Giới thiệu chung về hệ thống giám sát quy trình sản xuất
Lịch sử nghiên cứu về hệ thống giám sát quy trình sản xuất
Trong lịch sử phát triển ngành công nghiệp, con người đã liên tục cải tiến dây chuyền sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất Hiện nay, sự xuất hiện của các công nghệ hiện đại đã mang lại những thành tựu to lớn cho ngành sản xuất, đặc biệt là hệ thống giám sát quy trình sản xuất, góp phần vào sự phát triển kinh tế.
Vào những năm 1940, nhu cầu giám sát và vận hành thiết bị từ xa đã dẫn đến việc phát triển hệ thống kết nối giữa các địa điểm thông qua dây nối, nhưng mỗi dây chỉ điều khiển được một thiết bị, làm tăng chi phí sản xuất và khó khăn trong khắc phục lỗi Để cải thiện hiệu quả, hệ thống chuyển mạch bước sử dụng nam châm đã được giới thiệu, cho phép điều khiển nhiều thiết bị chỉ với một đường truyền duy nhất.
Hình 1.1 Bảng điều khiển truyền thống trong một nhà máy xử lý nước thải
Vào những năm 1950, việc điều khiển các nhà máy công nghiệp thông qua bộ xử lý đã trở thành hiện thực, với ngành khai thác sản xuất khí đốt và dầu mỏ là những người sử dụng chính Đến những năm 1960, giao tiếp từ xa ra đời, mang lại khả năng giám sát nâng cao và cho phép truyền dữ liệu tự động đến các vị trí giám sát từ xa.
Thuật ngữ “SCADA” lần đầu tiên xuất hiện sau khoảng một thập kỷ, dùng để mô tả các hệ thống giám sát và kiểm soát quy trình tự động thông qua PLC và bộ xử lý Vào thời điểm đó, SCADA được xem như những cỗ máy khổng lồ, nhưng do chưa có mạng, chúng chỉ hoạt động như những đơn vị độc lập.
Từ những năm 1980 đến 1990, các hệ thống máy tính ngày càng nhỏ gọn và mạnh mẽ hơn, cùng với sự phát triển của mạng cục bộ LAN và giao diện người-máy HMI, đã cho phép hệ thống SCADA kết nối với các hệ thống liên quan Tuy nhiên, do thông tin liên lạc còn độc quyền, hệ thống SCADA không thể giao tiếp với các kết nối từ nhà cung cấp bên ngoài, dẫn đến việc gọi đây là thế hệ “SCADA phân tán” Đến đầu thế kỷ 21, các hệ thống SCADA bắt đầu áp dụng kiến trúc mở với các giao thức truyền thông tương thích, mở ra khả năng kết nối với nhiều nhà cung cấp khác nhau, được gọi là “Hệ thống SCADA có nối mạng”.
Hệ thống SCADA hiện nay đã thích nghi với công nghệ mới và vượt trội hơn so với các hệ thống giám sát cũ nhờ vào việc áp dụng các tiêu chuẩn công nghệ thông tin hiện đại như SQL và các ứng dụng web SCADA cho phép truy cập thông tin nhà máy theo thời gian thực từ mọi nơi trên thế giới, từ đó cải thiện hoạt động của các quy trình sản xuất.
Các vấn đề đặt ra với đề tài
Nghiên cứu và thiết kế hệ thống SCADA cho quy trình đóng hộp hạt điều cần tập trung vào việc giám sát hiệu quả, đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của dữ liệu Hệ thống phải có khả năng theo dõi các thông số quan trọng, phát hiện sự cố kịp thời và tối ưu hóa quy trình sản xuất Bên cạnh đó, việc tích hợp công nghệ hiện đại và đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn cũng là yếu tố quan trọng trong việc phát triển hệ thống này.
− Hiểu rõ được cấu trúc của một hệ thống SCADA vai trò của các thành phần trong hệ thống SCADA
− Tìm hiểu và sử dụng được phần mềm TIA Portal V16 để thiết kế được một hệ thống SCADA giám sát chu trình hạt điều
Xây dựng giao diện HMI cho phép theo dõi trạng thái cảm biến và các khâu tác động, đồng thời cung cấp khả năng can thiệp điều khiển phần cứng của hệ thống Giao diện này cũng có chức năng gửi cảnh báo tới người dùng khi hệ thống gặp lỗi, đảm bảo sự vận hành hiệu quả và an toàn.
Tìm hiểu về đặc tính và thông số kỹ thuật của PLC S7-1200, cùng với các phần cứng tương thích, là rất quan trọng để sử dụng hiệu quả Bài viết sẽ hướng dẫn cách kết nối phần cứng của PLC S7-1200 với quy trình đóng hộp hạt điều thông qua các cổng vào ra, nhận tín hiệu từ cảm biến, xuất tín hiệu điều khiển cho các bước tác động và giao tiếp với HMI thực tế sau khi thiết kế giao diện tương tác bằng phần mềm.
Trong quy trình đóng hộp hạt điều, việc xác định và lựa chọn các thành phần vào ra như cảm biến và khâu tác động là rất quan trọng Các thành phần này cần được kết nối với PLC S7-1200, đồng thời phải có khả năng tương tác với các thành phần đó thông qua giao diện HMI.
− Tính toán được các thông số cần thiết cho quy trình như kích thước, tốc độ, năng suất,…
Đối tượng nghiên cứu
Phần mềm TIA Portal V16 được sử dụng để thiết kế giao diện điều khiển, lập trình điều khiển và mô phỏng hệ thống SCADA, nhằm giám sát quy trình đóng hộp hạt điều.
− PLC S7-1200: Sử dụng làm bộ điều khiển chính để xử lý tín hiệu cũng như điều khiển các khâu tác động trong quy trình đóng hộp hạt điều
− Màn hình HMI TP700 Comfort: Sử dụng làm màn hình hiển thị đồng thời là giao diện tương tác của người dùng với quy trình đóng hộp hạt điều
Trong quy trình đóng hộp hạt điều, các loại cảm biến như cảm biến tiệm cận, cảm biến màu sắc và cảm biến khoảng cách đóng vai trò quan trọng Những cảm biến này giúp xác định vị trí và chất lượng của hạt điều trong quá trình sản xuất Bên cạnh đó, các khâu tác động như động cơ, xy lanh và bộ rẽ nhánh cũng góp phần nâng cao hiệu quả và độ chính xác của quy trình đóng hộp Việc áp dụng công nghệ cảm biến tiên tiến không chỉ tăng năng suất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.
− Các phần mềm hỗ trợ thiết sử dụng trong thiết kế mạch mạch kết nối cho PLC, xây dựng mô hình quy trình dưới dạng 3D.
Phương pháp thực hiện
Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) là một công cụ quan trọng trong quản lý và giám sát quy trình công nghiệp Để hiểu rõ về hệ thống này, cần nghiên cứu định nghĩa và hoạt động của nó qua các tài liệu trực tuyến Việc tìm hiểu các đặc trưng của phần cứng trong hệ thống và thực hiện tính toán hệ thống là cần thiết Bên cạnh đó, việc tiếp thu kiến thức về cách sử dụng PLC S7-1200, các module ngoại vi như HMI và các thiết bị mở rộng khác cũng rất quan trọng để vận hành hiệu quả hệ thống SCADA.
Phương pháp thực nghiệm trong nghiên cứu này bao gồm việc thiết kế hệ thống SCADA sử dụng thiết bị thực tế như PLC S7-1200 và màn hình giao tiếp HMI Hệ thống được lắp đặt tại phòng nghiên cứu của trường, mô phỏng quy trình đóng hộp hạt điều bằng phần mềm 3D chuyên dụng, với các đặc tính vật lý gần gũi với thực tế, nhằm theo dõi hành vi của hệ thống trong điều kiện thực tế.
Phương pháp luận thiết kế cơ điện tử nhằm tối ưu hóa sản phẩm cơ điện bằng cách nghiên cứu và kết hợp các nguyên tắc trong cơ khí, điện tử và kỹ thuật điều khiển Quá trình này bao gồm việc tính toán và lựa chọn các thiết bị hợp lý, tối ưu, đồng thời tiết kiệm chi phí cho hệ thống thực tế.
Giới hạn đề tài
− Giới hạn lý thuyết: Kiến thức học phần Kỹ thuật tự động hóa, Cảm biến và hệ thống đo, Thiết kế hệ thống Cơ Điện tử, Chi tiết máy
Phần mềm TIA Portal V16 được sử dụng để thiết kế giao diện và lập trình điều khiển, trong khi phần mềm NX hỗ trợ thiết kế hệ thống mô phỏng hoạt động thực tế Ngoài ra, AutoCAD Electrical 2019 được áp dụng trong việc thiết kế mạch điện điều khiển.
− Bộ điều khiển: Tìm hiểu và sử dụng PLC S7-1200 trong điều khiển hoạt động toàn bộ hệ thống
− Thiết bị: Sử dụng các thiết bị tại phòng nghiên cứu như máy tính, màn hình HMI, PLC S7-1200 và các module mở rộng có sẵn,…
Tổng quan về hệ thống SCADA giám sát quy trình đóng hộp hạt điều sử dụng PLC S7-1200
Hệ thống giám sát SCADA thời gian thực [1] [2] [3]
SCADA, hay Hệ thống Giám sát, Điều khiển và Thu thập Dữ liệu, là công nghệ cho phép người dùng giám sát và quản lý các quy trình công nghiệp một cách hiệu quả Hệ thống SCADA cung cấp khả năng thu thập dữ liệu thời gian thực, phân tích thông tin và điều khiển thiết bị từ xa, giúp tối ưu hóa hoạt động và nâng cao hiệu suất.
− Kiểm soát hoạt động của các quy trình trong hệ thống, theo dõi hoạt động của hệ thống trực tiếp hoặc từ xa
− Thu thập và xử lý dữ liệu theo thời gian thực, giúp đưa ra quyết định nhanh chóng với các vấn đề của hệ thống
− Tương tác trực tiếp với các thiết bị trong hệ thống cảm biến, các khâu tác động, các động cơ,… thông qua giao diện HMI
Hệ thống SCADA theo dõi các sự kiện quan trọng và tạo nhật ký hoạt động, kết hợp việc nhận, xử lý và hiển thị thông tin Nó tự động vận hành dây chuyền sản xuất, liên tục thu thập dữ liệu như trạng thái cảm biến, tốc độ động cơ, dòng điện và nhiệt độ Dữ liệu này được giải mã và trình bày trên giao diện người – máy (HMI), giúp người vận hành theo dõi trực quan theo thời gian thực Hệ thống SCADA còn cho phép giám sát từ xa qua Internet, cho phép người dùng can thiệp và thay đổi thông số Các thống kê và báo cáo quan trọng có thể được tổng hợp tự động hoặc theo yêu cầu, phục vụ cho việc tra cứu, chẩn đoán và cải thiện hệ thống.
Hình 2.1 Giám sát hệ thống lưới điện ứng dụng SCADA tại Cao Bằng
2.1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống SCADA
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống SCADA được mô tả như hình 2.2
Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống SCADA
Trạm điều khiển giám sát trung tâm bao gồm một hoặc nhiều máy chủ trung tâm cùng với các phần mềm tích hợp, nhằm phục vụ cho việc giám sát và điều khiển hiệu quả.
Bộ điều khiển PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị quan trọng trong hệ thống tự động hóa, có chức năng xử lý và điều khiển tự động Nó nhận tín hiệu từ các cảm biến, gửi lệnh điều khiển cho các thiết bị hoạt động và đồng thời truyền dữ liệu về máy chủ để giám sát và quản lý hệ thống hiệu quả.
Trạm thu thập dữ liệu trung gian RTU (Remote Terminal Units) có vai trò quan trọng trong việc giao tiếp với các thiết bị chấp hành như cảm biến, thiết bị điều khiển, và các van chấp hành.
Hệ thống truyền thông bao gồm các mạng công nghiệp, thiết bị truyền thông và thiết bị chuyển đổi, có nhiệm vụ truyền dữ liệu từ các khối điều khiển đến máy chủ Điều này cho phép hệ thống tương tác và can thiệp từ xa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc theo dõi và giám sát hiệu quả.
Giao diện người – máy HMI (Human Machine Interface) là màn hình hỗ trợ theo dõi và điều khiển hệ thống SCADA, hiển thị thông tin trạng thái hoạt động của hệ thống một cách trực quan qua số liệu, biểu đồ, màu sắc và xu hướng Người dùng có thể thực hiện lệnh điều khiển hệ thống thông qua HMI với mức can thiệp tùy chỉnh Ngoài ra, HMI còn cho phép thu thập dữ liệu từ các thiết bị bên ngoài, tạo báo cáo, thực hiện cảnh báo và gửi thông báo.
Hình 2.3 Giao diện người – máy HMI
Các cảm biến và khâu tác động là những thành phần quan trọng trong hệ thống SCADA, đảm nhiệm việc quản lý và điều khiển Cảm biến phát tín hiệu về khối lượng, nhiệt độ, áp suất và các thông số khác đến bộ điều khiển, trong khi khâu tác động nhận tín hiệu từ bộ điều khiển để thực hiện các thao tác trên dây chuyền sản xuất.
2.1.3 Ưu điểm của hệ thống SCADA
Trước khi SCADA ra đời, nhân viên nhà máy phải giám sát và điều khiển quy trình sản xuất thông qua các công tắc và nút nhấn, dẫn đến việc cần duy trì một lượng lớn nhân sự Khi công nghệ phát triển, rơle và bộ hẹn giờ được sử dụng để hỗ trợ giám sát, tuy nhiên, chúng vẫn yêu cầu không gian lớn cho bảng điều khiển và thao tác điều khiển phức tạp, đồng thời khả năng theo dõi và điều khiển từ xa còn hạn chế.
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, hệ thống SCADA đã trở thành một yếu tố quan trọng trong sản xuất, mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các hệ thống sản xuất truyền thống Những ưu điểm này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao hiệu quả và giảm thiểu chi phí.
− Giám sát và điều khiển hệ thống với lượng tiêu hao nhân lực ít
− Liên lạc và truyền dữ liệu tự động tới các vị trí giám sát từ xa khác
− Kiểm soát các quy trình tự động trên quy mô lớn hơn bao giờ hết
− Cho phép truy cập thông tin của nhà máy từ mọi nơi trên thế giới
Ghi lại lịch sử hoạt động là cần thiết để kết hợp với các ứng dụng phân tích nhằm cải thiện quy trình sản xuất của nhà máy Đồng thời, việc này cũng giúp tự động tạo hồ sơ lưu trữ bắt buộc cho một số ngành công nghiệp đặc thù.
Bộ điều khiển PLC S7-1200 [4] [5] [6] [7]
2.1.1 PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là bộ điều khiển logic có thể lập trình Khác với các bộ điều khiển thông thường chỉ sử dụng một thuật toán cố định, PLC cho phép người dùng tùy biến và thay đổi thuật toán điều khiển thông qua ngôn ngữ lập trình.
Do vậy nó cho phép thực hiện linh hoạt tất cả các bài toán điều khiển
PLC S7-1200, một sản phẩm nổi bật của hãng SIEMENS, được biết đến với tính đơn giản và độ chính xác cao Ra mắt vào năm 2009, S7-1200 là phiên bản nâng cấp của PLC S7-200, nhằm khắc phục những nhược điểm của thế hệ trước Dòng PLC này đã nhận được sự đánh giá cao và yêu thích từ giới tự động hóa nhờ vào những cải tiến vượt trội mà nó mang lại.
Hình 2.4 PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC
PLC S7-1200 được trạng bị những tính năng nổi bật có thể kể đến như:
− Cho phép kết nối thời gian thực với chuẩn giao tiếp Profinet
− Khả năng kết nối các CPU thành một mạng lưới hoặc sử dụng độc lập tùy theo ý đồ người sử dụng
− Tích hợp cách chức năng mạnh mẽ như đếm, đo, điều khiển vòng kín, điều khiển chuyển động
− Có khả năng ghi dữ liệu để lưu trữ khi chạy chương trình
− Trang bị đầy đủ các đầu vào ra tín hiệu số và tương tự, việc cài đặt và lập trình đơn giản
Khả năng mở rộng phần cứng rất linh hoạt cho phép kết nối nhanh chóng các mô-đun truyền thông và mô-đun tín hiệu, đáp ứng hiệu quả nhu cầu của các dự án lớn.
2.1.2 Thông số kỹ thuật của PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật PLC S7-1200 CPU 1215 DC/DC/DC
Thông số kỹ thuật PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC
Kích thước tổng thể DxRxC 0x100x75mm
Bộ nhớ làm việc 125kB (không thể mở rộng)
Bộ nhớ nạp 4Mb (có thể mở rộng bằng thẻ nhớ gắn ngoài)
Bộ nhớ nhớ lưu giữ 10kB (duy trì bằng nguồn nuôi từ siêu tụ, có thể lưu dữ liệu tối đa 20 ngày) Điện áp nguồn cấp 24V DC (khuyến nghị)
Khoảng điện áp làm việc 20,4-28,8V DC
Bảo vệ phân cực ngược Có
(1500mA khi kết nối với tất cả module mở rộng) Giới hạn chịu tải 12A (ở mức điện áp 28.8V)
Số ngõ vào Digital (DI) 14 (24V DC)
Analog (AI) 2 (0-10V DC với độ phân giải 10bit)
Số ngõ ra Digital (DQ) 10 (20-24V DC; max 0.5A)
Bộ đếm tốc độ cao tích hợp 6 (3 bộ đếm 30kHz + 3 bộ đếm 100kHz) Đồng hồ tích hợp Có (độ chính xác ±60s/tháng, tự động cập nhật)
Tôc độ thực thi lệnh
0.08us/lệnh (kiểu bit) 1.7us/lệnh (kiểu word) 2.3us/lệnh (kiểu số thực)
Số ngõ ra kiểu rơle 0
Số cổng Internet 2 (sử dụng giao thức PROFINET)
Tốc độ truyền tải 100Mbit/s
Khả năng mở rộng tối đa
1 mạch tín hiệu (SB-Signal Board)
3 module giao tiếp (CM-Communication Module)
Module tín hiệu SM-Signal thuộc dòng CPU 1215C của PLC S7-1200, được sản xuất bởi SIEMENS, có bộ nhớ làm việc lên tới 125kB, tăng hơn 25% so với dòng 1214C trước đó Dòng CPU này cho phép mở rộng với 8 module tín hiệu và 3 module truyền thông, phù hợp cho các dự án quy mô lớn Ngoài ra, 1215C còn có ba biến thể AC/DC/RLY, DC/DC/RLY và DC/DC/DC, tương ứng với nguồn cấp và dạng tín hiệu vào ra.
2.1.3 Khả năng kết nối của PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC
2.1.3.1 Kết nối nguồn và các đầu vào ra trên PLC S7-1200
Hình 2.5 Sơ đồ kết nối PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC Được trình bày trên hình 2.5, các cổng đấu nối cho PLC S7-1200 loại DC/DC/DC bao gồm:
− Nguồn cấp (1): Sử dụng nguồn cấp 24V DC
− Nguồn ra (3): Bản thân CPU khi được cấp nguồn nuôi sẽ xuất ra nguồn 24V
DC có thể được sử dụng để cấp nguồn cho ngõ vào hoặc cảm biến Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nguồn cấp ra có công suất hạn chế, nên chỉ nên dùng để cấp nguồn cho một số cảm biến hoặc thiết bị tiêu thụ điện năng thấp.
Ngõ vào số (Digital Input) bao gồm 4 chân, trong đó chân 1M đóng vai trò là chân chung cho tất cả các ngõ vào Tùy thuộc vào cách đấu nối, chân 1M sẽ nhận được các mức điện áp khác nhau Nếu ngõ vào ở mức
Khi sử dụng kiểu Sink, chân 1M sẽ nhận tín hiệu +24V, trong khi kiểu Source sẽ cung cấp 0V cho chân 1M khi ngõ vào ở mức tích cực 1 Tín hiệu đầu vào có thể được lấy từ cảm biến, công tắc hoặc rơle.
Các ngõ ra số (Digital Output) (5) cung cấp mức điện áp tích cực +24V, vì vậy cần cấp đúng điện áp +24V cho chân 4L+ và 0V cho chân chung 4M Tải được kết nối với các ngõ ra để thực hiện chức năng điều khiển.
− Ngõ vào tương tự (Analog Input) (6): CPU 1215C có hai kênh ngõ vào tương tự dạng điện áp DC biến thiên từ 0V tới 10V sử dụng chân 3M là chân chung
− Ngõ ra tương tự (Analog Output) (7): Hai kênh ngõ ra với chân chung 2M có thể xuất tín hiệu tương tự tới thiết bị khác với dòng không quá 20mA
2.1.3.2 Khả năng mở rộng phần cứng trên PLC S7-1200
PLC S7-1200 cho phép mở rộng linh hoạt các module bên cạnh CPU nhờ vào các chân nối tích hợp sẵn, giúp quá trình mở rộng diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.
Hình 2.6 Khả năng mở rộng của PLC S7-1200 a) Mạch tín hiệu (SB – Signal Board)
Module SB là giải pháp mở rộng tín hiệu vào ra hiệu quả cho các ứng dụng không yêu cầu nhiều tín hiệu, giúp tiết kiệm chi phí Thiết kế của module SB cho phép tháo lắp dễ dàng ngay tại mặt trước của PLC S7-1200 mà không làm thay đổi kích thước tổng thể của bộ điều khiển Module này cung cấp khả năng mở rộng cho PLC S7-1200 với 1 cổng tín hiệu ra analog 12 bit (10 VDC), 2 cổng tín hiệu vào và 2 cổng tín hiệu ra số 0,5A.
Hình 2.7 Lắp ráp mạch tín hiệu cho PLC S7-1200 b) Module tín hiệu (SM – Signal Module)
Module tín hiệu SM của SIEMENS cung cấp nhiều đầu vào ra, đáp ứng nhu cầu cho các dự án lớn cần điều khiển và theo dõi nhiều thành phần cùng lúc Với đa dạng loại module và tín hiệu, người dùng có thể linh hoạt lựa chọn theo yêu cầu Việc lắp ráp được tối ưu nhờ cổng kết nối riêng bên phải của PLC S7-1200, giúp giảm thời gian nối dây và tăng tính an toàn Bộ điều khiển PLC S7-1200 cho phép mở rộng lên tới 8 module tín hiệu trên một CPU, nâng cao hiệu quả sử dụng của hệ thống.
Hình 2.8 Module tín hiệu mở rộng trên PLC S7-1200 c) Module truyền thông (CM – Communication Module)
PLC S7-1200 không chỉ được trang bị kết nối Internet tích hợp sẵn mà còn hỗ trợ các module truyền thông, cho phép kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi như màn hình HMI, biến tần, động cơ servo và các PLC khác Nhờ đó, PLC có khả năng truyền dữ liệu đến nhiều thiết bị khác nhau trên mạng truyền thông, mở rộng khả năng giao tiếp và tương tác trong hệ thống tự động hóa Các module truyền thông được lắp đặt bên phải của PLC S7-1200, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp và quản lý hệ thống.
1200 và bộ điều khiển cũng hỗ trợ người dùng mở rộng lên tới 3 module truyền thông khác nhau
Hình 2.9 Module truyền thông mở rộng trên PLC S7-1200
HMI 7” TP700 Comfort SIEMENS [2] [8]
2.2.1 Màn hình cảm ứng HMI 7” TP700 Comfort SIEMENS
Màn hình cảm ứng HMI 7” TP700 Comfort của SIEMENS, thuộc dòng sản phẩm SIMATIC Comfort, mang lại khả năng tương tác trực quan và hiệu quả giữa người dùng và hệ thống SCADA.
Hình 2.10 HMI 7” TP700 Comfort SIEMENS
HMI TP700 Comfort có các tính năng nổi bật như:
− Giao diện thiết kế được bằng phần mềm hỗ trợ (Tia Portal, WinCC,…)
− Màn hình rộng độ phân giải cao, vùng hiển thị rộng hơn 40% so với màn hình hiển thị thông thường
− Có thể điều chỉnh độ sáng cùng với khả năng hiển thị 16 triệu màu với góc nhìn rộng lên tới 170 độ cho phép khả năng đọc tối ưu
− Giao diện người dùng sáng tạo và cải thiện khả năng sử dụng nhờ vào các điều khiển và đồ họa mới
− Chức năng cảm ứng, vận hành trực quan
− Nhiều cổng giao tiếp, có thể kết nối với nhiều PLC khác nhau
− Lưu trữ qua thẻ và USB, bảo mật dữ liệu tối đa nếu bị mất nguồn
2.2.2 Thông số kỹ thuật của HMI TP700 Comfort SIEMENS
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của HMI TP700 Comfort SIEMENS
Thông số kỹ thuật của HMI TP700 Comfort SIEMENS
Mã sản phẩm 6AV2124-0GC01-0AX0
Kích thước tổng thể DxRxC = 214x158x63mm
Khối lượng 1,819kg Điện áp hoạt động 19,2 – 28,8V DC (khuyến nghị 24V DC)
Kích thước màn hình 7 inch Độ phân giải 800x480 pixel
Loại tấm nền TFT cảm ứng điện trở 16 triệu màu
Hệ điều hành Windows CE6.0
Phần mềm cấu hình WinCC Comfort V13 trở lên
Chuẩn giao tiếp PROFINET, PROFIBUS
Dung lượng bộ nhớ 12MB
Thẻ nhớ Có, 2 cổng đọc trực tiếp thẻ SIEMENS
Phần mềm TIA Portal V16 [1] [4] [5] [9] [10]
TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) is a comprehensive software solution that integrates various automation management tools It offers a unified environment that enables users to efficiently perform system control tasks.
Hình 2.11 Nhận diện phần mềm TIA Portal V16
TIA Portal là phần mềm nền tảng cho tất cả các ứng dụng phát triển từ lập trình đến cấu hình thiết bị trong một dải sản phẩm Điểm mạnh của TIA Portal là khả năng cho phép các phần mềm chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu, từ đó tạo ra tính thống nhất và toàn vẹn cho hệ thống quản lý và vận hành.
Các thành phần có trong bộ TIA Portal bao gồm:
− Simatic Step 7 professional và Simatic step 7 PLCSIM: Giúp lập trình và mô phỏng PLC các dòng S7-200, S7-300, S7-400, Simatic S7-1200, Simatic S7- 1500…
− Simatic WinCC Professional: Dùng để thiết kế giao diện cho HMI, và giao diện hệ thống SCADA
− Ngoài ra còn có Simatic Start Driver, Sirius và Simocode hỗ trợ người dùng thực hiện nhiều công việc khác
TIA Portal tạo môi trường cho người dùng dễ dàng thực hiện các thao tác:
− Thiết kế giao diện dạng kéo thả giữa các cửa sổ linh hoạt, dễ dàng
− Quản lý Project, thiết bị trực quan, nhanh chóng
− Chức năng Go online và Diagnostic giúp chẩn đoán, phát hiện lỗi trong hệ thống
− Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens Ưu điểm khi sử dụng phần mềm TIA Portal:
Cơ sở dữ liệu được tích hợp trong một phần mềm duy nhất giúp quản lý và cấu hình dễ dàng hơn Điều này mang lại hiệu quả cao trong quản lý hệ thống, cho phép tìm kiếm và khắc phục sự cố một cách nhanh chóng và thuận tiện.
Tích hợp tất cả các công cụ quản lý như PLC và màn hình HMI giúp người dùng tiết kiệm thời gian thao tác và thiết lập kết nối giữa các thiết bị Giao diện kéo thả giảm thiểu thao tác lập trình, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cao trong quá trình làm việc.
TIA Portal yêu cầu người sử dụng có kỹ thuật cao do tích hợp nhiều phần mềm và cơ sở dữ liệu đa dạng, điều này khiến việc làm quen với phần mềm mất nhiều thời gian Mặc dù vậy, TIA Portal vẫn là phần mềm phổ biến trong ngành công nghiệp tự động hóa.
Truyền thông PROFINET [1] [2] [3] [11]
PROFINET (Process Field Net) là tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp cho việc truyền dữ liệu qua Internet công nghiệp, nhằm thu thập và điều khiển thiết bị trong hệ thống công nghiệp Hệ thống này nổi bật với tốc độ phản hồi nhanh, cung cấp dữ liệu theo thời gian thực một cách hiệu quả Những ưu điểm của PROFINET trong truyền thông công nghiệp bao gồm khả năng tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu suất hoạt động.
− Tự động hóa thời gian thực với thời gian trễ ngắn (từ 1ms trở xuống)
− Truyền tải dữ liệu chính xác
− Xử lý sự cố hiệu quả với kết nối đơn giản và tiết kiệm chi phí
CPU S7-1200 được trang bị hai cổng truyền thông tích hợp với giao thức PROFINET, hỗ trợ cả tiêu chuẩn truyền thông Internet và TCP/IP Các giao thức này mang lại khả năng kết nối linh hoạt và hiệu quả cho hệ thống tự động hóa.
− Giao thức TCP (Transport Control Protocol – giao thức truyền thông vận chuyển)
2.4.2 Cấu hình truyền thông PROFINET cho một hệ thống SCADA
Trong hệ thống SCADA, CPU có khả năng giao tiếp với các thiết bị lập trình, HMI, các CPU khác và cả những thiết bị từ nhà sản xuất khác thông qua giao thức truyền thông tiêu chuẩn Có hai phương pháp giao tiếp truyền thông sử dụng PROFINET.
Kết nối trực tiếp là phương pháp sử dụng khi người dùng làm việc với thiết bị lập trình, HMI hoặc CPU riêng lẻ Phương pháp này tận dụng dây mạng để kết nối các thiết bị khác nhau, mang lại ưu điểm lớn là không gây ra độ trễ Tuy nhiên, kết nối trực tiếp chỉ khả thi trong mạng có một thiết bị lập trình hoặc HMI kết nối với một CPU.
Hình 2.12 Kết nối trực tiếp trong truyền thông PROFINET
Kết nối mạng cho phép nhiều thiết bị kết nối với nhau thông qua một bộ chuyển mạch Cổng PROFINET trên CPU S7-1200 hỗ trợ đồng thời 3 kết nối truyền thông từ HMI tới CPU và 1 kết nối từ thiết bị lập trình tới CPU.
Hình 2.13 Kết nối kiểu mạng trong truyền thông PROFINET
CPU S7-1200 không được cấu hình sẵn địa chỉ IP, vì vậy cần gán địa chỉ IP thủ công cho CPU Để thực hiện điều này, người dùng phải cấu hình địa chỉ IP trong phần "Device configuration" của dự án.
Hình 2.14 Cấu hình địa chỉ IP cho CPU trong TIA Portal V16
Tại dự án, sau khi bổ sung các thành phần cần thiết, cần thay đổi địa chỉ IP của CPU để tương thích với mạng cục bộ trong hệ thống SCADA Cụ thể, trong mục "Device configuration", chọn PLC cần cấu hình, sau đó chọn "Ethernet addresses" và điều chỉnh ô "IP address" để thay đổi địa chỉ IP cho PLC Cuối cùng, tiến hành nạp dữ liệu vào PLC thực để cấu hình địa chỉ cho nó.
Trong hệ thống SCADA lớn, việc gán địa chỉ IP khác nhau cho các thiết bị lập trình và thiết bị mạng là rất quan trọng để tránh xung đột khi hoạt động với các mạng khác Do đó, cần xác định chính xác các thiết bị và cài đặt đúng địa chỉ IP nhằm đảm bảo sự hoạt động hiệu quả của hệ thống.
Các cơ cấu chấp hành trong quy trình đóng hộp hạt điều [11]
Băng tải là thiết bị thiết yếu trong các dây chuyền công nghiệp, giúp di chuyển vật liệu một cách nhanh chóng và hiệu quả Hệ thống băng tải đặc biệt quan trọng trong các ngành công nghiệp vật liệu, bao gồm xử lý, chế biến và đóng gói.
Băng tải được phân loại đa dạng dựa trên vị trí, phương thức vận chuyển và loại sản phẩm, bao gồm băng tải đai, băng tải con lăn, băng tải xích, băng tải thẳng và băng tải cong Mặc dù có nhiều loại khác nhau, nhưng tất cả băng tải đều có cấu tạo chung với những thành phần chính tương tự.
− Khung giá đỡ băng tải: Thường làm bằng thép, nhôm định hình, hoặc thép mạ kẽm
− Dây tải: Có nhiều loại đai băng tải khác nhau như đai xích, đai lưới, hoặc sử dụng con lăn trực tiếp,…
Cơ cấu truyền động của băng tải đóng vai trò quan trọng trong việc tạo chuyển động, bao gồm các con lăn kéo và gối đỡ băng tải Đối với băng tải xích, gối đỡ có thể được thay thế bằng ray dẫn để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
− Động cơ: Sử dụng động cơ có tích hợp bộ phận giảm tốc hoặc động cơ và hộp giảm tốc tách rời
Hình 2.15 Băng tải xích nhựa sử dụng trong công nghiệp
Máy đóng nắp có chức năng cấp và đóng nắp cho hộp một cách nhanh chóng và hiệu quả Khi hộp vào máy, các bộ phận cữ chặn và xy lanh kẹp sẽ cố định hộp, trong khi bộ phận cấp nắp đưa nắp vào miệng hộp Cuối cùng, một bộ phận xy lanh khác ấn chặt nắp vào thân hộp Cấu tạo của máy đóng nắp bao gồm ba thành phần chính: bộ phận chặn, bộ phận cấp nắp và bộ phận dập nắp.
Hình 2.16 Máy đóng nắp chai
Máy dán nhãn đóng vai trò quan trọng trong việc dán nhãn nhận diện sản phẩm lên hộp Nhãn dán được gắn vào mặt bên của hộp khi hộp di chuyển trên băng tải, đồng thời được quay tròn nhờ cơ cấu ma sát Băng ma sát được căng với cuộn băng keo hai mặt, giúp hộp di chuyển tròn và dính chặt tem nhãn Lực lăn ép trên băng ma sát đảm bảo nhãn hộp được dán cứng chắc Cấu tạo của máy dán nhãn bao gồm nhiều thành phần thiết yếu để thực hiện quy trình này hiệu quả.
− Băng chuyền vận chuyển hộp
− Cảm biến nhận diện hộp đi vào vị trí dán nhãn
Cơ cấu băng tải được thiết kế để tạo chuyển động lăn tròn cho hộp, bao gồm một bản cố định và một băng tải ép vào thành hộp Khi băng tải hoạt động, hộp sẽ lăn tròn trên bề mặt của bản cố định, giúp nâng cao hiệu suất vận chuyển.
− Cuộn nhãn ra, cuộn nhãn vào cùng cảm biến kiểm soát việc cấp nhãn
− Động cơ cuộn cấp nhãn và băng tải dán nhãn
2.5.4 Xy lanh khí nén tác động kép
Xy lanh khí nén là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ khí nén thành động năng, phục vụ cho chuyển động Hoạt động của xy lanh khí nén dựa vào áp suất cao bên trong, tác động lên piston để tạo ra chuyển động theo quỹ đạo đã được xác định.
Xy lanh khí nén tác động kép là thiết bị sử dụng khí nén để tạo ra lực từ cả hai phía của piston Khác với xy lanh tác động đơn, mà cần lò xo hoặc lực bên ngoài để đưa piston trở lại, xy lanh tác động kép cho phép khí nén điều khiển chuyển động của piston cả khi tiến và lùi mà không cần phụ thuộc vào lực bên ngoài.
Xy lanh khí nén tác động kép được điều khiển chủ yếu bằng van 5/2 hoặc van 5/3
Hình 2.18 Cấu tạo xy lanh tác động kép
2.5.5 Van điện từ khí nén Được sử dụng để điều khiển các xy lanh và các khâu tác động khác đòi hỏi sử dụng khí nén, van điện từ khí nén là thành phần không thể thiếu trong một hệ thủy khí Nhờ được thiết kế các đường dẫn và phân chia khí một cách khoa học bên trong mà van khí nén này có thể thực hiện việc cấp, dừng hoặc thậm chí đảo chiều dòng khí nén theo ý muốn của người dùng
Van điện từ khí nén bao gồm một van khí nén và cuộn hút điện Khi dòng điện chạy qua cuộn hút, lực điện tạo ra sẽ thay đổi trạng thái của van, từ đó điều chỉnh dòng khí lưu thông trong van.
Hình 2.19 Van điện từ khí nén 5/2
Quy ước đặt tên van khí nén dựa trên số lượng cửa dẫn khí và trạng thái hoạt động của van Chẳng hạn, van 3/2 có 3 cửa khí và 2 trạng thái dẫn khí.
Van điện từ khí nén có những ưu điểm như :
− Thời gian đóng mở nhanh
− Hoạt động chính xác, có độ bền cơ học khá cao và có khả năng chống ăn mòn tốt và đặc biệt là an toàn cho người sử dụng
− Giá thành tương đối rẻ
− Được ứng dụng rộng rãi
− Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, sửa chữa,thay đổi
2.5.6 Đèn báo Đèn báo được sử dụng để thông báo trạng thái hệ thống một cách trực quan cho người dùng Tuy chỉ là một thành phần nhỏ nhưng đèn báo lại đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống giám sát Đèn báo giúp người sử dụng biết được hệ thống đang hoạt động hay tắt, hoặc có thể báo một số lỗi nhất định để người dùng có thể xử lý kịp thời
Hệ thống cảm biến [12] [13]
2.6.1 Cảm biến khối lượng (Loadcell)
Loadcell là thiết bị cảm biến chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện, bao gồm hai thành phần chính: một thanh kim loại chịu tải đàn hồi và các điện trở nhỏ gắn trên bề mặt thanh kim loại theo cấu trúc cầu điện trở Wheatstone Khi thanh kim loại bị nén hoặc kéo giãn, giá trị của các điện trở sẽ thay đổi, dẫn đến sự thay đổi dòng điện ở đầu ra của loadcell Sự thay đổi này tỷ lệ thuận với lực tác dụng, từ đó giúp xác định độ lớn tải trọng tác động lên cảm biến.
Hình 2.21 Nguyên lý hoạt động của cảm biến khối lượng
2.6.2 Cảm biến tiệm cận điện dung
Cảm biến tiệm cận điện dung được sử dụng để xác định sự hiện diện của hộp trong quy trình đóng hộp hạt điều Thiết bị này hoạt động dựa trên việc phát hiện sự thay đổi dung môi tại đầu cảm biến, giúp cải thiện hiệu quả trong quá trình sản xuất.
Hình 2.22 Cấu tạo và hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung
Cảm biến điện dung bao gồm một đĩa điện môi với các vòng tròn đồng tâm, hoạt động như các bản cực của tụ điện, tạo ra một vùng tĩnh điện ở đầu cảm biến Mạch dao động tần số cao sẽ tạo dao động với biên độ thay đổi theo điện dung tại đầu cảm biến Mạch kích (Trigger) theo dõi biên độ này và gửi tín hiệu tới mạch đầu ra, cho phép mạch đầu ra xuất tín hiệu ON/OFF dựa trên ngưỡng mà người dùng đã điều chỉnh.
2.6.3 Cảm biến quang phản xạ
Cảm biến quang phản xạ được sử dụng ở cuộn cấp nhãn, có tác dụng phát hiện nhãn trên dải băng nhãn dán
Cảm biến quang phản xạ bao gồm một nguồn phát quang và một bộ thu quang Nguồn phát quang, thường là đèn LED hoặc Laser, phát ánh sáng vào vùng kiểm tra Khi không có vật cản, ánh sáng không phản hồi về bộ thu, dẫn đến tín hiệu 0 Ngược lại, khi có vật cản, ánh sáng sẽ phản xạ từ bề mặt vật cản về bộ thu, tạo ra tín hiệu điện được gửi đến bộ phận xử lý, từ đó chuyển đổi thành hai chế độ ON/OFF tương ứng.
Hình 2.23 Nguyên lý hoạt động cảm biến quang phản xạ
Thiết kế hệ thống SCADA giám sát quy trình đóng hộp hạt điều
Sơ đồ khối hệ thống
Nhóm đã thiết kế sơ đồ khối hệ thống để xác định các thành phần trong hệ thống SCADA giám sát quy trình đóng hộp hạt điều Hình 3.1 minh họa các khối chính và sự tương tác giữa chúng, bao gồm tương tác vật liệu với các đối tượng như hộp, hạt điều, nắp và thùng; tương tác năng lượng từ nguồn điện hoặc khí nén; và tương tác tín hiệu từ cảm biến hay rơle gửi về bộ điều khiển.
Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống
3.1.7 Khối tương tác và hiển thị
Hình 3.8 Khối tương tác và hiển thị
Hoạt động của quy trình đóng hộp hạt điều
Quy trình đóng hộp hạt điều bao gồm năm giai đoạn chính: cấp hạt, đóng nắp, kiểm tra nắp, dán nhãn và cuối cùng là đưa sản phẩm vào vị trí đóng thùng.
Hình 3.9 Sơ đồ quy trình đóng hộp hạt điều
3.2.1 Giai đoạn cấp hạt điều
Hình 3.10 Giai đoạn cấp hạt điều
Hệ thống bắt đầu hoạt động với động cơ M1 vận hành băng tải chính, di chuyển hộp rỗng từ đầu băng tải đến vị trí cấp hạt (1) Đồng thời, động cơ M4 cũng được kích hoạt cho đến khi băng tải cấp hạt đưa đủ 1kg vào phễu định lượng, khối lượng được xác định nhờ cảm biến SC1.
Khi hộp di chuyển đến vị trí phễu, cảm biến DT1 sẽ phát hiện và kích hoạt xy lanh chặn ST1, ngăn không cho hộp đứng ở vị trí cấp (2) Lúc này, van cấp hạt V1 sẽ mở ra, cho phép hạt được đổ vào trong hộp.
Khi phễu đã hoàn tất việc chứa hạt, van cấp hạt V1 sẽ tự động đóng lại, đồng thời động cơ M4 khởi động lại, cho phép băng tải tiếp tục cung cấp hạt vào phễu Xy lanh chặn ST1 sẽ co lại, đưa hệ thống tiến tới giai đoạn tiếp theo (3).
− Động cơ M4 dừng chạy khi băng tải cấp hạt cấp đủ 1kg hạt cho phễu (4)
Hình 3.11 Giai đoạn đóng nắp
Khi hộp được đưa đến vị trí đóng nắp, cảm biến DT2 sẽ phát hiện và kích hoạt xy lanh chặn ST2 cùng với xy lanh kẹp P5 để cố định hộp Đồng thời, xy lanh P3 sẽ đẩy một nắp mới ra ngoài Sau khi xy lanh P3 thu hồi, xy lanh P4 sẽ vươn ra để ép nắp vào trong hộp.
− Khi hộp đã đóng nắp xong, P4 thu về, xy lanh kẹp P5 và xy lanh chặn ST2 lùi về thả hộp tiếp tục chạy trên băng tải (2)
3.2.3 Giai đoạn kiểm tra sản phẩm lỗi đóng nắp
Hình 3.12 Giai đoạn kiểm tra sản phẩm lỗi đóng nắp
Khi hộp OK (1) đi qua vị trí kiểm tra, cảm biến DT3 sẽ phát hiện và hệ thống kiểm tra cảm biến CK1 sẽ xác nhận Nếu kết quả từ cảm biến CK1 là OK, hộp sẽ được tiếp tục di chuyển trên băng tải chính.
Khi hộp NG (2) đi qua vị trí kiểm tra, cảm biến DT3 sẽ phát hiện và hệ thống kiểm tra cảm biến CK1 sẽ trả về kết quả NG Lúc này, nhánh CLS1 sẽ vươn ra để đưa hộp vào băng tải hộp lỗi Đồng thời, động cơ M3 sẽ khởi động băng tải hộp lỗi để di chuyển hộp cho đến khi hộp đến cuối băng tải, được phát hiện bởi cảm biến DT4, thì động cơ M3 sẽ tắt.
Hình 3.13 Giai đoạn dán nhãn
− Hộp đi vào máy dán nhãn tới vị trí cảm biến DT5 (1), xy lanh ST3 vươn ra chặn các hộp tới sau đó
Hộp di chuyển đến vị trí cảm biến DT6, nơi cảm biến phát hiện và kích hoạt động cơ cuộn cấp nhãn M7, để cung cấp một nhãn cho băng tải dán nhãn (2).
Cảm biến CL1 nhận diện sự xuất hiện của một nhãn, từ đó gửi tín hiệu dừng cho động cơ cuộn cấp nhãn M7 (3) Hộp sẽ được dán nhãn thông qua quá trình lăn trên băng tải dán nhãn.
3.2.5 Giai đoạn chuyển hộp thành phẩm tới điểm vận chuyển
Hình 3.14 Giai đoạn chuyển hộp tới điểm vận chuyển
Hộp thành phẩm di chuyển đến cuối băng tải, nơi cảm biến DT7 sẽ đếm số lượng sản phẩm Khi có đủ 2 sản phẩm, cảm biến này sẽ kích hoạt xy lanh đẩy P1, giúp đẩy hai sản phẩm đó sang băng tải vận chuyển.
Cảm biến DT8 sẽ đếm số lượng hộp hạt điều khi chúng chạy về cuối băng tải hộp thành phẩm Khi có đủ 3 cặp hộp, xy lanh đẩy P2 sẽ được kích hoạt để đẩy tổng cộng 6 hộp thành phẩm vào thùng Sau đó, thùng sẽ di chuyển trên băng tải thùng do motor M5 điều khiển để tới xe hàng.
Tính toán và lựa chọn các thiết bị cho hệ thống
Bảng 3.1 Các ký hiệu sử dụng trong tính toán hệ thống
STT Thông số Ký hiệu Đơn vị
1 Kích thước một hộp sản phẩm Dxh mm
2 Khối lượng một hộp sản phẩm msp kg
3 Đường kính bánh dẫn Dxt mm
4 Số răng của bánh dẫn z răng
5 Chiều rộng của băng tải xích nhựa B mm
6 Chiều dài làm việc của băng tải xích nhựa a m
8 Số mắt xích nhựa t mắt
11 Tốc độ quay của bánh dẫn nlv rpm
12 Công suất làm việc Plv kW
13 Vận tốc băng tải xích nhựa v m/s
14 Lực ma sát hộp sản phẩm với mặt xích tải Fms N
15 Áp lực hộp sản phẩm lên mặt xích tải Nsp N
17 Hệ số ma sát của hộp với mặt xích tải μ
18 Lực vòng do băng tải và bánh dẫn chủ động Ft N
20 Công suất cần thiết của động cơ Pct kW
24 Phản lực lớn nhất giữa sản phẩm với xích tải Nmax N
25 Khối lượng sản phẩm lớn nhất cần di chuyển mmax kg
26 Đường kính xy lanh d mm
27 Hành trình của xy lanh s mm
29 Áp suất khí nén P MPa
30 Lưu lượng khí cấp vào xy lanh Q m 3 /s
31 Vận tốc piston của xy lanh vxl m/s
32 Thời gian đi hết hành trình của xy lanh txl s
33 Khoảng cách giữa cảm biến và xy lanh chặn S m
34 Thời gian hộp di chuyển từ vị cảm biến tới vị trí xy lanh chặn t1 s
3.3.1 Tính toán và lựa chọn động cơ [11] [14] [15]
3.3.1.1 Công suất động cơ truyền động xích tải
Yêu cầu của hệ thống tải là:
− Vận tốc của băng tải: v ≥ 0,2 (m/s)
− Kích thước hộp chạy trên băng tải: Dxh = 95 x 150 (mm)
− Bề rộng băng tải: B ≥ 100 (mm)
− Chiều dài làm việc: a ≈ 4000 (mm)
− Tải trọng tối đa trên băng tải: mtải ≥ 20 (kg)
Để chứa hạt điều, nhóm tiến hành đã chọn hộp có kích thước 95x150 mm và lựa chọn băng tải phù hợp Băng tải xích nhựa 820K750, có sẵn trên thị trường, được sử dụng với các thông số chi tiết được nêu trong bảng 3.2.
Bảng 3.2 Thông số của băng tải xích nhựa 820K750
STT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Bề rộng băng tải xích nhựa B 190 mm
3 Khối lượng một mắt xích nhựa m 47 g
5 Đường kính bánh dẫn Dxt 160 mm
7 Vận tốc băng tải xích nhựa v 0,1-0,8 m/s
8 Hệ số ma sỏt giữa hộp với băng tải à 0,8
Chiều dài của xích tải là :
Tốc độ quay của bánh dẫn chủ động là : lv
Công suất làm việc trên trục công tác : t lv
Trong đó : Ft (N) lực vòng do xích tải và bánh dẫn chủ động v (m/s) là vận tốc băng tải
Khối lượng của xích tải là:
Chọn số hộp tối đa trên xích tải là 15 hộp Khối lượng mỗi sản phẩm là 1kg
⇒Tổng khối lượng của sản phẩm trên xích tải là :
Khi băng tải bắt đầu chuyển động, lực căng lớn nhất do xích tải và sản phẩm trên băng tải gây ra là c sp, với trọng lượng tương đương 15 kg (3.6).
F =(m +M).g (15 10,52).10 255,2(N)= + = (3.7) Băng tải muốn chuyển động thì lực vòng Ft tạo ra do ma sát giữa băng tải và bánh dẫn chủ động phải thỏa mãn: t c
Tính hiệu suất truyền động:
Theo thiết kế, động cơ truyền động cho xích tải thông qua một hộp giảm tốc, một cặp ổ lăn và một khớp nối dc hgt ol k
Trong đó: dc là hiệu suất của động cơ (Chọn = dc 1)
ol là hiệu suất của một cặp ổ lăn được che kín
hgtlà hiệu suất của hộp giảm tốc
klà hiệu suất của khớp nối (Chọn = k 1)
Bảng 3.3 Hiệu suất của các bộ truyền
Bảng hiệu suất của các bộ truyền
Bộ truyền che kín Bộ truyền để hở
Bộ truyền bánh răng trụ 0,96÷0,98 0,93÷0,95
Bộ truyền bánh răng côn 0,95÷0,97 0,92÷0,94
Bộ truyền bánh ma sát 0,90÷0,96 0,70÷0,88
Từ bảng 3.3 ta có = ol 0,99, = hgt 0,96
Công suất cần thiết của động cơ là:
Số vòng quay của trục động cơ là: sb hgt lv n =U n (3.13)
Chọn tỷ số truyền cho hộp giảm tốc là U hgt 0
Thay số của công thức (3.3) vào (3.13) ta được: n sb = 100.14 1400 = (rpm) (3.14)
Từ công thức (3.12) và (3.14), động cơ của hệ thống phải thoả mãn
Từ kết quả trên, chọn động cơ điện 5IK60GN-CWE
Hình 3.15 Động cơ điện 5IK60GN-CWE
Thông số kỹ thuật của động cơ:
− Vận tốc đầu ra hộp giảm tốc: 14,5(rpm)
3.3.2 Tính toán và lựa chọn xy lanh [11] [16] [17]
Xét quá trình xy lanh đẩy hộp, các lực tác dụng lên hộp như trên hình 3.17
Hình 3.16 Các lực tác dụng lên hộp khi xy lanh đẩy hộp
Ta có hộp có thể di chuyển khi : F F ms (3.16)
Trong đó : F là lực đẩy piston
Fms là lực ma sát giữa bề mặt sản phẩm và tấm băng tải
Phản lực giữa sản phẩm và mặt băng tải là: max max
Trong đó: m max = 6kglà tổng khối lượng hộp mà xy lanh phải đẩy
⇒ Lực ma sát giữa hộp và mặt băng tải là: ms max
Với à là là hệ số ma sỏt giữa bề mặt sản phẩm và mặt băng tải
Từ công thức (3.16) ⇒ Lực đẩy hộp F 48 (N)
Với: d là đường kính trong của xy lanh
P là áp suất của khí nén, chọn P 0,2MPa 2.10= = 5 N/m 2
Chọn hệ số an toàn n = 1,5, đường kính xy lanh phải lớn hơn hoặc bằng 1,5.17 25= (mm)
Lực đẩy của xy lanh MAL 25x300 ở áp suất 0,2 Mpa là:
= = = (N) > 48(N) thoả mãn yêu cầu đặt ra
Thông số kỹ thuật của xy lanh MAL 25x300:
− Loại xy lanh: Khí nén tác động kép
− Đường kính xy lanh: 25mm
− Hành trình xy lanh: 300mm
− Áp suất khí cấp vào: 0,2Mpa
Trong quá trình xy lanh kẹp đẩy hộp vào vị trí cấp nắp, các lực tác động lên hộp theo phương vuông góc với băng tải được minh họa trong hình 3.19.
Để xy lanh kẹp hộp đưa hộp đến vị trí cấp nắp, lực đẩy của xy lanh cần phải đáp ứng các yêu cầu nhất định.
Lực ma sát giữa hộp và mặt băng tải là: ms sp
Trong đú: à là hệ số ma sỏt giữa bề mặt sản phẩm và mặt băng tải
Nsp là phản lực giữa bề mặt sản phẩm với mặt băng tải
Phản lực giữa sản phẩm và mặt băng tải là: sp sp
Trong đó: m sp =1kglà khối lượng một hộp
⇒ Lực ma sát giữa hộp và mặt băng tải là: ms sp
Với: d là đường kính trong của xy lanh
P là áp suất của khí nén, chọn P 0,2MPa 2.10 = = 5 N/m 2
Chọn hệ số an toàn n = 1,5, đường kính xy lanh phải lớn hơn hoặc bằng d 1,5.7 10,5= = (mm)
Chọn xy lanh MAL 20x75 làm xy lanh kẹp hộp:
Thông số kỹ thuật của xy lanh MAL 20x75:
− Loại xy lanh: Khí nén tác động kép
− Đường kính xy lanh: 20mm
− Hành trình xy lanh: 75mm
− Áp suất khí cấp vào: 0,2Mpa
Yêu cầu hệ thống là :
− Hành trình của xy lanh là s 0 mm
− Khoảng cách từ vị trí đặt cảm biến đến vị trí xy lanh: Sp(mm)=0,07(m)
− Vận tốc của hộp trên băng tải: v=0, 2(m / s)
Thời gian hộp sản phẩm đi từ vị trí đặt cảm biến đến vị trí đặt xy lanh là:
= = = Để xy lanh có thể cản lại được hộp sản phẩm thì thời gian đi ra hết hành trình của xy lanh phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,35 (s)
Vận tốc tối thiểu của piston xy lanh chặn là: xl s 0,15 v 0, 43(m / s) t 0,35
Chọn xy lanh MAL 20x150, ta có: Để vận tốc xy lanh đạt yêu cầu thì lưu lượng khí tối thiểu cần cấp vào xy lanh là:
Trong đó Q (m 3 /s) là lưu lượng khí cấp vào vxl (m/s) là vận tốc của xy lanh
A (m 2 ) là tiết diện của xy lanh
Thông số kỹ thuật của xy lanh MAL20x150
− Loại xy lanh: Khí nén tác động kép
− Đường kính xy lanh: 20mm
− Hành trình xy lanh: 150mm
− Áp suất khí cấp vào: 0,2Mpa
Chọn lực dập nắp là Fd = 20 (N), yêu cầu hành trình xy lanh cần đạt s = 10(cm)
Ta có lực đẩy của xy lanh dập nắp phải thỏa mãn:
Vậy đường kính tối thiểu của xy lanh là:
Chọn hệ số an toàn là 1,5 thì đường kính xy lanh tối thiểu cần đạt là
Chọn xy lanh MAL 20x100 thỏa mãn yêu cầu hệ thống
Thông số kỹ thuật của xy lanh MAL20x150
− Loại xy lanh: Khí nén tác động kép
− Đường kính xy lanh: 20mm
− Hành trình xy lanh: 150mm
− Áp suất khí cấp vào: 0,2Mpa
3.3.2.5 Lựa chọn van khí nén điều khiển các xy lanh
Các xy lanh trong hệ thống đều là xy lanh khí nén tác động kép, do đó, cần sử dụng van điện từ khí nén 5/2 để điều khiển hoạt động của chúng Van điện từ khí nén AIRTAC 4V210-08 được chọn cho ứng dụng này.
Hình 3.22 Van điện từ khí nén AIRTAC 4V210-08
Thông số kỹ thuật van điện từ khí nén AIRTAC 4V210-08:
− Loại van: Van khí nén 5/2 (5 cửa, 2 vị trí)
− Áp suất hoạt động: 0,15 – 0.8 Mpa
− Cách thức tác động: Tác động điện 1 phía, lò xo tự hồi
3.3.3 Lựa chọn và kết nối các cảm biến trong hệ thống [11] [12] [13]
Cảm biến khối lượng có vai trò quan trọng trong việc xác định khối lượng hạt trong bồn chứa và phễu rót Hệ thống sử dụng hai cảm biến khối lượng với hai mức tải trọng khác nhau, trong đó cảm biến khối lượng được lắp đặt tại bồn chứa chính giúp theo dõi và kiểm soát chính xác khối lượng hạt.
Sử dụng loại cảm biến khối lượng MAVIN NA3 tải trọng 500kg cho bồn chứa chính
Hình 3.23 Cảm biến khối lượng MAVIN NA3 500kg
Thông số của cảm biến khối lượng MAVIN NA3 500kg
− Độ nhạy cảm biến: 2mV/V
− Tải trọng tối đa: 750kg (không khuyến khích) b) Cảm biến khối lượng tại phễu rót
Để đảm bảo độ chính xác cao trong việc cân đo cho phễu rót có khối lượng nhỏ, nên sử dụng cảm biến khối lượng có tải trọng nhỏ hơn Cảm biến khối lượng MAVIN NA1 3kg là lựa chọn lý tưởng cho phễu rót này.
Hình 3.24 Cảm biến khối lượng MAVIN NA1 10kg
Thông số cảm biến khối lượng MAVIN NA1 10kg
− Điện áp nguồn nuôi: 5 – 12VDC
− Độ nhạy cảm biến: 2mV/V
− Tải trọng tối đa: 15kg (không khuyến khích) c) Kết nối cảm biến khối lượng với PLC
Hai loại cảm biến khối lượng được lựa chọn có cách kết nối tương tự, mặc dù tải trọng khác nhau Tuy nhiên, do hiệu điện thế đầu ra của Loadcell rất nhỏ, PLC không thể đọc tín hiệu trực tiếp Do đó, cần sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu để xử lý tín hiệu từ cảm biến khối lượng.
Hình 3.25 Bộ khuếch đại tín hiệu loadcell YJ-S60
Thông số cơ bản bộ khuếch đại tín hiệu loadcell YJ-S60
− Độ nhạy loadcell tương thích: 1,5 – 2,1mV/V
− Điện áp đầu ra: 0 – 10V (kênh 1) hoặc 0 – 5V (Kênh 2)
− Điều chỉnh độ khuếch đại: Có
Cảm biến khối lượng được trang bị 4 dây với các màu sắc khác nhau: đỏ, đen, xanh lam và trắng Việc kết nối cảm biến khối lượng với PLC được thực hiện thông qua bộ khuếch đại, như được minh họa trong hình 3.27.
Hình 3.26 Kết nối cảm biến khối lượng với PLC
Sử dụng cảm biến tiệm cận điện dung Omron E2K-C25MF1 trong việc phát hiện hộp trên băng tải
Hình 3.27 Cảm biến tiệm cận điện dung Omron E2K-C25MF1
Thông số kỹ thuật cảm biến tiệm cận điện dung Omron E2K-C25MF1:
− Loại cảm biến: NO (thường mở), PNP, có bảo vệ
− Khoảng cách phát hiện: 25mm
− Điều chỉnh: Có, sử dụng biến trở
− Số dây kết nối: 3 dây (Đen, nâu, xanh lam)
Cảm biến tiệm cận điện dung Omron E2K-C25MF1 là cảm biến PNP, phát tín hiệu mức 1 khi phát hiện vật Nhóm đã chọn kiểu nối Source để kết nối giữa cảm biến và PLC Hướng dẫn kết nối cảm biến với PLC S7-1200 được minh họa trong hình 3.29.
Hình 3.28 Cách nối cảm biến tiệm cận điện dung với PLC
3.3.3.3 Cảm biến quang phản xạ
Cảm biến quang phản xạ, như Omron E3FA-DP11, được ứng dụng hiệu quả trong việc kiểm tra nắp hộp và nhãn từ cuộn cấp nhãn.
Hình 3.29 Cảm biến quang Omron E3FA-DP11
Thông số kỹ thuật cảm biến quang Omron E3FA-DP11:
− Loại cảm biến: NO (thường mở), PNP
− Khoảng cách phát hiện: Tối đa 35cm
− Điều chỉnh: Có, sử dụng biến trở
− Số dây kết nối: 3 dây (Đen, nâu, xanh lam)
Cảm biến quang Omron E3FA-DP11 thuộc loại PNP, do đó khi kết nối với PLC S7-1200, cần sử dụng kiểu Source giống như cảm biến tiệm cận đã đề cập ở mục 3.3.3 Sơ đồ kết nối dây cho cảm biến quang được thể hiện trong hình 3.31.
Hình 3.30 Kết nối cảm biến quang với PLC S7-1200
Sử dụng nút nhấn Schneider XA2EA31 để làm nút điều khiển hệ thống từ bên ngoài
Hình 3.31 Kết nối nút nhấn Schneider XA2EA31 với PLC S7-1200
Thông số cơ bản của nút nhấn Schneider XA2EA31:
− Loại nút nhấn: Thường mở (NO)
Sử dụng đèn báo AL16M làm đèn báo cho hệ thống
Hình 3.32 Kết nối đèn báo AL16M với PLC S7-1200
Thông số cơ bản của đèn báo AL16M
− Màu sắc: Đỏ, vàng, xanh
Thiết kế hệ thống SCADA giám sát hệ thống [1] [2] [3] [8] [9] [18]
Bước 1: Tại màn hình khởi động của phần mềm TIA Portal V16, chọn
Bước 2: Nhập tên dự án rồi ấn “Create” để tạo dự án mới
Hình 3.33 Tạo một dự án mới trên TIA Portal V16
Bước 3: Thêm các thành phần có trong hệ thống cần thiết kế Chọn thành phần mới trong mục “Add new device”
Hình 3.34 Thêm các thành phần cần thiết vào dự án mới
Bước 4: Nhóm tiến hành chọn các thành phần mới cần thêm vào hệ thống, bao gồm PLC S7-1200 mã 6ES7 215-1AG40-0XB0 và màn hình HMI 7” TP700 Comfort mã 6AV2 124-0GC01-0AX0, sau đó nhấn “Add” để hoàn tất quá trình.
Sau khi thêm các thành phần, người dùng sẽ được chuyển tới giao diện làm việc chính của dự án
Hình 3.35 Giao diện làm việc của dự án
Giao diện làm việc của dự án bao gồm những thành phần:
− Thanh công cụ (1) chứa các lệnh và các thiết đặt cơ bản như mở file, lưu file, cắt, dán, chạy mô phỏng, kết nối với PLC bên ngoài,…
− Cây dự án (2) để quản lý dự án và các thành phần đã thêm trong dự án như CPU, HMI, modun Internet, thẻ nhớ,…
− Vùng làm việc (3) cho biết đối tượng đang được thao tác
− Thư viện công cụ (4) chứa các thiết bị hoặc chức năng cần thiết cho việc chỉnh sửa đối tượng
− Cửa số kiểm tra (5) trình bày các thuộc tính của đối tượng và cho phép chỉnh sửa các thuộc tính đó
− Nút trở về giao diện tổng quan (6)
− Các thẻ công việc (7) hiển thị các công việc đang mở
3.4.2 Khai báo các kết nối giữa các thành phần
Để HMI và CPU hoạt động hiệu quả, cần thiết lập kết nối giữa hai thành phần này Trong phần “Devices & networks” của cây dự án, màn hình sẽ hiển thị các thiết bị đã được thêm vào cùng với các kết nối giữa chúng Bạn chỉ cần thực hiện thao tác kéo thả để tạo kết nối giữa PLC S7-1200 và HMI như hình 3.37.
Hình 3.36 Tạo kết nối giữa PLC và HMI
3.4.3 Khai báo module mở rộng cho PLC S7-1200
Do số lượng đầu vào và ra trên PLC S7-1200 không đủ cho dự án, nhóm quyết định thêm một module mở rộng để đáp ứng yêu cầu cho quy trình đóng hộp hạt điều.
Hình 3.37 Thêm module mở rộng cho PLC S7-1200
Bước 1: Tại giao diện kết nối giữa PLC và HMI, chọn vào biểu tượng PLC trên màn hình
Bước 2: Bên thanh thư viện, chọn module mở rộng thích hợp, sử dụng trong dự án của nhóm là module mở rộng mã 6ES7 223-1BL32-0XB0
Bước 3: Kéo thả mã module được lựa chọn vào bên cạnh biểu tượng PLC trong vùng làm việc, thu được kết quả như hình 3.38
3.4.4 Thiết kế giao diện HMI
3.4.4.1 Tạo bố cục mẫu cho giao diện hệ thống
Bố cục mẫu của hệ thống là phần hiển thị trên tất cả các màn hình, do đó, nhóm đã quyết định thiết kế một màn hình chứa bố cục mẫu (Template) để tái sử dụng trong việc thiết kế các màn hình khác Để tạo màn hình mẫu mới cho hệ thống, người dùng cần chọn mục tương ứng trong cây dự án.
“HMI/Screen management/Templates/Add new template” Một màn hình mẫu mới sẽ được tạo
Hình 3.38 Tạo một màn hình mẫu mới
Nhóm thực hiện việc tạo giao diện cho màn hình mẫu bằng cách thêm chi tiết thông qua thao tác kéo thả từ thư viện công cụ Trong vùng thuộc tính, người dùng có thể điều chỉnh các thuộc tính như màu sắc, kích thước, viền bo và chữ viết trên các nút bấm Đồng thời, việc kéo thả cũng cho phép điều chỉnh vị trí của các nút bấm để đảm bảo sự phù hợp Đối với hình ảnh, người dùng có thể chọn ảnh tùy ý từ nguồn bên ngoài để sử dụng trong giao diện.
Hình 3.39 Thêm và điều chỉnh các thành phần trong màn hình
Nhóm thực hiện thiết kế giao diện màn hình mẫu bao gồm các thành phần như trên hình 3.41
Hình 3.40 Giao diện màn hình mẫu sau khi thiết kế
Mục hệ thống là khu vực cho phép giám sát trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống Nó được chia thành 4 mục nhỏ, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và quản lý hiệu suất của từng phần.
Trạng thái cảm biến, trạng thái khâu tác động, thống kê sản lượng sản xuất của hệ thống và mục thoát hệ thống
Mục điều khiển (2) cho phép người dùng quan sát hệ thống mô phỏng một cách trực quan, giúp hình dung rõ ràng về hoạt động của các thành phần trong hệ thống.
− Mục thông báo (3): Nơi hiển thị các cảnh báo của hệ thống
− Mục tiêu đề (4): Hiển thị tên đối tượng đang truy cập
− Mục điều khiển nhanh (5): Là màn hình trượt chứa các phím điều khiển để có thể điều khiển hoạt động hệ thống trên tất cả các màn hình khác
− Vùng hiển thị (6): Hiển thị đối tượng mà mục biểu thị
3.4.4.2 Thiết kế các màn hình lớn
Màn hình lớn với giao diện toàn màn hình thường được sử dụng để hiển thị một lượng thông tin lớn, các thống kê quan trọng và quá trình tổng quan.
Để thêm màn hình mới vào dự án, bạn chọn mục Screen/Add new screen Sau khi màn hình mới được thêm vào, hãy đổi tên màn hình để dễ dàng quản lý.
Hình 3.41 Thêm mới một màn hình lớn vào dự án
Màn hình mới được thêm vào chưa có giao diện mẫu, tiếp tục vào cửa sổ kiểm tra để chọn mẫu cho màn hình mới (hình 3.43)
Hình 3.42 Sử dụng mẫu cho màn hình mới
Kết quả hiển thị trên màn hình lớn với giao diện mẫu như hình 3.44 sẽ được mở rộng và không cho phép chỉnh sửa.
Hình 3.43 Màn hình mới với giao diện mẫu
Sau khi hoàn thành thiết kế các màn hình lớn, nhóm bắt đầu tạo các đối tượng hiển thị Để chèn hình ảnh cho các đối tượng, nhóm sử dụng phương pháp kéo thả từ thư viện công cụ "Symbol library" vào khu vực làm việc của màn hình, sau đó chọn biểu tượng phù hợp trong vùng kiểm tra.
Hình 3.44 Thêm đối tượng trong màn hình mới
Ngoài ra nhóm còn có thể thêm nhiều đối tượng khác vào màn hình lớn để có thể mô phỏng lại hệ thống một cách trực quan nhất
Nhóm đối tượng đồ họa cơ bản bao gồm các yếu tố như đường thẳng, hình đa giác, đường tròn, elip, hình chữ nhật, chữ viết và ảnh, tất cả đều phục vụ mục đích hiển thị và minh họa cho người xem.
Hình 3.45 Các đối tượng cơ bản trong thư viện đồ họa
Nhóm đối tượng đồ họa có thể tương tác không chỉ đơn thuần là hiển thị mà còn cho phép người dùng thay đổi hình thái và tương tác qua cử chỉ chạm Người dùng có thể thao tác chạm vào các đối tượng trên màn hình HMI để tương tác với hệ thống Các đối tượng này bao gồm công tắc, nút bấm, bộ đếm số, thanh tiến trình, thanh trượt, đồng hồ đo, và nhiều hơn nữa.
Hình 3.46 Nhóm đối tượng đồ họa có thể tương tác
− Nhóm đối tượng thống kê: Bao gồm các bảng biểu hoặc đồ thị giúp hiển thị các cảnh báo, thống kê biến động của đối tượng, dự đoán lỗi,…
Hình 3.47 Nhóm đối tượng thống kê
Nhóm thực hiện thiết kế giao diện cho các màn hình lớn trong hệ thống, bao gồm cả màn hình mô phỏng hệ thống.
Hình 3.48 Màn hình mô phỏng hệ thống
Màn hình mô phỏng hiển thị quy trình đóng hộp hạt điều một cách trực quan, bao gồm hệ thống băng tải, các khâu tác động, cảm biến và máy công tác được sắp xếp giống như trong thực tế Ngoài ra, màn hình còn tích hợp các nút bấm tại các khâu tác động để điều khiển bằng tay, cùng với các bộ đếm giúp theo dõi quy trình đóng hộp hiệu quả.
Viết chương trình điều khiển cho hệ thống [5] [6] [7] [8] [19]
Hình 3.64 Lưu đồ thuật toán của hệ thống
3.5.2.1 Bảng địa chỉ phục vụ kết nối phần cứng của hệ thống
Bảng 3.4 Bảng địa chỉ phục vụ kết nối phần cứng của hệ thống
I_INPUT (Đầu vào trên PLC) STT Tên gọi Kiểu Địa chỉ Chú thích
1 I_DT1 Bool I0.0 Cảm biến tiệm cận tại vị trí rót
2 I_DT2 Bool I0.1 Cảm biến tiệm cận tại vị trí đóng nắp
3 I_DT3 Bool I0.2 Cảm biến tiệm cận tại vị trí kiểm tra
4 I_DT4 Bool I0.3 Cảm biến tiệm cận cuối băng tải sản phẩm lỗi
5 I_DT5 Bool I0.4 Cảm biến tiệm cận đầu máy dán nhãn
6 I_DT6 Bool I0.5 Cảm biến tiệm cận đầu băng tải dán nhãn
7 I_CL1 Bool I0.6 Cảm biến màu sắc ở cuộn cấp nhãn
8 I_DT7 Bool I0.7 Cảm biến tiệm cận cuối băng tải chính
9 I_DT8 Bool I1.0 Cảm biến tiệm cận cuối băng tải hộp thành phẩm
10 I_CK1 Bool I1.1 Cảm biến khoảng cách kiểm tra nắp
11 I_START_BT Bool I1.2 Nút Start
12 I_STOP_BT Bool I1.3 Nút Stop
14 I_RL1 Bool I8.0 Rơ le nhiệt của động cơ băng tải chính
15 I_RL2 Bool I8.1 Rơ le nhiệt của động cơ băng tải thành phẩm
16 I_RL3 Bool I8.2 Rơ le nhiệt của động cơ băng tải hộp lỗi
17 I_RL4 Bool I8.3 Rơ le nhiệt của động cơ băng tải cấp hạt
18 I_RL5 Bool I8.4 Rơ le nhiệt của cho động cơ băng tải thùng
19 I_SCL1 Int IW64 Cảm biến khối lượng bồn chứa hạt
20 I_SCL2 Int IW66 Cảm biến khối lượng phễu rót
Q_OUTPUT (Đầu ra trên PLC)
STT Tên gọi Kiểu Địa chỉ Chú thích
1 Q_MOTOR_1 Bool Q0.0 Động cơ băng tải chính
2 Q_MOTOR_2 Bool Q0.1 Động cơ băng tải hộp thành phẩm
3 Q_MOTOR_3 Bool Q0.2 Động cơ băng tải sản phẩm lỗi
4 Q_MOTOR_4 Bool Q0.3 Động cơ băng tải cấp hạt
5 Q_MOTOR_5 Bool Q0.4 Động cơ băng tải thùng
6 Q_MOTOR_6 Bool Q0.5 Động cơ băng tải dán nhãn
7 Q_MOTOR_7 Bool Q0.6 Động cơ cuộn cấp nhãn
8 Q_ST1 Bool Q0.7 Xy lanh chặn vị trí rót
9 Q_ST2 Bool Q1.0 Xy lanh chặn vị trí đóng nắp
10 Q_ST3 Bool Q1.1 Xy lanh chặn đầu máy dán nhãn
11 Q_P1 Bool Q8.0 Xy lanh đẩy cuối băng tải chính
12 Q_P2 Bool Q8.1 Xy lanh đẩy cuối băng tải đóng thùng
13 Q_P3 Bool Q8.2 Xy lanh cấp nắp
14 Q_P4 Bool Q8.3 Xy lanh dập nắp
15 Q_P5 Bool Q8.4 Xy lanh kẹp cố định hộp
16 Q_VALVE Bool Q8.5 Van cấp hạt
18 Q_START_LAMP Bool Q9.0 Đèn Start
19 Q_STOP_LAMP Bool Q9.1 Đèn Stop
20 Q_AUTO_LAMP Bool Q9.2 Đèn chế độ tự động
21 Q_MANU_LAMP Bool Q9.3 Đèn chế độ bằng tay
22 Q_WARNING_LAMP Bool Q9.4 Đèn cảnh báo
3.5.2.2 Bảng địa chỉ phục vụ mô phỏng trên HMI
Bảng 3.5 Bảng địa chỉ phục vụ mô phỏng trên HMI
M_INPUT (Mô phỏng đầu vào)
STT Tên gọi Kiểu Địa chỉ Chú thích
1 M_DT1 Bool M10.0 Mô phỏng Cảm biến tiệm cận tại vị trí rót
2 M_DT2 Bool M10.1 Mô phỏng Cảm biến tiệm cận tại vị trí đóng nắp
3 M_DT3 Bool M10.2 Mô phỏng Cảm biến tiệm cận tại vị trí kiểm tra
4 M_DT4 Bool M10.3 Mô phỏng Cảm biến tiệm cận cuối băng tải sản phẩm lỗi
5 M_DT5 Bool M10.4 Mô phỏng Cảm biến tiệm cận đầu máy dán nhãn
6 M_DT6 Bool M10.5 Mô phỏng Cảm biến tiệm cận đầu băng tải dán nhãn
7 M_CL1 Bool M10.6 Mô phỏng Cảm biến màu sắc ở cuộn cấp nhãn
8 M_DT7 Bool M10.7 Mô phỏng Cảm biến tiệm cận cuối băng tải chính
9 M_DT8 Bool M11.0 Mô phỏng Cảm biến tiệm cận cuối băng tải hộp thành phẩm
10 M_CK1 Bool M11.2 Mô phỏng cảm biến khoảng cách kiểm tra hộp lỗi nắp
11 M_AUTO_MAN_SW Bool M11.3 Công tắc chế độ trên HMI
12 M_START_BT Bool M11.4 Nút START trên HMI
13 M_STOP_BT Bool M11.5 Nút STOP trên HMI
14 M_RESET Bool M11.6 Nút Reset trên HMI
15 M_SIMULATION_SW Bool M11.7 Nút Mô phỏng trên HMI
16 Norm_SCL1 Real MD12 Giá trị quy đổi tín hiệu từ cảm biến khối lượng ở bồn chứa chính
17 Norm_SCL2 Real MD16 Giá trị quy đổi tín hiệu từ cảm biến khối lượng ở phễu rót
18 Val_SCL1 Real MD24 Khối lượng hạt trong bồn chứa chính
19 Val_SCL2 Real MD32 Khối lượng hạt trong phễu rót
20 M_SCL1 Int MW200 Mô phỏng cảm biến khối lượng bồn chứa
21 M_SCL2 Int MW202 Mô phỏng cảm biến khối lượng phễu rót
STT Tên gọi Kiểu Địa chỉ Chú thích
1 CT_ENTRANCE Int MW150 Bộ đếm số hộp rỗng đi vào băng chuyền
2 CT_NG_BOTTLE Int MW152 Bộ đếm số hộp bị đóng nắp lỗi
3 CT_COLUMN Int MW154 Bộ đếm số hộp ở cuối băng tải chỉnh
4 CT_ROW Int MW156 Bộ đếm số hộp ở cuối băng tải đóng thùng
5 CT_BOX Int MW158 Bộ đếm số thùng đã đóng
6 CT_BOTTLE Int MW160 Bộ đếm số hộp thành phẩm
7 SIM_USED_NUT Int MW162 Bộ đếm mô phỏng khối lượng hạt đã sử dụng
8 CT_COMBO_NG Int MW164 Bộ đếm số hộp lỗi liên tiếp
9 CAL_USED_NUT Real MD36 Khối lượng hạt đã sử dụng
SWITCH (Các biến gán cho công tắc điều khiển ảo trong HMI)
STT Tên gọi Kiểu Địa chỉ Chú thích
1 SW_MOTOR_1 Bool M20.0 Công tắc điều khiển động cơ băng tải chính
2 SW_MOTOR_2 Bool M20.1 Công tắc điều khiển động cơ băng tải hộp thành phẩm
3 SW_MOTOR_3 Bool M20.2 Công tắc điều khiển động cơ băng tải hộp lỗi
4 SW_MOTOR_4 Bool M20.3 Công tắc điều khiển động cơ băng tải cấp hạt
5 SW_MOTOR_5 Bool M20.4 Công tắc điều khiển động cơ băng tải thùng
6 SW_MOTOR_6 Bool M20.5 Công tắc điều khiển động cơ băng tải dán nhãn
7 SW_MOTOR_7 Bool M20.6 Công tắc điều khiển động cơ cuộn cấp nhãn
8 SW_VALVE Bool M20.7 Công tắc điều khiển van cấp hạt
9 SW_ST1 Bool M21.0 Công tắc điều khiển cữ chặn tại vị trí rót
10 SW_ST2 Bool M21.1 Công tắc điều khiển cữ chặn tại vị trí đóng nắp
11 SW_ST3 Bool M21.2 Công tắc điều khiển cữ chặn đầu máy dán nhãn
12 SW_CLASSIFI Bool M21.3 Công tắc điều khiển rẽ nhánh
13 SW_P1 Bool M21.4 Công tắc điều khiển xy lanh đẩy cuối băng tải chính
14 SW_P2 Bool M21.5 Công tắc điều khiển xy lanh đẩy cuối băng tải đóng thùng
15 SW_P3 Bool M21.6 Công tắc điều khiển xy lanh cấp nắp
16 SW_P4 Bool M21.7 Công tắc điều khiển xy lanh dập nắp
17 SW_P5 Bool M22.0 Công tắc điều khiển xy lanh kẹp hộp
18 SW_NG Bool M22.1 Công tắc mô phỏng sản phẩm lỗi nắp
SIM_DISTANCE (Biến quá trình gán tạo chuyển động mô phỏng)
STT Tên gọi Kiểu Địa chỉ Chú thích
1 SIM_AB Int MW250 Hộp từ đầu băng tải tới vị trí rót
2 SIM_BC Int MW252 Hộp từ vị trí rót vào máy đóng nắp
3 SIM_CD Int MW254 Hộp từ đầu máy đóng nắp vào vị trí đóng nắp
4 SIM_DE Int MW256 Hộp từ vị trí đóng nắp ra khỏi máy đóng nắp
5 SIM_EF Int MW258 Hộp từ máy đóng nắp tới máy dán nhãn
6 SIM_FG Int MW260 Hộp di chuyển trong máy dán nhãn
7 SIM_GH Int MW262 Hộp đi về cuối băng tải chính
8 SIM_HI Int MW264 Hộp di chuyển trên băng tải hộp thành phẩm
9 SIM_IK Int MW266 Hộp di chuyển trên băng tải thùng
10 SIM_MN Int MW268 Hộp di chuyển trên băng tải hộp lỗi
11 SIM_X_EF Int MW270 Hộp phụ di chuyển từ máy đóng nắp tới máy dán nhãn
SIM_POSITION (Mô phỏng thuộc tính ẩn hiện cho hộp, nhãn trên HMI)
STT Tên gọi Kiểu Địa chỉ Chú thích
1 SIM_A Bool M30.0 Mô phỏng hộp ở đẩu băng tải
2 SIM_B Bool M30.1 Mô phỏng hộp tại vị trí rót
3 SIM_C Bool M30.2 Mô phỏng hộp ở đầu máy đóng nắp
4 SIM_D Bool M30.3 Mô phỏng hộp ở vị trí đóng nắp
5 SIM_E Bool M30.4 Mô phỏng hộp ở cuối máy đóng nắp
6 SIM_F Bool M30.5 Mô phỏng hộp ở đầu máy dán nhãn
7 SIM_G Bool M30.6 Mô phỏng hộp ở cuối máy dán nhãn
8 SIM_H Bool M30.7 Mô phỏng hộp ở đầu băng tải hộp thành phẩm
9 SIM_I Bool M31.0 Mô phỏng hộp ở vị trí đầu băng tải thùng
10 SIM_M Bool M31.1 Mô phỏng hộp ở vị trí phân loại
11 SIM_LABEL Bool M31.2 Mô phỏng ẩn hiện của nhãn
12 SIM_X Bool M31.3 Mô phỏng hộp phụ ở cuối máy đóng nắp
STT Tên gọi Kiểu Địa chỉ Chú thích
1 ALARM_REC Word MW100 Biến lưu các trạng thái cảnh báo
2 ER_M1 Bool M101.0 Biến hiện cảnh báo cho động cơ băng tải chính
3 ER_M2 Bool M101.1 Biến hiện cảnh báo cho động cơ băng tải thành phẩm
4 ER_M3 Bool M101.2 Biến hiện cảnh báo cho động cơ băng tải hộp lỗi
5 ER_M4 Bool M101.3 Biến hiện cảnh báo cho động cơ băng tải cấp hạt
6 ER_M5 Bool M101.4 Biến hiện cảnh báo cho động cơ băng tải thùng
7 ALRM_SCL1 Bool M101.5 Biến hiện cảnh báo sắp hết hạt trong bồn chứa
8 ALRM_NO_NUT Bool M101.6 Biến hiện cảnh báo hết hạt trong bồn chứa
9 ALRM_5_NG Bool M101.7 Biến hiện cảnh báo 5 hộp lỗi liên tiếp
10 ALRM_10_NG Bool M100.0 Biến hiện cảnh báo 10 hộp lỗi liên tiếp
Gán các biến mô phỏng từ chương trình lên HMI [2] [8] [9]
Để hiển thị thông tin trên HMI theo thời gian thực, các đối tượng trên HMI cần được gán với các biến quá trình tương ứng với hoạt động của chương trình trên PLC.
3.6.1 Tạo chức năng tác động cho các nút ấn và công tắc
Các nút bấm trên HMI khi được kích hoạt sẽ thay đổi trạng thái của biến mô phỏng trong chương trình PLC, từ đó điều chỉnh hoạt động của hệ thống theo ý muốn của nhóm Việc gán biến cho các nút ấn và công tắc được thực hiện qua các bước như mô tả trong hình 3.66.
Hình 3.65 Gán biến tác động cho nút ấn
Bước 1: Chọn nút ấn hoặc công tắc cần sử dụng và chọn thẻ “Events”
Bước 2: Ở mục Press, nhập lệnh “SetBit” và chọn biến tác động cho nút ấn Kết quả khi ấn nút, biến được gán sẽ được đặt lên giá trị 1
Bước 3: Trong phần "Release", bạn cần nhập lệnh "ResetBit" và chọn biến tác động cho nút ấn Khi bạn ngừng ấn nút, biến liên quan sẽ trở về trạng thái 0 Tương tự, với công tắc, bạn cũng thiết lập các mục "Switch on".
3.6.2 Tạo hiệu ứng đổi màu cho các đối tượng
Để các đèn báo hoặc đối tượng đồ họa thay đổi màu sắc theo hoạt động của hệ thống, cần gán biến quá trình cho các đối tượng này.
Hình 3.66 Tạo hiệu ứng màu sắc cho đối tượng
Để tạo hiệu ứng cho một đối tượng, trước tiên bạn cần chọn đối tượng đó, có thể là hình họa, biểu tượng hoặc hình vẽ Sau khi chọn xong, hãy truy cập vào thẻ “Animations” để thêm hiệu ứng mong muốn.
Bước 2: Chọn mục “Appearance” để tạo hiệu ứng hiển thị cho đối tượng trong đó:
− Mục “Name” chứa biến cần gán cho đối tượng
− Cột “Range” trong bảng là các giá trị của biến
− Cột “Color” là màu sắc hiển thị của đối tượng khi biến đạt giá trị tương ứng ở cột “Range”
− Cột “Flashing” là tùy chọn tạo hiệu ứng nhấp nháy cho đối tượng
3.6.3 Tạo hiệu ứng chuyển động cho đối tượng
Trong quá trình mô phỏng quy trình đóng hộp hạt điều, chuyển động của hộp trên băng chuyền được thực hiện thông qua việc gán các biến quá trình cho các đối tượng đồ họa Hình 3.68 minh họa rõ nét cách thức này.
Bước 1: Chọn đối tượng cần tạo chuyển động, và vào thẻ “Animation” Bước 2: Chọn “Movement” sau đó điều chỉnh các thuộc tính của chuyển động, trong đó:
− Name: Tên biến quá trình
− Range from/to: Khoảng giá trị mà biến sẽ thực hiện mô phỏng chuyển động trên đối tượng
− Start/Stop position: Vị trí bắt đầu và kết thúc chuyển động
Hình 3.67 Tạo hiệu ứng chuyển động cho đối tượng
Mô phỏng hệ thống trên máy tính
3.7.1 Nạp chương trình vào PLC ảo
Hình 3.68 Nạp chương trình vào PLC ảo
Nhóm thực hiện nạp chương trình điều khiển vào PLC ảo để chạy thử, các bước nạp chương trình thể hiện trong hình 3.69:
Để bắt đầu quá trình nạp chương trình vào PLC, bước đầu tiên là chọn tên PLC trong cây dự án và nhấn vào biểu tượng “Start simulation” Sau khi đó, một PLC ảo cùng với giao diện nạp chương trình sẽ xuất hiện Tiếp theo, bạn cần nhấn chọn “Start search” để phần mềm tìm kiếm PLC nhằm thực hiện việc nạp chương trình.
Bước 3: Chọn đúng PLC cần nạp chương trình và ấn “Load”
3.7.2 Nạp dữ liệu lên HMI ảo
Để nạp dữ liệu lên HMI ảo, hãy chọn tên HMI cần mô phỏng trong cây dự án và nhấn nút “Start simulation” Phần mềm WinCC Runtime sẽ tự động khởi động và mô phỏng hoạt động của giao diện HMI mà bạn vừa thiết kế.
Hình 3.69 Nạp dữ liệu lên HMI ảo
Kết nối hệ thống với PLC và HMI thực tế [2] [8] [9]
3.8.1 Kết nối và nạp chương trình vào PLC thật
Nhóm thực hiện kết nối hệ thống với PLC S7-1200 thật qua các bước được trình bày trong hình 3.71:
Bước 1: Chọn PLC cần kết nối, sau đó chọn biểu tượng “Download to device”, màn hình kết nối PLC sẽ hiện lên
Bước 2: Chọn đúng giao thức kết nối và nhấn “Start search” để chương trình thực hiện tìm kiếm các PLC lân cận
Khi chương trình hoàn tất việc tìm kiếm, hãy chọn tên PLC có địa chỉ IP trùng khớp với địa chỉ IP của PLC mà bạn muốn kết nối Đừng quên nhấn “Flash led” để PLC nháy đèn, xác nhận rằng bạn đã chọn đúng PLC.
Bước 4: Nhấn “Load” để nạp chương trình vào PLC vừa kết nối
Hình 3.70 Kết nối và nạp chương trình vào PLC S7-1200 thật
3.8.2 Kết nối và nạp dữ liệu lên HMI thật
Hình 3.71 Kết nối và nạp chương trình với HMI thật
Tương tự như việc kết nối với PLC thật, việc kết nối với HMI thật trải qua 4 bước trình bày trên hình 3.72, cụ thể:
Bước 1: Chọn HMI cần kết nối, sau đó chọn biểu tượng “Download to device”, màn hình kết nối HMI sẽ hiện lên
Bước 2: Chọn đúng giao thức kết nối và nhấn “Start search” để chương trình thực hiện tìm kiếm các HMI khả dụng
Bước 3: Sau khi chương trình hoàn tất tìm kiếm, hãy chọn tên HMI có địa chỉ IP trùng khớp với địa chỉ IP của HMI mà bạn muốn kết nối Đừng quên nhấn “Flash led” để HMI nháy đèn báo hiệu rằng bạn đã chọn đúng thiết bị.
Bước 4: Nhấn “Load” để nạp dữ liệu vào HMI vừa kết nối.
