Đò án thiết kế dây chuyền sản xuất gạch men

Quy trình sản xuất gạch men trải qua nhiều công đoạn, từ nguyên liệu thô ban đầu cho ra gạch men thành phẩm. Các công đoạn bao gồm: -Chuẩn bị nguyên liệu và dữ trữ. -Chế tạo bột ép. -Ép gạch. -Sấy gạch. -Tráng men và in hoạ tiết. -Nung gạch. -Phân loại và đóng gói sản phẩm.

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GẠCH MEN

Giải thích sơ đồ công nghệ

Quy trình sản xuất gạch men trải qua nhiều công đoạn, từ nguyên liệu thô ban đầu cho ra gạch men thành phẩm Các công đoạn bao gồm:

- Chuẩn bị nguyên liệu và dữ trữ

- Tráng men và in hoạ tiết

- Phân loại và đóng gói sản phẩm

Hình 1.1: Dây chuyền sản xuất gạch men

Hình 1.2: Sơ đồ quy trình sản xuất gạch men

1.2.1 Công đoạn chuẩn bị nguyên liệu

Để sản xuất gạch men, các nguyên liệu cơ bản bao gồm đất sét, bùn, đá vôi và thạnh cao được trộn theo tỉ lệ xác định nhằm đảm bảo độ ẩm phù hợp Sau đó, hỗn hợp này sẽ được nghiền cùng với nước và chất điện giải trong máy trộn và máy nghiền bi Kết quả là hồ phối liệu có độ ẩm khoảng 43% được đưa vào bể chứa không có máy khuấy Từ bể này, hồ sẽ qua sàn rung, lọc sắt từ và chuyển vào bể khuấy trung gian trước khi được bơm vào tháp sấy phun bằng bơm piston cao áp.

Hình 1.3: Nguyên liệu để sản xuất gạch men

Hồ sau khi được sấy phun tạo thành bột (có độ ẩm khoảng 6%) được băng tải, gầu nâng đưa vào ủ, dự trữ trong các silo chứa

Bột ép được vận chuyển từ silo qua băng tải và gầu nâng vào phễu của máy ép, cung cấp nguyên liệu cho hệ thống ép Máy ép thủy lực tự động ép gạch mộc theo chương trình đã cài đặt sẵn Sau khi ép, gạch được đẩy ra khỏi khuôn, làm sạch bụi và di chuyển trên băng chuyền vào lò sấy.

Hình 1.5: Máy ép gạch SACMI

Gạch mộc có độ ẩm khoảng 6% được đưa vào lò sấy (nung lần 1) với thời gian

50 phút, nhiệt độ khoảng 300 0 C Gạch sau khi nung được kiểm tra loại bỏ phế phẩm và đưa vào dây chuyền tráng men – in hoạ tiết

1.2.5 Tráng men và in hoạ tiết

Men là hỗn hợp của các khoáng chất khác nhau và các hợp chất đất trong nước, được tráng lên bề mặt gạch và gắn chặt vào đó

Men được gia công dữ trữ trong thùng khuấy cấp cho dây chuyền tráng men

Sau khi gạch được lấy ra từ lò sấy, chúng sẽ được chuyển qua dây chuyền tráng men để thực hiện quy trình làm sạch và phủ men Tiếp theo, gạch đã được phủ men sẽ được đưa vào máy in kỹ thuật số để in họa tiết lên bề mặt, tạo nên sản phẩm hoàn thiện và bắt mắt.

Hình 1.7: Máy in kĩ thuật số in hoạ tiết cho gạch men

Gạch sau khi được tráng men và in hoạ tiết sẽ được đưa vào lò nung men qua băng chuyền Tại đây, nhiệt độ tối đa đạt 1120 độ C và thời gian nung kéo dài khoảng 40 phút.

1.2.7 Phân loại và đóng gói sản phẩm

Sau khi được nung, gạch sẽ trải qua quy trình mài các cạnh và kiểm tra chất lượng về kích thước, độ phẳng và bề mặt Những viên gạch đạt tiêu chuẩn sẽ được phân loại và đóng hộp, có thể thực hiện thủ công hoặc tự động Cuối cùng, hộp gạch thành phẩm sẽ được xếp lên kệ và vận chuyển vào kho bằng xe nâng.

Sau khi khảo sát quy trình sản xuất gạch men tại nhà máy COSEVCO, chúng tôi nhận thấy rằng công đoạn đưa gạch vào lò nung là rất quan trọng Việc điều phối tốc độ đưa gạch vào lò nung không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn giảm thiểu tình trạng dừng hoạt động do dây chuyền bị quá tải.

Nguyên lý làm việc của hệ thống đưa gạch vào lò nung

1.3.1 Sơ đồ công nghệ của hệ thống

Hình 1.8: Hệ thống đưa gạch vào lò nung

1.3.2 Giải thích nguyên lý làm việc của hệ thống

Hệ thống đưa gạch vào lò nung bao gồm những giai đoạn sau:

Sau khi gạch được tráng men và in họa tiết, chúng sẽ được phân thành các nhóm, mỗi nhóm gồm 7 viên gạch Đây là bước đầu vào của quy trình sản xuất Đầu tiên, động cơ 10 sẽ quay, làm cho băng tải 7 di chuyển, giúp gạch được chuyển đến băng tải 6.

Trong giai đoạn 2, động cơ 8 điều khiển băng tải 6 hoạt động, vận chuyển gạch đến vị trí cuối cùng của băng tải Khi gạch đạt đến vị trí này, cảm biến 7 kích hoạt lên mức 1, đồng thời động cơ 11 đảm nhận nhiệm vụ nâng hạ dây cu-roa của băng tải.

6) sẽ hoạt động làm cho dây cu-roa giãn ra, băng tải 6 ngừng hoạt động, gạch được chuyển xuống băng tải 5 Gạch tiếp tục được đưa đến vị trí cuối của băng tải 5 nhờ động cơ 5

Khi cảm biến 4 ở mức 0, gạch sẽ được chuyển đến băng tải 4 và động cơ 4 sẽ hoạt động để đưa gạch đến trước máy bù Nếu cảm biến 3 phát hiện gạch ở vị trí cuối máy bù ở mức 0, động cơ 3 sẽ hoạt động để chuyển gạch vào máy bù Khi cảm biến 3 xác nhận gạch trong máy bù ở mức 1, động cơ 9 sẽ hoạt động để kéo thanh chắn lên, xếp gạch theo hàng Sau thời gian T1, động cơ 9 sẽ đảo chiều và hạ cần gạt xuống.

Khi cảm biến 2 đạt mức 0, động cơ 2 sẽ đẩy gạch đến cuối băng tải 2 Khi cảm biến 2 ở mức 1, động cơ 6 sẽ hoạt động để kéo thanh chắn lên, sắp xếp gạch theo hàng Sau khoảng thời gian T2, động cơ 6 sẽ đảo chiều và hạ thanh chắn xuống.

Cảm biến 1 ở mức 1, cảm biến 2 ở mức 1 thì động cơ 2 ngừng hoạt động, chờ cho gạch vào vị trí hết lò nung được thiết lập sẵn

Cảm biến 1 ở mức 0, gạch đã được đưa hết vào lò Lúc này động cơ 1 hoạt động đưa hàng gạch tiếp theo vào lò nung

❖ Hoạt động của máy bù: máy bù có hai trạng thái làm việc: bù dư và bù thiếu

Cảm biến ở băng tải 7 phát hiện gạch ở mức 1, trong khi các cảm biến ở băng tải 5, 4, 3 và 2 cũng ở mức 1 Nếu không xử lý kịp thời, tình trạng dồn gạch sẽ xảy ra, ảnh hưởng đến quy trình và máy móc Để khắc phục, máy bù sẽ nâng một hàng gạch lên, giúp cân bằng hệ thống.

3 ở mức 0, động cơ 3 tiếp tục hoạt động chuyển gạch vào máy bù Động cơ 4 cũng hoạt động để đưa gạch vào vị trí máy bù

Cảm biến ở băng tải 3 và băng tải 4 đang ở mức 0, không có gạch Để tối ưu hóa năng suất, máy bù sẽ hạ xuống và đưa một hàng gạch trở lại quy trình, làm cho cảm biến 3 chuyển lên mức 1 và tiếp tục quy trình sản xuất.

TÍNH CHỌN CẢM BIẾN VÀ ĐỘNG CƠ

Cảm biến

Cảm biến là thành phần thiết yếu trong hệ thống, giúp nhận diện và phản ứng với các thông số thay đổi theo thời gian thực Nhờ vào cảm biến, người dùng có thể dễ dàng điều khiển và giám sát hệ thống mà không cần có mặt liên tục để theo dõi các biến động.

Cảm biến quang (photoelectric sensor) là một thiết bị quan trọng trong công nghiệp và tự động hóa, bao gồm các linh kiện quang điện Khi tiếp xúc với ánh sáng, cảm biến quang sẽ thay đổi trạng thái, sử dụng ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để phát hiện sự hiện diện của vật thể Sự thay đổi ở bộ phận thu sẽ kích hoạt mạch điều khiển, tạo ra tín hiệu ở ngõ OUT.

Hình 2.1: Cấu tạo của cảm biến quang

Cấu tạo của cảm biến quang cơ bản gồm có 3 phần chính :

Bộ phận phát sáng của cảm biến thường sử dụng đèn bán dẫn LED với ánh sáng phát ra theo xung, giúp phân biệt giữa ánh sáng từ cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác như ánh nắng mặt trời Các loại LED phổ biến bao gồm LED đỏ, LED hồng ngoại và LED lazer, trong khi một số dòng cảm biến đặc biệt còn sử dụng LED trắng hoặc xanh lá.

Bộ phận thu sáng, thường là phototransistor, có chức 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, tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch Bộ phận thu có khả năng nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát trong trường hợp thu-phát, hoặc ánh sáng phản xạ từ vật bị phát hiện trong trường hợp phản xạ khuếch tán.

Mạch xử lý tín hiệu đầu ra chuyển đổi tín hiệu tương tự từ transistor quang thành tín hiệu ON/OFF được khuếch đại Khi ánh sáng thu được vượt ngưỡng xác định, cảm biến sẽ kích hoạt tín hiệu ra Ngoài ra, một số cảm biến quang còn cung cấp tín hiệu tỉ lệ ra, phục vụ cho các ứng dụng đo đếm.

(b) Cảm biến quang khuếch tán:

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán, với bộ thu và bộ phát chung, thường được sử dụng để phát hiện các vật thể trong hệ thống máy móc tự động Chúng giúp kiểm tra vị trí của thiết bị và sản phẩm, đảm bảo rằng mọi thứ đều đúng chỗ Tuy nhiên, hiệu suất của cảm biến này có thể bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc và có khoảng cách tối đa hoạt động lên đến 2m.

Cảm biến phát hiện vật cản hoạt động bằng cách phát ánh sáng liên tục từ bộ phát đến bề mặt vật cản Ánh sáng này sau đó được phản xạ trở lại vị trí thu sáng, cho phép xác định sự hiện diện của vật cản một cách chính xác.

Trạng thái không vật cản xảy ra khi không có vật cản nào gây ảnh hưởng đến ánh sáng, dẫn đến việc ánh sáng không bị phản xạ về vị trí thu được Đồng thời, bề mặt của vật cũng không phản xạ ánh sáng về vị trí thu, tạo ra một môi trường trong suốt và rõ ràng.

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang khuếch tán

Ta chọn cảm biến quang Omron E3Z-D87 với đặc điểm kĩ thuật:

Hình 2.3: Thông số kỹ thuật của Omron E3Z-D87

(c) Cảm biến quang thu phát độc lập

Cảm biến ánh sáng không phản xạ hoạt động dựa trên sự kết hợp giữa một con phát ánh sáng và một con thu ánh sáng lắp đối diện nhau Đặc điểm nổi bật của loại cảm biến này là khả năng hoạt động không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc, và có thể phát hiện trong khoảng cách lên đến 60m.

+ Trạng thái không có vật cản: cảm biến phát ánh sáng và cảm biến thu ánh sáng Quá trình phát và thu ánh sáng liên tục với nhau

+ Trạng thái có vật cản: cảm biến phát vẫn phát ánh sáng nhưng cảm biến thu ánh sáng không thu được ánh sáng (bị vật cản che chắn)

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang thu phát độc lập

Ta chọn cảm biến quang Omron E3F3-T81 2M với đặc điểm kỹ thuật:

Hình 2.5: Thông số kỹ thuật của Omron E3F3-T81 2M

Encoder là thiết bị cảm biến chuyển động cơ học, chuyển đổi chuyển động thành tín hiệu kỹ thuật số hoặc xung Nó hoạt động như một thiết bị điện, tạo ra tín hiệu phản ánh sự di chuyển.

Mục đích của thiết bị này là quản lý vị trí góc của đĩa quay, bao gồm bánh xe, trục động cơ và các thiết bị khác cần xác định chính xác vị trí góc.

Hình 2.6: Cấu tạo của Encoder

Cấu tạo của Encoder bao gồm:

- 1 đĩa quay có khoét lỗ gắn vào trục động cơ

- 1 đèn Led dùng làm nguồn phát sáng

- 1 mắt thu quang điện được sắp xếp thẳng hàng

- Bảng mạch điện giúp khuếch đại tín hiệu

Khi Encoder hoạt động, bộ chuyển đổi sẽ xử lý các chuyển động và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện Những tín hiệu này được gửi đến các thiết bị điều khiển PLC để xử lý và biểu thị các giá trị cần đo bằng chương trình riêng biệt Dù có ánh sáng chiếu qua hay không, người dùng vẫn có thể xác định được việc đèn LED có chiếu qua lỗ hay không Hơn nữa, số xung đếm được gia tăng dựa trên số lần ánh sáng bị cắt.

Encoder cơ bản hoạt động dựa trên nguyên lý khi đĩa có một lỗ duy nhất, mỗi lần con mắt nhận được tín hiệu từ đèn LED, có nghĩa là đĩa đã quay một vòng Đối với các loại Encoder khác, số lượng lỗ trên đĩa nhiều hơn, dẫn đến tín hiệu thu được cũng sẽ khác nhau khi đĩa quay.

Encoder tương đối, hay còn gọi là encoder gia tăng, là thiết bị phát ra tín hiệu theo chu kỳ hoặc tăng dần Đĩa mã hóa của nó có một dải băng tạo xung, được chia thành nhiều lỗ bằng nhau và cách đều nhau.

Encoder tuyệt đối (absolute encoder) cung cấp tín hiệu chính xác về vị trí mà không cần xử lý thêm Nó sử dụng đĩa theo mã nhị phân hoặc mã Gray, thường được áp dụng để xác định chính xác góc quay Một trong những ưu điểm nổi bật của Encoder tuyệt đối là khả năng giữ giá trị tuyệt đối ngay cả khi mất nguồn.

Động cơ

2.2.1 Giới thiệu chung Động cơ là thiết bị chuyển hóa điện năng thành động năng

Động cơ là một phần thiết yếu trong hệ thống băng tải, giúp chuyển đổi điện năng để đảm bảo hoạt động hiệu quả khi kết nối với bộ truyền động Việc lựa chọn động cơ phù hợp cần xem xét nhiều yếu tố, bao gồm kích thước băng tải, vận tốc truyền, độ dốc băng và thời gian vận hành.

2.2.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Hình 2.10: Cấu tạo của động cơ

Gồm hai thành phần chính:

- Stator: gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trường quay

Rotor là một hình trụ hoạt động như cuộn dây quấn quanh lõi thép, đóng vai trò quan trọng trong động cơ điện xoay chiều Các động cơ này được sản xuất với nhiều kiểu dáng và công suất khác nhau, phù hợp với nhu cầu sử dụng đa dạng.

Theo sơ đồ nối điện, động cơ được phân thành hai loại chính: động cơ 3 pha và động cơ 1 pha Ngoài ra, dựa trên tốc độ, động cơ còn được chia thành động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ.

Nguyên lý điện từ là cơ sở hoạt động của hầu hết các động cơ điện, bên cạnh đó, còn có các loại động cơ sử dụng lực tĩnh điện và hiệu ứng áp điện Động cơ điện từ hoạt động dựa trên lực cơ học tác động lên cuộn dây có dòng điện trong từ trường, theo định luật Lorentz, lực này vuông góc với cuộn dây và từ trường.

Khi động cơ được kết nối với mạng điện xoay chiều, từ trường quay do stator tạo ra khiến rotor quay quanh trục Chuyển động quay của rotor được truyền qua trục máy, phục vụ cho việc vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác.

Động cơ điện chủ yếu được chia thành hai loại: động cơ xoay và động cơ tuyến tính Trong động cơ xoay, rotor là phần chuyển động còn stator là phần đứng yên Đối với động cơ điện không đồng bộ, tốc độ có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi kiểu đấu nối (sao hoặc tam giác) hoặc sử dụng biến tần Riêng động cơ bước, cần có một bộ điều khiển riêng, thường được gọi là Driver, để hoạt động hiệu quả.

Thiết bị cơ điện này bao gồm một động cơ điện kết hợp với một hệ thống bánh răng, trong đó có một bánh răng lớn nhất gắn liền với trục ra, có nhiệm vụ truyền tải lực momen mạnh nhất.

(b) Nguyên lý của cách làm giảm tốc độ motor

Giảm tốc độ motor là phương pháp sử dụng hệ thống bánh răng truyền động để làm chậm tốc độ quay của trục motor Khi đó, trục motor sẽ tạo ra lực momen lớn, giúp tải trọng nặng hơn và nâng cao độ bền của thiết bị.

Khi cần giảm số vòng quay của trục ra hộp số giảm tốc, việc lắp thêm hộp số vào động cơ điện sẽ giúp tiết kiệm chi phí và linh hoạt hơn trong việc điều chỉnh tốc độ Một yếu tố quan trọng khác là moment xoắn, vì việc tạo ra động cơ điện với số vòng quay và moment xoắn theo ý muốn là rất khó khăn Tỉ số truyền giữa số vòng quay và moment xoắn có mối quan hệ tỉ lệ nghịch, điều này cần được lưu ý khi thiết kế hệ thống truyền động.

Hộp giảm tốc chứa bộ truyền động bao gồm bánh răng và trục vít, có chức năng giảm tốc độ vòng quay và tăng mô men Thiết bị này giúp giảm vector vận tốc góc tức thời và được kết nối với tải ở đầu còn lại.

Động cơ giảm tốc có chức năng hãm và giảm tốc độ vòng quay, đồng thời truyền động ăn khớp trực tiếp với tỉ số truyền không đổi.

Hình 2.12: Động cơ Dựa vào yêu cầu của hệ thống, ta lựa chọn động cơ 3 pha, 4 cực, Δ/Y 220/380, 0.5hp, 0.37kW.

LỰA CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN

Giới thiệu PLC

PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) là thiết bị điều khiển có khả năng lập trình linh hoạt, cho phép thực hiện các thuật toán thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể thiết lập chương trình để tự động hóa nhiều sự kiện và thao tác, được kích hoạt bởi các tác nhân kích thích hoặc hoạt động theo thời gian đã định PLC thường được sử dụng để thay thế các mạch relay trong các ứng dụng thực tế.

Vào năm 1968, các nhà sản xuất ô tô đã giới thiệu thiết bị điều khiển logic khả trình nhằm thay thế tủ điều khiển cồng kềnh, giúp tiết kiệm điện năng và giảm thiểu việc thay thế relay do hỏng hóc Thiết bị này không chỉ tối ưu hóa hiệu suất mà còn mang lại tính linh hoạt cho việc thay đổi chương trình điều khiển.

Thiết bị điều khiển lập trình giúp tiết kiệm thời gian sản xuất, nâng cao hiệu quả hệ thống và thích ứng với sự thay đổi trong quy trình sản xuất Do đó, nhiều nhà sản xuất đã phát triển thiết bị điều khiển khả trình, hay còn gọi là PLC, dựa trên nền tảng máy tính.

Vào năm 1969, những bộ điều khiển logic lập trình (PLC) đầu tiên được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô đã mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các hệ thống điều khiển dựa trên relay Các thiết bị này không chỉ dễ dàng lập trình mà còn tiết kiệm không gian trong các cơ sở sản xuất Sau đó, ứng dụng của PLC đã nhanh chóng mở rộng ra tất cả các ngành công nghiệp sản xuất khác.

Khi vi xử lý ra đời vào thập niên 70, khả năng của PLC đã được nâng cao, cho phép xử lý các tính toán và dữ liệu phức tạp một cách hiệu quả hơn.

Sự phát triển của điện tử viễn thông đã làm cho việc truyền dữ liệu trở nên dễ dàng hơn, cho phép các PLC điều khiển từ xa hàng trăm mét, trao đổi dữ liệu lẫn nhau và tăng tốc quá trình sản xuất.

Sự ra đời của máy tính cá nhân, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay và phần mềm đồ họa đã nâng cao đáng kể tính năng và khả năng sử dụng của PLC trong điều khiển và sản xuất, cho phép mô phỏng và hiển thị các hoạt động của từng bộ phận trong hệ thống điều khiển.

Các thiết bị điều khiển PLC nâng cao năng suất và tính linh hoạt cho hệ thống công nghiệp Việc thay thế các phần tử cơ điện bằng PLC giúp quá trình điều khiển trở nên nhanh chóng, tiết kiệm chi phí và hiệu quả hơn PLC là lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng công nghiệp nhờ vào những lợi ích vượt trội này.

- Khả năng thích ứng môi trường công nghiệp

Hình 3.1: Một số hãng PLC hiện nay

Cấu trúc PLC

Tất cả các PLC đều có các thành phần chính:

- Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong (ngoài ra có thể mở rộng thêm với bộ nhớ EPROM)

- Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho ghép nối với PLC

Hình 3.2: Sơ đồ khối cấu trúc của PLC

Một bộ PLC hoàn chỉnh bao gồm một đơn vị lập trình, có thể là bằng tay hoặc máy tính Các đơn vị lập trình thường có đủ RAM để lưu trữ chương trình hoàn chỉnh hoặc bổ sung Đối với đơn vị lập trình cầm tay, RAM thường là loại CMOS với pin dự phòng, và chương trình chỉ được truyền sang bộ nhớ PLC khi đã được kiểm tra Trong khi đó, các PLC lớn thường được lập trình trên máy tính để hỗ trợ việc đọc, viết và kiểm tra chương trình, kết nối với PLC qua các cổng như RS232, RS422, RS485.

3.2.1 Đơn vị xử lý trung tâm

Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm 3 phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp

Hình 3.3: Khối điều khiển trung tâm

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC bằng cách đọc và kiểm tra chương trình trong bộ nhớ Sau đó, nó thực hiện từng lệnh theo thứ tự, đóng hoặc ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra này được truyền tới các thiết bị liên kết để thực thi, và toàn bộ hoạt động này phụ thuộc vào chương trình điều khiển trong bộ nhớ.

Hệ thống Bus dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:

- Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Module khác nhau

- Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu

- Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thời và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC

Trong PLC, dữ liệu được truyền giữa bộ vi xử lý và các module vào ra qua Data Bus Address Bus và Data Bus có 8 đường, cho phép truyền 8 bit của 1 byte đồng thời, đảm bảo hiệu suất cao trong quá trình xử lý thông tin.

Khi một module đầu vào nhận địa chỉ trên Address Bus, nó sẽ truyền tất cả trạng thái đầu vào vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, module đầu ra tương ứng sẽ nhận dữ liệu từ Data Bus Control Bus sẽ gửi các tín hiệu điều khiển để theo dõi chu trình hoạt động của PLC, và các địa chỉ cùng số liệu được truyền lên các Bus tương ứng trong khoảng thời gian giới hạn.

Hệ thống Bus chịu trách nhiệm trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và thiết bị I/O CPU hoạt động với xung Clock có tần số từ 1 đến 8 MHz, quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố định thời cho hệ thống.

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp:

- Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O

- Làm bộ đếm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các relay

Mỗi lệnh trong chương trình được lưu trữ tại một vị trí riêng trong bộ nhớ, với các vị trí này được đánh số bằng địa chỉ bộ nhớ Địa chỉ của từng ô nhớ được quản lý bởi bộ đếm địa chỉ trong bộ vi xử lý, và giá trị của bộ đếm này sẽ được tăng lên 1 trước khi thực hiện lệnh tiếp theo Khi có một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ được hiển thị ra đầu ra, quá trình này được gọi là quá trình đọc.

Bộ nhớ bên trong PLC được cấu thành từ các vi mạch bán dẫn, có khả năng lưu trữ từ 2000 đến 16000 dòng lệnh, tùy thuộc vào loại vi mạch Trong PLC, các loại bộ nhớ như RAM và EPROM được sử dụng để quản lý dữ liệu Bên cạnh đó, dữ liệu cũng được lưu trữ trên các thiết bị như đĩa mềm và đĩa cứng trong máy lập trình.

- Các PLC loại nhỏ có thể chứa 300 ÷1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo

- Các PLC loại lớn có khả năng chứa 2000÷16000 dòng lệnh

Các tín hiệu từ bộ cảm biến được kết nối với các module đầu vào của PLC, trong khi các cơ cấu chấp hành được nối với các module đầu ra của PLC.

Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12/24VDC hoặc 100/240VAC

Mỗi đơn vị I/O trên PLC có một địa chỉ duy nhất, và các đèn LED hiển thị trạng thái của các kênh I/O, giúp việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dễ dàng hơn.

Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện việc đóng hay ngắt mạch ở đầu ra.

Các hoạt động xử lý bên trong PLC

Khi một chương trình đã được nạp vào bộ nhớ PLC, các lệnh sẽ được lưu trữ trong một vùng địa chỉ riêng lẻ của bộ nhớ

PLC có bộ đếm địa chỉ trong vi xử lý, cho phép thực hiện chương trình từ đầu đến cuối một cách tuần tự Mỗi lần thực hiện toàn bộ chương trình được gọi là một chu kỳ thực hiện, và thời gian của chu kỳ này phụ thuộc vào tốc độ xử lý của PLC cũng như kích thước của chương trình Một chu kỳ thực hiện bao gồm các giai đoạn diễn ra liên tiếp.

Hình 3.4: Chu kỳ vòng quét của PLC

PLC đọc và lưu trữ trạng thái vật lý của tất cả các đầu vào thông qua hệ điều hành thực hiện chương trình Bộ xử lý thực hiện việc đọc và xử lý từng lệnh một cách tuần tự, đồng thời tiếp nhận tín hiệu từ các đầu vào Qua các phép toán logic, bộ vi xử lý xác định trạng thái của các đầu ra dựa trên kết quả đã tính toán.

Trong suốt quá trình quét, CPU thực hiện việc xử lý các yêu cầu truyền thông bằng cách tiếp nhận và xử lý tất cả thông tin từ cổng truyền thông và các module mở rộng.

- Thực hiện tự kiểm tra: trong chu kỳ quét, PLC kiểm tra hoạt động của CPU và trạng thái của module mở rộng

- Xuất tín hiệu ngõ ra: Bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các module đầu ra

Gồm hai phương pháp khác nhau dùng cho việc xử lý I/O trong PLC:

Phương pháp cập nhật liên tục yêu cầu CPU dành khoảng 3ms để đọc trạng thái của các ngõ vào cần xử lý, nhằm tránh tác động xung nhiễu Sau khi kiểm tra logic, các ngõ ra sẽ được kích hoạt trực tiếp, và trạng thái của chúng sẽ được chốt trong khối ngõ ra, duy trì cho đến lần cập nhật tiếp theo.

Trong các PLC lớn với hàng trăm I/O, CPU chỉ có thể xử lý một lệnh tại một thời điểm, dẫn đến thời gian quét dài khi xét từng ngõ vào riêng lẻ Để tăng tốc độ thực thi chương trình, các ngõ I/O được cập nhật vào một vùng RAM đặc biệt, hoạt động như bộ đệm lưu trạng thái logic điều khiển và các đơn vị I/O Mỗi ngõ vào/ra được cấp phát một ô nhớ trong vùng RAM này, trong khi CPU quét khối ngõ vào và lưu trạng thái vào RAM trong một chu kỳ chương trình.

Khi chương trình chạy, trạng thái của các ngõ vào được lưu trong RAM sẽ được đọc và xử lý Kết quả trạng thái của các ngõ ra sau đó được lưu vào RAM ngõ ra Vào cuối chu kỳ quét, quá trình cập nhật trạng thái vào/ra sẽ chuyển tín hiệu ngõ ra từ RAM vào khối ngõ ra tương ứng, kích hoạt các ngõ ra trên khối vào/ra Khối ngõ ra được chốt giữ trạng thái cho đến khi có bản cập nhật ở chu kỳ quét tiếp theo.

Tác vụ cập nhật trạng thái vào/ra được tự động thực hiện bởi CPU thông qua một chương trình con đã được lập trình sẵn Chương trình này sẽ tự động chạy vào cuối chu kỳ quét hiện tại và bắt đầu chu kỳ kế tiếp.

Do đó, trạng thái của các ngõ vào/ra được cập nhật

Lưu ý rằng, trong quá trình quét, trạng thái của các ngõ ra không thay đổi cho đến khi chương trình con cập nhật trạng thái Nếu một ngõ vào thay đổi trạng thái sau khi chương trình con hệ thống được thực thi, sự thay đổi đó sẽ không được nhận biết cho đến khi quá trình cập nhật diễn ra.

Thời gian cập nhật các ngõ vào/ra phụ thuộc vào tổng số I/O được sử dụng, thường chỉ vài ms Thời gian thực thi chương trình, hay chu kỳ quét, phụ thuộc vào kích thước của chương trình điều khiển Thời gian thi hành một lean cơ bản (một bước) dao động từ 0.08às đến 0.1às tùy loại PLC, do đó, chương trình có độ lớn 1K bước có chu kỳ quét từ 0.8 ms đến 1ms Tuy nhiên, chương trình điều khiển thường ít hơn 1000 bước, thường khoảng 500 bước trở lại.

Ngôn ngữ lập trình

Có 5 loại ngôn ngữ lập trình cho PLC

- Ngôn ngữ lập trình Structure text (ST) hoặc Statement List (STL)

- Ngôn ngữ lập trình Instruction List (IL)

- Ngôn ngữ lập trình Function Block Diagrams (FBD)

- Ngôn ngữ lập trình Sequence Function Charts (SFC)

- Ngôn ngữ lập trình Ladder Diagram (LD)

Trong bài viết này, chúng tôi tập trung vào ngôn ngữ Ladder, hay còn gọi là ngôn ngữ bậc thang, một loại ngôn ngữ lập trình đồ họa Ngôn ngữ Ladder tương tự như cách mà các kỹ sư điện thiết kế và lắp đặt các bảng mạch điều khiển logic, bao gồm relay, contactor và khởi động từ.

Giới thiệu một số PLC của hãng MITSUBISHI ELECTRIC

Với nhu cầu ngày càng tăng về PLC trong ngành công nghiệp, các nhà sản xuất đã nghiên cứu và phát triển nhiều dòng PLC đa dạng, đáp ứng các nhiệm vụ điều khiển khác nhau về dạng và quy mô Các PLC này được chế tạo dựa trên nhiều đặc điểm như nguồn điện, loại điện áp đầu vào và đầu ra, bộ xử lý, ngôn ngữ lập trình, khả năng xử lý lệnh, tốc độ xử lý cao, khả năng mở rộng với các module vào/ra và module chức năng chuyên dụng, cùng với khả năng kết nối mạng.

Một số dòng PLC thông dụng của hãng như FX1N, FX2N, FX1S, FX3G, FX3U, FX5U.

Lựa chọn bộ điều khiển

PLC MELSEC FX là dòng PLC nhỏ gọn của Mitsubishi, với nhiều phiên bản khác nhau tùy thuộc vào nguồn cung cấp và công nghệ ngõ ra Người dùng có thể lựa chọn nguồn cung cấp từ 100-220VAC, 24VDC hoặc 12-24VDC, cùng với các tùy chọn ngõ ra là relay hoặc transistor.

Với yêu cầu của hệ thống cần sử dụng:

Chúng tôi quyết định chọn bộ điều khiển FX3U-64MT/DSS vì nó đáp ứng đầy đủ yêu cầu về đầu vào và đầu ra.

3.6.2 Giới thiệu về bộ điều khiển FX3U-64MT/DSS:

Tên sản phẩm PLC FX3U-64MT/DSS

Dòng sản phẩm FX3U Series

Kiểu đầu vào Sink/Source

Tín hiệu điện áp đầu vào 24V DC ±10%

Kiểu lắp đặt DIN Rail

Dung lượng chương trình 64000 Steps

Ngôn ngữ lập trình Ladder Logic

Nhiệt độ hoạt động tối đa +55°C

Giao diện lập trình Computer, HMI

Nhiệt độ hoạt động tối thiểu 0 ° C

Kiểu kết nối USB, RS232C, RS485

Cáp kết nối FX-USB-AW,USB-SC09,USB-

SC09-FX Điện năng tiêu thụ 40W

Hình 3.5: Kích thước dòng PLC FX3U-64MT

Hình 3.6: Sơ đồ chân PLC FX3U-64MT/DSS

Giải thích sơ đồ chân:

- Chân S/S: chân này nối về 0V nếu ta dùng kiểu nối source và nối lên 24V nếu ta dùng kiểu nối sink;

- Các chân (+), chân (-): cấp nguồn 24V DC

- Các chân 0V/24V: đối với FX3U-64MT/DSS ta không sử dụng những chân này

- Các chân từ X0 - X37: đầu vào digital

- Các chân từ Y0 - Y37: đầu ra digital

- Các chân +Vx: dùng để chọn số chân sử dụng, ví dụ ta chỉ sử dụng đầu ra từ

Y0 đến Y3 thì ta nối +V0 lên 24V

Hình 3.7: Sơ đồ nối dây đầu vào

- Đầu ra: đầu ra transistor, kiểu nối source

Hình 3.8: Sơ đồ nối dây đầu ra, kiểu nối source

Phân kênh đầu vào, đầu ra

3.7.1 Bảng phân kênh đầu vào

Thứ tự Chân Kí hiệu Mô tả

13 X014 RN1 Relay nhiệt của động cơ 1

24 X027 CTHT6_Up Công tắc hành trình 6 phía trên

25 X030 CTHT6_Down Công tắc hành trình 6 phía dưới

30 X035 Reset_bu Reset máy bù khi quá tải

3.7.2 Bảng phân kênh đầu ra

Thứ tự Chân Kí hiệu Mô tả

9 Y010 KT6 Động cơ quay thuận 6

10 Y011 KN6 Động cơ quay nghịch 6

19 Y022 LBu Đèn báo máy bù đạt giới hạn

THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC CHO HỆ THỐNG

Lựa chọn và tính toán thiết bị cho mạch động lực

Relay trung gian là thiết bị kết nối tín hiệu giữa module điều khiển và các thiết bị đóng cắt mạch động lực Chúng có chức năng chuyển mạch tín hiệu điều khiển và khuếch đại, thường được sử dụng trong tủ điện, tủ điều khiển và các hệ thống máy móc công nghiệp.

(b) Cấu tạo và nguyên lý làm việc

+ Nam châm điện (cuộn hút)

+ Hệ thống tiếp điểm đóng ngắt: NO, NC, COM

Hình 4.2: Cấu tạo của relay trung gian

Relay hoạt động khi dòng điện chạy qua cuộn dây bên trong, tạo ra từ trường hút Từ trường này tác động lên đòn bẩy bên trong, đóng hoặc mở các tiếp điểm điện, qua đó thay đổi trạng thái của relay Relay có hai mạch độc lập hoạt động song song.

Mạch điều khiển cuộn dây của relay đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định cho phép dòng điện chạy qua cuộn dây, từ đó điều khiển trạng thái hoạt động của relay.

+ Một mạch là mạch động lực nối giữa tiếp điểm relay với các cơ cấu chấp hành và nguồn điện áp cao

Dòng điện điều khiển relay thường khoảng 30mA với điện áp 12V, có thể lên tới 100mA, nhưng hầu hết các con chip không cung cấp đủ dòng này Do đó, cần sử dụng BJT để khuếch đại dòng nhỏ từ IC thành dòng lớn hơn cho relay Tuy nhiên, với IC555, ngõ ra có thể đạt tới 200mA mà không cần BJT khuếch đại.

- Dựa vào mức điện áp: 5VDC, 12VDC, 24VDC,

- Dựa vào số chân: 5 chân, 8 chân, 14 chân

(d) Lựa chọn relay trung gian Để lựa chọn relay phù hợp, ta cần chú ý:

- Kích thước và kiểu chân của relay

- Điện áp điều khiển cuộn dây của relay, có thể là 5V, 12V hoặc 24V

- Điện trở cuộn dây: điều này ảnh hưởng đến dòng cần cấp cho relay hoạt động

- Số tiếp điểm đóng mở phù hợp

Trong hệ thống này, chúng tôi sẽ sử dụng relay 24VDC với dòng hoạt động 5A/220VAC

Công tắc tơ là thiết bị điện quan trọng, được sử dụng để đóng ngắt thường xuyên các mạch điện động lực Nó cho phép điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua thao tác tay hoặc tự động Ưu điểm nổi bật của công tắc tơ là khả năng dập tắt hồ quang hiệu quả nhờ vào tốc độ đóng cắt nhanh, có thể lên đến 1500 lần mỗi giờ.

(b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

- Cấu tạo: gồm 3 bộ phận

+ Các tiếp điểm là bộ phận mang dòng điện của contactor, bao gồm các tiếp điểm nguồn lực, tiếp điểm phụ và các lò xo của các tiếp điểm

+ Nam châm điện cung cấp lực để đóng các tiếp điểm Vỏ bọc là khung chứa tiếp điểm và nam châm điện

+ Vỏ bọc được làm bằng vật liệu cách điện như Bakelite, Nylon 6,

Hình 4.4: Cấu tạo của contactor

Khi cấp nguồn cho cuộn dây contactor, mạch từ và cuộn dây tạo thành một nam châm điện, khiến mạch từ động bị hút vào mạch từ tĩnh Sự kết nối giữa mạch từ động với các tiếp điểm động lực và tiếp điểm điều khiển làm cho hệ thống tiếp điểm chuyển trạng thái và duy trì trạng thái này cho đến khi cuộn dây ngừng cấp điện.

Sỡ dĩ mạch từ động bị hút chặt vào mạch từ tĩnh là do lực hút của nam châm điện lớn hơn lực đẩy của lò xo

Khi nguồn cấp cho cuộn dây contactor bị ngắt, mạch sẽ mất từ trường, dẫn đến lực hút của nam châm điện giảm xuống dưới lực đẩy của lò xo Hệ quả là mạch từ động bị đẩy lên phía trên, làm thay đổi trạng thái của hệ thống tiếp điểm, khiến các tiếp điểm động lực mở ra.

Có nhiều cách phân loại contactor:

- Theo nguyên lý truyền động: ta có contactor kiểu điện từ, kiểu hơi ép, kiểu thủy lực,

- Theo dạng dòng điện: Contactor điện một chiều và contactor điện xoay chiều

- Theo kết cấu: người ta phân contactor dùng ở nơi hạn chế chiều cao và nơi hạn chế chiều rộng

- Theo dòng định mức: Contactor 9A, 12A, 18A,

- Theo số cực Contactor 1 pha, 2 pha, 3 pha

- Theo cấp điện áp: Contactor trung thế, contactor hạ thế

- Theo tiếp điểm: Tiếp điểm thường đóng, tiếp điểm thường mở,

(d) Các yêu cầu khi lựa chọn contactor

Điện áp hoạt động định mức (Uđm) là điện áp mà mạch điện yêu cầu khi tiếp điểm chính đóng cắt, với các mức điện áp tiêu biểu như 110VDC, 220VDC, 440VDC và 127VAC, 220VAC, 380VAC, 500VAC.

- Cuộn hút có thể làm việc bình thường ở điện áp giới hạn từ 85 - 105% Uđm

Dòng điện định mức Iđm là dòng điện qua tiếp điểm chính trong chế độ làm việc gián đoạn - lâu dài, với thời gian tiếp điểm đóng không vượt quá 8 giờ.

- Contactor hạ áp có các cấp dòng thông dụng: 10, 20, 25, 40, 60, 75, 100, 150,

Khi sử dụng contactor trong tủ điện, dòng điện định mức cần được giảm xuống dưới 10% do khả năng làm mát kém Để đảm bảo hiệu suất và an toàn trong quá trình hoạt động lâu dài, nên lựa chọn dòng điện định mức nhỏ hơn.

(e) Tính chọn contactor cho hệ thống Động cơ sử dụng cho hệ thống là động cơ 3 pha có các thông số sau:

Hệ số của contactor 𝑘 = 4 ~ 7, chọn 𝑘 = 5

Dòng định mức của contactor cần thiết

𝐼 𝑐𝑡 = 5.0,63 = 3,15𝐴 Vậy chọn contactor có 𝑈 đ𝑚 = 380𝑉 và dòng định mức là 6A

Aptomat là thiết bị điện tự động cắt mạch để bảo vệ khỏi quá tải, ngắn mạch và sụt áp Ngoài ra, aptomat cũng được sử dụng trong kỹ thuật để đóng cắt các mạch làm việc ở chế độ bình thường không thường xuyên.

Hình 4.6: Cấu tạo của aptomat

Aptomat bao gồm các bộ phận chính sau:

- Cuộn cảm sinh lực điện từ khi dòng điện chạy qua

- Lỗ dây điện đầu vào

- Điều chỉnh dải nhiệt cho relay nhiệt

- Bộ truyền động điều khiển

- Nút gạt bật tắt Aptomat

- Tiếp điểm: cố định hoặc di động

- Lỗ dây điện đầu ra

(c) Các yêu cầu khi lựa chọn aptomat

Chế độ làm việc định mức của aptomat yêu cầu phải là chế độ dài hạn, cho phép trị số dòng điện định mức chạy qua aptomat không bị giới hạn về thời gian.

Aptomat cần có khả năng ngắt dòng điện ngắn mạch với trị số lớn, lên đến vài chục kA Sau khi thực hiện việc ngắt, aptomat phải vẫn hoạt động hiệu quả ở trị số dòng định mức (Iđm).

Để đảm bảo tính ổn định nhiệt và điện động cho thiết bị điện, cần lựa chọn aptomat có thời gian cắt ngắn để hạn chế thiệt hại do dòng điện ngắn mạch Việc tính toán phụ tải và chọn aptomat tiêu chuẩn phù hợp là rất quan trọng; nếu không, aptomat sẽ không thể bảo vệ hệ thống hiệu quả.

(d) Lựa chọn Aptomat Động cơ sử dụng cho hệ thống là động cơ 3 pha có các thông số sau:

Dòng định mức của Aptomat tối thiểu là:

𝐼 𝐶𝐵 = 1,5.0,63 = 0,945𝐴 Vậy chọn Aptomat có dòng định mức là 1,5A

Relay nhiệt là thiết bị điện dùng để bảo vệ động cơ và mạch điện khỏi bị quá tải, thường dùng kèm với contactor

(a) Cấu tạo của relay nhiệt

Relay nhiệt gồm có 1 tiếp điểm NC (tiếp điểm thường đóng) và 1 tiếp điểm

NO (tiếp điểm thường mở)

- Tiếp điểm NC: khi quá tải tiếp điểm NC sẽ mở, tiếp điểm NC được mắc nối tiếp với mạch điều khiển (cuộn hút contactor)

- Tiếp điểm NO: khi quá tải tiếp điểm NO sẽ đóng, thường dùng để kết nối với đèn hay còi báo động khi có sự cố xảy ra

Hình 4.8: Cấu tạo relay nhiệt

2 Tiếp điểm thường đóng (NC)

3 Tiếp điểm thường mở (NO)

4 Vít chỉnh dòng điện tác động

(b) Nguyên lý làm việc của relay nhiệt

Relay nhiệt hoạt động dựa trên phiến kim loại kép (bimetal) được cấu tạo từ hai tấm kim loại với hệ số giãn nở khác nhau Một tấm có hệ số giãn nở nhỏ, thường là invar (36% Ni, 64% Fe), trong khi tấm còn lại có hệ số giãn nở lớn, thường là đồng thau hoặc thép crôm - niken, với khả năng giãn nở gấp 20 lần so với invar Hai phiến này được ghép lại với nhau bằng phương pháp cán nóng hoặc hàn.

Sơ đồ thiết kế mạch

XÂY DỰNG LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀVIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Lưu đồ thuật toán

Hình 5.1: Lưu đồ thuật toán của hệ thống

5.1.1 Động cơ 1, động cơ 10, động cơ 11

Hình 5.2: Lưu đồ thuật toán của động cơ 1, động cơ 8 và động cơ 11

Hình 5.3: Lưu đồ thuật toán của động cơ 2

Tiêu đề	Đồ Án Thiết Kế Dây Chuyền Sản Xuất Gạch Men
Tác giả	Nguyễn Đôn Việt, Trần Văn Tiến, Dương Anh Vũ, Phạm Bá Cường
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Kim Ánh
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Thể loại	đồ án
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	60
Dung lượng	2,75 MB
File đính kèm	gachmen.rar (2 MB)