TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHA SƠN TỰ ĐỘNG
Đặt vấn đề
Hiện nay, đất nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa, và để thúc đẩy quá trình này, cần đầu tư vào dây chuyền sản xuất tự động hóa Mục tiêu là giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất lao động và tạo ra sản phẩm chất lượng cao Việc ứng dụng PLC (Programmable Logic Controller) vào các dây chuyền sản xuất đang trở thành một giải pháp đầu tư hiệu quả Hệ thống PLC với nhiều tính năng tiện ích đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là ngành xây dựng, nơi việc áp dụng PLC trong quy trình pha chế sơn sẽ mang lại hiệu quả cao và phù hợp với xu hướng phát triển hiện nay.
Mục đích nghiên cứu
Sơn là nguyên vật liệu quan trọng trong xây dựng, không chỉ bảo vệ bề mặt mà còn mang lại giá trị thẩm mỹ Màu sắc sơn được coi là yếu tố hàng đầu Hiện nay, việc pha màu chủ yếu dựa vào phương pháp thủ công, dẫn đến độ chính xác thấp, sản phẩm không đạt yêu cầu và tỷ lệ phế phẩm cao Để khắc phục những nhược điểm này và tạo ra sản phẩm theo mong muốn, việc áp dụng hệ thống điều khiển lập trình PLC trong dây chuyền sản xuất tự động sẽ mang lại hiệu quả cao hơn.
Giới hạn đề tài
Dựa trên yêu cầu của đề tài và khả năng kiến thức hiện có, nhóm chúng em thực hiện các công việc sau: Nghiên cứu mô hình pha màu trong thực tế, tìm hiểu PLC S7-1200 và viết chương trình cho PLC (CPU 1214) Chúng em cũng tìm hiểu phần mềm WinCC, thiết kế giao diện bằng WinCC và kết nối giao tiếp giữa giao diện WinCC, màn hình HMI và chương trình PLC Cuối cùng, nhóm tiến hành thi công mô hình và phần cứng.
Hướng thực hiện đề tài
Nghiên cứu mô hình máy pha màu từ các bồn chứa vật liệu cơ bản nhằm sản xuất một số màu như cam, xanh lá cây, lam, thẩm và chàm từ các màu cơ bản đỏ, vàng và xanh Người sử dụng có thể nhập lượng sản phẩm mong muốn qua giao diện, lựa chọn sản phẩm và tỷ lệ các thành phần màu để đạt được màu sắc theo ý muốn Hệ thống sử dụng bộ timer để tính thời gian trộn và xả sản phẩm, điều khiển van cấp nguyên vật liệu và động cơ khuấy trộn thông qua PLC Giao diện mô hình được thiết kế với bảng điều khiển và bảng mã màu để dễ dàng giám sát và điều khiển Hệ thống kết nối giữa Wincc và màn hình HMI, cho phép giám sát hiệu quả và điều khiển mô hình hoạt động hoàn toàn.
Một số mô hình ngoài thực tế
Hình 1.1 Hệ thống pha màu sơn của Seamaster
Hình 1.2: Hệ thống máy pha màu tự động hiện đại Solite Paint
MÔ TẢ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Quy trình điều khiển máy trộn
Bình trộn là thiết bị quan trọng trong quy trình sản xuất sơn, nơi diễn ra việc trộn các màu sơn khác nhau và rửa sạch sau khi hoàn tất Sơ đồ công nghệ chỉ ra rằng có hệ thống ống dẫn để đưa ba loại sơn màu cơ bản: đỏ, vàng và xanh, nhằm tạo ra màu sơn mong muốn.
Quy trình làm việc bắt đầu bằng việc xả các loại sơn khác màu vào bồn chứa Van điện từ 1 xả loại sơn thứ nhất trong khoảng thời gian t1, van điện từ 2 xả loại sơn thứ hai trong thời gian t2, và van điện từ 3 xả loại sơn thứ ba trong thời gian t3 Sau khi đủ thời gian bơm, các van sẽ dừng lại và quá trình trộn sẽ bắt đầu, được điều khiển bởi động cơ trộn trong 5 giây Cuối cùng, sản phẩm sau khi trộn sẽ được rót vào bình chứa trung gian.
Quy trình điều khiển rót sơn
Khâu rót sơn ra hộp diễn ra sau khi hoàn tất chương trình trộn sơn Các hộp sơn được đặt trên băng tải, và quá trình rót sơn tự động được giám sát bởi hai cảm biến.
Các cảm biến được dùng trong qua trình rót sơn:
- Cảm biến 1: báo hộp sơn đã đến đúng vị trí để rót sơn.
- Cảm biến 2: báo hộp sơn đến cuối băng tải cần được đưa.
Sau khi quá trình trộn sơn hoàn tất, sơn sẽ được rót vào hộp Băng tải sẽ di chuyển hộp sơn đến vị trí rót, và khi cảm biến 1 xác nhận hộp đã ở đúng vị trí, băng tải sẽ dừng lại Van rót sơn sẽ mở trong khoảng thời gian t đã được tính toán trước để đảm bảo hộp được rót đầy Khi hoàn tất, van sẽ đóng lại, ngừng rót sơn, và băng tải sẽ tiếp tục di chuyển hộp sơn ra ngoài, đồng thời đưa hộp sơn tiếp theo đến vị trí rót.
Mô hình sao màu RYB cho phép người dùng nhập số tương ứng với màu cần chọn vào Wincc trên màn hình HMI, từ đó điều khiển thời gian xả của ba van tương ứng.
CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH
Thiết bị cảm biến
Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý và không điện thành các đại lượng có thể đo được như dòng điện, điện thế, điện dung và trở kháng Chúng đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị đo lường và hệ thống điều khiển tự động, xuất hiện trong nhiều lĩnh vực như robot, kiểm tra chất lượng sản phẩm và trò chơi điện tử.
Phát hiện vật thể là một yếu tố quan trọng trong thiết kế và điều khiển cửa tự động Có nhiều nguyên tắc vật lý có thể áp dụng để phát hiện vật thể Bài viết này sẽ giới thiệu một số phương pháp điển hình trong việc phát hiện vật thể.
Cảm biến được gắn trực tiếp lên đại lượng cần đo, và tín hiệu mà chúng phát ra có thể tương quan tỷ lệ với đại lượng vật lý được đo.
3.1.1.2 Các loại cảm biến không tiếp xúc:
+ Cảm biến điện từ, siêu âm đo khoảng cách, phát hiện vật thể
+ Cảm biến quang học đo khoảng cách phát hiện sự hiện diện.
3.1.2 Tìm hiểu một số loại cảm biến:
Do tính phổ biến cũng như chức năng, cảm biến tiệm cận được sử dụng nhiều trong công nghiệp.
Cảm biến tiệm cận được sử dụng để phát hiện các vật thể kim loại từ tính và không từ tính, như nhôm và đồng Cảm biến loại điện cảm (Inductivity Proximity Sensor) phát hiện kim loại, trong khi cảm biến kiểu điện dung (Capacitve Proximity Sensor) được sử dụng để phát hiện vật phi kim Ngoài ra, có nhiều mẫu cảm biến phù hợp với các điều kiện môi trường khác nhau, bao gồm nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp, khả năng chống nước và chống hóa chất.
Cảm biến tiệm cận là gì?
Cảm biến tiệm cận là các thiết bị phát hiện vật thể không cần tiếp xúc, hoạt động dựa trên mối quan hệ vật lý giữa cảm biến và vật thể Chúng chuyển đổi tín hiệu về chuyển động hoặc sự xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện Có ba hệ thống phát hiện chính: hệ thống sử dụng dòng điện xoáy trong vật thể kim loại qua hiện tượng cảm ứng điện từ, hệ thống dựa vào sự thay đổi điện dung khi gần vật thể, và hệ thống sử dụng nam châm cùng với chuyển mạch cộng từ.
*Cảm biến tiệm cận điện cảm
Hình 3.1 Hình ảnh cho cảm biến tiệm cân điện cảm
Hình 3.2: Cảm biến tiệm cận dung trong đồ án.
Nguyên lý hoạt động của loại cảm biến tiệm cận kiểu điện cảm:
Cảm biến tiệm cận kiểu điện cảm hoạt động bằng cách phát hiện sự suy giảm từ tính do dòng điện xoáy sinh ra trên bề mặt vật dẫn khi có từ trường ngoài Sự thay đổi của trường điện từ xoay chiều trên cuộn dây sẽ ảnh hưởng đến trở kháng, phản ánh dòng điện xoáy trên bề mặt vật thể kim loại.
Một phương pháp phát hiện vật thể bằng nhôm là sử dụng tần số pha Tất cả cảm biến phát hiện kim loại hoạt động dựa vào cuộn dây để nhận diện sự thay đổi điện cảm Bên cạnh đó, có loại cảm biến đáp ứng xung, phát ra dòng điện xoáy dưới dạng xung và theo dõi số lần thay đổi dòng điện xoáy cùng với điện áp sinh ra trên cuộn dây.
Vật thể cần phát hiện và cảm biến khi tiến gần nhau giồng như hiện tượng cảm ứng điện từ trong máy biến áp.
*Cảm biến tiệm cân điện dung
Hình 3.3 Hình ảnh cho cảm biến tiệm cận điện dung
Nguyên lý phát hiện của cảm biến loại điện dung:
Cảm biến tiếp cận điện dung hoạt động dựa trên sự thay đổi điện dung C của các bản cực khi có sự hiện diện của đối tượng Thiết bị này bao gồm bốn thành phần chính: cuộn dây và lõi ferit, mạch dao động, mạch phát hiện và mạch đầu ra.
Cảm biến tiếp cận điện dung không yêu cầu đối tượng phát hiện phải là kim loại, mà có thể nhận diện các chất lỏng và vật liệu phi kim loại như thủy tinh và nhựa Với tốc độ chuyển mạch nhanh, cảm biến này có khả năng phát hiện các đối tượng kích thước nhỏ trong phạm vi cảm nhận rộng.
Cảm biến điện dung có nhược điểm là dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm và bụi So với cảm biến tiếp cận điện cảm, cảm biến tiếp cận điện dung có vùng cảm nhận lớn hơn Để điều chỉnh và bù đắp cho tác động của môi trường và đối tượng, cảm biến tiếp cận điện dung thường được trang bị một chiết áp điều chỉnh.
Giá trị điện dung của cảm biến tiệm cận điện dung phụ thuộc vào kích thước và khoảng cách giữa các đối tượng Cảm biến này hoạt động tương tự như một tụ điện với hai bản điện cực song song, trong đó điện dung thay đổi giữa các bản cực sẽ được phát hiện Một trong các bản điện cực là đối tượng cần phát hiện, trong khi bản còn lại là bề mặt của cảm biến Khả năng phát hiện đối tượng phụ thuộc vào giá trị điện môi của chúng.
Thiết bị đóng cắt
3.2.1 Khái niệm chung về rơle:
Rơle là thiết bị điện tự động, có khả năng thay đổi tín hiệu đầu ra khi tín hiệu đầu vào đạt giá trị xác định Chức năng chính của rơle là đóng cắt mạch điện, bảo vệ và điều khiển hoạt động của mạch điện động lực.
3.2.2 Các bộ phận (các khối) chính của rơle a) Cơ cấu tiếp thu (khối tiếp thu):
Cơ cấu trung gian có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu đầu vào và chuyển đổi chúng thành các đại lượng cần thiết, nhằm cung cấp tín hiệu phù hợp cho khối không gian.
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu từ khối tiếp thu và chuyển đổi chúng thành đại lượng cần thiết để rơle có thể tác động hiệu quả.
Làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển
Hình 3.5: Sơ đồ khối của rơle điện từ.
Các khối trong rơle điện từ (hình 3.2.2.1).
+ Cơ cấu tiếp thu ở đây là cuộn dây.
+ Cơ cấu trung gian là mạch từ nam châm điện.
+ Cơ cấu chấp hành là hệ thống tiếp điểm.
Có nhiều loại rơle với nguyên lý và chức năng làm việc khác nhau, dẫn đến nhiều cách phân loại Một trong những phương pháp phân loại rơle là dựa trên nguyên lý làm việc, bao gồm các nhóm khác nhau.
-Rơle điện cơ (rơle điện từ, rơle cảm ứng…)
-Rơle số, điện từ, bán dẫn… b) Phân loại theo nguyên lý tác động của cơ cấu chấp hành:
-Rơle có tiếp điểm: Loại này tác động lên mạch bằng cách đóng mở các tiếp điểm.
Rơ le không tiếp điểm, hay còn gọi là rơ le tĩnh, hoạt động bằng cách thay đổi đột ngột các tham số của cơ cấu chấp hành trong mạch điều khiển, bao gồm điện cảm, điện dung và điện trở Phân loại rơ le này dựa trên đặc tính tham số vào.
-Rơle định hướng. d) Phân loại theo cách mắc cơ cấu:
-Rơle sơ cấp: Được mắc trực tiếp vào mạch cần bảo vệ.
Rơle thứ cấp được lắp đặt trong mạch thông qua biến áp đo lường hoặc biến dòng điện Phân loại rơle dựa trên giá trị và chiều của các đại lượng đầu vào là một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống điện.
3.2.4 Đặc tính vào ra của rơle.
Hình 3.6 Đặc tính vào ra của rơle
Quan hệ giữa đại lượng vào và ra của rơ le như hình minh họa.
Khi biến đầu vào X thay đổi từ 0 đến X2, đầu ra Y sẽ tăng từ Y1 đến Y2 tại điểm X1, thể hiện sự nhảy bậc Nếu X tiếp tục tăng, Y sẽ giữ nguyên giá trị Y2 Ngược lại, khi X giảm từ X2 về X1, Y sẽ giảm từ Y2 về Y1.
+ X=X2= Xtđ là giá trị tác động rơ le.
+ X=X1=Xnh là giá trị nhả của rơ le.
3.2.5 Các thông số của rơle:
* Hệ số điều khiển rơle:
Tỷ số Kđk = Pđk/Ptđ gọi là hệ số điều khiển của rơle.
- Pđk là công suất điều khiển định mức của rơ le, chính là công suất định mức của cơ cấu chấp hành.
- Ptđ là công suất tác động, chính là công suất cần thiết cung cấp cho đầu vào để rơ le tác động.
Tỷ số Kdt = xlv/xtđ gọi là hệ số dự trữ của rơle Kdt > 1 khi Kdt lớn càng đảm bảo rơle làm việc tin cậy.
Tỷ số Knh = xnh/xtđ gọi là hệ số nhả của rơle (đôi khi còn gọi là hệ số trở về) Hệ số Knh luôn nhỏ hơn 1.
Khi Knh lớn, bề mặt rộng của đặc tính rơle với công thức x = x tđ - xnh nhỏ cho thấy rằng đặc tính rơle này rất phù hợp cho việc bảo vệ có tính chọn lọc cao, đặc biệt trong hệ thống điện (HTĐ).
Khi Knh nhỏ, bề rộng đặc tính x = x tđ – xnh lớn, điều này cho thấy sự phù hợp của đặc tính này với rơle điều khiển và tự động trong lĩnh vực truyền động điện và tự động hóa.
Thời gian từ khi nhận tín hiệu đầu vào đến khi cơ cấu chấp hành hoạt động được gọi là thời gian trễ Đối với rơle điện từ, thời gian này được tính từ lúc cuộn dây nhận dòng điện (hoặc áp suất) cho đến khi hệ thống tiếp điểm hoàn toàn đóng (đối với tiếp điểm thường mở) và hoàn toàn mở (đối với tiếp điểm thường đóng).
- Rơ le trung gian được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống bảo vệ điện trong các hệ thống điều khiển tự động.
Rơ le trung gian có số lượng tiếp điểm lớn, bao gồm cả tiếp điểm thường đóng và thường mở Nó được sử dụng khi khả năng đóng cắt của rơ le chính không đủ, hoặc để phân phối tín hiệu từ rơ le chính đến nhiều bộ phận khác nhau trong sơ đồ mạch điều khiển.
Rơ le trung gian là thành phần quan trọng trong bảng mạch điều khiển linh kiện điện tử, được sử dụng làm phần tử đầu ra để truyền tín hiệu đến các mạch phía sau Chúng giúp cách ly điện áp giữa phần điều khiển, thường là điện áp thấp một chiều (5V, 10V, 12V, 24V), và phần chấp hành, thường là điện áp lớn xoay chiều (220V, 380V).
Hình 3.7 Rơ le trung gian
Những yêu cầu khi chọn rơ le trung gian:
- Công suất tiêu thụ nhỏ.
- Kết cấu sử dụng đơn giản.
- Công suất ngắt của hệ thống là đủ lớn.
- Độ bền cơ, độ bền điện của cặp tiếp điểm.
- Số lượng cặp tiếp điểm phù hợp với nhu cầu sử dụng.
Hình 3.8: Rơ le trung gian sử dụng trong đồ án
Thiết bị đóng xả van
Dòng chất lỏng và khí có thể được điều khiển bằng các van điện từ.
Van điện từ là thiết bị chấp hành phổ biến nhất, hoạt động dựa trên nguyên lý di chuyển của lõi sắt (piston) trong cuộn dây Bình thường, piston được giữ bên ngoài cuộn dây, nhưng khi được cấp điện, cuộn dây tạo ra từ trường hút piston vào trung tâm Ứng dụng chính của van điện từ là trong việc điều khiển các van khí nén, thủy lực và khóa cửa xe.
Hình 3.10: Nguyên lí làm việc của van điện từ
3.3.2 Tổng quan về động cơ điện một chiều:
3.3.2.1 Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều: a Cấu tạo của động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần động.
- Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm có:
Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ là những thành phần quan trọng trong động cơ điện, đặc biệt khi động cơ được kích từ bằng nam châm điện Mạch từ thường được chế tạo từ sắt từ như thép đúc hoặc thép đặc, trong khi dây quấn kích thích, hay còn gọi là dây quấn kích từ, được làm bằng dây điện từ Các cuộn dây điện từ này được mắc nối tiếp với nhau để đảm bảo hiệu suất hoạt động của động cơ.
Cực từ chính là bộ phận tạo ra từ trường, bao gồm lõi sắt và dây quấn kích từ bên ngoài Lõi sắt được làm từ các lá thép kỹ thuật điện hoặc thép cacbon dày từ 0.5 đến 1mm, được ép và tán chặt Trong các động cơ điện nhỏ, có thể sử dụng thép khối cho lõi sắt Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy bằng các bulông.
Dây quấn kích từ được làm từ dây đồng bọc cách điện, mỗi cuộn dây được bọc cách điện cẩn thận và tẩm sơn cách điện trước khi lắp đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ này được nối tiếp với nhau để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong quá trình hoạt động.
Cực từ phụ được lắp đặt trên các cực từ chính, với lõi thép làm bằng thép khối và dây quấn tương tự như cực từ chính, được gắn vào vỏ máy bằng bulông Gông từ không chỉ kết nối các cực từ mà còn làm vỏ máy; trong động cơ điện nhỏ và vừa, thường sử dụng thép dày uốn và hàn, trong khi động cơ lớn thường dùng thép đúc, và đôi khi gang cũng được sử dụng cho vỏ máy trong động cơ nhỏ.
Nắp máy có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ máy khỏi các vật lạ rơi vào, gây hư hỏng cho dây quấn và đảm bảo an toàn cho người sử dụng khỏi tiếp xúc với điện Đối với các máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn đóng vai trò là giá đỡ ổ bi, thường được chế tạo từ chất liệu gang để tăng cường độ bền và ổn định.
Cơ cấu chổi than là thiết bị quan trọng giúp dẫn dòng điện từ phần quay ra ngoài, bao gồm chổi than được đặt trong hộp chổi than với một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá, cho phép điều chỉnh vị trí chổi than Sau khi điều chỉnh, giá chổi than sẽ được cố định bằng vít để đảm bảo hoạt động ổn định.
- Phần quay hay rôto: Bao gồm những bộ phận chính sau.
+) Phần sinh ra sức điện động gồm có:
Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng.
Cuộn dây phần ứng bao gồm nhiều bối dây được kết nối theo một quy luật nhất định Mỗi bối dây chứa nhiều vòng dây, với các đầu dây được nối vào các phiến đồng, được gọi là phiến góp Các phiến góp này được cách điện với nhau và với trục, tạo thành cổ góp hay vành góp.
Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo.
Lõi sắt phần ứng là thành phần quan trọng trong động cơ điện, được làm từ tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm, phủ cách điện ở hai mặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy Các tấm thép được dập rãnh để lắp dây quấn, và trong động cơ trung bình trở lên, có các lỗ thông gió dọc trục giúp làm mát Đối với động cơ điện lớn, lõi sắt thường chia thành các đoạn nhỏ với khe hở thông gió giữa chúng, cho phép gió làm nguội dây quấn và lõi sắt khi máy hoạt động Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục, trong khi ở động cơ lớn, giá rôto được sử dụng để tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm trọng lượng rôto.
Dây quấn phần ứng là bộ phận quan trọng trong máy điện, chịu trách nhiệm phát sinh suất điện động và dẫn dòng điện Thường được làm bằng dây đồng có lớp cách điện, dây quấn này trong các máy điện nhỏ có công suất dưới vài kW thường có tiết diện tròn Để đảm bảo an toàn, dây quấn cần được lắp đặt cẩn thận trong rãnh lõi thép, tránh bị văng ra do lực ly tâm khi quay Để giữ chặt dây quấn, người ta thường sử dụng nêm hoặc đai, với nêm có thể được làm từ tre, gỗ hoặc bakelit.
Cổ góp trong động cơ điện một chiều bao gồm nhiều phiến đồng được mạ cách điện bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2 mm, tạo thành hình trục tròn Hai đầu trục được giữ chặt bằng các hình ốp chữ V, và giữa vành ốp với trụ tròn cũng được cách điện bằng mica Đuôi vành góp được thiết kế cao hơn để thuận tiện cho việc hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp Động cơ điện một chiều có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí, mỗi loại đều có ưu nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng trong thực tế.
- Phân loại động cơ điện một chiều
Khi phân loại động cơ điện một chiều và máy phát điện một chiều, người ta dựa vào phương pháp kích thích từ Có bốn loại động cơ điện một chiều phổ biến được sử dụng hiện nay.
+) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ.
+) Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng.
+) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp với phần ứng.
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp có cấu tạo gồm hai cuộn dây kích từ Một cuộn dây được mắc song song với phần ứng, trong khi cuộn còn lại được mắc nối tiếp với phần ứng.
- Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều
Hệ thống điện xoay chiều với ưu điểm vượt trội trong sản xuất và truyền tải đã khiến máy phát và động cơ điện xoay chiều trở nên phổ biến nhờ cấu tạo đơn giản, công suất lớn và dễ vận hành Tuy nhiên, động cơ điện một chiều vẫn giữ vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp giao thông vận tải và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục, như máy cán thép và đầu máy điện Mặc dù chi phí sản xuất động cơ điện một chiều cao hơn do sử dụng nhiều kim loại màu và quy trình chế tạo phức tạp, nhưng những ưu điểm của nó vẫn làm cho động cơ này trở thành phần không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN
Giới thiệu về plc s7-1200 và tia portal
Hình 4.1.Hình dáng bên ngoài của PLC S7-1200 và các module mở rộng.
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 bộ điều khiển logic lập trình (PLC) lý tưởng cho nhiều ứng dụng tự động hóa, nhờ thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và khả năng lập trình mạnh mẽ Với microprocessor tích hợp, nguồn cung cấp sẵn và các đầu vào/ra (DI/DO), S7-1200 mang đến giải pháp hoàn hảo cho các nhu cầu tự động hóa.
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 cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC.
The S7-1200 features "know-how protection" to safeguard its specialized blocks It includes a PROFINET port that supports Ethernet and TCP/IP standards, and it can be expanded with communication modules for RS485 or RS232 connectivity.
Phần mềm Step7 Basic được sử dụng để lập trình cho S7-1200, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình FBD, LAD và SCL, và được tích hợp trong TIA Portal của Siemens.
Để thực hiện một dự án với S7-1200, bạn chỉ cần cài đặt TIA Portal, vì phần mềm này tích hợp cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.
Dòng sản phẩm PLC S7-1200 có nhiều CPU khác nhau như: CPU 1211, CPU
Các dòng CPU S7-1200 như 1212, 1214, 1215 được phân biệt bằng các ký hiệu như AC/DC/Ply, DC/DC/DC, phản ánh nguồn cấp, dạng cổng vào và cổng ra Mỗi CPU sở hữu bộ nhớ làm việc, chu kỳ lệnh, cổng truyền thông giao tiếp, khối tổ chức chương trình OB và các chức năng khác nhau Việc lựa chọn dòng CPU phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng và hệ thống, đảm bảo đáp ứng yêu cầu về tốc độ xử lý và giá thành Dưới đây là thông tin chi tiết về một số loại CPU S7-1200.
Dòng CPU Thông tin sản phẩm
The system features 30 KB of work memory and operates on a 120/240VAC power supply with DI6 x 24VDC SINK/SOURCE capabilities It includes 4 relay outputs and 2 analog inputs on board, along with 3 high-speed counters that can be expanded using a digital signal board Additionally, there are 4 pulse outputs and the signal board allows for further expansion of on-board I/O The system supports up to 3 communication modules for serial communication and processes instructions at a speed of 0.04 ms per 1000 instructions It also offers a PROFINET interface for seamless programming and communication between HMI and PLCs.
The system features a work memory of 30 KB and operates on a 24VDC power supply, equipped with 8 digital inputs (DI8) that support both sinking and sourcing It includes 6 relay outputs (DQ6) and 2 analog inputs (AI2) onboard, along with 4 high-speed counters that can be expanded using a digital signal board Additionally, there are 4 pulse outputs available, and the signal board allows for further I/O expansion The system supports up to 3 communication modules for serial communication and can accommodate 2 signal modules for additional I/O With a processing speed of 0.04 ms per 1000 instructions, it features a PROFINET interface for programming, as well as for HMI and PLC-to-PLC communication.
The system features 75 KB of work memory and operates on a 24VDC power supply, equipped with 14 digital inputs (DI) that can sink or source 24VDC, 10 digital outputs (DQ) at 24VDC, and 2 analog inputs (AI) integrated on board It includes 6 high-speed counters and 4 pulse outputs, with an expansion capability for on-board I/O via a signal board Additionally, the system supports up to 3 communication modules for serial communication and allows for the integration of up to 8 signal modules for I/O expansion, processing instructions at a speed of 0.04 ms per 1000 instructions.
PROFINET interface for programming, HMI and PLC-to-PLC communication
The system features 100 KB of work memory and operates on a 120/240VAC power supply It includes a DI14 x 24VDC SINK/SOURCE, DQ10 x relay, and AI2 and AQ2 integrated on the board Additionally, there are 6 high-speed counters and 4 pulse outputs available The signal board allows for the expansion of on-board I/O capabilities.
3 communication modules for serial communication; up to 8 signal modules for I/O expansion; 0.04 ms/1000 instructions;
PROFINET interface for programming, HMI and PLC-to-PLC communication
Bảng 4.1 Các dòng CPU của PLC s7-1200
PLC S7-1200 có các CPU với ký hiệu khác nhau, ví dụ như CPU 1214C DC/DC/DC, hoạt động với nguồn điện 24VDC, ngõ vào kích hoạt 24VDC và ngõ ra Transistor Ngõ ra Transistor có ưu điểm là điều biến độ rộng xung và xuất xung tốc độ cao, nhưng nhược điểm là chỉ sử dụng được với điện áp 24VDC và cần Relay đệm 24VDC để tương thích với các điện áp khác Ngõ ra Relay có thể hoạt động với nhiều cấp điện áp khác nhau, nhưng do tốc độ chậm nên không phù hợp cho điều biến độ rộng xung hoặc phát xung tốc độ cao.
4.1.1.1 Những module phần cứng cơ bản của PLC S7-1200:
Để tăng tính linh hoạt trong ứng dụng thực tế, các bộ điều khiển PLC thường được thiết kế với cấu hình không cứng hóa Chúng bao gồm một module chính, thường là module CPU, cùng với các module khác như module nhận và truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển, cũng như các module chức năng chuyên dụng như PID và điều khiển động cơ, được gọi là module mở rộng Tất cả các module này được gắn trên một thanh Rail (rack).
Dòng sản phẩm PLC S7-1200 được lắp ráp trên một phần cơ khí để cố định CPU,
IM và các module I/O, Analog, FM… nó được gọi là rack và PLC S7-1200 chỉ có 1 rack.
Sign board: SB1223 DC/DC:
Bảng 4.2 Sign Board của PLC s7-1200
- CPU tín hiệu để thích ứng với các ứng dụng.
- Kích thước của CPU sẽ không thay đổi.
4.1.1.1.3 Module xuất / nhập tín hiệu số:
Bảng 4.4 Module tín hiệu số cho s7-1200 4.1.1.1.4 Module xuất / nhập tín hiệu tương tự:
Bảng 4.5 Module tín hiệu tương tự cho s7-1200
Bảng 4.6 Module truyền thông cho s7-1200 4.1.1.2 Quy trình thiết kế hệ thống điều khiển:
Khác với điều khiển bằng tay, hệ thống điều khiển có lập trình cho phép cấu trúc bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình Chương trình điều khiển, được viết bằng sự hỗ trợ của máy tính, xác định hoạt động của hệ thống Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần điều chỉnh nội dung bộ nhớ điều khiển mà không cần thay đổi cách đấu dây bên ngoài.
4.1.2 Làm việc với phần mềm SIMATIC TIA Portal:
Phần mềm TIA Portal mang đến một môi trường làm việc thân thiện và dễ sử dụng, cung cấp công cụ quản lý và cấu hình cho tất cả các thiết bị trong dự án Nó tích hợp phần mềm lập trình PLC và HMI, với các phiên bản phổ biến như TIA Portal Step7 Basic và TIA Portal Step7 Professional.
TIA Portal Step7 cung cấp một hệ thống trợ giúp trực tuyến và 2 chế độ hiễn thị là: Project view và Portal view
Kết nối giao thức TPC/IP
- Để lập trình SIMATIC S7-1200 từ PC hay Laptop cần một kết nối TCP/IP.
- Để PC và SIMATIC S7-1200 có thể giao tiếp với nhau, điều quan trọng là các địa chỉ IP của cả hai thiết bị phải phù hợp với nhau.
PLC hoạt động theo chu trình lặp, với mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét Vòng quét bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số đến vùng bộ đệm ảo I, sau đó thực hiện chương trình từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 Sau khi hoàn tất giai đoạn thực hiện chương trình, nội dung của bộ đệm ảo Q được chuyển tới các cổng ra số Cuối cùng, vòng quét kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
Bộ đệm I và Q không tương tác với các cổng vào/ra tương tự, do đó, các lệnh truy cập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý mà không cần qua bộ đệm.
Hình 4.2 Cấu trúc lập trình
4.1.2.1.3 Khối tổ chức OB – OGANIZATION BLOCKS:
Giới thiệu về wincc v12
Phần mềm WinCC của Siemens là giải pháp chuyên dụng cho việc phát triển giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) và xử lý, lưu trữ dữ liệu trong hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) trong lĩnh vực tự động hóa.
WinCC v12, được tích hợp trong TIA Portal v12, là phần mềm kỹ thuật chuyên dụng cho việc thiết lập bảng điều khiển HMI, máy tính công nghiệp và máy tính PC thông thường Phần mềm này hoạt động thông qua WinCC Runtime Advanced cho các ứng dụng cơ bản, hoặc phức tạp hơn với hệ thống SCADA thông qua WinCC Runtime Professional.
WinCC v12 (tích hợp trong TIA Portal v12) có 4 phiên bản phụ thuộc vào hệ thống điều khiển:
- Wincc Basic để thiết lập cho màn hình HMI cơ bản.
Wincc Basic được đính kèm với trong mỗi phần mềm STEP 7 Basic and STEP 7
- Wincc Comfort để thiết lập cho tất cả các màn hình HMI (Bao gồm Comfort HMI và điện thoại di động).
- Wincc Advanced để thiết lập cho tất cả các màn hình HMI và máy tính với phần mềm hiển thị Wincc Runtime Advanced
Wincc Runtime Advandec là phần mềm hiển thị cho hệ thống máy tính 1 trạm.
- Wincc Professional để thiết lập cho tất cả các màn hình HMI và máy tính trong có có cả hệ thống SCADA.
Wincc Runtime Proffesional là hệ thống SCADA được sử dụng để thiết lập cả hệ thống 1 trạm điều khiển và nhiều trạm điều khiển
Hình 4.3: Giao diện “Chương trình điều khiển và nhập dữ liệu vào Wincc
Trong chương trình điều khiển và nhập dữ liệu, khách hàng có thể lựa chọn từ năm màu sắc có sẵn, bao gồm màu xanh lá cây, màu hồng, màu lam, màu thẩm và màu chàm Khách hàng có thể dễ dàng gọi màu thông qua mô hình hoặc sử dụng chương trình Wincc.
Khách hàng có thể tham khảo bảng mã màu trong hình 4.3 hoặc tự chọn tỷ lệ theo sở thích Sau khi nhập dữ liệu vào khối “I/O field” input, hệ thống sẽ tự động tính toán và chuyển kết quả đến khối “I/O field” output, hiển thị tỷ lệ tương ứng Cuối cùng, chỉ cần nhấn Enter để thực hiện quá trình rót và trộn sơn, mang lại sản phẩm như mong muốn.
- Khách hàng có thể nhập dữ liệu bằng cách khác đó là từ thanh trượt khối
“Slider” rất tiện lợi, cho phép người dùng trượt để chọn tỷ lệ mong muốn Kết quả sẽ hiển thị tại khối “Bar” Sau đó, chỉ cần nhấn giữ nút TĐ/TV/TX để các van rót màu vào bình trộn, từ đó tạo ra thành phẩm theo ý thích.
Hình 4.4: Bảng mã màu cho khách hang tham khảo và chọn màu thích hợp.
Trong bảng mã màu của WinCC, người dùng có thể chọn màu tương ứng với các mã số đã được cung cấp và tỷ lệ tham khảo để nhập dữ liệu vào chương trình, như thể hiện trong hình 4.2 Bên cạnh đó, một số màu có thể được gọi tự động bằng cách nhấn nút gọi màu trong WinCC, giúp hệ thống tự động rót màu theo yêu cầu.
Hình 4.5: Giao diện hệ thống trên Wincc
Trong chương trình Wincc có các giao diện giúp ta quản lý và giám sát và cũng dể dàng chuyển từ giao diện này sang giao diện khác.
Giới thiệu về hmi
HMI, viết tắt của Human-Machine Interface, là giao diện giữa con người và máy móc, cho phép người điều hành tương tác với thiết bị Bất kỳ hình thức nào mà con người kết nối và giao tiếp với máy móc đều được coi là một HMI.
Hình 4.6: Hệ thống quản lý, giám sát dung HMI trong thực tế
Hình 4.7: HMI dùng trong Đồ án
Giao diện HMI tương tự như giao diện Wincc, bao gồm các màn hình nhỏ để nhập số liệu và các nút ấn, giúp người dùng quản lý và giám sát hệ thống một cách hiệu quả Người dùng có thể tùy chỉnh, nhập và quản lý số liệu dễ dàng mà không cần thay đổi chương trình, chỉ với một thao tác trên màn hình HMI Do hạn chế về kinh phí, chúng tôi sử dụng HMI với màn hình 6 inch và 4 màu cơ bản.
Hình 4.8: Bảng mã màu trong HMI
Hình 4.9: Bảng chú thích màu trong HMI
Hình 4.10: Nhập dữ liệu trong HMI
Phân công vào ra
Kiểu tín hiệu Giải thích
I0.0 Đầu vào Nút ấn màu xanh lá cây
I0.1 Đầu vào Nút ấn màu cam
I0.4 Đầu vào Nút ấn màu lam
I0.2 Đầu vào Nút ấn yêu cầu nước rửa
I0.7 Đầu vào Cảm biến 1 rót
Q0.0 Đầu ra Van xả đỏ
Q0.1 Đầu ra Van xả vàng
Q0.2 Đầu ra Van xả xanh
Q0.3 Đầu ra Động cơ khấy
Q0.4 Đầu ra Van xả màu và nước sau khi rửa
Q0.5 Đầu ra Động cơ kéo băng tải
Q1.0 Đầu ra Van xả nước rửa
Lưu đồ thuật toán
4.5.1: Thuật toán chọn màu sơn để pha bắt Đ ầu
Tạo thời gian rót tạo màu xanh lá c©y
Tạo thời gian rót tạo màu cam
Tạo thời gian rót tạo màu lam
Nhập tỉ lệ t ơng ứng trong bảng mã màu vào winc
ENTER=1 Đ a tín hiệu nhập từ wincc vào tính toán và đ a ra timer cho từng van
Van hoạt động theo timer đã tính toán
Cảm biến vị trÝ rãt = 1
Cảm biến vị trí cuối
Dừng băng tải mở van rãt
Dừng băng tải đợi lấy sản phẩm ra
Counter đếm số cảm biến cuèi =3
4.5.2 Thuật toán bơm nước rửa: bắt Đ ầu
Khởi động van xả n ớ c rửa Đ ộng cơ khuấy trong 5s
Cảm biến vị trÝ cuèi
Cảm biến vị trÝ rãt
Counter đếm số cảm biến cuèi
Dừng băng tải mở van rãt
Dừng băng tải đợ i lấy n ớ c thải ra § óng Sai
Sơ đồ đấu nối plc s7-1200
24V DC b¨ ng c h uy Òn v a n x ả đỏ (r ed)
2 4 V D C nút ấn màu xanh l á c ây n út ấn màu c a m
24VDC OUTPUT nút y ê u c ầu n ớ c r ửa
24VDC v a n x ả v àng (y el l o w ) v a n x ả x a nh (bl ue) v a n x ả màu t r ộ n nút ấn màu l am
MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
Hình 5.1: Mô hình tổng thể
Hình 5.3: Cảm biến vị trí
Hình 5.5: Động cơ một chiều có giảm tốc
Hình 5.9: HMI dùng trong hệ thống để quan sát, giám sát.