Lựa chọn phương án thực hiện
Hệ thống điều khiển logic với các truyền động điện, căn cứ vào yêu cầu công nghệ ta chọn phương án thực hiện như sau:
Băng tải được điều khiển bởi động cơ một chiều, giúp kéo băng tải hiệu quả Hệ thống này còn được trang bị các thiết bị phụ trợ như nút ấn, cảm biến và rơle để tăng cường chức năng và đảm bảo hoạt động ổn định.
Sau đây ta sẽ phân tích, lựa chọn các thiết bị để thực hiện phương án:
1.2.1 Chọn động cơ truyền động cho băng tải.
Khi chọn loại động cơ điện, cần chú ý rằng đây là một phần tử quan trọng trong dây chuyền sản xuất Động cơ điện thường xuyên hoạt động trong nhiều trạng thái khác nhau, bao gồm quá trình khởi động và quá trình hãm, do đó việc lựa chọn đúng loại động cơ là rất cần thiết để đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống.
-Có 2 loại động cơ chính:
Động cơ xoay chiều, đặc biệt là động cơ không đồng bộ 3 pha và 1 pha, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp nhờ vào khả năng hoạt động hiệu quả từ công suất nhỏ đến lớn Động cơ không đồng bộ 3 pha được ưa chuộng rộng rãi vì có cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và vận hành an toàn Hơn nữa, chúng sử dụng nguồn điện trực tiếp từ lưới điện xoay chiều 3 pha, mang lại lợi ích kinh tế vượt trội so với động cơ 1 chiều.
-Động cơ không đồng bộ có 2 loại:
+ Động cơ roto dây quấn
+ Động cơ roto lồng sóc
*Động cơ 1 chiều :động cơ 1 chiều kích từ độc lập
Động cơ một chiều kích từ độc lập sử dụng quận dây kích từ nối với nguồn một chiều độc lập, có thể mắc song song với phần ứng, cho phép điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng nhờ đường đặc tính cơ có hàm bậc nhất với dốc âm Tuy nhiên, việc thiết kế bộ chỉnh lưu cung cấp nguồn một chiều làm tăng giá thành Ngược lại, động cơ không đồng bộ có lợi thế sử dụng trực tiếp nguồn điện xoay chiều, giúp tiết kiệm chi phí và giảm giá thành.
Em đã chọn động cơ xoay chiều 1 pha cho băng tải, với hệ thống truyền động được thiết kế đặc biệt Thông số kỹ thuật của hệ thống này được xác định rõ ràng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Tốc độ (v/ph) Điện áp (V)
Hình 1.8: Động cơ không đồng bộ kéo băng tải.
Cảm biến là một thiết bị phát hiện và phản hồi một số loại đầu vào từ môi trường vật lý.
Có rất nhiều loại cảm biến ví dụ như:
Trong đề tài này, ta cần sử dụng cảm biến để phát hiện vật tại các vị tríX3,X2,X1,X11,X12,X10,X4,X5.X7,X6 Em chọn cảm biến hồng ngoại NPN E3F-DS30C4.
Hình 1.9 Cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4.
Số dây tín hiệu: 3 dây (2 dây cấp nguồn và 1 dây tín hiệu).
Chân tín hiệu ngõ ra của transistor NPN có cấu trúc cực thu hở (Open Collector) yêu cầu sử dụng trở kéo từ 1 đến 10K kết nối với nguồn dương VCC để tạo ra tín hiệu mức cao (High).
Nguồn điện cung cấp: 6 ~ 36VDC
Khoảng điều chỉnh cảm biến: 5~30cm (điều chỉnh bằng biến trở trên cảm biến).
Khoảng cách phát hiện vật cản: 0~30cm
Góc khuếch tán (góc chiếu): 3~5 độ
Dòng kích ngõ ra: < 300mA.
Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ.
Chất liệu sản phẩm: vỏ ngoài nhựa ABS, phía trong đổ keo chống nước, chống va đập.
Màu Nâu (Brown): chân nguồn dương VCC cấp nguồn từ 6~36VDC.
Màu Đen (Black): chân tín hiệu SIGNAL đầu ra cấu trúc cực thu hở Transistor NPN - Open Collector.
Xanh Dương (Blue): chân nguồn âm GND 0VDC.
Sơ đồ chân của cảm biến:
Hình 1.10 Sơ đồ chân của cảm biến.
Dòng điện tải: 24VDC và 100VAC
- Công suất dòng và quãng tải tối đa: 5 tới 40mA (đối với 24VDC), 5 tới 20mA (đối với 100VAC)
- Liên kết với vòng bảo vệ: có
- Dòng điện thay đổi cho phép: trong khoản dưới 2.4V
- Đèn tín hiệu: đèn LED đỏ
Nút ấn là thiết bị điện dung dùng để điều khiển từ xa các thiết bị điện, giúp đóng và ngắt mạch điện Nó thường được lắp đặt trên bảng điều khiển, trong tủ điện hoặc trên hộp nút nhấn, đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi các mạch điều khiển.
Nút ấn được cấu tạo từ hệ thống lò xo, các tiếp điểm thường mở và thường đóng, cùng với vỏ bảo vệ Khi nhấn nút, các tiếp điểm sẽ chuyển đổi trạng thái, và khi không có tác động, chúng sẽ trở về trạng thái ban đầu.
Phân loại theo cách dùng, có 2 loại nút ấn phổ biến sau:
Nút ấn giữ là một thành phần quan trọng, thường được sử dụng như công tắc nguồn hoặc công tắc chức năng trong nhiều thiết bị điện tử như TV, đầu CD, DVD, máy xay sinh tố, máy hút bụi và các hệ thống tủ điện điều khiển trong ngành công nghiệp.
Nút nhấn nhả là một loại công tắc bao gồm một nút nhấn và hai tiếp điểm chính Khi nhấn nút, hai tiếp điểm sẽ đóng lại, và khi thả tay ra, chúng sẽ mở ra trở lại.
Phân loại theo theo cấu trúc, có 2 loại phổ biến:
- Nút ấn thường hở (NO):
Hình 1.14 Nút ấn thường mở.
- Nút ấn thường kín (NC):
Hình 1.15 Nút ấn thường kín.
=> Trong đồ án này ta lựa chọn:
+ Nút ấn START là nút thường mở (nút nhấn nhả) - màu xanh.
+ Nút ấn STOP là nút thường mở (nút nhấn nhả) - màu đỏ.
+ Nút ấn READY là nút thường mở (nút nhấn nhả) - màu vàng.
=> Chọn nút nhấn LA38-11 22mm (Nhấn nhả)
1.2.4 Chọn nguồn tổ ong tạo nguồn 1 chiều. Để giữ ổn định và tăng độ bền cho PLC ta sử dụng nguồn ngoài tạo nguồn nuôi cho các công tắc, cảm biến Ta chọn bộ nguồn tổ ong tạo điện áp 1 chiều 24V.
Hình 1.17 Nguồn tổ ong tạo nguồn 24V- 10A.
Công suất: 250W Đầu vào: 110VAC -220VAC (chỉnh bằng công tắc gạt) Đầu ra: 3 cặp
-Với yêu cầu bài toàn ta chọn xylanh khí SMC : CDJ2B16-300Z- B
Rơle công suất loại nhỏ 3-5A với nhiều model dùng cho điều khiển logic và các ứng dụng về điều khiển công suất.
Có nhiều loại: loại có đèn hiển thị hoạt động, loại công suất lớn, loại có diode, … Chịu được điện áp tới 2000 VAC.
Tuổi thọ cao; kích thước 36x28x21,5 mm. Đáp ứng được yêu cầu của nhiều ứng dụng.
-Với yêu cầu bài toán thì chọn loại rơ le nguồn 24 VDC
MY2: 5A, 2 bộ tíếp điểm MY2-DC24V
Van điện từ là thiết bị công nghiệp điều khiển đóng mở ON/OFF bằng dòng điện AC hoặc DC thông qua cuộn coil điện từ Loại van này thường có 4 cửa chính P-T-A-B, trong đó P là cửa cấp nguồn, T là cửa dầu ra, còn A-B kết nối với cơ cấu làm việc như xy lanh hoặc motor thủy lực Ngoài ra, van còn có các cửa phụ X hoặc Y để nhận tín hiệu điều khiển từ bên ngoài và cửa L để xả dầu thừa về thùng gom.
Các loại van được phân loại dựa trên số lượng kết nối ngõ vào và ra, được gọi là "n-cửa" Một số van có thêm cửa để xả khí Thiết kế van có thể là thường đóng hoặc thường mở, phản ánh trạng thái của van khi mất nguồn cấp.
Van 2 cửa, hay còn gọi là van 2/2, có cấu tạo gồm một cửa vào và một cửa ra Chúng thường ở trạng thái đóng khi không có nguồn cung cấp Khi có nguồn cung cấp, van sẽ mở ra, cho phép dòng khí hoặc chất lỏng chảy qua Loại van này rất hữu ích trong việc điều khiển dòng chảy trong các hệ thống.
Van 2 cửa, hay còn gọi là van 2/2, có cấu trúc gồm một cửa vào và một cửa ra Chúng hoạt động theo nguyên tắc mở khi mất nguồn, cho phép dòng chảy đi qua, và đóng lại khi có nguồn Loại van này thường được sử dụng để ngắt dòng chảy trong các hệ thống.
Phân tích chọn biến vào ra
Từ phân tích yêu cầu công nghệ hệ thống, ta xác định hệ thống gồm các biến sau: 2.1.1 Biến vào.
+X0=0 không ấn nút +stop(X1) : +X1 =1 ấn nút
+Cảm biến X2: +X2 =1 phát hiện sản phẩm thấp
+X2 =0 không có sản phẩm thấp
+Cảm biến X3: +X3 =1 phát hiện sản phẩm trung bình
+X3 =0 không có sản phẩm trung bình
+Cảm biến X10: +X10 =1 phát hiện sản phẩm cao
+X10 =0 không có sản phẩm cao
+Cảm biến X4: +X4 =1 phát hiện sản phẩm
+X4 =0 không có sản phẩm +Cảm biến X6: +X6 =1 phát hiện sản phẩm
+X6 =0 không có sản phẩm +Cảm biến X5: +X5 =1 xilanh đẩy hết cỡ
+X65=0 xilanh đẩy chưa hết cỡ
+Cảm biến X7: +X7 =1 xilanh đẩy hết cỡ
+X7 =0 xilanh đẩy chưa hết cỡ
Mô tả hệ thống và thiết kế hàm logic
2.2.1 Các phương pháp mô tả hệ thống. a Phương pháp bảng chuyển trạng thái.
Bảng gồm có số hàng là số trạng thái của hệ số cột là số tổ hợp các biến vào
+ Trạng thái là một mệnh đề mô tả một nguyên công hoặc một quá trình làm việc của hệ.
+ Biến vào có thể là 1 tín hiệu từ người điều khiển thiết bị chương trình hoặc là do công nghệ.
Bảng đầu ra mô tả các trạng thái với các tín hiệu vào, trong đó các ô giao nhau ghi nhận trạng thái đích và kết quả đầu ra Phương pháp đồ hình sử dụng hình vẽ để minh họa các trạng thái chuyển của mạch logic trình tự, bao gồm các đỉnh và cung định hướng ghi các tín hiệu vào/ra và kết quả Phương pháp này thường áp dụng cho hàm một đầu ra, bao gồm đồ hình Mealy và đồ hình Moore.
Đồ hình Mealy là một biểu đồ mô tả các trạng thái của mạch, trong đó các đỉnh thể hiện các trạng thái và các cung định hướng thể hiện biến tác động cùng với kết quả hàm khi có sự tác động.
Trong đồ hình Moore, các đỉnh là các trạng thái và giá trị của hàm, còn các cung định hướng sẽ ghi biến tác động.
Đồ hình thuật toán là một phương pháp mô tả hệ thống một cách trực quan và logic Các khối chính trong lưu đồ được thể hiện rõ ràng, như đã mô tả trong hình 2.1.
Hình 2.3 Lưu đồ thuật toán.
=>Căn cứ vào yêu cầu bài toán và qua phân tích các phương pháp trên em dùng phương pháp để mô tả hệ thống đó là phương pháp GRAFCET.
2.2.2 Mô tả hệ thống và thiết kế hàm logic.
Dựa trên phân tích yêu cầu công nghệ hở phần trên, hệ thống được mô tả bằng phương pháp đồ hình Moore với lưu đồ như sau.
Hình 2.4: Mô tả hệ thống dùng GRAFCET
Từ đồ hình moore, ta xây dựng được hàm vào-hàm ra như sau:
Phân tích chọn PLC
3.1.1 Giới thiệu chung về PLC.
PLC (Điều khiển Logic Lập trình) là thiết bị lập trình được sử dụng trong công nghiệp để kiểm soát các quy trình xử lý từ đơn giản đến phức tạp Tùy thuộc vào người điều khiển, PLC có khả năng thực hiện nhiều chương trình hoặc sự kiện được kích hoạt bởi các tín hiệu đầu vào, bộ định thời hoặc các sự kiện đếm Khi một sự kiện được kích hoạt, PLC có thể bật hoặc tắt thiết bị bên ngoài thông qua các tín hiệu đầu ra Việc thay đổi các chương trình trong PLC cho phép thực hiện các chức năng khác nhau trong nhiều môi trường điều khiển khác nhau.
Về phần cứng, PLC tương tự như máy tính “truyền thông”, và chúng có các đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển trong công nghiệp.
+ Khả năng kháng nhiễu tốt.
+ Cấu trúc dạng Modul cho phép dễ dàng thay thế, tăng khả năng (nối thêm Modul mở rộng vào/ ra) và thêm chức năng (nối thêm Modul chuyên dùng).
+ Việc kết nối dây và mức điện áp tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra được chuẩn hoá.
+ Ngôn ngữ lập trình chuyên dùng – Ladder, Instruction và Funtion Chart, dễ hiểu và dể sử dụng.
PLC được sử dụng phổ biến trong việc điều khiển máy móc công nghiệp và quy trình nhờ vào khả năng thay đổi chương trình điều khiển một cách dễ dàng Những đặc điểm này giúp tăng cường hiệu quả và linh hoạt trong quản lý các hệ thống tự động.
Bộ điều khiển lập trình (PLC) được phát triển bởi nhóm kỹ sư của hãng General Motors vào năm 1968, nhằm đáp ứng các yêu cầu điều khiển trong công nghiệp thông qua các chỉ tiêu kỹ thuật cụ thể.
+ Dễ lập trình và thay đổi chương trình điều khiển, sử dụng thích hợp trong nhà máy.
+ Cấu trúc dạng Modul dể dàng bảo trì và sửa chữa.
+ Tin cậy hơn trong môi trường sản xuất của nhà máy công nghiệp.
+ Dùng linh kiện bán dẫn nên có kích thước nhỏ hơn mạch rơ – le chức năng tương đương.
Sự phát triển của PLC trong công nghiệp đã thu hút sự chú ý của các kỹ sư từ nhiều lĩnh vực, nhấn mạnh nhu cầu về các chức năng mới như lệnh logic đơn giản, tác vụ định thì, tác vụ đếm, và các lệnh xử lý toán học, dữ liệu, xung tốc độ cao, cũng như khả năng đọc mã vạch Đồng thời, phần cứng PLC cũng cải tiến với bộ nhớ lớn hơn, nhiều ngõ vào/ra hơn và các Modul chuyên dụng Từ năm 1976, PLC đã có khả năng điều khiển ngõ vào/ra từ xa qua kỹ thuật truyền thông với khoảng cách lên tới 200m Sự gia tăng ứng dụng PLC đã thúc đẩy các nhà sản xuất phát triển các dòng PLC với khả năng, tốc độ xử lý và hiệu suất khác nhau, từ các loại độc lập với 20 ngõ vào/ra và bộ nhớ 500 bước, đến các PLC Modul có khả năng mở rộng linh hoạt.
+ Xử lý tín hiệu liên tục (analog).
+ Điều khiển động cơ servo, động cơ bước.
+ Số lượng ngõ vào/ra.
Với cấu trúc dạng Modul cho phép chúng ta mở rộng hay nâng cấp một hệ thống điều khiển dùng PLC với chi phí và công suất ít nhất.
Sự ra đời của PLC và các bộ điều khiển hiện đại đã cách mạng hóa lĩnh vực tự động hóa, mang đến khả năng điều khiển phong phú và phức tạp hơn so với các mạch điều khiển cổ điển sử dụng dây nối và Relay Điều này giúp các hệ thống dây chuyền sản xuất hoạt động nhịp nhàng và hiệu quả hơn.
+ Khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit).
+ Hệ thống giao tiếp vào/ ra (I/O).
+ Thiết bị đầu vào gồm các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển như nhấn, cảm biến, công tắc hành trình.
+ Input, Output các cổng nối phía đầu vào/ ra của PLC hay của các Modul mở rộng.
+ Cơ cấu chấp hành: gồm các thiết bị được điều khiển như: chuông, đèn, contactor, động cơ, van khí nén, mày bơm, Led hiển thị, …v.v
Hiện nay, nhiều hãng sản xuất PLC nổi tiếng như Siemens, Omron, Mitsubishi, Pesto, Alan Bradley, Schneider, và Hitachi Để tận dụng thiết bị có sẵn trong phòng thực hành và tiết kiệm chi phí cho mô hình thực tế, tôi đã chọn PLC Omron CP1E.
3.1.2 Giới thiệu PLC Mitsubishi FX3G-40MT
- Để phù hợp yêu cầu công nghệ và đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật trong đề tài này ta sử dụng PLC
- Bộ CPU 14 I/0: 12 đầu vào, 8 đầu ra relay.
-Bộ nhớ trương chình 64000 step-
-Tích hợp đồng hồ thời gian thực
-Có thể mở rộng 384 ngõ vào/ra
- Tích hợp cổng RS485, RS232
Đặt địa chỉ
Từ việc mô tả hệ thống, em đặt địa chỉ cho các đầu vào, đầu ra và các biến trạng thái như sau:
X3 Tín hiệu Sp trung bình
X4 Phát hiện sp tại vị trí 1
X5 Xilanh 1 đẩy ra hết cỡ
X6 Phát hiện sp tại vị trí 1
X7 Xilanh 2 đẩy ra hết cỡ
Y5 Xilanh đẩy Sp trung bình
Thiết kế sơ đồ nguyên lý
Dựa trên yêu cầu công nghệ và các địa chỉ biến đã được gán, tôi đã thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống và thực hiện đấu nối với PLC như hình minh họa dưới đây.
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống.
THUYẾT MINH NGUYÊN LÝ, CHẠY THỬ VÀ ĐÁNH GIÁ.
Khi nhấn nút Start (X21), các băng tải Y1, Y2, Y3, Y4 sẽ hoạt động theo thứ tự Sau khi các băng tải khởi động, robot (Y0) sẽ được cấp điện để gắp sản phẩm và đưa lên băng truyền, sau đó trở về vị trí Home (X0).
Khi sản phẩm trên băng truyền đến vị trí phân loại, nếu sản phẩm thuộc loại thấp (X3=1), nó sẽ tiếp tục di chuyển đến cảm biến X10 Tại đây, nếu X10=1, băng tải Y1 và Y2 sẽ dừng lại, và xilanh Y5 (Y5=1) sẽ đẩy sản phẩm xuống băng tải nghiêng Khi xilanh Y5 tác động vào cảm biến X14, nó sẽ lùi lại và gặp cảm biến X13, lúc này băng tải Y1 và Y2 sẽ hoạt động trở lại Khi sản phẩm di chuyển trên băng tải nghiêng Y2 đến vị trí cảm biến X4 (X4=1), robot (Y0=1) sẽ tiếp tục gắp sản phẩm.
Khi sản phẩm trên băng truyền di chuyển đến vị trí phân loại, nếu là sản phẩm trung bình (X3=1, X2=1), sản phẩm sẽ tiếp tục đến cảm biến X11 (X11=1) Băng tải Y1 và Y3 sẽ dừng lại, trong khi xilanh Y6 (Y6=1) đẩy sản phẩm xuống băng tải nghiêng Khi xilanh Y6 tác động vào cảm biến X16, nó sẽ lùi về và gặp cảm biến X15, lúc này băng tải Y1 và Y3 sẽ hoạt động trở lại Khi sản phẩm trên băng tải nghiêng Y3 đi qua cảm biến X5 (X5=1), robot (Y0=1) sẽ tiếp tục gắp sản phẩm.
Khi sản phẩm di chuyển trên băng truyền đến vị trí phân loại, nếu đáp ứng điều kiện cao (X3=1, X2=1, X1=1), sản phẩm sẽ tiếp tục đến cảm biến X12 (X12=1) Lúc này, băng tải Y1 và Y4 sẽ dừng lại, và xilanh Y7 (Y7=1) sẽ đẩy sản phẩm xuống băng tải nghiêng Khi xilanh Y7 tác động vào cảm biến X17, nó sẽ lùi lại và gặp cảm biến X20, khiến băng tải Y1 và Y4 hoạt động trở lại Cuối cùng, khi sản phẩm trên băng tải nghiêng Y2 đi qua cảm biến X6 (X6=1), robot (Y0=1) sẽ tiếp tục gắp sản phẩm.
Khi sản phẩm di chuyển trên băng truyền đến vị trí phân loại, nếu không cần phân loại, sản phẩm sẽ tiếp tục đến cảm biến X7 Tại đây, nếu X7=1, robot (Y0=1) sẽ tiếp tục gắp sản phẩm.
Khi hệ thống được cấp điện, hệ thống sẵn sàng làm việc, các trạng thái ở trạng thái reset.
Trạng thái M1 được set lên 1 hệ thống sẵn sàng làm việc.
Khi ấn nút Start (X21) M2 chạy Các băng tải chạy , robot gắp sản phẩm.
Khi Robot gắp sản phẩm quay về vị trí home X0=1
Nếu là sản phẩm thấp X3 =1 Sản phẩm được phân loại
Đên vị trí Sensor X10 Xilanh Y5 tác động.
Xilanh đẩy sản phẩm thấp gặp sensor X14 thì lùi về
Xilanh đẩy phẩm thấp lùi về gặp sensor X13 Các băng tại chạy lại.
Nếu là sản phẩm trung bình X3 =1, X2 =1
Đên vị trí Sensor X11 Xilanh Y6 tác động.
Xilanh đẩy sản phẩm trung bình gặp sensor X16 thì lùi về
Xilanh đẩy phẩm trung bình lùi về gặp sensor X15 Các băng tại chạy lại.
Khi sản phẩm đi qua X5 Robot tiếp tục gắp
Nếu là sản phẩm cao X3 =1, X2 =1, X1=1.
Đên vị trí Sensor X12 Xilanh Y7 tác động.
Xilanh đẩy sản phẩm cao gặp sensor X20 thì lùi về
Xilanh đẩy phẩm cao lùi về gặp sensor X17 Các băng tại chạy lại.
Khi sản phẩm đi qua X6 Robot tiếp tục gắp
Khi sản phẩm đi qua X7 Robot tiếp tục gặp