TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
Đặt vấn đề
Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động, đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp tự động hóa và quản lý Việc ứng dụng tự động hóa trong sản xuất tại các nhà máy lớn đã trở nên phổ biến, giúp tăng năng suất Tuy nhiên, nhiều doanh nghiệp vừa và nhỏ vẫn chủ yếu dựa vào lao động thủ công trong các khâu phân loại và đóng gói, dẫn đến năng suất thấp Để giải quyết vấn đề này, tôi đã nghiên cứu và thiết kế một mô hình sử dụng băng tải để phân loại sản phẩm, đáp ứng nhu cầu về kích thước chính xác trong sản xuất.
Hình 1.1 Dây chuyền phân loại sản phẩm trong thực tế
Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước
Hình 1.2 Cấu tạo chung của hệ thống phân lạo sản phẩm theo kích thước
1.2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống
Khi động cơ quay làm băng tải 1 chuyển động, sản phẩm sẽ đi qua hai cảm biến sensor 1 và sensor 2 để xác định kích thước Nếu sensor 2 phát sáng, sản phẩm lớn sẽ được gạt qua máng 1; nếu sensor 1 phát sáng, sản phẩm trung bình sẽ được gạt qua máng 2 Nếu cả hai sensor không sáng, sản phẩm sẽ tiếp tục đi thẳng.
Các thiết bị sử dụng trong hệ thống
Băng tải là hệ thống vận chuyển hàng hóa và nguyên vật liệu trong sản xuất, giúp di chuyển từ điểm này sang điểm khác mà không cần sức lao động Hiện nay, băng tải ngày càng trở nên phổ biến trong các dây chuyền sản xuất.
Hình 1.3 Một số hình ảnh về băng tải
Cấu tạo băng tải gồm các cơ cấu nhƣ sau :
Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo băng tải
(1) N : Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật
(2) : Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo
(3) : Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo
(4) : Hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ….) làm phần trƣợt cho bộ phận kéo và các yếu tố làm việc
Băng tải hoạt động dựa trên nguyên lý khi rulô chủ động quay, tạo ra lực ma sát với dây băng tải, giúp băng tải chuyển động Để duy trì lực ma sát, rulô bị động được điều chỉnh nhằm làm căng dây băng tải, ngăn ngừa tình trạng võng Khi vật liệu rơi lên bề mặt băng tải, chúng được di chuyển nhờ vào chuyển động này Các con lăn dưới bề mặt băng tải giúp giảm lực ma sát và hỗ trợ độ bền Băng tải cao su được chế tạo từ cao su chất lượng cao, bên trong là Polyester và Poliamit, đảm bảo độ bền, khả năng chịu nước và thời tiết ẩm Đặc biệt, dây băng tải cần có độ bền cao, khả năng chịu mài mòn và ma sát tốt, cùng với hệ số giãn thấp để vận chuyển hiệu quả ở khoảng cách xa với tốc độ cao.
Ƣu điểm của băng tải Ƣu điểm của hệ dẫn động băng tải là:
- Băng tải cấu tạo đơn giản, bền,
- Có khả năng vận chuyển vật liệu theo hướng nằm ngang, nằm nghiêng (hay kết hợp cả hai) với khoảng cách lớn,
- Làm việc êm, năng suất tiêu hao không lớn
Chi phí đầu tư cho việc chế tạo thiết bị và băng tải không cao, nhờ vào kết cấu đơn giản và việc không sử dụng nhiều vật liệu đặc biệt đắt tiền.
- Có khoảng cách vận chuyển lớn và chủng loại vận chuyển phong phú
Các loại băng tải trong dây chuyền sản xuất và ứng dụng
Băng tải cao su: Chịu nhiệt, sức tải lớn
Băng tải thường được sử dụng để vận chuyển các vật liệu như hạt, viên có góc cạnh, có độ ma sát cao và tiếp xúc với hóa chất, bao gồm các sản phẩm nặng và ẩm ướt như xi măng, than, quặng, kim loại, và kính vụn Với kết cấu linh hoạt, băng tải phù hợp với mọi địa hình, giúp tối ưu hóa quy trình vận chuyển.
Băng tải xích : Khá tốt trong ứng dụng tải dạng chai, sản phẩm cần độ vững chắc
Băng tải xích thường được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, nổi bật với khả năng chống mài mòn và chống gỉ tốt, cho phép tải trọng nặng hơn so với băng tải xích nhựa Thiết kế kết cấu chung với các tấm thép bắt ngang giúp băng tải xích trở thành lựa chọn lý tưởng trong ngành sản xuất gỗ, đất (như trong sản xuất gạch), xi măng và đá.
Băng tải con lăn bao gồm nhiều loại khác nhau như băng tải con lăn nhựa, băng tải con lăn nhựa PVC, băng tải con lăn thép mạ kẽm và băng tải con lăn truyền động bằng motor Mỗi loại băng tải này có đặc điểm và ứng dụng riêng, phục vụ cho các nhu cầu vận chuyển hàng hóa trong ngành công nghiệp.
Băng tải đứng: vận chuyển hàng hóa theo phương hướng lên thẳng đứng
Băng tải PVC: Tải nhẹ và thông dụng với kinh tế
Được ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất chai, nước ngọt, bình bằng nhựa hay trong ngành thực phẩm, bảo quản thịt, rau và hoa quả tươi…
Băng tải góc cong: chuyển hướng sản phẩm 30 đến 180 độ
Cảm biến là thiết bị chuyên dụng để nhận biết và chuyển đổi các đại lượng vật lý cũng như những đại lượng không có tính chất điện thành các đại lượng điện, giúp cho việc đo lường và xử lý thông tin trở nên dễ dàng hơn.
Theo nguyên lý của cảm biến:
• Cảm biến điện tử và ion
Theo tính chất nguồn điện:
• Cảm biến biến đổi trực tiếp
Cảm biến dùng trong hệ thống Ở đây ta sẻ dụng cảm biến quang điện
Cảm biến quang hiện đại thường sử dụng đèn LED phát sáng theo xung Nhờ vào nhịp điệu xung đặc biệt, cảm biến có khả năng phân biệt ánh sáng phát ra từ chính nó với ánh sáng từ các nguồn khác, như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng.
Các loại LED phổ biến bao gồm LED đỏ, LED hồng ngoại và LED laze, trong khi một số cảm biến đặc biệt sử dụng LED trắng hoặc xanh lá Bên cạnh đó, LED vàng cũng là một lựa chọn khác.
Bộ thu sáng thường là một phototransistor, có khả năng cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ Hiện nay, nhiều cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC, giúp tích hợp tất cả các bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC).
Bộ phận thu có khả năng nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát, như trong trường hợp thu-phát, hoặc tiếp nhận ánh sáng phản xạ từ vật thể được phát hiện, trong trường hợp phản xạ khuếch tán.
Mạch đầu ra chuyển đổi tín hiệu tương tự từ tranzito quang hoặc ASIC thành tín hiệu On/Off được khuếch đại Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá ngưỡng đã xác định, tín hiệu ra của cảm biến sẽ được kích hoạt.
Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo Cảm biến quang điện
- Cảm biến quang Thu Phát Độc Lập (Through Beam): Đặc điểm:
• Khoảng cách phát hiện xa: tối đa 60m (E3Z)
• Không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật
- Cảm biến quang Thu Phát Chung: Đặc điểm:
• Giảm bớt dây dẫn, phát hiện tối đa 15m
• Có thể phân biệt đƣợc vật trong suốt, mờ, bóng loáng
Một số cảm biến quang thông dụng Ở đây ta chỉ xét một số loại cảm biến quang của OMRON
• Dòng E3Z của OMRON Hình 1.6 Dòng E3Z
E3Z là dòng cảm biến nhỏ gọn và phổ biến toàn cầu, với doanh số bán ra khoảng 1 triệu bộ mỗi năm Dòng sản phẩm này bao gồm nhiều model khác nhau, cùng với các chế độ hoạt động đa dạng và nhiều nhánh sản phẩm con cũng như model đặc biệt.
E3Z có độ tin cậy rất cao:
• Khả năng chống nhiễu do ánh sáng môi trường rất cao
• Khả năng chống nhiễu điện từ trường cao
• Độ kín nước cao IP67+IP69K (có thể xịt nước rửa trực tiếp) nhờ cấu trúc khuôn đặc biệt
• Trục quang học có độ lệch nhỏ (= > dễ lắp đặt, chỉnh định)
Cảm biến quang mini E3T là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng có không gian lắp đặt hạn chế, nhờ vào công nghệ quang đặc biệt giúp giảm thiểu độ lệch trục quang học.
Có 2 loại chính phân biệt theo hình dạng: dẹt và vuông
• E3T-FL[…]: model BGS dẹt, chỉ dày 3,5mm với tỉ lệ lỗi trắng / đen nhỏ
• E3T-SR4[…]: phản xạ gương đồng trục, khả năng định vị chính xác và không bị vùng chết khi phát hiện băng keo phản xạ
Dòng E3X của OMRON là cảm biến sợi quang nổi bật, cho phép kết nối nhiều đầu sợi quang với hình dạng và độ dài đa dạng Điều này mang lại khả năng lắp đặt linh hoạt ở những không gian hẹp, một ưu điểm vượt trội so với các loại cảm biến khác.
- Dòng này có các loại model:
• Thu phát, phản xạ gương, phản xạ khuếch tán
• Bộ điều khiển (khuếch đại) với 1 hoặc 2 sợi quang
• Lắp đặt thanh DIN rail
- Tín năng đặc biệt tùy model:
• Chức năng thời gian bật trễ, tắt trễ và 1 xung ra
• Tốc độ đáp ứng cao
• Khả năng phát hiện màu
• Hiện thị tín hiệu dạng đồ thị thanh
1.3.3 Động cơ kéo băng tải
THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN PLC S7-300 VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG WINCC
Hệ thống điều khiển PLC S7-300
2.1.1 Hệ thống điều khiển PLC
Tất cả chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình như OB, FC hoặc FB và được thực hiện theo chu kỳ của vòng quét.
PLC hoạt động như một máy tính để thực hiện chương trình điều khiển, bao gồm các thành phần chính như bộ vi xử lý (CPU), hệ điều hành, bộ nhớ để lưu trữ chương trình và dữ liệu, cùng với các cổng vào/ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và môi trường xung quanh.
Để phục vụ cho các bài toán điều khiển, PLC cần tích hợp các khối chức năng đặc biệt như bộ đếm (counter), bộ hẹn giờ (timer) và các khối hàm chuyên dụng khác.
Trong hệ thống điều khiển PLC, các phần tử nhập tín hiệu như chuyển mạch, cảm biến và nút nhấn được kết nối với các đầu vào của thiết bị PLC Đồng thời, các phần tử chấp hành như đèn báo, rơ le và công tắc tơ được nối với các đầu ra của PLC thông qua các đầu nối.
Có hai kiểu cơ cấu thông dụng với các hệ thống PLC là kiểu hộp đơn và kiểu modul nối ghép
CPU xử lý trung tâm Bộ nhớ
Cảm biến, cơ cấu chấp hành
Kiểu hộp đơn: thường được sử dụng cho các thiết bị điều khiển lập trình cỡ nhỏ và được cung cấp dưới dạng nguyên chiếc hoàn chỉnh
Kiểu modul ghép nối bao gồm nhiều modul độc lập cho bộ nguồn, CPU, và cổng vào/ra, được lắp đặt trên thanh ray Thiết kế này cho phép sử dụng cho các thiết bị lập trình với mọi kích cỡ.
Về các hãng sản xuất và các dòng sản phẩm:
Cũng giống nhƣ các thiết bị điện tử khác PLC đƣợc sản xuất bởi nhiều hãng, tập đoàn công nghiệp điện tử lớn nhƣ: Mitsubishi, Omron, Siemens,…
Do đó mà các sản phẩm PLC có hình dạng, phần mềm, cáp kết nối cũng khác nhau Ví dụ hình dạng về PLC của hãng Siemens:
Hình 2.2 PLC của hãng Siemens
Khi lựa chọn PLC, người sử dụng cần xem xét khả năng, giá trị và nhu cầu của hệ thống Nhu cầu này đóng vai trò quan trọng, giúp xác định loại PLC phù hợp và hiểu rõ đặc trưng của từng loại, từ đó dễ dàng đưa ra quyết định lựa chọn.
Các nhà thiết kế phân PLC ra thành các loại sau:
Loại 1: Micro PLC (PLC siêu nhỏ)
Loại 2: PLC cỡ nhỏ (Small PLC) Loại 3: PLC cỡ trung bình (Medium PLC) Loại 4: PLC cỡ lớn (large PLC)
Loại 5: PLC rất lớn (very large PLC)
2.1.2 Vai trò của cấu tạo PLC
PLC là trái tim của hệ thống điều khiển tự động, với chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ của nó Máy tính liên tục kiểm tra trạng thái hệ thống thông qua tín hiệu hồi tiếp từ thiết bị đầu vào, từ đó phát tín hiệu điều khiển tương ứng đến các thiết bị sản xuất.
PLC có khả năng đáp ứng các yêu cầu điều khiển đơn giản và lặp đi lặp lại theo chu kỳ Ngoài ra, PLC có thể kết nối với các máy tính chủ khác hoặc hệ thống truyền thông để thực hiện các quá trình xử lý phức tạp.
Tín hiệu vào được nhận từ cảm biến hoặc thiết bị nhập liệu, trong khi đối tượng điều khiển bao gồm rơ le, động cơ, van, và đèn báo, tất cả được kết nối với các ngõ ra của mô-đun ra Các mô-đun này có thể là loại đầu ra số (DO) hoặc đầu ra tương tự (AO).
Thiết bị điều khiển lập trình PLC là một hệ thống điều khiển tự động hiện đại, bao gồm khối xử lý trung tâm (CPU) chứa chương trình điều khiển và các Modul giao tiếp vào/ra Các Modul này có nhiệm vụ liên kết trực tiếp đến các thiết bị vào/ra, cho phép PLC thực hiện các chức năng điều khiển và giám sát một cách chính xác và hiệu quả.
Khối xử lý trung tâm (CPU) là vi xử lý chính điều khiển mọi hoạt động của PLC, bao gồm việc thực hiện chương trình, xử lý tín hiệu vào/ra và giao tiếp với các thiết bị bên ngoài.
Bộ nhớ hệ thống bao gồm nhiều loại khác nhau để lưu trữ chương trình điều khiển hoạt động của hệ thống, bao gồm sơ đồ LAD, giá trị Timer và Counter Người dùng có thể lựa chọn các bộ nhớ phù hợp với yêu cầu của mình trong vùng nhớ ứng dụng.
Bộ nhớ ROM là loại bộ nhớ không thay đổi, chỉ có thể nạp một lần, do đó ít được sử dụng phổ biến so với các loại bộ nhớ khác.
Bộ nhớ RAM là loại bộ nhớ linh hoạt, dùng để lưu trữ các chương trình ứng dụng và dữ liệu Tuy nhiên, dữ liệu trong RAM sẽ bị mất khi nguồn điện bị ngắt Để khắc phục tình trạng này, có thể sử dụng pin dự phòng.
Bộ nhớ EPROM, tương tự như ROM, không cần pin để hoạt động Tuy nhiên, nội dung trong EPROM có thể được xóa thông qua việc chiếu tia cực tím vào một cửa sổ nhỏ trên thiết bị, sau đó có thể nạp lại dữ liệu bằng máy nạp.
Phần mềm mô phỏng winCC
WinCC là phần mềm IHMI (Giao diện Người-Máy Tích Hợp) đầu tiên cho phép kết hợp điều khiển với tự động hóa Với các thành phần dễ sử dụng, WinCC hỗ trợ tích hợp ứng dụng mới hoặc hiện có một cách thuận tiện Đặc biệt, người dùng có thể tạo giao diện điều khiển để theo dõi mọi hoạt động của quá trình tự động hóa một cách dễ dàng.
Phần mềm này hỗ trợ giao tiếp trực tiếp với nhiều loại PLC từ các hãng khác nhau như SIEMENS và MITSUBISHI, đặc biệt nổi bật trong việc tương tác với PLC của SIEMENS Nó được cài đặt trực tiếp trên máy tính và kết nối với PLC qua cổng COM1 hoặc COM2 Để thực hiện điều này, cần có một bộ chuyển đổi từ chuẩn RS-232 của máy tính sang chuẩn RS-485 của PLC.
WinCC là một hệ thống mở, cho phép người dùng dễ dàng tạo giao diện người-máy đáp ứng chính xác nhu cầu thực tế Các nhà cung cấp hệ thống có thể phát triển ứng dụng của họ thông qua giao diện mở của WinCC, biến nó thành nền tảng để mở rộng hệ thống Hệ thống này cũng có khả năng thích ứng trong việc xây dựng các hệ thống cấp cao như MES và ERP.
2.2.2 Truyền thông trong môi trường WinCC
Trình quản lý dữ liệu (Data manager)
WinCC sử dụng cơ sở dữ liệu Sybase SQL Anywhere để lưu trữ và quản lý tất cả dữ liệu cấu hình, bao gồm danh sách Tag, thông điệp văn bản, giá trị đo được và các mẫu tin dữ liệu người dùng.
Cơ sở dữ liệu hoạt động như một trình quản lý dữ liệu WinCC Data Manager, giúp quản lý thông tin mà người dùng không thể trực tiếp quan sát.
Trình quản lý dữ liệu trong WinCC Project đảm nhiệm việc quản lý dữ liệu được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu Project, bao gồm các WinCC tag trong quá trình chạy chương trình Tất cả dữ liệu của WinCC cần được yêu cầu từ trình quản lý dữ liệu dưới dạng WinCC Tag Các ứng dụng liên quan bao gồm Graphics Runtime, Alarm Logging Runtime và Tag Logging Runtime.
WinCC sử dụng các trình điều khiển truyền thông để kết nối với tất cả các PLC, giúp nối liền trình quản lý dữ liệu với PLC Các trình điều khiển này bao gồm một C++ DLL, cho phép giao tiếp qua kênh APL Chúng cung cấp các giá trị quá trình cho các WinCC Tag và có định dạng tệp mở rộng là “.chm”.
Ngõ vào Communication Driver trong Tag Management bao gồm ít nhất một sub-entry, hay còn gọi là đơn vị kênh Mỗi đơn vị kênh này tạo ra giao tiếp với một bộ lái Hardware cụ thể Do đó, để thiết lập Modul truyền thông của PLC, việc định nghĩa đơn vị kênh là điều cần thiết.
Để thiết lập kết nối với PLC, người dùng cần tạo một kết nối mới bằng cách nhấp chuột phải vào đơn vị kênh và chọn "New Driver Connection" từ menu Kết nối này cho phép đọc và ghi giá trị quá trình của PLC.
Hình 2.21 Tạo kết nối với PLC
Các tham số kết nối được thiết lập tùy thuộc vào trình điều khiển truyền thông đã chọn Mỗi kết nối cần được gán một tên duy nhất trong dự án Để cài đặt kết nối, hãy nhấp chuột phải vào Tag Management và chọn "Add New Driver".
Trong Add New Driver trọn một trong các Driver đƣợc hiển thị ra
Hình 2.22 Chọn Driver kết nối với PLC
Thiết lập các cấu hình truyền thông
Các dịch vụ truyền thông của WinCC gồm có truyền thông sau:
Các hàm truyền thông cơ bản
Kiểu dữ liệu của WinCC
- Binary Tag: Kiểu nhị phân
- Unsigned 8 bit value: Kiểu nguyên 8 bit không dấu
- Unsigned 16 bit value: Kiểu nguyên 16 bit không dấu
- Signed 16 bit value: Kiểu nguyên 16 bit có dấu
- Unsigned 32 bit value: Kiểu nguyên 32 bit không có dấu
- Signed 32 bit value: Kiểu nguyên 32 bit có dấu
- Floating point Number 32 bit IEEE 754: Kiểu số thực 32 bit theo tiêu chuẩn IEEE 754
- Floating point Number 64 bit IEEE 754: Kiểu số thực 64 bit theo tiêu chuẩn IEEE 754
- Text tag 8 bit character set: Kiểu kí tự 8 bit
- Text tag 16 bit character set: Kiểu kí tự 16 bit
- Raw data type: Kiểu dữ liệu thô
Gửi dữ liệu từ WinCC xuống các ô nhớ PLC:
- Cấu trúc: (giá trị trả về) SetTagX (“tên biến ngoại”, giá trị)
Giá trị trả về: BOOL
Nếu quá trình gửi thành công thì giá trị trả về là TRUE, còn ngƣợc lại thì giá trị trả về là FALSE, X có thể là Bit, Byte, Word
Lấy dữ liệu từ ô nhớ PLC lên biến ngoại nào đó trên WinCC:
Cấu trúc: (Giá trị trả về) GetTagX (“tên biến ngoại”)
X có thể là Bit, Byte, Word
Tên biến ngoại là biến được gán tương ứng với các ô nhớ nhất định của PLC đƣợc thiết lập ở Tag Managerment
Người dùng có thể lựa chọn các gói khác nhau trong WinCC tùy theo chức năng sử dụng, với các gói cơ bản được phân loại thành hai loại chính.
Gói WinCC Runtime (RT) cung cấp các chức năng cần thiết để vận hành các ứng dụng WinCC, bao gồm hiển thị thông tin, điều khiển, thông báo trạng thái và giá trị điều khiển, cũng như thực hiện các báo cáo.
WinCC Complete Package (RC): bao gồm bản quyền để xây dựng cấu hình hệ thống và bản quyền chạy ứng dụng
WinCC không chỉ cung cấp các gói phần mềm cơ bản mà còn có các Modul nâng cao cho những ứng dụng phức tạp hơn (WinCC Options) và các Modul mở rộng đặc biệt (WinCC Add-on).
Alarm Logging đảm nhận việc nhận và lưu trữ các thông báo quan trọng từ quá trình sản xuất Nó bao gồm các chức năng cần thiết để chuẩn bị, hiển thị, hồi đáp và quản lý thông tin này một cách hiệu quả.
Alarm Logging giúp xác định nguyên nhân lỗi và khoanh vùng sự cố, đồng thời cung cấp thông báo tình trạng hệ thống thông qua các ghi chép sự kiện Người vận hành có thể dựa vào những thông tin này để đảm bảo vận hành hệ thống một cách tin cậy Chức năng này được thực hiện thông qua ứng dụng Alarm Logging của WinCC.
- Hiển thị các thông tin về trạng thái hiện hành của hệ thống
