THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO 4 MỨC TRỌNG LƯỢNG SỬ DỤNG PLC S71200 1. Tìm hiểu tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm theo trọng lượng và kỹ thuật điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm theo trọng lượng; 2. Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo trọng lượng có đặc điểm: phân loại được 4 mức trọng lượng; băng tải di chuyển với tốc độ 1 ms; mức tải trọng của băng tải 50kg; có chức năng đếm sản phẩm; điều khiển sử dụng PLC S71200 3. Khai thác các phần mềm máy tính để thiết kế mô hình, lập trình và mô phỏng hệ thống phân loại sản phẩm theo trọng lượng.
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO KHỐI LƯỢNG
Giới thiệu các hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay
Phân loại sản phẩm là một nhiệm vụ quan trọng trong thực tế hiện nay, nhưng việc thực hiện bằng sức người thường gặp khó khăn do yêu cầu cao về sự tập trung và tính lặp lại Điều này dẫn đến nguy cơ giảm độ chính xác trong công việc, đặc biệt khi phân loại dựa trên các chi tiết kỹ thuật nhỏ mà mắt thường khó nhận thấy Hệ quả là chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng.
Hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm đã trở thành một giải pháp cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao Các hệ thống này có quy mô đa dạng, từ lớn đến nhỏ, tùy thuộc vào độ phức tạp của yêu cầu phân loại Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho những hệ thống này thường khá cao, đặc biệt là trong bối cảnh Việt Nam Do đó, nhiều doanh nghiệp vẫn phải dựa vào sức lao động con người để thực hiện công việc phân loại, trong khi chỉ một số ít áp dụng công nghệ tự động cho các yêu cầu phân loại phức tạp.
Ngoài việc sử dụng băng chuyền để vận chuyển sản phẩm, các nhà sản xuất còn yêu cầu một hệ thống phân loại sản phẩm hiệu quả Hệ thống này có thể phân loại sản phẩm theo nhiều tiêu chí khác nhau như kích thước, màu sắc, khối lượng, mã vạch và hình ảnh, nhằm đáp ứng nhu cầu cụ thể của từng doanh nghiệp.
Có nhiều phương pháp phân loại và thuật toán khác nhau cho từng sản phẩm, và các thuật toán này có thể hỗ trợ lẫn nhau Chẳng hạn, để phân loại vải, cần xem xét kích thước và màu sắc; đối với nước uống như bia và nước ngọt, cần phân loại theo chiều cao và khối lượng; trong khi đó, xe cộ được phân loại dựa trên chiều dài và khối lượng, và gạch granite có thể được phân loại qua hình ảnh.
Sản phẩm được phân loại dựa trên việc sử dụng cảm biến quang, với quy trình như sau: khi sản phẩm di chuyển qua cảm biến quang thứ nhất mà chưa kích hoạt cảm biến thứ hai, nó sẽ được phân loại là vật có giá trị thấp nhất Ngược lại, nếu sản phẩm kích hoạt đồng thời cả hai cảm biến, nó sẽ được phân loại là vật có giá trị cao nhất.
Sản phẩm được phân loại dựa vào màu sắc thông qua cảm biến phân loại màu sắc đặt trên băng chuyền Khi sản phẩm di chuyển qua, cảm biến sẽ xác định màu sắc của sản phẩm và tự động phân loại chúng Quá trình phát hiện màu sắc dựa vào tỷ lệ phản chiếu của các màu chính như đỏ, xanh lá cây và xanh dương, được phản xạ khác nhau bởi các thuộc tính màu của đối tượng Công nghệ lọc phân cực đa lớp FAO (góc quang tự do) giúp cảm biến E3MC phát ra ánh sáng đỏ, xanh lá cây và xanh dương trên một trục quang học đơn E3MC thu thập ánh sáng phản chiếu từ các đối tượng và xử lý tỷ lệ các màu để phân biệt màu sắc chính xác.
Sản phẩm sử dụng webcam được phân loại qua một camera chụp lại hình ảnh sản phẩm khi nó di chuyển qua, sau đó so sánh với hình ảnh gốc Nếu hình ảnh chụp lại giống với ảnh gốc, sản phẩm sẽ được cho phép đi qua; ngược lại, nếu không giống, sản phẩm đó sẽ bị loại bỏ.
Lý do lựa chọn hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng
Ngày nay, với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện- điện tử và điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như quản lý, công nghiệp tự động hóa và cung cấp thông tin Việc nắm bắt và vận dụng hiệu quả các công nghệ này là cần thiết để góp phần vào sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật toàn cầu và sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong nước.
Với sự phát triển của các công nghệ tiên tiến như vi xử lý, PLC và vi mạch số, hệ thống điều khiển cơ khí truyền thống với tốc độ xử lý chậm và độ chính xác thấp đã được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động, sử dụng các lệnh chương trình đã được lập trình sẵn.
Trong bối cảnh các nhà xưởng và xí nghiệp hiện nay, việc tiết kiệm điện năng trở thành nhu cầu thiết yếu Sự phát triển của ngành công nghiệp đòi hỏi các công ty áp dụng tự động hóa trong sản xuất để quản lý dây chuyền và sản phẩm một cách hợp lý Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao hiệu quả quản lý Để đáp ứng yêu cầu này, tôi đã tiến hành nghiên cứu tài liệu và thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng.
Hình 1-1 Hệ thống phân loại sản phẩn theo khối lượng.
Mô tả hoạt động của hệ thống
- Hệ thống phân loại sản phẩm sẽ phân loại sản phẩm theo 4 mức khối lượng.
Hệ thống bao gồm một băng tải dùng để vận chuyển sản phẩm, trên băng tải được lắp đặt bốn cảm biến tiệm cận ở bốn vị trí khác nhau nhằm xác định sự hiện diện của vật thể di chuyển qua.
- Sử dụng 1 cân loadcell để xác định khối lượng của vật, và lắp cân ở đầu băng tải.
Hệ thống sử dụng 4 xy lanh để vận chuyển sản phẩm Xy lanh 1 sẽ đẩy sản phẩm đến cân để xác định khối lượng Sau khi biết khối lượng, sản phẩm sẽ được phân loại vào 4 mức (mức 1, mức 2, mức 3, mức 4), và xy lanh 2 sẽ tiếp tục đẩy sản phẩm đến băng tải.
- Nếu là sản phầm mức 1 thì khi vật đi qua cảm biến tiệm cận 1 thì xy lanh 3 sẽ đẩy sản phẩm mức 1 xuống thùng 1.
- Nếu là sản phẩm mức 2 thì khi vật đi qua cảm biếm tiện cận 2 thì xy lanh 4 sẽ đẩy sản phẩm mức 2 vào thùng 2.
- Nếu là sản phẩm mức 3 thì khi vật đi qua cảm biếm tiện cận 3 thì xy lanh 5 sẽ đẩy sản phẩm mức 3 vào thùng 3.
- Còn lại nếu là sản phẩm mức 4 thì vật đi đến cuối băng tải và gặp cảm biến tiệm cận 4 và xuống thùng số 4
- Số lượng của từng loại sản phẩm sẽ hiện lên trên màn hình.
- Có nút START để hệ thống hoạt động, và STOP để dừng hệ thống.
Từ nguyên lý làm việc trên ta thấy muốn hệ thống hoạt động được cần những chuyển động cần thiết:
- Chuyển động của băng chuyền Để truyền chuyển động quay cho trục của băng chuyền ta dùng động cơ điện xoay chiều
Chuyển động tịnh tiến của xylanh được điều khiển bởi hệ thống khí nén, giúp phân loại sản phẩm theo khối lượng khác nhau Khi ấn nút Start, xylanh đẩy sản phẩm vào băng chuyền, nơi hệ thống điều khiển phân loại chúng Sau khi phân loại, sản phẩm sẽ được chuyển đến thùng hàng để đóng gói, và chu trình này tiếp tục cho đến khi hoàn tất việc phân loại.
Những lợi ích mà hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho chúng ta là rất lớn, cụ thể như:
Việc giảm sức lao động không chỉ giúp tránh sự nhàm chán trong công việc mà còn cải thiện điều kiện làm việc cho con người Điều này tạo cơ hội cho mọi người tiếp cận với những tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đồng thời làm việc trong một môi trường ngày càng văn minh hơn.
+ Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm, cũng như thay đổi mẫu mã một cách nhanh chóng.
Việc quản lý và giám sát trở nên đơn giản hơn nhờ vào việc cải thiện điều kiện làm việc của công nhân, đồng thời giúp giảm thiểu số lượng công nhân cần thiết đến mức tối đa.
Các vấn đề đặt ra
- Lựa chọn thiết bị cần thiết khi làm mô hình thật.
- Tính toán thiết kế nguyên lý mạch điện.
- Lập trình và thiết kế giao diện điều khiển giám sát.
Phạm vi giới hạn
Hệ thống phân loại sản phẩm đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu, hiện có nhiều hệ thống trong các nhà máy xí nghiệp đạt tiêu chuẩn về chất lượng và thẩm mỹ Tuy nhiên, trong khuôn khổ nghiên cứu, đề tài này bị giới hạn bởi những yếu tố như kiến thức, thời gian và kinh phí, dẫn đến việc chỉ tập trung vào một số tính năng nhất định.
- Hệ thống xác định được khối lượng sản phảm dao động từ 0 kg đến 50 kg.
- Phân loại được sản phẩm theo 4 mức.
-Có khả năng chịu quá tải đến 50 kg.
- Cảm biến nhận dạng được sản phẩm: mọi sản phẩm.
- Kích thước: (Dài x Rộng x Cao) 600 x 80 x 100 (mm).
- Hệ thống điều khiển: PLC và hệ thống khí nén.
- Cơ cấu đẩy sản phẩm: Xilanh piston.
- Động cơ truyền chuyển động: Động cơ điện một chiều.
- Hệ thống dẫn động: Băng chuyền.
- Điện áp cung cấp: Điện áp xoay chiều 220V và điện áp một chiều 24V
Ứng dụng thực tiễn của mô hình
Với khả năng điều chỉnh kích thước băng tải và chương trình điều khiển linh hoạt, cân load cell có thể đo lường từ những vật nhỏ vài gam đến những vật nặng hơn, giúp phân loại hoa quả, thùng hàng và bưu phẩm Ứng dụng này không chỉ nâng cao năng suất và chất lượng sản xuất mà còn giảm chi phí thuê nhân công, từ đó làm giảm giá thành sản phẩm, phù hợp với mức sống của người tiêu dùng hiện nay.
Hình 1-2 Dây chuyền phân loại thùng hàng
Hình 1-3 Dây chuyền phân loại hoa quả
Hình 1-4 Hình ảnh các công nhân trên dây chuyền phân loại hoa quả
GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200 VÀ CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 9
Giới thiệu về PLC S7-1200
Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:
S7-1200 là dòng PLC nổi bật, phù hợp cho nhiều ứng dụng tự động hóa nhờ vào thiết kế nhỏ gọn và chi phí hợp lý Với khả năng lập trình mạnh mẽ, S7-1200 mang đến giải pháp tối ưu cho các nhu cầu tự động hóa.
- S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO)
- S7-1200 còn có các chân đọc và xuất tín hiệu Analog tích hợp sẵn trên CPU hoặc qua các module mở rộng AI/AQ
- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:
- Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC
- Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình
Bộ điều khiển S7-1200 được trang bị cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP, cho phép kết nối linh hoạt Bên cạnh đó, người dùng có thể sử dụng các module truyền thông mở rộng để kết nối qua RS485 hoặc RS232, nâng cao khả năng giao tiếp của hệ thống.
Chúng tôi sử dụng phần mềm TIA PORTAL V15 để lập trình và thiết kế cho S7-1200 Phần mềm này cung cấp môi trường lập trình PLC và thiết kế hệ thống điều khiển giám sát thông qua WinCC và HMI.
2.1.2 Phân loại các dòng PLC S7-1200 a) Phân loại theo cách đấu nguồn Được chia ra 3 loại đó là:
- AC/DC/RLY Ý nghĩa của các ký hiệu bên trên:
- Ký hiệu đầu là AC và DC: là điện áp nguồn cấp cho PLC, AC là 120-240 VAC, DC là 24 VDC.
- Ký hiệu giữa là DC là nguồn cấp cho ngõ vào gồm 0 Volt hoặc +24 VDC
- Ký hiệu cuối là DC và RLY là nguồn cấp cho ngõ ra với DC là +24 VDC, RLY là tiếp điểm rơ le.
Ngõ vào: là điện áp một chiều 0 Volt hoặc +24 Volt
- DC: là loại ngõ ra sử dụng Transistor:
+ Ưu điểm: tần số đóng cắt nhanh (max 100kHz) + Nhược điểm: điện áp ngõ ra mặc định là +24VDC
- RLY: là loại ngõ ra sử dụng Rơ le + Ưu điểm: vì là dạng tiếp điểm nên có thể sử dụng nguồn
+ Nhược điểm: tần số đóng cắt chậm (max 10Hz) b) Phân loại theo năng lực CPU
- CPU 1217C Trong mỗi nhóm CPU ở trên ta có đều có thể chọn 1 trong 3 loại (AC/ DC/RLY, DC/DC/RLY, DC/DC/DC).
Chú thích: trong mã CPU xuất hiện các chữ C, FC
+ Chữ “C” là viết tắt của Compact (nghĩa là họ CPU nhỏ gọn và được tích hợp sẵn các vào/ra số, tương tự).
Chữ "FC" là viết tắt của Fails Safe, đại diện cho dòng CPU đặc biệt được thiết kế cho những ứng dụng yêu cầu tính an toàn cao, đặc biệt trong các ngành công nghiệp như dầu khí và năng lượng.
Bảng 2-1 Phân loại plc s7-1200 theo chức năng
Loại CPU Được tích hợp sẵn Khả năng mở rộng Bộ nhớ
Không hỗ trợ mở rộng SM
1 SB, CB, BB (board tín hiệu truyền thông, hoặc bin
50KB-WM 1MB-LM 10KB- Retentive CPU-1212C
1 SB, CB, BB ( board tín hiệu truyền thông , hoặc bin.
75KB-WM 2MB-LM 10KB- Retentive CPU-1214C
1 SB, CB, BB ( board tín hiệu truyền thông , hoặc bin.
100KB-WM 4MB-LM 10KB- Retentive CPU-1215C
1 SB, CB, BB (board tín hiệu truyền thông , hoặc bin
125KB-WM4MB-LM10KB-Retentive
1 SB, CB, BB (board tín hiệu truyền thông , hoặc bin
150KB-WM 4MB-LM 10KB- Retentive
- SM: Single Module –là module mở rộng đầu vào/ra số/tương tự.
- CM: Communication Module: module truyền thông giao tiếp
- SB: Single Board: board gắn trên CPU
- CB: Communication Board: board truyền thông như Modbus…
- BB: Battery Board: pin để cung cấp nguồn điện.
Các vùng nhớ của PLC:
LOAD MEMORY (LM) là loại bộ nhớ không bay hơi, đảm bảo thông tin được lưu trữ không bị mất khi PLC ngắt nguồn Chức năng chính của LM là lưu trữ dữ liệu quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động.
- Chương trình người dùng (Program blocks)
- Cấu hình phần cứng (Device configuration)
- Tên biến do người dùng định nghĩa (PLC tags)
Load memory giống như ổ đĩa cứng của máy tính Vùng nhớ này được tích hợp sẵn trong CPU.
+ WORK MEMORY (WM): là vùng nhớ dạng non-retentive (loại bộ nhớ mà thông tin lưu trữ trên nó không được nhớ) Ý nghĩa:
- Khác với Load memory là vùng nhớ để chứa chương trình người dùng thì Work memory là vùng nhớ để thực hiện chương trình khi PLC ở chế độ Run.
Work memory giống như RAM của máy tính Vùng nhớ này được tích hợp sẵn trong CPU S7-1200.
+ SYSTEM MEMORY (SM): là vùng nhớ mà PLC quy định cho người lập trình bao gồm:
- Vùng nhớ Local data Retain memory: sử dụng vùng nhớ M hoặc Data block với mục đích lưu giá trị khi mất điện
2.1.3 Lựa chọn CPU điều khiển
Từ các phân tích dữ liệu cũng như chức năng của các dòng CPU trên, chúng em quyết định lựa cọn CPU 1214 DC/DC/DC:
- Ngõ ra là DC phù hợp để đưa điện áp 24VDC vào và cấp nguồn cho các relay trung gian để điều khiển xy lanh và băng tải
- Số lượng đầu vào ra nhiều hơn so với CPU 1211C và CPU 1212C, đủ để điều khiển xy lanh và băng tải
- Giá rẻ hơn so với CPU 1215 và CPU 1217.
- Đủ chức năng và bộ nhớ sử dụng.
Hình 2-5 Hình ảnh PLC S7-1200 CPU 1214 DC/DC/DC
Thông số: CPU 1214 AC/DC/Relay
- Bộ nhớ: 100 KB work memory và 4 MB Load memory
- Tích hợp I/O: 14 DI, 10 DQ và 2 AI
Các thiết trong đề tài cần sử dụng
Khung băng tải được thiết kế từ nhôm định hình, thép sơn tĩnh điện hoặc inox.
Mặt băng tải bằng belt hoặc con lăn, thường là dây băng tải bằng dây PVC, có độ dày 2mm đến 3mm, thường có màu xanh lá.
Hệ thống con lăn đỡ dây băng tải và rulo kéo bằng SUS
Động cơ giảm tốc độ vô cấp
Điều khiển tốc độ bằng vô cấp
Tấm đỡ dây băng và hộp xích được thiết kế từ SUS
Kích thước phổ biến của sản phẩm bao gồm W250-L850-H300mm, B400-B600-B800 Ngoài ra, chúng tôi cũng cung cấp dịch vụ thiết kế kích thước riêng để đáp ứng nhu cầu sử dụng và quy mô sản xuất của từng khách hàng.
Hệ thống điều khiển: Siemens-Đức
Có 4 dạng băng tải mini chính đó là: Ngang – nghiêng – di động và cánh bướm.
Hình 2-6 Băng tải Ưu điểm băng tải mini:
- Tốc độ vận chuyển nhanh :20-100m/ phút.
- Năng suất làm việc :30-150m3/giờ.
- Khả năng công nghệ: bạn có thể dùng băng tải mini trong việc:
+ Tiếp xúc với máy tính –máy in.
+ Điều khiển bằng màn hình cảm ứng.
+ Xuất file Access kiểm toán, thống kê.
- Kích thước: nhỏ gọn, phù hợp ở mọi không gian, thích hợp với nhiều môi trường làm việc.
- Giá: cạnh tranh, không quá cao so với các sản phẩm băng tải khác.
• Kích thước: W250xL850xH300mm (kích thước có thể thay đổi theo ứng dụng khác nhau).
• Dây băng tải chuyên dụng PVC, màu xanh, chiều dài đa dạng theo nhu cầu khách hàng.
• Bộ điều khiển tốc độ vô cấp (biên tầng).
• Senser quang phát hiện sản phẩm.
• Khung bằng nhôm định hình 8x60cm.
• Tấm đỡ dây băng và hộp xích bằng SUS.
• Con lăn đỡ dây băng và rulo kéo bằng SUS chuyên dụng.
2.2.1 Tính chọn động cơ băng tải
- Động cơ AC (Động cơ điện xoay chiều) là động cơ điện hoạt động với dòng điện xoay chiều
Động cơ xoay chiều là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng băng tải yêu cầu hoạt động liên tục theo một hướng Với độ bền cao và ít cần bảo trì do không có chổi, loại động cơ này phù hợp cho các ứng dụng chuyển động chậm và liên tục.
Hình 2-8 Động cơ băng tải
Khi thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo trọng lượng, cần chọn động cơ băng tải phù hợp với các yêu cầu sau: khả năng phân loại 4 mức trọng lượng khác nhau, tốc độ di chuyển của băng tải đạt 1 m/s, tải trọng tối đa 50kg, tích hợp chức năng đếm sản phẩm và điều khiển thông qua PLC S7-1200.
Khi tính chọn công suất động cơ truyền động băng tải thường tính theo các thành phần sau:
- Công suất P1 để di chuyển thùng hàng.
- Công suất P2 để khắc phục tổn thất do ma sát trong các ổ đỡ, ma sát giữa các băng tải và con lăn khi băng tải không chạy.
- Công suất P3 để nâng tải ( nếu là băng tải nghiêng ).
Lực cần thiết để di chuyển thùng hàng:
Trong đó: L : chiều dài băng tải ( L = 15m). σ : Khối lượng hàng trên 1m băng tải ( σkg/m).
K 1 : Hệ số tính đến khi dịch chuyển vật liệu, K 1
=0,5. β : Góc nghiêng băng tải, giả thiết băng tải nằm ngang.
Công suất cần thiết để dịch chuyển thùng hàng:
Lực cản do các loại ma sát sinh ra khi băng tải chuyển động không tải là:
- F2 = 2.L σ K 2.g.cosβ = 2.15.10.0,05.9,8 cos0º = 147N Trong đó: L : chiều dài băng tải ( L = 15m). σ : Khối lượng hàng trên 1m băng tải ( σkg/m).
K 2 : là hệ số tính đến lực cản khi không tải, K 2
Công suất cần thiết để dịch chuyển thùng hàng:
Do băng tải nằm ngang ( β=0º) nên P3 = 0 (kW)
Công suất tĩnh của băng tải:
Công suất động cơ truyền động băng tải được tính theo biểu thức sau:
K3 : Hệ số dự trữ về công suất K3 = 1,2 đến 1,25 η : Hiệu suất truyền động
Ta chọn động cơ có công suất P = 1,5kW, thông số chi tiết trong bảng số liệu sau:
Loại động cơ Động cơ không đồng bộ 3 pha Điện áp (V) 220 - 380V / 50Hz
Tốc độ vòng quay (v/phút) 1400
Tỷ số momen cực đại 2.2
Tỷ số momen khởi động 2.2
Tỷ số dòng điện khởi động 5
Cảm biến khoảng cách NPN E3F-DS30C4 5-30cm
Hình 2-9 Cấu tạo của cảm biến quang
- Khoảng cách điều chỉnh:5-30cm.
- Điện áp làm việc: 10-30 VdC.
- Dạng tín hiệu ra: NPN Thường mở.
Relay trung gian là thiết bị rờ le điện từ nhỏ gọn, có chức năng chuyển mạch tín hiệu điều khiển và khuếch đại điện từ Thiết bị này thường được lắp đặt ở vị trí trung gian trong sơ đồ điều khiển, đóng vai trò quan trọng giữa các thiết bị điều khiển công suất nhỏ và thiết bị công suất lớn.
Relay trung gian được cấu tạo từ lõi thép động, lõi thép tĩnh và cuộn dây Cuộn dây bên trong có thể là cuộn cường độ, cuộn điện áp, hoặc cả hai loại Lõi thép động được giữ cố định bởi lò xo và được điều chỉnh bằng một vít Cơ chế tiếp điểm của relay bao gồm tiếp điểm thường mở và tiếp điểm thường đóng.
- Phân loại: Relay trung gian được chia thành các loại sau: Relay trung gian 5V, 12V, 24V (DC), 8 chân, 14 chân, Relay trung gian Idec RU4S-D24, Relay trung gian Idec RU4SD24
2.2.4 Bộ nguồn tổ ong 24VDC
Chuyển đổi nguồn điện từ 220VAC sang 24VDC
Ứng dụng nguồn điện 24V rất đa dạng, bao gồm bóng đèn LED, đèn trang trí, đèn biển quảng cáo và nguồn cho camera Nó cũng được sử dụng trong các cửa hàng buôn bán và sửa chữa điện tử, điện lạnh để thử nghiệm thiết bị trước khi bán Sản phẩm này cung cấp nguồn điện đầu ra ổn định, giúp tăng tuổi thọ cho các thiết bị.
– Cách sử dụng: Nối nguồn điện xoay chiều 220V vào 2 cổng có kí hiệu
AC, 3 cổng còn lại sẽ là đầu ra 24V có kí hiệu (+), (-) và dây trung tính.
– Điện áp vào: 85V ~ 263VAC (47 ~ 63Hz) (V)
Hình 2-11 Nguồn chuyển đổi điện áp 220V - 24V 2.2.5 Xilanh khí nén
Xilanh khí nén là một thành phần quan trọng trong ngành công nghiệp tự động hóa, được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực như lắp ráp, chế biến gỗ, thực phẩm, dây chuyền đóng gói, chế tạo rô bốt và lắp ráp điện tử.
Xi lanh 2 chiều, hay còn gọi là xi lanh kép, là loại xi lanh nén khí có khả năng tác động ở cả hai đầu, thường sử dụng lực không khí từ máy bơm khí để di chuyển, đẩy ra và rút lại.
2 cổng để hoạt động, một cổng dành cho hành trình đi ra và cổng còn lại dành cho hành trình lùi về.
Xi lanh 2 chiều có khả năng tạo ra lực đẩy piston từ cả hai phía, với thiết kế bao gồm hai lỗ để cung cấp nguồn khí nén và điều chỉnh lưu lượng khí nén cho van Chúng thường được sử dụng kết hợp với các loại van điện từ chia khí như 4/2, 5/2, 5/3, hoặc có thể áp dụng cho cả hai đầu cuộn coil.
Xi lanh 2 chiều hiện nay được ưa chuộng hơn so với xi lanh 1 chiều nhờ khả năng hoạt động linh hoạt và sinh công hiệu quả trong cả hai hướng tiến và lùi Dòng sản phẩm này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cửa thông minh, cửa tự động, sản xuất bánh kẹo, đóng gói, cũng như trong các thiết bị như máy cẩu và cần cẩu.
Thiết bị này có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau, bao gồm xi lanh khí nén vuông, xi lanh khí nén tròn, xi lanh khí nén quay, xi lanh trượt, và xi lanh khí nén 2 ty Ngoài ra, việc phân loại cũng có thể dựa trên nguồn gốc xuất xứ và hãng sản xuất.
Hình 2-12 Xi lanh khí 2 chiều
2.2.6 Bộ chuyển đổi tín hiệu cho loadcell JY S60
Hình 2-13 Bộ chuyển đổi tín hiệu Loadcell
Thông tin chi tiết: Điện áp hoạt động: DC 12-24V
Tín hiệu đầu ra: điện áp (0-5V, 0-10V, 1-5V, ± 5V) 4-20ma
Tín hiệu đầu vào: độ nhạy cảm biến 2.0MV / V
Phạm vi nhiệt độ hoạt động: -20 - 80 Độ ẩm hoạt động: 10% RH-90% RH (không ngưng tụ) Độ chính xác: tốt hơn 0,1% F.S Độ chính xác tốt hơn 0.05% F.S
Lựa chọn bánh răng: công tắc quay số tắt, đầu ra V0 0-5v, 1 vòng chuyển sang bật đầu ra V0 0-10V 1 và 2 đều chuyển sang tắt đầu ra VO 0-5V, đầu ra IO 4-20 mA.
Cảm biến lực được thiết kế cho cân bằng điện tử Ứng dụng: cân bằng điện tử
1 Tải dung lượng: dung lượng 50kg.
2 Kích thước cảm biến lực và hướng.
Hình 2-15 Kích thước cảm biến lực và hướng của cảm biến cân load cell
3 Tham số cảm biến lực
Bảng 2-2 Bảng tham số lực và hướng
Các thông số kỹ thuật
Thông số kỹ thuật Kỹ thuật
Tải trọng 50Kg Độ nhạy 1.0 ± 1,5% mV/V Độ lệch tuyến tính 0,05 % F.S
Creep (1 min) 0,1 %F.S Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điểm 0 0,3 % F.S/10 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đầu ra 0,1 % F.S/10 Điện trở vào, ra 1000 ± 10 Ω
Trở kháng cách ly ≥2000 M Điện áp hoạt động 5V
Nhiệt độ hoạt động -20 ~ 65 ºC Điện áp hoạt động tối đa 8V
Quá tải an toàn 150% FS
Quá tải cuối cùng 200% FS
Trọng lượng xấp xỉ 0,25kg
2.2.8 Van điện từ điều khiển piston khí nén
Hình 2-16 Ký hiệu và mặt cắt nguyên lý
Van có các cổng khí ra 4 và 2, cổng khí nguồn 1 và các cổng khí xả 5 và
3 Trong các cổng khí ra 4 và 2 thì luôn có một cổng khí nối với nguồn và một cổng khí thông với nguồn xả Cuộn dây bên trái van có tác dụng để điều khiển sự đảo ngược trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2.
Ta có thể mô tả hoạt động của van như sau:
- Ở vị trí ban đầu pittông của van dừng bên trái (như trên mặt cắt 1) ta thấy cổng khí 4 thông với cổng xả 5, cổng khí 2 thông với cổng khí nguồn 1.
Khi cuộn dây được cấp điện, pittông sẽ di chuyển sang bên phải và dừng lại ở vị trí đó Tại vị trí này, cổng khí 2 sẽ kết nối với cổng khí xả 3, trong khi cổng khí 4 sẽ thông với cổng khí nguồn 1 (mặt cắt 2).
- Nếu cuộn dây bị cắt điện thì lực đàn hồi của lò xo sẽ đẩy pittông quay trở lại vị trí ban đầu (như mặt cắt 1)
- Cổng 84 là cổng thông khí trong quá trình pittông chuyển động thay đổi trạng thái.
Hình 2-17 Cụm van điện từ SYJ3140-5LZ dùng trong hệ thống
Thông số kỹ thuật Áp suất tối đa: 0.7 Mpa. Điện áp van điện từ: 24V DC.
Bộ điều áp reguiator PR2.
+ Kích thước cổng đo áp: 1/16.
+ Áp suất phá hủy: 1.5Mpa.
+ Áp suất tối đa: 1.0Mpa.
Hình 2-18 Van điều áp TPC PR2
Van điều áp, hay còn gọi là van giảm áp, là thiết bị giữ áp suất đầu ra ở mức ổn định, thấp hơn áp suất đầu vào theo cài đặt của người dùng Việc sử dụng van giảm áp không chỉ giúp sản xuất và vận hành hệ thống một cách ổn định mà còn đảm bảo an toàn, mang lại áp suất đầu ra như mong muốn Sử dụng van giảm áp là giải pháp hiệu quả để bảo vệ mọi hệ thống.
2.3 Sơ đồ đấu nối thiết bị
Hình 2-19 Bản vẽ cấp nguồn cho hệ thống
Hình 2-18 Sơ đồ đấu nối cảm biến tiệm cận
Hình 2-19 Mạch đấu nối các thiết bị với PLC
Hình 2-20 Bản vẽ cấp khí cho xylanh
Hình 2-21 Mạch đấu nối cân loadcell
Bản vẽ đấu nối các thiết bị với nhau
3.1 Yêu cầu công nghệ của hệ thống
Hình 3-20 Yêu cầu công nghệ của hệ thống
- Hệ thống phân loại sản phẩm sẽ phân loại sản phẩm theo 4 mức khối lượng.
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRÊN WINCC
Các ngôn ngữ lập trình
Ladder Diagram (ở VN có tên gọi là sơ đồ hình thang, viết tắt là
Ngôn ngữ LAD (Ladder Logic) hiện nay là ngôn ngữ phổ biến nhất, đặc biệt tại Mỹ, dựa trên đồ họa của Relay Ladder Logic Hầu hết các PLC hiện nay, bất kể có tuân thủ tiêu chuẩn IEC61131-3 hay không, đều hỗ trợ ngôn ngữ ladder này.
Ngôn ngữ kiểu liệt kê, hay còn gọi là Instruction List (STL) tại Siemens, là một phiên bản của ngôn ngữ ladder nhưng được thể hiện dưới dạng văn bản STL có cấu trúc tương tự như ngôn ngữ máy Assembly, mang lại sự linh hoạt và hiệu quả trong lập trình điều khiển.
Function Block Diagram (ở VN được gọi dưới tên là ngôn ngữ khối.
FBD (Function Block Diagram) là một biểu đồ mô tả mối liên kết giữa các chức năng, khối chức năng và chương trình thông qua một tập hợp các khối đồ họa được kết nối Hình thức của nó tương tự như sơ đồ mạch điện tử mà chúng ta thường gặp.
Structured Text (ở VN được gọi với tên là ngôn ngữ kiểu cấu trúc.
Siemens Control Language (SCL) là một ngôn ngữ lập trình cấp cao mạnh mẽ dành cho PLC, được phát triển dựa trên Pascal và C SCL cho phép định nghĩa các khối chức năng phức tạp và có thể lồng ghép với các ngôn ngữ lập trình khác Với tính chất trực quan và dễ hiểu, SCL là sự lựa chọn lý tưởng cho các lập trình viên trong lĩnh vực tự động hóa.
Sequential Function Chart (ở VN gọi là kiểu lập trình lưu đồ tuần tự.
Siemens sử dụng ngôn ngữ SFC (Sequential Function Chart) hay còn gọi là đồ thị, đây là một phương pháp lập trình đồ họa mạnh mẽ giúp mô tả các trạng thái tuần tự trong chương trình điều khiển.
Kiểu chúng ta đang lập trình:
- Ladder, Instruction List, và FBD nó sẽ tốt cho kiểu logic bit.
- SFC là tuyệt vời nhất cho các kiểu lập trình hoạt động tuần tự.
- SCL là hoàn hảo cho các hàm toán học phức tạp, hoạt động mảng và hoạt động chuỗi.
- Instruction List rất phù hợp cho các lệnh của bộ xử lý cấp thấp và truy cập bộ nhớ/thanh ghi của PLC.
Từ những dữ liệu trên chúng em sẽ sử dụng ngôn ngữ Ladder để lập trình vì:
- Hình dạng giống với các kí hiệu của các mạch điện công nghiệp theo chuẩn IEC
- LAD với cấu trúc bậc thang dễ sắp xếp, tổ chức và tiện theo dõi
- Cho phép ghi chú thích.
- Hỗ trợ chỉnh sửa online.
Chức năng các khối block trong PLC S7-1200
3.3.1 Khối main – khối chương trình chính
Là khối hàm tổ chức của PLC, được hệ điều hành gọi theo chu kì và là giao diện giữa chương trình và hệ điều hành.
Các khối hàm OB là khối hàm tổ chức trong PLC S7 1200, gồm một số các khối chính sau:
– Program Cycle OB: Khối vòng quét chương trình được thực hiện khi PLC ở chế độ RUN (ví dụ: OB1)
– Startup OB: Khối khởi động thực hiện 1 lần khi PLC chuyển từ chế độ STOP sang chế độ RUN
– Time delay interrupt: Khối ngắt thời gian trễ thực hiện sau một khoảng thời gian trễ định trước của một sự kiện (khối OB20)
– Cyclic interrupt: Khối ngắt theo chu kỳ thực hiện cứ sau một khoảng thời gian nhất định (ví dụ: OB30)
– Hardware interrupt: Khối ngắt phần cứng thực hiện khi có sự kiện ngắt đầu vào hoặc ngắt do Bộ đếm tốc độ cao (khối OB40)
Khối ngắt lỗi thời gian thực hiện (OB80) được kích hoạt khi có sự cố về thời gian quét của PLC hoặc khi xảy ra lỗi liên quan đến bộ định thời Timer Việc xử lý kịp thời các lỗi này là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống tự động hóa.
– Diagnostic interrupt: Khối ngắt chuẩn đoán thực hiện khi có một số lỗi phía bên ngoài () xảy ra (khối OB82)
FC là một khối mã thực hiện các thao tác đặc trưng trên hệ thống giá trị đầu vào, và lưu trữ kết quả của các hoạt động này trong bộ nhớ.
Một FC có thể được gọi nhiều lần trong một chương trình tại các thời điểm khác nhau, giúp đơn giản hóa việc lập trình các tác vụ.
Một FC không có khối mã dữ liệu (DB) liên quan và sử dụng nhóm dữ liệu tạm thời để thực hiện các phép tính Dữ liệu tạm thời này không được lưu trữ lại.
Khối dữ liệu (DB) trong chương trình được sử dụng để lưu trữ thông tin cho các khối mã Tất cả các khối chương trình có thể truy cập dữ liệu từ một DB toàn cục, trong khi một DB mẫu chỉ lưu trữ dữ liệu cho một khối hàm (FB) cụ thể Dữ liệu được lưu trong DB sẽ không bị xóa khi quá trình thực thi của khối mã liên quan kết thúc.
Khối dữ liệu (DB) trong chương trình được sử dụng để lưu trữ thông tin cho các khối mã, cho phép tất cả các khối chương trình truy xuất dữ liệu từ một DB toàn cục Tuy nhiên, một DB mẫu chỉ lưu trữ dữ liệu cho một khối hàm (FB) cụ thể Đặc biệt, dữ liệu lưu trữ trong một DB sẽ không bị xóa khi quá trình thực thi của khối mã liên quan kết thúc.
Thiết kế giao diện Scada
3.4.1 Giới thiệu về hệ thống Scada
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, hỗ trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa Hệ thống này bao gồm các yếu tố phần mềm và phần cứng, cho phép các tổ chức công nghiệp thực hiện các nhiệm vụ quan trọng trong quản lý và điều hành.
- Kiểm soát các quy trình công nghiệp tại local hoặc tại các địa điểm từ xa
- Theo dõi, thu thập và xử lý dữ liệu thời gian thực
- Tương tác trực tiếp với các thiết bị như cảm biến, van, máy bơm, động cơ và nhiều thứ khác thông qua phần mềm giao diện người-máy (HMI)
- Ghi sự kiện vào một file nhật ký hoặc CSDL.
Hệ thống SCADA đóng vai trò quan trọng trong các tổ chức công nghiệp, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động, xử lý dữ liệu để đưa ra quyết định thông minh hơn và truyền đạt kịp thời các vấn đề trong hệ thống, từ đó giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động.
Kiến trúc SCADA cơ bản bắt đầu với bộ điều khiển logic lập trình (PLC) hoặc thiết bị đầu cuối từ xa (RTU), là các máy vi tính giao tiếp với nhiều đối tượng như máy móc, HMI, cảm biến và thiết bị đầu cuối Các thiết bị này định tuyến thông tin đến máy tính thông qua phần mềm SCADA, giúp xử lý, phân phối và hiển thị dữ liệu Nhờ đó, người vận hành và nhân viên có thể phân tích dữ liệu và đưa ra quyết định quan trọng.
Các hệ thống SCADA hiện nay có các đặc tính sau:
* Đồ họa hoàn toàn trong quá trình giám sát và điều khiển.
* Có hệ thống lưu trữ dữ liệu (History) và hiển thị đồ thị quá trình, có khả năng hiển thị đa tín hiệu.
* Hệ thống cảnh báo và ghi nhận sự kiện (Alarm/ Event System).
* Hỗ trợ các chuẩn truyền thông nối tiếp, song song và giao thức TCP/IP.
* Hệ thống báo cáo, báo biểu theo chuẩn công nghiệp.
* Hỗ trợ các chuẩn giao diện OPC, OLE/DB và các giao diện công nghiệp khác.
* Khả năng tích hợp tín hiệu Video động.
* Khả năng đồng bộ về thời gian với hệ thống cũng như giữa các Server và Client.
* Nhanh chóng hoán đổi giữa các hiển thị.
* Nhanh chóng xem được chi tiết các thông tin được cập nhật.
* Tạo và sửa đổi các hiển thị trực tiếp trên màn hình hệ thống.
Các hiệu ứng đặc biệt giúp phân biệt trạng thái và nhận diện dữ liệu một cách dễ dàng, chẳng hạn như việc sử dụng các màu sắc khác nhau để biểu thị các trạng thái khác nhau.
Hình 3-4 Mô hình phân cấp của hệ thống SCADA
Mọi hệ thống SCADA đều có bốn thành phần chính sau:
- Giao diện quá trình hoạt động: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi và các cơ cấu chấp hành.
Intermediate data collection stations consist of remote terminal units (RTUs) or programmable logic controllers (PLCs) that communicate with actuator devices.
Hệ thống truyền thông bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, thiết bị viễn thông và thiết bị chuyển đổi dồn kênh, có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ.
- Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện người- máy HMI (Human Machine Interface).
Cơ chế thu thập dữ liệu trong hệ thống SCADA bắt đầu từ việc các RTU quét thông tin từ các thiết bị chấp hành kết nối với chúng, thời gian này được gọi là thời gian quét bên trong Các máy chủ thực hiện quét các RTU với tốc độ chậm hơn để thu thập dữ liệu Để điều khiển, máy chủ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, cho phép chúng gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp đến các thiết bị chấp hành để thực hiện nhiệm vụ SCADA mang lại nhiều lợi ích trong việc quản lý và giám sát hệ thống.
Hệ thống SCADA cho phép doanh nghiệp thu thập, quản lý và kiểm soát hoạt động của máy móc như van, máy bơm và động cơ, đồng thời lưu trữ thông tin vào máy chủ Với tính năng vượt trội, SCADA đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hiện đại như năng lượng, thực phẩm, dầu khí, vận tải và xử lý nước, rác thải, mang lại nhiều lợi ích quan trọng.
Quá trình phân tích các quy trình sản xuất giúp nhà quản lý nâng cao năng suất bằng cách sử dụng thông tin thu thập được để cải thiện hiệu quả sản xuất và tối ưu hóa kỹ thuật.
Để cải thiện chất lượng sản phẩm, nhà quản lý cần phân tích các hoạt động sản xuất nhằm hạn chế và ngăn chặn các sai sót xảy ra trong quá trình này.
Hệ thống SCADA giúp giảm chi phí vận hành và bảo trì bằng cách giảm thiểu số lượng nhân sự cần thiết để quản lý và giám sát các thiết bị hiện trường ở những vị trí xa xôi.
Doanh nghiệp sẽ tiết kiệm chi phí bảo trì nhờ không phải chi trả cho các chuyến đi kiểm tra và bảo trì ở xa.
Để bảo toàn vốn đầu tư, các chủ nhà máy cần đảm bảo rằng việc nâng cấp hoạt động sản xuất sẽ bền vững theo thời gian Hệ thống SCADA được thiết kế mở cho phép chủ đầu tư dễ dàng điều chỉnh và thay đổi theo quy mô sản xuất, từ đó giảm thiểu hao hụt trong quá trình vận hành.
SCADA không phải là một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh, mà là một hệ thống máy tính chuyên thu thập và phân tích dữ liệu trong thời gian thực, phục vụ cho việc giám sát và điều khiển thiết bị công nghiệp Hệ thống này thu thập thông tin về các vấn đề phát sinh, gửi về vị trí trung tâm và phát cảnh báo Sau đó, SCADA thực hiện các phân tích và kiểm tra cần thiết, hiển thị thông tin một cách có tổ chức cho các nhóm, giúp họ giải thích và sử dụng dữ liệu một cách hiệu quả.
3.4.1 Giới thiệu phần mềm TIA PORTAL V15
Hình 3-5 Phần mềm TIA PORTAL V15
Phần mềm Tia Portal V15 của Siemens
TIA Portal, hay còn gọi là Total Integrated Automation Portal, là phần mềm nổi bật trong lĩnh vực tự động hóa Phần mềm này tích hợp tất cả các công cụ cần thiết cho việc cấu hình và lập trình các hệ thống tự động hóa và truyền động điện như PLC, HMI và Inverter của Siemens.
- Ưu điểm: tích hợp tất cả trong 1 phần mềm, 1 giao diện, tạo ra sự nhất quán trong việc cấu hình hệ thống.
- Nhược điểm: dung lượng phần mềm lớn, yêu cầu cấu hình máy tính cao, ban đầu khó làm quen đối với người mới học.
Các gói phần mềm có trong TIA Portal:
- SIMATIC STEP7 Professional và SIMATIC STEP7 PLCSIM: dùng để lập trình và mô phỏng PLC S7-1200, S7-1500, S7-300, S7-400,
SIMATIC WinCC Professional: Lập trình giao diện HMI và giao diện SCADA
- SIMATIC Start Driver: Cấu hình biến tần Siemens
Hình 3-6 Tạo project mới trên tia V15
Hình 3-7 Thêm thiết bị trên TIA V15
Hình 3-8 Kết nối PLC với PC SYSTEM
Hình 3-9 Giao diện lập trình
Hình 3-10 Tag lưu các biến trong PLC
Ngoài lập trình cơ bản TIA Portal còn hỗ trợ một số tính năng nổi bật như:
Hỗ trợ lập trình truyền thông trực tiếp trên phần mềm: giao diện HMI, Wincc, truyền thông profibus với giao diện và tập lệnh dễ sử dụng.
Dễ dàng thiết lập cấu hình kết nối giữa các thiết bị trong mạng truyền thông
Hỗ trợ mô phỏng một cách trực quan các dòng PLC mới nhất của Siemens với PLCSIM.
Có thể nói TIA Portal là phần mềm được Siemens phát triển nhằm thay thế các phần mềm chuyên dụng khác cho các dòng PLC của hãng Siemens.
3.4.2 Thiết kế giao diện mô phỏng trên WinCC
Hình 3-11 SIMATIC PC –WINCC RUNTIME ADVANCE
Hình 3-12 Giao diện thiết kế trên WinCC
Hình 3-13 Gán tag vào các thiết bị trong WinCC
Hình 3-14 Giao diện khi mô phỏng
Hình 3-15 Giao diện khi đặt vật lên cân