GIỚI THIỆU CHUNG
Các vấn đề đặt ra
Đề tài "Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển đáp ứng vận tốc băng tải trong phân loại sản phẩm ứng dụng bộ điều khiển và biến tần Siemens" nhằm xây dựng một mô hình trạm có khả năng phân loại sản phẩm dựa trên hình dạng, kích thước và vật liệu khác nhau Mô hình này không chỉ lọc ra các sản phẩm không đạt yêu cầu mà còn điều chỉnh tốc độ băng tải trong quá trình phân loại, đảm bảo hiệu quả và độ chính xác trong sản xuất Để hoàn thành đề tài, cần chú trọng đến việc phát triển hệ thống điều khiển và tích hợp các thiết bị phù hợp.
- Tìm hiểu nguyên lí của các loại cảm biến cần sử dụng trong phân loại;
- Tìm hiểu nguyên lí hoạt động của bộ điều khiển và biến tần Siemens;
- Lập trình điều khiển và giám sát hệ thống bằng PLC 1 S7-1200 Siemens thông qua giao diện WinCC;
- Xây dựng được cơ bản mô hình 3D của dây chuyền phân loại sản phẩm
- Phân tích, tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số kĩ thuật của các chi tiết
- Đảm bảo vấn đề an toàn cho người vận hành và sản phẩm không bị hỏng hóc trong quá trình phân loại;
Tổng quan về đề tài
Mặc dù Việt Nam có nguồn lao động dồi dào và chi phí thuê công nhân thấp, nhưng chất lượng lao động vẫn còn hạn chế do nhiều công nhân thiếu kỹ năng và trình độ chuyên môn Theo thống kê năm 2010, có tới 19,5 triệu lao động Việt Nam làm việc trong các ngành nghề không yêu cầu chuyên môn cao Điều này dẫn đến việc các doanh nghiệp phải đầu tư vào đào tạo tay nghề cho công nhân, tuy nhiên, công nhân không lành nghề thường sản xuất ra sản phẩm chất lượng thấp, năng suất không cao và số lượng sản phẩm trong cùng một đơn vị thời gian cũng bị hạn chế.
Các hoạt động thủ công tại Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh vực phân loại sản phẩm, vẫn phụ thuộc nhiều vào lao động thủ công Điều này đặc biệt đúng với các ngành nghề phân loại sản phẩm độc hại, như phân loại rác thải và các chất hóa học độc hại, đòi hỏi sự chú ý và cẩn trọng cao.
1 PLC là viết tắt của Programmable logic controller
Công nhân tham gia hoạt động phân loại sẽ phải đối mặt với nhiều tác hại nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe và năng suất làm việc của họ.
Tốc độ đổi mới công nghệ tại Việt Nam hiện vẫn chậm và thiếu định hướng phát triển rõ ràng, với phần lớn doanh nghiệp sử dụng công nghệ lạc hậu, tụt hậu 2-3 thế hệ so với thế giới Đáng chú ý, 80-90% công nghệ đang được áp dụng là nhập khẩu, trong đó 76% là máy móc từ thập niên 50-60 và 50% là đồ tân trang Sự lạc hậu này dẫn đến chất lượng sản phẩm thấp, gây khó khăn cho hàng hóa Việt Nam trong việc cạnh tranh về giá cả trên thị trường.
Trên toàn cầu, nhiều quốc gia đã áp dụng hệ thống tự động hóa trong sản xuất và đang mở rộng mô hình này Số lượng công nhân chất lượng cao với trình độ chuyên môn cao đã nâng cao chất lượng sản phẩm, giúp giảm giá thành và tăng khả năng cạnh tranh không chỉ trong nước mà còn xuất khẩu sang các thị trường lớn như Trung Quốc, Nhật Bản, Anh, Pháp và Đức.
Khi sản phẩm được sản xuất, chúng sẽ được sắp xếp tự động trên băng chuyền Các thiết bị bên cạnh băng chuyền sẽ nhận diện sản phẩm theo loại, phân loại và đẩy chúng vào hộp trên băng chuyền khác Sản phẩm còn lại tiếp tục di chuyển đến thùng hàng qua hệ thống đếm tự động, và hệ thống sẽ dừng lại để đóng gói khi đủ số lượng quy định Quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi có lệnh dừng, và công nhân chỉ cần lấy hộp và xếp lên xe đẩy để đưa vào kho.
Hoạt động phân loại sản phẩm tự động mang lại năng suất và độ chính xác cao, giảm thiểu nhu cầu về lao động, giúp doanh nghiệp cạnh tranh về giá thành và chất lượng Tuy nhiên, không phải doanh nghiệp vừa và nhỏ nào ở Việt Nam cũng có khả năng đầu tư lớn vào hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh từ nước ngoài.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Phân loại sản phẩm là một vấn đề quan trọng và thường xuyên được áp dụng trong đời sống hiện nay Công việc này yêu cầu sự tập trung cao độ và sự tham gia của con người.
2 Theo http://www.dientuvietnam.net/forums/
Công nhân gặp khó khăn trong việc đảm bảo độ chính xác do tính lặp lại cao trong công việc, đặc biệt khi phân loại sản phẩm dựa trên các chi tiết nhỏ mà mắt thường khó nhận biết Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất Do đó, sự ra đời của hệ thống phân loại là cần thiết để đáp ứng nhu cầu cấp bách này.
Các hệ thống phân loại sản phẩm tại Việt Nam có quy mô đa dạng, từ lớn đến nhỏ, tùy thuộc vào mức độ phức tạp của yêu cầu phân loại Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho các hệ thống này thường rất cao, đặc biệt trong bối cảnh kinh tế Việt Nam Hiện nay, phần lớn các hệ thống phân loại tự động chỉ được áp dụng cho những sản phẩm có yêu cầu phức tạp, trong khi nhiều doanh nghiệp vẫn phụ thuộc vào lao động con người Ngoài việc sử dụng băng chuyền để vận chuyển sản phẩm, một yêu cầu quan trọng khác là cần có hệ thống phân loại sản phẩm Các phương pháp phân loại rất đa dạng, bao gồm phân loại theo kích thước, màu sắc và mã vạch.
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học và công nghệ, điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực, nhằm tăng năng suất lao động, giảm sức người, và nâng cao chất lượng sản xuất Hệ thống băng tải, với cấu tạo đơn giản và bền vững, là phương tiện vận chuyển nguyên vật liệu và sản phẩm thiết yếu trong các doanh nghiệp và nhà máy Nhờ khả năng vận chuyển linh hoạt theo phương ngang và nghiêng, cùng năng suất cao và tiêu hao năng lượng thấp, băng tải được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp khai khoáng và chế biến thực phẩm Qua các đợt thực tập tại nhà máy, chúng tôi nhận thấy nhiều khâu tự động hóa trong sản xuất, đặc biệt là việc sử dụng băng tải để vận chuyển và phân loại sản phẩm.
3 Theo http://www.dientuvietnam.net/forums/
Mục tiêu nghiên cứu đề tài
Khoa học công nghệ đang phát triển mạnh mẽ, vì vậy việc áp dụng các kỹ thuật tiên tiến vào sản xuất để tạo ra dây chuyền có năng suất và chất lượng cao với chi phí hợp lý là rất cần thiết, đặc biệt cho các nước đang phát triển như Việt Nam.
Với đề tài nghiên cứu, nhóm em đã đặt ra các yêu cầu như sau:
- Nghiên cứu và hoàn thiện mô hình hệ thống phân loại sản phẩm có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, bảo trì, sửa chữa;
- Có thể điều chỉnh được tốc độ băng tải phân loại dễ dàng bằng biến tần Siemens;
- Hệ thống làm việc ổn định, an toàn cho người vận hành, sản phẩm không bị hỏng hóc trong quá trình phân loại;
- Giá thành thiết kế phù hợp với năng suất làm việc của hệ thống.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Với đề tài “Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển đáp ứng vận tốc băng tải trong phân loại sản phẩm ứng dụng bộ điều khiển và biến tần Siemen”, chúng tôi sẽ tập trung vào các vấn đề chính liên quan đến thiết kế và tối ưu hóa hệ thống điều khiển băng tải, nhằm nâng cao hiệu suất phân loại sản phẩm bằng cách ứng dụng công nghệ bộ điều khiển và biến tần của Siemen.
Tìm hiểu về vật liệu cơ khí là bước quan trọng trong việc tính toán chế tạo khung hệ thống, bao gồm việc lựa chọn vật liệu và kích thước cho băng chuyền, trục xoay, xy lanh và động cơ dẫn động Việc xác định đúng các thông số kỹ thuật sẽ đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống.
- Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình PLC;
- Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bộ điều khiển và biến tần Siemens;
- Tìm hiểu về phần mềm thiết kế, điều khiển và giám sát trên S7 1200, mô phỏng trên nền Win CC;
- Tìm hiểu thêm về các phần mềm thiết kế cơ khí như solidwork, Creo…
Phương pháp nghiên cứu
Nhằm đạt được mục tiêu của đề tài, nhóm đã áp dụng kiến thức đã học và nghiên cứu thông tin từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau để đề xuất phương pháp thực hiện.
+ Tham khảo các hệ thống thực tế có trên thị trường và giá thành của chúng;
Nghiên cứu về hệ thống phân loại sản phẩm và hệ thống tự động thủy khí là rất quan trọng, cùng với việc tìm hiểu các cảm biến, mô hình hóa, mô phỏng và lý thuyết điều khiển Bên cạnh đó, việc nắm vững các phần mềm hỗ trợ thiết kế và điều khiển hệ thống như Solidworks và TIA Portal cũng đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu suất hệ thống.
+ Tìm hiểu phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển và chương trình điều khiển
Mô hình hóa và tính toán thiết kế mô hình cơ khí là quá trình quan trọng nhằm đảm bảo độ chính xác và độ cứng cần thiết cho hệ thống, đáp ứng hiệu quả các yêu cầu kỹ thuật.
+ Sử dụng phần mềm Solidwork để thiết kế các bộ phận cơ khí của hệ thống và mô phỏng;
+ Sử dụng phần mềm TIA Portal thiết lập chương trình điều khiển phân loại phôi đề ra;
+ Sử dụng phần mềm WinCC mô phỏng, quan sát, điều khiển hoạt động của toàn hệ thống
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
Tổng quan về quy trình phân loại sản phẩm
2.1.1 Nguyên lí hoạt động, quy trình công nghệ của hệ thống
- Hệ thống sử dụng băng tải được dẫn động bằng động cơ ba pha được điều chỉnh tốc độ bằng biến tần
- Phôi có các đặc tính: cao, thấp, kim loại, phi kim
- Có 5 cảm biến phát hiện phôi: 2 tiệm cận và 3 cảm biến quang
- Có 3 xy lanh hành trình ngắn đẩy phôi
Khi nhấn nút Start và có phôi trên băng tải, hệ thống sẽ hoạt động và băng tải sẽ bắt đầu chạy Phôi sẽ được cảm biến quang đếm khi đi qua băng tải Sau khi phôi đi qua các cảm biến tiệm cận và quang, có thể xảy ra các trường hợp khác nhau Trong trường hợp 1, nếu phôi là kim loại cao, xylanh 1 sẽ đẩy phôi vào vị trí 1.
TH2: Phôi kim loại thấp, xylanh 2 sẽ đẩy phôi vào vị trí 2
TH3: Phôi phi kim loại cao, xylanh 3 sẽ đẩy phôi vào vị trí 3
Phôi phi kim loại thấp sẽ được đưa xuống hộp đựng phôi ở cuối băng tải Khi xylanh đẩy phôi vào các ô, các xylanh sẽ lùi lại để hệ thống tiếp tục phân loại phôi tiếp theo Biến tần được điều chỉnh để tốc độ băng tải giảm khi các phôi gần nhau và tăng khi chúng cách xa, nhằm tối ưu hóa tốc độ phân loại Trong trường hợp hệ thống gặp sự cố, nhấn nút Stop để dừng khẩn cấp và sử dụng nút Reset để đưa hệ thống về vị trí ban đầu.
S7-1200, ra đời vào năm 2009, đã thay thế dần S7-200 với nhiều tính năng vượt trội hơn Thiết kế nhỏ gọn và chi phí thấp của S7-1200 kết hợp với tập lệnh mạnh mẽ mang đến giải pháp hoàn hảo cho các ứng dụng Ngoài ra, S7-1200 còn cung cấp cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP, giúp nâng cao khả năng kết nối và hiệu suất.
SIMATIC S7 1200 PLC là giải pháp mới từ SIEMENS cho các nhiệm vụ tự động hóa đơn giản nhưng chính xác Với thiết kế module nhỏ gọn và linh hoạt, SIMATIC S7 1200 PLC mang lại sự đầu tư an toàn và hiệu quả cho các ứng dụng tự động hóa.
PLC S7-1200 sở hữu giao diện truyền thông đạt tiêu chuẩn cao nhất trong lĩnh vực công nghiệp, cùng với nhiều tính năng công nghệ mạnh mẽ được tích hợp sẵn Điều này giúp nó trở thành một giải pháp tự động hóa toàn diện và hoàn chỉnh.
PLC S7 1200 có 4 phiên bản với nhiều tùy chọn cho người dùng Tất cả các dòng CPU của Serial S71200 đều được tích hợp giao tiếp Ethernet và có khả năng mở rộng các giao diện truyền thông khác như RS232, RS485, Profibus và AS-I.
Màn hình SIMATIC HMI Basic được thiết kế tương thích hoàn toàn với S7-
1200 đảm bảo tích hợp và xây dựng ứng dụng tối ưu và nhanh chóng
Các thành phần của PLC S7-1200 bao gồm:
- 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như điều khiển AC hoặc DC phạm vi rộng
- 2 mạch tương tự và số mở rộng điều khiển module trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản phẩm
- 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau
- 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP
- Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24 VDC Ứng dụng:
- Điều khiển đèn chiếu sáng
- Điều khiển bơm cao áp
- Giám sát hệ thống điện
- Máy đóng gói, máy đánh sợi, máy chế biến thực phẩm …
S7-1200 có 3 dòng là : CPU 1211C, CPU 1212C và 1214C
S7-1200 được trang bị thêm tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển
Các đặc tính của CPU S7-1200 được thể hiện trong bảng sau
Bảng 2-1: So sánh thông số của một số loại CPU S7-1200
Bộ lập trình PLC s7-1200 CPU 1214C – 6ES7214-1AG40-0XB0
+ ONBOARD I/O: 14 DI 24V DC ; 10 DO 24V DC; 2 AI 0 – 10V DC
Hi ̀nh 2-1 PLC S7-1200 CPU 1212C-DC/DC/DC
Rơ le là thiết bị điện tự động đóng ngắt, với tín hiệu đầu ra thay đổi khi tín hiệu đầu vào đạt giá trị xác định Thiết bị này được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ và trong cuộc sống hàng ngày.
Rơ le là thiết bị điện quan trọng, có nhiều loại khác nhau như rơ le điện tử, rơ le phân cực, rơ le cảm ứng, rơ le nhiệt, và rơ le điện từ tương tự, mỗi loại đều có nguyên lý làm việc và chức năng riêng biệt.
Hi ̀nh 2-2 Rơ le trung gian
4 Trích từ https://codientudong.com/
Rơ le có 16 đặc tính cơ bản, trong đó đặc tính vào ra là quan trọng nhất Khi đại lượng đầu vào X đạt đến giá trị tác động X2, đại lượng đầu ra Y sẽ thay đổi đột ngột từ 0 (Ymin) lên 1 (Ymax) Ngược lại, khi X giảm xuống giá trị nhả X1, Y sẽ giảm từ 1 xuống 0, thể hiện quá trình nhả của rơ le.
Hi ̀nh 2-3 Cấu tạo rơ le trung gian
1 Gông từ 2 Cuộn dây 3 Thép từ
Rơ le trung gian là thiết bị quan trọng trong các sơ đồ bảo vệ hệ thống điện và điều khiển tự động, nổi bật với số lượng tiếp điểm lớn (bao gồm tiếp điểm thường đóng và thường mở) Với khả năng chuyển mạch cao và công suất nuôi cuộn dây thấp, rơ le trung gian thường được sử dụng để truyền và khuếch đại tín hiệu, cũng như phân phối tín hiệu từ rơ le chính đến nhiều bộ phận khác nhau trong mạch điều khiển và bảo vệ.
Nguyên lý hoạt động của rơ le trung gian:
Khi cuộn dây của rơ le nhận điện áp định mức, sức từ động tạo ra sẽ làm nắp rơ le hút lại, khiến các tiếp điểm thường mở đóng lại và các tiếp điểm thường đóng mở ra Khi ngắt điện, lò xo sẽ đưa nắp và các tiếp điểm về vị trí ban đầu Do dòng điện qua tiếp điểm nhỏ, hồ quang khi chuyển mạch không đáng kể, vì vậy không cần thiết phải có buồng dập hồ quang.
5 Trích từ https://kythuatchetao.com/cau-tao-nguyen-ly-hoat-dong-role-trung-gian/
Rơ le trung gian có thiết kế nhỏ gọn với tối đa bốn cặp tiếp điểm thường đóng và thường mở liên động Công suất tiếp điểm đạt 5A, 250VAC và 28VDC, với hệ số nhả dưới 0.4 Thời gian tác động nhanh chóng dưới 0.05 giây, cho phép tần suất thao tác lên đến 1200 lần mỗi giờ.
Van đảo chiều khí nén là thiết bị quan trọng dùng để điều khiển dòng khí nén, cho phép đóng, ngắt và thay đổi hướng dòng khí Nhờ vào van này, hướng tác động của cơ cấu chấp hành khí nén có thể được điều chỉnh một cách linh hoạt.
Trong mô hình hệ thống phân loại sản phẩm, nhóm đồ án sử dụng van đảo chiều 5/2
Van 5/2 là van có 5 cửa làm việc và 2 trạng thái làm việc (Hình 2.6)
- Cửa P là cửa cung cấp nguồn năng lượng
- Cửa A lắp với buồng trái xylanh cơ cấu chấp hành
- Cửa B lắp với buồng bên phải của xylanh cơ cấu chấp hành
- Cửa S và cửa R là cửa xả năng lượng
Công dụng: Van 5/2 có tác dụng làm đảo chiều điều khiển xylanh tác động kép
Hi ̀nh 2-4 Van đảo chiều 5/2
Khi con trượt van di chuyển sang phải, cửa P kết nối với cửa A, trong khi cửa B kết nối với cửa T Ngược lại, khi con trượt di chuyển sang trái, cửa P sẽ kết nối với cửa B và cửa A sẽ kết nối với cửa R.
Nhóm thực hiện sử dụng Van điện từ 5/2 tác động điện Airtac 4V210-0:
6 Trích từ http://thuykhicongnghiep.vn/
Hi ̀nh 2-5 Van điện từ Airtac 4V210-08
- Loại van: 5 cửa 2 vị trí
- Kích thước cửa: Cửa vào, Cửa ra: 1/4”, Cửa xả 1/8”
- Môi trường làm việc: Khí nén
- Áp suất làm việc: 0.15 - 0.8 MPa
- Nhiệt độ cho phép: -5°C đến 60°C
- Sai số điện áp cho phép: ±10%
- Thời gian đáp ứng: 0.05 giây
Cảm biến là thiết bị điện tử có khả năng nhận diện các trạng thái hoặc quá trình vật lý và hóa học trong môi trường khảo sát, sau đó chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện để thu thập thông tin chi tiết về các trạng thái hoặc quá trình đó.
Tổng quan điều khiển vận tốc qua biến tần
Biến tần là thiết bị điều chỉnh tần số dòng điện cho cuộn dây động cơ, cho phép kiểm soát tốc độ động cơ một cách linh hoạt mà không cần hộp số cơ khí Thiết bị này sử dụng linh kiện bán dẫn để điều khiển dòng điện, tạo ra từ trường xoay giúp quay động cơ hiệu quả.
Có nhiều loại biến tần như: Biến tần AC, biến tần DC; biến tần 1 pha 220V, biến tần 3 pha 220V, biến tần 3 pha 380V, biến tần 3 pha 660V, biến tần trung thế
Ngoài các dòng biến tần đa năng, nhiều hãng sản xuất biến tần chuyên dụng, bao gồm biến tần cho bơm và quạt, biến tần cho nâng hạ và cẩu trục, biến tần cho thang máy, và biến tần cho hệ thống HVAC.
Biến tần được lựa chọn cho hệ thống là Biến tần Siemens V20
Hi ̀nh 2-17 Biến tần Siemens v20
Dòng máy biến tần SINAMICS V20 có thể đáp ứng được nhu cầu về một giải pháp truyền động đơn giản, tiết kiệm năng lượng và giá thành rẻ
Biến tần SINAMICS V20 có kích thước nhỏ gọn, công suất đáp ứng từ 0.12Kw đến 15Kw hỗ trợ cho điện lưới 1 pha 220V và 3 pha 380V
Màn hình tích hợp trên biến tần mang lại sự tiện lợi và dễ dàng cho người dùng, đồng thời hỗ trợ các giao thức truyền thông tiêu chuẩn USS và Modbus RTU, giúp việc tích hợp với hệ thống điều khiển trở nên đơn giản hơn.
Dòng biến tần Siemens V20 thích hợp với việc sử dụng động cơ 3 pha của hệ thống
Hi ̀nh 2-18 Sơ đồ kết nối biến tần với thiết bị
Sơ đồ tổng quát kết nối của biến tần Siemens V20 11
Hi ̀nh 2-19 Sơ đồ tổng quát kết nối của biến tần Siemens V20
11 Theo https://vuphan.com.vn/cach-dung-bien-tan-siemens/
Sơ đồ đấu dây chi tiết:
Hi ̀nh 2-20 Sơ đồ đấu dây chi tiết
Các thông số biến tần sử dụng
Chân điều khiển 10V: giúp cung cấp điện áp ra 10V (± 5%) 11mA
Chân điều khiển AI1: Kênh analog ngõ vào 1, hỗ trợ analog giá trị -10V đến +10V, 0mA đến 20mA
Chân điều khiển AI2: Kênh analog ngõ vào 2, hỗ trợ analog giá trị 0V đến +10V, 0mA đến 20mA
Chân điều khiển AO1: Kênh analog ngõ ra, hỗ trợ analog giá trị 0mA đến 20mA
Chân 0V dùng cho kênh analog và truyền trhoong RS485
Chân điều khiển P+ : Chân RS485 +
Chân điều khiển N- : Chân RS485 –
Chân điều khiển DI1, DI2: Chân digital ngõ vào, hỗ trợ kết nối dạng Source và Sink
Chân điều khiển DI3: Hoạt động ở điện trong dãy điện áo 0V – 30V
Chân điều khiển DI4: Điện áp > 11V là mức 1, điện áp < 5V là mức 0
Chân điều khiển DIC: Chịu được dòng điện 15mA
- Nguồn 24V: Cung cấp điện áp ra 24V (± 15%) 50mA
Chân điều khiển DO1+ : Chân ngõ ra DO1 transistor
Chân điều khiển DO1- : Điện áp hoạt động là 35VDC, 100mA
- Ngõ ra Relay: Điện áp hoạt động 220V AC/30VDC, 0.5A
Chân điều khiển DO2 NC: Chân ngõ ra DO2 relay thường đóng
Chân điều khiển DO2 NO: Chân ngõ ra DO2 relay thường mở
Chân điều khiển DO2 C: Chân ngõ ra DO2 relay chung
Phương pháp điều khiển vận tốc đáp ứng tốc độ phân loại
Điều chỉnh vận tốc chuyển động của cơ cấu chấp hành được thực hiện thông qua việc điều chỉnh lưu lượng dầu vào động cơ thủy lực Có hai phương pháp chính để điều chỉnh lưu lượng dầu vào động cơ thủy lực.
Phương pháp điều chỉnh vận tốc trong hệ thống thủy lực có thể thực hiện bằng cách điều chỉnh tiết lưu, giúp kiểm soát lưu lượng dầu vào động cơ Việc điều chỉnh tiết lưu trên đường dẫn dầu cho phép tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ thủy lực.
Phương pháp điều chỉnh vận tốc trong hệ thống thủy lực có thể thực hiện bằng cách điều chỉnh thể tích, cụ thể là điều chỉnh lưu lượng dầu vào động cơ thủy lực thông qua việc kiểm soát lưu lượng mạch bơm cung cấp cho hệ thống.
Việc lựa chọn phương pháp điều chỉnh phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm công suất và đặc tính của tải trọng, hiệu suất, khả năng tự động điều chỉnh, tốc độ phản hồi, độ tin cậy và hiệu quả kinh tế.
Để giảm nhiệt độ dầu và nâng cao hiệu suất hệ thống ép dầu, phương pháp điều chỉnh vận tốc bằng thể tích thường được áp dụng Phương pháp này chỉ cung cấp lưu lượng dầu cần thiết để duy trì một vận tốc nhất định trong hệ thống Nếu không tính đến tổn thất thể tích và cơ khí, toàn bộ năng lượng từ bơm dầu sẽ chuyển hóa thành công có ích.
2.3.1 Phương pháp điều chỉnh tiết lưu
Phương pháp này, với kết cấu đơn giản, thường được áp dụng trong các hệ thống thuỷ lực của máy công cụ nhằm điều chỉnh tốc độ chuyển động của cơ cấu chấp hành.
Bơm cung cấp dầu với lưu lượng không đổi cho hệ thống, giúp điều chỉnh lưu lượng dầu vào hoặc ra từ cơ cấu chấp hành khi tiết diện lưu thay đổi Nhờ đó, vận tốc của cơ cấu chấp hành có thể được điều chỉnh linh hoạt.
Tuỳ thuộc vào vị trí lắp van tiết lưu trong hệ thống, có hai loại điều chỉnh dùng van tiết lưu:
Hi ̀nh 2-21 Sơ đồ mạch thuỷ lực điều chỉnh bằng tiết lưu
(a) - lực điều chỉnh dùng van tiết lưu ở đầu vào;
(b) - điều chỉnh dùng van tiết lưu ở đầu ra Nhận xét:
Cả hai sơ đồ điều chỉnh bằng tiết lưu đều có kết cấu đơn giản, nhưng không đảm bảo vận tốc ổn định khi tải trọng thay đổi Phương pháp này thường được áp dụng cho các hệ thống thủy lực với tải trọng thay đổi nhỏ hoặc không yêu cầu cao về ổn định vận tốc Để khắc phục nhược điểm này, có thể sử dụng các bộ ổn tốc thay cho các van tiết lưu.
- Một phần dầu thừa qua van tràn biến thành nhiệt làm giảm độ nhớt của dầu, tăng dầu dò và làm giảm hiệu suất
- Thường dùng trong những hệ thống có công suất nhỏ, thường không quá 3 ÷ 3.5 kw, hiệu suất khoảng 0.65 ÷0.67
2.3.2 Phương pháp điều chỉnh thể tích Để giảm nhiệt độ dầu, đồng thời tăng hiệu suất của hệ thống thủy lực, người ta dùng phương pháp điều chỉnh vận tốc bằng thể tích Loại điều chỉnh này được thực hiện bằng cách chỉ đưa vào hệ thống lưu lượng dầu cần thiết để đảm bảo một vận tốc nhất định
Lưu lượng dầu cung cấp bởi mạch bơm có thể thay đổi được bằng cách:
Thay đổi phân cấp lưu lượng có thể thực hiện bằng cách sử dụng bơm có thể tích làm việc không đổi, cho phép điều chỉnh lưu lượng khác nhau thông qua việc sử dụng bơm đôi hoặc kết hợp nhiều bơm.
Việc thay đổi lưu lượng một cách vô cấp có thể thực hiện thông qua bơm hoặc động cơ điều khiển được, hoặc cả hai Phương pháp này cho phép điều chỉnh lưu lượng hoặc tần số quay một cách linh hoạt mà không gây ra hao tổn cho hệ thống, điều này khác biệt so với việc sử dụng van tiết lưu.
Sơ đồ mô tả các phương pháp điều chỉnh thể tích:
Sử dụng bơm đồi hoặc nhiều bơm:
Việc sử dụng hai bơm kết đôi hoặc kết nối nhiều bơm trong một mạch thủy lực giúp thiết bị thích ứng hiệu quả với yêu cầu về áp suất và lưu lượng của phụ tải Phương pháp này rất hữu ích trong các ứng dụng cần điều chỉnh áp suất và lưu lượng theo các phương thức đã định trước.
Sơ đồ mạch thủy lực 3 bơm cho thấy cách thức hoạt động của hệ thống, trong đó áp suất phụ tải quyết định việc sử dụng bơm Hệ thống có thể hoạt động với cả 3 bơm, hoặc chỉ bơm áp suất cao và áp suất trung bình, hoặc chỉ một bơm áp suất cao để cung cấp dầu cho xylanh Điều này cho phép điều chỉnh lưu lượng và áp suất theo nhu cầu sử dụng.
Khi áp suất thấp dưới 50 bar, cả ba bơm đều hoạt động Khi van tràn của bơm ND mở, áp suất cao sẽ đóng van một chiều của bơm ND, chỉ còn bơm MD và bơm HD cung cấp lưu lượng với áp suất 100 bar Quá trình lặp lại khi áp suất vượt qua giới hạn của van tràn bơm MD, dẫn đến chỉ bơm HD cung cấp lưu lượng nhỏ với áp suất tối đa 200 bar.
Hi ̀nh 2-22 Thay đổi lưu lượng và áp suất nhờ kết nối nhiều bơm
Sử dụng các bơm điều khiển được:
Sơ đồ thủy lực điều chỉnh bằng thể tích sử dụng bơm có lưu lượng thay đổi, như bơm cánh gạt được mô tả trong hình 6.3 Việc điều chỉnh lượng dầu từ bơm được thực hiện thông qua việc thay đổi độ lệch tâm e.
- Sơ đồ thuỷ lực điều chỉnh bằng thể tích dùng bơm cánh gạt:
Hi ̀nh 2-23 Sơ đồ thuỷ lực điều chỉnh bằng thể tích dùng bơm cánh gạt
- Sơ đồ thủy lực sử dụng bơm được điều khiển bằng động cơ điều khiển được:
Hi ̀nh 2-24 Sơ đồ thủy lực sử dụng bơm được điều khiển bằng động cơ điều khiển được
- Ưu điểm: hiệu suất truyền động cao, tránh làm tăng nhiệt độ dầu
- Nhược điểm:bơm điều chỉnh lưu lượng có cấu tạo phức tạp, đắt hơn bơm có lượng không đổi
Thường dùng cho những hệ thống thuỷ lực có công suất lớn, không dùng được cho hệ thống bám thuỷ lực đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh
2.3.3 Điều khiển đáp ứng vận tốc thông qua biến tần
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Thiết kế hệ thống cơ khí cho hệ thống phân loại
3.1.1 Mô hình hóa hệ thống cơ – băng tải
Mô hình hóa hệ động cơ băng tải sử dụng động cơ Servo AC kết hợp với hộp giảm tốc để giảm tốc độ và tăng mô men Hệ thống khớp nối trục ra của hộp giảm tốc được kết nối qua bộ truyền đai tới quả lô băng tải, giúp dẫn động cho băng tải hoạt động hiệu quả.
Hệ thống mô hình hóa quan hệ giữa động cơ AC và băng tải được thể hiện qua sơ đồ, trong đó động cơ dẫn động băng tải thông qua bánh răng trụ răng thẳng.
Do khó khăn trong việc chế tạo và thiết kế hộp giảm tốc, nhóm đã chọn động cơ servo AC kết hợp với hộp giảm tốc có sẵn Giá trị đầu ra của động cơ sẽ tương ứng với vận tốc vòng của trục ra thứ cấp và mômen thứ cấp tại trục ra của hộp giảm tốc Do đó, bài viết này sẽ tập trung vào việc tính toán vận tốc góc và mômen trên trục thứ cấp của hộp giảm tốc, thay vì giá trị đầu ra của trục động cơ.
Dưới đây chỉ là mô hình băng tải với 2 quả lô để đơn giản hóa việc phân tích các lực cũng như mômen trên băng tải
Mô hình đơn giản hệ thống cơ và tải
Hi ̀nh 3-2 Mô hình đơn giản hệ thống cơ và tải
Hình vẽ trình bày các thông số quan trọng như mômen quay M (Tb1), tốc độ góc W1, đường kính quả lô R, và các khối lượng vật M1, M2 tương ứng với các chai trên dây chuyền Ngoài ra, bài viết cũng đề cập đến vận tốc dài của băng tải v, hệ số ma sát k, và lực quán tính Fqt Áp dụng định luật Kirchhoff, chúng ta có thể phân tích các yếu tố này để hiểu rõ hơn về hệ thống.
Trong mô hình hóa phần cơ, động cơ servo AC được xem như một động cơ tích hợp với hộp giảm tốc, tức là tốc độ quay và mômen thứ cấp ở hộp giảm tốc được coi là tốc độ và mômen ra ở trục động cơ Tuy nhiên, để đi sâu vào mô hình hóa, nhóm nghiên cứu đã tách rời động cơ và hộp giảm tốc, vì trong thực tế, có thể thay thế các hộp giảm tốc với hệ số khác nhau, trong khi việc gia công một cặp bánh răng là không khả thi.
Hi ̀nh 3-5 Mô hình hóa phần cơ Áp dụng định luật 2 Newton cho hệ trên ta được :
+ Đối với động cơ có hộp :
T-Bm.0̇ĐC-BML(0̇ĐC-0̇L)-KS(0ĐC-0L)=JĐC.0̈ĐC
Hi ̀nh 3-4 Mô hình truyền băng tải
↔ K I-Bm0̇ĐC-BML(0̇ĐC-0̇L)-KS(0ĐC-0L)=JĐC.0̈ĐC (3.2)
+ Đối với băng tải: -BML(0̇L-0̇ĐC)-KS(0L-0ĐC)=JL.0̈L (3.3)
Ta có hệ phương trình:
K I-Bm0̇ĐC-BML(0̇ĐC-0̇L)-KS(0ĐC-0L)=JĐC.0̈ĐC
-BML(0̇L-0̇ĐC)-KS(0L-0ĐC)=JL.0̈L
+Biến đổi Laplace hệ phương trình vi phân trên ta được:
K.I(s)-Bm.ω ĐC (s)-BML(ω ĐC (s)-ω L (s))- K s s(ω ĐC (s)-ω L (s))=JĐC.s.ω ĐC (s) (3.5)
-BML(ω L (s) -ω ĐC (s))- K s s(ω L (s) -ω ĐC (s))= JL.s.ω L (s) (3.6) Lấy (3.5) + (3.6) ta được:
K I(s)-Bm.ω ĐC (s)= JĐC.s.ω ĐC (s)+ JL.s.ω L (s)
↔I(s)= {JĐC.s.ω ĐC (s)+ JL.s.ω L (s)+Bm.ω ĐC (s)} 1
Vs(s) = K.ω ĐC (s)+(R+Ls).{JĐC.s.ω ĐC (s)+ JL.s.ω L (s)+Bm.ω ĐC (s)} 1
↔Vs(s).K=K 2 ω ĐC (s)+(R+Ls).{JĐC.s.ω ĐC (s)+JL.s.ω L (s)+Bm.ω ĐC (s)} (3.8) Hộp giảm tốc:
Bộ giảm tốc giúp giảm tốc độ góc và tăng momen xoắn cho bộ
Jđc= J L n 2 =>JL=Jđc.n 2 (3.9) Với n: Tỉ số truyền(n>1)
Như phân tích ở trên, nhóm tiếp tục nghiên cứu mô hình hóa hệ băng tải
Hi ̀nh 3-6 Mô hình hóa hệ thống băng tải
Khi động cơ hoạt động với vận tốc W, băng tải sẽ di chuyển với vận tốc v, được xác định bởi tỷ số truyền n của hộp giảm tốc, bán kính r của con lăn (m) và độ trượt u giữa băng tải và con lăn, với u luôn nhỏ hơn 1.
Vs(s).K = K 2 ω L (s) n.u.r +(R+Ls).{JĐC.s ω L (s) n.u.r+ JL.s.ω L (s)+Bm ω L (s) n.u.r} Hàm truyền:
3.1.2 Mô phỏng hệ thống cơ khí
Hi ̀nh 3-7 Mô phỏng hệ thống cơ khí trên solidworks
3.1.3 Mô hình hoá và mô phỏng hệ thống điều khiển
Sơ đồ khối hệ thống
Hi ̀nh 3-8 Sơ đồ khối hệ thống
Hi ̀nh 3-9 Lưu đồ thuật toán hệ thống
Chọn chế độ tốc độ
Cb2 XL2 tác động, Sp2 ++
3.1.4 Mô phỏng hệ thống điều khiển
Nhóm chúng em thực hiện nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng hệ thống phân loại sản phẩm dựa trên chiều cao và màu sắc bằng phần mềm TIA Portal V15.
Hi ̀nh 3-10 Cấu hình WinCC RT Advanced
Hi ̀nh 3-11 Chế độ giám sát hoạt động hệ thống
Thiết kế quy trình phân loại và tăng tốc thời gian phân loại
3.2.1 Tính toán thiết kế băng tải và con lăn
Hệ thống phân loại sản phẩm có kích thước nhỏ (L= 1000 mm) và công suất không lớn, do đó, băng tải được chọn là loại vải dệt sợi bông, một lớp, với bề rộng 100 mm.
- Chiều dày lớp bọc cao su bề mặt làm việc của băng tải: δlv=1 (mm);
- Chiều dày lớp bọc cao su bề mặt không làm việc của băng tải: δklv=0.5 (mm);
- Chiều dày của lớp màng cốt: δklv =1 (mm);
Vậy chiều dày của băng tải là: δ= δlv + δklv + δklv = 1+0.5+1 =2.5 (mm); Trục tang ( hay con lăn) được chọn làm bằng vật liệu thép cacbon C45
- Đường kính trục tang lắp với ổ lăn: chọn d = 8 (mm);
- Đường kính trục tang (hay con lăn): chọn D = 35 (mm)
3.2.2 Tính toán công suất, lựa chọn động cơ
Hi ̀nh 3-12 Sơ đồ tính toán công suất băng tải
Động cơ băng tải hoạt động với chế độ kéo liên tục và dài hạn, không yêu cầu điều chỉnh tốc độ ở nhiều cấp khác nhau Hệ truyền động của thiết bị được thiết kế để đảm bảo khả năng khởi động đầy tải một cách hiệu quả.
Mômen khởi động của động cơ Mkđ = (1.6 ÷ 1.8) Mđm Bởi vậy nên chọn động cơ có hệ số trượt lớn để có mô men khởi động lớn
Khi chọn công suất cho động cơ truyền động thiết bị vận tải liên tục, thường dựa vào công suất cản tĩnh Chế độ quá độ không được tính đến do tần suất đóng cắt thấp, không ảnh hưởng đến chế độ tải của động cơ Phụ tải của thiết bị vận tải thường ổn định trong quá trình hoạt động, do đó không cần kiểm tra theo điều kiện phát nóng quá tải Tuy nhiên, trong điều kiện làm việc nặng, cần thực hiện kiểm tra theo điều kiện mở máy.
Khi tính chọn công suất động cơ truyền động băng tải, thường tính theo các thành phần sau:
+ Công suất P1 để dịch chuyển vật liệu
+ Công suất P2 để khắc phục tổn thất do ma sát trong các ổ đỡ, ma sát giữa băng tải và các con lăn khi băng tải chạy không
+ Công suất P3 để nâng băng tải (nếu là băng tải nghiêng)
Lực cần thiết để dịch chuyển vật liệu là :
Trong đó : F1- Lực cần thiết để dịch chuyển vật liệu β - Góc nghiêng của băng tải
- Khối lượng vật liệu trên 1m băng tải (kg/m)
K1- Hệ số tính đến lực cản khi vận chuyển vật liệu (K1= 0,05) g - Gia tốc trọng trường, g= 10 m/s2
Công suất cần thiết để dịch chuyển vật liệu là :
Trong đó : P1 - Công suất để dịch chuyển vật liệu
F1 - Lực cần thiết để dịch chuyển vật liệu v - Vận tốc băng tải
Lực cản do ma sát sinh ra khi băng tải chuyển động không tải là:
F2 đại diện cho lực cản do ma sát, trong khi Δ là khối lượng của các bộ phận chuyển động của băng tải, không bao gồm khối lượng phần cần vận chuyển (kg/m) Hệ số K2 được sử dụng để tính đến lực cản khi không tải, với giá trị K2 = 0,05.
G - Gia tốc trọng trường, g= 10 m/s 2 Công suất cần thiết để khắc phục các lực cản ma sát :
Trong đó : P2 - Công suất để khắc phục tổn thất
F2 - Lực cần thiết để dịch chuyển vật liệu v - Vận tốc băng tải Lực cần thiết nâng vật :
Trong đó: F3 - Lực cần thiết để nâng vật β - Góc nghiêng của băng tải
Khối lượng vật liệu trên 1m băng tải được ký hiệu là 𝜕 (kg/m), trong khi gia tốc trọng trường g có giá trị là 10 m/s² Trong công thức tính toán, sử dụng dấu cộng (+) khi tải đi lên và dấu trừ (-) khi tải đi xuống Công suất cần thiết để nâng vật liệu sẽ được xác định dựa trên các yếu tố này.
Công suất tĩnh của băng tải :
Công suất cần thiết cho động cơ truyền động băng tải:
Trong đó: K3- Hệ số dự trữ về công suất (K3=1,2÷1,25)
- Hiệu suất truyền động ( = 0,94) Chọn băng tải có thông số như sau:Chiều dài : L = 1m Góc nghiêng băng tải : β = 00
Khối lượng vật liệu trên 1 đơn vị chiều dài = 1 kg/m Khối lượng những bộ phận chuyển động băng tải δ = 10kg Vận tốc băng tải ở các cấp tốc độ: v1 = 0,12m/s; v2= 0,2m/s
Lực cần thiết để dịch chuyển vật liệu là :
Công suất cần thiết để dịch chuyển vật liệu là :
P1 = F1.v = 0,5.0,2 = 0,1 (W) Lực cản do các loại ma sát sinh ra khi băng tải chuyển động không tải là :
Công suất cần thiết để khắc phục các lực cản ma sát :
Do góc nghiêng băng tải là 0 o nên không có công suất nâng vật liệu P3
Công suất tĩnh của băng tải :
P = P1 + P2 = 0,1+1 = 1,1 (W) Công suất cần thiết cho động cơ truyền động băng tải:
Như vậy ta có thể lựa chọn động cơ có công suất 150W theo yêu cầu chuyển động ổn định của hệ thống
3.2.3 Tính toán lựa chọn xylanh đẩy
Thông số của xy lanh: M16x100 mm, đường kính trục piston 6mm
Với điều kiện lực đẩy của xylanh phải thắng được lực ma sát của trọng lượng với phôi
Giả thiết: Trọng lượng của 1 phôi: 1 (N)
- Công thức tính lực đẩy của xy lanh khi piston đi ra :
Trong đó : F A 1 : Lực tác động khi cần piston đi ra
A1: Diện tích làm việc của piston
D: Đường kính mặt đáy piston ( D= 1,6 cm ) pc1: Áp suất khí nén trong xy lanh ( pc1 =5kg/cm 2 ) à: Hiệu suất của xy lanh à=0,8
Lực tác dụng khi cần piston đi ra là:
Công thức tính lực đẩy của xylanh khi piston đi vào :
F : Lực tác động khi cần piston đi vào
A2: Diện tích làm việc của piston
4 = 0,785 ( cm 2 ) D: Đường kính mặt đáy piston ( D= 1,6 cm ) d: Đường kính cần piston ( d=0,6 cm ) pc2: Áp suất khí nén trong xy lanh ( pc2 =5kg/cm 2 ) à: Hiệu suất của xy lanh à=0,8
Lực tác dụng khi cần piston đi vào là:
Từ kết quả tính toán, nhóm em chọn xylanh CJ2B10-100R
- Kiểu tác động: Hai tác động, 1 trục
- Áp suất chịu được: 0,06~ 0,7 Mpa
3.2.4 Tính toán đáp ứng vận tốc biến tần
Vận tốc băng tải ở các cấp tốc độ: v1 = 0,12m/s; v2= 0,2m/s
Kích thước mút đẩy xylanh D = 3cm
Khi hai phôi cùng loại được đặt quá sát nhau với khoảng cách d < D = 3cm, xylanh đẩy có thể gặp sự cố, dẫn đến việc đẩy cả hai phôi vào hộp phân loại và gây ra lỗi trong quá trình phân loại sản phẩm.
Khoảng cách tối thiểu để đặt 2 phôi là dmin = 3cm
Xylanh đẩy được thiết lập 0,2s để hoàn thành quá trình đẩy phôi và thu về Với cấp tốc độ 2 của biến tần (v2=0,2m/s):
Khoảng cách tối thiểu để đặt vật khi băng tải chạy với cấp tốc độ 2 là: d2 = 0,2.0,2 = 0,04 (m) = 4 (cm) > dmin Với cấp tốc độ 1 của biến tần (v1=0,12m/s):
Khoảng cách tối thiểu để đặt phôi khi băng tải chạy với cấp tốc độ 1 là: d1 = 0,12.0.2 = 0,024 (m) = 2,4 (cm) < dmin
Sử dụng tốc độ 2 cho băng tải khi phân loại một sản phẩm và cũng khi phân loại hai hoặc nhiều sản phẩm sẽ tối ưu hóa năng suất phân loại của hệ thống.
Thiết kế hệ thống điều khiển phân loại và đáp ứng vận tốc
3.3.1 Sơ đồ đấu nối PLC s7-1200 CPU 1212
Hi ̀nh 3-15 Sơ đồ đấu nối PLC
Bảng 3-1 Địa chỉ đầu vào PLC Địa chỉ Tên thiết bị Chức năng hoạt động
I0.0 Nút nhấn START(S1) Khởi động hệ thống
I0.1 Nút nhấn STOP(S3) Dừng hệ thống
I0.2 CB tiệm cận 1 Phát hiện phôi KL cao
I0.3 CB tiệm cận 2 Phát hiện phôi KL thấp
I0.4 CB 3 Phát hiện phôi PK cao
I0.5 CB 4 Phát hiện phôi PK thấp
I0.6 CB 5 Phát hiện phôi vào băng tải Địa chỉ Tên thiết bị Chức năng hoạt động
Q1.0 Rơle k1 Đóng ngắt động cơ
Q1.1 CB1 CB1 nhận tín hiệu có phôi KL cao
Q1.2 CB2 CB2 nhận tín hiệu có phôi KL thấp
Q1.3 CB3 CB3 nhận tín hiệu có phôi PK cao
Xy lanh 1 được sử dụng để điều khiển việc di chuyển phôi vào hộp 1, trong khi xy lanh 2 đảm nhiệm chức năng di chuyển phôi vào hộp 2 Đồng thời, xy lanh 3 cũng có nhiệm vụ tương tự, di chuyển phôi vào hộp 3.
Q1.7 Duytri_ht Duy trì hoạt động hệ thống
3.3.2 Lập trình điều khiển hệ thống
Sơ đồ lập trình hệ thống
