Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
- Điều khiển, phân loại được các sản phẩm hoàn toàn tự động.
Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng trong thiết kế mô phỏng cần phải phân loại các sản phẩm dựa trên từng khối lượng đã được lập trình sẵn.
- Sử dụng được cảm biến cân trọng lượng để phân loại sản phẩm theo yêu cầu. Phạm vi nghiên cứu:
Tìm hiểu về mô phỏng và thiết kế phân loại sản phẩm có khối lượng nhỏ với ba mức hạn định cân: nhẹ, trung bình và nặng Bài viết cũng đề cập đến cách lưu trữ thông tin và giám sát hoạt động của mô hình.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ứng dụng PLC kết hợp với cảm biến trọng lượng và điều khiển động cơ tạo ra một hệ thống phân loại sản phẩm hiệu quả Tất cả các quy trình hoạt động trong hệ thống này đều được cài đặt sẵn, đồng thời có khả năng điều chỉnh khối lượng theo nhu cầu sử dụng.
Mạch mô phỏng đảm bảo phân loại đúng khối lượng yêu cầu đặt ra.
Bố cục đề tài
Chương I: Tổng quan về phân loại sản phẩm theo khối lượng Chương II: Cơ sở lý thuyết
Chương III: Thiết kế phân loại sản phẩm theo khối lượngChương IV: Kết luận và Kiến nghị
QUAN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO KHỐI LƯỢNG
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật đã làm nổi bật vai trò quan trọng của kỹ thuật điện- điện tử và điều khiển tự động trong nhiều lĩnh vực như khoa học, quản lý và công nghiệp tự động hóa Việc nắm bắt và vận dụng hiệu quả các công nghệ này là cần thiết để đóng góp vào sự phát triển chung của nền khoa học kỹ thuật toàn cầu, đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển tự động.
Trong bối cảnh các nhà xưởng và xí nghiệp hiện nay, việc tiết kiệm điện năng và giảm thiểu nhân công trở thành nhu cầu thiết yếu Ngành công nghiệp phát triển mạnh mẽ 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 nâng cao hiệu quả quản lý một cách dễ dàng.
Hiện nay, nhu cầu phân loại kích thước sản phẩm theo trọng lượng ngày càng tăng, nhưng trước đây, các công ty trong nước thường sử dụng phương pháp cân thủ công bằng cân điện tử, dẫn đến tốn nhiều nhân công, chi phí sản xuất cao và thời gian lâu, với độ chính xác không cao Để khắc phục những hạn chế này, các hệ thống băng tải phân loại kích thước đã ra đời, giúp nâng cao năng suất và đáp ứng nhanh chóng yêu cầu của các doanh nghiệp Đề tài thiết kế và thi công mô hình băng tải phân loại sản phẩm theo trọng lượng nhằm phục vụ nghiên cứu và cải thiện quy trình phân loại trong sản xuất.
Khái niệm hệ thống phân loại sản phẩm
Hệ thống phân loại sản phẩm là một giải pháp tự động hoặc bán tự động, giúp phân chia các sản phẩm thành những nhóm có thuộc tính tương đồng Mục đích của hệ thống này là để tối ưu hóa quy trình đóng gói và loại bỏ các sản phẩm hỏng, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
- Dựa trên phương thức điều khiển chia ra hệ thống tự động hay bán tự động, có sự tham gia của con người hay không.
- Theo màu sắc: màu sắc sẽ được cảm biến màu nhận biết chuyển sang tính hiệu số rồi qua bộ chuyển đổi ADC về bộ xử lí.
- Theo hình dáng kích thước bên ngoài.
Ngoài ra còn nhiều cách phân loại khác tùy vào yêu cầu và sự khác biệt của từng loại sản phẩm với nhau.
Ý nghĩa của hệ thống phân loại sản phẩm đối với con người
Hệ thống phân loại sản phẩm đã ra đời và phát triển trong bối cảnh kinh tế toàn cầu và Việt Nam, đánh dấu những bước ngoặt quan trọng cho sự tiến bộ của khoa học-công nghệ Hệ thống này có tầm quan trọng lớn đối với nền công nghiệp, đặc biệt trong tình hình hiện nay của Việt Nam, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và thúc đẩy phát triển kinh tế, hứa hẹn một sự phát triển bền vững và ổn định lâu dài.
Một lần nữa, vai trò quan trọng của việc phát triển và cung cấp phân phối sản phẩm được khẳng định, giúp nâng cao đời sống con người Sự thay đổi đáng kể về số lượng và chất lượng sản phẩm thể hiện rõ sự phân hóa và đa dạng trong mẫu mã, chủng loại Đồng thời, chất lượng sản phẩm ngày càng được cải thiện, đáp ứng hoàn hảo nhu cầu sức khỏe của con người.
Sự thay thế của máy móc và thiết bị hiện đại đã giảm thiểu đáng kể thời gian lao động trực tiếp trong sản xuất và các quy trình khác Các công việc khó khăn và phức tạp giờ đây được tự động hóa, cho phép con người chỉ cần điều khiển hệ thống từ một buồng điều khiển riêng biệt Nhờ đó, sức khỏe và đời sống vật chất, tinh thần của con người ngày càng được nâng cao và cải thiện rõ rệt.
Các loại hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay
Hệ thống phân loại sản phẩm ra đời nhằm hiện đại hóa quy trình sản xuất, giúp thay thế con người và nâng cao hiệu quả công việc Với khả năng phân loại chính xác và hoạt động liên tục, hệ thống này giảm thiểu thời gian trì hoãn Đặc biệt, trong những công việc yêu cầu sự tập trung cao, việc sử dụng hệ thống tự động giúp cải thiện độ chính xác, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất.
Hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay rất phổ biến trong các nhà máy, chủ yếu được phân chia thành ba loại chính: phân loại theo màu sắc, chiều cao và hình dạng.
Phân loại sản phẩm theo màu sắc
Hình 1 1 Các công nghệ then chốt đóng góp vào sự phát triển hệ thống
Hệ thống phân loại gạo dựa trên màu sắc được phát triển bởi Viện IMI nhằm tự động hóa quá trình nhận dạng và phân loại trong chế biến gạo xuất khẩu Công nghệ quang-cơ điện tử (opto-mechatronic technology) được áp dụng để nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong việc phân loại gạo.
“hệ máy nhìn” là đề tài được đánh giá cao tại VICA 6.
Trong những năm gần đây, công nghệ quang học đã nhanh chóng kết hợp với các hệ thống cơ điện tử, tạo ra nhiều sản phẩm cơ điện tử với các bộ phận quang học “thông minh” Sự hiện diện của công nghệ quang học ngày càng rõ nét, nâng cao giá trị và hiệu năng của hệ thống nhờ vào sự kết hợp giữa các phần tử quang học và cơ điện tử Điều này đã mang lại giải pháp cho nhiều vấn đề kỹ thuật phức tạp Bài viết dưới đây sẽ phân tích một số kết quả nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật quang-cơ điện tử trong máy phân loại gạo theo màu sắc của Viện IMI.
Hình 1 2 Sơ đồ nguyên lý-cấu trúc hệ thống phân loại gạo theo màu sắc
Các hệ thống phân loại hạt theo màu sắc nói chung, phân loại gạo theo màu sắc nói riêng có sơ đồ nguyên lý, cấu trúc như Hình 1.2
Vật liệu gạo được cấp bằng bộ cấp liệu rung, ổn định quỹ đạo trên máng dẫn để đi qua vùng nhận dạng của camera Màu sắc hạt gạo được nhận diện ngay lập tức, và máy tính công nghiệp (IPC) quyết định khả năng chấp nhận dựa trên màu sắc Nếu hạt không đạt yêu cầu chất lượng, tín hiệu sẽ được phát cho súng phun khí nén để loại bỏ hạt đó Sau khi qua vùng nhận dạng, gạo chính phẩm và chế phẩm sẽ được phân tách và chứa trong hai khoang riêng biệt, sẵn sàng cho kho hoặc máy đóng bao Quá trình xử lý và ra quyết định phải diễn ra trong thời gian tối đa 0,13 mili giây, yêu cầu hệ thống chiếu sáng và cấu trúc buồng nhận dạng phải chính xác để phân tách các ngưỡng màu hiệu quả.
Hệ thống camera ghi nhận hình ảnh gần như tức thời với tốc độ chuyển đổi tín hiệu và tính toán cao, trong đó độ chính xác của kết cấu cơ khí đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định dòng số liệu Bài toán này bao gồm nhiều nhiệm vụ về cơ khí chính xác, kỹ thuật quang điện, hệ thống điện tử điều khiển và phần mềm xử lý Các hệ thống cơ khí được gia công trên máy CNC với độ chính xác lên đến 10-3mm, sử dụng nguồn sáng từ đèn fluores-cence tần số cao (100kHz) Camera CCD được chọn lựa kỹ lưỡng về tốc độ, độ phân giải và độ nhạy, trong khi các van điện khí chuyên dụng có độ trễ dưới 0,7 mili giây Phần điều khiển điện tử được thiết kế và chế tạo bởi Viện IMI trong nước.
Cơ sở ánh sáng và vấn đề nhận dạng, phân loại hạt (nông sản) theo màu sắc
Để phân loại gạo theo màu sắc hiệu quả, cần nhận dạng chính xác và loại bỏ các hạt ngoại lai như hạt đỏ, vàng, bạc bụng và tạp chất Quá trình này bắt đầu từ gạo đầu vào đã qua xử lý và yêu cầu quyết định kịp thời để xử lý các hạt không đạt tiêu chuẩn Việc lựa chọn nguồn sáng phù hợp là rất quan trọng, cùng với việc đảm bảo camera có khả năng nhận diện màu sắc chính xác, điều này đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo chất lượng nhận dạng gạo.
Hệ thống phân loại gạo theo màu sắc có khả năng chọn lọc chính xác nhờ vào cấu hình quang-điện, thiết kế cấu trúc đảm bảo ánh sáng ổn định và các thuật toán xử lý thời gian thực Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm, hệ thống này lại khá phức tạp cho người sử dụng và gặp khó khăn trong việc sửa chữa khi xảy ra sự cố.
Phân loại sản phẩm theo chiều cao
Hình 1 4 Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao
- 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.
Khi nhấn nút Start, động cơ điện một chiều đầu tiên hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền đầu tiên qua dây đai Băng chuyền này được trang bị cảm biến nhận biết sản phẩm với chiều cao khác nhau Khi sản phẩm đi qua, cảm biến gửi tín hiệu về bộ PLC, từ đó PLC điều khiển van đảo chiều để phân loại sản phẩm Sản phẩm cao và trung bình được đẩy vào khay chứa, trong khi sản phẩm thấp tiếp tục đến cuối băng chuyền và được phân loại vào hộp chứa trên băng chuyền thứ hai Cuối cùng, động cơ một chiều thứ hai vận chuyển hộp chứa sản phẩm thấp về vị trí tương ứng.
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.
Phân loại sản phẩm theo hình dạng
Hình 1 5 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, truyền chuyển động cho băng chuyền qua dây đai Trên băng chuyền, cảm biến thị giác Camera sẽ nhận dạng sản phẩm Khi sản phẩm đi qua, cảm biến này nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC để xử lý Sau đó, PLC sẽ phát tín hiệu điều khiển động cơ bước gạt từng sản phẩm có hình dạng khác nhau vào nơi 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 chính, còn tồn tại các hệ thống phân loại khác dựa trên đặc tính của sản phẩm như trọng lượng và kích thước Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của những hệ thống này thường tương tự nhau, với sự khác biệt chủ yếu ở bộ phận đẩy sản phẩm phân loại, có thể là xylanh piston hoặc động cơ bước Bên cạnh đó, 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 để phát hiện hình dạng vật thể.
Giới thiệu cân định lượng
Việc đo lường và kiểm soát khối lượng trong các nhà máy là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động liên tục và nâng cao năng suất Đo lường chính xác nguyên vật liệu trong bồn chứa và phễu chứa giúp tạo ra sản phẩm chất lượng Trước đây, các phương pháp đo lường như đo thể tích, đo mức, đo lưu lượng và cân cơ học thường cồng kềnh và có độ chính xác thấp.
Hiện nay, hệ thống sản xuất hiện đại yêu cầu độ chính xác cao và năng suất lớn, dẫn đến sự phát triển của các hệ thống cân điện tử sử dụng loadcell Những hệ thống này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí nguyên liệu mà còn tăng năng suất và quản lý hiệu quả chi phí sản xuất.
Các hệ thống cân sử dụng loadcell thường dùng như: Cân bồn, cân phễu, cân băng tải, cân dạng cơ,
Hình 1 6 Một số hệ thống cân
1.5.2 Băng tải cân định lượng
Cân băng tải định lượng là hệ thống kết hợp giữa băng tải và cân điện tử, cho phép cân khối lượng nguyên liệu ngay trên băng truyền cấp liệu Hệ thống này giúp quá trình sản xuất diễn ra liên tục, đảm bảo khối lượng nguyên liệu đạt chuẩn cho sản phẩm Nhờ đó, chất lượng sản phẩm đầu ra được cải thiện, đáp ứng tiêu chuẩn cao và mang lại giá trị gia tăng cho doanh nghiệp.
Cấu tạo: cân băng tải định lượng gồm các phần:
Khung cơ khí là phần giá đỡ quan trọng cho toàn bộ hệ thống, bao gồm phễu chứa và cấp liệu, hệ thống con lăn băng tải, băng tải vận chuyển nguyên liệu, cùng với một số linh kiện và phụ kiện hỗ trợ khác.
Hệ thống cảm biến và điều khiển bao gồm các thiết bị như cảm biến lực (loadcell cân băng định lượng), cảm biến tốc độ, bộ chỉ thị điều khiển, biến tần và động cơ truyền động, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất và nâng cao hiệu quả hoạt động.
Hệ thống điều khiển tự động hóa: Hệ thống tủ điện điều khiển trung tâm, phần mềm điều khiển cân băng định lượng.
Cấp liệu vào phiễu chứa, sau đó chuyển lên băng tải để xác định khối lượng và tốc độ chạy Tiến hành phân tích thông số thô để xác định khối lượng chuẩn, từ đó điều khiển định mức chuẩn Hệ thống này hoạt động theo cơ chế vòng lặp hiệu quả.
Bộ phận cơ khí bao gồm phễu chứa, cửa cấp liệu, băng tải, con lăn lớn và con lăn nhỏ, là nơi tiếp nhận liệu đầu vào Tại đây, liệu được đổ vào phễu chứa và bắt đầu quy trình của cân băng Qua cửa cấp liệu, liệu chảy xuống băng tải, nơi mà toàn bộ băng tải được gắn trên khung cân băng Các con lăn lớn đảm nhiệm vai trò tải băng, trong khi con lăn nhỏ hỗ trợ cho băng tải hoạt động Đặc biệt, một số băng tải nhỏ được trang bị cảm biến trọng lượng (loadcell) để kiểm tra và đo lường khối lượng liệu chảy trên băng.
Bộ phận cảm biến, bao gồm loadcell cảm biến trọng lượng và encoder cảm biến tốc độ, được lắp đặt trên các con lăn nhỏ để đo trọng lực tác động và tốc độ băng tải Thông tin từ loadcell sẽ được gửi về bộ phận điều khiển, trong khi encoder sẽ kiểm tra tốc độ chạy của băng tải Sự kết hợp giữa hai thông số này cho phép tính toán chính xác khối lượng trên giờ, giúp điều chỉnh hiệu suất hoạt động của băng tải một cách tối ưu.
Bộ phận điều khiển của hệ thống cân băng bao gồm đầu cân hiển thị, tủ điện và phần mềm điều khiển Các thông số kỹ thuật từ cảm biến tốc độ và cảm biến lực được truyền về đầu cân, nơi thông tin được xử lý và gửi đến phần mềm trên máy tính Sau khi xử lý, các thông số thô sẽ được phản hồi về tủ điện, nơi đưa ra quyết định về thời gian chạy băng và kiểm soát khối lượng cũng như thời gian cần thiết một cách chính xác.
Các vấn đề cần nghiên cứu bổ sung
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các thiết bị phân loại sản phẩm theo trọng lượng sử dụng PLC có nhiều ưu điểm nhưng cũng tồn tại hạn chế, đặc biệt là khó sử dụng và giá thành cao, khiến các cơ sở sản xuất nhỏ gặp khó khăn trong việc áp dụng Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống mô phỏng đơn giản, dễ sử dụng, có khả năng ứng dụng thực tế, nhằm phục vụ hiệu quả cho quy trình phân loại sản phẩm tại các nhà máy và xí nghiệp vừa và nhỏ.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái quát chung về PLC
Thiết bị điều khiển khả trình (PLC) là một máy tính điều khiển chuyên dụng, cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Ý tưởng về PLC được Richard Morley, một nhà phát minh người Mỹ, giới thiệu lần đầu vào năm 1968, nhằm đáp ứng yêu cầu của General Motors về một thiết bị lập trình mềm dẻo thay thế cho mạch điều khiển logic cứng Công ty Allen Bradley và Bedford Associate (Modicon) đã trình bày thiết bị này lần đầu tiên Trước đây, PLC thường được gọi là Programmable Controller (PC), nhưng để tránh nhầm lẫn với máy tính cá nhân (Personal Computer), thuật ngữ PLC đã trở nên phổ biến hơn.
2.1.2 Các loại PLC thông dụng
Bảng 2 1 Một số loại PLC thông dụng
S7 – 400: CPU 412, CPU 413, CPU 414, CPU 416… S7 – 1200: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C…
Dòng CPM1A, CPM2A, CPM2C Dòng CQM1
Dòng CP1E Dòng CP1L Dòng CP1H Dòng CJ1/M
Dòng FX: FX1N, FX1S, FX2N, FX3G…
Dòng A PLC: A large CPU, QnAS CPU, AnS CPU Dòng Q PLC
Hãng Delta Dòng DVP – SA
Dòng DVP – SC Dòng DVP – SX Dòng DVP –
Các ngôn ngữ lập trình PLC được quy định trong chuẩn IEC 61131 – 3 bao gồm:
- Ngôn ngữ lập trình cơ bản:
- Instruction List (IL): dạng hợp ngữ.
- Structured Text (ST): giống Pascal Các ngôn ngữ đồ họa:
- Ladder Diagram (LD): giống mạch rơ le.
- Function Block Diagram (FBD): giống mạch nguyên lý.
- Sequential Function Charts (SFC): xuất xứ từ mạng Petri/Grafcet.
2.1.4 Cấu trúc và phương thức thực hiện chương trình PLC
Bộ xử lý trung tâm (CPU): Bao gồm một hay nhiều bộ vi xử lý điều hành hoạt động của toàn hệ thống.
Các kênh truyền, hay còn gọi là bus, bao gồm bus dữ liệu, bus địa chỉ, bus điều khiển và bus hệ thống Bus dữ liệu thường có kích thước 8 bit, truyền tải thông tin dữ liệu dưới dạng nhị phân, với mỗi dây truyền 1 bit Bus địa chỉ, thường là 8 hoặc 16 bit, chịu trách nhiệm tải địa chỉ vị trí nhớ trong bộ nhớ Bus điều khiển truyền tín hiệu điều khiển từ CPU đến các bộ phận khác, trong khi bus hệ thống đảm nhiệm việc trao đổi thông tin giữa các cổng nhập xuất và thiết bị nhập xuất.
Bộ nguồn: cung cấp nguồn một chiều (5V) ổn định cho CPU và các thành phần chức năng khác từ một nguồn xoay chiều (110, 220V…) hoặc nguồn một chiều (12,24V…).
Hình 2 1 Sơ đồ khối PLC
Các thành phần vào/ra đóng vai trò là giao diện giữa CPU và quá trình kỹ thuật, chịu trách nhiệm chuyển đổi, thích ứng tín hiệu và cách ly giữa các thiết bị ngoại vi như cảm biến và cơ cấu chấp hành Đầu vào số (DI) kết nối với các bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu nhị phân từ nút ấn, công tắc và cảm biến, với dải điện áp đầu vào từ 5 VDC đến 240 VAC Đầu vào tương tự (AI) biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số, thường kết nối với các cảm biến như cảm biến nhiệt độ và lưu lượng, sử dụng các chuẩn tín hiệu 4-20mA, 0-5V, 0-10V Đầu ra tương tự (AO) chuyển đổi tín hiệu số từ CPU thành tín hiệu tương tự để điều khiển các thiết bị như biến tần và van điện từ, trong khi đầu ra số (DO) kết nối với các thiết bị nhận tín hiệu nhị phân như đèn báo và Relay, bao gồm các loại Trans, Triac và Relay với dải điện áp 5 VDC.
24 VDC, 12 – 48VDC/VAC, 120 VAC, 230 VDC.
Phương thức thực hiện chương trình.
PLC hoạt động theo chu trình lặp, với mỗi vòng lặp gọi là vòng quét (Scan) Vòng quét bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số vào bộ đệm ảo, sau đó thực hiện chương trình từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc Sau khi thực hiện chương trình, nội dung của bộ đệm ảo ngõ ra được chuyển đến các cổng ra số Vòng quét kết thúc bằng việc truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi Thời gian để PLC hoàn thành một vòng quét được gọi là thời gian vòng quét (scan time), và không cố định, phụ thuộc vào số lệnh và khối lượng dữ liệu trong mỗi vòng quét.
- Điều khiển các dây truyền đóng gói bao bì, tự động mạ tráng kẽm, sản xuất bia, sản xuất xi măng…
- Hệ thống rửa ô tô tự động.
- Điều khiển máy sấy, máy ép nhựa…
Giới thiệu về PLC S7 - 1200
S7-1200 là dòng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) lý tưởng cho nhiều ứng dụng tự động hóa nhờ thiết kế nhỏ gọn, chi phí hợp lý và khả năng lập trình mạnh mẽ Với cấu hình bao gồm microprocessor, nguồn cung cấp tích hợp sẵn và các đầu vào/ra (DI/DO), S7-1200 mang đến giải pháp hoàn hảo cho các nhu cầu tự động hóa hiện đại.
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển.
S7 - 1200 trang bị cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP, đồng thời cho phép kết nối mở rộng thông qua các module truyền thông RS485 hoặc RS232.
Phần mềm Step 7 Basic được sử dụng để lập trình cho S7-1200, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình: FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens.
Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ chương trình khác nhau PLC S7 - 1200 có các loại sau:
Work 30 Kbytes 50 Kbytes 75 Kbytes 100 Kbytes
Load 1 Mbyte 1 Mbyte 4 Mbyte 4 Mbyte
Retentive 10 Kbytes 10 Kbytes 10 Kbytes 10 Kbytes I/O tích Kiểu số 6 Inputs / 4
CPU Kiểu tương tự 2 inputs 2 inputs 2 inputs 2 inputs / 2 outputs thước bộKích đệm
Inputs 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes
Outputs 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes Bit nhớ (M) 4096 bytes 4096 bytes 4096 bytes 4096 bytes
Module mở rộng vào ra (SM) none 2 8 8
Board tín hiệu (SB) Board pin (BB) Board truyền thông
Bộ đếm tốc độ cao
3 at 100kHz SB: 2 at 30kHz
3 at 80kHz SB: 2 at 20kHz
1 at 20kHz SB: 2 at 20kHz
Card nhớ SIMATIC Memory Card (optional)
Lưu trữ thời gian đồng hồ thời gian thực Chuẩn là 20 ngày, nhỏ nhất là 12 ngày ở nhiệt độ 400C
(duy trì bằng tụ điện có điện dung lớn)
Tốc độ thực thi phép toỏn thực 2.3 às/lệnh
Tốc độ thực thi logic
PLC có 3 loại bộ nhớ sử dụng là Load memory, Work memory và Retentive Memory:
- Load memory chứa bộ nhớ của chương trình khi down xuống.
- Work memory là bộ nhớ lúc làm việc.
- System memory thì có thể setup vùng này trong Hardware config, chỉ cần chứa các dữ liệu cần lưu vào đây.
Bảng 2 3 Phân vùng bộ nhớ
Bộ nhớ CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
2.2.3 Tệp lệnh S7 - 1200 2.2.3.1 Xử lý bit
Bảng 2 4 Tập lệnh xử lý bit
Tiếp điểm thường hở sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ là n bằng 1.
Tiếp điểm thường đóng sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ n là 0.
Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 và ngược lại.
Chỉ sử dụng một lệnh out cho 1 địa chỉ.
Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 0 và ngược lại.
Chỉ sử dụng một lệnh out not cho 1 địa chỉ.
Giá trị của các bit có địa chỉ n sẽ được đặt thành 1 khi đầu vào lệnh là 1 Ngược lại, khi đầu vào lệnh là 0, bit này sẽ giữ nguyên trạng thái hiện tại.
Khi đầu vào của lệnh bằng 1, giá trị của các bit có địa chỉ n sẽ trở thành 0 Ngược lại, nếu đầu vào của lệnh là 0, bit này sẽ giữ nguyên trạng thái hiện tại của nó.
Bảng 2 5 Tập lệnh Timer, Counter
Khi ngõ vào IN ngừng tác động, Timer sẽ tự động reset và dừng hoạt động Việc thay đổi phương thức hoạt động (PT) trong quá trình Timer vận hành không gây ảnh hưởng gì.
Khi tín hiệu ngõ vào CU chuyển từ 0 lên 1, giá trị bộ đếm CV sẽ tăng lên 1 Ngõ ra Q sẽ được kích hoạt thành 1 khi giá trị CV lớn hơn hoặc bằng PV Nếu trạng thái R (Reset) được kích hoạt, bộ đếm CV sẽ trở về giá trị 0.
Bảng 2 6 Tập lệnh toán học
Lệnh so sánh dùng để so sánh hai giá trị IN1 và IN2 bao gồm IN1= IN2, IN1>= IN2, IN1 IN2, IN1 IN2.
So sánh hai kiểu dữ liệu giống nhau, nếu điều kiện so sánh thỏa mãn, kết quả sẽ là mức 1 = TRUE (tác động mức cao), ngược lại sẽ là FALSE Các kiểu dữ liệu có thể so sánh bao gồm: SInt, Int, DInt, USInt, và UDInt.
Real,Lreal, String, Time, DTL, Constant.
Lệnh cộng ADD: OUT = IN1 + IN2 Lệnh trừ SUB : OUT IN1 - IN2.
Tham số IN1, IN2 phải cùng kiểu dữ liệu: Sint, Int, Dint, USInt, Uint, UDInt, Real, Lreal, Constant.
Tham số OUT có kiểu dữ liệu: Sint, Int, Dint, USInt, Uint, UDInt, Real, Lreal.
Tham số ENO có giá trị bằng 1 khi không xảy ra lỗi trong quá trình thực thi, ngược lại, ENO sẽ bằng 0 khi có lỗi xuất hiện Một số lỗi có thể xảy ra trong quá trình thực hiện lệnh này.
Kết quả toán học nằm ngoài phạm vi của kiểu dữ liệu.
Real/Lreal: Nếu một trong những giá trị đầu vào là NaN sau đó được trả về NaN.
ADD Real/Lreal: Nếu cả hai giá trị IN là INF có dấu khác nhau, đây là một khai báo không hợp lệ và được trả về NaN
2.2.3.4 Di chuyển và chuyển đổi dữ liệu
Bảng 2 7 Tập lệnh di chuyển
Lệnh Move di chuyển nội dung ngõ vào IN đến ngõ ra OUT mà không làm thay đổi giá trị ngõ IN.
EN: cho phép ngõ vào
ENO: cho phép ngõ ra
IN: nguồn giá trị đến
Hình 2 2 Sơ đồ đấu dây CPU 1214C AC/DC/Relay
Hình 2 3 Sơ đồ đấu dây CPU 1214C DC/DC/Relay
Hình 2 4 Sơ đồ đấu dây CPU 1214C DC/DC/DC
Phần mềm Tia - Portal v16
Step 7 Basic hệ thống kỹ thuật đồng bộ đảm bảo hoạt động liên tục hoàn hảo. Thông minh và trực quan cấu hình phần cứng kỹ thuật và cấu hình mạng, lập trình, chuẩn đoán và nhiều hơn nữa Trực quan dễ dàng để tìm hiểu và dễ dàng để hoạt động.
2.3.2 Các bước tạo một project
Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng TIA Portal V15 Bước 2: click chuột vào “Create new project” để tạo dự án.
Bước 3: Nhập tên dự án “Project name” sau đó nhấn “Create”.
Bước 5: Chọn “add new device”.
Bước 6: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn “add”.
Hình 2 5 Giao diện của Tia – Portal v16
THIẾT KẾ MÔ PHỎNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO KHỐI LƯỢNG
Xây dựng thuật toán điều khiển
Hệ thống phân loại sản phẩm hoạt động với hai chế độ: điều khiển tự động và điều khiển bằng tay Trong chế độ tự động, các thiết bị sẽ hoạt động một cách tự động sau khi chương trình được nạp Ngược lại, ở chế độ điều khiển bằng tay, người dùng sẽ trực tiếp điều khiển chương trình khi nó đã được nạp vào hệ thống.
3.1.2 Sơ đồ chế độ bằng tay
Khi thiết lập chương trình ở chế độ điều khiển bằng tay, người điều khiển cần nhấn nút chạy để kích hoạt động cơ băng tải Để dừng động cơ, người điều khiển phải nhấn nút dừng; nếu không, băng tải sẽ tiếp tục hoạt động Quá trình này lặp đi lặp lại cho đến khi đáp ứng yêu cầu của người điều khiển.
3.1.3 Sơ đồ khối chế độ tự động
Các thông số cài đặt:
Trọng lượng sản phẩm được chia thành hai loại: nhẹ và trung bình Để sử dụng chế độ tự động, người dùng cần cài đặt hai thông số này Sau khi cài đặt, cảm biến vị trí cân sẽ tự động nhận diện sản phẩm và tiến hành cân trọng lượng Sau khi hoàn tất việc cân, hệ thống sẽ phân loại sản phẩm dựa trên các thông số đã được thiết lập trước đó.
Khi trọng lượng thực tế của sản phẩm lớn hơn trọng lượng cài đặt của sản phẩm nhẹ nhưng nhỏ hơn trọng lượng cài đặt của sản phẩm trung bình, cảm biến vị trí xilanh sản phẩm trung bình sẽ hoạt động, đẩy sản phẩm vào thùng chứa và tăng bộ đếm sản phẩm trung bình lên một giá trị Sau 3 giây, xilanh sản phẩm trung bình sẽ được thu hồi.
Khi trọng lượng thực tế của sản phẩm nhỏ hơn trọng lượng cài đặt của sản phẩm nhẹ, cảm biến vị trí xilanh sẽ nhận tín hiệu và tác động lên sản phẩm, đồng thời tăng bộ đếm sản phẩm nhẹ lên một giá trị Sau 3 giây, xilanh sản phẩm nhẹ sẽ được thu hồi.
Khi trọng lượng thực tế vượt quá trọng lượng cài đặt trung bình của sản phẩm, cảm biến vị trí xilanh sản phẩm nặng sẽ hoạt động, đẩy sản phẩm vào thùng chứa sản phẩm nặng và đồng thời tăng bộ đếm lên một giá trị nhất định.
Quá trình phân loại sản phẩm diễn ra liên tục với các thông số đã được cài đặt trước, cho đến khi tất cả sản phẩm được phân loại và hệ thống dừng hoạt động.
Lập trình điều khiển PLC S7 - 1200
TT Name Adress Type Giải thích
1 I_Mode I0.0 Bool Switch chế độ 1 auto, 0 manu
2 I_CB_Can I0.1 Bool Cảm biến vị trí cân
3 I_CB_Nhe I0.2 Bool Cảm biến vị trí xi lanh đẩy sản phẩm nhẹ
TT Name Adress Type Giải thích phẩm trung bình
5 I_CB_Nang I0.4 Bool Cảm biến sản phẩm nặng
6 I_BT I0.5 Bool Chạy/Dừng động cơ băng tải
7 I_Xylanh_Nhe I0.6 Bool Đóng/mở xi lanh sản phẩm nhẹ
8 I_Xylanh_TB I0.7 Bool Đóng/mở xi lanh sản phẩm trung bình
9 IW_Loadcell IW64 Word Cảm biến cân trọng lượng
TT Name Adress Type Giải thích
1 Q_lamp_Auto Q0.0 Bool Đèn chế độ auto
2 Q_lamp_Manu Q0.1 Bool Đèn chế độ manu
3 Q_BT Q0.2 Bool Băng tải phân loại
4 Q_Xylanh_Nhe Q0.3 Bool Xi lanh đẩy sản phẩm nhẹ
5 Q_Xylanh_TB Q0.4 Bool Xi lanh đẩy sản phẩm trung bình
Chương trình sử dụng khối OB1 làm chương trình chính và các khối chương trình con dùng hàm chức năng FC.
Hàm chức năng FC là một khối logic bao gồm các biến In, Out, In/Out được cung cấp bởi chương trình Ngoài ra, hàm còn có biến Temp sử dụng nội bộ, nhưng không nhất thiết phải sử dụng tất cả các biến này FC không có bộ nhớ nội, nghĩa là dữ liệu sẽ bị mất khi ra khỏi khối, và cũng không có khối dữ liệu Instance DB như trong hàm chức năng FB.
Chương trình con chế độ tự động (FC2)
Chương trình con chế độ bằng tay (FC1)
Chương trình con đầu ra Output (FC5)
Chương trình đọc về cảm biến loadcell (FC4)
Chương trình con mô phỏng (FC3)
Thiết kế giao diện điều khiển giám sát Scada
Hình 3 2 Kết nối PLC với Scada
3.3.2 Thiết kế giao diện Scada
Kết quả mô phỏng
Bước 1: Nhấn vào nút Simulation để chạy PLC SIM Bước 2: Nhấn nút “Load” để tải chương trình PLC Bước 3: Nhấn chọn “Start module” sau đó nhấn “Finish”
Bước 4: Vào khối chương trình nào đó muốn giám sát thực hiện nhấn biểu tượng đeo kính để online chương trình PLC
Bước 1: Vào màn hình thiết kế giao diện chính nhấn nút “RT”
Bước 2: Giám sát chương trình ở chế độ tự động Bước 3: Giám sát chương trình ở chế độ bằng tay