TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu về đề tài
Ngành tự động hóa đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, đặc biệt trong các lĩnh vực sản xuất và dịch vụ Tuy nhiên, hiện nay vẫn còn thiếu hệ thống phân loại sản phẩm theo trọng lượng, mặc dù các mặt hàng được sản xuất rất đa dạng Do đó, tôi đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế một hệ thống phân loại sản phẩm dựa trên khối lượng để đáp ứng nhu cầu này.
Mục đích nghiên cứu
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trình bày cách áp dụng kiến thức về lập trình PLC và SCADA để nghiên cứu kết nối PLC CPU S7 1200 1211 DC của Siemens với hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng Việc sử dụng PLC sẽ giúp điều khiển và giám sát hiệu quả hệ thống thông qua nền tảng SCADA.
Đối tượng nghiên cứu
PLC S7-1200 CPU 1211 DC/DC/DC
Vẽ hệ thống trên FACTORY I/O
Phạm vi nghiên cứu
Hệ thống sẽ được áp dụng trong các nhà máy sản xuất hay phân loại hàng hóa để ra đơn vận chuyển cho khách hàng.
Dự kiến kết quả
Sản phẩm sẽ được mô phỏng và hoàn thành sau khi thực hiện đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tìm hiểu chương trình Loadcell
Loadcell là cảm biến chuyển đổi được dùng để chuyển đổi lực thành tín hiệu điện.
Strain gage là một thiết bị cảm biến có cấu trúc đàn hồi, có khả năng biến dạng khi chịu lực tác động Khi có sự biến dạng, strain gage sẽ tạo ra một tín hiệu điện tương ứng, tỷ lệ với mức độ biến dạng đó.
Loadcell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hay các lực biến thiên chậm.
Hàm cân của loadcell trong plc.
Hình 2.1: Chương trình hàm cân PLC
Một đầu vào Analog từ một module Analog hoặc signal board sử dụng tín hiệu đầu vào trong hiện tại là trong khoảng 0-27648 cho các giá trị hợp lệ.
Hàm NORM_X được sử dụng để đọc giá trị đầu vào analog, với giá trị này nằm trong khoảng từ 0 đến 648 Hàm sẽ trả về output1, lưu trữ giá trị dưới dạng số thực trong bộ nhớ Tiếp theo, lệnh SCALE_X sẽ đọc giá trị output1 từ NORM_X và chuyển đổi nó thành output2, nằm trong khoảng mong muốn từ 0 đến 100.
2.1.2 Nguyên lí hoạt động của Loadcell
Hoạt động của thiết bị dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone, trong đó giá trị lực tác dụng tỷ lệ thuận với sự thay đổi điện trở cảm ứng Kết quả là thiết bị sẽ cung cấp tín hiệu điện áp tỷ lệ tương ứng.
Cấu tạo: gồm hai thành phần là Strain Gage và Load
Strain gage là một loại điện trở nhỏ gọn, có kích thước chỉ bằng móng tay, với khả năng thay đổi điện trở khi bị nén hoặc kéo dãn Thiết bị này cần được cấp nguồn điện ổn định và thường được dán cố định lên bề mặt của phần Load để đo lường sự biến dạng.
Load : một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi, một đầu gắn cố định, một đầu còn lại tự do và được gắn với bàn cân.
Tìm hiểu về PLC
PLC, hay còn gọi là Bộ điều khiển logic lập trình, là thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Thiết bị này hoạt động bằng cách quét các trạng thái của đầu vào và đầu ra, và khi có sự thay đổi ở đầu vào, đầu ra sẽ phản ứng tương ứng Ngôn ngữ lập trình phổ biến cho PLC bao gồm Ladder và Statement List Hiện nay, nhiều hãng sản xuất PLC nổi tiếng như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron và Honeywell.
Nguyên lý hoạt động của PLC dựa trên việc quét các trạng thái đầu vào và đầu ra, cho phép đầu ra thay đổi tương ứng khi đầu vào có sự thay đổi.
Hệ thống lập trình cơ bản của PLC bao gồm 2 phần: khối xử lý trung tâm (CPU) và hệ thống giao tiếp vào/ra như sơ đồ khối:
Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc PLC
Khối xử lý trung tâm trong PLC là vi xử lý chịu trách nhiệm điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống, bao gồm việc thực hiện chương trình, xử lý tín hiệu vào/ra và giao tiếp với các thiết bị bên ngoài.
Bộ nhớ là phần mềm điều khiển hoạt động của hệ thống, bao gồm sơ đồ LAD và các giá trị của Timer, Counter được lưu trữ trong vùng nhớ ứng dụng Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau, cho phép người dùng lựa chọn phù hợp với nhu cầu sử dụng của mình.
Bộ nhớ ROM: Đây là loại bộ nhớ chỉ nạp được một lần và không thay đổi được.
Bộ nhớ RAM là loại bộ nhớ lưu trữ các chương trình và dữ liệu có thể thay đổi, nhưng thông tin sẽ bị mất khi mất điện Để khắc phục nhược điểm này, người dùng có thể sử dụng pin để duy trì dữ liệu.
Bộ nhớ EPROM tương tự như ROM, không cần nguồn pin để hoạt động Nội dung của EPROM có thể được xóa bằng cách chiếu tia cực tím vào một cửa sổ nhỏ trên chip, sau đó có thể nạp lại dữ liệu bằng máy nạp.
Bộ nhớ EEPROM kết hợp ưu điểm của RAM và EPROM, cho phép xóa và nạp dữ liệu bằng tín hiệu điện Tuy nhiên, số lần nạp dữ liệu của loại bộ nhớ này cũng bị giới hạn.
2.2.4 Ưu và nhược điểm PLC Ưu điểm:
Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.
Dung lượng bộ nhớ lớn để chứa được những chương trình phức tạp.
Thực hiện được các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao.
Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng chức năng khác.
Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng sửa chữa và bảo quản.
Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: các Module mở rộng, máy tính, nối mạng truyền thông,…
Khả năng chống nhiễu tốt, tin cậy hoàn toàn trong môi trường công nghiệp.
Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn.
Giá thành ổn, cạnh tranh được.
Giá thành phần cứng cao, một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình.
Để lập trình các chương trình điều khiển một cách chính xác, người sử dụng cần có trình độ chuyên môn cao và được đào tạo bài bản.
Tìm hiểu SCADA
SCADA là viết tắt của Supervisory control and data acquisition hay còn gọi là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu từ xa.
Cấu trúc SCADA gốm có các thành phần:
Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm
Trạm thu thập dữ liệu trung gian bao gồm các thiết bị đầu vào và đầu ra từ xa, như RTU (Remote Terminal Units) và PLC (Programmable Logic Controllers) Chúng có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành, bao gồm cảm biến cấp trường, hộp điều khiển đóng cắt và van chấp hành.
Hệ thống truyền thông bao gồm mạng truyền thông công nghiệp, thiết bị viễn thông và thiết bị chuyển đổi dồn kênh, có nhiệm vụ truyền dữ liệu từ cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ.
Giao diện người - máy (HMI) là thiết bị hiển thị thông tin về quá trình xử lý dữ liệu, giúp người vận hành dễ dàng điều khiển và quản lý hoạt động của hệ thống.
Hình 2.3: Cấu trúc của SCADA
KẾ VÀ THI CÔNG
Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống
Chức năng của hệ thống là điều khiển các thiết bị tự động hóa trong ngành công nghiệp, thực hiện các thuật toán điều khiển thông qua ngôn ngữ lập trình như Lader và FBD.
Linh kiện chính 6ES7 211-1AE40-0XB0 V4.1 CPU 1211C DC/DC/DC Thông số kĩ thuật:
Mã sản phẩm: 6ES7 211-1AE40-0XB0
Hãng sản xuất : siemens AG
Sơ đồ đấu nối dây
Hình 3.3: Sơ đồ đấu nối dây
Hạn mức cân tối đa: 20 kg Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell thường 5-15V
Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vượt quá(ví dụ: 125% công suất)
Hình 3.5: Cánh tay gạt sản phẩm
Khi quá trình cân hoàn tất, giá trị sẽ được so sánh, kích hoạt cánh tay gạt để hướng sản phẩm đến vị trí thích hợp Cánh tay gạt còn được trang bị một thanh băng chuyền, giúp việc di chuyển sản phẩm trở nên thuận tiện hơn.
Sử dụng Led hồng ngoại bước sóng 660nm, thời gian đáp ứng 2.5ms
Khoảng cách phát hiện: 30 cm
Hình 3.7: Sản phẩm vào thùng
Khi pallet gặp cảm biến dừng và đợi sản phẩm vào, khi đợi sản phẩm vào pallet sẽ tiếp tục di chuyển đến băng chuyền chung
Hình 3.8: Thùng hàng đến băng tải chung.
Khi sản phẩm đủ sổ lượng vào thùng thì thùng sẽ được di chuyển đến cục xoay vào băng chuyền chung và sau đó lên thang máy.
Hình 3.9: Thùng hàng vào tầng.
Các thùng đóng gói sẽ được lên thang và vào các tầng thang tương ứng
Sản phẩm nhẹ sẽ lên tầng 1
Sản phẩm trung bình sẽ lên tầng 2
Sản phẩm nặng sẽ lên tầng 3
Chức năng: tạo chỉnh sửa và lưu dữ liệu cho hệ thống
Sử dụng WinCC Runtime Advanced với chuẩn kết nối IE general để giao tiếp với PLC
Hình 3.11: Giám sát hệ thống trên SCADA.
Factory IO cung cấp 20 mô hình sẵn có dựa trên các ứng dụng trong ngành công nghiệp Thư viện Factory IO thường bao gồm các đối tượng và hệ thống được thiết kế để hỗ trợ người dùng trong việc mô phỏng và tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Để thiết kế dây chuyền, người dùng có thể tìm thấy các thư viện cần thiết ở góc phải, bao gồm cảm biến, băng tải nặng, băng tải nhẹ, cân và thang máy.
Driver: Siemens S7-PLCSIM Kết nối PLC mô phỏng S7 PLCSIM của siemesns
Chức năng : kết nối plc với phần mềm factory i/o để mô phỏng hệ thống
Hình 3.12: Driver kết nối PLCSIM.
Hình 3.13: Toàn cảnh hệ thống được thiết kế trên Factory IO.
GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN
Hoạt động của hệ thống
Hệ thống sẽ cung cấp nguồn điện cho sản phẩm, đưa sản phẩm lên băng tải và dừng lại tại cân trong ba giây để so sánh trọng lượng với các cánh tay gạt Nếu sản phẩm nhẹ, cánh tay gạt thứ nhất sẽ hoạt động; nếu sản phẩm có khối lượng trung bình, cánh tay gạt thứ hai sẽ được kích hoạt; và nếu sản phẩm nặng, nó sẽ tiếp tục di chuyển đến cuối băng tải.
Sau khi các sản phẩm được phân loại, chúng sẽ được cho vào thùng với số lượng chính xác Những thùng này sau đó sẽ di chuyển đến bàn xoay và vào băng tải chung để được chuyển lên thang máy.
Thang máy sẽ được thiết kế với ba tầng, trong đó tầng thứ nhất dành cho sản phẩm nhẹ, tầng thứ hai cho sản phẩm trung bình, và tầng ba sẽ chứa các sản phẩm nặng.
Lưu đồ giải thuật
Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật.
THỰC NGHIỆM
Tiến trình thực nghiệm
Bước 1: Cấp nguồn cho hệ thống.
Bước 2: Nhấn Start hệ thống hoạt động.
Bước 3: Đặt sản phẩm lên băng chuyền.
Bước 4: Giám sát và kiểm tra sản phẩm chạy trên băng tải và thang máy có đúng với yêu cầu.
Bước 5: Nhấn Stop hoặc E_stop dừng hệ thống.
Kết quả thực nghiệm
Bước 1: Cấp nguồn cho hệ thống.
Hình 5.1: Cấp nguồn cho hệ thống.
Bước 2: Nhấn Start hệ thống hoạt động.
Hình 5.2: Nhấn Start hệ thống hoạt động.
Khi ta nhấn Start đèn xanh sẽ sáng hệ thống chạy và sản phẩm được đưa vào.
Bước 3: Đặt sản phẩm lên băng chuyền.
Sản phẩm nặng có khả năng lên cân và nhận diện 4 sản phẩm nặng để đưa vào thùng Khi thùng sản phẩm nặng đã tiếp nhận đủ 4 sản phẩm, nó sẽ tự động di chuyển tới vị trí tiếp theo.
Hình 5.3: Sản phẩm sau khi cân và vào thùng theo số lượng.
Bước 4: Giám sát và kiểm tra sản phẩm chạy trên băng tải và thang máy có đúng với yêu cầu.
Hình 5.4: Sản phẩm lên thang và vào kho.
Thùng sản phẩm nặng sẽ lên tầng 3, và thang máy sẽ đếm có bao nhiêu thùng hàng đi vào.
Bước 5: Nhấn Stop hoặc E_stop dừng hệ thống.
Hình 5.5: Nhấn E_stop hệ thống dừng.
Nhấn E_stop thì hệ thống sẽ dừng hoạt động đèn xanh ở nút Start sẽ tắt.
Kết luận: Hệ thống hoạt động ổn định.
Kết luận thực nghiệm
Kết quả thu được giống với yêu cầu lúc đầu.
