THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾT BIA VÀ ĐÓNG NÚT CHAI TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC S7200

GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia
CHƯƠNG IV

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾT BIA VÀ ĐÓNG NÚT CHAI TỰ
ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC S7-200
I. YÊU CẦU CÔNG NGHỆ VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ:
1. Yêu cầu công nghệ của toàn hệ thống:

khâu.

− Cấp nguồn vào hệ thống.
− Khi nhấn Start thì hệ thống sẽ bắt đầu hoạt động.
− Khi nhấn Stop hệ thống sẽ ngừng hoạt động sau khi đã hoàn thành xong một

*** Lưu ý : Các khối trong hệ thống luôn được vận hành liên tục độc lập với nhau.

Page 1


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

2. Phương án thiết kế của từng bộ phận.
 Bộ phận chiết nước :

Khi có chai được cấp vào thì băng chuyền 1 sẽ đưa chai đến vị trí cảm biến châm nước
băng chuyền sẽ dừng lại ,lúc này bộ phận chiết nước sẽ được hạ xuống bởi Van khí 3 và động
cơ chiết nước sẽ chiết nước vào chai (thời gian có thể thay đổi được tùy theo thể tích của

chai). Mức nước trong chai sẽ được định khoảng một thời gian Delay .Nếu chai được bơm đầy
thì hệ thống chiết nước sẽ được nâng lên và băng chuyền 1 sẽ được set để đưa chai tới băng
chuyền 2. Băng chuyền 2 sẽ đưa chai tới hệ thống đặt nắp chai.
 Bộ phận đặt nắp chai :

Khi cảm biến 2 phát hiện có chai thì băng chuyền 2 sẽ dừng lại và hệ thống đặt nắp
chai sẽ được hạ xuống. Động cơ bước sẽ quay 1 góc đúng bằng 90 độ để đưa nắp chai vào
đúng vị trí cần thiết, đồng thời xilanh 2 sẽ được set để đóng nút chai vào miệng chai. Sau đó
hệ thống đặt nắp chai sẽ được nâng lên, băng chuyền 2 sẽ được set trở lại để đưa chai tới băng
chuyền 3.
 Bộ phận vặn nắp chai :
Page 2


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

Khi băng chuyền 3 đưa chai đến vị trí cảm biến 3 thì băng chuyền 3 sẽ dừng lại. Hệ
thống vặn nắp sẽ được hạ xuống. VK6 và VK9 sẽ được Set để ép chặt nắp chai từ hai bên, lò
xo sẽ ép nắp chai từ phía trên. Động cơ vặn nắp sẽ quay trong 1 khoảng thời gian nhất định để
vặn chặt nút chai. Sau đó hệ thống vặn nắp sẽ từ từ được nâng lên và băng chuyền 3 sẽ hoạt
động trở lại để đưa chai tới băng chuyền 4.
 Bộ phận tay máy đóng hộp :

Page 3


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

Khi băng chuyền 4 đưa chai đến vị tri cảm biến 4 thì tay máy sẽ kẹp lấy chai (tay máy
lúc này đã chờ sẵn ở vị trí gắp chai). Chai sẽ không được gắp cho đến khi có thùng đi qua
băng chuyền 5 và được cảm biến 5 xác nhận. Lúc đó băng chuyền 5 sẽ dừng lại và tay máy sẽ
gắp chai đến đặt vào vị trí đầu tiên trong hộp (có tất cả 4 vị trí). Khi tay máy đã gắp đủ 4 chai
thì băng chuyền 5 sẽ được set để tải hộp ra ngoài. Tay máy sẽ tự động quay về vị trí cố định
ban đầu để chờ chai tiếp theo.
Quá trình lại tiếp tục tuần tự các quá trình trên .
II. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ:
1. PLC
a. Sử dụng PLC S7-200/CPU224
• Có 14 input/ 10 out put.
• Điện áp nguồn nuôi 220V AC.
• Điện áp ra DC/ Relay (24VDC)
b. Sử dụng 2 module EM 223
• 8 input/ 8 out put
2. Cảm biến
Mô hình sử dụng các loại cảm biến sau:
• Cảm biến quang:
 A3R-1MX:

Loại
Mô hình
Phạm vi cảm biến

Loại chuẩn
A3R-30X

A3R-1MX

A3R-2MX

30cm

100cm

200cm

Cấp bảo vệ
Điện áp hoạt động

IP-65
12 ~ 240 VDC; 24 ~ 240VAC 50/60Hz

Phương thức đầu ra

Rơ le

Trạng thái đầu ra

NO. (Received ON)

Độ nhạy điều chỉnh

270 ° Trimmer

Emitter

LED hồng ngoại

5,0 φ

Min. Sensible Object
Trọng lượng

Appr. 145g

Page 4


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

 KPS- AN20DS:

Các tính năng
o
o
o
o

Điện áp cung cấp rộng phạm vi 12VDC -10%-24VDC +10%.
Kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, gắn kết không gian nhỏ.
Solid-nhà nước kiểm soát ra, Dark ON hoạt động và ÁNH SÁNG Về hoạt động.
Chỉ số hoạt động thuận tiện.

 E3C-JC4:

Page 5

GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

Page 6


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

 Cảm biến dung (E2K-C)

Page 7


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

3. Động cơ bước : tùy chọn theo yêu cầu đầu tư dây chuyền sản xuất

Page 8


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

III. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN:
1. Khối Nguồn
SW 1

SW 2
2

C O N G _ T A C _ N G U OC N A U _ C H I
D 6

KHOI NGUON

24V

Q 4
C 4
104

D I O D E _ N G U O N 21 40 V0 0 u F 5 0 V
C 3

N G U O N _24VD C

A 6 7 1 _ T A I_ N H IE T

R 13

U 3
1

C 5
10uF

Q 5

LM 7812

A 6 7 1 _ T A I_ N H IE T

R 14

O U T

U 4

3

1
C 6
1000uF

C 7 10_5W
104

C 9
10uF

2

150_5W

IN

12V

0

0

0

0

0

0

0

0

2. Khối điều khiển tốc độ động cơ (PWM) và chọn chiều động cơ
12V
12V

C 1
U 2A

4
5

6

+

3

R 7

7

2

-

4

104
U 2B

+

1

-

12V
11

11

10k
R 16

R 15
4k7

0
100k

R 17

U 2C
4

12V

0
12V

R 18
10K

10k

12V

10

B _TR O 5K 1

9

8

-

R 21
10K

13

+

14

R 20
4k7

11

12

11

4

U 2D

+

0

0

Page 9

0

P W M 1

IN

5V

LM 7805
O U T

G N D

4
3
2
1

3
C 8
1000uF

2

J1

G N D

1

0

0


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

 Phân tích mạch: (Xét Opamp lý tưởng)
V 14 = A(V 12 − V 13) với A là hệ số khuếch đại của Opamp. A rất lớn
Thay V14=V13 vào:
V 14 = A(V 12 − V 14)
A
⇒ V 14 =
V 12 ≈ V 12
A +1
V 12 ≈ 5,3V
⇒ V 6 = V 3 = V 14 ≈ 5,3V
Xét pt dòng điện tại nút 2:
V 7 −V 2
= C ( V 2 − V 1) '
10 K
⇒ V 7 − V 2 = C.10 K . ( V 2 − V 1) ' = 0, 001( V 2 − V 1) '

V 2 ≈ V 3 ≈ 5,3V
Khi V 1 > 5,3V ⇒ V 5 > 5,3V ⇒ V 7 ở mức cao (đo được V 7 ≈ 9,5V )
Thay vào pt trên:
9,5V-5,3V=0,001(5,3V-V1)’
⇒ V 1 = 5,3 + V(0)1 −

4, 2t
với V(0)1 là điều kiện đầu của V1
0, 001

⇒ V1 giảm tuyến tính
Đo được giá trị đỉnh của V1 là 6V,giá trị đáy của V1 là 4,7V
⇒ Khoảng TG V1 giảm là: t =

6 − 4, 7
≈ 0.31ms
4, 2

Khi V 1 < 5,3V ⇒ V 5 < 5,3V ⇒ V 7 ở mức thấp (đo được V 7 ≈ 0,5V )
Thay vào pt trên:
0,5V-5,3V=0,001(5,3V-V1)’
⇒ V 1 = 6 − V(0)1 +

4,8t
với V(0) 1 là điều kiện đầu của V1
0, 001

⇒ V1 tăng tuyến tính
⇒ Khoảng TG V1 tăng là: t =

6 − 4, 7
≈ 0.27ms
4,8

Suy ra dạng sóng của V1 là dạng sóng tam giác chu kỳ 0,58ms

Page 10


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

Điện áp từ chân 1 được đưa vào chân 10 so sánh với điện áp ở chân số 9 để cho ra sóng
vuông ở chân 8. Điện áp ở chân 9 được điều chỉnh bằng biển trở, khi điện áp ở chân 9 thay đổi
sẽ kéo theo độ rộng xung ở chân 8 thay đổi
12V
Q 2
IR F 5 4 0

IR F _ 1

2K2

R 11
1K

F E T_1

Q 1

D 468

R 6

PW M1

Q 3
IR F 5 4 0

IR F _ 1

Q 6
B562

0

-

Điều khiển tốc độ động cơ băng chuyền bằng phương pháp điều khiển độ rộng
xung PWM bằng LM324 qua Fet IRF540.
O U T_R E LA Y
LS 19
F E T

7

D 65
1N 4007
N G U O N _24V

8
5
4

2
1
6
3

12V

D 63
1N 4007

C 32
104

J30
1
2
M O TO R

R E LA Y _D A O

- Đảo chiều động cơ dùng PLC đóng ngắt RELAY.
- Diode D65 dùng để dập tắt dòng ngược khi dừng hoặc đảo chiều Motor.
Chống nhiễu.

Page 11

GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

3. Khối Step motor:
XU N G _3
5V
U 1A

J1
2
1

5

D

3
POW ER

C LK

4
6

J3

R1

XU N G _1

R
S

14

5V

D 5

Q1
IR F 5 4 0

1
2

Q
Q

7

GND

J2

VD D

Q2
IR F 5 4 0

5V

2
1

XU
XU
XU
XU

4013

2

3

R 3

U 1B
9

560_cau_phan_ap

2k2_cau_phan_ap

11
10
8
14

5V

_1
_2
_3
_4

D

Q
Q

C LK
R
S

1
2
3
4
5
6
S TE P

Q3
IR F 5 4 0

13
12

5V

XU N G _4
GN D

7

VD D
Q4
IR F 5 4 0

4013

-

G
G
G
G

XU N G _2
IS O 1
PC 817
R2

4

LED

XU N G _S TE P

1

4K7

N
N
N
N

Xung cấp cho step được lấy từ xung tốc độ cao của PLC và được cách ly qua
OPTO, qua cầu phân áp cấp cho IC4013.

-

Ban đầu khi chân số 2 ở mức cao, sẽ kích Fet Q2 dẫn, chân số 2 được nối với số 9
keo theo chân 13 lên mức cao, kích Fet Q3 dẫn. Chân 13 được nối với chân số 5 sẽ
kéo theo chân số 1 lên mức cao kích Fet Q1 dẫn. Khi đó chân 2 ở mức thấp kéo
theo chân 12 ở mức cao kích Fet Q4 dẫn. Vậy thứ tự dịch xung là Q2, Q3, Q1, Q4.

4. Khối van khí và đảo chiều van
R 6 1

D 2 9

4 .7 K

3

1 2 V
1

O N _ V A N _ K H I

IS O 1 4
O P T O
4

2

L E D

V A N _ 3

O U T _ V A N
L S 1 0

D 3 6
2
1

1 2 V

J 1 1

7
6
2 4 V

1 N 4 0 0 7

8
5
3
4

1
2

C 2 2
1 0 4
V A N _ K H I

R E L A Y _ D A O _ V A N

0

-

Tín hiệu điều khiển van khí từ PLC điều khiển qua OPTO cách ly với 12V

-

Dùng RELAY đảo chiều để đảo chiều van khí

Page 12


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

5. Khối công tắc hành trình.
R 64

D 33
24V
1

4 .7 K

3

C O N G TAC 1

IS O 1 6
O P TO
4

2

LED

R 69

C T1_PLC

100

R 76

O

C
C
C
C
C
C

T1
T2
T3
T4
T5
T6

_
_
_
_
_
_

P
P
P
P
P

P

LC
LC
LC
LC
LC
LC

2
3
4
5
6
7
8
9

J23

1
C
C
C
C
C
C

T1
T2

T3
T4
T5
T6

_
_
_
_
_
_

P
P
P
P
P
P

L
L
L
L
L
L

C
C
C
C

C
C

1
2
3
4
5
6

1 0 K S IP 9

C O N _ C TA C _ IN _ P L C

Khi công tắc hành trình tích cực thì tín hiệu 24V từ công tắc hành trình qua Opto
cách ly cấp tín hiệu cho PLC
6. Khối cảm biến.
D 70

R 135

24V
3

24V

1

24V

4K7

IS O 3 8
O PTO
2

6
5
4
3
2
1

R 136

4

LED

J36

SEN SO R _PLC _7
24V
100
D 71

24V
1

R 137

3

24V

C O N 6 _ S E N S O R _ IN 7 8

4K7

IS O 3 9
O PTO
4

2

LED

R 142
SEN SO R _PLC _8

J15

R 93
S
S
S
S
S
S
S

S

E
E
E
E
E
E
E
E

N
N
N
N
N
N
N
N

S
S
S
S
S
S
S
S

O

O
O
O
O
O
O
O

R
R
R
R
R
R
R
R

_
_
_
_
_
_
_
_

P
P
P
P

P
P
P
P

LC
LC
LC
LC
LC
LC
LC
LC

_1
_2
_3
_4
_5
_6
_7
_8

2
3
4
5
6
7
8

9

S
S
S
S
S
S
S
S

1

1 0 K S IP 9

E
E
E
E
E
E
E
E

N
N
N
N
N
N

N
N

S
S
S
S
S
S
S
S

O
O
O
O
O
O
O
O

R
R
R
R
R
R
R
R

_
_
_
_
_
_
_
_

P
P
P
P
P
P
P
P

L
L
L
L
L
L
L
L

C
C
C

C
C
C
C
C

_
_
_
_
_
_
_
_

1
2
3
4
5
6
7
8

100

1
2
3
4

5
6
7
8
S E N S O R _ IN _ P L C

Khi cảm biến phát hiện tín hiệu đưa ra mức thấp qua Opto cách ly đưa tín hiệu 24V
cho PLC.

Page 13


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

IV. LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH VIẾT CHO PLC S7-200
 Bảng phân công địa chỉ các đầu vào ra:
CAM_BIEN_1
CAM_BIEN_2
CAM_BIEN_3
CAM_BIEN_4

I0.6
I0.1
I0.2
I0.3

CAM BIEN PHAT HIEN CHAI BOM NUOC
CAM BIEN PHAT HIEN CHAI DE DAT NAP

CAM BIEN PHAT HIEN CHAI DE VAN NAP
CAM BIEN PHAT HIEN CHAI DE TAY MAY
GAP
CAM BIEN PHAT HIEN THUNG

CAM_BIEN_5
CB_DUNG
CONG_TAC

I0.4
I0.7
I0.5

START
STOPP
CTHT_TREN
ENCODER

I1.0
I1.1
I1.2
I0.0

STEP Q0.0
DAO_CHIEU_1
TAY_MAY_TREN
DAO_CHIEU_2
BANG_CHUYEN_1
TAY_MAY_DUOI
BANG_CHUYEN_2

BANG_CHUYEN_3
BANG_CHUYEN_4
BANG_CHUYEN_5

Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
Q0.6
Q0.7
Q1.0
Q1.1

DAO CHIEU TAY MAY TREN

VAN_KHI_1 (VK1)
VAN_STEP_TREN (VK2)
VAN_KHI_DO_NUOC(VK3)

Q2.0
Q2.1
Q2.2

VAN TAY MAY TREN CUNG

VAN_KHI_EP_CHAI(VK4)
VAN_STEP_DUOI (VK5)
VAN_KHI_VAN_NAP_1(VK6)
VAN_KEP_CHAI(VK7)

VAN_KHI_2_3(VK8)

Q2.3
Q2.4
Q2.5
Q2.6
Q2.7

MOTOR_BOM_H2O
MOTOR_VAN_NAP
VAN_KHI_VAN_NAP2(VK9)

Q3.0
Q3.1
Q3.3

CONG TAC HANH TRINH TAY MAY DUOI

CONG TAC HANH TRINH TAY MAY TREN

DAO CHIEU TAY MAY DUOI

TREN BANG CHUYEN 1. EP XUONG DE DO
NUOC
EP XUONG DE VAN NAP
VAN KEP NAP
VAN TAY MAY DUOI

Page 14

GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

1. Chương trình chính:

Begin

Nạp số chai ban đầu = 0

Gọi chương trình con kiểm
tra vị trí ban đầu của tay máy

N
start
Y
Gọi chương trình điều khiển
băng chuyền 1 khâu rót nước

Gọi chương trình điều khiển băng
chuyền 2 khâu đặt nắp chai

Gọi chương trình điều khiển
băng chuyền 3 khâu vặn nắp

Gọi chương trình điều khiển
băng chuyền 4, 5 và tay máy

Stop

Dừng 5 băng chuyền

Page 15


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

 Chương trình:

Page 16


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

Page 17


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

2. Băng chuyền 1 : Rót nước vào chai

Begin BC1

N

Cảm biến 1
Y

Delay 0.5s
Dừng băng chuyền 1

Delay 0.5s
Mở van khí 3
KĐ bơm nước
N

Bơm 5s
Y

Dừng bơm nước
Delay 1s

Đóng van khí 3

Chạy lại băng chuyền 1

Page 18


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

Khi có chai được cấp vào thì băng chuyền 1 sẽ đưa chai đến vị trí cảm biến châm nước

băng chuyền sẽ dừng lại ,lúc này bộ phận chiết nước sẽ được hạ xuống bởi Van khí 3 và động
cơ chiết nước sẽ chiết nước vào chai (thời gian có thể thay đổi được tùy theo thể tích của
chai). Mức nước trong chai sẽ được định khoảng một thời gian Delay .Nếu chai được bơm đầy
thì hệ thống chiết nước sẽ được nâng lên và băng chuyền 1 sẽ được set để đưa chai tới băng
chuyền 2. Băng chuyền 2 sẽ đưa chai tới hệ thống đặt nắp chai.
 Chương trình:

Page 19


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

Page 20


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

Page 21


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

3. Băng chuyền 2 : Bộ phận đặt nắp chai

Begin BC2

N

Cảm biến 2
Y

Delay 0.5s
Dừng băng chuyền 2
Delay 0.5s
Mở van khí 5
Delay 0.5s

PLC xuất xung 90
độ

Mở van khí 2
KĐ băng chuyền 2

Delay 0.5s

Delay 0.5s

Đóng van khí 2

Đóng van khí 5

Delay 0.5s
Page 22

GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

Khi cảm biến 2 phát hiện có chai thì băng chuyền 2 sẽ dừng lại và hệ thống đặt nắp
chai sẽ được hạ xuống. Động cơ bước sẽ quay 1 góc đúng bằng 90 độ để đưa nắp chai vào
đúng vị trí cần thiết, đồng thời xilanh 2 sẽ được set để đóng nút chai vào miệng chai. Sau đó
hệ thống đặt nắp chai sẽ được nâng lên, băng chuyền 2 sẽ được set trở lại để đưa chai tới băng
chuyền 3.
 Chương trình:

Page 23


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

Page 24


GVHD: Nguyễn Đức Quang

Nhà máy bia

Page 25