Đề tài thiết kế hệ thống điều khiển logic sử dụng plc chohệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA ĐỒ ÁN MƠN HỌC ĐIỀU KHIỂN LOGIC VÀ PLC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LOGIC SỬ DỤNG PLC CHO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO Giảng viên hướng dẫn : Sinh viên thực : MSSV : Lớp HP : THÁI NGUYÊN – 2023 Contents LỜI NÓI ĐẦU PHẦN 1: .6 PHÂN TÍCH YÊU CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN 1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ 1.1.1 Yêu cầu công nghệ .6 1.1.2 Các trạng thái hệ thống 1.2 Lựa chọn phương án thực .9 1.2.1 Chọn động truyền động cho băng tải 1.2.2 Chọn cảm biến 10 1.2.3 Chọn nút ấn 12 1.2.4 Chọn nguồn tổ ong tạo nguồn chiều 14 1.2.5 Chọn Xilanh .14 1.2.6 Chọn Role 15 1.2.7 Chọn van điện từ 16 1.2.7 Chọn thiết bị phụ trợ 18 PHẦN 2: .19 PHÂN TÍCH CHỌN BIẾN VÀO/RA, MÔ TẢ HỆ THỐNG, THIẾT KẾ HÀM LOGIC 19 2.1 Phân tích chọn biến vào .19 2.1.1 Biến vào 19 2.1.2 Biến 20 2.2 Mô tả hệ thống thiết kế hàm logic 21 2.2.1 Các phương pháp mô tả hệ thống 21 2.2.2 Mô tả hệ thống thiết kế hàm logic .23 PHẦN 3: .27 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ, CHỌN THIẾT BỊ 27 3.1 Phân tích chọn PLC 27 3.1.1 Giới thiệu chung PLC 27 3.1.2 Giới thiệu PLC Mitsubishi FX3G-40MT 30 3.2 Đặt địa 30 3.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 32 PHẦN 4: .33 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN .33 33 PHẦN : 40 THUYẾT MINH NGUYÊN LÝ, CHẠY THỬ VÀ ĐÁNH GIÁ 40 5.1 Thuyết minh nguyên lý 40 5.2 Kiểm tra kết .41 LỜI NĨI ĐẦU Trong nghiệp cơng nghiệp hóa – đại hóa đất nước, tiêu chí để đánh giá phát triển cơng nghiệp quốc gia mức độ tự động hóa q trình sản xuất Sự phát triển nhanh chóng máy tính điện tử - cơng nghệ thơng tin thành tựu lý thuyết điều khiển tự động làm sở  cho phát triển tương xứng lĩnh vực tự động hóa Ngày tự động hóa điều khiển q trình sản xuất sâu vào nhiều lĩnh vực tất khâu trình sản xuất Trong học kỳ để áp dụng lý thuyết với thực tế em giao đồ án môn học Điều khiển Logic PLC với đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển logic sử  dụng PLC cho toán phân loại sản phẩm theo chiều cao ” Với nỗ lực  bản thân giúp đỡ tận tình thầy giáo hướng dẫn thầy cô giáo  bộ môn Đến đồ án em hoàn thành Do kiến thức chun mơn cịn hạn chế nên đồ án em khơng tránh khỏi thiếu sót Vậy em mong bảo, góp ý thầy giáo để đồ án em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn đặc biệt em xin cảm ơn thầy giúp đỡ em để đồ án hoàn thành thời hạn Thái Nguyên, Ngày tháng năm 2023  Sinh viên thiết kế  PHẦN 1:  PHÂN TÍCH YÊU CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN 1.1 Phân tích u cầunn cơng nghệ 1.1.1 u cầu công nghệ - Với yêu cầu công nghệ hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao sau: Khi ấn start băng tải chạy cảm biến X2, X3, X10 cảm biến xác định chiều cao sản phẩm sản phẩm đến vị trí tương ứng X4 X6 băng tải dừng xilanh xẽ đẩy sản phẩm xuống thùng chứa sau xilanh trở băng tải tiếp tục chạy ấn stop hệ thống dừng lại -Đặt cảm biến xylanh:   Xilanh Y4 : + X5 vị trí cuối   Xilanh Y5 : + X7 vị trí cuối -Ấn nút star X0 băng tải Y1 chạy Sản phẩm qua cảm biến X2, X3, X10 để xác định chiều cao: TH1: sản phẩm qua X2 có tín hiệu Sản phẩm phân loại sản phẩm thấp Khi sản phẩm đến vị trí X4 tác động , băng tải Y1 dừng Xilanh Y4 tác động đẩy sản phẩm xuống thùng TH2: sản phẩm qua X2 X3 có tín hiệu Sản phẩm phân loại sản  phẩm trung bình Khi sản phẩm đến vị trí X6 tác động , băng tải Y1 dừng Xilanh Y5 tác động đẩy sản phẩm xuống thùng TH1: sản phẩm qua X2, X3, X10 có tín hiệu Sản phẩm phân loại sản  phẩm cao sản phẩm đưa đến thùng cuối băng tải  Hình Mơ tả cơng nghệ 1.1.2 Các trạng thái hệ thống Dựa vào yêu cầu công nghệ, ta phân tích thành trạng thái sau:   - TT0: Cấp nguồn cho hệ thống, đưa hệ thống sẵn sàng làm việc - TT1: Ấn nút Start, Băng tải Y1 chạy đưa sản phẩm vào - TT2: cảm biến X2 tác động phân sản phẩm thấp đưa đến vị trí thùng - TT3: Xilanh Y4 tác động đẩy sản phẩm vào thùng - TT4: cảm biến X2, X3 tác động phân sản phẩm trung bình đưa đến vị trí thùng - TT5: Xilanh Y5 tác động đẩy sản phẩm vào thùng * Các điều kiện chuyển trạng thái: - TT0 -> TT1 : ấn nút Start - TT1 -> TT2 : cảm biến X2 tác động - TT2 -> TT3: cảm biến X4 tác động - TT1 -> TT4: cảm biến X2, X3 tác động - TT4 -> TT5: cảm biến X6 tác động - TT5 -> TT1: cảm biến X7 tác động - TT3 -> TT1: cảm biến X5 tác động - TT1, TT2, TT3, TT4, TT5 -> TT0: cảm biến X1 tác động 1.2 Lựa chọn phương án thực Hệ thống điều khiển logic với truyền động điện, vào yêu cầu công nghệ ta chọn phương án thực sau: Băng tải sử dụng động chiều để kéo băng tải Ngoài ra, hệ thống cịn có thiết bị phụ trợ khác nút ấn, cảm biến, rơle… Sau ta phân tích, lựa chọn thiết bị để thực phương án: 1.2.1 Chọn động truyền động cho băng tải -Chọn loại động điện.động điện phần tử quan trọng day truyền sản xuất thường xuyên phải làm việc với nhiều trạng thái trình khởi động,q trình hãm… -Có loại động chính: + Động chiều + Động xoay chiều * Động xoay chiều : dùng động không đồng pha,1pha.động không đồng pha sử dụng rộng rãi công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất lớn chiếm tỷ lệ lớn so với động khác Sở dĩ động KĐB có kết cấu đơn giản dễ chế tạo,vận hành an toàn,sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều 3pha mặt kinh tế giá thành nhỏ so với động chiều -Động khơng đồng có loại: + Động roto dây quấn + Động roto lồng sóc *Động chiều :động chiều kích từ độc lập -Động chiều kích từ độc lập có quận dây kích từ mắc vào nguồn chiều độc lập mắc song song với phần ứng Động chiều kích từ độc lập có đường đặc tính có hàm bậc nên đường biểu diễn đường thẳng với dốc âm, việc điều chỉnh tốc độ đảo chiều động chiều kích độc lập dễ dàng Tuy nhiên động chiều kích từ độc lập cần phải thiết kế chỉnh lưu tạo nguồn chiều giá thành cao Ngược lại, khơng đồng có ưu điểm sử dụng trực tiếp nguồn điện xoay chiều tiết kiệm chi phí mua chỉnh lưu, giá thành rẻ… => Do em chọn loại động truyền động cho băng tải động xoay chiều  pha Với hệ thống truyền động sử dụng băng tải, với thông số kỹ thuật sau: Kiểu Công suất Tốc độ (W) (v/ph) 5IK120RGU 90 3000 -CF/ 5GU30K  Điện áp (V) 220 Dòng điện (A) 7,2 0,86 Khối lượng (kg) 2,2  Hình 1.8: Động khơng đồng kéo băng tải 1.2.2 Chọn cảm biến Cảm biến thiết bị phát phản hồi số loại đầu vào từ môi trường vật lý Có nhiều loại cảm biến ví dụ như: + Cảm biến nhiệt độ + Cảm biến tiệm cận + Cảm biến hồng ngoại + Cảm biến siêu âm Trong đề tài này, ta cần sử dụng cảm biến để phát vật vị trí X3,X2,X1,X11,X12,X10,X4,X5.X7,X6 Em chọn cảm biến hồng ngoại NPN E3FDS30C4  Hình 1.9 Cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4 Thông số kỹ thuật : Model: E3F-DS30C4 Số dây tín hiệu: dây (2 dây cấp nguồn dây tín hiệu) Chân tín hiệu ngõ ra: cấu trúc cực thu hở Transistor NPN - Open Collector  nên cần phải có trở kéo (khoảng 1~10K) lên chân nguồn dương VCC để tạo thành tín hiệu mức cao (High)  Nguồn điện cung cấp: ~ 36VDC Khoảng điều chỉnh cảm biến: 5~30cm (điều chỉnh biến trở cảm  biến) Khoảng cách phát vật cản: 0~30cm Góc khuếch tán (góc chiếu): 3~5 độ Dịng kích ngõ ra: < 300mA  Có led hiển thị ngõ màu đỏ Chất liệu sản phẩm: vỏ nhựa ABS, phía đổ keo chống nước, chống va đập - Sơ đồ dây: Màu Nâu (Brown): chân nguồn dương VCC cấp nguồn từ 6~36VDC Màu Đen (Black): chân tín hiệu SIGNAL đầu cấu trúc cực thu hở Transistor   NPN - Open Collector Xanh Dương (Blue): chân nguồn âm GND 0VDC Sơ đồ chân cảm biến:  Hình 1.10 Sơ đồ chân cảm biến 10 Dòng điện tải: 24VDC 100VAC - Cơng suất dịng qng tải tối đa: tới 40mA (đối với 24VDC), tới 20mA (đối với 100VAC) - Liên kết với vòng bảo vệ: có - Dịng điện thay đổi cho phép: khoản 2.4V - Đèn tín hiệu: đèn LED đỏ Hình 1.11 1.2.3 Chọn nút ấn  Nút ấn (nút điều khiển) khí cụ điện dung để đóng, ngắt từ xa thiết bị điện từ khác nhau, chuyển đổi mạch điều khiển, thường đặt bảng điều khiển, tủ điện, hộp nút nhấn…  Nút ấn gồm hệ thống lò xo, hệ thống tiết điểm thường mở, thường đóng vỏ bảo vệ Khi tác động vào nút ấn, tiếp điểm chuyển trạng thái, tác động tiếp điểm trở trạng thái ban đầu Phân loại theo cách dùng, có loại nút ấn phổ biến sau: - Nút ấn giữ: thường sử dụng công tắc nguồn, công tắc chức thiết bị TV, đầu CD, DVD, máy xay sinh tố, máy hút bụi, hệ thống tủ điện điều khiển công nghiệp… 11 PHẦN 3: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ, CHỌN THIẾT BỊ 3.1 Phân tích chọn PLC 3.1.1 Giới thiệu chung PLC PLC (Programmable Logic Control) thiết bi lập trình thiết kế chun dùng cơng nghiệp để điều khiển tiến trình xử lí từ đơn giản đến  phức tạp, tuỳ thuộc vào người điều khiển mà thực loạt chương trình kiện kích hoạt tác nhân kích thích (hay cịn gọi ngõ vào) tác động vào PLC qua định thời (Timer) hay kiện đếm qua đếm Khi kiện kích hoạt bật ON, OFF phát chuỗi xung thiết bị bên gắn vào ngõ PLC Như ta thay đổi chương trình cài đặt PLC ta thực chức khác môi trừơng điều khiển khác Về phần cứng, PLC tương tự máy tính “truyền thơng”, chúng có đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển cơng nghiệp + Khả kháng nhiễu tốt + Cấu trúc dạng Modul cho phép dễ dàng thay thế, tăng khả (nối thêm Modul mở rộng vào/ ra) thêm chức (nối thêm Modul chuyên dùng) + Việc kết nối dây mức điện áp tín hiệu ngõ vào ngõ chuẩn hố + Ngơn ngữ lập trình chuyên dùng – Ladder, Instruction Funtion Chart, dễ hiểu dể sử dụng + Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng Những đặc điểm làm cho PLC sử dụng rộng rãi việc điểu khiển máy móc cơng nghiệp điền khiển q trình (Process – control) Các khái niệm PLC: Bộ điều khiển lập trình ý tưởng nhóm lỹ sư hãng General Motors vào năm 1968 họ đề tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu điều khiển công nghiệp: + Dễ lập trình thay đổi chương trình điều khiển, sử dụng thích hợp nhà máy + Cấu trúc dạng Modul dể dàng bảo trì sửa chữa 22 + Tin cậy môi trường sản xuất nhà máy cơng nghiệp + Dùng linh kiện bán dẫn nên có kích thước nhỏ mạch rơ – le chức tương đương + Giá thành cạnh tranh  Những tiêu tạo quan tâm kỹ sư thuộc nhiều ngành nghiên cứu khả ứng dụng PLC công nghiệp, kết đưa thêm số yêu cầu cần phải có chức PLC: Tập lệnh từ lệnh logic đơn giản hỗ trợ thêm lệnh tác vụ định thì, tác vụ đếm; sau lệnh xử lý toán học, xử lý liệu, xử lý xung tốc độ cao, tính tốn số liệu số thực 32 bit, xử lý thời gian thực, đọc mã vạch, … Song song đó, phát triển  phần cứng đạt nhiều kết quả: nhớ lớn hơn, số lượng ngõ vào/ nhiều hơn, nhiều Modul chuyên dùng Vào năm 1976, PLC có khả điều khiển ngõ vào/ xa kỹ thuật truyền thông, khoảng 200m Sự gia tăng ứng dụng PLC công nghiệp thúc đẩy nhà sản xuất hoàn chỉnh họ PLC với mức độ khác khả năng, tốc độ xử lý hiệu suất Các họ PLC phát triển từ loại làm việc độc lập, 20 ngõ vào/ dung lượng nhớ  chương trình 500 bước, đến PLC có cấu trúc Modul nhằm dễ dàng mở rộng thêm khả vá chức năng: + Xử lý tín hiệu liên tục (analog) + Điều khiển động servo, động bước + Truyền thông + Số lượng ngõ vào/ra + Bộ nhớ mở rộng Với cấu trúc dạng Modul cho phép mở rộng hay nâng cấp hệ thống điều khiển dùng PLC với chi phí cơng suất => Sự đời PLC điều khiển đại khác mở thời đại lĩnh vực tự động hoá Với khả điều khiển phong phú  phức tạp hơn, PLC vượt xa mạch điều khiển cổ điển dùng dây nối Relay Các hệ thống dây chuyền sản xuất điều khiển nhịp nhàng hơn, thiết bị máy móc điều khiển xác - Cấu trúc PLC, hệ thống lập trình phải gồm có phần: 23 + Khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) + Hệ thống giao tiếp vào/ (I/O) Trong đó: + Thiết bị đầu vào gồm thiết bị tạo tín hiệu điều khiển nhấn, cảm  biến, cơng tắc hành trình + Input, Output cổng nối phía đầu vào/ PLC hay Modul mở rộng + Cơ cấu chấp hành: gồm thiết bị điều khiển như: chuông, đèn, contactor, động cơ, van khí nén, mày bơm, Led hiển thị, …v.v Hiện PLC nhiều hãng khác nhan sản xuất như: Siemens, Omron, Mitsubishi, Pesto, Alan Bradley, Shneider Hitachi, … Tuy nhiên để tận dụng thiết bị có sẵn phịng thực hành mơn tiết kiệm chi phí thực mơ hình thực, em chọn loại PLC Omron CP1E  Hình 3.1 PLC Omron CP1E 3.1.2 Giới thiệu PLC Mitsubishi FX3G-40MT - Để phù hợp yêu cầu công nghệ đảm bảo tiêu kỹ thuật đề tài ta sử dụng PLC PLC Omron CP1E (Hình 3.1) 24 - Bộ CPU 14 I/0: 12 đầu vào, đầu relay -Nguồn Cấp 100-240V -Cơng suất 32W -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 3.2 Đặt địa Từ việc mô tả hệ thống, em đặt địa cho đầu vào, đầu biến trạng thái sau: Address X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 Address Y1 Y4 Y5 Comment Tín hiệu sp cao Tín hiệu sp thấp Tín hiệu Sp trung bình Phát sp vị trí Xilanh đẩy hết cỡ   Phát sp vị trí Xilanh đẩy hết cỡ   start stop Comment Băng tải Xilanh đẩy sp thap Xilanh đẩy Sp trung bình 25 3.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý Dựa vào yêu cầu công nghệ địa biến gán em thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống đấu nối với PLC hình  Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 26 PHẦN 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 27 PHẦN : THUYẾT MINH NGUYÊN LÝ, CHẠY THỬ VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 Thuyết minh nguyên lý Khi bấm nút Start (X21) băng tải chạy Y1, Y2, Y3, Y4 Sau  băng tải chạy Robot (Y0) đươc cấp điện để gắp sản phẩm lên băng truyền trở vị trí Home (X0) 28   Khi sản phẩm băng truyền tiếp tục chạy Đến Vị trí phân loại sản phẩm Nếu sản phẩm thấp X3=1 sản phẩm tiếp tục di chuyển đến vị trí cảm biến X10, X10=1 Băng tải Y1, Y2 dừng Xilanh Y5=1 đẩy sản phẩm xuống Băng tải nghiêng , xilanh Y5 tác động gặp cảm biến X14 lùi về, sau lùi gặp cảm  biến X13 , băng tải Y1, Y2 chạy Khi sản phẩm băng tải nghiêng Y2 quan vị trí Cảm biến X4, X4 =1 Robot (Y0=1) tiếp tục gắp sản phẩm   Khi sản phẩm băng truyền tiếp tục chạy Đến Vị trí phân loại sản phẩm Nếu sản phẩm trung bình X3=1, X2=1 sản phẩm tiếp tục di chuyển đến vị trí cảm  biến X11, X11=1 Băng tải Y1, Y3 dừng Xilanh Y6=1 đẩy sản phẩm xuống Băng tải nghiêng , xilanh Y6 tác động gặp cảm biến X16 lùi về, sau lùi gặp cảm biến X15 , băng tải Y1, Y3 chạy Khi sản phẩm băng tải nghiêng Y3 quan vị trí Cảm biến X5, X5 =1 Robot (Y0=1) tiếp tục gắp sản phẩm   Khi sản phẩm băng truyền tiếp tục chạy Đến Vị trí phân loại sản phẩm Nếu sản phẩm cao X3=1, X2=1, X1=1 sản phẩm tiếp tục di chuyển đến vị trí cảm  biến X12, X12=1 Băng tải Y1, Y4 dừng Xilanh Y7=1 đẩy sản phẩm xuống Băng tải nghiêng , xilanh Y7 tác động gặp cảm biến X17 lùi về, sau lùi gặp cảm biến X20 , băng tải Y1, Y4 chạy Khi sản phẩm băng tải nghiêng Y2 quan vị trí Cảm biến X6, X6 =1 Robot (Y0=1) tiếp tục gắp sản phẩm   Khi sản phẩm băng truyền tiếp tục chạy Đến Vị trí phân loại sản phẩm Nếu sản phẩm không phân loại sản phẩm tiếp tục di chuyển băng truyền đến vị trí cảm biến X7, X7=1 Robot (Y0=1) tiếp tục gắp sản phẩm 5.2 Kiểm tra kết Khi hệ thống cấp điện, hệ thống sẵn sàng làm việc, trạng thái ở  trạng thái reset Trạng thái M1 set lên hệ thống sẵn sàng làm việc    Khi ấn nút Start (X21) M2 chạy Các băng tải chạy , robot gắp sản phẩm 29    Khi Robot gắp sản phẩm quay vị trí home X0=1  Nếu sản phẩm thấp X3 =1 Sản phẩm phân loại Đên vị trí Sensor X10 Xilanh Y5 tác động 30  Xilanh đẩy sản phẩm thấp gặp sensor X14 lùi  Xilanh đẩy phẩm thấp lùi gặp sensor X13 Các băng chạy lại  Khi sản phẩm qua X4 Robot tiếp tục gắp 31    Nếu sản phẩm trung bình X3 =1, X2 =1 Đên vị trí Sensor X11 Xilanh Y6 tác động 32  Xilanh đẩy sản phẩm trung bình gặp sensor X16 lùi  Xilanh đẩy phẩm trung bình lùi gặp sensor X15 Các băng chạy lại  Khi sản phẩm qua X5 Robot tiếp tục gắp 33   Nếu 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 lùi 34  Xilanh đẩy phẩm cao lùi gặp sensor X17 Các băng chạy lại  Khi sản phẩm qua X6 Robot tiếp tục gắp  Khi sản phẩm qua X7 Robot tiếp tục gặp 35   Nhấn nút reset dừng hoạt động Khởi động lại hệ thống 36