CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG
Giới thiệu 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:
S7-1200 là dòng PLC nổi bật, chuyên kiểm soát các ứng dụng tự động hóa với thiết kế nhỏ gọn và chi phí hợp lý Với khả năng lập trình mạnh mẽ, S7-1200 mang lại giải pháp tối ưu cho các nhu cầu tự động hóa hiện đại.
-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 có tính năng bảo vệ bằng mật khẩu để ngăn chặn truy cập trái phép vào PLC, cùng với tính năng "bảo vệ know-how" nhằm bảo vệ các block đặc biệt Dòng S7-1200 được trang bị cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP, đồng thời cho phép mở rộng kết nối thông qua các module truyền thông RS485 hoặc RS232.
Bộ phận kết nối nguồn
Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các nắp che)
Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên
Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp
Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU).
Các loại CPU khác nhau mang đến nhiều tính năng và dung lượng, giúp người dùng phát triển các giải pháp hiệu quả cho nhiều ứng dụng đa dạng.
Họ S7-1200 cung cấp nhiều module tín hiệu và bảng tín hiệu, cho phép mở rộng dung lượng của CPU Ngoài ra, người dùng có thể lắp đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông đa dạng.
Phần mềm lập trình cho S7-1200 hỗ trợ ba ngôn ngữ chính là FBD, LAD và SCL, và được tích hợp trong TIA Portal 11 của Siemens.
Trong hệ thống tự động, PLC đóng vai trò như trái tim của hệ thống điều khiển Nó thực hiện chương trình ứng dụng điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ, thường xuyên giám sát tình trạng hệ thống thông qua tín hiệu phản hồi từ thiết bị đầu vào Dựa vào chương trình này, PLC xác định các tiến trình hoạt động cần thiết cho các thiết bị xuất.
PLC có khả năng điều khiển các nhiệm vụ đơn giản lặp đi lặp lại hoặc kết nối nhiều nhiệm vụ thông qua thiết bị điều khiển chủ hoặc máy tính chủ khác Qua mạng giao tiếp, PLC giúp tích hợp và điều khiển các quy trình phức tạp một cách hiệu quả.
Thiết bị đầu vào đóng vai trò quan trọng trong sự thông minh của hệ thống tự động, nhờ vào khả năng của PLC trong việc đọc tín hiệu từ các cảm biến và thiết bị nhập tay như nút nhấn, bàn phím, và chuyển mạch Để thực hiện các phép đo và kiểm tra như chuyển động, áp suất, và lưu lượng chất lỏng, PLC cần nhận tín hiệu từ các cảm biến như công tắc hành trình và cảm biến quang điện Tín hiệu đưa vào PLC có thể là tín hiệu số (digital) hoặc tín hiệu tương tự (analog), và chúng được giao tiếp với PLC thông qua các module nhận tín hiệu vào như DI (Digital Input) hoặc AI (Analog Input).
Thiết bị đầu ra là yếu tố quan trọng trong hệ thống điều khiển, cho phép giao tiếp với các thiết bị bên ngoài như motor, role, van khí nén và đèn báo Các thiết bị này được kết nối với các cổng ra của module, bao gồm DO (Digital Output) và AO (Analog Output), giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và thực tiễn.
Sự ra đời của bộ lập trình PLC vào những năm 1960 và 1970 đã đánh dấu cuộc cách mạng công nghiệp, thay thế các máy móc tự động điều khiển bằng rơle cơ điện Trước đây, các rơle này được lắp đặt cố định trong bảng điều khiển cồng kềnh, với các kết nối phức tạp và hạn chế về tiếp điểm Việc đi dây điện thường gặp khó khăn, và khi có sự cố, máy phải ngừng hoạt động để thực hiện hiệu chỉnh hoặc thay thế Điều này đòi hỏi kỹ thuật viên phải được đào tạo bài bản để giải quyết các vấn đề của hệ thống điều khiển, gây tốn kém về thời gian và nguồn lực Nhìn chung, bộ điều khiển rơle cổ điển thiếu tính linh hoạt và không thể thay thế hiệu quả.
Cùng với sự tiến bộ của phần cứng và phần mềm, PLC ngày càng được nâng cao về tính năng và lợi ích trong hoạt động công nghiệp, đồng thời khắc phục hầu hết những hạn chế của các bộ điều khiển cổ điển.
- Hệ thống dây nối giảm đến 80% làm giảm giá thành đầu tư.
Bộ điều khiển lập trình PLC có cấu trúc đơn giản và thiết kế nhỏ gọn, cung cấp nhiều bộ nhớ và số lượng I/O hơn Điều này giúp nâng cao khả năng ứng dụng, cho phép người sử dụng giải quyết hiệu quả các vấn đề trong quá trình tự động hóa.
Chịu đựng được trong môi trường công nghiệp.
- Tiết kiệm thời gian, chi phí lắp đặt, độ tin cậy cao và khả năng điều khiển linh hoạt hơn.
- Ngôn ngữ lập trình động.
Một PLC bao gồm một bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ để lưu trữ chương trình ứng dụng và các module giao tiếp vào/ra
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển lập trình PLC
2.1.5 Nguyên lý hoạt động của CPU
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC bằng cách đọc và kiểm tra chương trình trong bộ nhớ, sau đó thực hiện từng lệnh để điều chỉnh các đầu ra Các trạng thái ngõ ra được gửi 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 PLC hoạt động dựa trên mã máy với hệ thống số nhị phân, cho phép tốc độ quét vòng chương trình đạt vài phần ngàn giây Các phần mềm lập trình PLC tích hợp chức năng biên dịch, chuyển đổi mã sang dạng máy và ghi các bit “0” hoặc “1” vào vị trí đã được quy định trong PLC, trước khi trình biên dịch trả chương trình lên màn hình Monitor.
Hệ thống Bus là tuyến 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 Modul khác nhau. + Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.
Bus điều khiển trong PLC truyền tín hiệu định thì và điều khiển các hoạt động đồng bộ Dữ liệu giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra được trao đổi qua Data Bus Address Bus và Data Bus có 8 đường, cho phép truyền 8 bit của 1 byte đồng thời Khi một modul đầu vào nhận địa chỉ trên Address Bus, nó sẽ gửi trạng thái đầu vào qua Data Bus Tương tự, modul đầu ra nhận dữ liệu từ Data Bus khi có địa chỉ byte trên Address Bus Control Bus theo dõi chu trình hoạt động của PLC bằng cách chuyển các tín hiệu điều khiển Địa chỉ và số liệu được chuyển trên các Bus trong thời gian hạn chế, hỗ trợ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Ngoài ra, CPU nhận xung Clock có tần số từ 1 đến 8 MHz, quyết định tốc độ hoạt động và đồng hồ của hệ thống.
Vòng quét của chương trình:
PLC thực hiện các công việc theo chu trình lặp, được gọi là vòng quét (scancycle) Mỗi vòng quét bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới bộ đệm ảo I, sau đó thực hiện chương trình từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 Sau khi thực hiện chương trình, nội dung của bộ đệm ảo Q được chuyển tới các cổng ra số Cuối cùng, vòng quét kết thúc với việc xử lý các yêu cầu truyền thông (nếu có) và kiểm tra trạng thái của CPU.
Tổng quan về HMI Siemen
- HMI là từ viết tắt của Human-Machine-Interface, có nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành thiết kế với máy móc thiết bị.
HMI, hay giao diện người-máy, là bất kỳ phương thức nào mà con người tương tác với máy móc Ví dụ, màn hình cảm ứng trên lò vi sóng, hệ thống điều khiển số trên máy giặt, và bảng điều khiển lựa chọn phần mềm từ xa trên TV đều là những ứng dụng của HMI.
Trước đây, bộ truyền và cảm biến hầu như không được trang bị HMI, nhiều thiết bị thậm chí không có hiển thị cơ bản Nhiều thiết bị chỉ cung cấp tín hiệu đầu ra mà không có màn hình, trong khi một số khác chỉ có HMI thô sơ với một hoặc mười phím nhỏ Rất ít thiết bị hiện trường, cảm biến và bộ phân tích có bảng HMI thực sự với khả năng hiển thị đồ họa tốt, cách nhập dữ liệu và lệnh đơn giản, dễ hiểu, cùng với cửa sổ có độ phân giải cao cho quá trình.
HMI sử dụng máy tính và màn hình hiển thị gặp nhiều hạn chế trong phòng điều khiển do các linh kiện như mạch máy tính, màn hình và ổ đĩa dễ bị hỏng Để khắc phục, vỏ bọc đã được phát triển cho HMI, cho phép đặt máy tính bên ngoài sàn nhà máy Tuy nhiên, thiết kế này thường cồng kềnh và dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và sự cố khác tại sàn nhà máy.
HMI máy tính trước đây cũng tiêu thụ rất nhiều điện năng Một máy tính
“desktop” thông thường trong những năm 80 của thế kỷ 20 có công suất 200 W.
- Hỗ trợ người vận hành
Khi tự động hóa tại sàn nhà máy gia tăng, người điều khiển cần nhiều thông tin hơn về quá trình, dẫn đến yêu cầu hiển thị và điều khiển phức tạp hơn Một trong những tiến bộ đáng chú ý là việc sử dụng màn hình cảm ứng, cho phép người điều khiển chỉ cần chạm vào các phần của màn hình để thực hiện các hoạt động hoặc nhận thông tin hiển thị Điều này loại bỏ sự cần thiết của bàn phím, chuột và cần điều khiển, ngoại trừ trong những trường hợp lập trình phức tạp hiếm gặp, thường được thực hiện trong quy trình rửa trôi.
Một ưu điểm nổi bật của màn hình tinh thể lỏng là chiếm ít không gian và mỏng hơn so với màn hình CRT, cho phép sử dụng trong những không gian hạn chế Điều này đặc biệt hữu ích trong các máy tính nhúng có kích thước nhỏ gọn, giúp thay thế màn hình hai đường trên các thiết bị thông thường hoặc trên bộ truyền với giao diện người dùng (HMI) đầy đủ tính năng.
Người điều khiển thường làm việc trong không gian hạn chế tại nhà máy, nơi mà việc di chuyển gặp nhiều khó khăn do thiếu chỗ cho các công cụ, phụ tùng và HMI cỡ lớn Do đó, việc sử dụng HMI di động là cần thiết để cải thiện hiệu quả làm việc và tối ưu hóa không gian.
- Thiết bị HMI truyền thống
- Thiết bị HMI hiện đại
Thiết bị HMI truyền thống:
• Thiết bị nhập thông tin: công tắc chuyển mạch, nút bấm…
• Thiết bị xuất thông tin: đèn báo, còi, đồng hồ đo, các bộ tự ghi dùng giấy.
- Thông tin không đầy đủ, chính xác
- Khả năng lưu trữ thông tin hạn chế
- Độ tin cậy và ổn định thấp
Thiết bị HMI hiện đại:
HMI trên nền PC và Windows/MAC: SCADA.
HMI trên nền các máy tính nhúng: HMI chuyên dụng
Ngoài ra còn có một số loại HMI biến thể khác: Mobile HMI dung Palm, PoketPC.
- Tính đầy đủ, kịp thời và chính xác của thông tin
- Tính mềm dẻo, dễ thay đổi, bổ xung thông tin cần thiết
- Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa.
- Tính “mở”: có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại giao thức.
- Khả năng lưu trữ cao.
Giới thiệu về cảm biến trong hệ thống
2.3.1 Giới thiệu về cảm biến trọng lượng
Loadcell là một loại cảm biến lực được sử dụng để đo khối lượng, hoạt động dựa trên nguyên lý biến dạng Khi một lực chưa biết tác động lên bộ phận đàn hồi, sự biến đổi của bộ phận này sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện tương ứng với giá trị của lực đó.
Bộ phận chính của loadcell là các tấm điện trở mỏng, được dán lại với nhau Những tấm điện trở này hoạt động như những điện trở, và khi có sự biến dạng, chúng sẽ tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với mức độ thay đổi của điện trở Mạch phổ biến nhất được sử dụng trong loadcell là cầu Wheatstone.
Cầu Wheatstone là mạch phổ biến nhất để đo biến thiên điện trở nhỏ, tối đa 10%, thường được sử dụng trong các miếng đo biến dạng Hầu hết thiết bị đo đạc trên thị trường hiện nay đều dựa trên phiên bản của cầu Wheatstone đã được tối ưu hóa Do đó, việc hiểu nguyên lý cơ bản của mạch này là rất quan trọng.
Mạch cầu Wheatstone bao gồm bốn điện trở giống nhau R1, R2, R3, R4, tạo thành một cấu trúc cân bằng Khi bỏ qua các số hạng bậc cao, hiệu điện thế đầu ra Em có thể đo được thông qua thiết bị với trở kháng Zm.
Với: - Ġ là biến đổi đơn vị của mỗi điện trở Ri
- R là điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R1, R2, R3, R4 (thường là 120 ohms, nhưng có thể là 350 ohms dành cho các bộ cảm biến).
V là hiệu thế nguồn, có thể là điện thế liên tục nếu sử dụng nguồn năng lượng ổn định Tuy nhiên, nhiều thiết bị trên thị trường lại sử dụng nguồn cung cấp xoay chiều, do đó cần điều chỉnh mạch cơ bản để giải điều chế các thành phần xoay chiều của tín hiệu.
Trong hầu hết các trường hợp, Zm có giá trị lớn hơn nhiều so với R, chẳng hạn như trong các mạch Volt kế số và bộ khuếch đại với phần nối trực tiếp Do đó, biểu thức có thể được đơn giản hóa.
Phương trình trên chỉ ra rằng hai điện trở đối diện, như R1 và R3, sẽ cộng lại với nhau, trong khi hai điện trở kề bên, như R1 và R2, sẽ có tác động trừ khử nhau Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được áp dụng để đảm bảo tính ổn định nhiệt cho các mạch miếng đo và cho các thiết kế đặc biệt.
2.3.1.2 Các loại loadcell cơ bản
Load cell là cảm biến sức căng chuyển đổi thành tín hiệu điện, thường có đầu ra từ 1 đến 3 mV/V Tín hiệu này được xử lý bởi các thiết bị đo lường như bộ chỉ thị, cho phép tổng hợp kết quả từ nhiều load cell Các thiết bị đo lường hiện đại thường tích hợp bộ khuếch đại tín hiệu, chuyển đổi ADC và vi xử lý với phần mềm, giúp tính toán và hiển thị kết quả lên màn hình Ngoài ra, nhiều thiết bị còn hỗ trợ giao tiếp với máy tính hoặc máy in để nâng cao khả năng sử dụng.
* Ưu điểm và nhược điểm:
Công nghệ này mang lại nhiều ưu điểm nhờ vào việc đáp ứng nhu cầu thực tế, với các tham số được xác định trước, giúp thiết kế sản phẩm phù hợp cho từng ứng dụng của người dùng Các phần tử cảm ứng có kích thước và hình dạng đa dạng, đáp ứng yêu cầu cụ thể của ứng dụng Một số dạng phổ biến bao gồm dạng kéo (shear), dạng uốn (bending) và dạng nén (compression).
Nhược điểm của load cell là tín hiệu điện áp đầu ra rất nhỏ, thường không vượt quá 30mV Những tín hiệu này dễ bị ảnh hưởng bởi nhiều loại nhiễu trong môi trường công nghiệp.
Nhiễu điện từ phát sinh từ việc truyền phát tín hiệu điện trong môi trường xung quanh, bao gồm cả tín hiệu vô tuyến trong không gian và quá trình đóng cắt của thiết bị chuyển mạch công suất lớn Thêm vào đó, sự thay đổi điện trở của dây cáp dẫn tín hiệu cũng bị ảnh hưởng bởi biến động nhiệt độ môi trường.
Để đảm bảo độ chính xác của hệ thống, cần rút ngắn khoảng cách giữa load cell và thiết bị đo lường Một giải pháp phổ biến là giảm dung sai đầu ra của load cell, nhưng công nghệ hiện tại có giới hạn không cho phép giảm quá nhiều Khi nối song song nhiều load cell, mỗi load cell hoạt động độc lập, vì vậy để đảm bảo giá trị đọc nhất quán, cần tạo tải kiểm tra như cân tank hoặc cân xilô.
Tín hiệu ra chung của hệ thống load cell thường không ổn định và phụ thuộc vào vị trí, đòi hỏi phải chỉnh định đầu ra cho từng load cell riêng biệt, gây tốn kém thời gian, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao Hệ thống này gặp khó khăn do tín hiệu truyền dẫn yếu, dễ bị tiêu hao và ảnh hưởng bởi nhiều loại nhiễu, nhất là trong môi trường khắc nghiệt của nhà máy Các bộ hiển thị hiện tại thường sử dụng vi xử lý tốc độ thấp và thiếu khả năng tính toán mạnh mẽ, dẫn đến các thuật toán chỉnh định không triệt để và chưa có tính năng bù sai lệch do nhiệt độ Hơn nữa, chức năng lọc nhiễu điện từ trường của các thiết bị này còn kém, dễ dẫn đến việc không phát hiện được load cell lỗi, và khi phát hiện, việc xác định load cell nào gặp sự cố cũng rất khó khăn.
- Môi trường hoạt động quá kín
Việc mô hình hóa trong phân tích và thiết kế gặp khó khăn do không thể dự đoán trước các yếu tố ảnh hưởng, trong khi điều kiện làm việc và thiết bị đo tại mỗi địa điểm lại khác nhau Thêm vào đó, tần số lấy mẫu thấp cũng là một yếu điểm, khiến cho các ứng dụng yêu cầu lực tác động biến đổi nhanh, như trong các hệ thống cân bằng liên tục, không thể áp dụng hiệu quả.
* Khái niệm, sự ra đời: Thời gian ra đời: Từ cuối những năm 1970
Về cơ bản load cell số là sự tích hợp giữa load cell tương tự với công nghệ điện tử hiện đại.
Khi khái niệm load cell số ra đời, nhiều người nhầm tưởng rằng các load cell này có thể nâng cấp từ chất lượng thấp lên chất lượng cao nhờ vào các phần tử điện tiêu hao thấp Tuy nhiên, thực tế cho thấy mỗi load cell số đều có cấu trúc phức tạp riêng, không đơn giản như nhiều người nghĩ.
- Thứ nhất: Phải có một load cell cơ bản với độ chính xác, độ ổn dịnh và khả năng lặp lại rất cao trong mọi điều kiện làm việc.
- Thứ hai: Phải có một bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) 16 đến 20 bit tốc độ cao để chuyển đổi tín hiệu điện tương tự sang dạng số.
Các phần tử chấp hành
Hình 2.9 Van điện 5/2 Thông số kỹ thuật :
- Áp suất hoạt động: 0.15 - 0.8 MPa.
- Loại van 5 cửa 2 vị trí.
- Nhiệt độ hoạt động: 5~50oC.
Lý do nhóm quyết định dùng van là do van có sẵn trên thị trường giá thành rẻ hoat động ổn định
Van tiết lưu là thiết bị thiết yếu trong các ngành công nghiệp, giúp điều chỉnh dòng chảy của môi chất trong hệ thống Khi môi chất đi qua các van, áp suất sẽ giảm do sự hình thành dòng xoáy và các cản trở như ống mao dẫn hoặc chính van tiết lưu Mức độ giảm áp suất này phụ thuộc vào tính chất và trạng thái của môi chất, độ co hẹp của ống, cũng như tốc độ dòng khí.
Quá trình tiết lưu có thể làm giảm hiệu suất của chất môi giới, điều này gây ra ảnh hưởng tiêu cực Tuy nhiên, đôi khi cần thiết phải tạo ra các quá trình tiết lưu để điều chỉnh công suất của thiết bị sử dụng hơi nước, đo lưu lượng và giảm áp trong hệ thống làm lạnh Khi khí đi qua lỗ tiết lưu, tốc độ dòng khí sẽ tăng lên, nhưng sau khi ra khỏi lỗ, tốc độ giảm và áp suất tăng, mặc dù không đạt mức ban đầu Sự thay đổi về vận tốc này dẫn đến việc khối lượng riêng của khí tăng do áp suất giảm.
Sử dụng van tiết lưu giúp điều chỉnh tốc độ di chuyển của xy lanh, đảm bảo hoạt động êm ái và bảo vệ xy lanh khỏi va đập mạnh.
Cơ cấu chấp hành chuyển đổi năng lượng áp suất khí nén thành năng lượng cơ học, thực hiện được hai loại chuyển động: chuyển động thẳng thông qua xylanh và chuyển động quay nhờ động cơ khí nén.
- Xylanh tác động hai chiều (xylanh tác động kép)
Nguyên lý hoạt động của xylanh tác dụng 2 chiều (tác dụng kép) là áp suất khí nén được dẫn vào cả 2 phía của xylanh.
Hình 2.11 Xylanh tác dụng 2 chiều
1 cửa nối mặt đáy pittông, 2 cửa nối mặt trước của pittông, 3 mặt trước pittông,
5 bề mặt xylanh, 6 bề mặt pittông, 7 diện tích cần pitttông, 8 đáy xylanh, 9 nắp xylanh. Xylanh tác động 2 chiều, không có bộ phận giảm chấn ở cuối khoảngchạy
Hình 2.12 Xylanh tác dụng hai chiều không có giảm chấn Trọng hế thống sử dụng 3 xinh lanh kép thuộc 2 dòng :
Xy lanh khí nén SMC dòng CM2.
Hình 2.13 Xylanh khí nén SMC dòng CM2
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật xylanh nén khí SMC dòng CM2 Kích thước nòng (mm) 20, 25, 32, 40 mm
Hành trình tiêu chuẩn 25, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300 mm
Tác động Hai tác động, một trục Áp suất phá hủy 1.5 MPa Áp suất hoạt động tối đa 1.0 MPa Áp suất hoạt động tối thiểu 0.05 MPa
Nhiệt độ lưu chất và môi trường Không có cảm biến: -10oC đến 70oC, có cảm biến: -10oC đến
Dầu bôi trơn Không cần thiết
Dung sai hành trình 0 đến +1.4 mm
Tốc độ piston 50 đến 750 mm/s
Giảm chấn Cao su, đệm khí Động năng cho phép Từ 0.27 – 11.8 J
Gá chân đế, mặt bích đuôi, mặt bích đầu, clevis đơn và clevis đôi là những thành phần cơ bản trong hệ thống kết nối Ngoài ra, trunnion đầu và trunnion đuôi cũng đóng vai trò quan trọng, cùng với clevis tích hợp và clevis tích hợp 90 độ Bên cạnh đó, boss-cut cơ bản, boss-cut mặt bích đuôi và boss-cut trunnion đuôi là các yếu tố không thể thiếu trong thiết kế và lắp đặt.
* Xy lanh khí nén SMC dòng CJ2.
Hình 2.14 Xy lanh khí nén SMC dòng CJ2
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật xy lanh khí nén SMC dòng CJ2 Kích thước nòng 10/16 mm
Kiểu tác động Hai tác đô ̣ng, 1 trục
Lưu chất khí nén được sử dụng trong ổ trục cơ bản với thiết kế bossed hai bên Các loại gá bao gồm gá clevis đôi, gá chân đơn, gá chân đôi và gá mặt bích đầu Áp suất phá hủy là 1 Mpa, trong khi áp suất hoạt động tối đa đạt 0.7 Mpa và áp suất hoạt động tối thiểu là 0.06 Mpa.
Nhiệt độ lưu chất và môi trường -10 ~ 70 0 C (không đóng băng)
Tùy chọn vòng từ Tùy chọn có vòng từ hoặc không có vòng từ
ĐO KHỐI LƯỢNG BẰNG XỬ LÝ TÍN HIỆU ANALOG TRONG PLC S7-1200
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân định lượng
3.1.1 Tính toán, lựa chọn các chi tiết cơ khí
Thiết kế hệ thống băng truyền.
Hình 3.1 Sơ đồ thiết kế toàn bộ hệ thống băng truyền
Hình 3.2 Sơ đồ thiết kế băng truyền Băng tải 1:
- Chiều dài băng tải :406mm
- Chiều rộng băng tải:78mm
- Gồm có hai con lăn đặt ở vị trí hai đầu băng truyền.Hai con lăn truyền lực và kéo băng truyền.
- Mặt băng tải được làm băng cao su quấn tròn xung quanh hai con lăn Sản phẩm được đặt chạy trên băng truyền.
Hình 3.3 Kích thước băng truyền 1
Hình 3.4 Kích thước băng truyền 2 Băng tải 2 :
- Chiều dài băng tải:606mm
- Chiều rộng băng tải:78mm
- Gồm có hai con lăn đặt ở vị trí hai đầu băng truyền.Hai con lăn truyền lực và kéo băng truyền.(thêm kích thước)
- Mặt băng tải được làm băng cao su quấn tròn xung quanh hai con lăn Sản phẩm được đặt chạy trên băng truyền
Hình 3.5 Kích thước băng truyền 2
Hình 3.6 Hệ thống cân băng định lượng
Hệ thống cân định lượng sử dụng PLC S7-1200 gồm:
- Băng tải 1 vận chuyển phôi
- Băng tải 2 phân loại sản phẩm
- Bàn cân sử dụng cảm biến trọng lượng loadcell
- Các phần tử chấp hành: xylanh, động cơ 1 chiều DC, cảm biến quang, encorder.
Hình 3.7 Băng tải vận chuyểnBăng tải vận chuyển sẽ vận chuyển phôi từ ngoài vào bàn cân.
Hình 3.8 Băng tải phân loại Băng tải phân loại đẩy phôi vào các ngăn chứa thông qua tín hiệu điều khiển, cảm biến phát hiện vật, xy lanh.
- Ngăn 2 chứa phôi >500g và nhỏ hơn 1200g
Khi phôi được đặt lên bàn cân định lượng, lực tác động lên loadcell gây ra biến dạng cho thân loadcell Điều này làm cho 2 trong 4 điện trở Strain gauge bị nén, trong khi 2 điện trở còn lại bị kéo căng, dẫn đến sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại Sự thay đổi này làm thay đổi giá trị của các điện trở Strain gauge, từ đó ảnh hưởng đến điện áp đầu ra, thường rất nhỏ (0-20mV/V) Để đo lường và số hóa tín hiệu này, cần phải khuếch đại nó lên mức 0-10V.
3.1.2 Xử lý tín hiệu analog trong PLC S7-1200
Hình 3.10 minh họa sơ đồ nguyên lý của hệ thống cân định lượng Nguyên lý hoạt động của hệ thống này bắt đầu khi băng tải di chuyển vật, tín hiệu từ Loadcell sẽ được truyền vào mạch khuếch đại Sau đó, tín hiệu này được chuyển đổi qua bộ chuyển đổi A/D và xử lý bởi CPU, nhằm tính toán và chia trung bình khối lượng vật trên bàn cân để tăng độ chính xác Kết quả sẽ được hiển thị trên giao diện HMI Để đọc và xuất tín hiệu analog trong S7 1200, chúng ta sử dụng hàm NORM_X và hàm SCALE_X.
Hàm NORM_X (Normalize) cho phép bạn bình thường hóa các giá trị của biến đầu vào bằng cách ánh xạ chúng vào một hàm scale tuyến tính Bạn có thể xác định giới hạn của dãy giá trị trong hàm scale thông qua các tham số MIN và MAX Kết quả đầu ra OUT sẽ được tính toán và lưu trữ dưới dạng số chấm động (floating-point).
Hàm NORM_X được làm việc theo biểu thức sau:
OUT = (VALUE – MIN) / (MAX – MIN) Thông số của hàm NORM_X:
Bảng 3.1 Thông số của hàm NORM_X
- Min: là giá trị min của dải tín hiệu mã hóa của PLC
- Max: là giá trị max của dải tín hiệu mã hóa của PLC
- Value (IW64): là giá trị mã hóa tín hiệu tương tự.
- Out (%MD101): điện áp ra ( số thực)
Out = (Value - Min) / (Max - Min) - Hàm SCALE_X:
Hàm SCALE_X cho phép người dùng điều chỉnh giá trị đầu vào bằng cách ánh xạ nó vào một dải giá trị xác định Khi thực hiện hàm SCALE, giá trị số thực tại đầu vào sẽ được giới hạn trong khoảng do tham số MIN và MAX xác định Kết quả cuối cùng, một số thực, sẽ được lưu trữ ở ngõ ra OUT.
Hàm SCALE_X được làm việc theo biểu thức sau:
OUT = [VALUE ∗ (MAX – MIN)] +MINThông số của hàm SCALE_X:
Bảng 3.2 Thông số của hàm SCALE_X
- Min (g ): Giá trị min trọng lượng dải đo cảm biến loadcell.
- Max (g ): Giá trị max trọng lượng dải đo cảm biến loadcell.
- Value (%MD101): Giá trị điện áp vào.
- Out (%MD105): Giá trị khối lượng đo được.
Công thức tính: Điện áp đầu vào PLC: x = (v) Khối lượng :
Out = [Value*(Max - Min)] + Min = %MD101*3000 (g)
Tính chọn cảm biến và loadcell
* Lựa chọn loadcell và phụ kiện
Khi lựa chọn loadcell thì các thông số cần quan tâm:
- Chọn loại tương tự hay số.
- Các thông số mV/V, tín hiệu vào ra, tầm sử dụng tải
- Kết cấu của ứng dụng: lực tập trung, lực phân bố, tải trọng tĩnh, tải trọng động
- Phương pháp cân: chất lỏng, chất rắn, cân kiểm tra, cân định lượng, cân phân loại, cân gián tiếp, liên tục,
- Thiết bị đọc tín hiệu: Indicator, PLC, Micro Controler, PC,
- Xử lý tín hiệu: ADC, mạch lọc, mạch phân tích, chống rung, khử xung nhiễu, khử quán tính, ghép các loại loadcell, giải thuật, độ chính xác, hiệu chỉnh.
Dựa trên các thông số và nghiên cứu các loại Loadcell hiện có trên thị trường, chúng tôi đã chọn sử dụng Loadcell dạng thanh cho hệ thống định lượng Loại Loadcell này phù hợp với thiết kế cơ khí và có khả năng chịu trọng tải tốt, đáp ứng yêu cầu của đề tài.
Hình 3.11 Loadcell dạng thanhBảng 3.3 Thông số loadcell 3kg
+ Excitation (Điện áp kích thích) : là đầu vào dương của điện áp cung cấp
- Excitation là đầu vào âm của điện áp cung cấp
+ Output là tín hiệu ra dương của loadcell
- Output là tín hiệu ra âm của loadcell
+ Sense và - Sense là các dây dẫn nối trực tiếp với Exciation
Hình 3.13 Sơ đồ dây loadcell
3.2.3 Chống quá tải cho loadcell
* Nguyên nhân gây quá tải và sai số:
- Điện áp đầu vào vượt quá ngưỡng cho phép: gây sai số lớn trong việc đo lường, ngoài ra gây hiện tượng đoản mạch, làm hỏng loadcell.
Khi đo lực vượt quá giới hạn của loadcell, sẽ xảy ra sai số lớn và có thể gây hỏng phần cứng, ảnh hưởng đến tuổi thọ của thiết bị.
- Do sơ xuất trong lắp ghép có thể khiến loadcell không hoạt động hoặc hoạt động cho kết quả sai.
- Ngoài ra còn có nhiều vấn đề ảnh hưởng đến tuổi thọ và độ chính xác của loadcell như: thời gian làm việc, chế độ làm việc, bảo dưỡng.
Để đảm bảo loadcell hoạt động hiệu quả, cần hiểu rõ các thông số kỹ thuật của thiết bị và lắp đặt chính xác trong mạch đo Tránh tình trạng quá tải cho loadcell và thực hiện bảo trì định kỳ để duy trì hiệu suất.
3.2.4 Mạch khuếch đại loadcell cho PLC
* Điện áp làm việc: 12-24VDC
* Tín hiệu ngõ ra: 0-5V,0-10V, 4-20mA
* Tín hiệu đầu vào: độ nhạy cảm biến 2mV/V
* Độ ẩm hoạt động: 10% RH-90%RH ( không ngưng tụ)
* Độ chính xác: tốt hơn so với 0.2% FS
Bảng 3.4 Thông số mạch khuếch đại
Hình 3.14 Mạch khuếch đại loadcell
Hình 3.15 Sơ đồ kết nối mạch khuếch đại
Hình 3.16 Cảm biến quangBảng 3.5 Thông số định mức cảm biến quang
Hình 3.17 Sơ đồ đấu dây cảm biến quang
Thiết lập cấu hình phần cứng và chương trình điểu khiển
3.3.1 Thiết lập cấu hình phần cứng
B4: Bảng địa chỉ của các thành phần modul được tích hợp sẵn trong PLC S7-1200
Bảng 3.6 khối lượng thực tế đo được Nguyên liệu Khối lượng thực tế Khối lượng cân
