GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Trong bối cảnh cuộc sống công nghiệp hiện đại, con người mong muốn máy móc có khả năng thực hiện và hoàn thành công việc một cách hiệu quả Để đáp ứng nhu cầu này, các trường học đã tích cực đưa các yếu tố thực tiễn vào chương trình giảng dạy Ngoài việc truyền đạt lý thuyết, việc tổ chức các giờ thực hành là cần thiết để sinh viên có thể áp dụng kiến thức vào thực tế Trong các buổi thực hành, mô hình dạy học đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu.
Nhóm em đã chọn đề tài “Thiết kế và thi công mô hình chiết rót và đóng nắp chai nước tự động phục vụ cho dạy học” sử dụng PLC lập trình, nhằm thực hiện đồ án cơ điện tử.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Chiết rót và đóng nắp chai là quy trình quan trọng trong ngành sản xuất nước giải khát, nhưng việc làm thủ công hiện tại gặp nhiều hạn chế như năng suất thấp và không đồng đều Để nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí, việc áp dụng tự động hóa trong quy trình sản xuất là cần thiết Sử dụng dây chuyền tự động điều khiển bằng máy tính thay cho hệ thống lạc hậu không chỉ cải thiện hiệu quả sản xuất mà còn tiết kiệm thời gian và nguồn nhân lực.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu và thiết kế mô hình chiết rót đóng chai tự động:
Thiết kế cơ khí và thiết kế phần điều khiển cho mô hình Xây dựng thuật toán điều khiển cho chương trình
Đối tƣợng nghiên cứu
Thiết kế, chế tạo mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động theo hình ảnh và video thực tế Xây dựng chương trình điều khiển cho mô hình.
Phương pháp thực hiện
Tìm hiểu tài liệu: nhóm tìm hiểu các tài liệu liên quan thiết kế cơ khí, thiết kế mạch điện - điện tử, phần mềm viết chương trình
Tham khảo từ nhiều nguồn khác: từ hình ảnh, video thực tế, sự giúp đỡ trực tiếp của các giảng viên chuyên ngành thuộc Bộ môn Cơ điện từ
Phương pháp thực nghiệm và thử nghiệm là yếu tố quan trọng trong thiết kế và chế tạo thiết bị mô hình chiết rót đóng nắp chai Quá trình này không chỉ dựa vào lý thuyết mà còn yêu cầu thực hiện thi công thực tế để thu thập kinh nghiệm và khắc phục những thiếu sót.
Kết cấu đồ án
Đồ án gồm 7 chương với nội dung như sau:
Chương 1: Giới thiệu Giới thiệu lý do chọn đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài, mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Chương 2: Tổng quan đề tài Trình bày các bước thiết kế, giới thiệu về các thiết bị ứng dụng trong đề tài
Chương 3:Cơ sở lý thuyết Lý thuyết về các thiết bị cảm biến, động cơ điện, motor bơm nước, xylanh, rơle, van, PLC
Chương 4: Phương án thiết kế, thi công phần cứng, phần mềm Nêu những phương có thể thi công hình, lựa chọn phương án thi công đạt hiệu quả tối ưu nhất
Chương 5: Lưu đồ giải thuật và chương trình điểu khiển: Nêu các bước hoạt động của mô hình từ đó viết chương trình điều khiển phù hợp
Chương 6: Thực nghiệm – Đánh giá Tiến hành chạy mô hình thực tế đánh giá kết quả
Chương 7: Kết luận – Kiến nghị Đƣa ra kết luận và đề nghị
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu
Ngày nay, tự động hóa thiết bị trong các công ty, nhà máy ngày càng trở nên phổ biến và phát triển Ở những quốc gia có yêu cầu cao về cường độ làm việc và độ chính xác, máy móc sẽ thay thế con người nhưng vẫn cần sự giám sát Do đó, việc tự động hóa với trang thiết bị hiện đại là rất cần thiết Bên cạnh đó, phát triển phần mềm quản lý hệ thống trong ngành công nghiệp và điều khiển dây chuyền sản xuất qua các chương trình như WinCC, Visual Basic, Quick Basic, Turbol C++, Delphi cũng đóng vai trò quan trọng.
Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đã mang lại những biến chuyển mạnh mẽ và hiện đại cho thế giới Công nghệ tự động hóa đã phát triển, tạo ra nhiều dây chuyền sản xuất và thiết bị máy móc hiện đại với những ưu điểm vượt trội như độ chính xác cao, tốc độ nhanh, khả năng thích ứng và chuyên môn hóa, được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hiện đại.
Công nghệ tự động hóa đã phát triển thành một ngành kỹ thuật đa nhiệm, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao từ các lĩnh vực như công nghiệp, xây dựng, y tế và nông lâm nghiệp Sự ứng dụng của công nghệ này trong đời sống hàng ngày ngày càng trở nên phổ biến.
Trong ngành công nghiệp nước uống đóng chai, dây chuyền chiết rót và đóng nắp là một phần thiết yếu và vô cùng quan trọng Dưới đây là hình ảnh minh họa từ các nhà máy chiết rót và đóng nắp chai, thể hiện quy trình sản xuất hiện đại.
Hình 2.1 Dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai trà xanh
Hình 2.2 Dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai dầu gió
Hình 2.3 Máy chiết rót đóng nắp chai
Hình 2.4 Máy chiết rót đóng nắp chai bình 20 lít
Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai hiện nay rất đa dạng, có khả năng xử lý nhiều loại chai với kích thước và khối lượng khác nhau Quá trình này có thể được thực hiện bởi một hệ thống lớn hoặc một máy đơn lẻ, chứng tỏ sự tiến bộ trong công nghệ chế biến.
Công nghệ chiết rót và đóng nắp chai đang ngày càng phát triển, từ các hệ thống lớn đến những máy móc nhỏ gọn, thể hiện thành tựu vượt bậc của tự động hóa trong đời sống.
Tổng quan về tự động hóa quá trình sản xuất
Sử dụng năng lượng phi sinh vật như cơ, điện và điện tử để thực hiện một phần hoặc toàn bộ quá trình công nghệ, giảm thiểu sự can thiệp của con người.
Tự động hóa là quá trình áp dụng các hệ thống cơ khí, điện tử và máy tính để điều khiển sản xuất Công nghệ này bao gồm các công cụ máy móc tự động, máy móc lắp ráp tự động, người máy công nghiệp, hệ thống vận chuyển và điều khiển vật liệu tự động, cùng với hệ thống máy tính hỗ trợ việc soạn thảo kế hoạch, thu thập dữ liệu và ra quyết định trong sản xuất.
Phân loại tự động hóa
Hệ thống tự động hóa cứng là chuỗi các hoạt động xử lý hoặc lắp ráp cố định trên một cấu hình thiết bị, với các nguyên công đơn giản Sự hợp nhất và phối hợp các nguyên công này vào một thiết bị khiến hệ thống trở nên phức tạp Những đặc trưng chính của tự động hóa cứng bao gồm: đầu tư ban đầu cao cho các thiết kế theo đơn đặt hàng, năng suất máy cao và tính không linh hoạt trong việc thay đổi để thích ứng với sản phẩm mới.
2.3.2 Tự động hóa lập trình
Thiết bị sản xuất được thiết kế linh hoạt, cho phép thay đổi trình tự các nguyên công để phù hợp với nhiều cấu hình sản phẩm khác nhau.
Chuỗi hoạt động có thể được điều khiển bởi một chương trình, tức là một tập lệnh đƣợc mã hóa để hệ thống đọc và diễn dịch chúng
Các chương trình mới có thể được chuẩn bị và nhập vào thiết bị để tạo ra sản phẩm mới Tự động hóa lập trình có những đặc điểm nổi bật như: khả năng tự điều chỉnh cho các thiết bị đa năng, năng suất tương đối thấp so với tự động hóa cứng, sự linh hoạt trong việc thay đổi cấu hình sản phẩm mới, và tính phù hợp cao nhất cho sản xuất hàng loạt.
2.3.3 Tự động hóa linh hoạt
Hệ thống tự động hóa linh hoạt cho phép sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau mà không tốn thời gian chuyển đổi giữa các sản phẩm Nó không chỉ giảm thiểu thời gian sản xuất và lập trình lại, mà còn loại bỏ nhu cầu thay thế các cài đặt vật lý như công cụ và máy móc Hệ thống này có khả năng lên kế hoạch sản xuất kết hợp, mang lại hiệu quả cao hơn so với sản xuất riêng lẻ từng loại sản phẩm Đặc trưng của tự động hóa linh hoạt bao gồm đầu tư cao vào thiết bị, khả năng sản xuất liên tục các sản phẩm hỗn hợp, tốc độ sản xuất trung bình và tính linh hoạt trong việc thay đổi thiết kế sản phẩm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Động cơ điện một chiều
Động cơ một chiều có hộp giảm tốc
Hình 3.1 Động cơ có hộp giảm tốc
Sử dụng loại động cơ một chiều có hộp giảm tốc: nhằm giảm tốc độ và tăng moment kéo của hệ thống
Thông số kỹ thuât: Điện áp : 24VDC, Tốc độ: 70 vòng/ phút
Động cơ một chiều có encoder:
Động cơ một chiều gắn hộp giảm tốc có moment lớn, giúp tăng lực xoắn trong quá trình vặn chặt nắp chai Hình ảnh dưới đây minh họa động cơ sử dụng trong mô hình đóng nắp.
Hình 3.2 Động cơ encoder Thông số kỹ thuât: Điện áp : 24VDC Tốc độ: 70 vòng/ phút.
Motor bơm nước
Hình 3.3 Motor bơm nước 24VDC
Khi máy bơm hoạt động, bánh công tác quay làm cho các phần tử chất lỏng bị văng ra ngoài dưới tác động của lực ly tâm, di chuyển qua các máng dẫn và vào ống đẩy với áp suất cao hơn, tạo nên quá trình đẩy của bơm Đồng thời, áp suất trong bể chứa lớn hơn áp suất ở lối vào của máy bơm, khiến chất lỏng từ bể hút liên tục được đẩy vào bơm qua ống hút, đó là quá trình hút Quá trình hút và đẩy của bơm diễn ra liên tục, tạo ra dòng chảy ổn định Bộ phận dẫn hướng, thường có hình dạng xoắn ốc, giúp điều hòa và ổn định dòng chảy từ bánh công tác đến ống đẩy, đồng thời chuyển đổi một phần động năng thành áp năng cần thiết.
Thông số kỹ thuât: Điện áp : 24VDC.
Van đảo chiều
Van đảo chiều là thiết bị điều khiển dòng năng lượng, hoạt động chủ yếu bằng cách đóng, mở hoặc chuyển đổi vị trí để thay đổi hướng dòng chảy.
Van đảo chiều có nhiều loại khác nhau, nhưng chúng có thể được phân loại dựa trên các đặc điểm chung như số cửa, số vị trí và số tín hiệu tác động.
Số vị trí của van đảo chiều thể hiện số chỗ định vị con trượt, thường có hai hoặc ba vị trí, nhưng trong những trường hợp đặc biệt, có thể có nhiều hơn Các vị trí này thường được ký hiệu bằng chữ cái như o, a, b,… hoặc bằng các con số 0, 1, 2,…
Số cửa ( đường ): là số lỗ để dẫn khí vào hay ra Số cửa của van đảo chiều thường dùng là 2, 3, 4, 5 Đôi khi có thể nhiều hơn
Thường kí hiệu: Cửa nối với nguồn: P Cửa nối làm việc: A, B, C,…
Số tín hiệu: là tín hiệu kích thích con trƣợt chuyển từ vị trí này sang vị trí khác Có thể là 1 hoặc 2 Thường dùng các kí hiệu: X, Y, …
Van đảo chiều đƣợc dùng trong đề tài này là van đảo chiều 5/2
Hình 3.4 Van đảo chiều Thông tin chi tiết:
Port size: In=Out=1/4”, Exhaust=1/8”
Loại van: 5 port 2 position Áp suất hoạt động: 1.5~8.0 bar
Sơ lƣợc về cấu tạo:
Van gồm 1 cuộn dây ( với điên áp sử dụng 24VDC ) Có tác dụng thay đổi ngõ ra của lưu chất
1 ngõ vào khí Nối với bình khí ( P )
Ngõ ra khí: Nối với các thiết bị sử dụng nhƣ xy lanh ( A,B )
Ngõ thoát khí: Dùng trong trường hợp chuyển đổi ngõ ra ( R,T )
Hình 3.5 Cấu tạo van đảo chiều 5/2
Khi cuộn dây của van chưa được cấp điện Lưu chất ( khí ) từ cửa P của van đƣợc nối với cửa A của van, cửa B đƣợc nối với cửa T
Khi cấp điện cho cuộn dây của van, lưu chất (khí) từ cửa P sẽ chuyển sang cửa B, trong khi cửa A được thông với cửa R Lúc này, lưu chất sẽ đi vào từ cửa P và thoát ra qua cửa B.
Xy lanh khí nén
Xy lanh chuyển đổi năng lượng thế năng hoặc động năng của lưu chất thành năng lượng cơ học, tạo ra chuyển động thẳng hoặc quay (góc quay < 360 độ) Thông thường, xy lanh được lắp cố định trong khi piston di chuyển, nhưng trong một số trường hợp, piston có thể cố định và xy lanh sẽ di chuyển.
Piston bắt đầu di chuyển khi lực tác động từ một trong hai phía vượt quá tổng các lực cản ngược chiều, bao gồm lực ma sát, tải trọng, lò xo, lực thủy động và lực ì.
Xy lanh lực được phân thành hai loại chính: xy lanh lực và xy lanh quay Trong xy lanh lực, piston di chuyển tịnh tiến trong ống xy lanh, trong khi ở xy lanh quay, piston thực hiện chuyển động quay, với góc quay thường nhỏ hơn 360 độ.
Một số loại xy lanh khí nén
Xy lanh tác động đơn chỉ nhận áp lực từ một phía, trong khi phía đối diện được hỗ trợ bởi lò xo hoặc lực tác động từ bên ngoài.
Hình 3.6 Xy lanh tác động đơn
Xy lanh tác động kép Áp lực tác động vào xy lanh kép theo hai phía
Hình 3.7 Xy lanh tác động kép
Hình 3.8 Cấu tạo xy lanh tác động kép
Xy lanh đƣợc sử dụng trong đề tài là xy lanh tác động kép.
Cảm biến
Một số loại cảm biến thông dụng
15 Điện áp định mức: 10-30VDC
Tần số hoạt động: 800Hz
Khoảng cách tác động của cảm biến từ khác nhau tùy thuộc vào loại cảm biến, có thể là 2mm, 4mm, 8mm, 10mm, hoặc lên đến 18mm Hầu hết các cảm biến từ sẽ kích hoạt khi có vật kim loại được đưa gần, trong khi một số ít chỉ hoạt động khi có vật có từ tính tiếp cận.
Hình 3.10 Cảm biến quang Điện áp định mức: 10V-30V DC
Dòng điện ngõ ra: 400mA
Loại phản xạ: 50mm đến 600mm
Loại thu phát riêng kiểu che chắn: 20cm đến 20m
Hình 3.11 Cảm biến sợi quang Khoảng cách tác động 30-80mm
Ngõ ra tác động PNP
Cảm biến điện dung (kiểu tụ): dùng để phát hiện mực nước trong chai
Hình 3.12 Cảm biến điện dung Điện áp định mức: 10V-30VDC
Dòng điện ngõ ra: 200mA
Khoảng cách tác động: Tùy từng loại cảm biến mà có các khoảng cách tác động 2mm, 4mm, 8mm, 10mm, … đến 18mm
Vật tác động: kim loại, chất lỏng
Cảm biến sử dụng trong đề tài này là cảm biến điện dung Hanyoung CUP-18R8NA
Dây đen ( BLACK ): 0V ( mức logic 1 ).
Sơ lƣợc về Role điện từ
Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra lực hút điện từ, kéo tấm động về phía lõi Lực hút này tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện và tỷ lệ nghịch với khoảng cách khe hở trong mạch từ.
Khi dòng điện trong cuộn dây nhỏ hơn dòng tác động, lực hút điện từ yếu hơn lực kéo của lò xo, dẫn đến tấm động đứng yên Ngược lại, khi dòng điện trong cuộn dây lớn hơn dòng tác động, lực hút điện từ mạnh hơn lực lò xo, khiến tấm động bị hút về phía tĩnh, làm giảm khe hở mạch từ và đóng tiếp điểm động vào tiếp điểm tĩnh.
Khi dòng điện trong cuộn dây giảm xuống dưới mức dòng điện tác động, lực hút của lò xo trở nên lớn hơn lực hút điện từ Điều này khiến lò xo kéo tấm động ra khỏi phần tĩnh, làm tăng khe hở mạch từ và giảm lực điện từ Kết quả là lò xo kéo tấm động trở lại, dẫn đến việc tiếp điểm động rời khỏi tiếp điểm tĩnh.
Rơle có công dụng chính là sử dụng một năng lượng nhỏ để điều khiển nguồn năng lượng lớn hơn Chẳng hạn, bạn có thể sử dụng dòng điện 5V, 50mA để bật tắt dòng điện 120V, 2A.
Rơle đƣợc dùng khá thông dụng trong các ứng dụng điều khiển động cơ và chiếu sáng
Trong các động cơ xe hơi, nguồn điện 12V có khả năng điều khiển dòng điện lớn Để thuận tiện cho việc bảo trì, các nhà sản xuất ô tô hiện đại đã kết hợp rơle với cầu chì trong cùng một vỏ.
Khi cần đóng cắt nguồn năng lượng lớn, rơle thường được kết nối theo dạng tiếp nối, trong đó một rơle nhỏ sẽ điều khiển một rơle lớn hơn, và rơle lớn này sẽ quản lý nguồn công suất.
3.6.5 Những lưu ý khi sử dụng rơle Điện áp và dòng điện cần thiết hoạt động (hút thanh sắt) Điện áp và dòng điện tối đa mà rơle có thể chịu đựng
Số lƣợng thanh sắt (đóng ngắt tốt hơn)
Số lượng tiếp điểm (trường hợp trong hình là 2 tiếp điểm)
Tiếp điểm thường đóng (NC) hay thường hở (NO)
Sơ lƣợc PLC (Programmable Logic Controller )
PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) là thiết bị cho phép lập trình linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình.
Người dùng có khả năng lập trình PLC để thực hiện chuỗi sự kiện, với các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) hoặc thông qua các hoạt động có độ trễ như thời gian định thì.
PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) được sử dụng để thay thế các mạch relay trong thực tế, hoạt động bằng cách quét các trạng thái đầu vào và đầu ra Khi có sự thay đổi ở đầu vào, đầu ra sẽ tự động điều chỉnh theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hoặc State Logic, và hiện nay có nhiều hãng sản xuất PLC nổi tiếng như INVT, Allen-Bradley, Omron và Honeywell.
3.7.2 Nguyên lý hoạt động PLC
Khi thiết bị được kích hoạt, trạng thái ON hoặc OFF sẽ do thiết bị điều khiển vật lý bên ngoài quyết định Bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục thực hiện chương trình đã được người dùng cài đặt và chờ nhận tín hiệu ở ngõ vào, đồng thời xuất tín hiệu ở ngõ ra Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối, bộ PLC đã được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu hiện đại trong điều khiển tự động.
Lập trình dể dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản, sửa chữa
Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp
Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
Giao tiếp đƣợc với các thiết bị thông minh khác nhƣ: máy tính, nối mạng, các môi Modul mở rộng
Giá cả cá thể cạnh tranh đƣợc
3.7.3 Ƣu thế của hệ thống điều khiển dùng PLC Điều khiển linh hoạt, đa dạng
Lƣợng contactor lớn, tốc độ hoạt động nhanh
Tiện hành thay đổi và sữa chữa Độ ổn định, độ tinh cậy cao
Có thể nối mạng vi tính để giám sát hệ thống
Giá thành ( tùy theo yêu cầu máy )
Cần một chuyên viên để thiết kế chương trình cho PLC hoạt động Các yêu cầu cố định, đơn giản thì không cần dùng PLC
PLC sẽ bị ảnh hưởng khi hoạt động ở môi trường có nhiệt độ cao, độ rung mạnh
3.7.5 Các ứng dụng của PLC Điều khiển các quá trình sản xuất: giấy, xi măng, nước giải khát, linh kiện điện tử, xe hơi, bao bì, đóng gói…
Rửa xe ô tô tự động
Giám sát hệ thống, an toàn nhà xưởng
Hệ thống báo động Điều khiển thang máy Điều khiển động cơ
Cửa công nghiệp tự động
Báo giờ trường học, công sở…
Máy cắt sản phẩm, vô chai…
Và còn nhiều hệ thống điều khiển tự động khác
Hình 3.14 Hình ảnh PLC S7-200, CPU 224
Tổng số I/O max tương đối lớn, khoảng 256 I/O Số module mở rộng tùy theo CPU có thể lên đến tối đa 7 module
Tích hợp nhiều chức năng đặc biệt trên CPU nhƣ ngõ ra xung, high speed counter, đồng hồ thời gian thực, …
Module mở rộng đa dạng, nhiều chủng loại nhƣ analog, xử lý nhiệt độ, điều khiển vị trí, module mạng… Đặc điểm của CPU 224
Kích thước: 120.5mm x 80mm x 62mm Dung lượng bộ nhớ chương trình: 8KB Dung lƣợng bộ nhớ dữ liệu: 8KB
Có 14 cổng vào, 10 cổng ra
Có thể thêm vào 7 modul mở rộng
Tốc độ xử lý một lệnh logic Boole 0.37às
Có 256 timer, 256 counter, các hàm số học trên số nguyên và số thực
Có 6 bộ đếm tốc độ cao, tần số đếm 30 KHz
Có 2 bộ phát xung nhanh kiểu PTO và PWM, tần số 20KHz chỉ ở các CPU DC
Có 2 bộ điều chỉnh tương tự
Các ngắt: phần cứng, theo thời gian, truyền thông… Đồng hồ thời gian thực
Chương trình được bảo vệ bằng password
Các đèn báo trên PLC
SF: đèn báo hiệu hệ thống bị hỏng ( đèn đỏ )
RUN:PLC đang ở chế độ làm việc ( đèn xanh )
STOP: PLC đang ở chến độ dừng ( đèn vàng )
I x.x, Q x.x: chỉ định trạng thái tức thời cổng ( đèn xanh )
Công tắc chọn chế độ làm việc
RUN: cho phép :PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ RUN qua STOP nếu gặp sự cố
STOP: PLC dừng công việc thực hiện chương trình ngay lập tức
TERM: cho phép máy lập trình quyết định chế độ làm việc của PLC
3.7.7 Cấu hình vào ra của PLC 224
Hình 3.15 Cấu hình vào ra CPU 224 DC/DC/DC
Hình 3.16 Cấu hình vào ra của CPU 224 AC/DC/RELAY
3.7.8 Các ngõ vào thường dùng
Nút nhấn, công tắc gạt, ba chấu,…
Các loại cảm biến: quang điện, tiệm cận, điện dung, từ, kim loại, siêu âm, phân biệt màu sắc, cảm biến áp suất,…
Công tắc hành trình, công tắc thường
3.7.9 Các thiết bị đƣợc điều khiển ở ngõ ra Động cơ DC Động cơ AC 1 pha và 3 pha
Van solenoid Đèn báo, đèn chiếu sáng
Chuông báo giờ Động cơ Step Servo
Máy lạnh Động cơ phát điện
3.7.10 Truyền thông giữa PC và PLC
S7-200 sử dụng cổng RS 485 với jack 9 chân để kết nối với thiết bị lập trình hoặc các trạm khác của PLC Tốc độ truyền cho máy lập trình PPI (Point To Point Interface) đạt 9600 baud.
Hình 3.17 Kết nối giữa PC và PLC
3 Truyền và nhận dữ liệu
4 Bỏ trống ( không sử dụng )
8 Truyền và nhận dữ liệu
9 Bỏ trống ( không sử dụng )
Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS 232 cần có cáp kết nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS 232/RS 485
Gắn 1 đầu cáp PC/PPI với cổng truyền thông 9 chân của PLC còn đầu kia với cổng truyền thông nối tiếp RS 232 của máy PC Nếu cổng truyền thông nối tiếp RS-232 với 25 chân thì phải ghép nối qua bộ chuyển đổi 25 chân / 9 chân để có thể nối với cáp truyền thông PC/PPI
Chọn các thông số để truyền thông
Bộ nhớ S7-200 chia làm 4 vùng nhớ
Vùng chương trình có dung lượng 8 KB được sử dụng để lưu giữ các lệnh chương trình
Vùng tham số: miền lưu giữ các từ khóa, địa chỉ trạm
Vùng dữ liệu: lưu giữ dữ liệu chương trình: kết quả phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình Là 1 vùng nhớ động
Nó có thể truy nhập theo từng bit, byte, word hoặc double word
Trong hệ thống lập trình, vùng nhớ địa phương (L) bao gồm từ LB0 đến LB63, trong khi miền biến (V) trải dài từ V0.x đến V8191.7, với x từ 0 đến 7 Vùng đệm cổng vào (I) được xác định từ I0.x đến I15.x (x = 0-7) và vùng đệm cổng ra (Q) từ Q0.x đến Q15.x (x = 0-7) Vùng nhớ nội (M) có phạm vi từ M0.x đến M31.x (x = 0-7), còn vùng nhớ đặc biệt (SM) mở rộng từ SM0.x đến SM549.x (x = 0-7), trong đó SM chỉ đọc có khoảng từ SM0.0 đến SM29.7.
Bộ đệm cổng vào tương tự: AIW0 – AIW 62
Bộ đệm cổng ra tương tự: AQW 0 – AQW 62 Thanh ghi (Accumulater): AC 0, AC1, AC2, AC3
Bộ đếm tốc độ cao: HSC0 -> HSC5
Các phương pháp truy nhập
Truy nhập theo bit Tên miền + địa chỉ byte +.+ chỉ số bit
Ví dụ: V5.4 Truy suất các vùng khác: vd: I0.0, Q0.2, M0.3, SM0.5 Truy nhập theo byte
Tên miền + B + địa chỉ byte
Ví dụ: VB5 Truy suất các vùng khác: ví dụng: IB0, QB2, MB7, SMB37
Truy nhập theo Word Tên miền + W + địa chỉ byte cao của word trong miền
VW4 bao gồm hai byte là VB4 và VB5, trong đó VB4 là byte cao và VB5 là byte thấp trong từ VW4.
VW4=VB4+VB5 Truy suất các vùng khác: ví dụ: IW0, QW4, MW40, SMW68 Truy nhập theo doubleword
Tên miền + D + địa chỉ byte cao nhất của mộ double word trong miền
Ví dụ VD2 là từ kép bao gồm 4 byte VB2, VB3, VB4 và VB5 thuộc miền V, trong đó byte VB2 đóng vai trò là byte cao nhất, còn byte VB5 là byte thấp nhất trong VD2.
Truy suất các vùng khác: ví dụ: ID0, QD3, MD100, SMD48
3.7.12Giới thiệu các module mở rộng
CPU 224 cho phép mở rộng nhiều nhất 7 module kể cả module analog.Các module mở rộng tương tự và số đều có trong S7-200
Hình 3.18 Các module mở rộng
Có thể mở rộng cổng vào/ra của PLC bằng cách thêm các module mở rộng vào bên phải của CPU, tạo thành một chuỗi liên kết Địa chỉ của các module này được xác định dựa trên kiểu vào/ra và vị trí của chúng trong chuỗi.
S7-200 và module vào/ra mở rộng được kết nối bằng dây nối, với hai đầu dây được bảo vệ bên trong PLC và module Việc đặt PLC và module gần nhau giúp bảo vệ dây nối một cách tối đa CPU224 hỗ trợ mở rộng lên đến 7 module.
3.7.13Cách đặt địa chỉ cho các module mở rộng CPU 224
Hình 3.19 Địa chỉ của CPU224
Hình 3.20 Modul EM223 16I/16Q-DC/Relay
Modul này đƣợc gắn thông qua cáp nối tới CPU224 Sử dụng nguồn trực tiếp từ CPU
Modul có 16 gõ vào dạng số, 16 ngõ ra kiểu Relay Địa chỉ bắt đầu là I2.0 cho ngõ vào và Q2.0 cho ngõ ra
Hình 3.21 Modul EM223 4I/4Q- DC/Relay Tương tự như Modul EM223 16I/16Q-DC/Relay
Modul này tích hợp 4 ngõ vào số và 4 ngõ ra kiểu Relay Địa chỉ bắt đầu là I4.0 cho ngõ vào, Q4.0 cho ngõ ra
Hình 3.22 Cấu tạo modul EM223
Có 4 kênh vào A, B, C và D tương ứng AIW0, AIW2, AIW4, AIW6 Trở kháng vào >= 10MΩ
Bộ lọc đầu vào –3Db /3.1Khz Điện áp cực đại ngõ vào: 30VDC
Dòng điện cực đại ngõ vào: 32mA ( 24V/32mA = 0.75kOm )
Có các bộ chuyển đổi ADC, DAC ( 12 bit )
Thời gian chuyển đổi analog sang digital: < 250às
Chế độ Mode chung: Điện áp vào đầu cộng của chế độ Mode chung nhỏ hơn hoặc bằng 12V
Kiểu dữ liệu đầu vào: không dấu tầm từ 0 đến 32000, có dấu tầm từ –
Có 1 kênh ra tương ứng AQW0 Phạm vi áp ngõ ra: +/- 10V
Phạm vi dòng điện ngõ ra: 0 -> 20mA Độ phân giải toàn tầm: Điện áp 12 bit, dòng điện 11 bit
Có LED báo trạng thái
Có núm chỉnh OFFSET và chỉnh GAIN
Kiểu dữ liệu đầu ra: không dấu tầm từ 0 đến 32000 Có dấu tầm từ –
Thời gian gửi tớn hiệu đi: Điện ỏp 100às dũng điện 2ms
Có nhiều contact để chọn phạm vi áp ngõ vào, với contact ở hai vị trí ON và OFF Contact 1 cho phép lựa chọn cực tính áp ngõ vào: ON cho áp đơn cực và OFF cho áp lưỡng cực Các contact 3, 5, 7, 9 và 11 dùng để chọn phạm vi điện áp.
Các bước chỉnh đầu vào
Tắt nguồn của Module, chọn tầm đầu vào theo yêu cầu
Bật nguồn lên cho CPU và Module sau đó để cho hoạt động ổn định trong 15phút
Sử dụng nguồn dòng hoặc áp chuẩn dùng để đƣa tín hiệu vào 1 trong 3 đầu vào Đọc giá trị mà PLC đọc đƣợc bằng kênh đầu vào thích hợp
Chỉnh giá trị Offset cho phép giá trị đọc vào đạt 0 hoặc nhận diện giá trị Data Hãy đặt giá trị tín hiệu toàn tầm đo vào ngõ vào và đọc giá trị mà CPU thu nhận được.
Chỉnh độ lợi có thể cho đến khi giá trị đọc đƣợc là 32000 hay nhận đƣợc giá trị Data
Lặp lại các quá trình chỉnh Gain và Offset cho đến khi đạt yêu cầu
Các chú ý khi cài đặt ngõ vào EM235
Chắc chắn rằng nguồn 24VDC cung cấp cho cảm biến không bị nhiễu và ổn định
Dùng dây cảm biến ngắn nhất nếu có thể
Sử dụng dây bọc giáp cho cảm biến và dây chỉ dùng cho một mình cảm biến thôi
Ngắn mạch đầu vào các ngõ vào không sử dụng
Tránh gọt các đầu dây quá nhọn
Tránh đặt các dây tín hiệu song song với dây có năng lƣợng cao Nếu hai bắt buộc phải gặp nhau thì bắt chéo chúng về góc bên phải
Việc sử dụng chương trình ngắt là hết sức cần thiết trong việc lập trình S7-200, trong S7-200 có một số loại ngắt nhƣ sau
Mỗi loại ngắt trong S7-200 tương ứng với một sự kiện ngắt tương ứng
Sự kiện ngắt số 8 được kích hoạt khi có dữ liệu được nhận tại Port 0, dẫn đến việc thực thi chương trình ngắt tương ứng với sự kiện này.
Ngoài ra ta cũng có thể kết thúc bằng lệnh:
Để cấu hình ngắt thời gian cho Timer_0 và Timer_1, cần thiết lập sự kiện ngắt và chọn thời gian ngắt phù hợp Thời gian ngắt cho Timer_0 được định dạng qua ô nhớ SMB34, trong khi ô nhớ SMB35 được sử dụng để định dạng thời gian ngắt cho Timer_1.
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ - THI CÔNG PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
Phương án thiết kế
Dựa trên yêu cầu của đề tài về hệ thống tự động, nhóm đã đưa ra các phương án thiết kế nhằm đảm bảo hoạt động ổn định và tích hợp chương trình điều khiển hiệu quả.
Thiết kế phần cơ khí phù hợp với việc sử dụng PLC điều khiển cho toàn bộ chương trình
Dùng phần mềm Autocad để thiết kế mô hình
Để thi công mô hình, vật liệu chính sử dụng là thanh nhôm chữ L Các thiết bị như nút nhấn và đèn LED được mua tại Bảo Tín, trong khi xylanh, cảm biến, máy bơm và rơ-le được lấy từ Nhật Tảo.
Mướn PLC ở Trung tâm thực hành cơ điện – Tự động hóa Tech Garden
Tiến hành lập trình trên phần mềm PLC
Thiết kế cơ khí phù hợp với việc sử dụng vi điều khiển (arduino) để điểu khiển toàn bộ hệ thống hoạt động của chương trình
Dùng phần mềm Solidworks để thiết kế mô hình
Thi công mô hình: vật liệu dùng để làm mô hìnhlà thanh nhôm định hình
Các trang thiết bị nhƣ nút nhấn, led mua ở Bảo Tín Xylanh, cảm biến, máy bơm, rơ-le mua ở Nhật Tảo
Mua mạch arduino ở Bảo Tín
Tiến hành lập trình trên phần mềm arduino
Sau khi suy nghĩ đánh giá, tính thiết thực của đế tài nhóm đã tổng hợp các lựa chọn trong 2 phương án trên để thực hiện đề tài vì:
PLC có tính ứng dụng trong công nghiệp cao, chương trình điều khiển đơn giản, dễ thay đổi, không bị nhiễu, phù hợp làm mô hình học tập
Phần mềm Solidworks đƣợc nhóm sử dụng thành thạo hơn là phần mềm AutoCad Solidworks thiết kế trực quan hơn khi vẽ 3D, xuất bản vẽ 2D chính xác
Sử dụng thanh nhôm định hình để làm phần cơ khí vì nó có tính thẩm mĩ cao, giá thành hợp lý, nhẹ, dễ giả công, dễ vận chuyển,
Thiết kế cơ khí
4.2.1 Phương pháp thiết kế cơ khí
Để chế tạo thiết bị, bước đầu tiên là cần có một thiết kế sơ bộ, phác thảo rõ ràng Thiết kế đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành sản phẩm, giúp định hình ý tưởng và kết nối các chi tiết với nhau một cách hợp lý.
Sau khi hình dung rõ ràng về thiết bị, bước tiếp theo là phác thảo ý tưởng lên giấy Không cần chú trọng đến kích thước của đối tượng, mà chỉ cần tập trung vào hình dáng và vị trí của thiết bị.
Thiết kế chi tiết và các bộ phận trong phần mềm Autocad hoặc Solidworks cho phép tạo mô hình 3D với khả năng điều chỉnh kích thước linh hoạt Do thiết bị được cấu thành từ nhiều chi tiết, kích thước của từng bộ phận cần phải có mối quan hệ chặt chẽ và ảnh hưởng lẫn nhau để đảm bảo tính đồng bộ và hiệu quả trong thiết kế.
Trong quá trình thiết kế, việc lắp ráp các chi tiết liên quan là rất quan trọng Ta có thể vừa vẽ chi tiết vừa thực hiện lắp ráp để đảm bảo sự phù hợp Sau đó, cần chỉnh sửa kích thước và hình dạng của các chi tiết trong môi trường lắp ráp cho đến khi đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thiết kế.
Sau khi gia công và chế tạo các chi tiết theo bản vẽ, quá trình lắp ráp các chi tiết diễn ra, tiếp theo là hiệu chỉnh và chỉnh sửa để đảm bảo mọi thứ hoàn thiện, cuối cùng dẫn đến việc hoàn thiện thiết bị.
Quá trình thiết kế mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động đƣợc thể hiện dưới lưu đồ sau:
Hình 4.3 Lưu đồ quá trình thiết kế mô hình
Quan sát hình ảnh, video thực tế
Thiết kế từng bộ phận của mô hình
Lắp ráp hoàn chỉnh các bộ phận
Gia công cơ khí theo bản vẽ
Lắp ráp thiết bị thực tế
Chỉnh sửa hoàn thành mô hình
Thiết kế mạch điện
Hệ thống hoạt động của mô hình biểu diễn theo sơ đồ khối
Bảng điểu khiển: các nút nhấn Start, Stop, Reset, Power, đèn Start, đèn Stop, đèn Reset, đèn báo nguổn
Khồi mạch công suất: là khối chấp hành, nhận tín hiệu từ PLC và thực hiện giúp động cơ, van điện từ hoạt động
Khối PLC:PLC s7-200 CPU 224 nhận các tín hiệu từ cảm biến và nút nhận dùng để điều khiển động cơ van khí nén
Cảm biến điện dung và cảm biến quang được sử dụng để xác định vị trí và mức nước trong chai Động cơ kéo băng tải kết hợp với van điện từ khí nén giúp điều khiển quá trình vận chuyển hiệu quả.
Hình ảnh mô hình thực tế 54 Chương 5: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 58
Hình 4.4 Mặt trước của mô hình
Hình 4.5 Mặt sau mô hình
Chương 5: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Lưu đồ giải thuật
Xylanh 1 nâng lên Máy bơm ngừng
Xylanh 2 hạ xuống Động cơ vặn nắp chạy
Xylanh 2 nâng lên Băng chuyền 3 chạy
Chương trình điều khiển trên PLC
THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ
Các bước chuẩn bị
Bước 1: Cấp điện vào mô hình, khởi động PLC
Bước 2: Kết nối PLC với máy tính
Bước 3: Nạp chương trình từ máy tính vào PLC
Bước 4: Cho mô hình hoạt động
Thử nghiệm
- Băng chuyền 1 bị trùng đai
- Băng chuyền 2 động cơ kéo không đƣợc
- Băng chuyền 3 bị trùng đai
- Cảm biến không trả tín hiệu về
- Cảm biến 1 và cảm biến
3 dừng chai không đúng vị trí
- Chỉnh lại vị trí đặt cảm biến
- Tính toán, đặt timer trong chương trình
3 - Rãnh xuống nắp chai chƣa đúng vi trí
Tính toán lại vị trí
4 Băng chuyền 3 chuyển động không liên tục
Căng lại đai, khớp nối trục
