Khay chua phoi Sheet1 i BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH Sinh viên thực hiện Mssv Lớp Hồ Duy Khoa 1711030103 17DCTA1 Võ Thành Đức Tín 1711030163 17DCTA1 Dương Tôn Bảo 1711030062 17DCTA1 TP HCM, ngày tháng năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH vii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên chúng em cảm ơn đến ban lãnh đạo nhà trường Đại Học Công Nghệ TP HCM đã tạo điều kiện tốt.
GIỚI THIỆU CHUNG
Giới thiệu
Ngày nay, kỹ thuật điện- điện tử và điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như khoa học, quản lý và công nghiệp tự động hóa Việc nắm bắt và áp dụng hiệu quả các công nghệ tiên tiến như vi xử lý, PLC và vi mạch số là cần thiết để phát triển kỹ thuật điều khiển tự động Những hệ thống điều khiển cơ khí truyền thống với tốc độ xử lý chậm và độ chính xác thấp đã được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động, sử dụng các lệnh chương trình đã được lập trình sẵn.
Trong bối cảnh hoạt động của các nhà xưởng và xí nghiệp hiện nay, việc tiết kiệm điện năng trở thành một nhu cầu thiết yếu Sự phát triển của ngành công nghiệp đã thúc đẩy các công ty áp dụng tự động hóa trong sản xuất, nhằm tối ưu hóa quản lý dây chuyền và sản phẩm Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn tạo điều kiện cho việc quản lý dễ dàng hơn Để đáp ứng yêu cầu này, nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu tài liệu và thiết kế mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao.
Hình 1 1 Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao
Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng cảm biến để đo chiều cao của sản phẩm, sau đó áp dụng xylanh để phân loại các sản phẩm có chiều cao khác nhau.
Từ nguyên lý làm việc trên ta thấy muốn hệ thống hoạt động được cần những chuyển động cần thiết:
Để truyền động quay cho trục băng chuyền, chúng ta sử dụng động cơ điện một chiều kết hợp với bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng trung gian, giúp đảm bảo chuyển động mượt mà và hiệu quả cho băng chuyền.
- Chuyển động tịnh tiến của xylanh để phân loại sản phẩm có chiều cao khác nhau Chuyển động của xylanh được điều khiển bởi hệ thống khí nén
Khi ấn nút Start, máy bắt đầu hoạt động và sản phẩm được xylanh đẩy vào băng chuyền Hệ thống điều khiển phân loại sản phẩm trên băng chuyền theo chiều cao khác nhau Sau khi phân loại, các sản phẩm sẽ được chuyển đến thùng hàng để đóng gói Chu trình này tiếp tục cho đến khi tất cả sản phẩm được phân loại xong.
Những lợi ích mà hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho chúng ta là rất lớn, cụ thể như:
Giảm sức lao động và tránh sự nhàm chán trong công việc là những lợi ích quan trọng, giúp cải thiện điều kiện làm việc cho con người Điều này không chỉ tạo cơ hội cho người lao động tiếp cận với tiến bộ khoa học kỹ thuật mà còn mang lại một môi trường làm việc ngày càng văn minh hơn.
• Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm, cũng như thay đổi mẫu mã một cách nhanh chóng
Việc quản lý và giám sát trở nên dễ dàng hơn, không chỉ nhờ vào việc cải thiện điều kiện làm việc của công nhân mà còn giúp giảm thiểu số lượng công nhân tối đa.
Các vấn đề đặt ra
Mục tiêu nghiên cứu là phát triển hệ thống phân loại sản phẩm có thiết kế nhỏ gọn, dễ lắp đặt và bảo trì Để thực hiện điều này, cần thiết kế cơ khí và điều khiển động cơ, cùng với hệ thống hoạt động tự động dựa trên lập trình PLC Ngoài ra, các yếu tố như vật liệu mô hình, nguồn cung cấp và tính toán thông số chi tiết cũng cần được xem xét.
Các vấn đề cần được giải quyết đó là:
Vấn đề cơ khí yêu cầu phân tích và lựa chọn vật liệu cùng các thông số kỹ thuật cho các chi tiết, nhằm đảm bảo đáp ứng các tiêu chí như nhỏ gọn, nhẹ, bền bỉ, thẩm mỹ cao, cũng như dễ dàng trong lắp đặt và sửa chữa.
- Vấn đề điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động
- Vấn đề an toàn: đảm bảo an toàn cho người sử dụng và sản phẩm không bị hỏng.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài “Phân loại sản phẩm theo chiều cao” đã thu hút sự quan tâm của nhiều sinh viên từ các trường đại học, dẫn đến việc thiết kế các mô hình đơn giản Những mô hình này đã được áp dụng trong một số nhà máy và trở thành sản phẩm cơ điện tử tiêu biểu Trong quá trình thực hiện đồ án, nhóm tác giả đã áp dụng phương pháp nghiên cứu khoa học để đạt được kết quả tốt nhất.
* Phương pháp tuần tự và đồng thời
Kết hợp giữa thiết kế tuần tự và đồng thời, quá trình bắt đầu bằng việc nghiên cứu mô hình cụ thể, sau đó xây dựng mô hình hoàn chỉnh với đầy đủ các dự định trong thiết kế Qua đó, người thiết kế có cái nhìn tổng quan về hệ thống và xác định các thông số cơ bản.
Từ đó, áp dụng để thiết kế trong giới hạn của đề tài
Mô hình hóa phần cơ, mô phỏng hóa phần điện, tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo hoàn thiện
Chế tạo mẫu các chi tiết chưa đảm bảo hoạt động như mong muốn, hoặc chưa có trên thị trường Sau đó chế tạo thật mô hình
Chạy thử hệ thống ở công suất tối đa giúp xác định giới hạn hoạt động, từ đó đưa ra phương án cải tiến hoặc thay thế Qua đó, có thể đánh giá hiệu suất làm việc của hệ thống, tốc độ băng tải, khả năng chịu lực, giới hạn các chỉ số cơ khí và điện năng, cũng như năng suất tổng thể của hệ thống.
Phạm vi giới hạn
Hệ thống phân loại sản phẩm đã được nghiên cứu và phát triển trong thời gian dài Hiện nay, nhiều nhà máy và xí nghiệp đã áp dụng các hệ thống này để nâng cao chất lượng sản phẩm.
Trong một đề tài nghiên cứu, các yếu tố như lượng và thẩm mỹ cần được xem xét kỹ lưỡng Tuy nhiên, nghiên cứu này bị giới hạn bởi kiến thức, thời gian và kinh phí, do đó chỉ tập trung vào những tính năng cụ thể.
- Kích thước: (Dài x Rộng x Cao) 1700 x 700 x 400 (mm)
- Hệ thống điều khiển: PLC và hệ thống khí nén
- Cơ cấu đẩy sản phẩm: Xylanh piston
- Động cơ truyền chuyển động: Động cơ điện một chiều
- Hệ thống dẫn động: Băng chuyền
- Điện áp cung cấp: Điện áp xoay chiều 220V và điện áp một chiều 24V
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
Giới thiệu về các loại phân loại sản phẩm
2.2.1 Các loại hệ thống phân loại sản phẩm đang hiện hành
Hệ thống phân loại sản phẩm ra đời nhằm hiện đại hóa quy trình sản xuất, thay thế con người trong công việc phân loại và nâng cao hiệu quả công việc Hệ thống này có khả năng phân loại sản phẩm với độ tin cậy cao, hoạt động liên tục và giảm thiểu thời gian trì hoãn Đặc biệt, trong những công việc yêu cầu sự tập trung cao, việc đảm bảo chính xác trở nên khó khăn, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất Do đó, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm được phát triển để đáp ứng nhu cầu cấp bách này.
Hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy xí nghiệp, chủ yếu chia thành ba loại chính: phân loại theo màu sắc, hình dạng và chiều cao Phân loại sản phẩm theo màu sắc giúp dễ dàng nhận diện và phân biệt hàng hóa, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất và quản lý.
Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc (Hình 2.1)
Hình 2.1 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc
Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc (Hình 2.1) có cấu tạo chính gồm:
- Một động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền
- Cảm biến nhận biết màu sắc
- Ba xylanh piston để phân loại sản phẩm
- Bộ PLC dùng để xử lý tín hiệu
- Các rơ le trung gian
- Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn bộ hệ thống
Khi nhấn nút Start, động cơ điện một chiều được cấp điện áp một chiều, tạo ra chuyển động cho băng chuyền qua dây đai Xylanh piston sẽ đẩy sản phẩm ra băng chuyền, nơi có các cảm biến nhận biết màu sắc sản phẩm Khi sản phẩm đi qua, cảm biến gửi tín hiệu về bộ PLC, và PLC sẽ điều khiển van đảo chiều để điều chỉnh piston, phân loại sản phẩm theo màu sắc và đưa chúng vào các khu vực chứa riêng biệt.
Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc được ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất gạch, ngói, đá granite, cũng như trong việc phân loại sản phẩm nhựa và chế biến nông sản như cà phê và gạo Việc áp dụng hệ thống này giúp nhà sản xuất giảm thiểu nhân công lao động, tiết kiệm thời gian làm việc và nâng cao năng suất lao động.
7 b) Phân loại sản phẩm theo chiều cao
Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao (Hình 2.2)
- Hai động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền
- Ba cảm biến nhận biết chiều cao
- Hai xylanh piston để phân loại sản phẩm
- Bộ PLC dùng để xử lý tín hiệu
- Các rơ le trung gian
- Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn bộ hệ thống
Hình 2.2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao
Khi nhấn nút Start, động cơ điện một chiều đầu tiên được cấp điện áp một chiều, truyền động cho băng chuyền đầu tiên qua dây đai Băng chuyền này được trang bị cảm biến để nhận diện sản phẩm có chiều cao khác nhau Khi sản phẩm di chuyển qua, cảm biến sẽ gửi tín hiệu về bộ PLC, và PLC sẽ điều khiển van đảo chiều để đẩy sản phẩm cao và trung bình vào khay chứa tương ứng, trong khi sản phẩm thấp sẽ tiếp tục đến băng chuyền thứ hai để phân loại vào hộp chứa Cuối cùng, động cơ điện một chiều thứ hai sẽ vận chuyển hộp chứa sản phẩm thấp đến vị trí mong muốn.
Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp:
- Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói
- Ứng dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm như bánh kẹo, hoa quả
- Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất bia, nước giải khát c) Phân loại sản phẩm theo hình dạng
Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng (Hình 2.3)
Hình 2 3 Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng
- Một động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền
- Hai động cơ bước gạt sản phẩm để phân loại
- Cảm biến thị giác Camera (Nhận dạng vật thể qua Camera)
- Bộ PLC dùng để xử lý tín hiệu
- Các rơ le trung gian
- Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn bộ hệ thống
Khi nhấn nút Start, điện áp một chiều được cấp cho động cơ điện một chiều, giúp băng chuyền hoạt động thông qua dây đai Trên băng chuyền, cảm biến thị giác Camera sẽ nhận diện sản phẩm Khi sản phẩm di chuyển qua, cảm biến sẽ gửi tín hiệu về bộ PLC để xử lý, sau đó PLC phát tín hiệu điều khiển động cơ gạt từng sản phẩm có hình dạng khác nhau vào các khu vực chứa riêng biệt.
Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng được ứng dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp:
- Ứng dụng trong công nghiệp kiểm tra và phân loại sản phẩm có hình dáng khác nhau như: Gạch, Ngói, thực phẩm tiêu dùng…
- Ứng dụng trong kiểm tra và phân loại Nông Sản
- Ứng dụng kết hợp với Robot thông minh
Ngoài ba loại hệ thống phân loại sản phẩm đã đề cập, còn có hệ thống phân loại khác dựa trên đặc tính sản phẩm như trọng lượng và kích thước Hầu hết các hệ thống này có cấu tạo và nguyên lý hoạt động tương tự nhau, với sự khác biệt chủ yếu ở bộ phận đẩy sản phẩm phân loại, có thể là xy lanh piston hoặc động cơ bước, cùng với bộ phận nhận dạng sản phẩm, sử dụng các loại cảm biến như cảm biến màu sắc, cảm biến quang thu phát, cảm biến phát hiện kim loại, hoặc camera.
10 hiện hình dạng vật thể)
2.2.2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao
Sự kết hợp giữa ngành điện – điện tử và cơ khí đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển tự động hóa công nghiệp Trong bối cảnh đất nước đang phát triển và hội nhập, sản phẩm không chỉ cần đạt tiêu chuẩn chất lượng mà còn yêu cầu độ chính xác cao về hình dạng, kích thước và trọng lượng Điều này dẫn đến sự hình thành các khu công nghiệp với dây chuyền máy móc hiện đại, nhằm nâng cao năng suất sản xuất Một trong những thiết bị quan trọng là hệ thống phân loại sản phẩm Do đó, nhóm tác giả đã quyết định thiết kế và thi công mô hình với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm.”
Mô hình này giúp chúng ta hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị trong hệ thống phân loại, đồng thời ứng dụng PLC để điều khiển hệ thống một cách hiệu quả.
(1) – Nguồn cấp 24VDC (2) – PLC (3) – Động cơ một chiều
(4) – Nút nhấn (5) – Rơ le trung gian (6),(8),(14) – Cảm biến (7),(9) – Piston phân loại (10),(11),(12) – Van đảo chiều 5/2
(13) – Dây dẫn khí (15) – Sản phẩm (16) – Băng chuyền
(17) – Khay đựng sản phẩm (18) – Khung đỡ cơ khí
(19) – Hộp cấp sản phẩm (20) – Piston cấp sản phẩm
Hình 2 4 Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao
Khi nhấn nút Start, động cơ một chiều quay truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai Nguyên lý hoạt động được chia thành hai quá trình:
Quá trình cấp sản phẩm vào băng chuyền bắt đầu khi cảm biến quang phát hiện sản phẩm trong hộp và gửi tín hiệu đến PLC Bộ PLC xử lý tín hiệu này và kích hoạt van đảo chiều 5/2 để điều khiển piston đẩy sản phẩm vào băng chuyền Trên băng chuyền, hai cảm biến quang được lắp đặt với vị trí lần lượt ở độ cao và trung bình từ hộp cấp phôi, đảm bảo quá trình vận chuyển sản phẩm diễn ra hiệu quả.
Quá trình phân loại sản phẩm trên băng chuyền dựa vào độ cao của từng sản phẩm Khi sản phẩm cao đi qua, nó sẽ che cảm biến cao, gửi tín hiệu về PLC để điều khiển van đảo chiều 5/2, từ đó đẩy sản phẩm cao vào khay chứa tương ứng Sản phẩm có chiều cao trung bình không che cảm biến cao, mà khi đi qua cảm biến trung bình, sẽ được nhận diện và gửi tín hiệu đến PLC, điều khiển van để đẩy sản phẩm trung bình vào khay chứa Cuối cùng, sản phẩm thấp nhất sẽ đi hết băng chuyền và được phân loại vào khay chứa cuối cùng.
Khi nhấn nút Stop, hệ thống dừng hoạt động Ứng dụng:
Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao giúp phân loại chính xác các sản phẩm có chiều cao khác nhau Ứng dụng này rất phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp.
- Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói
- Ứng dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm như bánh kẹo, hoa quả
- Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất bia, nước giải khát.
Vật liệu chế tạo
• Đế đỡ toàn bộ mô hình: Sử dụng gỗ tấm (Hình 2.5)
Kích thước (Dài x Rộng x Cao) : 1700 x 700 x 20 (mm)
Một số ưu điểm của gỗ tấm:
- Khối lượng nhẹ hơn nhiều so với vật liệu khác
- Thuận tiện cho việc thiết kế và bắt vít cố định cho toàn bộ mô hình hệ thống
Khung đỡ được chế tạo từ thép định hình, một vật liệu phổ biến trong các ngành công nghiệp và xây dựng dân dụng Thép định hình không chỉ mang lại độ bền cao mà còn được ứng dụng rộng rãi trong kết cấu bộ phận.
Một số ưu điểm của thép định hình:
- Khả năng chịu nhiệt tốt
- Chi phí sản xuất thấp
Bộ phận đỡ băng chuyền, xylanh và cảm biến được chế tạo từ nhôm ống hình hộp, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo khung đỡ cho cấu trúc băng chuyền cũng như làm cột đỡ cho xylanh và cảm biến Nhôm ống hình hộp không chỉ được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp mà còn trong xây dựng, kết cấu dân dụng và khung cửa.
Hình 2 7 Nhôm ống hình hộp.
Một số ưu điểm của nhôm ống hình hộp:
- Gia công đơn giản hơn thép ống hình hộp
- Khối lượng nhẹ hơn so với nhiều vật liệu khác
- Giá thành vừa phải, tiết kiệm chi phí
- Khả năng chống ăn mòn tốt
• Vòng bi: Sử dụng ổ bi có kích thước Φ16 mm (Hình 2.8) Ổ bi dùng để dẫn trục quay nhẹ và giảm ma sát
• Trục dẫn kéo băng chuyền: Sử dụng trục ren bằng thép có kích thước Φ8 mm, dài 160mm (Hình 2.9):
Hình 2 9 Trục dẫn kéo băng chuyền.
Trục ren được đặt ở hai đầu băng chuyền, không chỉ đóng vai trò là trục dẫn động mà còn tạo và duy trì lực căng cần thiết cho bộ phận kéo của băng chuyền Một số ưu điểm nổi bật của trục ren thép bao gồm độ bền cao, khả năng chịu lực tốt và khả năng duy trì hiệu suất ổn định trong quá trình vận hành.
- Đảm bảo độ cứng, vững cho toàn hệ thống
- Trục rất phổ biến trên thị trường nên giá thành vừa phải
- Khả năng ăn khớp với ổ bi và bánh răng dẫn động cao
• Phần tử ghép nối cơ khí: Sử dụng bulong-đai ốc, vít bắn, vít xoáy, thép chữ V,…
(Hình 2.10) Các phần tử này có chức năng ghép nối các phần tử cơ khí với nhau Ưu điểm của các phần tử ghép nối:
- Chi phí sử dụng phù hợp
- Khả năng ghép nối cao
- Đảm bảo độ cứng, vững cho toàn hệ thống
• Sản phẩm: Sử dụng gỗ khối hình hộp với chiều cao khác nhau (Hình 2.11)
Hình 2 10 Các phần tử ghép nối cơ khí
Hình 2 11 Sản phẩm cần được phân loại
Hệ thống truyền động
2.3.1 Động cơ điện một chiều
Mô hình này sử dụng truyền động băng chuyền dây đai, không yêu cầu tải trọng lớn, do đó không cần động cơ có công suất cao Các yêu cầu của băng chuyền khá đơn giản.
- Băng chuyền chạy liên tục, có thể dừng khi cần
- Không đòi hỏi độ chính xác cao, tải trọng băng chuyền nhẹ
- Dễ điều khiển, giá thành rẻ
Động cơ điện một chiều có công suất nhỏ từ 20-30 W và điện áp 24 V rất phổ biến trong công nghiệp và các thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục Chúng thường được sử dụng cho các tải nhỏ trong dân dụng, trong khi trong công nghiệp, động cơ này đáp ứng yêu cầu moment mở máy lớn và khả năng điều chỉnh tốc độ mượt mà trong phạm vi rộng.
Hình 2 12 Một số loại động cơ trên thực tế
Cấu tạo của động cơ điện một chiều (Hình 2.13):
1- Cổ góp điện 2- Chổi than 3- Rotor 4- Cực từ
5- Cuộn cảm 6- Stator 7- Cuộn dây phần ứng
Cấu tạo của động cơ điện một chiều (Hình 2.13): a) Thông tin chi tiết về động cơ [1]
- Stator (phần tĩnh): Gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy Các cực từ chính có dây quấn kích từ
Rotor là phần động cơ gồm lõi thép và dây quấn phần ứng Lõi thép hình trụ được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện dày khoảng 0.5 mm, được phủ sơn cách điện và ghép lại với nhau Mỗi phần tử của dây quấn phần động có nhiều vòng dây, kết nối hai đầu với hai phiến góp, và hai cạnh của dây quấn hoạt động trong hai rãnh dưới hai cực khác nhau.
- Cổ góp: gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục rotor
Chổi than, được chế tạo từ than graphit, đóng vai trò quan trọng trong động cơ điện một chiều Chúng tiếp xúc chặt chẽ với cổ góp nhờ vào lò xo và giá chổi điện được gắn trên nắp máy, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định của động cơ.
Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi than, trong dây quấn phần ứng có dòng
Hình 2 13 Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý các thanh dẫn có dòng điện trong từ trường chịu lực tác dụng, khiến rotor quay Chiều lực được xác định theo quy tắc bàn tay trái, và khi rotor quay nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ do phiến cổ góp thay đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực không đổi Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ tạo ra sức điện động, chiều sức điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động cơ một chiều, sức điện động ngược chiều với dòng điện, vì vậy còn được gọi là sức phản điện động.
Tùy theo cách mắc mạch kích từ so với mạch phần ứng mà động cơ điện một chiều được chia thành:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có đặc điểm là dòng điện kích từ và từ thông không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng Nguồn điện cho mạch kích từ được cấp riêng biệt, khác với nguồn điện của mạch phần ứng.
Động cơ điện một chiều kích từ song song hoạt động với nguồn điện một chiều có công suất lớn, trong đó điện trở trong của nguồn gần như bằng không Điều này giúp điện áp nguồn duy trì ổn định, không bị ảnh hưởng bởi dòng điện trong phần ứng của động cơ Loại động cơ này cũng được xem như là động cơ kích từ độc lập.
- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng
Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp bao gồm hai loại dây quấn kích từ: dây quấn song song và dây quấn nối tiếp, trong đó dây quấn song song đóng vai trò chủ yếu Để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều, có nhiều phương pháp khác nhau được áp dụng.
Động cơ điện một chiều nổi bật với khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt, vượt trội hơn so với các loại động cơ khác Cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển của nó đơn giản, giúp đạt được chất lượng điều chỉnh cao trong một dải tốc độ rộng.
Từ phương trình tính tốc độ:
Suy ra: để điều chỉnh ω có thể:
- Điều chỉnh Rư bằng cách thêm Rp vào mạch phần ứng
- Điều chỉnh từ thông của phần ứng e) Điều chỉnh tốc độ bằng dùng thêm R p
Mắc nối tiếp Rp vào phần ứng làm tăng Rư, dẫn đến giảm ω và độ dốc của đường đặc tính Các đường 1, 2 biểu thị đường đặc tính sau khi tăng Rư, trong khi đường TN là đặc tính tự nhiên ban đầu của động cơ Phương pháp này đơn giản và cho phép điều chỉnh tốc độ liên tục, nhưng việc thêm Rp dẫn đến tổn hao tăng, không kinh tế Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều ảnh hưởng đến moment điện từ và sức điện động quay Khi từ thông giảm, tốc độ quay tăng trong giới hạn thay đổi từ thông Tuy nhiên, sự thay đổi này cũng làm thay đổi moment và dòng điện I, gây khó khăn trong việc tính toán chính xác Do đó, phương pháp này ít được sử dụng Cuối cùng, điều khiển điện áp phần ứng là một phương pháp quan trọng trong việc điều chỉnh động cơ.
Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng điện áp:
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ
Trong quá trình điều chỉnh tốc độ động cơ điện, phương pháp phổ biến là thay đổi điện áp phần ứng Việc điều chỉnh điện áp này sẽ dẫn đến sự thay đổi tương ứng trong tốc độ của động cơ.
Do từ thông của động cơ luôn không đổi, độ dốc của đặc tính cơ cũng giữ nguyên Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uư của hệ thống, cho thấy phương pháp điều khiển này có tính triệt để Đặc tính thu được khi điều khiển tạo thành một tập hợp các đường thẳng song song.
2.3.2 Băng chuyền a) Giới thiệu chung về băng chuyền
Băng chuyền là thiết bị quan trọng trong việc di chuyển vật liệu, bao gồm cả vật liệu đơn giản và rời, theo phương ngang và nghiêng Chúng được sử dụng phổ biến trong các dây chuyền sản xuất để vận chuyển các cơ cấu nhẹ, trong ngành luyện kim để chuyển quặng và than đá, cũng như tại các trạm thủy điện để vận chuyển nhiên liệu.
Băng chuyền được sử dụng rộng rãi trong các kho bãi để vận chuyển hàng bưu kiện, vật liệu hạt và nhiều sản phẩm khác Trong các ngành công nghiệp nhẹ, thực phẩm và hóa chất, băng chuyền giúp di chuyển sản phẩm hoàn thành và chưa hoàn thành giữa các công đoạn và phân xưởng, đồng thời hỗ trợ loại bỏ các sản phẩm không sử dụng được Những ưu điểm nổi bật của băng chuyền bao gồm tăng cường hiệu quả vận chuyển và giảm thiểu thời gian xử lý hàng hóa.
Cấu tạo của sản phẩm rất đơn giản và bền bỉ, cho phép vận chuyển dễ dàng theo nhiều hướng, bao gồm nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp cả hai.
Hệ thống điều khiển
2.4.1.1 Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình PLC a) Khái niệm về PLC
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển được trang bị các chức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung và tính toán, cho phép điều khiển nhiều loại máy móc và bộ xử lý Theo Hiệp hội Quốc gia về Sản xuất Điện Hoa Kỳ, các chức năng này được lưu trữ trong bộ nhớ và sắp xếp theo chương trình, tóm gọn lại, PLC chính là một máy tính công nghiệp.
Hình 2 14 Cấu tạo chung của băng chuyền
22 nghiệp để thực hiện một dãy quá trình b) Giới thiệu về PLC
Khi ngành công nghiệp sản xuất phát triển, việc điều khiển dây chuyền và thiết bị máy móc trở nên quan trọng Để đáp ứng nhu cầu công nghệ, người ta kết nối các linh kiện điều khiển riêng lẻ như rơ le, timer, và contactor thành một hệ thống điện điều khiển hiệu quả.
Công việc thi công gặp nhiều phức tạp do phải thực hiện đấu nối và lắp đặt, tốn thời gian mà hiệu quả không cao Một thiết bị có thể cần lấy tín hiệu nhiều lần nhưng số lượng lại hạn chế, dẫn đến lượng vật tư tiêu tốn lớn, đặc biệt trong quá trình sửa chữa, bảo trì hoặc thay đổi quy trình sản xuất Việc tìm kiếm hư hỏng và đi lại dây gặp khó khăn, làm giảm năng suất lao động rõ rệt.
Để khắc phục những nhược điểm trong sản xuất, các nhà khoa học và nhà nghiên cứu đã tìm ra giải pháp tối ưu là tự động hóa quy trình sản xuất Giải pháp này không chỉ giảm bớt sức lao động mà còn bảo vệ người lao động khỏi những khu vực nguy hiểm và độc hại, đồng thời nâng cao năng suất lao động gấp nhiều lần.
Hệ thống điều khiển hiện đại cần đáp ứng các tiêu chí như tính tự động hóa cao, kích thước và khối lượng nhỏ gọn, chi phí hợp lý, dễ dàng thi công và bảo trì, cùng với chất lượng làm việc ổn định và linh hoạt.
Hệ thống điều khiển có thể lập trình được PLC ra đời lần đầu tiên vào năm 1968 bởi Công ty General Motors, Mỹ Tuy nhiên, hệ thống này còn đơn giản và cồng kềnh, gây khó khăn cho người sử dụng trong quá trình vận hành Qua nhiều năm cải tiến và phát triển, những nhược điểm đã được khắc phục, mang lại bộ điều khiển PLC hiện đại với nhiều ưu việt, giải quyết hiệu quả các vấn đề tồn tại trước đây.
- Là bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán điều khiển
- Có khả năng mở rộng các modul vào ra khi cần thiết
- Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu thích hợp với nhiều đối tượng lập trình
- Có khả năng truyền thông đó là trao đổi thông tin với môi trường xung quanh như máy tính, các PLC khác, các thiết bị giám sát, điều khiển…
- Có khả năng chống nhiễu với độ tin cậy cao và có nhiều ưu điểm khác nữa
Hiện nay, nhiều hãng PLC nổi tiếng như Omron, Mitsubishi, Hitachi, ABB và Siemens đang phát triển song song, mặc dù mỗi hãng có những điểm mạnh riêng Tất cả chúng đều tuân theo nguyên lý cơ bản giống nhau, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn hãng PLC phù hợp với nhu cầu của mình Việc sử dụng PLC mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tăng cường hiệu suất, giảm thiểu sai sót trong quá trình điều khiển và tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Với sự tiến bộ của phần cứng và phần mềm, PLC ngày càng được cải thiện về tính năng và lợi ích trong lĩnh vực công nghiệp Kích thước của PLC đã được thu nhỏ, cho phép tăng cường bộ nhớ và số lượng I/O, đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng, giúp người dùng dễ dàng giải quyết các vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống.
PLC mang lại nhiều lợi ích vượt trội trong hệ thống điều khiển Đầu tiên, hệ thống chỉ cần lắp đặt một lần mà không cần thay đổi cấu trúc, giúp giảm chi phí khi thay đổi thứ tự điều khiển Khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn, cho phép giao tiếp giữa các PLC để truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau, tạo ra sự linh hoạt trong hệ thống So với các hệ thống cũ, PLC có kích thước nhỏ gọn hơn nhưng lại có khả năng điều khiển nhanh và hiệu quả hơn, đặc biệt là trong các hệ thống lớn và phức tạp Thời gian lắp đặt cũng được rút ngắn, tiết kiệm công sức cho người sử dụng Cuối cùng, giao diện qua màn hình máy tính giúp người dùng dễ dàng nhận biết và xử lý các trục trặc của hệ thống, với một số PLC thế hệ mới còn có khả năng tự động phát hiện hỏng hóc, nâng cao tính tiện lợi trong sử dụng.
Người ta đã đi đến tiêu chuẩn hóa các chức năng chính của PLC trong các hệ điều khiển là: Điều khiển chuyên gia giám sát:
+ Thay thế cho điều khiển rơ le
+ Thay thế cho các Panel điều khiển, mạch in
+ Điều khiển tự động, bán tự động bằng tay các máy và các quá trình
+ Có các khối điều khiển thông dụng (thời gian, bộ đếm) Điều khiển dãy:
+ Các phép toán số học
+ Điều khiển liên tục các quá trình (nhiệt độ, áp suất…)
+ Điều khiển động cơ chấp hành
+ Điều khiển động cơ bước Điều khiển mềm dẻo:
+ Điều khiển quá trình báo động
+ Phát hiện lỗi khi chạy chương trình
+ Ghép nối với máy tính (RS232/RS242)
+ Ghép nối với máy in
+ Thực hiện mạng tự động hóa xí nghiệp
Một số lĩnh vực tiêu biểu sử dụng PLC:
Hiện nay, PLC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp và dân dụng, từ việc điều khiển các hệ thống đơn giản với chức năng ON/OFF đến những ứng dụng phức tạp yêu cầu độ chính xác cao và tích hợp các thuật toán trong sản xuất Các lĩnh vực tiêu biểu cho sự ứng dụng của PLC bao gồm
- Hóa học và dầu khí: định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống dẫn
- Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hóa trong chế tạo máy, quá trình lắp đặt
25 máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại…
- Bột giấy, giấy, xử lý giấy: Điều khiển máy băm, quá trình ủ, quá trình cáng, quá trình gia nhiệt…
- Thủy tinh và phim ảnh: Trong quá trình đóng gói, thí nghiệm vật liệu, cân đong, các khâu hoàn tất sản phẩm, do cắt giấy
- Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: Phân loại sản phẩm, đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm, kiểm soát quá trình sản xuất, đóng gói…
- Kim loại: Điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), quy trình sản xuất, kiểm tra chất lượng
Năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển nguyên liệu cho quá trình đốt và xử lý các tuabin, yêu cầu các trạm hoạt động tuần tự để khai thác vật liệu như than, gỗ và dầu mỏ một cách tự động Một trong những ưu điểm nổi bật của PLC là khả năng tự động hóa và tối ưu hóa quy trình này, giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu sự can thiệp của con người.
Từ thực tế sử dụng người ta thấy rằng PLC có những điểm mạnh như sau:
- PLC dễ dàng tạo luồng ra và dễ dàng thay đổi chương trình
Chương trình PLC có khả năng thay đổi và sửa chữa dễ dàng, cho phép lập trình viên điều chỉnh các tham số bên trong bộ PLC để giải quyết các vấn đề sản xuất tại chỗ Công nghệ điều khiển chu trình trước đây giúp nhận diện các trạng thái thực hiện một cách rõ ràng Lập trình viên được trang bị các công cụ phần mềm để phát hiện lỗi phần cứng và phần mềm, từ đó hỗ trợ việc sửa chữa và theo dõi hệ thống một cách hiệu quả hơn.
- Các tín hiệu đưa ra từ bộ PLC có độ tin cậy cao hơn so với các tín hiệu được cấp từ bộ điều khiển bằng rơ le
Phần mềm lập trình PLC dễ sử dụng cho phép người dùng không chuyên có thể thao tác với hệ thống rơ le tiếp điểm và không tiếp điểm một cách hiệu quả.
PLC được thiết kế để thực hiện nhanh chóng các chức năng điều khiển, khác với máy tính không chỉ là công cụ thực hiện chức năng Ngôn ngữ lập trình PLC đơn giản và dễ hiểu, không yêu cầu kiến thức chuyên môn sâu về PLC.
Cả trong việc thực hiện sửa chữa cũng như việc duy trì hệ thống PLC tại nơi làm việc
PLC thực hiện điều khiển nối trực tiếp với bộ xử lý (CPU) thông qua đầu nối trực tiếp Đầu I/O được đặt giữa các dụng cụ ngoài và CPU, có chức năng chuyển đổi tín hiệu từ các dụng cụ ngoài thành các mức logic Đồng thời, nó cũng chuyển đổi các giá trị đầu ra từ CPU ở mức logic thành các mức mà các dụng cụ ngoài có thể hoạt động.
