực hiện được các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao
Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản và sửa chữa, giảm đến 80% số lượng dây nối
Cấu trúc của PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng chức năng khác
Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp
Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: Máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị khác
Giá thành phần cứng cao, một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình
Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn
PLC được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, điều khiển quá trình, máy nông nghiệp, thiết bị y tế và thiết bị thu thập dữ liệu trong hệ thống SCADA.
Giới thiệu PLC Siemens
PLC Siemens có nhiều loại phục vụ cho lập trình và điều khiển, nhưng PLC S7-1200 là loại phổ biến và dễ lập trình nhất Chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về PLC S7-1200 trong phần dưới đây.
Các kết cấu chính và đặc điểm nhận dạng PLC được thể hiện qua các mục sau
S7-1200 là một dòng PLC (bộ điều khiển logic lập trình) lý tưởng cho nhiều ứng dụng tự động hóa, nhờ vào thiết kế nhỏ gọn, chi phí hợp lý và khả năng lập trình mạnh mẽ Những đặc điểm này giúp S7-1200 cung cấp giải pháp tối ưu cho các nhu cầu tự động hóa hiện đại.
1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu
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 có tính năng bảo vệ bằng mật khẩu nhằm ngăn chặn truy cập trái phép vào PLC Ngoài ra, tính năng "bảo vệ bí quyết" cũng được cung cấp để bảo vệ các khối đặc biệt của hệ thống.
S7-1200 được trang bị cổng PROFINET, hỗ trợ các chuẩn Ethernet và TCP/IP, đồng thời cho phép kết nối mở rộng thông qua các module truyền thông RS485 hoặc RS232.
Phần mềm Step7 Basic được sử dụng để lập trình cho S7-1200, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình FBD, LAD và SCL Nó được tích hợp trong Tia Portal 15 của Siemens, mang lại sự tiện lợi cho người dùng trong quá trình lập trình.
Hình 2.3 Bộ điều khiển lập trình S7 – 1200
2.2.1.2 Các thành phần của PLC S7-1200
3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như điều khiển AC, RELAY hoặc DC phạm vi rộng
2 mạch tương tự và số mở rộng ngõ vào/ra trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản phẩm
13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau bao gồm (module SM và SB)
2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP
Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24 VDC
S7-1200 có 5 dòng là CPU 1211C, CPU 1212C và CPU 1214C, CPU 1215C, CPU 1217C
2.2.2 Đặc điểm kỹ thuật dòng CPU 121x
Các PLC S7-1200 có thông số kỹ thuật đa dạng, cho phép lựa chọn các đặc điểm phù hợp với nhu cầu ứng dụng cụ thể Việc này giúp tối ưu hóa không gian và tốc độ xử lý, đồng thời tránh lãng phí Thông tin chi tiết được trình bày qua bảng so sánh dưới đây.
Bảng 2.1 Đặc điểm kỹ thuật dòng CPU 121x
Gồm có 2 cấu trúc là phần cứng và bộ nhớ được nêu rõ ở mục bên dưới
PLC S7-1200 có 4 bộ phận cơ bản: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất/ nhập
Bộ xử lý trung tâm (CPU) trong hệ thống PLC có hai chức năng chính: đầu tiên, nó biên dịch các tín hiệu đầu vào; thứ hai, nó thực hiện các hành động điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC.
Bộ nguồn có chức năng chuyển đổi điện áp AC thành DC (24V), điều này rất quan trọng cho các bộ vi xử lý và các mạch điện trong module giao tiếp nhập và xuất hoạt động hiệu quả.
Bộ nhớ: Lưu trữ các chương trình để sử dụng cho các hoạt động dưới sự quản lý của bộ vi xử lý
Các thành phần giao tiếp nhập/xuất đóng vai trò quan trọng trong việc nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền tải đến các thiết bị điều khiển Tín hiệu đầu vào có thể đến từ công tắc hoặc cảm biến, trong khi tín hiệu đầu ra có thể là động cơ hoặc biến tần Chương trình điều khiển được nạp vào hệ thống thông qua bộ lập trình hoặc máy vi tính, giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển.
Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 cho phép mở rộng với tối đa 8 module tín hiệu đa dạng và 1 mạch tín hiệu cho bộ vi xử lý, mang lại khả năng linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống Ngoài ra, S7-1200 còn hỗ trợ 3 module giao tiếp, giúp kết nối và truyền thông hiệu quả.
Hình 2.4 Sơ đồ khối của PLC S7 – 1200
Hình 2.5 Sơ đồ khối vào ra và đấu nối PLC S7 – 1200 1214C
Vùng nhớ Load memory là loại vùng nhớ không bay hơi, nghĩa là thông tin lưu trữ trên nó sẽ không bị mất khi nguồn điện bị ngắt Vùng nhớ này được sử dụng để lưu trữ chương trình người dùng, dữ liệu và cấu hình Khi người dùng tải một dự án xuống CPU, chương trình sẽ được lưu trong vùng nhớ Load, nằm trong CPU hoặc thẻ nhớ (nếu có) Việc sử dụng thẻ nhớ cho phép người dùng mở rộng kích thước chương trình, tương tự như chức năng của ổ cứng trong máy tính.
Vùng nhớ Work memory là loại vùng nhớ tạm thời (volatile), nơi thông tin sẽ bị mất khi nguồn điện bị ngắt Nó được sử dụng để lưu trữ một số thành phần của dự án trong quá trình thực hiện chương trình người dùng CPU sẽ sao chép các thành phần từ vùng nhớ Load memory sang vùng nhớ Work memory Khi mất điện, vùng nhớ này sẽ không còn dữ liệu và sẽ được khôi phục bởi CPU khi nguồn điện được cấp lại Vùng nhớ này tương tự như RAM trong máy tính.
Vùng nhớ Retentive là loại vùng nhớ không bay hơi, dùng để lưu trữ các giá trị từ vùng nhớ Work memory CPU sử dụng vùng nhớ này để giữ lại các giá trị được lựa chọn bởi chương trình người dùng ngay cả khi mất điện Khi có điện trở lại, CPU sẽ khôi phục những giá trị đã lưu trữ Những giá trị này sẽ không bị mất cho đến khi người dùng tải xuống một dự án khác Trong quá trình thực hiện chương trình, CPU sẽ sao chép chương trình lập trình vào vùng nhớ Work memory, và các giá trị được chọn là Retentive sẽ được ghi nhớ ngay cả khi CPU bị mất nguồn.
2.2.4 Kích thước vùng nhớ trong PLC S7-1200
Vùng nhớ Load memory trong PLC S7-1200:
Các PLC khác nhau có các không gian vùng nhớ Load khác nhau và mục đích lưu trữ thì giống nhau được thể hiện ở bảng 2.2
Bảng 2.2 Vùng nhớ Load memory trong PLC S7-1200
Vùng nhớ Word memory trong PLC S7-1200:
Các PLC khác nhau có các không gian vùng nhớ Word khác nhau được thể hiện ở bảng 2.3
Bảng 2.3 Vùng nhớ Word memory trong PLC S7-1200
Vùng nhớ Retentive memory trong PLC S7-1200:
Các PLC khác nhau có các không gian vùng nhớ Retentive và thời gian lưu giống nhau được thể hiện ở bảng 2.4
Bảng 2.4 Vùng nhớ Retentive memory trong PLC S7-1200
Giới thiệu phần mềm Tia Portal
Tương tự như PLC Siemens, Tia Portal có nhiều phiên bản khác nhau, mỗi phiên bản cung cấp các chức năng giao diện phù hợp và dung lượng tải về khác nhau Để đảm bảo có đủ chức năng cần thiết và máy PC hoạt động hiệu quả, Tia Portal V15 là lựa chọn lý tưởng cho việc lập trình chương trình điều khiển.
2.3.1 Giới thiệu phần mềm Tia Portal V15
Tia Portal là phần mềm tích hợp nhiều ứng dụng quản lý tự động hóa và vận hành điện cho hệ thống Đây là phần mềm tự động hóa đầu tiên sử dụng một nền tảng chung để thực hiện các tác vụ điều khiển hệ thống.
Tia Portal là phần mềm tích hợp tự động toàn diện, phục vụ như nền tảng cho các phần mềm khác trong việc lập trình và cấu hình thiết bị Đặc điểm nổi bật của Tia Portal là khả năng cho phép các phần mềm chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu, từ đó tạo ra tính thống nhất và toàn vẹn cho hệ thống quản lý và vận hành.
Tia Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện các thao tác:
2 Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát
3 Thực hiện go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị trong project để xác định bệnh, lỗi hệ thống
4 Tích hợp mô phỏng hệ thống
5 Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens
Hiện tại phần mềm Tia Portal có nhiều phiên bản như Tia Portal V14,Tia Portal V15, Tia Portal V16 và mới nhất là Tia Portal V17
Tia Portal là một công cụ phổ biến trong lĩnh vực tự động hóa, tích hợp nhiều phần mềm như HMI, PLC và Inverter của Siemens Phần mềm này mang lại nhiều ưu điểm nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm trong việc vận hành hệ thống tự động hóa.
2.3.2 Ưu điểm và hạn chế của phần mềm Tia Portal
2.3.2.1 Ưu điểm của phần mềm Tia Portal
Tích hợp tất cả phần mềm trên một nền tảng giúp quản lý dễ dàng với cơ sở dữ liệu chung, đồng thời thống nhất cấu hình Giải pháp này mang lại khả năng vận hành thiết bị nhanh chóng và hiệu quả, đồng thời rút ngắn thời gian tìm kiếm và khắc phục sự cố.
Tất cả các yếu tố như bộ lập trình PLC và màn hình HMI được cấu hình trên Tia Portal giúp chuyên viên tiết kiệm thời gian thao tác Chỉ cần thả một biến số của bộ lập trình PLC vào màn hình HMI, kết nối giữa các thiết bị được thiết lập mà không cần thêm bất kỳ thao tác lập trình nào.
2.3.2.2 Hạn chế của phần mềm Tia Portal
Do tích hợp nhiều phần mềm, cơ sở dữ liệu hệ thống lớn nên dung lượng bộ nhớ
Yêu cầu kỹ thuật cao của người lập trình, quản lý, tốn nhiều thời gian để làm quen sử dụng
Phần mềm Tia Portal do Siemens phát triển cung cấp nhiều thành phần hỗ trợ người dùng trong việc quản lý và lập trình PLC cũng như HMI một cách hiệu quả Bộ Tia Portal bao gồm các thành phần thiết yếu giúp tối ưu hóa quy trình làm việc.
Simatic Step 7 professional và Simatic step 7 PLCSIM: Giải pháp lập trình và mô phỏng PLC S7-300, S&-400, Simatic S7-1200, Simatic S7-1500…
Simatic WinCC Professional: Được dùng để lập trình màn hình HMI, và giao diện SCADA
Simatic Start Driver: Được lập trình cấu hình Siemens
Sirius và Simocode: Thiết lập cấu hình và chuẩn đoán lỗi linh hoạt
Điều khiển chuyển động đơn trục và đa trục được hỗ trợ bởi Scout Tia, cùng với thư viện Simatic Robot cung cấp đầy đủ dữ liệu, giúp người dùng thiết lập cấu hình và hệ thống một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Sau khi tải về ta có các file như sau:
Ta thực hiện các bước sau để cài đặt bộ phần mềm Tia V15:
Bước 1: Mở file “TIA Portal STEP 7 Professional WinCC Professional V15”⇒ Chọn Start.exe ⇒ Nhấn chuột phải ⇒ chọn Run as adminitrator
Bước 2: Sau khi chạy xong sẽ hiển thi lên bảng như hình dưới đây
Nếu hệ thống hiển thị cảnh báo yêu cầu tải phần mềm NET Framework 3.5 SP1, bạn có thể truy cập vào Google và tải phần mềm qua đường link: [Tải Microsoft NET Framework 3.5](https://taimienphi.vn/download-microsoft-net-framework-35-18711) Phần mềm này hỗ trợ chạy các ứng dụng và phần mềm trên hệ điều hành Windows, bao gồm nhiều tính năng mới và cải tiến so với các phiên bản trước.
Bước 5: Chọn đường dẫn để cài đặt phần mềm sau đó chọn Next
Bước 6: Tích chọn vào hai ô như hình phía dưới sau đấy chọn Next
Bước 7: Chọn tích vào ô trống ( như hình phía dưới ) sau đấy chọn Next
Sau đó chờ cho phần mềm cài đặt, vậy là đã cài xong quá trình.
Giới thiệu về phần mềm WinCC
2.4.1 Phần mềm WinCC trong Tia Portal
WinCC là phần mềm giám sát và điều khiển của Siemens, chuyên thu thập dữ liệu trong sản xuất Phần mềm này cung cấp nhiều module chức năng hữu ích trong công nghiệp như hiển thị hình ảnh, tạo thông điệp, lưu trữ và báo cáo Giao diện điều khiển mạnh mẽ, khả năng truy cập hình ảnh nhanh chóng cùng với chức năng lưu trữ an toàn giúp nâng cao tính hữu dụng của WinCC.
Với WinCC, người dùng có khả năng giao tiếp dữ liệu trực tiếp với nhiều loại PLC từ các hãng khác nhau như Mitsubishi và Siemens Việc này được thực hiện thông qua kết nối cổng COM của máy tính với chuẩn RS-232 và chuẩn RS-485 của PLC.
2.4.2 Các ứng dụng của WinCC
Tự động hóa quá trình điều khiển và giám sát sản xuất là một yếu tố quan trọng trong công nghiệp hiện đại Hệ thống WinCC cho phép điều khiển và thu thập dữ liệu từ quy trình sản xuất, mô phỏng các sự kiện xảy ra dưới dạng chuỗi sự kiện trực quan WinCC cung cấp nhiều chức năng hiển thị, thông báo đồ họa, xử lý thông tin đo lường và quản lý các tham số công thức, đáp ứng yêu cầu công nghệ cao Đây là một trong những phần mềm ứng dụng quan trọng trong thiết kế giao diện người máy (HMI).
Phương thức truyền thông Ethernet của các PLC
Trong việc truyền thông giữa các PLC, có nhiều chuẩn truyền thông khác nhau phù hợp với các kiểu và mô hình khác nhau Tuy nhiên, bài viết này sẽ tập trung chủ yếu vào chuẩn truyền thông Ethernet.
2.5.1 Giới thiệu phương thức truyền thông Ethernet
Ethernet là công nghệ truyền thống kết nối các mạng LAN cục bộ, cho phép thiết bị giao tiếp qua một giao thức chung Là lớp giao thức Data-Link trong tầng TCP/IP, Ethernet định dạng và truyền các gói dữ liệu, giúp các thiết bị trên cùng phân khúc mạng phát hiện, nhận và xử lý thông tin Cáp Ethernet là hệ thống dây vật lý dùng để truyền dữ liệu, phục vụ cho nhiều đối tượng đa dạng từ doanh nghiệp đến game thủ.
So với công nghệ mạng LAN không dây, Ethernet ít bị gián đoạn hơn, cung cấp mức độ bảo mật và kiểm soát mạng tốt hơn nhờ yêu cầu kết nối bằng cáp vật lý Mạng Ethernet công nghiệp đang phát triển nhanh chóng, thay thế các mạng công nghiệp truyền thống và mang lại lợi ích về hiệu quả sản xuất, quản lý đơn giản và tích hợp thông tin Tuy nhiên, Ethernet công nghiệp có những khác biệt so với Ethernet dân dụng, vì vậy người kỹ sư cần có kiến thức cơ bản để triển khai và vận hành hiệu quả.
Hiện nay, có 2 chuẩn mạng Ethernet phổ biến đó là:
Tốc độ 10/100Mbs: Đây là tốc độ mạng đạt chuẩn Megabit Hầu hết các kết nối Internet mà ta đang sử dụng đều đạt tốc độ chuẩn này
Tốc độ mạng 10/100/1000Mbs đạt chuẩn Gigabit, phù hợp cho những nhu cầu sử dụng cao như quán net và doanh nghiệp.
Việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp mở ra khả năng áp dụng các kiến trúc điều khiển hiện đại như điều khiển phân tán và điều khiển từ xa Điều này cho phép tích hợp thông tin từ hệ thống điều khiển và giám sát với dữ liệu vận hành sản xuất, cũng như quản lý doanh nghiệp hiệu quả hơn.
Việc đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp cho phép kết nối một lượng lớn thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau thông qua một đường truyền duy nhất, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu sự phức tạp trong hệ thống.
Cấu trúc đơn giản của hệ thống giúp tiết kiệm dây nối và giảm công thiết kế, lắp đặt Việc thay thế nhiều cáp truyền bằng một đường duy nhất không chỉ làm cho quá trình thiết kế trở nên dễ dàng hơn mà còn giảm đáng kể chi phí nguyên vật liệu và công lắp đặt.
Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin là điều cần thiết trong truyền tín hiệu Phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu, dẫn đến việc nội dung thông tin bị thay đổi mà các thiết bị không thể nhận biết được.
Kỹ thuật truyền thông số giúp thông tin được truyền đi chính xác hơn và giảm thiểu sai lệch Các thiết bị kết nối mạng có khả năng tự phát hiện và chẩn đoán lỗi, nâng cao hiệu suất hoạt động Hơn nữa, việc loại bỏ nhiều lần chuyển đổi giữa tín hiệu tương tự và số cũng góp phần cải thiện độ chính xác của thông tin.
Hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế nâng cao độ linh hoạt và tính năng mở, cho phép sử dụng thiết bị từ nhiều hãng khác nhau Việc thay thế, nâng cấp và mở rộng chức năng của hệ thống trở nên dễ dàng hơn Khả năng tương tác giữa các thành phần phần cứng và phần mềm được cải thiện nhờ các giao diện chuẩn.
Việc tham số hóa, chẩn đoán và định vị lỗi của các thiết bị trở nên đơn giản và tiện lợi hơn với một đường truyền duy nhất Nhờ đó, các thiết bị không chỉ trao đổi dữ liệu quá trình mà còn chia sẻ dữ liệu tham số, trạng thái, cảnh báo và chẩn đoán Hơn nữa, các thiết bị có thể tích hợp khả năng tự chẩn đoán, trong khi các trạm trong mạng cũng có thể cảnh báo lẫn nhau.
Việc cấu hình, lập trình và điều chỉnh thiết bị có thể thực hiện từ xa thông qua một trạm kỹ thuật trung tâm, mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới cho hệ thống.
2.5.2 Ưu điểm và nhược điểm của Ethernet
Sau khi đem vào ứng dụng và hoạt động thử thì có những ưu nhược như mục bên dưới
Khi thiết lập mạng LAN có dây, mặc dù tốn kém và mất thời gian hơn mạng WLAN, nhưng nó mang lại nhiều lợi ích đáng kể Tín hiệu Wifi dễ bị nhiễu do sử dụng tần số vô tuyến, trong khi Ethernet có dây không gặp phải vấn đề này Điều này giúp giảm thiểu khả năng gặp sự cố, ngắt kết nối hoặc gián đoạn Internet, đặc biệt quan trọng khi chuyển giao các tệp phương tiện dữ liệu lớn.
Tính linh hoạt và bảo mật của Ethernet là yếu tố quan trọng đối với các doanh nghiệp, giúp duy trì quyền kiểm soát các thiết bị kết nối trong mạng nội bộ Kết nối vật lý không chỉ giải phóng dữ liệu cho người dùng mà còn ngăn chặn các vi phạm an ninh không mong muốn, điều này rất cần thiết để tránh những rủi ro và chi phí phát sinh Trong khi đó, mạng WLAN doanh nghiệp với Wifi có thể dễ dàng tiếp cận các mối đe dọa tiềm ẩn do tín hiệu mở rộng ra ngoài bức tường.
Giá cả của mạng LAN có dây thường cao hơn do tính phức tạp và quy mô lớn hơn Đối với các doanh nghiệp nhỏ, việc thiết kế một mạng lưới an toàn, ổn định và riêng tư sẽ đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu lớn, đặc biệt khi tính đến số lượng máy trạm cần kết nối.
Cách truyền nhận dữ liệu giữa các PLC
S7 Connection kết nối dựa trên phần cứng cổng Ethernet với mạng profinet Giữa
Ba PLC có khả năng kết nối qua Ethernet thông thường bằng cách sử dụng các lệnh TCON, TSEND, TRCV Quá trình truyền nhận dữ liệu sẽ được giám sát và theo dõi thông qua máy tính và Switch mạng Khi lựa chọn cấu hình phần cứng và tạo kết nối S7, cần đảm bảo rằng ID giữa ba PLC là khác nhau Để có thể truy cập giữa ba PLC, cần thiết phải cho phép quyền truy cập (nếu có).
Bước 1: Tích vào ô như hình bên dưới khi của sổ hiện ra
Kết nối S7 cung cấp hai khối hàm GET và PUT, khác với kết nối Ethernet thông thường yêu cầu khai báo truyền nhận từ cả hai phía Trong S7 connection, chỉ cần khai báo một bên, thường được gọi là Master, có nhiệm vụ ghi và đọc dữ liệu.
Bước 2: Tiến hành tạo khối datablock ở cả 3 PLC
Hàm PUT hiểu là ghi dữ liệu từ Master xuống Slave
ADDR_1: địa chỉ trên Slave
SD_1: địa chỉ trên Master
Bước 3: Để có được dữ liệu ta tiến hành cài cấu hình hàm PUT như hình dưới
Ta tiếp tục cấu hình khung truyền dữ liệu
Bước 4: Ta cần cấu hình đúng địa chỉ IP, ID, dữ liệu muốn truyền, độ dài…
ADDR_1: địa chỉ nhận trên Slave
RD_1: địa chỉ lưu lại giá trị trên Master
Ta chỉ cần cấu hình trên Master là PLC tự kết nối
Chúng ta đã kết nối thành công ba PLC và tiếp theo là viết chương trình để thiết lập giao tiếp giữa các PLC Để xác nhận việc truyền dữ liệu thành công, chúng ta sẽ thực hiện thêm một số bước cần thiết.
Bước 1: Truyền dữ liệu qua lại giữa các PLC bằng cách nhập các chữ số để xem
Bước 2: Để kiểm tra xem PLC đã nhận tín hiệu từ PLC khác hay chưa, cần thiết lập giá trị của PLC kia lên mức 1 rồi quay lại Nếu PLC này cũng hiển thị giá trị 1, điều đó có nghĩa là tín hiệu đã được nhận.
Bước 3: Nhận dữ liệu thành công từ PLC khi ta gõ dữ liệu từ bên PLC này là bên PLC kia có
Tín hiệu REQ nên để dưới dạng xung để có thể nhận dữ liệu
Vậy là ta đã truyền thông thành công giữa 3 PLC, tiến hành viết code cho chương trình mong muốn.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Các phương án thiết kế
Hiện nay, có hai phương án thiết kế chính là tập trung và phân tán, mỗi phương án được áp dụng phù hợp với từng kiểu mô hình nhằm tối ưu hóa chi phí, nâng cao năng suất, tốc độ và bảo mật Những lựa chọn này được đề xuất để mang lại lợi ích tối đa cho người sử dụng.
3.1.1 Phương án thiết kế tập trung
Phương án thiết kế tập trung sử dụng một PLC trung tâm để điều khiển toàn bộ hệ thống, đảm bảo mọi tín hiệu đi và về được xử lý liên tục Tất cả các khối đầu vào và đầu ra của hệ thống được kết nối về một PLC tổng, giúp tối ưu hóa quy trình điều khiển và nâng cao hiệu suất hoạt động.
Mô hình yêu cầu 20 đầu vào và 10 đầu ra, trong khi một PLC chỉ có 14 đầu vào và 8 đầu ra Do đó, để điều khiển toàn bộ hệ thống chiết rót, đóng nắp và đóng thùng, cần phải sử dụng một PLC trung tâm cùng với một số mô-đun mở rộng để xử lý tín hiệu hiệu quả.
1 PLC thì không đem lại hiểu quả cao
3.1.2 Phương án thiết kế phân tán
Phương án này sử dụng nhiều PLC để điều khiển từng khâu của toàn bộ hệ thống, với một PLC trung tâm giám sát và điều khiển các PLC khu vực khác trong trạng thái không thường xuyên hoạt động Các PLC khu vực sẽ đảm nhận từng khâu và dây chuyền của hệ thống, nhận tín hiệu từ PLC trung tâm để thực hiện công việc với sự giám sát trong quá trình Tất cả các khối đầu vào và đầu ra của hệ thống được phân chia theo từng khâu và dây chuyền, giúp các PLC khu vực điều khiển quá trình một cách hiệu quả.
Mô hình yêu cầu 20 đầu vào và 10 đầu ra, vì vậy việc sử dụng 1 PLC làm trung tâm điều khiển cùng với 2 PLC cho 2 khu vực nhỏ trong hệ thống giúp tối ưu hóa số lượng đầu vào và đầu ra cho từng khâu Điều này không chỉ giảm bớt gánh nặng trong việc xử lý tín hiệu mà còn nâng cao hiệu quả làm việc của toàn bộ hệ thống.
Hình 3.2 Sơ đồ khối phương án thiết kế phân tán
3.1.3 So sánh giữa hai phương án
Ta sẽ liệt kê các ưu nhược điểm của 2 phương án để thấy được nó phù hợp với từng dạng mô hình khác nhau
3.1.3.1 Ưu điểm của hai phương án
Với phương án thiết kế tập trung
Tiết kiệm được lượng lớn dây nối
Thời gian truyền dữ liệu nhanh
Độ kiểm soát và bảo mật khó bị đánh bại
Truyền chính xác dữ liệu cho đối tượng nhận
Không bị ngắt kết nối do không có hiện tượng thiếu băng thông
Với phương án thiết kế phân tán
Thời gian truyền dữ liệu nhanh
Độ kiểm soát và bảo mật khó bị đánh bại
Truyền chính xác dữ liệu cho đối tượng nhận
Không bị ngắt kết nối do không có hiện tượng thiếu băng thông
3.1.3.2 Nhược điểm của hai phương án
Với phương án thiết kế tập trung
Mất đi một số tính năng di động như kết nối Wifi,…
Với phương án thiết kế phân tán
Mất đi một số tính năng di động như kết nối Wifi,…
Chi phí tốn kém khi nối dây và PLC
Việc thiết lập truyền thông tương đối phức tạp
Sau khi xem xét thống kê các ưu thế của 2 cách thiết kế, lựa chọn thiết kế phân tán cho hệ thống là phù hợp nhất.
Các chức năng chính hệ thống chiết rót, đóng nắp và đóng thùng sản phẩm 47 1 Hệ thống tiêu chuẩn
Hệ thống kết hợp 3 máy chiết rót, đóng nắp và đóng thùng thành một dây chuyền thống nhất
Hệ thống dây chuyền gồm:
Gồm 2 băng chuyền rời rạc chiết rót, đóng nắp và đóng thùng nối liền nhau thành một hệ thống xuyên suốt
Mạch điều khiển trung tâm của PLC đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển toàn bộ quy trình chiết rót, đóng nắp và đóng thùng sản phẩm Hệ thống HMI cung cấp thông tin về trạng thái hoạt động của hệ thống thông qua các đèn LED, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và quản lý quy trình.
Vòi nước: Được thiết kế linh hoạt, có thể thay đổi theo chiều cao của chai
Dung tích chiết rót: Có thể thay đổi theo dung tích của chai chứa
Hệ thống khí nén trong quá trình đóng nắp và đóng thùng chai
Hệ thống được trang bị:
Mạch điều khiển trung tâm PLC của Siemens đảm nhiệm vai trò quan trọng trong việc điều khiển toàn bộ quy trình chiết rót, đóng nắp và đóng thùng Hệ thống được trang bị bảng mạch hiển thị trạng thái hoạt động thông qua các đèn LED màu xanh Trong trường hợp xảy ra sự cố, hệ thống sẽ tự động ngắt điện và phát tín hiệu cảnh báo qua đèn LED.
Khung sườn: Được làm bằng thép chữ V, nhôm định hình trong suốt giúp người sử dụng dễ dàng quan sát hệ thống trong quá trình vận hành
Ống dẫn nước: Bằng nhựa
Chế độ hoạt động auto/manual: Giúp người sử dụng có thể kiểm tra hoạt động của các chức năng
3.2.2 Chức năng chính của khối trung tâm
Khối trung tâm có nhiệm vụ giám sát và điều khiển các khối khu vực, theo dõi hoạt động của từng công đoạn từ xa Khi một công đoạn hoàn thành, khối trung tâm sẽ cho phép công đoạn tiếp theo thực hiện thông qua tín hiệu nhận từ khâu trước Nó có khả năng điều khiển trực tiếp tất cả các khâu trong hệ thống hoặc gián tiếp qua các trạm khu vực, đảm bảo xử lý tín hiệu từ nhiều trạm một cách hiệu quả.
3.2.3 Chức năng chính của khối khu vực
Các khối khu vực sẽ được quản lý và giám sát bởi khối trung tâm, đồng thời cũng sẽ điều khiển từng công đoạn nhỏ trong một quy trình nhất định Mỗi khối khu vực có nhiệm vụ điều phối các công đoạn của quy trình và liên tục gửi tín hiệu về khối trung tâm để đảm bảo sự đồng bộ và hiệu quả.
Giới thiệu phần cứng trong hệ thống
Sau khi nghiên cứu về các dây chuyền công nghiệp và mô hình nhỏ lẻ, chúng tôi đã tổng hợp danh sách các thiết bị có trong mô hình, được trình bày ở các mục tiếp theo.
Hình ảnh van điện từ có trong hệ thống
3.3.1.1 Khái niệm van điện từ 24V
Van điện từ là thiết bị điều tiết lưu lượng chất lỏng hoặc khí qua nó, hoạt động bằng cách mở hoặc đóng nhờ vào bộ điều khiển và nguồn điện 24V, 220V hoặc 110V Khác với các loại van điều khiển điện khác, van điện từ hoạt động theo cơ chế ON/OFF hoàn toàn.
3.3.1.2 Nguyên lí hoạt động của van điện từ 24V
Van điện từ thường có 2 kiểu hoạt động:
Van điện từ thường đóng hoạt động bằng cách mở cửa van khi có nguồn điện cung cấp, trong khi đó, van sẽ ở trạng thái đóng hoàn toàn khi không có điện Loại van này rất phù hợp cho các ngành công nghiệp dân dụng và ứng dụng điện dân dụng.
Van điện từ thường mở: Khi cấp điện thì cửa van đóng, bình thường van mở hoàn toàn
Van điện từ hoạt động như một nam châm điện, khi có nguồn điện, nó sẽ mở để cấp nước cho bơm Khi không có điện, van sẽ đóng lại, ngăn chặn dòng nước lưu thông trong ống.
Hình ảnh xylanh khí nén có trong hệ thống
Hình 3.4 Xylanh tác động kép
3.3.2.1 Khái niệm xylanh khí nén
Xylanh khí nén là những thiết bị cơ học sử dụng sức mạnh của khí nén để tạo ra một lực trong chuyển động tuyến tính tịnh tiến
3.3.2.2 Nguyên lý làm việc của xylanh khí nén
Xylanh tác động kép khí nén cho phép điều khiển chuyển động bằng cách cung cấp khí nén từ hai phía Sự di chuyển của xylanh, vào hoặc ra, phụ thuộc vào phía được cấp khí nén Hai ngõ vào điều khiển giúp điều chỉnh xy lanh di chuyển qua lại, khi cần thiết Khi xylanh di chuyển, nó sẽ ăn khớp với một bánh răng, khiến bánh răng quay và truyền động tới trục bánh răng, từ đó gắn với cơ cấu chuyển động.
Chức năng: Đẩy ra, đẩy vào để đáp ứng các cơ cấu chấp hành của mô hình 3.3.3 Bộ nguồn 24V
Hình ảnh bộ nguồn tổ ong 24V có trong hệ thống
Bộ chuyển đổi nguồn điện từ điện thông thường 220V xoay chiều( AC ) về điện áp 24V một chiếu( DC ) thường được gọi tắt là bộ Nguồn 24V
3.3.3.2 Nguyên lí hoạt động của bộ nguồn 24V
Khi công tắc điện được bật, nguồn điện sẽ đi qua nguồn tổ ong, dẫn đến cuộn sơ cấp của biến áp biến thiên Điều này tạo ra một điện áp ở cuộn thứ cấp, điện áp này sau đó được chỉnh lưu qua một số diode và được đưa vào tụ lọc nguồn thứ cấp để làm phẳng điện áp Cuối cùng, các tụ IC quang và IC TL431 sẽ điều khiển dao động đóng/cắt điện vào cuộn sơ cấp của biến áp xung nhằm đảm bảo điện áp ra bên thứ cấp đạt yêu cầu.
Chức năng: Cung cấp nguồn 24V DC cho các thiết bị trong mô hình.
Hình ảnh cảm biến vật cản có trong hệ thống
Hình 3.6 Cảm biến vật cản
3.3.4.1 Khái niệm cảm biến vật cản
Cảm biến quang điện bao gồm một nguồn phát quang, thường là LED hoặc LASER, để phát ra ánh sáng có thể nhìn thấy hoặc không nhìn thấy Bộ thu quang, sử dụng photodiode hoặc phototransistor, có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện.
3.3.4.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến vật cản
Khi mục tiêu tiếp cận vùng phát của cảm biến, tín hiệu ánh sáng sẽ phản xạ và tác động vào LED thu Điều này dẫn đến việc LED thu kích hoạt transistor để phát tín hiệu ra ngoài.
Chức năng: Phát hiện các vật cản (chai) để đưa tín hiệu về cho bộ điều khiển 3.3.5 Băng chuyền
Hình ảnh băng chuyền có trong hệ thống
Băng chuyền là thiết bị cơ khí dùng để di chuyển hàng hóa và vật tư từ vị trí này đến vị trí khác theo một lộ trình cố định Hệ thống băng chuyền giúp tối ưu hóa quá trình vận chuyển, mang lại sự nhanh chóng và hiệu quả cho nhiều loại vật liệu khác nhau.
3.3.5.2 Nguyên lí hoạt động của băng chuyền
Khi băng chuyền hoạt động, rulo quay nhờ lực ma sát, giúp dây băng tải di chuyển Tốc độ của dây băng chuyền có thể được điều chỉnh tùy theo nhu cầu vận chuyển Các vật cần chuyển sẽ được đặt trên bề mặt băng chuyền và được vận chuyển nhờ sự chuyển động của dây.
Chức năng: Vận chuyển chai và thùng trong hệ thống
Hình ảnh động cơ DC có trong hệ thống
Hình 3.8 Các loại động cơ
3.3.6.1 Khái niệm động cơ DC Động cơ DC là động cơ hoạt động với dòng điện 1 chiều Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM
3.3.6.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC
Khi dòng điện chạy qua cuộn dây quấn quanh lõi sắt, lực tác động lên hai cạnh của cuộn dây theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming sẽ tạo ra sự quay cho rotor Để rotor quay liên tục, bộ cổ góp điện sẽ thay đổi mạch dòng điện sau mỗi 1/2 chu kỳ Tuy nhiên, lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90 độ so với phương ban đầu, dẫn đến rotor quay theo quán tính Sự tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo ra momen điện từ, giúp phần ứng quay quanh trục.
Chức năng: Làm quay băng tải trong mô hình
Hình ảnh van khí nén 24V có trong hệ thống
3.3.7.1 Khái niệm van khí nén 24V
Van đảo chiều điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng mở và thay đổi vị trí các cửa van, từ đó điều chỉnh hướng của dòng khí nén.
3.3.7.2 Nguyên lý hoạt động của van khí nén 24V
Khi chưa có tín hiệu điện vào chân 14, van hoạt động ở vị trí bên phải, cho phép cửa số 1 thông với cửa số 2 và cửa 4 thông với cửa 5, trong khi cửa số 3 bị chặn Khi tín hiệu điện được cung cấp vào chân 14, van sẽ đảo trạng thái.
1 thông với cửa 4, cửa 2 thông với cửa 3, cửa số 5 bị chặn,
Chức năng: Đóng mở khí cho xylanh trong mô hình
Hình ảnh relay 24V có trong hệ thống
Rơ le là thiết bị tự động, có khả năng thay đổi tín hiệu đầu ra khi tín hiệu đầu vào đạt giá trị nhất định Thiết bị này được sử dụng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và quản lý hoạt động của mạch điện động lực.
Sơ đồ đấu nối dây
Để hệ thống hoạt động hiệu quả, việc đấu dây cho các phần cứng là yếu tố quan trọng không thể bỏ qua.
Hình 3.17 trình bày sơ đồ đấu nối của PLC Slave 1, trong đó nguồn cấp cho PLC là 220VAC kết nối vào chân L+ và M (220V AC), chân M (24V DC) đồng bộ với âm nguồn của bộ nguồn tổ ong (24V), còn chân L+ và chân 1M nối vào dương nguồn của bộ nguồn tổ ong Cảm biến vật cản sử dụng là NPN, với tín hiệu trả về ở mức thấp, trong đó cảm biến rót nước, cảm biến đóng nắp và cảm biến đẩy chai được kết nối theo thứ tự từ I0.0 đến I0.2 Về phía outputs, chân 3L+ và 3M lần lượt kết nối với dương và âm nguồn tổ ong, trong khi relay của băng chuyền, van nước và hai xylanh đóng đẩy chai được kết nối vào chân Q0.0 đến Q0.3.
3.4.2.Sơ đồ đấu nối cho PLC Slave 2
Hình 3.18 minh họa sơ đồ đấu nối của PLC Slave 2, trong đó nguồn cấp cho PLC là 220VAC được kết nối vào chân L+ và M (220V AC) Chân M (24V DC) sẽ đồng bộ với âm nguồn của bộ nguồn tổ ong (24V), trong khi chân L+ đảm bảo việc cung cấp điện cho hệ thống.
Trong hệ thống NPN, tín hiệu trả về được thiết lập ở mức thấp, với cảm biến gập thùng và cảm biến cắt keo được kết nối theo thứ tự từ I0.0 đến I0.1 Các chân output 3L+ và 3M được nối vào nguồn dương và âm của tổ ong, cùng với relay cho các chức năng như băng chuyền, kẹp chai, rút ván đỡ, thả chai, gập thùng và cắt keo, được kết nối lần lượt vào các chân Q0.0 đến Q0.5.
3.4.3 Sơ đồ đấu nối cho Master
Hình 3.19 Sơ đồ đấu nối của Master
3.4.4 Sơ đồ đấu nối nguồn tổ ong và bộ giảm tốc
Hình 3.20 Sơ đồ đấu nối nguồn tổ ong và bộ giảm tốc
Bộ nguồn tổ ong(24V) chân L,N nối vào nguồn AC 220V, chân 0V DC và 24V
DC nối lần lượt vào Vin+ và Vin-
3.4.5 Sơ đồ đấu nối nút nhấn
Sơ đồ đấu nối nút nhấn cho Master cho thấy cách kết nối nút nhấn với nguồn tổ ong Một đầu của nút nhấn được kết nối với đầu 0VDC của nguồn, trong khi đầu còn lại được nối tiếp với thiết bị cần điều khiển và sau đó kết nối về đầu 24VDC của nguồn tổ ong.
