Hệ thống phân loại sản phẩm mô phỏng trên factory IO , có code . Phần mềm Factory IO của Real game là 1 phần mềm mô phỏng dùng trong mô phỏng hệ thống PLC và training về kỹ năng lập trình PLC.Vì thời gian hạn chế nên trong đề tài này em đã thực hiện việc thiết kế 1 hệ thống đóng gói kiểm tra và phân loại sản phẩm sử dụng PLC S7 – 300 và mô phỏng 3D trên phần mềm Factory IO.
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Đặt vấn đề
Trong quá trình đóng gói và kiểm tra sản phẩm, do ảnh hưởng của nhiều yếu tố, không thể kiểm soát hoàn toàn, dẫn đến một số sản phẩm có thể bị lỗi Với số lượng sản phẩm sản xuất lớn, việc loại bỏ sản phẩm lỗi bằng sức người trở nên không khả thi Do đó, hầu hết các xí nghiệp hiện nay đã chuyển sang sử dụng dây chuyền sản xuất tự động hóa, giảm thiểu lao động tay chân Các mô hình tự động hóa ngày càng hoàn thiện và phổ biến, nhằm tiết kiệm thời gian và nguồn lực lao động, đồng thời đảm bảo tính kinh tế lâu dài PLC (Program Logic Controller) là thành phần chính, giống như bộ não của các dây chuyền này, ngày càng được cải thiện để đạt hiệu quả cao hơn.
Dưới đây là 1 số ví dụ về những dây chuyền kiểm tra lỗi sản phẩm :
Nhà máy chiết suất và đóng chai đồ uống cần đảm bảo rằng chai nước không bị lẫn tạp chất và nắp chai không bị rò rỉ Lượng nước chiết suất phải đạt tiêu chuẩn quy định; nếu không, sản phẩm phải được loại bỏ ngay lập tức để đảm bảo chất lượng.
Hình 1 1 : Dây chuyền kiểm đồ uống
Trên dây chuyền sản xuất bo mạch điện tử, việc kiểm soát các linh kiện là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm Bạn cần xác định xem bo mạch có thiếu linh kiện nào không, và nếu phát hiện sự thiếu hụt, cần loại bỏ bo mạch đó để tránh ảnh hưởng đến quá trình sản xuất.
Hình 1 2 : Dây chuyền kiểm tra bo mạch
Trong quá trình sản xuất tại nhà máy thuốc, việc kiểm tra các vỉ thuốc là rất quan trọng Bạn cần đảm bảo rằng mỗi vỉ thuốc đều đủ số lượng viên thuốc và các viên thuốc không bị vỡ Nếu phát hiện sản phẩm không đạt yêu cầu, cần loại bỏ ngay để đảm bảo chất lượng.
Hình 1 3 : Dây chuyền kiểm tra thuốc
Mục tiêu cần đạt được
Do thời gian có hạn, tôi đã thiết kế một hệ thống đóng gói, kiểm tra và phân loại sản phẩm bằng PLC S7-300, kèm theo mô phỏng 3D trên phần mềm Factory I/O.
Nội dung nghiên cứu
Các thiết bị ngõ ra , ngõ vào trong công nghiệp
Giới hạn đề tài
- Loại PLC , thiết bị ngõ vào ngõ ra
CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ THỐNG
Tổng quan về dòng PLC S7 300
PLC S7-300 là sản phẩm cao cấp, lý tưởng cho các ứng dụng lớn với yêu cầu I/O cao, thời gian phản hồi nhanh, khả năng kết nối mạng và dễ dàng mở rộng trong tương lai.
Ngôn ngữ lập trình đa dạng mang đến cho người dùng nhiều sự lựa chọn S7-300 nổi bật với khả năng cung cấp các hàm toán phong phú, đáp ứng các yêu cầu cụ thể, đồng thời cho phép sử dụng ngôn ngữ chuyên biệt để phát triển các hàm tùy chỉnh cho ứng dụng cần thiết.
S7-300 được thiết kế với cấu trúc phần cứng theo mô-đun, cho phép tích hợp các mô-đun đặc biệt như mô-đun PID và mô-đun đọc xung tốc độ cao, đáp ứng nhu cầu cho các ứng dụng chuyên biệt.
Số lượng Modul trong hệ thống phụ thuộc vào từng bài toán cụ thể, nhưng Modul chính luôn là Modul CPU Các Modul khác bao gồm Modul nhận và truyền tín hiệu với thiết bị điều khiển (I/O) và các Modul chức năng chuyên dụng như PID và điều khiển động cơ, được gọi chung là Modul mở rộng Tất cả các Modul này được lắp đặt trên các thanh ray (Rack).
Modul CPU là thiết bị tích hợp vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, và các bộ phận như bộ thời gian, bộ đếm, cùng với cổng truyền thông RS485 Ngoài ra, modul này còn có thể bao gồm một số cổng vào ra số, được gọi là cổng vào ra Onboard trên CPU.
Trong họ PLC S7 - 300 có nhiều loại CPU khác nhau: CPU 312, CPU 314, CPU 315….
Hình 2 2 : Các khối chức năng của PLC S7-300
Các Modul mở rộng được chia thành 5 loại chính:
- PS (Power Supply): Modul nguồn nuôi
- SM (Signal Module): Modul tín hiệu vào/ra bao gồm:
+ DI (Digital Input) + DO (Digital Output) + DI/DO (Digital In /Output) + AI (Analog Input)
+ AO (Analog Output) + AI/AO (Analog In /Output)
IM (Interface Module) là modul ghép nối chuyên dụng, có chức năng kết nối các modul mở rộng thành một khối duy nhất, được quản lý bởi module CPU Các loại IM bao gồm IM360 (truyền) và IM361 (nhận) Ngoài ra, FM (Function Module) là các modul điều khiển độc lập, như điều khiển Servo và điều khiển PID.
- CP (Communication Module): Module truyền thông
* Vùng chứa chương trình ứng dụng : Được chia thành 3 miền
+ OB (Organisation block): Miền chứa chương trình tổ chức.
+ FC (Function): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và có biến hình thức để trao đổi dữ liệu
FB (Function Block) là miền chứa chương trình con, được tổ chức thành các hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất kỳ khối chương trình nào khác Dữ liệu này cần được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng, gọi là Data Block (DB).
* Vùng chứa tham số của hệ điều hành: Chia thành 7 miền khác nhau
+ I (Process image input): Miền dữ liệu các cổng vào số.
+ Q (Process Image Output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số
M (Miền các biến cờ) là chương trình ứng dụng lưu trữ các tham số cần thiết, cho phép truy cập theo các đơn vị như Bit (M), byte (MB), từ (MW) và từ kép (MD).
Bộ thời gian (Timer) trong miền nhớ bao gồm việc lưu trữ giá trị thời gian đã được đặt trước (PV - Preset Value), giá trị đếm thời gian hiện tại (CV - Current Value) và giá trị Logic đầu ra của bộ thời gian.
Bộ đếm C (Counter) trong miền nhớ đảm nhận việc lưu trữ giá trị đặt trước (PV - Preset Value), giá trị đếm tức thời (CV - Current Value) và giá trị logic đầu ra của bộ đệm.
MIền địa chỉ cổng vào của các Modul tương tự (PI) cho phép đọc và chuyển đổi các giá trị tương tự từ cổng vào Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PI theo từng Byte (PIB), từng từ (PIW) hoặc từng từ kép (PID).
Miền địa chỉ cổng ra PQ cho các module tương tự (I/O External Output) cho phép chuyển giá trị tới các cổng ra tương tự Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PQ theo từng Byte (PQB), từng từ (PQW) hoặc từng từ kép (PQD).
* Vùng chứa các khối dữ liệu: Chia làm 2 loại
DB (Data Block) là khu vực lưu trữ dữ liệu được cấu trúc thành các khối, với kích thước và số lượng khối do người dùng xác định tùy theo yêu cầu của bài toán điều khiển Chương trình có khả năng truy cập vào khu vực này theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW) hoặc từ kép (DBD).
+ L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình OB,
FC và FB được sử dụng để tổ chức và quản lý các biến nháp tạm thời, đồng thời hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu giữa các khối chương trình gọi chúng Dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xóa khi chương trình tương ứng kết thúc.
OB, FC, FB Miền này có thể được truy nhập từ chương trình theo bit (L), byte(LB) từ (LW) hoặc từ kép (LD).
Chương trình trong S7_300 được lưu trong bộ nhớ của PLC ở vùng giành riêng cho chương trình và có thể được lập với 2 dạng cấu trúc khác nhau.
Lập trình tuyến tính là phương pháp mà toàn bộ chương trình được lưu trữ trong một khối trong bộ nhớ, phù hợp cho các bài toán tự động nhỏ và không phức tạp Khối OB1 được chọn là khối mà PLC thường xuyên quét và thực hiện các lệnh từ đầu đến cuối, sau đó quay lại lệnh đầu tiên.
Sensor
Cảm biến là thiết bị chuyển đổi thông tin từ môi trường bên ngoài thành tín hiệu điện, giúp điều khiển các thiết bị khác một cách hiệu quả.
Phát hiện băng niêm phong trên nắp lọ/hộp
Phát hiện dấu/vết trên nền
Phát hiện nắp nhôn trên chai nước
Phát hiện nhãn bằng plastic bóng trên giấy
Phát hiện mẫu bánh trên băng chuyền
Phân biệt mức sữa/nước trái cây bên trong hộp
Phát hiện chiều cao của nắp
Cảm biến phát hiện màu
Đo đường kính của ống
Kiểm tra hiện tượng thủng nắp thiếc, nắp nhôm
Phát hiện nắp lọ bị lỏng
Kiểm mẫu, phát hiện chiều quay của viên pin
Phát hiện lon kim loại
Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) là thiết bị phát hiện các đối tượng ở cự ly gần, bao gồm hai loại chính: cảm biến tiệm cận từ, chỉ phát hiện kim loại thông qua trường điện từ, và cảm biến tiệm cận điện dung, có khả năng phát hiện mọi loại vật nhờ vào trường điện dung tĩnh điện Trong ngành công nghiệp, cảm biến tiệm cận từ được ưa chuộng hơn do giá thành thấp và khả năng chống nhiễu tốt Dưới đây là một số loại cảm biến thường được sử dụng.
Hình 2 3 Một số loại sensor Digital
Ngoài ra còn 1 số loại với hình dạng khác :
Xem thêm chi tiết tại :beeteco.com
Cảm biến quang (Photoelectric Sensor) là thiết bị được cấu tạo từ các linh kiện điện quang, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp tự động hóa Nó có khả năng phát hiện nhiều dạng vật thể từ xa, với khoảng cách lên đến 15m cho loại thu phát và 1m cho loại phản xạ khuếch tán Thiết bị này cho phép đo lường khoảng cách hoặc tốc độ di chuyển của đối tượng mà không cần tiếp xúc Trong số các sản phẩm trên thị trường, cảm biến quang Autonics là một trong những loại phổ biến nhất Ngoài ra, cảm biến analog cũng được sử dụng với tín hiệu từ 4-20mA hoặc 0-10VDC.
Cảm biến đo mức chất rắn
Cảm biến đo nhiệt độ & độ ẩm
Cảm biến đo lưu lượng gió
+ Áp suất : 1 bar, 2 bar, 3 bar, 4bar, 6bar, 10 bar, 16bar, 25 bar, 40bar, 60 bar, 100 bar, 400 bar…
+ Ứng dụng : đo áp suất lò hơi , áp suất chân không , áp suất nước áp suất ga , áp suất dầu
Hình 2 4 : Cảm biến áp suất
+ Phạm vi đo áp suất: áp suất thường có phạm vi từ 0 – 600bar, áp suất âm có phạm vi từ -1 ~ 1 bar.
+ Thời gian đáp ứng: > Chọn CPU đúng với thiết bị thực >> “Next”
Chọn ngôn ngữ lập trình (STL hoặc LAD hoặc FBD) >> “Next” >> Đặt tên Project
Mặc định, khi khởi tạo Step 7, chỉ có một khối chương trình chính OB1 Để thêm các khối chức năng, bạn thực hiện theo đường dẫn Insert >> S7 Block và chọn khối cần thêm Để xóa khối, chỉ cần nhấn chuột phải và chọn Delete.
B4 Khai báo cấu hình phần cứng
Để nạp chương trình từ Step7 xuống PLC thực, trước tiên cần khai báo phần cứng trong Step 7 một cách chính xác, đảm bảo khớp với phần cứng thực tế đã lắp đặt.
Sử dụng phương pháp kéo thả để khai báo phần cứng bằng cách kéo thiết bị từ cửa sổ “Phần cứng để khai báo” và thả vào một trong 11 slot tương ứng trong cửa sổ “UR”.
Khi sử dụng nguồn xung 24VDC bên ngoài để cấp nguồn cho PLC, việc khai báo Modul nguồn (PS-300) là không cần thiết Nguồn xung 24VDC trên thị trường thường có giá rẻ hơn nhiều so với Modul PS của Siemens, do đó, việc lựa chọn nguồn xung bên ngoài là phổ biến.
+Slot 2: Khai báo Modul CPU (CPU-300) Ở bước 2 ta đã chọn Modul CPU-
314 Tuy nhiên ở bước này ta có thể khai báo Modul khác Trước hết ta phải xóa CPU cũ: chuột phải >> Delete >> Yes >> Yes
Ví dụ: Chọn CPU 312C (6ES7 312 5BD00 0AB0) Ta mở thư mục CPU 300
>>CPU 312C >> 6ES7 312 5BD00 0AB0 Sau đó kéo chuột vào Slot 2 và thả ta được như hình trên.
+ Slot 3: Khai báo Modul giao tiếp giữa các rack IM (IM-300) Nếu mở rộng quá
8 Modul tín hiệu (hết 1 rack) mà vẫn cần mở rộng thêm thì phải khai báo thêm Modul giao tiếp nếu không thì để trống.
Để mở rộng khả năng kết nối cho hệ thống, từ Slot 4 đến Slot 10, cần khai báo Modul tín hiệu (SM-300) Nếu các cổng vào/ra tích hợp trên CPU không đủ đáp ứng yêu cầu công nghệ, việc thêm các modul mở rộng là cần thiết Ví dụ, có thể thêm modul mở rộng với 16 đầu vào và 16 đầu ra số để tăng cường hiệu suất hệ thống.
+ Slot 11: Khai báo Modul truyền thông (CP-300) Nếu không nối mạng PLC thì slot này để trống
Xóa Modul cũ Thêm modul CPU khác
Hình 3 2 : Thêm modul Modul mở rộng SM323 16DI/16DO vào slot4
- Cách viết chương trình : Click đúp vào khối OB1 và chọn ngôn ngữ thích hợp để lập trình
- Để thuận tiện cho việc quản lý các biến vào/ra ta sẽ gán Symbols cho chúng.
Từ cửa sổ viết chương trình OB1 vào Options >> Symbols Table Sau đó khai báoSymbols và nhấn nút “Save”
*Viết chương trình điều khiển :
Mô phỏng hệ thống trên Factory IO
3.2.1 Giới thiệu phần mềm Factory IO
Hình 3 3 : Phần mềm Factory IO
Phần mềm Factory IO của Real game là 1 phần mềm mô phỏng dùng trong mô phỏng hệ thống PLC và training về kỹ năng lập trình PLC. Ưu điểm:
+ Giao diện 3D, góc nhìn đa dạng ( hỗ trợ góc nhìn 1st như các game hành động ) + Kết nối đựơc nhiều loại PLC thực khác nhau
Thiết kế xây dựng nhà máy hiện đại bao gồm hơn 30 loại linh kiện như cảm biến, băng chuyền, nút nhấn, pusher, elevator và robot arm Sự đa dạng của các linh kiện này sẽ tiếp tục được mở rộng trong tương lai, mang lại hiệu quả và tính linh hoạt cao cho quy trình sản xuất.
+ Mô tả 1 hệ thống nhà máy ảo với các sensors và actuators (tín hiệu analog hoặc digital).
+ Đánh lỗi (pan) ngắn mạch hoặc hở mạch, phù hợp cho giảng dạy.
Các hệ thống có thể xây dựng được:
+ Phân loại hàng hóa theo kích thước…
+ Sắp xếp hàng lên palet…
+ Vận chuyển hàng bằng elevator…
- Một số hình ảnh thành phần của hệ thống :
Hình 3 4 : Băng truyền trục lăn và động cơ
Hình 3 5 : Băng tải và động cơ
Hình 3 8 : Cảm biến phát hiện vật
+ Sử dụng PLC Siemens S7 300 với 16 ngõ vào và 16 ngõ ra digital (ngõ vào và ngõ ra số).
+ Sử dụng một số nút nhấn ON , OFF, Reset Cùng với các đèn báo trạng thái. + Sử dụng cảm biến quang phát hiện vật.
+ Sử dụng bằng chuyền trục lăn, băng tải, tay đẩy gạt sản phẩm lỗi cùng với cánh tay trụ phân loại sản phẩm.
- B1 : Tiến hành kết nối PLC với phần mềm mô phỏng
Chọn File => Driver => CONFIGURATION và cài các thông số như hình dưới
Cài đặt và chọn thông số như hình :
- Bước 2 : Tiến hành ghép nối chân mô phỏng bằng cách kéo thả các Dock All Tag như hình :
- Bước 3 : Quay trở về màn hình chính chọn mục Palette window để xây dựng mô hệ thống.
- Sau khi tiến hành ghép các Palette window ta được mô hình như sau :
Hình 3 10: Mô hình toàn bộ hệ thống
Hình 3 11 : Công đoạn phân loại sản phẩm lỗi
Hình 3 12: Công đoạn phân loại sản phẩm
Hình 3 13 : Công đoạn cho sản phẩm vào Pallet
3.3.3 Kết quả khi chạy mô phỏng hệ thống
Hình 3 14 : Hệ thống thực hiện việc chọn lọc sản phẩm
Hình 3 15: Hệ thống băng tải phụ chờ
