Đề tài: Thiết kế hệ thống chiết rót và đóng nắp sản phẩm sử dụng PLC S7-1200

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
-----------------------

BÀI TẬP LỚN
ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC

Đề tài: Thiết kế hệ thống chiết rót và đóng nắp sản phẩm sử
dụng PLC S7-1200
Giáo viên hướng dẫn: Tống Thị Lý
Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Cơng Bình
Bùi Quang Dũng
Nguyễn Văn Hướng
Phạm Duy Hà
Vũ Đức Công

Hà Nội 4/2019


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 1
PHẦN 1- SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN PLC ................................................. 2
1.1- Cấu trúc của PLC ........................................................................................... 2
1.2- Các thành phần cơ bản của một PL ............................................................... 3
1.3- Hoạt động của một PLC ................................................................................ 3
1.4- So sánh PLC S7 200 với PLC S7 1200 ......................................................... 5
PHẦN 2- THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG PLC S7 1200 HỆ THỐNG
CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP SẢN PHẨM ............................................................. 6
2.1- Thiết bị sử dụng trong mơ hình ..................................................................... 6
2.2- Sơ đồ khối của hệ thống ................................................................................ 7
2.3- Tính chọn thiết bị ........................................................................................... 8

2.4- Nguyên lý hoạt động của hệ thống. ............................................................. 11
2.5- Phần mềm .................................................................................................... 15


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 mơi 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 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 còn 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 mơi trường sản xuất.
Tuy nhiên hệ thống cịn 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.
 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
2


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
Mơ đun vào
Mơ đun ra
Mơ 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 mơ đun kết nối mạng, mô đun truyền thông,
mô đun ghép nối các mơ đun chức năng để xử lý tín hiệu như mô đun 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 thông 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 hồn
tồn tự động theo chương trình trong bộ nhớ. Chương trình được nạp vào PLC thơng qua
thiết bị lập trình chuyên dụng.

1.3-

Hoạt động của một PLC
3


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 vòng các lệnh của chương trình
điều khiển. Chu kỳ quét được minh họa ở hìnhsau :

Chu kỳ quét của PLC

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
4


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

5


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

Các đầu ra SQ1-SQ8
Động cơ cấp phôi

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

Động cơ băng tải
Động cơ bàn xoay 2
Động cơ bơm nước
Xi lanh đẩy nắp thu
về
Xilanh đẩy nắp

Cảm biến sau xilanh ép nắp
Cảm biến trước xilanh đẩy nắp

2.1-

Xilanh ép nắp đẩy
ra

Thiết bị sử dụng trong mơ hình

6


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

Khởi
động
hệ
thống

Sơ đồ khối của hệ thống

Lấy
chai

Hệ
thống
rót

Đóng
nắp
chai

Đóng
gói

Kết
thúc

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.
7


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.

8


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

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 lị xo van hoạt động
ở vị trí bên phải, lúc đó cửa số 1 thơng 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.
9


Băng tải

Mơ hình sử dụng một băng tải để dẫn chai vào bàn xoay. Ở đầu băng tải có đặt một Mô
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.
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
10


Bàn xoay 1 có tác dụng đưa sản phẩm ban đầu lần lượt lên băng tải

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 vịng xoay này sẽ tiếp tục suốt đến khi
ấn stop để dừng hoạt động của mơ hình.
Hộp panel điều khiển

2.4-

Ngun lý hoạt động của hệ thống.

11


- 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.

 Lưu đồ thuật toán lấy chai

12


Hình 11: Lưu đồ thuật tốn cấp chai

 Lưu đồ thuật tốn bơm nước:

Hình 13: Lưu đồ thuật tốn bơm nước
 Lưu đồ thuật tốn đóng nắp

13


Hình 14:Lưu đồ đóng nắp sản phẩm

14


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

Địa chỉ

Động cơ cấp phôi

Q0.0

Động cơ băng tải

Q0.1

Động cơ bàn xoay 2

Q0.2

Động cơ bơm nước

Q0.3

Xilanh đẩy nắp thu về

Q0.4

Xilanh đẩy nắp đẩy ra

Q0.5

Xilanh ép năp đẩy ra

Q1.0

Xilanh ép nắp thu về

Q1.1

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

15


Chương trình con RUN
16


17


18


Chương trình con RESET

Chương trình con BIẾN TRUNG GIAN

19


20


Quy trình vận hành hệ thống.
Bước 1: Đóng aptomat 3 pha
Bước 2: Bấm ON trên hộp nguồn để cấp điện cho tồn hệ thống.
Bước 3: Tải chương trình lập trình cho PLC S7-1200.
Bước 4: Chạy chương trình điều khiển giám sát dùng ứng dụng Tia portal V13
Bước 5: Cho nắp vào khoang chứa nắp, cấp phơi vào vị trí bàn xoay 1
Bước 6: Nhấn “Reset” trên giao diện Wincc trong khoảng 5s
Bước 7: Nhấn “Start” trên giao diện Wincc
Bước 8: Quá trình làm việc sẽ được hiển thị ngay trên phần mềm.
Bước 9: Bấm Stop để dừng hệ thống.

21