Đồ án môn học 2 đề tài điều khiển và giám sát hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC  ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC Mã lớp học phần: 212PLCR611146 Học kỳ – Năm học: 2021 – 2022 GVHD: ThS Nguyễn Tấn Đời SVTH: Lê Trung Quí MSSV: 19154050 Phạm Cơng Quyền MSSV: 19154052 TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 LỜI CẢM ƠN Lời chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung, thầy khoa Điện – Điện Tử nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức mơn tạo tiền đề giúp chúng em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ chúng em suốt trình học tập Chúng em xin gửi lời tri ân biết ơn sâu sắc đến ThS Nguyễn Tấn Đời người thầy tận tình hướng dẫn, bảo chúng em suốt trình làm đồ án Cùng với nỗ lực cải chúng em bảo tận tình thầy kiến thức kinh nghiệm chúng em cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót mong nhận thơng cảm từ thầy Chúng em mong giúp đỡ tham khảo ý kiến thầy bạn nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực đồ án Lê Trung Q Phạm Cơng Quyền MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan đề tài .1 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Bố cục đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Giới hạn nội dung đề tài CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu chung hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc 2.2 Lý thuyết vấn đề liên quan đến hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc .3 2.2.1 Cấu tạo 2.2.2 Nguyên lí hoạt động .3 2.2.3 Ưu, nhược điểm hệ thống .3 2.2.4 Ứng dụng 2.3 Giới thiệu PLC S7-1200 ứng dụng 2.3.1 Khái niệm PLC 2.3.2 Cấu trúc chung PLC .4 2.3.3  Ưu điểm PLC .7 2.3.4 Ứng dụng CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC 3.1 Quy trình vận hành hệ thống .8 3.2 Thiết kế phần điện .8 3.2.1 Các yêu cầu chức điện, van khí nén cho hệ thống 3.2.2 Thiết kế sơ đồ khối .8 3.2.3 Chọn thiết bị khối 3.2.4 Sơ đồ nối dây thiết bị 19 3.3 Thiết kế lưu đồ điều khiển 19 3.4 Thiết kế giao diện SCADA .21 3.4.1 Cấu hình thiết bị 21 3.4.2 Thiết kế giao diện SCADA 21 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ẢO 23 4.1 Giới thiệu phần mềm Factory IO 23 4.1.1 Giới thiệu chung phần mềm Factory IO 23 4.1.2 Các hệ thống, đối tượng phần mềm 23 4.1.3 Kết nối Factory IO với điều khiển PLC 23 4.2 Thiết kế hệ thống ảo 25 4.3 Vận hành hệ thống ảo .27 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN .30 5.1 Kết điều khiển giám sát 30 5.2 Kết xây dựng hệ thống ảo 30 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỀN .31 6.1 Kết luận 31 6.2 Hướng phát triển đề tài .31 DANH SÁCH TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan đề tài 1.1.1 Giới thiệu chung Điều khiển tự động hóa áp dụng hầu hết lĩnh vực đời sống hàng ngày, từ thiết bị điện tử tự động dân dụng đến dây chuyền sản xuất đại hay thiết bị thông minh, robot thông minh, nhà máy Do cần phải nắm bắt vận dụng điều khiển tự động cách hiệu nhằm đáp ứng nhu cầu thiết yếu sống người, đóng góp vào phát triển khoa học kỹ thuật giới nói chung phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng Sau tìm hiểu, nghiên cứu đề tài cơng trình trước đây, chúng em thấy nhiều khâu tự động hóa q trình sản xuất Tuy nhiên doanh nghiệp vừa nhỏ việc tự động hóa chưa áp dụng khâu phân loại mà cịn sử dụng nhiều nhân cơng, nhiều cho suất khơng hiệu Từ kiến thức học trường muốn tạo hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời đảm bảo độ xác cao màu sắc sản phẩm, nhóm em định chọn đề tài: “Điều khiển giám sát hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc” Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng điều khiển lập trình PLC Siemens, hoạt động nguyên lý dùng cảm biến để xác định màu sắc sản phẩm Sau dùng xi lanh để phân loại sản phẩm có màu sắc khác 1.1.2 Bố cục đề tài       Chương 1: Mở đầu Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương 3: Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc Chương Thiết kế hệ thống ảo Chương Kết thực Chương 6: Kết luận hướng phát triển 1.2 Mục tiêu đề tài - Tìm hiểu nghiên cứu sâu PLC S7 – 1200 - Mô qua Factory IO thiết kế giao diện SCADA - Hệ thống có khả đếm phân loại sản phẩm có màu khác - Khi nghiên cứu đề tài chúng em muốn vận dụng sản phẩm công nghệ khoa học tiên tiến áp dụng vào trình sản xuất tự động nhằm tạo suất, chất lượng giảm thiểu sức người sản xuất công nghiệp - Đây đồ án mơn học để chúng em hồn thành chương trình học tập trường Chứng minh khả năng, lực thân để sau trường trở thành kỹ sư giỏi đóng góp nhiều cho công nghiệp nước nhà xã hội 1.3 Giới hạn nội dung đề tài - Thiết kế mơ hình giám sát phân loại sản phẩm theo màu sắc - Sơ lược cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống - Hệ thống thiết kế phần cứng mô hệ thống phần mềm Factory IO SCADA - Hệ thống phân loại theo màu: Xanh lục, đỏ vàng CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu chung hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc Nhằm phục vụ nhiệm vụ đại hóa quy trình sản xuất, hệ thống phân loại sản phẩm màu sắc đời công cụ hiệu giúp thay người cơng việc phân loại, góp phần nâng cao hiệu công việc Một hệ thống hồn chỉnh phân loại sản phẩm với độ tin cậy cao, hoạt động liên tục giảm tối đa thời gian trì hỗn hệ thống Hơn nữa, cơng việc địi hỏi tập trung cao có tính tuần hồn, nên cơng nhân khó đảm bảo xác cơng việc Điều ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm uy tín nhà sản xuất Vì vậy, hệ thống giám sát phân loại sản phẩm màu sắc đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách 2.2 Lý thuyết vấn đề liên quan đến hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc 2.2.1 Cấu tạo Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc có cấu tạo gồm: - Cảm biến màu sắc - Băng tải - Nút nhấn - Xi lanh - Cảm biến quang 2.2.2 Nguyên lí hoạt động Khi băng tải hoạt động đưa sản phẩm qua vị trí cảm biến nhận biết màu sắc cài đặt sẵn, sản phẩm sản phẩm đỏ băng tải đưa sản phẩm đến vị trí cảm biến xylanh sản phẩm đỏ tác động đẩy sản phẩm xuống thùng hàng Tương tự với sản phẩm màu xanh xylanh sản phẩm xanh tác động Cuối sản phẩm màu vàng đến thùng chứa cuối băng tải 2.2.3 Ưu, nhược điểm hệ thống a Ưu điểm  Nâng cao hiệu công việc, độ tin cậy cao, hoạt động liên tục giảm tối đa trì hoãn hệ thống  Giúp cho việc quản lý giám sát trở nên đơn giản, khơng thay đổi điều kiện làm việc cơng nhân mà cịn giảm số lượng cơng nhân đến mức tối đa…  Dễ dàng nghiên cứu mở rộng thêm  Giao diện quản lý trực quan, dễ giám sát điều khiển hệ thống b Nhược điểm  Chi phí lắp đặt cho hệ thống lớn  Chỉ phân loại màu  Tốc độ xử lý chậm, xử lý sản phẩm, tồn sai số 2.2.4 Ứng dụng Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc ứng dụng nhiều ngành công nghiệp như: - Ứng dụng dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói, Đá Granite - Ứng dụng dây chuyền phân loại sản phẩm chế biến Nông sản (như Cà Phê, Gạo)… - Ứng dụng ngành công nghiệp thực phẩm bánh kẹo, hoa Hệ thống giúp nhà sản xuất tốn nhân công lao động giảm thiểu thời gian làm việc, nâng cao suất lao động 2.3 Giới thiệu PLC S7-1200 ứng dụng 2.3.1 Khái niệm PLC PLC viết tắt Programmable Logic Controller thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình. Người sử dụng lập trình để thực trình tự yêu cầu từ đơn giản đến phức tạp Các yêu cầu đưa tín hiệu đầu vào PLC (có hai loại đầu vào là digital hoặc analog) tuỳ thuộc nhu cầu thuật toán nhu cầu người sử dụng PLC hoạt động theo phương thức quét trạng thái đầu vào đầu Khi có tín hiệu đầu vào đầu thay đổi tuỳ theo người lập trình 2.3.2 Cấu trúc chung PLC PLC nhiều hãng chế tạo, hãng có nhiều họ khác nhau, có nhiều phiên họ, chúng khác tính giá thành, phù hợp với tốn đơn giản hay phức tạp Ngồi cịn có ghép mở rộng cho phép ghép nhiều PLC nhỏ để thực chức phức tạp, hay giao tiếp với máy tính tạo thành mạng tích hợp, việc thực theo dõi, kiểm tra, điều khiển q trình cơng nghệ phức tạp hay toàn phân xưởng sản xuất Mặc dù vậy, hệ thống điều khiển dùng loại PLC có cấu trúc sau: - Ngõ vào dạng số: Gồm hai trạng thái ON OFF Khi trạng thái ON ngõ vào số coi mức logic hay mức logic cao Khi trang thái OFF ngõ vào đươc coi mức logic hay mức logic thấp - Ngõ số: Gồm hai trạng thái ON OFF Các ngõ thường nối để điều khiển cuộn dây contactor, đèn tín hiệu,… - Thiết bị đầu vào: Các thiết bị tạo tín hiệu điều khiển thường nút nhấn, cảm biến - Thiết bị chấp hành(Autuator): Là thiết bị biến đổi tín hiệu điện từ PLC thành tác động vật lý Autuator nối với ngõ PLC - Chương trình điều khiển: Một chương trình bao gồm hay nhiều lệnh nhằm thực nhiệm vụ cụ thể Việc lập trình cho PLC đơn giản xây dựng tập hợp lệnh Để lập trình cho PLC này, lập trình hình thang (LAD) hay dạng câu lệnh (STL) Chương trình điều khiển định quy luật thay đổi tín hiệu output phía đầu PLC theo thay đổi tín hiệu input phía đầu vào theo mong muốn chạy phần mềm điều khiển máy tính PC nạp vào PLC thông qua cáp, nối PLC PC hay PG + Thiết bị lập trình (PG/PC): Chương trình viết thiết bị lập trình truyền xuống PLC + Cáp kết nối (cáp PPI): Thiết bị cần thiết để truyền liệu từ thiết bị lập trình xuống PLC PLC có thành phần là: Một nhớ chương trình RAM bên (có thể mở rộng thêm số nhớ EPROM) Về PLC chia thành phần sau: - Input : Giao diện đầu vào - Output: Giao diện đầu - CPU: Bộ xử lý trung tâm - Memory: Bộ nhớ giữ liệu chương trình Poweer supply: Nguồn cấp cho hệ thống Hình 1.1: Sơ đồ cầu trúc PLC Nguồn cung cấp (Power Supply) biến đổi điện cung cấp từ bên thành mức thích hợp cho mạch điện tử bên PLC (thông thường 220VAC , 5VDC 12VDC) Phần giao diện đầu vào biến đổi đại lượng điện đầu vào thành mức tín hiệu số (digital) cấp vào cho CPU xử lý Bộ nhớ (Memory) lưu chương trình điều khiển lập người dùng liệu khác cờ, ghi tạm, trạng thái đầu vào, lệnh điều khiển đầu ra, Nội dung nhớ mã hoá dạng mã nhị phân Bộ xử lý trung tâm (CPU) thực thi lệnh chương trình lưu nhớ, xử lý đầu vào đưa kết kết xuất điều khiển cho phần giao diện đầu (output) Phần giao diện đầu thực biến đổi lệnh điều khiển mức tín hiệu số bên PLC thành mức tín hiệu vật lý thích hợp bên ngồi đóng mở rơle, biến đổi tuyến tính số tương tự, Thơng thường PLC có kiến trúc kiểu module hố với thành phần 3.2.4 Sơ đồ nối dây thiết bị Hình Sơ đồ nối dây hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc 3.3 Thiết kế lưu đồ điều khiển Lưu đồ điều khiển loại sơ đồ biểu diễn thuật tốn q trình, biểu bước cơng việc dạng loại hình hộp khác theo thứ tự biểu diễn mũi tên Sơ đồ thể giải pháp cho vấn đề cần giải bước 20 bước Hình Lưu đồ điều khiển hệ thống 21 3.4 Thiết kế giao diện SCADA 3.4.1 Cấu hình thiết bị Hình Phần cứng SCADA Hình Kết nối PLC với SCADA 3.4.2 Thiết kế giao diện SCADA Từ phần chọn thiết bị quy trình hoạt động hệ thống, ta tiến hành thiết kế giao diện với mục có sẵn giao diện SCADA Cuối ta có giao diện hình 22 Hình Màn hình giao diện SCADA 23 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ẢO 4.1 Giới thiệu phần mềm Factory IO 4.1.1 Giới thiệu chung phần mềm Factory IO Factory IO phần mềm mô dùng mô hệ thống PLC training kỹ lập trình PLC, giúp người học xây dựng mơ hình tự động hóa nhà máy cách trực quan từ lập PLC điều khiển hệ thống: - Giao diện 3D, góc nhìn trực quan - Kết nối nhiều loại PLC Simulation PLC thực khác nhau: Siemens, Allen Bradley, Modbus OPC - Thiết kế xây dựng nhà máy với 30 loại linh kiện (cảm biến, băng chuyền, nút nhấn, pusher, elevator, …) cập nhật - Mô tả hệ thống nhà máy ảo với sensors actuators (tín hiệu analog digital) 4.1.2 Các hệ thống, đối tượng phần mềm Factory I/O thiết kế sẵn 20 mô hình dựa theo ứng dụng cơng nghiệp phổ biến Ngồi ra, bạn sử dụng đối tượng cung cấp sẵn thư viện Factory IO để thiết kế dây chuyền, hệ thống theo riêng bạn Hình Các hệ thống, dây chuyền mẫu Factory IO 24 4.1.3 Kết nối Factory IO với điều khiển PLC Factory IO kết nối với điều khiển PLC thông qua driver kết nối cung cấp sẵn Không kết nối với thiết bị thật, factory IO cho phép kết nối với mô PLC Sim Siemens Đối với số PLC chưa Factory IO cung cấp driver sẵn bạn kết nối thông qua giao thức trung gian OPC, Modbus… Driver Mô tả Advantech USB 4750 & USB 4704 Kết nối với PLC thông qua board Advantech USB 4750 4704 Allen-Bradley Logix5000 Kết nối PLC Allen-Bradley ControlLogix, CompactLogix SoftLogix PAC thông qua Ethernet Allen-Bradley Micro800 Kết nối PLC Allen-Bradley Micro800 PLC thông qua Ethernet Allen-Bradley MicroLogix Kết nối PLC Allen-Bradley MicroLogix PLC thông qua Ethernet Allen-Bradley SLC 5/05 Allen-Bradley SLC 5/05 Automgen Server Kết nối PLC Automgen thông qua TCP/IP server Control I/O Kết nối SoftPLC Siemens LOGO! Kết nối điều khiển Siemens LOGO! thông qua Ethernet Siemens S7-200/300/400 Kết nối PLC Siemens dòng S7-200/S7-200 SMART/300/400 thông qua Ethernet Siemens S7-1200/1500 Kết nối PLC Siemens dịng S7-1200/1500 thơng qua Ethernet Siemens S7-PLCSIM Kết nối PLC mô S7-PLCSIM Siemens Bảng: Một số loại kết nối PLC mà Factory IO hỗ trợ  Các bước để kết nối phần mềm Factory IO với PLC S7-1200 sau: Mở cửa sổ Trình điều khiển cách nhấn vào File sau chọn Drivers (F4) 25 Chọn trình điều khiển Simenes S7-PLCSIM từ danh sách Nhấn nút Connect để kết nối với PLC. Kết nối thành công biểu thị dấu hiệu màu xanh hiển thị bên cạnh danh sách trình điều khiển 4.2 Thiết kế hệ thống ảo Hệ thống gồm thiết bị sau: - Tủ điều khiển gồm nút nhấn, cơng tắc, đèn tín hiệu đếm số lượng sản phẩm - Băng tải vận chuyển - Xylanh đẩy sản phẩm - Các cảm biến nhận biết màu sắc phát sản phẩm THIẾT BỊ THỰC TẾ THIẾT BỊ TRONG FACTORY IO Băng tải PVC Belt Conveyor Xy lanh CDM2E32-150Z Pusher Cảm biến quang E3Z-D82 Diffuse sensor Khối băng tải Khối đẩy sản phẩm Khối cảm biến phát sản 26 phẩm Cảm biến màu LX-101 Khối cảm biến nhận biết màu sắc Nút nhả Khối nút nhấn Vision sensor nhấn Button Schneider XA2EA31 Selector Cơng tắc chuyển mạch vị trí 27 Đèn báo XA2EVB3LC SCHNEIDER Light Indication(Green) Khối đèn báo Bảng Bảng quy đổi thiết bị thực tế thiết bị Factory IO Hình Tổng quan hệ thống 28 Hình Hệ thống với hướng camera trước - sau 4.3 Vận hành hệ thống ảo Sau thiết kế xong hệ thống ảo, để chạy mơ hệ thống ta cần kết nối với điều khiển PLC thông qua driver mà ta lắp ráp 29 Hình Bảng vẽ kết nối PLC thiết bị Hình Tủ điều khiển Sau nhấn nút chạy mô phỏng, gạt công tắc sang vị trí Auto để chạy mơ chế độ Auto, đèn “Lamp Auto” sáng đếm hiển thị tủ điều khiển 30 Hình Vận hành hệ thống chế độ Auto 31 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN 5.1 Kết điều khiển giám sát Hình Kết điều khiển giám sát 5.2 Kết xây dựng hệ thống ảo 32 Hình Kết chạy mô hệ thống ảo CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỀN 6.1 Kết luận Sau trình tìm hiểu nghiên cứu thực đề tài với nhiều cố gắng nổ lực nhóm với tận tình hướng dẫn Thầy Nguyễn Tấn Đời, đồ án hoàn thành thời gian quy định theo yêu cầu đặt phân loại sản phẩm theo màu sắc Các nội dung nhóm thực thiết kế mơ hình phân loại sản phẩm theo màu sắc mô qua Factory IO Các khối chức hoạt động đúng, đảm bảo cập nhật liệu xác, hệ thống chạy ổn định thời gian dài, giám sát thuận tiện qua giao diện SCADA Tuy nhiên q trình thực nhóm cịn nhiều sai sót Kết nêu thực khoảng 90% so với mục tiêu đặt cịn số lỗi nhỏ q trình hoạt động hệ thống 6.2 Hướng phát triển đề tài Trong q trình làm đồ án, nhóm em rút nhiều kinh nghiệm để tạo sản phẩm hoàn thiện như: Hiểu biết linh kiện, PLC S7 – 1200, Factory IO,… Từ mặt hạn chế đề tài, nhóm đưa số hướng phát triển để hệ thống hồn chỉnh hoạt động hiệu hơn: - Thiết kế giao diện Web để quản lí hệ thống từ xa - Mở rộng hệ thống có thêm phận đóng thùng, lưu kho, … - Tăng hiệu suất hệ thống phân loại thêm nhiều đối tượng sản phẩm 33 DANH SÁCH TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Hữu Phước, Tháng Bảy, 2018, Giới thiệu tổng quan PLC, truy cập tại: https://dientuviet.com/gioi-thieu-tong-quan-ve-plc/ AlphaTech, 18-02-2021, Giới Thiệu Về PLC, truy cập tại: https://smartplc.com.vn/gioi-thieu-ve-plc-bv34.htm Ưu điểm dây băng tải PVC, truy cập tại: https://bom.so/DzfZOT Sơ đồ mạch điều khiển khí nén, truy cập tại: https://vcc-trading.vn/so-do-mach-dieukhien-khi-nen.html 34