Đồ án tốt nghiệp hệ thống chiết rót chai

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
----------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH CNKT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT TỰ ĐỘNG
ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT QUA WEBSERVER

Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Anh Tú
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Hưng 2018604740
Nguyễn Duy Minh 2018602030

Hà Nội-2022


1

MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................... 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................ 2
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................. 4
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 5
CHƯƠNG 1 Tổng quan về hệ thống chiết rót .................................................. 7
1.1 Lịch sử nghiên cứu .................................................................................... 7
1.2 Mục tiêu đề tài........................................................................................... 9
1.3 Phương pháp thực hiện đề tài.................................................................. 10
CHƯƠNG 2 Cơ sở thiết kế hệ thống .............................................................. 16

2.1 Hệ thống giám sát qua webserver ........................................................... 16
2.2 Phương pháp điều khiển sử dụng PLC ................................................... 20
CHƯƠNG 3 Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống chiết, rót và đóng nắp tự
động giám sát qua webserver .......................................................................... 26
3.1 Thiết kế thổng thể hệ thống chiết, rót tự động ........................................ 26
3.2 Tính tốn, lựa chọn thiết bị ..................................................................... 32
3.3 Xây dựng, thiết kế hệ thống cơ khí và khí nén ....................................... 59
3.4 Thiết kế mạch điện và kết nối cho hệ thống (Phụ Lục) .......................... 65
3.5 Xây dựng, thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát và mô phỏng hoạt động
của hệ thống .................................................................................................... 65
3.6 Chế tạo, thử nghiệm và đánh giá hệ thống.............................................. 77
Tài liệu tham khảo ........................................................................................... 87
Phụ lục ............................................................................................................. 90


2

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Dây chuyền cơng nghiệp sử dụng băng tải và cánh tay robot[1] ............................ 7
Hình 1.2 Hệ thống điều khiển cơ bản dùng PLC[2] .............................................................. 8
Hình 1.3 Dây chuyền cơng nghiệp sản xuất nước đóng chai[3] ............................................ 9
Hình 2.1 Mơ hình truyền thơng sử dụng Ethernet ............................................................... 17
Hình 2.2 Mơ hình truyền thơng Modbus[4] ......................................................................... 18
Hình 2.3 Mơ hình truyền thơng sử dụng giao thức Profinet ................................................ 18
Hình 2.4 Mơ hình truyền thơng Profibus[5] ........................................................................ 19
Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ............................................................................ 30
Hình 3.1 Kích thước và cấu tạo của xi lanh khí nén AIRTAC TN20[6] ............................. 35
Hình 3.2 Xy lanh khí nén Airtac TN 16 x 100[8] ................................................................ 38
Hình 3.3 Xy lanh khí nén Airtac TN series[9] ..................................................................... 39
Hình 3.4 Van khí nén SY3120-5LZ-M5[10] ....................................................................... 40

Hình 3.5 Máy bơm khí nén mini[11] ................................................................................... 41
Hình 3.6 Nguồn tổ ong ....................................................................................................... 42
Hình 3.7 Sơ đồ mạch giảm áp LM2596[12] ........................................................................ 44
Hình 3.8 Relay[13] .............................................................................................................. 45
Hình 3.9 Động cơ giảm tốc DS 400[14] .............................................................................. 46
Hình 3.10 Động cơ giảm tốc GM8212-31[15] .................................................................... 47
Hình 3.11 Động cơ giảm tốc 350prm[16] ............................................................................ 48
Hình 3.12 Động cơ giảm tốc 60prm[17] .............................................................................. 49
Hình 3.13 Phao chống cạn[18] ............................................................................................ 51
Hình 3.14 Sơ đồ đấu phao trực tiếp với máy bơm ............................................................... 51
Hình 3.15 Nguyên lý cảm biến quang phản xạ[19] ............................................................. 52
Hình 3.16 Cảm biến tiệm quang phản xạ gương[20]........................................................... 53
Hình 3.17 Cảm biến tiệm cận hồng ngoại E18 D80NK[21] ................................................ 54
Hình 3.18 Máy bơm chìm DYH-25 220VAC 25W[22] ...................................................... 55
Hình 3.19 Động cơ bơm 12V - R385[23] ............................................................................ 56
Hình 3.20 PLC s71200 CPU 1212C DC/DC/DC và module mở rộng 16xIO ..................... 57
Hình 3.21 Truyền thơng trong PLC[24] .............................................................................. 58
Hình 3.22 Mâm xoay ........................................................................................................... 60
Hình 3.23 Băng tải ............................................................................................................... 62


3
Hình 3.24 Cơ cấu chiết rót ................................................................................................... 63
Hình 3.25 Rãnh cấp nắp ....................................................................................................... 64
Hình 3.26 Cơ cấu đóng nắp ................................................................................................. 64
Hình 3.27 Giao diện màn hình khởi động............................................................................ 71
Hình 3.28 Giao diện điều khiển trên WinCC....................................................................... 72
Hình 3.29 Giao diện giám sát và thu thập dữ liệu trên WinCC ........................................... 72
Hình 3.30 Giao diện mơ phỏng hoạt động ........................................................................... 73
Hình 3.31 Thiết lập liên kết ảo PG/PC và Cài địa chỉ IP cho máy ...................................... 74

Hình 3.32 Cài IP cho máy PLC ảo....................................................................................... 74
Hình 3.33 Giao diện điều khiển và giám sát trên WebServer.............................................. 75
Hình 3.34 Thiết lập bảng cơ sở dữ liệu WatchTable ........................................................... 75
Hình 3.35 Cài đặt phân quyền, thiết lập tài khoản người dùng ........................................... 76
Hình 3.36 Giao diện điều khiển và giám sát trên PLC Siemens Web ................................. 76
Hình 3.37 Giao diện điều khiển và giám sát trên PLC Siemens Webserver ....................... 78
Hình 3.38 Giao diện điều khiển và giám sát trên Webpage_User define ............................ 79
Hình 3.39 Giao diện thu thập dữ liệu hệ thống trên Webserver .......................................... 79
Hình 3.40 So sánh kết quả WebServer với máy tính cục bộ ............................................... 80
Hình 3.41 Giản đồ trạng thái xy lanh theo thời gian ........................................................... 81
Hình 3.42 Hệ thống khí nén đáp ứng u cầu..................................................................... 81
Hình 3.43 Mạch điện điều khiển hệ thống. .......................................................................... 82
Hình 3.44 Giản đồ theo thời gian thực (START=ON) ........................................................ 84
Hình 3.45 Giản đồ theo thời gian thực (STOP=ON) ........................................................... 85
Hình 3.46 Giản đồ theo thời gian thực (RESET=ON)......................................................... 85
Hình 3.47 Giản đồ trạng thái đầu vào ra của bộ điều khiển (1) ........................................... 86
Hình 3.48 Giản đồ trạng thái đầu vào ra của bộ điều khiển (2) ........................................... 86


4

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Bảng cơ sở lựa chọn xy lanh ................................................................................ 32
Bảng 3.2 Lựa chọn xy lanh theo định tính ........................................................................... 32
Bảng 3.3 Thơng số kĩ thuật xy lanh khí nén Airtac[7] ........................................................ 35
Bảng 3.4 Kết quả tính tốn xy lanh 1 .................................................................................. 36
Bảng 3.5 Kết quả tính tốn xylianh 2 .................................................................................. 37
Bảng 3.6 Thơng số kĩ thuật Van khí nén ............................................................................. 40
Bảng 3.7 Bảng phân chia thiết bị theo điện áp .................................................................... 42
Bảng 3.8 Thông số kĩ thuật nguồn tổ ong ............................................................................ 42

Bảng 3.9 Thông số kĩ thuật mạch giảm áp .......................................................................... 43
Bảng 3.10 Thông số kĩ thuật Relay...................................................................................... 44
Bảng 3.11 Bảng phân loại cảm biến .................................................................................... 50
Bảng 3.12 Tiêu chí phân loại và lựa chọn bơm ................................................................... 54
Bảng 3.14 Khai báo biến đầu vào ........................................................................................ 65
Bảng 3.15 Khai báo bits nhớ nội PLC S71200 .................................................................... 66
Bảng 3.16 Khai báo đầu ra PLC S71200 ............................................................................. 67
Bảng 3.17 Khai bóa bits đầu ra trung gian .......................................................................... 68
Bảng 3.18 Khai báo bits data ............................................................................................... 69
Bảng 3.13 Thiết lập địa chỉ cho các thiết bị truyền thông ................................................... 73
Bảng 3.19 Kết quả lưu trữ dữ liệu trên máy tính cục bộ...................................................... 82


5

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay việc áp dụng các linh hoạt các chun ngành kĩ thuật vào q
trình tự động hóa các dây chuyền sản xuất trong công nghiệp là hết sức quan
trọng. Chuyên ngành cơ điện tử với sự kết hợp của cơ khí, điện và cơng nghệ
thơng tin ra đời để đáp ứng nhu cầu đó. Các thiết bị cơ điện tử được sử dụng
trong hầu hết các sản phấm tự động hố, sán phẩm thơng minh, robot, .... Với
sự kết hợp nhằm đơn giản hóa các thiết kế và điều khiển đồng thời khắc phục
nhưng nhược điểm của từng chun ngành.
Góp phần vào cơng cuộc điều khiển tự động thay thế cho các role là các
dòng, các bộ điều khiển trở nên nhỏ gọn và tiện ích. PLC S7-1200 với khả năng
giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hệ thống (SCADA) mạnh mẽ kết hợp
với các giải pháp ứng dụng IoT trong việc tối ưu các tính năng của bộ điêu
khiển này là một hướng đi tiềm năng trong tương lai và giúp vận hành, giám
sát các hệ thống công nghiệp lớn một cách hiệu quả nhất.
Ngày nay do nhu cầu của người tiêu dùng tăng mạnh, ngành sản xuất đồ

uống đóng chai đang phát triển rất mạnh mẽ. Trong khi đó ở Việt Nam có rất ít
các dây chuyền sản xuất hiện đại, đảm bảo vệ sinh. Việc nhập ngoại các dây
chuyền sản xuất là rất tốn kém. Chính vì những lý do đó mà những dây chuyền
chiết rót ra đời và được nhiều kỹ sư và sinh viên lựa chọn thực hiện ở cấp độ
mơ hình. Thế hệ sau khơng chỉ kế thừa trí tuệ từ những người đi trước mà còn
phát triển từng năm với những thiết kế và ý tưởng sảng tạo hơn. Kỉ ngun số
hóa, internet vạn vật hiện nay địi hỏi cao trong việc điều khiển và giám sát mọi
lúc mọi nơi nên để đáp ứng nhu cầu này thì cần sử dụng mạng truyền thơng
internet để có thể thực hiện. Chính vì vậy, nhóm sinh viên trường đại học công
nghiệp hà nội lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế mơ hinhg chiết rót tự
động điều khiển và giám sát thu thập dữ liệu trên máy tính cục bộ và qua
WebServer”.


6
Với những giải pháp công nghệ, truyền thông mới được nhóm sinh viên
áp dụng mong rằng đề tài khơng chỉ ở trên mơ hình mà tương lai có thể phát
triển ứng dụng vào thực tế dựa trên những tính năng được tối ưu và tĩnh thực
tiễn của mơ hình hệ thống.


7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT
1.1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU
1.1.1 Trên thế giới
Từ cuối thế kỷ XIX cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 2 diễn ra đã
thúc đẩy mạnh mẽ quá trình tự động trong sản xuất. Các dây chuyển sản xuất
tự động càng được chú trọng và phát triển. Các dây chuyền sản xuất tự động
được ứng dụng trong nhiều ngành nghề khác nhau trong đó có ngành sản xuất

đồ uống.
Cùng với sự tiến bộ và phát triển của khoa học kỹ thuật, các dây chuyển
sản xuất ngày càng hiện đại và tiên tiến hơn. Với sự phát triển của công nghệ
đặc biệt là tự động hóa đã tạo ra hàng loạt các dây chuyền sản xuất tự động với
độ chính xác cao, tốc độ nhanh, khả năng ổn định và chun mơn hóa cao… đã
và đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành cơng nghiệp hiện đại.

Hình 1.1 Dây chuyền cơng nghiệp sử dụng băng tải và cánh tay robot[1]

Cơ điện tử đang trở thành một ngành kỹ thuật đa nhiệm vụ, nó đáp ứng
được những địi hỏi khơng nghừng của các ngành khác như trong công nghiệp,
xây dựng, y tế, nông nghệp... Nhờ công nghệ thông tin, công nghệ điện tử đã
phát triển nhanh chóng làm xuất hiện một loại thiết bị khả trình PLC.


8

Hình 1.2 Hệ thống điều khiển cơ bản dùng PLC[2]

Để thực hiện công việc một cách khoa học nhằm đạt số lượng sản phẩm
lớn, nhanh mà lại tiết kiệm chi phí. Các cơng ty, xí nghiệp thường sử dụng cơng
nghệ lập trình PLC trong các hệ thống sản xuất. Dây chuyền sản xuất tự động
PLC giảm sức lao động của công nhân mà sản xuất lại đạt hiệu quả cao, đáp
ứng kịp thời cho đời sống xã hội. Trong đó có ngành cơng nghiệp sản xuất nước
đóng chai. Trong đó dây chuyền chiết rót đóng nắp là một khâu khơng thể thiếu
và rất quan trọng.
1.1.2 Tại Việt Nam
Ngành sản xuất đồ uống đóng chai đang có tốc độ tăng trưởng cao, giàu
tiềm năng phát triển do nhu cầu lớn trong thị trường. Các công ty xuất hiện với
nhiều quy mô khác nhau giúp thúc đẩy sự cạnh tranh mạnh mẽ của thị trường

đồng thời đẩy mạnh sự phát triển của q trình sản xuất. Sự tự động hóa trong
q trình sản xuất là yêu cầu bắt buộc với mọi tập đoàn sản xuất. Để thúc đẩy
năng suất và chất lượng sản phẩm buộc các nhà máy cải tiến dây chuyền sản


9
suất từ thủ công, bán tự động sang tự động. Từ đó lĩnh vực nghiên cứu, thiết
kế, chế tạo các thiết bị, dây chuyền tự động trong nhà máy ngày càng phát triển.

Hình 1.3 Dây chuyền cơng nghiệp sản xuất nước đóng chai[3]

Nước ta đang trong q trình trong q trình hội nhập và 4.0 cùng với sự
cạnh tranh của các doanh nghiệp nước ngồi từ đó việc tự động hóa và tinh
giảm quy trình sản xuất trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
− Xây dựng thành cơng mơ hình hệ thống chiết rót nước uống tự động, điều
khiển và giám sát qua webserver.
− Thiết kế Web cho điều khiển và giám sát hệ thống.
− Lưu trữ dữ liệu trên WebSever có thể xuất .csv
− Điều khiển giám sát hệ thống trên WebSever.
− Tính tốn, lựa chọn thiết bị điện, điện tử, khí nén phù hợp cho hệ thống.
− Hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách sử dụng một số loại cảm
biến và xy lanh trong thực tế.
− Viết được chương trình điều khiển PLC để đưa vào vận hành hệ thống.


10
− Nâng cao khả năng lập trình cho PLC và thiết kế giao diện giám sát.
− Nâng cao kĩ năng sử dụng phần mềm vẽ cơ khí và gia cơng.
− Mơ phỏng được q trình hoạt động của hệ thống.

− Lưu trữ dữ liệu vận hành chính xác và ổn định vào Excel sau khoảng thời
gian. làm việc sử dụng ngơn ngữ văn lệnh VBscript.
− Mơ hình hoạt động ổn định, linh hoạt, đáp ứng nhanh và an toàn.
− Nền tảng để xây dựng và phát triển các dây truyền tự động trong các nhà
máy nhằm thay thế sức lao động của con người để đặt năng suất tối ưu.
− Hiểu được quy trình thiết kế một sản phẩm cơ điện tử thực tiễn.
− Phát triển, tối ưu hóa sản phẩm tiến tới thương mại hóa.
1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
1.3.1 Các vấn đề đặt ra
Đặt vấn đề để hệ thống có thể hoạt động được và đạt được hiệu quả. Các
vấn đề cần quan tâm: Làm thế nào để đưa chai vào hệ thống, giữ chai như thế
nào? Làm thế nào để xác định được lượng nước cần rót? Giao diện điều khiển
khoa học nhất? Phương pháp đóng nắp? Làm cách nào để chai dừng đúng vị trí
rót và đóng nắp? Làm cách nào để điều khiển và truyền thơng ổn định và chính
xác nhất, độ trể đảm bảo.
1.3.2 Giải quyết vấn đề
Để giải quyết các vấn được đặt ra, đề ta cần xác định được nguyên lý vận
hành của hệ thống và chi tiết cần thiết kế. Sau đó, xây đựng sơ đồ khối để xác
định cơ chế vận hành cho từng khối. Từ đó thiết kế chi tiết cho từng khối. Cách
thức thực hiện: đối với đề tài “Hệ thống chiết rót tự động điều khiển và giám
sát qua Webserver” để có thể thực hiện được đề tài này nhóm cần thiết phải
nắm được những kiến thức về cơ khí, về điện tử, về PLC... Tìm hiểu thêm các
tài liệu lện quan đến đề tài thông qua sách báo, mạng, ... để củng cố thêm kiến
thức. Đồng thời cần xây dựng mơ hình phần cứng của hệ thống để làm cơ sở


11
cho đề tài. Mơ hình hệ thống gồm 2 phần, phần cứng và phần mềm. Vì vậy ta
cần cả 2 loại giải pháp phần cứng và phần mềm.
Giải pháp phần cứng: Trong phần cứng bao gồm các cơ chế cấp chai, giữ

chai, rót nước vào chai và đóng nắp.
−

Cấp chai ta dùng cơ cấu băng truyền cuốn thân chai, hoặc cuốn đáy chai.

−

Giữ chai ta dùng phương pháp giữ thân chai.

−

Rót nước vào chai ta định lượng bằng phương pháp định thời, máy bơm

định lượng, bình định lượng, cảm biến, …
−

Đóng nắp chai theo kiểu xoay, dùng động cơ.
Giải pháp phần mềm: Xây dựng lưu đồ giải thuật chương trình cho hệ

thống dùng chương trình để lập trình điều khiển cho PLC Siemens sử dụng
ngơn ngữ lập trình LAD, HTML và CSS.
Sử dụng Chương trình Html lập trình Webserver- máy chủ PLC trên
internet. Địa chỉ online của PLC là nơi lưu trữ dữ liệu hệ thống online và thiết
lập hệ thống nến Web kiểm soát xảy ra lỗi. VBScript để lập trình lưu trữ dữ
liệu trên máy tính vận hành.
1.3.3 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Sử dụng các kiến thức chuyên ngành đã học về cảm biến, tự động hóa,
vẽ kĩ thuật kết hợp với thực tiễn để nghiên cứu thiết kế hệ thống với các chức
năng được thực hiện hoàn toàn tự động từ cơ cấu cấp chai cấp nước đến cơ cấu
đóng thùng.

Hệ thống có thể vận hành ở 2 chế độ tự động và thủ công. Điều khiển dễ
dàng thơng qua các nút nhấn và có sự giám sát quy trình trên thiết bị truyền
thơng cho nhận như máy tính hoặc màn hình hiển thị HMI.
Hệ thống đáp ứng chính xác về số lượng chai cũng như vị trí của chai.
Hệ thống hoạt động ổn định trong thời gian dài và đảm bảo an toàn bằng
một cơ chế cảnh báo khi có lỗi xảy ra.


12
Lập trình và mơ phỏng được hoạt động của hệ thống, tính tốn các kết
cấu cơ khí và điều khiển trên các phần mềm mô phỏng chuyên dụng và vẽ 3D.
Hệ thống điều khiển ổn định trên máy tính cục bộ cũng như thiết bị điều
khiển qua internet.
Hệ thống xuất chính xác dữ liệu lên Webserver và lưu trữu đầy đủ ở trên
Web và trên máy tính cục bộ dưới dạng dữ liệu bảng tính excel.
1.3.4 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Phương pháp chung: Sử dụng các kiến thức chuyên ngành về vẽ kĩ thuật,
hệ thống tự động thủy khí, cảm biến và hệ thống đo, cơ cấu chấp hành và điều
khiển, kỹ thuật tự động hóa, các ngơn ngữ lập trình html. Đồng thời cập nhật
và thực nghiệm trong suốt quá trình nghiên cứu để đạt được yêu cầu cơng nghệ
và những tính năng cho hệ thống.
1.3.4.1 Phương pháp về thiết kế cơ khí.
❖

Xác định các bộ phận chính của hệ thống:

1.

Khung đỡ cho hệ thống.

2.

Bộ phận cấp chai tự động.

3.

Bộ phận chiết rót và đóng nắp.

4.

Bộ phận vận chuyển chai.

❖

Xác định vấn đề:

1.

Lựa chọn vật liệu khung và các bộ phận.

2.

Sự đồng bộ về kích thước và liên kết giữa các bộ phận.

3.

Sự chính xác của từng bộ phận khi thực hiện nhiệm vụ và chính xác khi

đối tượng chuyển qua từng bộ phận.
❖

Phương pháp: tiến hành thiết kế trên solidwords trước khi gia công bao

gồm:
1.

Vẽ và liên kết từng bộ phận.

2.

Ước tính trọng lượng tính tốn độ bền.


13
3.

Mô phỏng hoạt động giữa các chi tiết trong bộ phận và giữa các bộ phận

với nhau.
1.3.4.2 Phương pháp về thiết kế điện- điện tử.
❖

Xác định các thiết bị điện- điện tử sử dụng:

1.

Cảm biến.

2.

Động cơ.

3.

Xy lanh.

4.

Nguồn điện, khí.

5.

Bơm.

6.

Bộ điều khiển.

7.

Module điều khiển.

8.

Module truyền thông.

❖

Xác định vấn đề và phương pháp xử lý: Tính tốn, lựa chọn thiết bị phù

hợp
với kích thước, giá thành của hệ thống, truyền thơng ổn định.
1.

Về cảm biến: Sử dụng datasheet kết hợp kiến thức về nguyên lý hoạt

động và cấu tạo của các loại cảm biến trong học phần cảm biến và hệ thống đo
để lựa chọn loại cảm biến phù hợp nhất.
2.

Về tính toán các động cơ, nguồn điện, bơm: Sử dụng kiến thức đã học

trong học phần cơ cấu chấp hành và điều khiển để lựa chọn động cơ.
3.

Về lựa chọn xy lanh: Sử dụng kiến thức đã học trong học phần hệ thống

tự động thủy khí để tính tốn thơng số cần thiết cho xy lanh và bơm khí nén.
4.

Về bộ điều khiển và các module trung gian: Sử dụng kiến thức về kĩ thuật

tự động hóa, vi xử lý để chọn lựa.
5.

Về thiết kế và mô phỏng mạch điện, điện điều khiển: Sử dụng Phần mềm

AutoCad để vẽ mạch điện và sơ đồ lắp đặt.

14
6.

Sử dụng CPU đời cao với tốc độ xử lý và độ chính xác cao để cập nhật

dữ liệu ổn định và chính xác nhất.
1.3.4.3 Phương pháp về điều khiển hoạt động và chức năng hệ thống.
Lựa chọn thiết bị điều khiển: Sử dụng thiết bị điều khiển phù hợp cho
các hệ thống cơng nghiệp vừa và nhỏ là dịng PLC Siemens.
Xác định vấn đề: Xác định rõ các đối tượng điều khiển, module đầu vào,
đầu ra, ghép nối và các chức năng để lựa chọn phiên bản, loại PLC thích hợp.
Phương pháp thực hiện:
1.

Sử dụng kiến thức đã học về khả năng của PLC, thơng số kĩ thuật.

2.

Hình thức điều khiển trực tiếp thông qua bảng điện và giám sát qua màn

hình HMI.
3.

Phần mềm lập trình: sử dụng TIA portal V15.1 để lập trình cho PLC,

WinCC professional hỗ trợ thiết kế giao diện mô phỏng giám sán và điều khiển
cho hệ thống.
1.3.5 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
−

Dựa trên cơ sở lý thuyết và tính tốn, thiết kế, chế tạo theo từng giai

đoạn, sau đó tìm ra phương án hợp lý, đơn giản và tiết kiệm nhất.
−

Khảo sát thực tế, tìm hiểu các phương án định lượng cơ cấu rót chất liệu

rót đã và đang được đưa vào sử dụng, kế thừa những ưu diểm, tìm cách khắc
phục những khuyết điểm để áp dụng vào thiết kế đề tài.
−

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

−

Áp dụng những phương pháp thiết kế, tính tốn, phân tích, xử lý số liệu

để xây dựng mơ hình phù hợp với đề tài.
−

Sau khi tìm hiểu thực tế sẽ tiến hành nghiên cứu thiết kế cơ cấu truyền

động, cơ cấu rót bán tự động, cơ cấu định lượng.
−

Giai đoạn tiếp theo là tiến hành chế tạo.


15
−

Thực hiện hoàn thiện từng thành phần của hệ thống: Phần cấp chai và

phần đóng nắp.
−

Tiếp theo là kiểm tra chương trình cho hệ thống, nghiên cứu độ chính

xác của hệ thống.
−

Kiểm nghiệm lại hệ thống, tìm ra những phương án chưa hợp lý từ đó

sửa chữa và thay đổi phương án thiết kế kịp thời.
−

Xử lý số liệu, tính tốn và viết báo cáo.

−

Tích hợp phát triển thêm chức năng phụ khác.

−

Giai đoạn cuối là phát triển tối ưu hố sản phẩm, tạo giá thành rẻ nhất có

thể.


16

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1 HỆ THỐNG GIÁM SÁT QUA WEBSERVER
2.1.1 Cơng cụ lập trình
Phần mềm TIA Portal cung cấp một mơi trường lập trình và thiết kế cho
chúng ta nhằm phát triển, chỉnh sửa và giám sát mạng logic được yêu cầu để
điều khiển ứng dụng, bao gồm các công cụ dành cho quản lý và cấu hình tất cả
thiết bị trong dự án, như thiết bị PLC hay HMI TIA Portal cung cấp hai ngôn
ngữ lập trình ( LAD và FBD ) để thuận tiện và hiệu quả trong việc phát triển
chương trình điều khiển đối với ứng dụng, và cịn cung cấp các cơng cụ để tạo
ra và cấu hình các thiết bị HMI trong dự án.
Phần mềm Vscode cung cấp môi trường lập trình cho đa ngơn ngữ bao
gồm cả HTML và CSS dùng để thiết kế Webserver-User_defined
2.1.2 Giải pháp truyền thông
2.1.2.1 Phân loại truyền thông
Hệ thống truyền thông nội bộ là truyền thông số bao gồm các bus dữ liệu,
bus điều khiển, bus địa chỉ. Giúp kết nối giữa các bộ đệm, bộ nhớ chương trình,
CPU và các hệ thống xung nhịp, …
Truyền thông với các thiết bị ngoại vi: Modbus TCP/IP, PROFINET,
Etherner, profibus, RS232/485/422. Kết nối PLC với các thiết bị cảm biến đầu
vào, thiết bị đáp ứng đầu ra, giữa các PLC với nhau hoặc với HMI.
Truyền thông chỉ nhận: PLC chỉ nhận tín hiệu từ các đối tác truyền thơng,
thường là tín hiệu đầu ra từ cảm biến, cơng tắc
Truyền thơng chỉ cho: Tương ứng với q trình truyền thơng giữa PLC
với các Adapter chỉ thực hiện q trình truyền dữ liệu từ PLC và đối tác chỉ
thực hiện nhận lệnh từ PLC, có thể là biến tần hoặc van đóng/ mở.
Truyền thơng cho nhận: Thực hiện truyền/ nhận dữ liệu theo 2 chiều, đối
tác là màn hình HMI hay máy tính. Khi đó PLC truyền dữ liệu trạng thái để
hiển thị ra màn hình đồng thời cũng nhận các lệnh điều khiển từ thiết bị

17
2.1.2.2 Các giao thức truyền thông hay sử dụng cho PLC
Ethernet là một dạng công nghệ truyền thông dùng để kết nối các mạng
LAN cục bộ, cho phép các thiết bị có thể giao tiếp với nhau thơng qua một giao
thức – một bộ quy tắc hoặc ngôn ngữ mạng chung. Là một lớp giao thức datalink trong tầng TCP/IP, Ethernet cho thấy các thiết bị mạng có thể định dạng
và truyền các gói dữ liệu như thế nào, sao cho các thiết bị khác trên cùng phân
khúc mạng cục bộ có thể phát hiện, nhận và xử lý các gói dữ liệu đó. Cáp
Ethernet là một hệ thống dây vật lý để truyền dữ liệu qua.
Public Cloud/ Internet

Branch Office

Corporate Office

Service Provider
Metro Internet Network

Private Cloud

Data System
Data Center

Radio Access Network

Residental Subscriber

Hình 2.1 Mơ hình truyền thơng sử dụng Ethernet

Modbus hoạt động dựa trên nguyên tắc nhận và gửi tín hiệu. Giúp truyền

dữ liệu từ các thiết bị đầu cuối đến PLC hay Scada. Ưu điểm vượt trội của
Modbus là có tính ổn định cao, cấu tạo đơn giản và vô cùng dễ sử dụng cho
mọi người. Thiết bị dù khác loại, khác hãng nhưng chỉ cần có chung chuẩn
Modbus thì chúng hồn tồn có thể giao tiếp với nhau. Chính vì vậy mà các
hãng sản xuất đã tận dụng điều đó để tăng khả năng sử dụng linh hoạt mà không


18
bị tính phí bản quyền. Trong lĩnh vực truyền thơng công nghiệp, Modbus được
sử dụng nhiều nhất là RTU, ASCII và TCP/IP.

Hình 2.2 Mơ hình truyền thơng Modbus[4]

Profinet là 1 chuẩn giao tiếp thực hiện việc truyền dữ liệu qua Ethernet
cơng nghiệp. Mục đích thiết kế để thu thập dữ liệu, điều khiển thiết bị trong các
hệ thống công nghiệp. Chúng có sức mạnh đặc biệt trong việc cung cấp dữ liệu
trong điều kiện hạn chế về thời gian ngắn. Tất cả các thiết bị Ethernet đều sử
dụng địa chỉ IP và địa chỉ MAC, nhưng tên thiết bị là duy nhất cho các thiết bị
Profinet.

Modem

HMI

PC
router
Profinet

Introductory
Stage

Growth
Stage

Maturity
Stage

Decline Stage

Introductory
Stage

Growth
Stage

Maturity
Stage

Total
Market
Sales

PLC 1

Decline Stage

Total
Market
Sales

PLC2

Hình 2.3 Mơ hình truyền thơng sử dụng giao thức Profinet


19
PROFIBUS – Process Field Bus là một chuẩn cho truyền thơng Fieldbus.
các mạng trường nối tiếp (serial fieldbus) có thể hoạt động như một hệ thống
truyền thông và trao đổi thơng tin giữa những hệ thống tự động hóa và thiết bị
hiện trường phân tán. Chuẩn này cho phép thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác
nhau giao tiếp được với nhau mà không cần điều chỉnh lại giao diện đặc biệt.
Giải pháp truyền thông profibus: PROFIBUS sử dụng phương tiện truyền tin
xoắn đôi và RS485 chuẩn công nghiệp trong các ứng dụng sản xuất hoặc IEC
1158-2 trong điều khiển q trình. PROFIBUS cũng có thể sử dụng
Ethernet/TCP-IP. Họ PROFIBUS hiện có 3 kiểu giao thức là: PROFIBUS DP,
PA, FMS trong đó được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay chính là PROFIBUSDP.

Hình 2.4 Mơ hình truyền thơng Profibus[5]

Gateway là một phần tử không nhất thiết phải xuất hiện trong một giao
tiếp H.323. Nó đóng vai trị là một phần tử cầu nối và chỉ thực hiện chức năng
vào một cuộc gọi khi có sự chuyển tiếp giữa mạng H.323 (mạng LAN hay
Internet) sang mạng phi H.323 (mạng chuyển kênh hay PSTN). Một Gateway
có thể kết nối vật lý được với một hoặc nhiều mạng IP hay với một hoặc nhiều


20
mạng chuyển mạch kênh. Một Gateway nói chung bao gồm: Gateway báo hiệu,
Gateway điều khiển truyền tải kênh thoại, Gateway truyền tải kênh thoại.
TCP/IP: Internet Protocol Suite là tập hợp các giao thức thực thi protocol

stack (có thể hiểu là chồng giao thức) mà Internet chạy trên đó. Các giao thức
này đôi khi được gọi là bộ giao thức TCP/IP. TCP và IP là các giao thức quan
trọng của Internet Protocol Suite — Transmission Control Protocol (TCP) cùng
Internet Protocol (IP).
TCP (Transmission Control Protocol): Thiết lập kết nối giữa các máy
tính để truyền dữ liệu. Nó chia nhỏ dữ liệu ra thành những gói (packet) và đảm
bảo việc truyền dữ liệu thành cơng.
IP (Internet Protocol): Định tuyến (route) các gói dữ liệu khi chúng được
truyền qua Internet, đảm bảo dữ liệu sẽ đến đúng nơi cần nhận.
HTTP (HyperText Transfer Protocol): cho phép trao đổi thông tin (chủ
yếu ở dạng siêu văn bản) qua Internet.
FTP (File Transfer Protocol): Cho phép trao đổi tập tin qua Internet.
SQL – Structured Query Language là ngôn ngữ truy vấn dữ liệu. SQL
được xem là ngôn ngữ chung của bất cứ hệ thống CSDL quan hệ (RDBMS)
nào cũng cần phải đáp ứng. Điển hình là: SQL Server, Oracle Database,
MySQL… SQL thực hiện quản lý hiệu quả, truy vấn thơng tin nhanh và bảo trì
thơng tin dễ dàng hơn.
2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG PLC
2.2.1 Giải pháp cho công nghệ truyền thông trên plc siemens s71200
Web Server (máy chủ web) là máy tính lớn được kết nối với tập hợp mạng
máy tính mở rộng. Xét về khía cạnh phần cứng thì một web server là một máy
tính dùng để lưu trữ các file thành phần của một website. Đó là các tài liệu
HTML, file ảnh, CSS, file JavaScript. Và có thể thực hiện phân phát chúng tới


21
các thiết bị của người dùng cuối (hay end-user). Web server kết nối với mạng
Internet và có thể thực hiện truy cập tới bằng việc thông qua một tên miền.
Xét về khía cạnh phần mềm thì một web server sẽ bao gồm một số phần
thực hiện điều khiển cách người dùng web truy cập tới những file được lưu trữ

trên một HTTP server (còn gọi là máy chủ HTTP). Một HTTP server là một
phần mềm có khả năng hiểu được các URL (địa chỉ web) và HTTP (là giao
thức trình duyệt để xem các trang web).
HTTP – Hypertext Transfer Protocol là nền tảng giao tiếp dữ liệu của
World Wide Web, cho phép phương thức truyền tải siêu văn bản
HTTP/HTTPS, sử dụng ngơn ngữ html và AWP cấu hình cho webpage_user
defined. Siêu văn bản – hypertext là một văn bản có cấu trúc dùng các siêu liên
kết giữa những node chứa văn bản. HTTP là một giao thức ứng dụng của hệ
thống thông tin hypermedia (hay siêu phương tiện) phân tán và kết hợp. Cổng
mặc định của nền tảng là 80 và 443 và hai cổng này đều được bảo mật.
Giải pháp mơ hình kết nối điều khiển và giám sát PLC S7-200 từ xa sử
dụng modem F2103: GPRS IP Modem. sẽ kết nối với S7 200 qua chuẩn truyền
thông RS232 (nếu PLC của bạn chỉ hỗ trợ cổng RS485 thì bạn sẽ cần bộ chuyển
đổi RS232 sang RS485). Ta sẽ cấu hình modem F2103 biết địa chỉ IP của
server, nơi chứa phần mềm điều khiển và giám sát.
Đối với phạm vi nghiên cứu của đồ án, nhóm đồ án sử dụng giải pháp
công nghệ truyền thông là webserver và sử dụng phương thức truyền tải siêu
văn bản để thực hiện điều khiển và giám sát hệ thống từ xa mà không giới hạn
khoảng cách. Bằng giải pháp sử dụng ngôn ngữ HTML và tập lệnh AWP, người
dùng có thể thiết lập giao diện người dùng trên Webpage_User_Defined và tính
năng sử dụng dựa trên phần tử đầu vào và đầu ra của PLC.


22
2.2.2 Cấu hình cứng cho PLC
− Giao diện PROFINET: Thiết lập địa chỉ IP cho CPU và sự đồng bộ hóa
thời gian
− DI, DO và AI: Cấu hình cách xử lý của I/O kiểu số và kiểu tương tự cục
bộ (tích hợp).
− Các bộ đếm tốc độ cao và các máy phát xung: Khởi động và cấu hình các

bộ đếm tốc độ cao (HSC) và các máy phát xung được sử dụng cho các vận hành
chuỗi xung (PTO) và bộ điều chế độ rộng xung (PWM).
− Startup: Lựa chọn cách xử lý của CPU theo một sự chuyển đổi từ OFF
sang ON, ví dụ như khởi động trong chế độ STOP hay chuyển sang chế độ
RUN sau một sự khởi động lại nóng.
− Time of delay: Thiết lập thời gian, múi giờ và thơi gian tiết kiệm ánh
sáng ngày.
− Protection: Thiết lập bảo vệ đọc/ghi và mật khẩu cho việc truy xuất CPU.
− System and clock memory: Khởi động một byte của các hàm “System
memory” và khởi động một byte của các chức năng “clock memory”.
− Cycle time: Xác định thời gian chu kỳ tối đa hay một thời gian chu kỳ
tối thiếu không đổi.
− Communication load: Định vị một tỷ lệ phần trăm của thời gian CPU để
chuyên dụng cho các nhiệm vụ truyển thơng.
2.2.3 Cấu hình truyền thơng
2.2.3.1 Cấu hình cho PLC
Thiết lập cho Webserver trên TIA portal:
Cấu hình một địa chỉ IP trong CPU S7-1200 có một cổng PROFINET
được tích hợp, hỗ trợ cả tiêu chuẩn truyền thông Ethernet và dựa trên TCP/IP.
Các giao thức ứng dụng sau đây được hỗ trợ bởi CPU S7-1200.
− Giao thức điều khiển vận chuyển (Transport Control Protocol-TCP)


23
− ISO trên TCP (RFC 1006).
CPU S7-1200 có thể giao tiếp với các CPU S7-1200 khác, với thiết bị lập
trình TIA Portal, với các thiết bị HMI, và với các thiết bị không phải của Simens
bằng cách sử dụng các giao thức truyển thơng TCP tiêu chuẩn.
Có hai cách để giao tiếp sử dụng PROFINET:
− Kết nối trực tiếp: Sử dụng kết nối trực tiếp khi ta đang sử dụng một thiết

bị lập trình, HMI hay một CPU khác được kết nối đến một CPU riêng lẻ.
− Kết nối mạng: Sử dụng các truyền thông mạng khi ta đang kết nối với
hơn hai thiết bị (ví dụ các CPU, HMI, các thiết bị lập trình, và các thiết bị khơng
phải của Simens).
CPU khơng có một địa chỉ IP được cấu hình trước nên chúng ta phải gán
giá trị địa chỉ IP cho CPU trong khi cấu hình thiết bị. Nếu CPU được kết nối
đến một bộ định tuyến router trong mạng thì sẽ cần đăng nhập vào địa chỉ IP
của router đó. Nếu được kết nối đến một CPU, chúng ta có thể tải lên cấu hình
của CPU đó đến đồ án, bao gồm các module bất kì.
Cho phép PLC sử dụng giao thức HTTP/HTTPS: nằm trong cấu hình phần
cứng giao diện PROFINET trên phần mềm lập trình điều khiển cho phép
phương pháp truy cập vào werserver của PLC. Phần security trên mỗi đường
link giúp bảo vệ hệ thống từ những truy cập và thay đổi không được phép. Bằng
các cấu hình HTTP/HTTPS cho phép sủ dụng IP tạm thời để truy cập trực tiếp
vào Web User Defined mà bỏ qua đăng nhập vào Server.
2.2.3.2 Thiết kế Webpage_User_Defined
AWP bao gồm 3 tác vụ cơ bản là đọc giá trị từ PLC (Read), ghi giá trị
xuống PLC (Write) và thay thế giá trị dạng số bằng dạng văn bản (Enum).
Đọc giá trị từ PLC Cú pháp CODE :=:
Để có thể giám sát hệ thống: Dòng lệnh [] sẽ cài đặt trang web tự động
refresh sau 5 giây để cập nhật thông số.


24
Ghi giá trị xuống PLC Cú pháp Để ghi giá trị xuống PLC, trước hết chúng
ta cần khai báo biến muốn ghi giá trị CODE:
HTML/CSS: thiết kế giao diện cho Webpage
2.2.3.3 Cấu hình module truyền thơng
DNS (Domain Name System): địa chỉ IP tĩnh do nhà mạng cung cấp là
một hệ thống giúp con người và máy tính có thể “giao tiếp” với nhau một cách

dễ dàng hơn. Hệ thống giúp biên dịch tên miền (hostname) thành các dãy số,
để máy tính có thể hiểu được.
DNS server tìm thơng tin phân giải trong file hosts, có trách nhiệm chuyển
hostname thành IP
DNS recursor: Liên lạc với các Server khác để phản hồi đến trình duyệt
người dùng đến IP truy cập dưới cung cấp thông tin của Root DNS Server
Domain: Tên miền do nhà mạng cung cấp. Với domain riêng là tên của
Webpage hệ thống. sử dụng trên URL Search để truy cập vào Website điều
khiển và giám sát
No_IP: Cùng với Dysdns là tính năng có trên hầu hết các modem mạng
hiện nay. No_IP là hỗ trợ tên miền và địa chỉ IP của router động cho các modem.
Dịch vụ tên miền DDNS sẽ cập nhật địa chỉ IP liên tục cho tên miền mỗi khi
có sự thay đổi IP như mất điện, mất mạng, reset modem, ...
2.2.4 Giải pháp lập trình
2.2.4.1 HTML (Hypertext Markup Language)
Là ngôn ngữ markup của thế giới web – ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản.
Ngôn ngữ markup là loại ngôn ngữ dùng để thiết kế và sắp đặt nội dung, ảnh,
và tất cả những yếu tố trên web. Nó chạy trên bất kỳ trình duyệt nào và được
quản lý bởi World Wide Web Consortium.
HTML không phải là ngơn ngữ lập trình, đồng nghĩa với việc nó khơng
thể tạo ra các chức năng “động” được. Nó chỉ giống như Microsoft Word. Bạn