chi tiết Đồ án thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao bằng PLC s7200 có code PLC có mô phỏng wincc . Hệ thống phân loại 3 sản phẩm cao, trung bình, thấp kết hợp đếm sản phẩm được phân loại.
Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao
Tổng quan chung về hệ thống
Ngày nay, cùng với sự phát triển của thế giới và xu hướng hội nhập kinh tế quốc tế, đất nước ta đang đổi mới và bước vào thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa, vừa xây dựng cơ sở vật chất kỹ thuật, vừa phát triển nền kinh tế đất nước Điều đó đòi hỏi phải nghiên cứu và áp dụng những dây chuyền, máy móc và thiết bị tiên tiến hiện đại, có khả năng tự động hóa cao để đưa công nghệ vào mọi lĩnh vực của cuộc sống. Trong đó chuyên ngành Cơ Điện Tử đóng một vai trò rất quan trọng trong quá trình phát triển của đất nước Để đáp ứng nhu cầu to lớn của việc phát triển ngành Cơ điện tử nói chung, đòi hỏi phải có đội ngũ cán bộ, nhân viên kỹ thuật có khả năng, đủ năng lực và trình độ chuyên môn để kịp thời giải quyết mọi vấn đề liên quan đến kỹ thuật cơ khí, điện, điện tử và kỹ thuật phần mềm.
Nhằm phục vụ nhiệm vụ hiện đại hóa quy trình sản xuất, hệ thống phân loại sản phẩm ra đời là một công cụ hiệu quả giúp họ thay thế con người trong công việc phân loại, nó đã góp phần nâng cao hiệu quả trong công việc Một hệ thống hoàn chỉnh có thể phân loại các sản phẩm với độ tin cậy cao, hoạt động liên tục và giảm tối đa thời gian trì hoãn hệ thống Hơn thế nữa, đối với những công việc đòi hỏi sự tập trung cao và có tính tuần hoàn, nên các công nhân khó có thể đảm bảo được độ chính xác trong công việc Điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và uy tín của nhà sản xuất.
Hình 1.1 Hệ thống phân loại hoa quả
Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này Hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay có rất nhiều trong ứng dụng thực tế trong các nhà máy xí nghiệp, nhưng chủ yếu được chia thành 3 loại chính là: phân loại sản phẩm theo màu sắc, hình dạng và chiều cao.
1.1.1 Phân loại sản phẩm theo màu sắc
Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc:
* Cấu tạo hệ thống trên bao gồm:
- Một động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền
- Cảm biến nhận biết màu sắc TSC230
- Ba xylanh piston để phân loại sản phẩm
- Bộ PLC S7 1200 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 cấp cho động cơ điện một chiều hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai Xylanh piston sẽ đẩy sản phẩm ra băng chuyền Trên băng chuyền sẽ thiết kế những cảm biến nhận biết sản phẩm có màu sắc khác nhau Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xủ lý và sau đó PLC gửi tín hiệu về van đảo chiều tác động điều khiển piston đẩy từng sản phẩm có màu sắc khác nhau và khay chứa riêng biệt. Ưu điểm:
- Phân loại sản phẩm một cách nhanh chóng và chính xác.
Hình 1.2 Hệ thống phân loại màu sắc
- Có thể kết nối với nhiều mạng khác nhau.
- Hệ thống dùng PLC S7 1200 có độ bền cao.
- Lập trình kết nối đơn giản.
- Số loại màu phân loại được còn hạ chế.
- Lập trình hệ thống phức tạp.
Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc được ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói, Đá Granite, trong các dây chuyền phân loại các sản phẩm nhựa hay trong chế biến Nông sản ( như Cà Phê, Gạo)… Hệ thống sẽ giúp nhà sản xuất tốn ít nhân công lao động và giảm thiểu thời gian làm việc, nâng cao năng suất lao động.
1.1.2 Phân loại sản phẩm theo chiều cao dùng PLC
Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao
Hình 1.3 Hệ thống phân loại theo chiều cao dùng PLC
* Cấu tạo hệ thống trên:
- Một động cơ điện một chiều dùng kéo băng chuyền
- Ba cảm biến hồng ngoại nhận biết chiều cao
- Hai xylanh piston để phân loại sản phầm
- Bộ PLC S7 200 dùng xử lý tín hiệu
- Các rơ le trung gian
- Bộ phận giá đỡ cơ khí
Khi nhấn nút START, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện một chiều thứ nhất hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thứ nhất thông qua dây đai Trên băng chuyền này sẽ thiết kế những cảm biến nhận biết sản phẩm có chiều cao khác nhau Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xử lý sau đó PLC đưa ra tín hiệu về van đảo chiều tác động điều khiển piston đẩy sản phẩm cao và trung bình vào khay tưng ứng, sản phẩm thấp sẽ được đi hết băng chuyền và được phân loại vào hộp chứa ở cuối băng chuyền Ưu điểm:
- Hệ thống hoạt động chính xác và ổn định.
- Khối lượng nhẹ dễ vận chuyển.
- Rễ ràng lắp ráp, giá thành rẻ.
- Bộ điều khiển PLC nhỏ gọn.
- Lập trình dễ dàng, đơn giản.
- PLC có tốc độ xử lý cũng như tập lệnh còn hạn chế.
- Độ bền không cao như những hệ thống sử dụng PLC đời cao hơn.
- Sửa chữa khó do PLC đời thấp.
Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng rất nhiều trong các nghành công nghiệp:
- Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói,
- Ứng dụng trong các nghành công nghiệp bánh kẹo, hoa quả,…
- Trong công nghiệp sản xuất bia, nước giải khát.
- Trong các mô hình thí nghiệm quy mô nhỏ.
1.1.3 Phân loại sản phẩm theo chiều cao dùng Arduino
Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao:
Hình 1.4 Hệ thống phân loại theo chiều cao dùng Arduino
- Một động cơ điện một chiều
- Hai động cơ bước gạt để phân loại sản phẩm
- Vi mạch Arduino Uno dùng xử lý tín hiệu
- Các rơ le trung gian
- Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn hệ thống
Khi nhấn nút START, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện 1 chiều hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai Trên băng truyền sẽ thiết kế cảm biến hồng ngoại nhân biết chiều cao sản phẩm Khi sản phẩm đi qua, cảm biến hồng ngoại nhận biết và gửi tín hiệu về bộ xử lý Arduino sau đó Arduino gửi tín hiệu điều khiển động cơ bước gạt từng sản phẩm có chiều cao khác nhau vào nơi chứa riêng biệt. Ưu điểm:
- Sử dụng mạch Arduino nên giá thành rẻ.
- Lập trình và thao tác dễ dàng.
- Tuổi thọ không cao dễ bị chập cháy.
- Có sai số trong quá trình làm việc.
Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng nhiều trong nghành công nghiệp:
- Ứng dụng trong công nghệ kiểm tra và phân loại sản phẩm có chiều cao khác nhau như: Gạch, Ngói, Sản phẩm tiêu dùng…
- Ứng dụng trong kiểm tra và phân loại Nông sản
- Ứng dụng kết hợp với Robot thông minh
Như vậy, ngoài 3 loại hệ thống phân loại sản phẩm như trên, chúng ta còn thấy có hệ thống phân loại sản phẩm khác theo đặc tính của sản phẩm Ví dụ như phân loại sản phẩm theo trọng lượng, kích thước… Hầu hết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng khá tương tự nhau, chỉ khác ở bộ phận đẩy sản phẩm phân loại ( có thể là xylanh piston hoặc động cơ bước) và bộ phận nhận dạng sản phẩm ( có thể là các loại cảm biến như màu sắc, cảm biến quang thu phát
Mỗi hệ thống phân loại đều có những ưu nhược điểm khác nhau Theo đề tài nghiên cứu được giao thì đề tài chúng em chọn là “ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống phân loại sản phẩn theo chiều cao sử dụng PLC S7 200 ”.
Mục tiêu của đề tài
Nguyên lí hoạt động của hệ thống phân loại sản phẩm với chức năng phân loại sản phẩm theo yêu cầu và xử lí các trường hợp có thể xảy ra trong quá trình hệ thống hoạt động để từ đó xây dựng hệ thống có khả năng linh hoạt cao và hoạt động ổn định trong môi trường thí nghiệm cũng như thực tế.
Phân tích và điều khiển hệ thống xy lanh khí nén với cơ cấu gồm 3 xy lanh phân loại phôi theo chiều cao Lập trình PLC và cảm biến giúp nhận biết phôi theo chiều cao.
Lập trình điều khiển và giám sát hệ thống bằng PLC S7-200 Siemens thông qua giao diện WinCC.
Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu chế tạo: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, bảo trì, sửa chữa. Để thiết kế được chúng ta cần thiết kế cơ khí và điều khiển được động cơ và hệ thống hoạt động tự động dựa vào lập trình và điều khiển của PLC Ngoài ra còn có các vấn đề khác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiết
Các vấn đề cần được giải quyết đó là:
- Vấn đề cơ khí: phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ, gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng 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
* Phương pháp nghiên cứu lí thuyết
- Vận dụng các kiến thức đã được học và những thông tin tìm hiểu thêm từ các nguồn tài liệu để tổng hợp và chọn lọc kiến thức cho quá trình nghiên cứu hệ thống phân loại sản phẩm Khối lượng kiến thức cần tổng hợp bao gồm:
- Nghiên cứu, tìm hiểu hệ thống cung cấp phôi cho dây chuyền sản xuất, hệ thống băng tải, băng chuyền.
- Nghiên cứu tài liệu về PLC S7-200 và WinCC.
- Nghiên cứu các đề tài, các mô hình, hệ thống thực tế, các thiết bị có sẵn để chọn phương pháp phù hợp phát triển đề tài.
* Phương pháp nghiên cứu thực tiễn
Trong quá trình thực hiện đồ án, tích cực tìm hiểu và quan sát các hệ thống tự động hóa trong doanh nghiệp, nhà máy giúp quá trình thi công mô hình tối ưu về cả thời gian và kinh tế.
Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Việc nghiên cứu hệ thống phân loại sản phẩm có tính bao quát và bao gồm nhiều lĩnh vực Tuy nhiên, do thời gian nghiên cứu và kiến thức tích lũy còn hạn chế nên mô hình đồ án chỉ giới hạn ở những phạm vi sau:
- Mô hình được chế tạo từ những chi tiết đơn giản, dễ làm nhưng có độ chính xác chưa cao và chủ yếu phục vụ cho mục đích học tập và nghiên cứu.
- Do còn hạn chế về mặt kinh tế nên các thiết bị như cảm biến tiệm cận chưa đạt chuẩn công nghiệp, chỉ hoạt động tốt nhất trong điều kiện môi trường ổn định, ít chịu tác động của các yếu tố gây nhiễu.
- Hệ thống được giám sát trên giao diện WinCC cho phép cảnh báo khi xảy ra hiện tượng phôi lỗi nhiều hơn dự tính, hiển thị số phôi đã phân loại.
- Cơ cấu cấp phôi băng tải chạy liên tục khi nhấn nút Start và dừng ngay khi nhấn
Băng tải được thiết kế đơn giản, chỉ đáp ứng được nhu cầu vận chuyển phôi có trọng lượng dưới 500 gram Các công thức tính toán và thông số kĩ thuật đưa ra còn nhiều hạn chế.
- Hệ thống điều khiển bởi PLC S7-200.
- Phôi: vật liệu (nhựa), số lượng (6 cái), 2 phôi cao ( chiều cao h = 6 cm, đường kính d = 3 cm), 2 phôi trung bình ( h = 4 cm, d = 3 cm), 2 phôi thấp ( h = 2cm, d= 3 cm).
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Đóng góp vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm.
- Giúp cho các nhà đầu tư, thiết kế và sản xuất hiểu rõ về nguyên lý cũng như cấu tạo và cách thức hoạt động của hệ thống Để từ đó có những thiết kế tối ưu hơn nhằm khác phục những hạn chế mà hệ thống chưa đạt được theo yêu cầu.
- Ứng dụng thực tiễn mạnh mẽ sản xuất tại các doanh nghiệp.
Cơ sở lý thuyết
Hệ thống phân loại
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 phôi vào băng chuyền: Khi có phôi trong khay, cảm biến hồng ngoại nhận biết và gửi tín hiệu về PLC Bộ PLC xử lý và đưa ra tín hiệu về đầu tác động điện của van đảo chiều 5/2 điều khiển piston đẩy phôi vào băng chuyền
- Quá trình phân loại phôi trên băng chuyền: ba cảm biến hồng ngoại thu phát được bố trí trên băng chuyền với vị trí đặt cảm biến theo thứ tự lần lượt cao, trung bình và thấp tính từ hộp cấp phôi Tùy thuộc vào độ cao của từng phôi để có thể phân loại. Đầu tiên phôi cao trên băng chuyền đi qua sẽ tác động cảm biến cao, cảm biến lập tức gửi tín hiệu về PLC, bộ PLC xử lý và đưa ra tín hiệu về đầu tác động điều khiển piston đẩy phôi cao vào khay chứa phôi cao và đếm số phôi cao tăng Phôi có chiều cao trung bình sẽ không tác động cảm biến cao và khi đi qua cảm biến trung bình, cảm biến sẽ nhận biết và gửi tín hiệu về PLC Bộ PLC xử lý và xuất tín hiệu đến đầu tác động điều khiển piston đẩy phôi trung bình vào khay chứa tương ứng và đếm số phôi trung bình. Phôi thấp nhất sẽ tác động cảm biến thấp và đi hết băng chuyền và được phân loại vào khay chứa cuối cùng, đếm số phôi thấp Số lượng phôi cao, thấp, trung bình sẽ được hiển thị trên giao diện Wincc để chúng ta theo giõi.
Khi nhấn nút Stop, hệ thống dừng hoạt động. b) Sơ đồ khối hệ thống
- Sơ đồ khối là bản vẽ minh họa cho một hệ thống bất kỳ, trong đó những bộ phận hoặc thành phần chính sẽ được thể hiện bằng các hình khối Sơ đồ khối được nối với nhau bằng các đường nối để thể hiện mối quan hệ giữa các hình khối
- Dưới đây sơ đồ khối được nhóm xây dựng dựa trên những tiêu chí và yêu cầu đầu vào của hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao để giúp hiểu rõ hơn về hệ thống và xác định được phương pháp làm việc sao cho phù hợp với hệ thống.
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống
Cấu tạo và chức năng từng khối:
- Khối nguồn: Gồm một nguồn 24VDC cung cấp năng lượng cho cho cho các cảm biến, van đảo chiều và động cơ và nguồn 220AC cung cấp cho PLC S7 200.
- Khối cảm biến: Gồm bốn cảm biến hồng ngoại nhận biết tín hiệu rồi gửi tín hiệu về bộ xủ lý trung tâm.
- Khối xử lý trung tâm: Là bộ xử lý PLC S7 200 với đầu vào là các tín hiệu nhận biết của cảm biến và đầu ra là tín hiệu điều khiển các thiết bị chấp hành.
- Khối vận hành và điều khiển: Gồm các nút nhấn vận hành hệ thống.
- Khối thiết bị chấp hành: Bao gồm băng truyền, rơ le trung gian, van đảo chiều và các xylanh khí nén được điều khiển dựa trên bộ điểu khiển PLC S7 200.
- Khối giám sát: giám sát trên giao diện wincc nhằm theo dõi hoạt động phân loại phôi và đếm số phôi phân loại.
Cảm biến hồng ngoại
a) Giới thiệu về cảm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại (IR Senor) là thiết bị điện tử dùng để đo và phát hiện bức xạ hồng ngoại có trong môi trường xung quanh.
Bức xạ hồng ngoại được phát hiện bởi nhà thiên văn học tên là William Herchel vào năm 1800 một cách vô tình Trong quá trình đo nhiệt độ của từng màu ánh sáng được cách nhau bởi một lăng kính, William Herchel nhận thấy rằng nhiệt độ vượt ra ngoài ánh sáng đỏ là cao nhất Bất cứ vật gì phát ra nhiệt độ trên 5 độ Kelvin (35 độ C) đều phát ra bức xạ hồng ngoại.
Hình 2.2 Cảm biến hồng ngoại b) Cấu tạo và nguyên lý làm việc
* Cấu tạo: IR Sensor được hoạt động dựa trên nguyên tắc của cảm biến ánh sáng Vì vậy cấu tạo của cảm biến hồng ngoại sẽ tương tự như cảm biến ánh sáng.
Hình 2.3 Cấu tạo cảm biến hồng ngoại
- Đèn led hồng ngoại: Đây là thiết bị được phát ra từ nguồn sáng hồng ngoại
- Máy dò hồng ngoại: Là thiết bị nhận tín hiệu và phát hiện ra bức xạ hồng ngoại phản xạ trở lại
- Điện trở: Là thiết bị có tác dụng đi cường độ dòng điện quá lớn chạy quá đèn led làm cho hệ thống chập cháy
- Dây điện: Tác dụng chính là kết nối các chi tiết để tạo nên cảm biến hoạt động ổn định
Sử dụng một cảm biến ánh sáng cụ thể để phát hiện bước sóng ánh sáng chọn trong giới hạn phổ hồng ngoại (IR) Thông qua việc sử dụng đèn LED để tạo ra ánh sáng có cùng bước sóng với cảm biến đang tìm kiếm, người thực hiện có thể xem cường độ của ánh sáng nhận được Khi một vật ở gần với cảm biến, ánh sáng từ đèn LED sẽ bật ra khỏi vật thể và đi vào cảm biến ánh sáng tạo nên một bước nhảy lớn về cường độ. Đơ giản là vật thể nào cũng có thể phát ra được bức xạ hồng ngoại chỉ là nhiều hay ít.
Hình 2.4 Nguyên lý làm việc cảm biến
Cảm biến hồng ngoại hoạt động được là nhờ có đầu dò, bên trong gắn 2 cảm biến tia nhiệt với 3 chân ra, 1 chân nối masse, 1 chân nối với nguồn volt DC Nó hoạt động với mức điện áp dao động trong khoảng từ 6 – 36V và góc dò lớn Để tăng độ nhạy cho đầu dò, người thực hiện sẽ dùng kính Fresnel để ngăn tia tử ngoại. c) Phân loại
Hiện nay 2 có loại cảm biến hồng ngoại như :
- Cảm biến hồng ngoại thụ động: chỉ nhận các tia hồng ngoại phát ra từ vật thể khác như người, động vật hoặc một nguồn nhiệt bất kỳ, chứ tự nó không phát ra tia hồng ngoại nào cả Sau khi nhận biết được nguồn nhiệt, bộ phận cảm biến sẽ phân tích để xách định điều kiện báo động Vì thế người ta gọi đó là thụ động, chỉ phát hiện chứ không phải là nguồn phát ra tia hồng ngoại.
- Cảm biến hồng ngoại chủ động: cấu tạo gồm 2 phần là diode phát sáng và máy thu Khi một vật thể đến gần cảm biến thì ánh sáng hồng ngoại từ đèn LED sẽ phản xạ khỏi vật thể, nhờ đó người nhận sẽ phát hiện ra Cảm biến hồng ngoại chủ động đóng vai trò như một cảm biến tiệm cận và nó được dùng để phát hiện các chướng ngại vật. d) Ứng dụng
Vì hoạt động theo nguyên lý cảm biến hồng ngoại nên thiết bị này được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực sản xuất đèn tự động bật tắt và chống trộm Cụ thể như sau:
- Cảm biến hồng ngoại giúp tự động bật tắt đèn: Cảm biến hồng ngoại thường được lắp đặt tại vị trí lối đi như hành lang, cầu thang,…và khi có người đi đến, đèn tại đó sẽ tự động sáng lên.
Hình 2.5 Ứng dụng của cảm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại giúp chống trộm hiệu quả: Với cảm biến hồng ngoại loại chống trộm, gia chủ sẽ được bảo vệ tốt nhất Khi có sự xâm nhập của kẻ lạ mặt vào sân vườn, ban công và chúng vô tình đi ngang qua mắt cảm ứng đã được lắp đặt trước thì thiết bị hú còi và ngay lúc đó thì gia chủ sẽ biết có trộm và kịp thời có biện pháp xử lý.
Ngoài ra, có một số loại thiết bị cảm biến hồng ngoại được lắp đặt kèm theo chế độ mở cửa tự động giúp cho người dùng có thể nhanh chóng, dễ dàng hơn khi sử dụng và lắp đặt các thiết bị. e) Cảm biến sử dụng trong mô hình
Với đề tài phân loại sản phẩm theo chiều cao, nhóm tác giả sử dụng cảm biến hồng ngoại chủ động E18-D50NK để nhận biết và phân loại sản phẩm.
Thông số định mức và đặc tính kỹ thuật:
- Nguồn điện cung cấp: 24VDC.
- Khoảng cách phát hiện: 3 ~ 80cm.
- Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở.
- Dòng kích ngõ ra: 300mA.
- Ngõ ra dạng NPN cực thu hở giúp tùy biến được điện áp ngõ ra, trở treo lên áp bao nhiêu sẽ tạo thành điện áp ngõ ra bấy nhiêu.
- Chất liệu sản phẩm: nhựa.
- Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ.
Hình 2.7 Sơ đồ dây E18-D50NK
E18-D50NK có cách nối vô cùng đơn giản:
- Màu nâu: VCC, nguồn dương 24VDC.
- Màu xanh dương: GND, nguồn âm 0VDC
- Màu đen: Chân tín hiệu ngõ ra cực thu hở NPN, cần phải có trở kéo để tạo thành mức cao. Ưu điểm:
- Có độ nhạy cao trong việc xác định vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại trong không gian.
- Phần thiết kế của cảm biến cho phép xác định được khoảng cách chính xác của vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại.
- Được thiết kế và cấu tạo đơn giản, có giá thành rẻ.
- Phụ thuộc nhiều vào điều kiện nhiệt độ môi trường Những môi trường có nhiệt độ cao thì cảm biến sẽ hoạt động kém hiệu quả.
- Phần góc và phạm vi quét cảm biến hồng ngoại bị hạn chế có nhiều góc bị chết.
- Bởi độ nhạy cao nên hay bị nhầm lẫn khi phát hiện ra chuyển động.
Cơ cấu chấp hành
2.3.1 Piston xylanh đẩy sản phẩm Để thuận tiện cho việc sử dụng và di chuyển nhóm đã lựa chọn sử dụng xylanh khí nén trong mô hình phân loại sản phẩm. a) Khái niệm
Xy lanh khí nén là một thiết bị cơ học không thể thiếu trong những loại máy nó hoạt động được là do dựa trên một nguyên tắc sử dụng khí nén thông thường là không khí nguyên tắc hoạt động nó sẽ truyền một lực có sẵng và làm chuyển một nguồn năng lượng tích tụ từ bên trong thành luồng khí nén thành động lực Nguyên tắc hoạt động nó sử dụng nguồn năng lực từ bên trong vì vậy mà không hề tiêu tốn hay chịu tác động bất cứ nào từ dòng năng lượng nào bên ngoài khi có lượng khí nén được cấp vào xy lanh khí nén với một áp suất nhất định sẽ làm nở không khí và tác động một lực nhất định đẩy piston di chuyển một cách từ từ theo hướng mình mong muốn.
Xy lanh khí nén hoạt động một cách tự động thông qua cấp khí nén được cài đặt sẵn bằng một con van điện từ khí nén có tác dụng cấp khí cho xylanh, piston có thể đi hết hành trình đòi hỏi lượng khí trong xy lanh phải được thải ra ngoài Thông thường nguồn khí nén là năng lượng giúp cho xi lanh hoạt động Nguồn khí cung cấp cho xi lanh sẽ được nén ở một mức áp suất và nhiệt độ nhất định Nhờ sự chênh lệch giữa mức áp suất trong xi lanh và áp suất ở môi trường bên ngoài khiến cho không khí bị giãn nở và năng lượng khí nén được chuyển đổi thành động năng b) Phân loại
Hình 2.8 Xylanh đơn và kép
- Xylanh tác động đơn (xylanh tác động một chiều) (A) Áp lực khí nén chỉ tác dụng vào một phía của xylanh, phía còn lại là do ngoại lực hay do lò xo tác dụng.
- Xylanh tác dụng kép (xylanh tác dụng hai chiều) (B) Áp suất khí nén được dẫn vào hai phía của xylanh do yêu cầu điều khiển mà xylanh sẽ đi vào hay đi ra tùy thuộc vào áp lực c) Lựa chọn piston xylanh dùng trong hệ thống
Do đặc điểm của xy lanh tác động nhanh, hành trình không lớn, cố định nên nhóm chọn xy lanh tác dụng hai chiều sử dụng trong hệ thống Xylanh tác động hai chiều giúp hệ thống được điều khiển một cách hoàn toàn tự động và chính xác.
Cấu tạo của xylanh tác động kép.
Hình 2.9 Cấu tạo xylanh tác động kép
Cấu tạo xylanh bao gồm:
1.Piston 2 Đệm kín piston 3 Trục piston 4 Dẫn hướng
5 Đệm kín trục 6 Vòng chắn bụi 7 Nắp xylanh 8,13 Cửa lưu chất
9 Thân xylanh 10 Buồng trục 11 Buồng piston 12 Đế xylanh
Khi có tín hiệu tác động, khí được cấp vào cửa 8 của xylanh, khi đó piston đi vào trong Khi có tín hiệu tác động trở lại, khí được cấp vào cửa 13 điều khiển piston đi ra theo chiều ngược lại.
Nhóm đã lựa chọn piston đẩy sản phẩm Đó là xylanh piston tác dụng kép tròn hơi Mal Airtac.
Hình 2.10 Hình ảnh xy lanh Mal Airtac
Với các thông số kỹ thuật:
- Hoạt động: Tác dụng kép.
- Môi trường hoạt động: Khí nén.
- Áp suất vận hành lớn nhất: 1.0 MPa
- Áp suất vận hành nhỏ nhất: 0.02 MPa
- Nhiệt độ của khí: -10°C đến 70°C
- Vật liệu bôi trơn: Không yêu cầu
- Tốc độ piston: 50 đến 750 mm/s
- Giảm chấn: Bằng cao su.
Hình 2.11 Van điều áp khí nén
- Chất liệu: Hợp kim nhôm
- Đồng hồ hiển thị: 0-10kgf/𝑐𝑚3, 0-1Mpa
- Áp suất tối đa: 10kgf/𝑐𝑚3
- Chân ren kết nối: 13mm
Trong mô hình, vì sử dụng truyền động băng chuyền dây đai và không yêu cầu tải trọng lớn nên không cần động cơ có công suất lớn Với yêu cầu khá đơn giản của băng chuyền như là:
- 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.
Vì vậy chỉ cần sử dụng động cơ một chiều có công suất nhỏ, khoảng 10 W, điện áp một chiều 24 V. Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều được dùng rất phổ biến trong công nghiệp và ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi hoạt động. Động cơ một chiều trong dân dụng thường là các động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng
Hình 2.12 Động cơ điện 1 chiều ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và trong phạm vi rộng Động cơ điện một chiều trong thực tế a) Cấu tạo
1- Cổ góp điện 2- Chổi than 3- Rotor 4- Cực từ.
5- Cuộn cảm 6- Stator 7- Cuộn dây phần ứng.
- 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 (phần động): Gồm lõi thép và dây quấn phần ứng Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày khoảng 0.5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại Mỗi phần tử của dây quấn phần động có nhiều vòng dây, hai đầu với hai phiến góp, hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn trong hai rãnh dưới hai cực khác tên.
- Cổ góp: gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục rotor.
- Chổi than: làm bằng than graphit Các chổi tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy. b) Nguyên lý làm việc
Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi than, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm cho Rotor quay Chiều của lực được xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn sẽ đổi chỗ cho nhau do có phiến cổ góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt
Hình 2.13 Cấu tạo động cơ 1 chiều từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động cơ một chiều thì sức điện động ngược chiều với dòng điện nên còn gọi là sức phản điện động. c) Phân loại
Có 4 loại động cơ điện một chiều thường được sử dụng nhiều :
- Cuộn dây kích từ được nối song song với phần ứng là các bộ phận của :Động cơ điện một chiều kích từ song song:
- Phần ứng và phần kích từ được đem đến từ hai nguồn riêng rẽ là bộ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: cấu tạo từ 2 cuộn dây kích từ, một cuộn nối song song với phần ứng và một cuộn nối tiếp với phần ứng.
- Cuộn dây kích từ được gắn nối tiếp với phần ứng là bộ phận của :Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp d) Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
Hệ thống điều khiển
2.4.1.1 Tổng quan về bộ điều khiển PLC a) Khái niệm về PLC
PLC là các chữ được viết tắt từ: Programmable Logic Controller Theo hiệp hội quốc gia về sản xuất điện Hoa Kỳ thì PLC là một thiết bị điều khiển mà 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 các bộ xử lý Các chức năng đó được đặt trong một bộ nhớ mà tạo lập sắp xếp theo chương trình Nói một cách ngắn gọn PLC là một máy tính công nghiệp để thực hiện một dãy quá trình.
Hình 2.18 PLC S7 200 b) Giới thiệu về PLC
Từ khi ngành công nghiệp sản xuất bắt đầu phát triển, để điều khiển một dây chuyền, một thiết bị máy móc công nghiệp nào… Người ta thường thực hiện kết nối các linh kiện điều khiển riêng lẻ (Rơ le, timer, contactor…) lại với nhau tùy theo mức độ yêu cầu thành một hệ thống điện điều khiển đáp ứng nhu cầu mà bài toán công nghệ đặt ra.
Công việc này diễn ra khá phức tạp trong thi công vì phải thao tác chủ yếu trong việc đấu nối, lắp đặt mất khá nhiều thời gian mà hiệu quả lại không cao vì một thiết bị có thể cần được lấy tín hiệu nhiều lần mà số lượng lại rất hạn chế, bởi vậy lượng vật tư là rất nhiều đặc biệt trong quá trình sửa chữa bảo trì, hay cần thay đổi quy trình sản xuất gặp rất nhiều khó khăn và mất rất nhiều thời gian trong việc tìm kiếm hư hỏng và đi lại dây bởi vậy năng suất lao động giảm đi rõ rệt.
Với những nhược điểm trên các nhà khoa học, nhà nghiên cứu đã nỗ lực tìm ra một giải pháp điều khiển tối ưu nhất đáp ứng mong mỏi của ngành công nghiệp hiện đại đó là tự động hóa quá trình sản xuất nhằm giảm sức lao động, giúp người lao động không phải làm việc ở những khu vực nguy hiểm, độc hại… mà năng suất lao động lại tăng cao gấp nhiều lần.
Một hệ thống điều khiển ưu việt mà chúng ta phải chọn để điều khiển cho ngành công nghiệp hiện đại cần phải hội tụ đủ các yếu tố sau: Tính tự động cao, kích thước và khối lượng nhỏ gọn, giá thành hạ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt…
Từ đó hệ thống điều khiển có thể lập trình được PLC ra đời đầu tiên năm 1968 (Công ty General Moto – Mỹ) Tuy nhiên hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống, vì vậy qua nhiều năm cải tiến và phát triển không ngừng khắc phục những nhược điểm còn tồn tại để có được bộ điều khiển PLC như ngày nay, đã giải quyết được các vấn đề nêu trên với các ưu việt như sau:
- 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 trên thế giới đang song hành có nhiều hang PLC khác nhau cùng phát triển như hang Omron, Misubishi, Hitachi, ABB, Siemen…và có nhiều hãng nữa nhưng chúng đều có chung một nguyên lý cơ bản chỉ có vài điểm khác biệt với từng mặt mạnh riêng của từng ngành mà người sử dụng sẽ quyết định nên dùng hãng PLC nào cho thích hợp với mình. c) Lợi ích của việc sử dụng PLC
Cùng với sự phát triển của phần cứng lẫn phần mềm, PLC ngày càng tăng được các tính năng cũng như lợi ích của PLC trong hoạt động công nghiệp Kích thước của PLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O càng nhiều hơn, các ứng dụng của PLC càng mạnh hơn giúp người sử dụng giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống.
Lợi ích đầu tiên của PLC là hệ thống điều khiển chỉ cần lắp đặt một lần (đối với sơ đồ hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngõ vào/ra…), mà không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tự điều khiển (đối với hệ thống điều khiển relay…) khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC để lưu truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống điều khiển linh hoạt hơn.
Không như các hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng lắp đặt do chiếm một khoảng không gian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống khác Điều này càng tỏ ra thuận lợi hơn đối với các hệ thống điều khiển lớn, phức tạp, và quy trình lắp đặt hệ thống PLC ít tốn thời gian hơn các hệ thống khác Cuối cùng là người sử dụng có thể nhận biết các trục trặc hệ thống của PLC nhờ giao diện qua màn hình máy tính (một số PLC thế hệ sau có thể nhận biết các hỏng hóc của hệ thống và báo cho người sử dụng, điều này làm cho việc sử dụng dễ dàng hơn.
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 dây:
+ 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 đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất trong công nghiệp và dân dụng Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có khả năng đóng mở (ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong sản xuất Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay 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 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: Điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý các tuabin…) các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ). d) Ưu nhược điểm khi lập trình hệ thống điều khiển PLC Ưu điểm của PLC:
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 dễ dàng thay đổi và sửa chữa: chương trình tác động đến bên trong bộ PLC có thể được người lập trình thay đổi dễ dàng bằng xem xét việc thực hiện và giải quyết tại chỗ những vấn đề liên quan đến sản xuất, các trạng thái thực hiện có thể nhận biết dễ dàng bằng công nghệ điều khiển chu trình trước đây Như thế, người lập trình chương trình thực hiện việc nối PLC với công nghệ điều khiển chu trình. Người lập chương trình được trang bị các công cụ phần mềm để tìm ra lỗi cả phần cứng và phần mềm, từ đó sửa chữa thay thế hay theo dõi được cả phần cứng và phần mềm dễ dàng 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: phần mềm được hiểu là không cần những người sử dụng chuyên nghiệp sử dụng hệ thống rơ le tiếp điểm và không tiếp điểm.
- Không như máy tính, PLC có mục đích thực hiện nhanh các chức năng điều khiển, chứ không phải mang mục đích làm dụng cụ để thực hiện chức năng đó Ngôn ngữ dùng để lập trình PLC dễ hiểu mà không cần đến kiến thức chuyên môn về PLC.
Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao
Thiết kế hệ thống cơ khí
3.1.1 Mô hình hóa hệ thống
Hình 3.1 Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao
Các thiết bị cơ khí trong mô hình:
Bảng 3.1 Các thiết bị cơ khí
Tên Loại vật liệu sử dụng Số lượng Đế đỡ toàn mô hình Nhôm Alu 1
Hộp chứa+Máng Bìa Mica 3
Chân đỡ xylanh Nhôm định hình 6
Chân đỡ băng tải Nhựa cứng PA 4
Băng tải Nhôm định hình 1
Hộp cấp phôi Bìa Mica 1
Belt băng tải Nhựa PVC 1
* Chi tiết và công dụng các thiết bị:
- Đế đỡ toàn mô hình: thiết kế cứng chịu lực tốt giúp nâng đỡ toàn mô hình
- Xylanh: dùng đẩy phôi cấp vào và đẩy phôi phân loại theo chiều cao.
- Hộp chứa+Máng: dùng trượt và chứa phôi đã phân loại.
- Chân đỡ xylanh: giúp giữ xylanh cố định khí làm việc.
- Chân đỡ băng tải: bộ phận khá quan trọng giúp băng tải hoạt động ổn định không rung lắc.
- Băng tải: khung nhôm định hình chắc chắn và dễ thao tác khi thiết kế
- Hộp cấp phôi: dùng chứa phôi cấp cho hệ thống phân loại.
- Belt băng tải: là bề mặt làm việc của băng tải giúp di chuyển vật.
3.1.2 Lựa chọn vật liệu thiết kế
* -Đế đỡ toàn bộ mô hình: Sử dụng nhôm tấm Alu
Kích thước (Dài x Rộng x Cao) : 600 x 500 x 10 (mm)
Một số ưu điểm của bìa Alu:
- Thuận tiện cho việc thiết kế và bắt vít cố định cho toàn bộ mô hình hệ thống.
* Khung đỡ: Sử dụng nhôm định hình 50x30 và nhựa cứng PA chịu lực.
Một số ưu điểm của thép và nhôm định hình:
- Khả năng chịu nhiệt tốt.
- Chi phí sản xuất thấp.
- Dễ dàng thao tác và làm việc
* Bộ phận đỡ băng chuyền, xylanh và cảm biến: Sử dụng nhôm định hình 20x20.
Trong mô hình, nhôm định hình 20x20 có chức năng vừa làm khung đỡ kết cấu băng chuyền vừa làm cột đỡ xylanh và cảm biến Nhôm hình hộp được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp cũng như xây dựng, kết cấu dân dụng, khung cửa…
Bề mặt băng tải: sử dụng dây belt PVC
Hình 3.5 Belt PVC Ưu điểm: nhẹ, có độ bền cao và dễ dàng làm việc.
* Phần tử ghép nối cơ khí: Sử dụng bulong-đai ốc, vít bắn, vit lục, thép chữ V,
Các phần tử này có chức năng ghép nối các phần tử cơ khí với nhau.
Hình 3.6 Phần tử ghép nối cơ khí 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.
* Con trượt bi : là linh kiện quan trọng giúp ta ghép nối với nhôm định hình giúp cho quá trình làm việc thuận tiện mà không cần đục khoan.
* Phôi phân loại: Sử dụng nhựa khối hình trụ tròn với chiều cao khác nhau
3.1.3 Tính toán lựa chọn piston 1
- Dùng piston xylanh đẩy sản phẩm điều khiển bằng khí nén.
Fmsmax là lực ma sát lớn nhất giữa bề mặt sản phẩm và băng chuyền. Fmsmax ¿k N
Với: k là hệ số ma sát giữa bề mặt sản phẩm và băng chuyền, chọn k ¿0.8
N là phản lực của băng chuyền với sản phẩm N ¿ G ¿ 5N
- Để đẩy được sản phẩm thì:
- Thay số vào (3.1) ta được:
- Với: d: là đường kính piston.
P: là áp suất khí nén.
- Thay vào (3.2) ta được: d ≥ √12500.3 144.4 = 2 (cm)Băng tải có chiều rộng 60 mm vì vậy chọn loại piston có hành trình 50 mm.
Thiết kế hệ thống điều khiển
3.2.1 Yêu cầu cho hệ thống điều khiển
- Hệ thống cấp phôi vào băng truyền.
- Vận hành hoạt động băng truyền hoạt động đưa phôi đến các vị trí.
- Đếm số lượng sản phẩm cao, thấp và trung bình hiển thị trên giao diện giám sát wincc.
- Phân loại sản phẩm theo chiều cao dựa vào cảm biến và xylanh.
Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán hệ thống
- Lưu đồ hệ thống trên thể hiện quy trình làm việc của hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao
- Đầu tiên khi nhấn nút START hệ thống khởi động và bắt đầu làm việc, bốn cảm biến hồng ngoại (H1, H2,H3, H4) nhận biết phôi rồi gửi tiến hiệu về bộ xử lý trung tâm
PLC sau đó bộ xử lý gửi tín hiệu để điều khiển xylanh và bộ đếm tương ứng.
+ Cảm biến hồng ngoại thứ nhất (H1): khi cảm biến phát hiện có phôi sẽ báo cho PLC sau đó PLC điểu khiển Xylanh 1 đẩy ra cấp phôi cho hệ thống làm việc.
+ Cảm biến hồng ngoại thứ hai (H2): khi cảm biến phát hiện có phôi sẽ báo cho PLC sau đó PLC điều khiển Xylanh 2 đẩy ra phân loại phôi cao vào vị trí phôi cao và đếm số lượng trên wincc.
+ Cảm biến hồng ngoại thứ ba (H3): khi cảm biến phát hiện có phôi sẽ báo cho PLC sau đó PLC điều khiển Xylanh 3 đẩy ra phân loại phôi trung bình vào vị trí tương ứng và đếm số lượng trên wincc.
+ Cảm biến hồng ngoại thứ tư (H4): khi cảm biến phát hiện có phôi sẽ báo cho PLC sau đó đếm số lượng trên wincc.
- Nhấn nút STOP hệ thống dừng làm việc.
Từ sơ đồ trên ta nhận thấy cách thức cấp nguồn cũng như các chân tín hiệu vào ra của bộ điều khiển PLC S7 200
- Hai chân 1M và 1L được cấp nguồn 24VDC, N và L1 được cấp nguồn AC 220V.
- I0.0, I0.1, I0.2 và I0.3 lần lượt là bốn chân tín hiệu đầu vào của bốn cảm biến hồng ngoại SS1, SS2, SS3 và SS4
- I0.4 và I0.5 đấu nút nhấn Start và Stop.
- Q0.0, Q0.1, Q0.2 và Q0.3 lần lượt là bốn chân tín hiệu đầu ra PLC dùng điều khiển bốn role trung gian R1, R2, R3 và R4.
Hình 3.11 Hệ thống khí nén
Hệ thống khí nén trên bao gồm ba xylanh đẩy sản phẩm, ba van đảo chiều 5/2, và một nguồn khí cấp cho hệ thống.
- Nhánh Xylanh A + Van 01: dùng để cấp phôi cho hệ thống phân loại.
- Nhánh Xylanh B + Van 02: dùng đẩy phôi cao và hộp chứa phôi cao.
- Nhánh Xylanh C + Van 03: dùng đẩy phôi trung bình vào vị trí tương ứng.
- Cách thức làm việc van khí nén 5/2 : khi van đang nằm ở trạng thái van đóng hay còn gọi trạng thái bình thường thì sửa số 1 sẽ được thông với cửa số 2 Trong khí đó cửa số 4 sẽ được thiết kế thông với cửa số 5 Khi van có tác động điện thì khí được cung cấp Tại đây cửa số 1 sẽ thông với cửa số 4 bởi vì xuất hiện hiện tượng đảo chiều trước đó Trong khi cửa số 2 sẽ thông với cửa số 3 Riêng biệt cửa số 5 sẽ bị chặn lại.
3.2.5 Thiết kế giao diện giám sát wincc
Hình 3.12 Giao diện giám sát wincc
- Nhóm đã xây dựng giao diện trên phần mềm TIA V16 Giao diện kết hợp giám sát và điều khiển song song mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao.
- Kết hợp đếm số lượng phôi cao, trung bình và thấp sau khi phân loại.
- Hai chế độ hoạt động là thủ công và auto vô cùng tiện lợi.
Thiết kế hệ thống điện
3.3.1 Các thiết bị điện sử dụng trong mô hình:
Bảng 3.2 Các thiết bị điện sử dụng
7 Cảm biến hồng ngoại E18 D50NK 4
12 Động cơ giảm tốc DC 24V 1
3.3.2 Thiết kế động cơ điện một chiều a) Thông số đầu vào
Hình 3.13 Hệ thống băng truyền
- Chiều dài băng tải: L = 50 cm
- Thông số phôi hình trụ : h1 = 6 cm & d = 3 cm, h2 = 4 cm & d = 3 cm, h3 = 2 cm & d = 3 cm.
- Trọng lượng phôi: Pmin = 0.1 kg, Pmax = 0.5 kg
- Năng xuất: N = 15 sản phẩm/phút b) Tính toán công suất động cơ 2
- Chọn tối đa 3 sản phẩm trên băng truyền cùng lúc => P = 0.5x3 = 1.5 (kg)
- Thời gian 1 sản phẩm đi hết băng tải: t = 50/15.3 = 10 (s)
- Với : β = 0 - băng tải nằm ngang
L = 500 mm - chiều dài băng tải m = 0.5 kg - khối lượng sản phẩm m1 = 2 kg - khối lượng băng tải g = 10 m/s 2 - gia tốc à = 0.05 - hế số ma sỏt giữa sản phẩm và băng tải.
Thay số vào phương trình ( 3.3) ta được: F1 = 3 x 10 + 0.5 x 5 x 3 x 0.05 x 1 = 30.375 (N)
- Công suất động cơ được xác định theo công thức:
- Trong đó Pct , Pt: là công suất cần thiết trên trục động cơ và công suất tính toán.
- Giả thiết hệ dẫn động băng tải làm việc ổn định với tải trọng không đổi ta có:
- Với: v ¿ 0.05 m/s (vận tốc băng tải).
Thay số vào (3.5) ta được:
- Hiệu suất hệ dẫn động: η =η 1 2 η 2 (3.6)
- Trong đó: η: hiệu suất trên toàn máy. η1 ¿ 0.995 : hiệu suất của một cặp ổ bi. η2 ¿ 0.75 : hiệu suất của băng chuyền.
Do đó thay vào (3.6) ta được: η ¿ 0.995 0.75 ¿ 0.746
- Với Pt = 2.25W, η = 0.74 thay vào (3.4) ta được:
P ct = 2.3 0.74 6 = 3.08 (W) b) Tính toán tốc độ động cơ điện một chiều
- Số vòng quay của trục máy công tác nlv: n lv = 60 1000 v π D (3.7 )
- Trong đó: v ¿ 0.05 m/s : vận tốc băng tải.
D ¿ 25 mm : đường kính con lăn.
- Thay số vào (1.5) ta được: n lv = 60 1000 0.05 3.14 25 = 39 (vòng/phút)
- Vậy số vòng quay sơ bộ: n ¿ n lv =¿ 39 (vòng/phút)
- Chọn động cơ phải thỏa mãn điều kiện: Pđc > Pct ; nđc ≈ n
- Chọn số vòng quay đồng bộ của động cơ nđc ¿ 3910% (vòng/phút)
Từ những tính toán như trên ta thấy công suất của động cơ rất nhỏ nên ta có thể chọn động cơ một chiều điện áp 24VDC với tốc độ 3910% RPM, công suất 5 W có sẵn trên thị trường
Nhóm đã chọn động cơ DC 24VDC có sawnz trên thị trường để sử dụng trong hệ thống:
Hình 3.14 Động cơ giảm tốc DC 24V
- Đường kính trục 6 mm, dài 15 mm
- Đường kính thân máy: 32 mm
3.3.3 Đấu nối van và cảm biến
- Mạch điện cấp nguồn 24V vào chân 12 của lần lượt bốn role trung gian và ra ở chân 8 Sau đó nếu có tín hiệu tác động role thì sẽ cấp nguồn 24V cho chân A1 của van đảo chiều 5/2.
- Cấp nguồn âm vào chân A2 của 4 van đảo chiều 5/2. Đấu nối cảm biến:
Hình 3.16 Đấu nối cảm biến
Bốn cảm biến hồng ngoại giống nhau đều có ba chân Brow, Black và Blue. Chân Brow được cấp nguồn 24V còn chân Blu nối GND Còn chân tín hiệu Black:
- Cảm biến thứ nhất SS1: nối I0.0
- Cảm biến thứ nhất SS2: nối I0.1
- Cảm biến thứ nhất SS3: nối I0.2
- Cảm biến thứ nhất SS4: nối I0.3
Hình 3.17 Mạch điện hệ thống
Theo mạch điện hệ thống
- Cảm biến hồng ngoại nhận biết cấp phôi, phôi cao, phôi trung bình, phôi thấp nối lần lượt với chân tín hiệu đầu vào I0.0, I0.1, I0.2, I0.3 của PLC.
- Rơ le trung gian 1,2,3,4 nối lần lượt với chân tín hiêu đầu ra Q0.0, Q0.1, Q0.2, Q0.3.
- Xi lanh cấp phôi, phôi cao, phôi trung bình đấu nối với lần lượt rơ le trung gian
1,2,3 Động cơ một chiều nối với rơ le trung gian 4.
- Rơ le trung gian 4 nối với chân M của PLC.
- Cấp nguồn 24V vào chân 1M và 1L+ của PLC vào các chân 3 của các rơ le trung gian
- Cấp nguồn 224V vào chân N và L1 của PLC.
- Cấp nguồn cho các cảm biến từ chân của PLC để các cảm biến hồng ngoại hoạt động nhận biết sản phẩm.
Chế tạo mô hình, thực nghiệm và đánh giá hệ thống phân loại sản phẩm
Chế tạo hệ thống cơ khí
Hình 4.1 Băng tải hệ thống phân loại
- Phần khung được làm từ nhôm định hình.
- Belt PVC dài 1100mm, rộng 50mm.
- Sử dụng toàn bộ vít lục năng và con trượt bi trong quá trình chế độ băng tải.
- Sử dụng bốn chân đỡ nhựa cứng PA 100x15x10 mm.
4.1.2 Chế tạo khung, đế đỡ xylanh và mô hình
Hình 4.2 Chân đỡ xylanh và đế mô hình
- Mỗi xylanh gồm hai chân đỡ là nhôm định hình 20x20mm Hệ thống dùng sáu chân đỡ tương ứng cho ba xylanh.
- Sử dụng ke góc 30x30mm để cố định chân đỡ với đế mô hình.
- Dùng thêm dây rút cố định nhằm đảm bảo xylanh được chắc chắn.
- Đế đỡ mô hình bằng tấm Alu cứng 60x50mm.
Hình 4.3 Chân đỡ cảm biến
- Dùng bìa mica hai tấm kẹp lại.
4.1.3 Chế tạo hộp và máng trượt
- Hộp đựng phôi và máng trượt được cắt ghép từ bìa mica rất nhẹ
4.1.4 Hệ thống ống dẫn khí cho xylanh
Hình 4.5 Hệ thống cấp khí xylanh
- Sử dụng ống nối 6 cho hệ thống khí nén và dùng van tiết lưu giúp điều chỉnh áp suất dễ dàng.
- Van điều áp giúp kiểm soát lượng khí vào.
- Dùng chứa phôi cao, trung bình và thấp chưa phân loại chờ được xylanh đẩy vào dây chuyền để phân loại.
Chế tạo hệ thống điện
4.2.1 Cấp nguồn và đấu nối role
- Cấp nguồn vào 220AC cho nguồn tổ ong 24VDC qua cầu chì 30A.
- Sử dụng cầu đấu và role để dễ dàng đấu nối và đảm bảo an toàn tránh bị cháy,hỏng mạch.
Hình 4.9 Nút nhấn ON, OFF
- Nhấn START hệ thống bắt đầu làm việc Đấu với I0.4 của PLC.
- Nhấn STOP hệ thống dừng hoạt động Đấu với I0.5 của PLC
Thực nghiệm và đánh giá
- Phân loại phôi cao, trung bình và thấp
- Kết hợp đếm số lượng phôi cũng như giám sát trên phần mềm wincc. b) Kết quả đạt được
Sau thời gian thực hiện đề tài đến nay nhóm đã hoàn thành được các yêu cầu đề ra, đã thiết kế và xây dựng thành công mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao ,có giao diện giám sát và điều khiển như sau:
- Ứng dụng các phần mềm SolidWorksthiết kế các kết cấu cơ khí trong mô hình, xuất bản vẽ theo tiêu chuẩn để có thể sẵn sàng gia công chế tạo.
- Hiểu được cấu tạo, các ngõ vào ra, nguyên lý hoạt động cũng như các module, các thiết bị phần cứng liên quan đến PLC S7-1200.
- Biết được cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách sử dụng của các cảm biến: cảm biến tiệm cận, cảm biến sợi quang, cảm biến quang phản xạ.
- Biết được cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách sử dụng của các loại van khí nén.
- Xây dựng được mô hình cơ khí mô tả hoạt động của hệ thống phân loại.
- Điều khiển xylanh đẩy phôi vào nơi chứa tương ứng và đếm số lượng phôi.
- Điều khiển tốc độ của băng tải sao cho phù hợp với năng xuất yêu cầu.
- Giao diện wincc dễ nhìn, phù hợp cho giám sát từ xa
- Giải quyết cơ bản về vấn đề phân loại sản phẩm trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp và hiện đại.
- Tiết kiệm chi phí, thời gian và nhân công đem lại nguồn thu cho nhà đầu tư.
- Khả năng kiểm xoát từ xa rất hữu dụng và tiện lợi.
- Kiểm soát được các sản phẩm mà không cần thao tác.
- Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao là giải pháp giúp tiết kiệm tài nguyên môi trường.
- Chi phí xây dựng, lắp đặt cao và cần nhiều vốn.
- Động cơ còn tiếng ồn lớn.
- Thời gian trễ có ảnh hưởng nhỏ quá trình phân loại.
- Phôi vẫn bị đổ khi cấp vào hệ thống. c) Mô hình phân loại sản phẩm thực tế
Hình 4.10 Mô hình thực tế