TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, với sự tiến bộ của các ngành khoa học kỹ thuật, điều khiển tự động trở thành yếu tố quan trọng trong nhiều lĩnh vực như quản lý và công nghiệp tự động hóa Việc nắm bắt và ứng dụng hiệu quả công nghệ điều khiển tự động không chỉ góp phần vào sự phát triển chung của khoa học kỹ thuật toàn cầu mà còn thúc đẩy sự tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển tự động.
Nhóm đã có cơ hội tham quan các doanh nghiệp và chứng kiến nhiều dây chuyền sản xuất tự động hóa, trong đó nổi bật là dây chuyền chiết rót sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller).
Sau khi nghiên cứu các đề tài và công trình trước, nhóm đã quyết định chọn đề tài “Điều khiển và giám sát dây chuyền chiết rót sử dụng S7-1200” để thực hiện nghiên cứu cho đề tài tốt nghiệp.
MỤC TIÊU
Với đề tài này mục tiêu mà nhóm đề ra để giải quyết các công việc như sau:
- Nghiên cứu ứng dụng và giao tiếp giữa PLC và hệ Servo
- Thiết kế và thi công được hệ thống chiết rót
- Thiết kế được hệ SCADA công nghiệp
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Để thực hiện đề tài một cách hiệu quả, cần tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình cũng như nghiên cứu liên quan đến các chủ đề nội dung Việc này giúp xác định phương pháp thực hiện phù hợp, đảm bảo chất lượng và tính khả thi của nghiên cứu.
NỘI DUNG 2: Tìm hiểu về PLC S7 – 1200 và phần mềm lập trình
NỘI DUNG 3: Thiết kế phần cứng của hệ thống
NỘI DUNG 4: Thiết kế giải thuật điều khiển, lập trình PLC, thiết kế giao diện giám sát trên Wincc
Thử nghiệm và điều chỉnh phần mềm cùng phần cứng là bước quan trọng để tối ưu hóa hệ thống, đồng thời thu thập kết quả từ các lần thử nghiệm nhằm đánh giá tính ổn định của hệ thống.
NỘI DUNG 6: Viết quyển báo cáo tốt nghiệp
NỘI DUNG 7: Báo cáo đồ án tốt nghiệp
BỐ CỤC
Chương này giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu và nội dung nghiên cứu, đồng thời nêu rõ các giới hạn thông số và bố cục của đồ án.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu tổng quan về dây chuyền chiết rót, PLC S7- 1200, Driver Servo và giới thiệu các phần mềm hỗ trợ, điều khiển Servo bằng các lệnh Motion
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Đặc tả phần cứng các thiết bị ngõ vào, ngõ ra, thiết kế sơ đồ nguyên lý, tính toán và thiết kế các khối: khối nguồn, khối băng tải, khối mâm xoay, khối dán nhãn, khối kiểm tra
CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
Thi công phần cứng và thi công phần điện viết chương trình cho hệ thống
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT
Nêu kết quả đạt được, hình ảnh hoạt động của mô hình, đánh giá tính ổn định của hệ thống và các chức năng liên quan
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Nêu kết luận về quá trình thực hiện và thành quả đạt được, các vấn đề còn tồn tại, đề ra hướng phát triển sản phẩm.
GIỚI HẠN
- Dây chuyền chiết rót qui mô nhỏ
- Chiết rót mỗi lần 1 chai
- Chưa đảm bảo độ chính xác của từng thiết bị
- Được điều khiển và giám sát trên Wincc.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CHIẾT RÓT
2.1.1 Giới thiệu Để có thể xây dựng được một hệ thống như yêu cầu đặt ra, chúng ta cần phải tìm hiểu một số khái niệm, cơ sở liên quan đến hệ thống Các khái niệm về hệ thống chiết rót, các cách thức để giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi và các phần mềm được hỗ trợ đều được trình bày trong chương này
Hiện nay, nhiều sản phẩm tiêu dùng, đặc biệt trong ngành thực phẩm như bia, rượu và nước giải khát, chủ yếu được đóng gói trong chai lọ Những bao bì này mang lại nhiều ưu điểm nổi bật như giá thành thấp, độ bền cao, tính thẩm mỹ và dễ sản xuất Do đó, các hệ thống máy chiết rót và đóng nắp chai tự động ngày càng được sử dụng rộng rãi với nhiều loại khác nhau.
Dây chuyền đóng nắp chai tự động có nhiều kích thước khác nhau, phù hợp với nhu cầu sử dụng của cả các công ty lớn và các cơ sở sản xuất tư nhân nhỏ, thường được kết hợp với dây chuyền chiết rót chất lỏng.
2.1.2 Các hệ thống chiết rót có sẵn trên thị trường
Trên thị trường máy chiết rót hiện nay, năm dòng máy được ưa chuộng và lựa chọn hàng đầu cho các cơ sở sản xuất bao gồm: máy chiết rót bằng bơm bánh răng, bơm piston, bơm trục vít, bơm lưu lượng kế và máy chiết rót kiểu đối lưu.
Máy chiết rót bằng bơm bánh răng
Hình 2 1 Máy chiết rót bằng bơm bánh răng
Máy chiết rót bằng bơm bánh răng, hay còn gọi là máy chiết rót tự động 8 đầu (bơm rotary), là lựa chọn lý tưởng cho việc chiết rót sản phẩm trong ngành thực phẩm và hóa mỹ phẩm Với cấu trúc bằng thép không gỉ và hợp kim nhôm, máy có thiết kế linh hoạt để phù hợp với nhiều kích thước chai khác nhau Đặc biệt, máy được điều khiển thông qua màn hình cảm ứng LCD, mang lại sự tiện lợi và dễ dàng trong việc điều chỉnh.
Hệ thống chiết rót sử dụng đầu bơm rotary và được điều khiển bởi motor AC với biến tần, mang lại thao tác rót mượt mà và dễ dàng điều chỉnh lưu lượng Đặc biệt, hệ thống bơm bánh răng giúp giảm thiểu tối đa hiện tượng tạo bọt trong quá trình rót.
Máy chiết rót bằng bơm bánh răng có dung tích chiết rót từ 250 đến 5000ml, sử dụng vòi ngâm giúp ngăn chặn tràn chất lỏng lên chai và băng tải Hệ thống bơm và động cơ băng tải được bảo vệ toàn diện, đảm bảo không xảy ra sụt áp trong quá trình vận hành.
Máy chiết rót bằng bơm piston
Hình 2 2 Máy chiết rót bằng bơm piston
Máy chiết rót bằng bơm piston, hay còn gọi là máy chiết rót tự động 6 đầu, được thiết kế với đầu bơm piston chuyên dụng cho việc chiết rót các chất lỏng không hạt như dầu ăn, sữa tắm và dầu gội.
Máy chiết rót sử dụng bơm piston và motor servo mang lại độ chính xác cao, lý tưởng cho các sản phẩm yêu cầu định lượng chính xác Thiết bị được trang bị tính năng bảo vệ “không chai – không chiết rót” cùng với vòi ngâm không gây tràn chất lỏng Bơm piston hoạt động mượt mà và linh hoạt, kèm theo màn hình cảm ứng điều khiển giúp tối ưu hóa các thao tác điều chỉnh.
Máy chiết rót bằng bơm trục vít
Hình 2 3 Máy chiết rót bằng bơm trục vít
Máy chiết rót bằng bơm trục vít, hay còn gọi là máy chiết rót tự động 8 đầu, được thiết kế đặc biệt để chiết rót các loại dầu nhớt hiệu quả.
Mỗi đầu bơm trục vít của máy chiết rót này được điều khiển bởi một motor AC riêng biệt, mang lại độ chính xác cao trong quá trình rót Vòi ngâm được thiết kế đặc biệt để hạn chế tối đa sự hình thành bọt khí và ngăn chặn chất lỏng văng ra ngoài Người dùng có thể dễ dàng điều chỉnh và cài đặt các thông số thông qua màn hình LCD cảm ứng tiện lợi.
Máy chiết rót bằng lưu lượng kế
Hình 2 4 Máy chiết rót bằng lưu lượng kế
Máy chiết rót bằng lưu lượng kế là thiết bị chiết rót 10 đầu định lượng, giúp chiết chính xác và dễ dàng vệ sinh Loại máy này lý tưởng cho việc chiết các chất lỏng có độ nhớt và đậm đặc.
Máy chiết rót bằng lưu lượng kế có phạm vi chiết rót rộng và thiết kế tối ưu để giảm bọt trong quá trình chiết rót Cấu trúc của máy cho phép cài đặt tiêu chuẩn và lưu lượng định mức sản phẩm một cách chính xác nhất.
Máy chiết rót kiểu đối lưu
Máy chiết rót kiểu đối lưu hay còn gọi là đẳng áp được thiết kế thuận tiện cho việc rót nước khoáng hay nước ép trái cây
Hình 2 5 Máy chiết rót kiểu đối lưu
Dòng máy này có dung tích chiết rót từ 500 đến 1500ml, được thiết kế với vòi ngâm giúp ổn định chất lỏng và ngăn ngừa tình trạng tràn Ngoài ra, máy còn được trang bị màn hình cảm ứng Proface và hệ thống điều khiển PLC của Mitsubishi, mang lại hiệu suất vận hành cao.
2.1.3 Các loại máy dán nhãn công nghiệp trên thị trường hiện nay
Phân loại theo mức độ tự động hóa, có thể tạm chia máy dán nhãn thành 3 loại:
Máy dán nhãn tự động
Máy dán nhãn tự động có khả năng điều chỉnh linh hoạt để phù hợp với nhiều loại chai, lon và sản phẩm có hình dạng trụ hoặc dẹp, với các kích thước và kiểu đặt khác nhau.
TỔNG QUAN VỀ PLC
PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) là thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình như Ladder hoặc State logic, mang lại tính linh hoạt trong quá trình điều khiển.
Người sử dụng PLC có khả năng lập trình để thực hiện các trình tự quá trình tự động, được kích hoạt bởi các tín hiệu đầu vào hoặc các hoạt động có thời gian trễ Khi quá trình được kích hoạt, PLC sẽ điều khiển thiết bị bên ngoài bằng cách bật hoặc tắt chúng.
PLC là thiết bị lý tưởng cho việc điều khiển logic, có khả năng thay thế các rơle truyền thống Ngoài ra, PLC còn tích hợp các chức năng điều chỉnh như PID, điều khiển mờ và nhiều chức năng tính toán khác.
Các yếu tố quan trọng được ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo và điều khiển các quá trình rời rạc bao gồm hệ thống SCADA và PLC, trong đó PLC thể hiện nhiều ưu điểm và thế mạnh nổi bật.
Hình 2 9 Cấu tạo cơ bản của PLC
CPU là bộ phận quan trọng của PLC, đóng vai trò như bộ não của hệ thống Để đáp ứng các yêu cầu điều khiển, CPU cần phải hoạt động với hiệu suất cao, quyết định tốc độ xử lý và khả năng điều khiển chuyên biệt của PLC.
CPU là bộ phận chính trong hệ thống, có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu từ khối vào, xử lý thông tin và gửi tín hiệu đến khối ra Ngoài ra, CPU còn tích hợp nhiều khối chức năng quan trọng như Counter, Timer, các phép toán học, chuyển đổi dữ liệu và các hàm chuyên dụng khác.
Khối ngõ vào (Module Input)
Có hai loại ngõ vào là ngõ vào số DI (Digital Input) và ngõ vào tương tự AI (Analog Input)
Ngõ vào DI có khả năng kết nối với các thiết bị phát tín hiệu nhị phân, bao gồm công tắc, nút nhấn, công tắc hành trình, cảm biến quang và cảm biến tiệm cận.
Ngõ vào AI kết nối với các thiết bị như cảm biến nhiệt độ, áp suất, khoảng cách và độ ẩm, tạo ra tín hiệu liên tục Khi thực hiện kết nối, cần đảm bảo tính tương thích giữa tín hiệu ngõ ra của cảm biến và tín hiệu vào mà module AI có khả năng đọc Mỗi module AI có những yêu cầu riêng về tín hiệu đầu vào.
AI có khả năng đọc các tín hiệu khác nhau như dòng điện, điện áp và tổng trở Độ phân giải là một thông số quan trọng của các module AI, cho biết độ chính xác trong quá trình chuyển đổi ADC.
Khối ngõ ra (Module Output)
Có 2 loại ngõ ra là ngõ ra số DO (Digital Output) và ngõ ra tương tự AO (Analog Output)
Ngõ ra DO kết nối với các thiết bị chấp hành điều khiển theo nguyên tắc On/Off, bao gồm đèn báo, chuông, van điện và động cơ không điều khiển tốc độ.
Ngõ ra AO kết nối với các cơ cấu chấp hành cần tín hiệu điều khiển liên tục: biến tần, van tuyến tính
2.2.3 Đặc điểm và vai trò của PLC
Khả năng điều khiển chương trình linh hoạt Khi cần thay đổi yêu cầu, đối tượng điều khiển chỉ cần thay đổi chương trình thông qua việc lập trình
PLC hỗ trợ một số lượng lớn Timer, Counter và Relay trung gian, cùng với nhiều khối hàm chuyên dụng như phát xung tốc độ cao, bộ đếm tốc độ cao và bộ điều khiển PID.
Tiết kiệm thời gian nối dây, mạch điều khiển lúc này đã được thay thế hoàn toàn bằng chương trình PLC
Cấu trúc module của PLC mang lại tính linh hoạt và giảm thiểu cứng hóa phần cứng, cho phép người dùng lựa chọn các module phù hợp với nhu cầu điều khiển hiện tại, từ đó tiết kiệm chi phí Việc mở rộng quy mô điều khiển trở nên đơn giản và tiết kiệm, mà không cần phải trang bị CPU mới Tuy nhiên, khi thực hiện mở rộng, cần lưu ý đến khả năng kết nối tối đa của CPU để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Khả năng truyền thông và kết nối với máy tính hoặc các PLC khác là yếu tố quan trọng, đáp ứng nhu cầu điều khiển và giám sát từ xa, đồng thời hỗ trợ xây dựng hệ thống SCADA hiệu quả.
Hoạt động với độ tin cậy cao, chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp
Giá thành cao khiến phạm vi ứng dụng bị hạn chế, không đáp ứng được các yêu cầu điều khiển đơn giản Trong những trường hợp này, bộ điều khiển tiếp điểm sẽ là lựa chọn kinh tế hơn.
Yêu cầu người lắp đặt ban đầu, lập trình phải có hiểu biết chuyên môn về PLC
PLC có nhiều ưu điểm nổi bật, cho phép thay thế hệ thống điều khiển tiếp điểm truyền thống trong các nhà máy và dây chuyền công nghệ Sự chuyển đổi này không chỉ nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống mà còn giúp tiết kiệm nhân công và giảm thiểu sai sót trong quá trình vận hành.
GIỚI THIỆU VỀ PLC S7 - 1200
2.3.1 Khái niệm chung 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 sau:
S7-1200 là một dòng bộ điều khiển logic lập trình (PLC) lý tưởng cho nhiều ứng dụng tự động hóa nhờ thiết kế nhỏ gọn, chi phí hợp lý và khả năng lập trình mạnh mẽ, mang lại giải pháp tối ưu cho các nhu cầu sử dụng.
S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO)
S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO)
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
The S7-1200 features a PROFINET port that supports Ethernet and TCP/IP standards Additionally, it offers the option to expand communication capabilities with RS485 or RS232 modules.
Phần mềm Step7 Basic là công cụ lập trình cho S7-1200, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình: FBD, LAD và SCL Nó được tích hợp trong TIA Portal của Siemens, mang lại sự tiện lợi cho người dùng trong quá trình phát triển ứng dụng tự động hóa.
2.3.2 Các thành phần chính của PLC S7 – 1200
bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như điều khiển AC hoặc DC phạm vi rộng
mạch tương tự và số mở rộng điều khiển mô-đun trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản phẩm
13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau
2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP
Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp
Hình 2 11 Cấu tạo của bộ điều khiển CPU S7 - 1200
Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý, bộ nhớ chương trình khác nhau…
2.3.3 Các dòng chính của CPU S7 – 1200
S7 – 1200 có 5 dòng là CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C, CPU 1217C
Bảng 2 1 Đặc tính kỹ thuật của PLC S7 - 1200
Tùy vào ứng dụng điều khiển hệ thống để có thể chọn các module phù hợp…
PLC S7-1200 cho phép mở rộng các module tín hiệu và module gắn ngoài để nâng cao chức năng của CPU Bên cạnh đó, người dùng có thể cài đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông khác nhau.
Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số và quy định của nhà sản xuất
S7-1200 có các loại module mở rộng sau: Communication module (CP), Signal board (SB), Signal Module (SM) Đặc tính của module mở rộng như sau:
Bảng 2 2 Đặc tính module mở rộng của PLC S7 – 1200
2.3.5 Các tính năng nổi bật của PLC S7 – 1200
Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:
- Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC
- Kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở
- Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo
- Hỗ trợ 16 kết nối Ethernet
- TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol
Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:
- 6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz
- ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ lái servo (servo drive)
- Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển nhiệt độ…
- 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển (auto-tune functionality)
Board tín hiệu mở rộng giúp mở rộng tín hiệu vào/ra bằng cách gắn trực tiếp phía trước CPU, cho phép nâng cao khả năng kết nối mà không làm thay đổi kích thước của hệ điều khiển.
- Mỗi CPU có thể kết nối tối đa 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra
- Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU
- module truyền thông có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyền thông, vd module RS232 hay RS485
- Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương trình ứng dụng hay cập nhật firmware chuẩn đoán lỗi online/offline.
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN MỀM HỖ TRỢ
TIA Portal là phần mềm tích hợp toàn diện cho các hệ thống tự động hóa và truyền động điện, bao gồm tất cả các công cụ lập trình cần thiết Phần mềm này mang đến sự tiện lợi cho người dùng trong việc phát triển và quản lý các ứng dụng tự động hóa.
Việc phát triển và tích hợp hệ thống tự động hóa nhanh chóng giúp giảm đáng kể thời gian và công sức trong việc thiết lập các bộ điều khiển PLC, màn hình HMI và các bộ truyền động của Siemens trên TIA Portal Tính năng “kéo và thả” cho phép người dùng dễ dàng gán biến từ chương trình PLC vào chương trình HMI, tự động thiết lập kết nối giữa PLC và HMI mà không cần cấu hình thêm.
Phần mềm Simatic Step 7 V13, tích hợp trên TIA Portal, cho phép lập trình cho các dòng S7-1500, S7-1200, S7-300 và hệ thống tự động PC-based Simatic WinAC Phần mềm này được phân chia thành nhiều module khác nhau, phù hợp với nhu cầu của người dùng Đặc biệt, Simatic Step 7 V13 hỗ trợ tính năng chuyển đổi chương trình PLC và HMI hiện có sang định dạng mới trên TIA Portal.
Phần mềm Simatic WinCC V13, tích hợp trên TIA Portal, cho phép cấu hình các màn hình TP và MP hiện tại, màn hình Comfort mới, đồng thời hỗ trợ giám sát và điều khiển hệ thống SCADA trên máy tính.
Phần mềm WinCC của Siemens là công cụ chuyên dụng để phát triển giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) và hỗ trợ xử lý, lưu trữ dữ liệu trong hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) trong lĩnh vực tự động hóa.
WinCC, viết tắt của Windows Control Center, là một phần mềm cung cấp công cụ để thiết lập giao diện điều khiển trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT, Windows 2000, XP và Vista 32bit (không bao gồm SP1).
Phần mềm giao diện người máy với Simatic WinCC V13 bao gồm các phiên bản khác nhau:
WinCC Basic lập trình cho Basic Panels
WinCC Comfort lập trình cho tất cả các dòng Simatic Panels
WinCC Advanced kết hợp WinCC Runtime Advanced hỗ trợ giám sát các hệ thống chạy trên nền máy tính cấp thiết bị như các Panel PC
WinCC Professional là phần mềm bao gồm tất cả các tính năng trên và sử dụng để lập trình SCADA
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
YÊU CẦU THIẾT KẾ
Đề tài “ Điều khiển và giám sát dây chuyền chiết rót sử dụng PLC S7 – 1200” có các yêu cầu sau:
- Hệ thống có phần cứng chắc chắn, vận hành ổn định
- Năng suất tối thiểu 60 chai 1 giờ
- Kích thước băng tải, mâm xoay phải phù hợp với chai nước có kích thước 60*120mm
- Chiết rót nước có sai số thấp
- Cơ cấu mâm xoay phải vào đúng vị trí và quay đúng 90o
- Gạt và đóng nắp chai chính xác
- Nhãn dán chai chính xác
Với những yêu cầu trên, nhóm sẽ thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống và tính toán lựa chọn thuật toán phù hợp.
MÔ TẢ HỆ THỐNG
Kích thước hệ thống: dài x rộng x cao(cm)= 100x100x70(cm)
Khung phần cứng bao gồm hai băng tải được đặt vuông góc với nhau, kết hợp với cơ cấu mâm xoay có bốn góc đều nhau 90 độ, mỗi góc đảm nhiệm các nhiệm vụ riêng biệt Bảng điện điều khiển được thiết kế nghiêng 50 độ so với mặt phẳng ngang.
Hình 3 1 Bảng vẽ 3D hệ thống
THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ
Mô hình nghiên cứu được thiết kế với băng tải có kích thước nhỏ, cụ thể dài 50cm, rộng 6cm và cao 10cm, nhằm đảm bảo chai có thể di chuyển một cách hiệu quả trên một hàng thẳng.
- Động cơ băng tải được sử dụng là động cơ giảm tốc 24VDC, sức kéo tối đa 15kg, tốc độ quay 50 vòng/phút
- Số lượng băng tải: 2 băng tải
Khung phần cứng của nhóm được làm từ vật liệu sắt V 3x3(cm), mang lại độ bền và chắc chắn Với kích thước nhỏ gọn, khung dễ dàng tháo lắp và vận chuyển, đồng thời có giá thành hợp lý, đây là lựa chọn tối ưu cho mô hình của nhóm.
Mâm xoay thực hiện ba nhiệm vụ đồng thời: bơm nước, gạt nắp chai và đóng nắp chai Để đạt được điều này, nhóm thiết kế cần bố trí các cơ cấu chấp hành một cách hợp lý trên mâm.
- Đường kính mâm dưới 32cm
- Đường kính mâm trên 29 cm
- Mâm dưới Mica đen dày 5mm
- Mâm trên Mica đen dày 3mm
- Mâm trên được cắt 4 lỗ (d=5mm) cách nhau 90o Với việc cắt 4 lỗ như vậy thì việc thiết kế phần cơ khí theo góc 90o là hợp lý.
THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN
Phần điện điều khiển là yếu tố quyết định cho sự hoạt động của hệ thống cơ khí Dựa trên mô hình cơ khí đã thiết kế, cần xây dựng phương án tổng thể cho các phần trong khâu điều khiển Các khối cần xác định bao gồm: khối nguồn, khối xử lý trung tâm, khối băng tải, khối nút nhấn, khối cảm biến, khối chiết rót, khối cấp nắp, khối đóng nắp, khối dán nhãn, khối mâm xoay và khối phân loại.
3.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 3 6 Sơ đồ khối của hệ thống
Khối nguồn: Có chức năng cung cấp nguồn cho hệ thống
Khối nút nhấn: có chức năng điều khiển hệ thống
Khối cảm biến: Có chức năng xác định vị trí chai và kiểm tra phân loại
Khối băng tải: Có chức năng di chuyển chai đến vị trí xử lý khác
Khối chiết rót: Có chức năng cung cấp nước cho chai
Khối cấp nắp: Có chức năng cấp nắp cho chai nước
Khối đóng nắp: Có chức năng đóng nắp chai
Khối dán nhãn: Có chức năng dán nhãn cho chai
Khối mâm xoay: Có chức năng giữ và di chuyển chai một góc 90 0
Khối phân loại: Có chức năng phân loại chai đạt và không đạt
Khối xử lý trung tâm: Có chức năng nhận, xử lý thông tin và điều khiển các khối khác
3.3.2 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống
Nhóm đã chọn PLC S7-1215C DC/DC/DC của Siemens, với hệ thống gồm 11 ngõ vào DI và 10 ngõ ra DO S7-1215C có 14 DI và 10 DO, đáp ứng tốt yêu cầu của nhóm Thiết kế nhỏ gọn, phần mềm lập trình Tia Portal dễ sử dụng, khả năng mở rộng IO và giao diện thiết kế SCADA với thư viện phong phú khiến sản phẩm này trở thành lựa chọn tối ưu.
Hình 3 7 PLC S7 – 1200 DC/DC/DC
3.3.2.2 Khối nguồn Động cơ băng tải, động cơ nắp sử dụng nguồn 24VDC, dòng điện tiêu thụ lên đến 2A Động cơ dán nhãn sử dụng nguồn 24VDC, dòng tiêu thụ 0.5A
Cảm biến tiệm cận sử dụng điện áp từ 6VDC đến 36VDC, dòng tiêu thụ tối đa 300mA
Cảm biến sợi quang sử dụng điện áp từ 12VDC đến 24VDC, dòng tiêu thụ tối đa 35mA trở xuống
Cảm biến nhãn sử dụng điện áp từ 10VDC đến 30VDC, dòng tiêu thụ tối đa 200mA
PLC S7 – 1200 CPU 1215C DC/DC/DC sử dụng điện áp 24VDC, dòng tiêu thụ tối đa 1500mA
Chức năng CPU 1215C DC/DC/DC
Bộ nhớ bit (M) 8192 byte Độ mở rộng các module tín hiệu 8
Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái)
Các bộ đếm tốc độ cao:
PROFINET 2 cổng truyền thông Ethernet
Tốc độ thực thi tính toán thực 2.3 μs/lệnh
Tốc độ thực thi Boolean 0,08 μs/lệnh
Hệ thống điều khiển khí nén, relay trung gian sử dụng điện áp 24VDC
Sau khi phân tích các thông số kỹ thuật, điện áp và dòng điện tiêu thụ, nhóm đã quyết định chọn nguồn cung cấp cho toàn bộ hệ thống là nguồn tổ ong 24VDC – 5A.
Thông số kỹ thuật Điện áp đầu vào AC 220V ( Chân L và N ) Điện áp đầu ra DC 24V 5A
Công suất 120W Điện áp ra điều chỉnh +/-10%
Phạm vi điện áp đầu vào 85 ~ 132VAC / 180 ~ 264VAC
Kích thước 199 * 98 * 38mm Trọng lượng: 0.52Kgs
Hình 3 8 Nguồn tổ ong trong thực tế
Gồm nút điều khiển, một cặp tiếp điểm thường kín, một cặp tiếp điểm thương hở và loxo đẩy
Nút nhấn là thiết bị dùng để đóng cắt mạch điện trong mạch hạ áp, thường được sử dụng để điều khiển rơle, công tắc tơ và chuyển đổi mạch tín hiệu Một ứng dụng phổ biến của nút nhấn là trong mạch điều khiển động cơ, giúp khởi động hoặc thay đổi chiều quay Có hai loại nút nhấn: nút nhấn thường hở và nút nhấn thường kín.
Nút nhấn nhựa không đèn (Nhấn nhả)
Số tiếp điểm 1NO + 1 NC Điện áp hoạt động AC/DC 230, 380 Điện trở tiếp xúc ≤50mΩ
Hình dáng Tròn, vuông, hình chữ nhật
Hiển thị Đèn Led, sợi đốt
Màu Đỏ, vàng, xanh lá
Cấp bảo vệ IP40, IP66
3.3.2.5 Thiết bị đóng ngắt Relay
Module 1 Relay với opto cách ly nhỏ gọn, có opto và transistor cách ly giúp cho việc sử dụng trở nên an toàn với board mạch chính Mạch được sử dụng để đóng ngắt nguồn điện công suất cao AC hoặc DC, có thể chọn đóng khi kích mức cao hoặc mức thấp bằng Jumper
Tiếp điểm đóng ngắt bao gồm ba loại: NC (thường đóng), NO (thường mở) và COM (chân chung), hoàn toàn cách ly với board mạch chính Trong trạng thái bình thường, tiếp điểm NC nối với COM, và khi được kích hoạt, COM sẽ chuyển sang nối với NO, đồng thời mất kết nối với NC.
Hình 3 11 Relay trong thực tế
Thông số kỹ thuật Điện áp cuộn Coil 24 VDC
Số cặp tiếp điểm 4 cặp Đèn báo Có
Dây chuyền sản xuất chai Evian 330ml có công suất 4L/phút, với động cơ bơm 12VDC phù hợp Thời gian bơm cho mỗi chai 330ml chỉ mất khoảng 4.95 giây.
Hình 3 12 Động cơ bơm nước 12VDC
Thông số kỹ thuật Điện áp 12 V
Công xuất 30 W Áp lực 0.6 Mpa
Tự hút cao 1.5 mét Đẩy cao 20 mét
Công tắt áp lực tự động Có
3.3.2.7 Khối đóng nắp a Động cơ vặn nắp chai
Nhóm đã thử nghiệm và nhận thấy rằng việc sử dụng động cơ 24VDC giúp rút ngắn thời gian vặn chặt nắp chai chỉ còn một nửa so với thời gian bơm nước vào chai mới Với ưu điểm nhanh chóng và chi phí thấp, động cơ này đã được nhóm lựa chọn cho cơ cấu vặn nắp.
Hình 3 13 Động cơ vặn nắp chai
Thông số kỹ thuật Điện áp 24VDC
Mô men xoắn đầu ra 9-130kg
Tốc độ 295RPM b Xi-lanh TN20x150
Để đảm bảo quá trình đóng nắp chai diễn ra chính xác, cần tránh tình trạng nắp bị trật rãnh Hành trình của xi-lanh cần ngắn để tăng tốc độ và tính linh hoạt trong quá trình đóng nắp Do đó, lựa chọn xi-lanh với chiều dài hành trình 7cm là hợp lý.
Hình thức hoạt động Tác động kép
Lưu chất hoạt động Khí nén Áp suất vận hành 0.1~0.9Mpa(1~9kgf/cm2) Áp suất thử nghiệm 1.35Mpa(1.35kgf/cm2)
Vật liệu thân Nhôm nguyên khối
Cỡ nòng 6mm c Van khí nén SY3120-5LZ-M5
Hình 3 15 Van khí nén SY3120-5LZ-M5
Lưu chất điều khiển không khí Điện áp điều khiển 24VDC
Thời gian đáp ứng