THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SẢN XUẤT BIA

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ - ĐIỆN
------------

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
ĐỀ TÀI:
“THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SẢN XUẤT BIA”

Giảng viên hướng dẫn

: TS. Ngơ Trí Dương

Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Đăng Minh

Lớp
MSV

: K59 – TĐHB
: 597745

Hà Nội - 2022


LỜI CẢM ƠN

Mơn học được hồn thành tại Bộ mơn Tự động hóa- Khoa Cơ Điện- Học Viện
Nơng Nghiệp Việt Nam dưới sự hướng dẫn của TS. Ngơ Trí Dương

Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô trong bộ mơn Tự động hóa cùng
các thầy cơ trong khoa Cơ- Điện Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam đã tận tình dạy dỗ
em những kiến thức chun mơn làm cơ sở để em hồn thành mơn học và tạo điều
kiện thuận lợi cho em hồn tất chương trình học.
Và em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS. Ngơ Trí Dương đã trực tiếp
hướng dẫn khoa học, và các bạn về những đóng góp quý báu trong q trình thực
hiện mơn học.
Trong q trình nghiên cứu và hồn thành mơn học, vì thời gian có hạn, nên
khơng tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của q
Thầy Cơ và bạn bè.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2022

Sinh viên

Nguyễn Đăng Minh

2


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................1
PHẦN 1- SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN PLC..................................................2
1.1- Cấu trúc của PLC...........................................................................................3
1.2- Các thành phần cơ bản của một PL...............................................................4
1.3- Hoạt động của một PLC................................................................................5
1.4- So sánh PLC S7 200 với PLC S7 1200.........................................................6

PHẦN 2- THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG PLC S7 1200 HỆ THỐNG
CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP SẢN PHẨM.............................................................7
2.1- Thiết bị sử dụng trong mơ hình.....................................................................8
2.2- Sơ đồ khối của hệ thống................................................................................8
2.3- Tính chọn thiết bị...........................................................................................9
2.4- Nguyên lý hoạt động của hệ thống..............................................................14
2.5- Phần mềm....................................................................................................17

3


LỜI NÓI ĐẦU
Từ khi ra đời cho đến nay PLC (programmable logic controller) ngày càng khẳng
định được vai trò của mình trong đời sống và sản xuất. Nó đã làm thay đổi hẳn hệ
thống điều khiển cũng như các khái niệm thiết kế về chúng bởi những ưu điểm
tuyệt vời
Đặc trưng của tất cả các dịng PLC bất kì là khả năng có thể lập trình được, chỉ số
IP ở dải quy định cho phép PLC hoạt động trong môi trường khắc nghiệt cơng
nghiệp, yếu tố bền vững thích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thay thế và
hiệu chỉnh chương trình dễ dàng, khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mở
rộng số lượng đầu vào nhập và đầu ra xuất được đáp ứng tuỳ nghi trong khả năng
trên có thể xem là các tiêu chí đầu tiên cho chúng ta khi nghĩ đến thiết kế phần điều
khiển trung tâm cho một hệ thống hoạt động tự động.Và để có cái nhìn khách quan
hơn về PLC nhóm chúng em đã tìm hiểu về một hệ thống điều khiển cơng nghiệp
thực tế. Đó là hệ thống chiết rót và đóng nắp sản phẩm
Hệ thống này khá phổ biến trong các nhà máy sản xuất Bia, nước ngọt, nước giải
khát….Góp phần lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, chất lượng và giá
thành sản phẩm . Do hiểu biết cịn hạn chế nên bài tìm hiểu của chúng em khơng
tránh khỏi những sai sót. Kính mong q thầy cơ góp ý để bài làm của chúng em
hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn

1


PHẦN 1-

SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN PLC

Ngày nay tự động hóa ngày càng đóng vai trị quan trọng đời sống và cơng nghiệp,
tự động hóa đã phát triển đến trình độ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết điều
khiển tự động, tiến bộ của ngành điện tử, tin học…Chính vì vậy mà nhiều hệ thống
điều khiển ra đời, nhưng phát triển mạnh và có khả năng ứng dụng rộng là Bộ điều
khiển lập trình PLC.
Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable controller) đã được những nhà thiết
kế cho ra đời năm 1968(Công ty General Motor-Mỹ), với các chỉ tiêu kỹ thuật
nhằm đáp ứng các yêu cầu điều khiển :
 Dễ lập trình và thay đổi chương trình.
 Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sữa chữa.
 Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất.
Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó
khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bước
cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành. Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ
thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable controller Handle) đầu tiên được
ra đời vào năm 1969. Điều này đã tạo ra sự phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình.
Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm
thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ. Qua quá trình vận
hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống,
đó là tiêu chuẩn: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang.
Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ

thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng :
 Số lượng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào,
ngõ ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông.
 Bộ nhớ lớn hơn.
2


 Nhiều loại Module chuyên dùng hơn.
Trong những đầu thập niên 1970, với sự phát triển của phần mềm, bộ lập trình PLC
khơng chỉ thực hiện các lệnh Logic đơn giản mà cịn có thêm các lệnh về định thì,
đếm sự kiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung, xử lý thời gian
thực..
Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng lẻ
thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Tốc độ
của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn. Bên cạnh đó, PLC được chế
tạo có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC
được mở rộng hơn..
1.1-

Cấu trúc của PLC

PLC là một thiết bị cho phép thực hiện các thuật tốn điều khiển số thơng qua một
ngơn nhữ lập trình. Tồn bộ chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ
của PLC. Điều này có thể nói PLC giống như một máy tính, nghĩa là có bộ vi xử lý,
một bộ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiền, dữ liệu và các cổng ra
vào để giao tiếp với các đối tượng điều khiển…Như vậy có thể thấy cấu trúc cơ bản
của một PLC bao giờ cũng gồm các thành phần cơ bản sau :
 Mơ đun nguồn
 Mơ đun xử lý tín hiệu
 Mô đun vào

 Mô đun ra
 Mô đun nhớ
 Thiết bị lập trình
Sơ đồ của một bộ PLC cơ bản được biểu diễn ở hình bên dưới. Ngồi các mơ đun
chính này, các PLC cịn có các mơ đun phụ trợ như mô đun kết nối mạng, mô đun
truyền thông, mô đun ghép nối các mô đun chức năng để xử lý tín hiệu như mơ đun

3


kết nối với các can nhiệt, mô đun điều khiển động cơ bước, mô đun kết nối với
encoder, mô đun đếm xung vào…

1.2-

Các thành phần cơ bản của một PL

Trạng thái ngõ vào của PLC được phát hiện và lưu vào bộ nhớ đệm,(bộ nhớ trong
PLC gồm các loại sau: ROM, EPROM, EEOROM PLC ) thực hiện các lệnh logic
trên các trạng thái của chúng và thơng qua chương trình trạng thái, ngõ ra được cập
nhật và lưu vào bộ nhớ đệm. Sau đó, trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm được dùng
để đóng/mở các tiếp điểm kích hoạt các thiết bị tương ứng. Như vậy, sự hoạt động
của các thiết bị được điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình trong bộ nhớ.
Chương trình được nạp vào PLC thơng qua thiết bị lập trình chun dụng.

4


1.3-

Hoạt động của một PLC

Bộ vi xử lý sẽ lần lượt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị phụ trợ, thực
hiện logic điều khiển được đặt ra bởi chương trình ứng dụng, thực hiện các tính
tốn và điều khiển các đầu ra tương ứng của PLC. Các PLC thế hệ cuối cho phép
thực hiện các phép tính số học và các phép tính logic, bộ nhớ lớn hơn, tốc độ xử lý
cao hơn và có trang bị giao diện với máy tính, với mạng nội bộ.v.v.
Bộ vi xử lý điều khiển chu kỳ làm việc của chương trình. Chu kỳ này được gọi là
chu kỳ quét của PLC, tức là khoảng thời gian thực hiện xong một vịng các lệnh
của chương trình điều khiển. Chu kỳ quét được minh họa ở hìnhsau :

Chu kỳ quét của PLC
5


Khi thực hiện quét các đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu từ các thiết bị vào như cơng
tấc, cảm biến,…Trạng thái của tín hiệu vào được lưu tạm thời váo một mảng nhớ.
Trong thời gian quét chương trình, bộ xử lý quét lần lượt các lệnh của chương trình
điều khiển, sử dụng các trạng thái của tín hiệu vào trong mảng nhớ để xác định các
đầu ra đáp ứng hay không. Kết quả là các trạng thái của đầu ra được ghi vào mảng
nhớ, PLC sẽ cấp hoặc ngắt điện cho các mạch ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi.
Chu kỳ quét của PLC có thể kéo dài từ 1 đến 25 mili giây. Thời gian quét đầu vào
và đầu ra thường ngắn so với chu kỳ quét của PLC.
1.4-

So sánh PLC S7 200 với PLC S7 1200

6

PHẦN 2-

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG PLC S7 1200 HỆ
THỐNG CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP SẢN PHẨM

PLC là một thiết bị đang được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực của đời
sống từ sản xuất , học tập, sinh hoạt hay trong cả lĩnh vực an ninh, quân sự nhằm
tối ưu hóa năng suất cũng như khả năng tự động hóa của hệ thống. Và chúng em đã
chọn một ứng dụng của nó trong sản xuất mà cụ thể là hệ thống chiết rót và đóng
nắp chai làm đề tài nghiên cứu của mình. Đây là một hệ thống phổ biến trong các
nhà máy sản xuất nước ngọt, nước đóng chai, bia rượi…góp phần nâng cao hiệu
quả cũng như chất lượng của các sản phẩm.

Các biến đầu vào và đầu ra của hệ thống:
Các đầu vào SB1–SB8
Cảm biến vị trí bàn xoay 2
Cảm biến vị trí đầu vào bàn xoay
Cảm biến vị trí rót nước
Cảm biến vị trí đóng nắp
Cảm biến trước xilanh ép nắp
Cảm biến sau xilanh ép nắp
Cảm biến trước xilanh đẩy nắp
2.1-

Các đầu ra SQ1-SQ8
Động cơ cấp phôi
Động cơ băng tải
Động cơ bàn xoay 2
Động cơ bơm nước
Xi lanh đẩy nắp thu về

Xilanh đẩy nắp
Xilanh ép nắp đẩy ra

Thiết bị sử dụng trong mơ hình

- Module PLC S7-1200 CPU1212C + SM1223 SM1234
- Module nguồn 24V 5A
7


- Module rơ le trung gian
- Module nút bấm tự phục hồi
- Cơ cấu chấp hành điều khiển nhiệt độ
Máy vi tính cài đặt các phần mềm sau: Tia portal
V13 - Dây kết nối.
2.2-

Sơ đồ khối của hệ thống

Khởi
Hệ Đóng
động Lấy
Đóng Kết
thống nắp
hệ chai
gói thúc
rót chai
thống
Khâu khởi động: Hệ thống bắt đầu được khởi động thông qua nút ấn hay sự điều
khiển của người kĩ sư qua phần mềm

Khâu lấy chai: Những chiếc chai đã được kiểm tra và loại bỏ các sản phẩm lỗi sẽ
được đưa lên băng chuyền để đi vào hệ thống chiết rót
Khâu rót: Trước hệ thống rót có thiết kế một cảm biến để đếm số lượng các chai đi
vào hệ thống rót
Tùy vào quy mơ mà số lượng chai có thể lên đến vài chục chai trong một lần rót.
Sau khi hệ thống đã đếm đủ số chai, hệ thống rót được hạ xuống đồng thời băng
chuyền dừng hoạt động. Hệ thống rót chất lỏng theo một thể tích đã được quy định
trước và với một chế độ rót riêng biệt đối với từng chất lỏng.
8


Sau khi đã rót xong, hệ thống rót được nâng lên, các chai đã đầy được di chuyển
sang khâu đóng nắp và các chai rỗng lại tiếp tục đưa vào hệ thống rót
Khâu đóng nắp chai: Những chai đã được rót đầy chất lỏng được đưa vào hệ thống
đóng nắp chai. Tùy vào loại chai mà hệ thống có thể sử dụng máy nén để dập nút
hay động cơ để vặn nút chai. Sau khi được đóng nắp , những chai này được chuyển
qua khâu đóng gói sản phẩm
Khâu đóng gói sản phẩm: Đây là bước cuối cùng của hệ thông, những chiếc chai
thành phẩm được đưa vào thùng hàng theo một số lượng quy định. Kết thúc mmottj
chu kỳ của hệ thống
Phần cứng
2.3-

Tính chọn thiết bị

Bộ lọc khí và điều chỉnh áp suất
Có nhiệm vụ tách các phần chất bẩn và hơi nước ra khỏi khí nén. Nguyên lý
thực hiện của van lọc như sau:
Chuyển động xốy của dịng áp suất khí nén trong van lọc. Phần tử lọc
xốp làm bằng các chất như: vải dây kim loại, giấy thấm ướt, kim loại thiêu kết

hay vật liệu tổng hợp. Khí nén sẽ tạo chuyển động xốy khi qua lá xoắn kim
loại. Sau đó qua phân tử lọc, tuỳ theo yêu cầu chất lượng của khí nén mà chọn
loại phần tử lọc. Độ lớn đường kính các lỗ của phần tử lọc có những loại từ 5
µm đến 70 µm. Trong trường hợp yêu cầu chất lượng khí nén rất cao, vật liệu
phần tử lọc được chọn là sợi thuỷ tinh, có khả năng tách nước trong khí nén
đến 99,9%. Những phần tử lọc như vậy, thì dịng khí nén sẽ chuyển động từ
trong ra ngồi. Có cơng dụng giữ áp suất được điều chỉnh khơng đổi, mặc dù có
sự thay đổi bất thường của tải trọng làm việc ở phía đường ra hoặc sự dao động
của áp suất ở đường vào van.

9


Hình 2: Van lọc khí.
Ngun tắc hoạt động của van điều chỉnh áp suất khi điều chỉnh trục vít, tức là
điều chỉnh vị trí của trục van, trong trường hợp áp suất của đường ra tăng lên so với
áp suất của đường điều chỉnh, khí nén sẽ qua lỗ thơngtác động lên màng, vị trí kim
van thay đổi, khí nén qua lỗ xả khí ra ngồi. Cho đến chừng nào, áp suất của đường
ra giảm bằng áp suất được điều chỉnh ban đầu, thì vị trí kim van trở về vị trí ban
đầu.  Van 5/2

10


Van 5/2 là van có 5 cửa 2 vị trí

: Cấu tạo van 5/2
Khi chưa cấp khí vào cửa điều khiển 14, dưới tác dụng của lực lò xo van hoạt
động ở vị trí bên phải, lúc đó cửa số 1 thông với cửa số 2 và cửa 4 thông với cửa 5,
cửa số 3 bị fv chặn. Khi ta cấp khí vào cửa điều khiển 14 van 5/2 đảo trạng thái làm

cửa 1 thông với cửa 4, cửa 2 thông với cửa 3 và cửa 5 bị chặn.
 Băng tải

Mơ hình sử dụng một băng tải để dẫn chai vào bàn xoay. Ở đầu băng tải có đặt
một Mơ Tơ quay để điều khiển băng tải ta cần dùng mơ tơ để có thể kéo băng tải
giúp băng tải có thể chuyển động dễ dàng.

11


 Động cơ bơm nước

Ở mơ hình chiết rót và đóng nắp sản phẩm có sử dụng một động cơ để bơm nước
từ bình nước lên qua một ống dẫn nước. Bơm nước giúp giảm chi phí điện năng, là
điểm thăm quan lý tưởng cho mơ hình ... Đây là hệ thống sử dụng cho những bơm
có cơng suất nhỏ. Sau khi cảm biến chiết rót nhận được chai tại vị trí thì động cơ
được hoạt động để bơm trực tiếp vào chai ở một thời gian delay nhất định.
 Bàn xoay 1
Bàn xoay 1 có tác dụng đưa sản phẩm ban đầu lần lượt lên băng tải

12


 Bàn xoay 2

Bàn xoay 2 có nhiệm vụ là khi cảm biến nhận chai, bàn xoay 2 sẽ quay đến vị
trí rót nước, sau khi để trễ 1 thời gian rót nước xong thì bàn xoay 2 tiếp tục quay
đến cơng đoạn đóng nắp chai cuối cùng là hồn thành sản phẩm vòng xoay này sẽ
tiếp tục suốt đến khi ấn stop để dừng hoạt động của mơ hình.

13


 Hộp panel điều khiển

2.4- Nguyên lý hoạt động của hệ thống.
- Chai được cấp bằng tay vào bàn xoay 1. Khi bấm nút khởi động bàn xoay 1 quay,
băng tải quay vận chuyển chai đến bàn xoay 2. Khi cảm biến vị trí đầu vào bàn
xoay SQ1 phát hiện chai từ băng tải đưa tới. Bàn xoay 2 chạy đưa chai đến vị trí
cảm biến vị trí rót nước vào chai tác động thì dừng bàn xoay 2. Trễ 1 thời gian sau
đó bơm nước trong 1 khoangr thời gian. Khi đó bàn xoay 2 tác động tiếp đưa chai
đến vị trí thả nắp. Việc phát hiện vị trí thả nắp nhờ cảm biến phát hiện ở vị trí thả
năp. Tại đây nắp được thả xuống miêng chai sau đó được xi lanh tác động đóng
chặt nắp chai. Tiếp sau đó bàn xoay 2 tác động đưa chai đã được chiết rót nước và
đóng nắp đến kho chứa sản phẩm. Quá trình cứ lặp lại như vậy cho đến khi bấm nút
Stop.

14


 Lưu đồ thuật tốn lấy chai

Hình 11: Lưu đồ thuật toán cấp chai

15


 Lưu đồ thuật tốn bơm nước:

Hình 13: Lưu đồ thuật tốn bơm nước

 Lưu đồ thuật tốn đóng nắp

Hình 14:Lưu đồ đóng nắp sản phẩm
16


2.5- Phần mềm
Bảng phân định đầu ra cho PLC
Bảng 1:Phân định đầu vào
Tên chức năng

Địa chỉ
start
I0.0
Stop
I0.1
Cảm biến vị trí bàn xoay 2
I1.0
Cảm biến vị trí đầu vào bàn xoay
I1.1
Cảm biến vị trí rót nước
I1.2
Cảm biến vị trí đóng nắp
I1.3
Cảm biến trước xilanh ép nắp
I0.4
Cảm biến sau xilanh ép nắp
I0.5
Cảm biến trước xilanh đẩy nắp
I0.6

Cảm biến sau xilanh đẩy nắp
I0.7
Bảng 3.2 Bảng phân định đầu ra
Tên chức năng
Động cơ cấp phôi
Động cơ băng tải
Động cơ bàn xoay 2
Động cơ bơm nước
Xilanh đẩy nắp thu về
Xilanh đẩy nắp đẩy ra
Xilanh ép năp đẩy ra
Xilanh ép nắp thu về

Địa chỉ
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
Q1.0
Q1.1

17


 Chương trình điều khiển điều khiển chiết rót và đóng nắp sản phẩm
Chương trình chính OB1

18

Chương trình con RUN

19


20


Chương trình con RESET

21


Chương trình con BIẾN TRUNG GIAN

22