Quy trình sản xuất khi được ứng dụng các thiết bị tự động thì mọi thông số sản phẩm sẽ được lập trình trước, các sản phẩm được phân loại luôn có độ chính xác cao, tỷ lệ lỗi thấp nhất.. 6
Giới thiệu chung
Đặt vấn đề
Trong quá trình sản xuất và quản lý hàng hóa việc phân loại sản phẩm theo các tiêu chí khác nhau đóng vai trò vô cùng quan trọng Một trong những tiêu chí phổ biến là chiều cao của sản phẩm Việc xác định chính xác chiều cao của mỗi sản phẩm giúp tăng cường hiệu suất quản lý kho, vận chuyển hàng hóa và cải thiện quy trình sản xuất Tuy nhiên, việc thực hiện công việc này thủ công đòi hỏi nhiều thời gian và có thể gặp phải sai sót do sự nhầm lẫn của con người Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao có thể được áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm quản lý kho, sản xuất, vận chuyển hàng hóa Các doanh nghiệp và tổ chức sử dụng hệ thống quản lý hàng hóa tự động sẽ được hưởng lợi từ việc triển khai hệ thống này
Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao có tiềm năng giúp cải thiện quy trình quản lý hàng hóa và sản xuất Việc áp dụng hệ thống phân loại tự động vào việc phân loại sản phẩm giúp tăng tốc độ, tính chính xác và độ tin cậy của quá trình này Vì vậy để làm rõ những lợi ích thiết thực, ưu điểm của việc ứng dụng tự động hóa vào hệ thống phân loại sản phẩm, chúng em quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao”.
Mục tiêu nghiên cứu
- Thiết kế cấu trúc hệ thống: Xác định các thành phần cần thiết cho hệ thống, bao gồm PLC, cảm biến, băng chuyền sản phẩm và thiết bị HMI/SCADA Xác định giao thức truyền thông và cách kết nối các thành phần lại với nhau, đảm bảo hoạt động ổn định và tin cậy
- Lập trình PLC: Sử dụng ngôn ngữ lập trình PLC để viết các chương trình điều khiển hệ thống, bao gồm việc xử lý dữ liệu từ cảm biến, băng chuyền và cách thức phân loại dựa trên chiều cao sản phẩm
- Thiết kế giao diện điều khiển (HMI): Phát triển giao diện người dùng trực quan và dễ sử dụng bằng công nghệ HMI, cho phép người dùng theo dõi và điều khiển quá trình phân loại sản phẩm, thực hiện các thao tác điều khiển như khởi động, dừng hoặc thu thập dữ liệu
- Thiết kế SCADA: Sử dụng SCADA để giám sát và thu thập dữ liệu từ hệ thống, cung cấp giao diện trực quan cho người quản lý SCADA cho phép người dùng theo dõi các thông số vận hành của hệ thống, tạo biểu đồ và báo cáo về hiệu suất và sự cố, cũng như thiết lập các cảnh báo và thông báo
- Đánh giá hiệu suất: Đánh giá hiệu suất của hệ thống phân loại sản phẩm theo các tiêu chí như độ chính xác, tốc độ phân loại và độ tin cậy So sánh với các phương pháp truyền thống và đánh giá khả năng tăng cường tự động hóa và độ tin cậy của hệ thống sử dụng PLC, HMI và SCADA
- Tối ưu và cải tiến: Nghiên cứu và áp dụng các phương pháp tối ưu để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống, bao gồm việc tối ưu hóa các chương trình điều khiển PLC, cải thiện quy trình phân loại sản phẩm và tăng cường tính năng và khả năng mở rộng của HMI và SCADA.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp mô hình hóa: Nghiên cứu và xác định mục tiêu, yêu cầu của mô hình, xây dựng các sơ đồ, bảng biểu, mô tả chi tiết về cấu trúc của mô hình, qua đó có cái nhìn tổng quan về hệ thống chung đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của mô hình
- Phân tích và tổng hợp lý thuyết: Thu thập và tìm hiểu, phân tích các lý thuyết, khái niệm, nguyên lý liên quan đến lĩnh vực mô hình thi công
- Tính toán và thiết kế: Lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài
- Xây dựng mô hình: Thực hiện các thí nghiệm để điều chỉnh, tối ưu thiết kế
- Tổng hợp và đánh giá: Dựa trên kết quả phân tích dữ liệu, bạn tổng hợp và đánh giá các kết quả.
Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi một đề tài nghiên cứu, với những giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài giới hạn bởi những tính năng sau:
- Kích thước: (Dài x Rộng x Cao) 100 x 100 x 85 (cm)
- Kích thướt sản phẩm phân loại :
+ Sản phẩm trung bình : 3-6 (cm) + Sản phẩm thấp : 1-3 (cm)
- Hệ thống điều khiển: PLC, SCADA, màn hình HMI và hệ thống khí nén
- Cơ cấu đẩy sản phẩm: Xy lanh khí nén
- Động cơ truyền chuyển động: Động cơ DC giảm tốc 24V
- Hệ thống dẫn động: Băng chuyền
- Điện áp cung cấp: Điện áp xoay chiều 220V và điện áp một chiều 24V.
Nội dung
Chương 2: Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm
Chương 3: Thiết kế mô hình và lựa chọn thiết bị
Chương 4: Kết luận và hướng phát triển
Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm
Giới thiệu về các loại hệ thống phân loại sản phẩm
Ngày nay, hệ thống phân loại sản phẩm trở thành một phần không thể thiếu của việc quản lý sản phẩm trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là về khối ngành tự động hóa Những hệ thống này giúp cho các công ty có thể tổ chức và phân loại sản phẩm của mình dựa trên những tiêu chí cụ thể như loại sản phẩm, kích cỡ, màu sắc và nhiều tiêu chí khác giúp các doanh nghiệp có khả năng xác định và xử lý sản phẩm một cách nhanh chóng và chính xác Hơn nữa, việc sử dụng hệ thống phân loại cho phép lưu trữ thông tin sản phẩm, tạo ra các danh mục sản phẩm dễ dàng tra cứu và thúc đẩy quá trình tổ chức sản phẩm một cách hiệu quả [1]
Hình 2 1 Giới thiệu hệ thống phân loại sản phẩm
Một số hệ thống phân loại sản phẩm được áp dụng hiện nay là:
2.1.1 Phân loại sản phẩm dựa vào màu sắc
Nguyên lý hoạt động: Khi nhấn nút Start, sản phẩm được đưa đến băng chuyền tích hợp cảm biến để nhận biết màu sắc Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xử lý Sau đó PLC sẽ xuất tín hiệu điều khiển thiết bị di chuyển sản phẩm vào nơi chứa riêng biệt
Hình 2 2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc
2.1.2 Phân loại sản phẩm theo khối lượng
Nguyên lý hoạt động: Khi nhấn nút Start, sản phẩm được đưa đến băng chuyền tích hợp cảm biến đo cân nặng để nhận biết Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xử lý Sau đó PLC sẽ xuất tín hiệu điều khiển thiết bị di chuyển sản phẩm vào nơi chứa riêng biệt
Hình 2 3 Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng
2.1.3 Phân loại sản phẩm dựa vào máy quét mã vạch
Nguyên lý hoạt động: Khi ấn nút Start, sản phẩm được di chuyển đến khâu đọc mã vạch, khi sản phẩm đi qua, mã vạch sẽ được đọc bởi máy đọc mã vạch (Barcode reader) và gửi tín hiệu về PLC để xử lý Sau đó PLC sẽ xuất tín hiệu điều khiển xi lanh hoặc robot để di chuyển sản phẩm vào nơi chứa riêng biệt
Hình 2 4 Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch
2.1.4 Phân loại sản phẩm sử dụng công nghệ xử lý ảnh
Nguyên lý hoạt động: Khi nhấn nút Start, sản phẩm chạy trên băng tải có gắn camera Camera nhận biết và truyền tín hiệu đến bộ xử lý trung tâm sử dụng xử lí ảnh để so sánh với sản phẩm gốc Từ đó bộ xử lý trung tâm sẽ đưa ra các tín hiệu điều khiển thiết bị di chuyển sản phẩm vào nơi chứa riêng biệt
Hình 2 5 Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng công nghệ xử lý ảnh
2.1.5 Hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước
Nguyên lý hoạt động: Khi nhấn nút Start, sản phẩm di chuyển trên băng tải và khi đó cảm biến quang hoặc hồng ngoại được gắn trên hệ thống băng tải nhận biết và so sánh kích thước sản phẩm, sau đó tín hiệu được gửi về PLC để xử lý, lúc này PLC sẽ cấp tín hiệu ngõ ra để điều khiển van khí xi lanh để đẩy vật vào khay hoặc PLC sẽ cấp xung điều khiển động cơ servo có trong cánh tay robot để gắp vật bỏ vào khay phân loại Những loại mô hình cho hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước:
Sử dụng công tắc hành trình để phân loại sản phẩm, người dùng có thể đặt các chuyển động của sản phẩm trong khu vực mà các công tắc hành trình đã được cài đặt Khi sản phẩm di chuyển tới điểm ma sát với các công tắc hành trình, chúng sẽ bị kích hoạt và tạo ra các tín hiệu điện để kiểm soát các quy trình tự
Hình 2 6 Công tắc hành trình
❖ Sử dụng cảm biến quang để nhận dạng, đo lường hoặc theo dõi các thông số và hiện tượng quang học như ánh sáng, màu sắc, khoảng cách, hình dạng và chất lượng bề mặt Cảm biến quang có thể sử dụng các nguyên tắc phổ biến như phản xạ, hấp thụ và phản chiếu ánh sáng để thu thập thông tin và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện tử [2]
Hình 2 7 Cảm biến quang laser
❖ Sử dụng hệ cảm biến và vi xử lý để phát hiện kích thước sản phẩm Cảm biến loại này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tự động
8 hóa và đo lường trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất đến y tế và ngành công nghiệp khác
Hình 2 8 Cảm biến đo khoảng cách
Tóm lại, tùy vào loại sản phẩm cần phân loại, yêu cầu phân loại và vốn đầu tư mà người thiết kế chọn lựa loại mô hình cho phù hợp nhất
Hình 2 9 Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao
Hệ điều khiển
Hình 2 10 Bộ điều khiển PLC
PLC là từ viết tắt của Programable Logic Controller: là một bộ điều khiển logic lập trình mềm, làm việc theo chương trình lưu trong bộ nhớ, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình như LAD, STL, FDB,
Tất cả các PLC đều có thành phần chính sau: o Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM) o Một bộ xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC o Các Module vào / ra o Các thiết bị lập trình kết nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS485
Hình 2 11 Cấu trúc chung của PLC
Nguyên lý hoạt động của PLC:
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra các chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra được phát tới các thiết bị chấp hành và các thiết bị chấp hành sẽ hoạt động theo chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ [3]
Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu Relay
Có độ mềm dẻo sử dụng cao, muốn thay đổi phương pháp điều khiển chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển
Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống
Nhiều chức năng điều khiển
Tốc độ xử lý thời gian thực tương đối cao
Công suất tiêu thụ nhỏ
Có khả năng mở rộng số ngõ vào ra để tăng mục đích điều khiển
Dễ dàng điều khiển và giám sát từ máy tính
Một số chủng loại PLC hiện nay:
Gồm những dòng sản phẩm sau:
- Là loại PLC đầu tiên của Siemen
- Logo là loại PLC nhỏ của Siemen, trên logo có màn hình và các phím giao tiếp có thể lập trình, thay đổi thông số, mô phỏng trực tiếp mà không cần qua máy tính
Gồm những dòng sản phẩm sau:
Gồm những dòng sản phẩm sau:
Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): là một công nghệ cho phép giao tiếp và tương tác giữa con người và máy móc, hệ thống tự động hoặc thiết bị điện tử HMI cung cấp một phương pháp trực quan và dễ sử dụng để người dùng tương tác và điều khiển các chức năng của máy
Cấu trúc màn hình HMI
Cấu trúc của giao diện HMI thường bao gồm các thành phần sau:
- Màn hình hiển thị: Đây là thành phần chính của HMI, nơi thông tin và dữ liệu được hiển thị cho người dùng
- Cổng điều khiển: HMI cung cấp các phương thức nhập dữ liệu vào hệ thống
- Các phím chức năng: HMI thường có các phím chức năng để thực hiện các chức năng cụ thể hoặc điều khiển các thiết bị ngoại vi
Hình 2 16 Cấu trúc màn hình HMI
Nguyên lý hoạt động của HMI:
Người dùng có thể sử dụng các thành phần như màn hình cảm ứng, nút bấm, bàn phím hoặc chuột để nhập và điều khiển các lệnh và thông tin HMI sau đó truyền các lệnh và tín hiệu tới máy móc hoặc hệ thống, và hiển thị dữ liệu và thông tin từ máy móc hoặc hệ thống đó trở lại cho người dùng [4]
Tương tác trực quan: HMI cung cấp giao diện trực quan cho người dùng điều khiển máy móc một cách dễ dàng và trực quan
Dễ sử dụng: HMI giảm thời gian và công sức để học cách điều khiển và tương tác với máy móc
Tăng hiệu suất: HMI cho phép người dùng theo dõi và điều khiển quá trình sản xuất hoặc hệ thống tự động một cách nhanh chóng và chính xác, giúp tăng hiệu suất và giảm sai sót
Thu thập và phân tích dữ liệu: HMI có thể ghi lại dữ liệu từ máy móc hoặc hệ thống
Thiết bị HMI truyền thống: Bao gồm các thiết bị có giao diện cổ điển như bàn phím, chuột, màn hình LCD và nút nhấn Các thiết bị tương tác với máy móc được thực hiện thông qua các phím và nút nhấn
Thiết bị HMI hiện đại: Bao gồm màn hình cảm ứng, cung cấp giao diện trực quan cho người dùng để tương tác với máy móc Thiết bị HMI hiện đại thường được trang bị công nghệ cảm ứng điện dung hoặc điện dung điện trở, cho phép người dùng điều khiển và nhập dữ liệu bằng cách chạm vào màn hình Các thiết bị HMI hiện đại cũng thường được kết nối mạng và có khả năng giao tiếp từ xa
Một số chủng loại HMI hiện nay
Hình 2 19 Màn hình HMI Siemen
Hình 2 20 Màn hình HMI Mitsubishi
Hình 2 21 Màn hình HMI Schneider
❖ Khái niệm cảm biến quang:
Cảm biến quang là một loại cảm biến sử dụng công nghệ quang học để đo lường, phát hiện và nhận biết các thông tin về ánh sáng, màu sắc, khoảng cách, vật thể, hoặc các thông số quang học khác
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến quang:
- Nguồn sáng: Cung cấp nguồn ánh sáng cho cảm biến Loại nguồn sáng thường sử dụng là đèn LED (Light Emitting Diode) hoặc laser
- Bộ phân tách: Bộ phân tách sử dụng các thiết bị quang học như ống kính, tia sáng chùm hẹp hoặc mắt kính để tập trung ánh sáng vào vị trí cần đo hoặc phát hiện
- Cảm biến quang: Cảm biến quang ghi nhận và chuyển đổi các tín hiệu quang học thành tín hiệu điện Cảm biến có thể dựa trên các nguyên tắc như sự phản xạ, hấp thụ và chuyển đổi quang điện
- Đơn vị xử lý: Đơn vị xử lý xử lý và phân tích tín hiệu điện từ cảm biến quang để đo lường, phát hiện và nhận biết các thông tin cần thiết
Hình 2 23 Cấu tạo cảm biến quang
Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang:
Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang thường dựa trên sự tương tác giữa ánh sáng và các vật chất hoặc các hiện tượng quang học Khi ánh sáng chiếu qua hoặc phản xạ từ vật thể, các đặc tính quang học của vật thể (như màu sắc, độ phản xạ, độ hấp thụ) sẽ thay đổi Cảm biến quang sử dụng các cảm biến và bộ phận quang học để nhận biết và đo lường các thay đổi này, sau đó chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện để phân tích và sử dụng [5]
Các loại cảm biến quang:
Cảm biến quang thu phát độc lập:
Hình 2 24 Cảm biến quang thu phát độc lập
Cảm biến quang phản xạ gương:
Hình 2 25 Cảm biến quang phản xạ gương:
Cảm biến quang phản xạ khuếch tán:
Hình 2 26 Cảm biến quang phản xạ khuếch tán Autonies
Cảm biến quang phát hiện màu sắc:
Hình 2 27 Cảm biến quang phát hiện màu sắc
Hệ truyền động
Băng tải là một hệ thống cơ khí được sử dụng để vận chuyển các vật liệu từ một vị trí đến vị trí khác Nó bao gồm một bề mặt di chuyển liền mạch, thường được làm bằng cao su hoặc vật liệu tổng hợp chịu lực và ma sát Hệ thống băng tải hoạt động bằng cách sử dụng một motor để tạo lực kéo hoặc đẩy, đưa vật liệu di chuyển trên bề mặt của băng tải Cuộn trục và hệ thống hỗ trợ giữ cho bề mặt di chuyển ổn định và đảm bảo việc vận chuyển hiệu quả
Hình 2 28 Cấu tạo băng tải điển hình
Các bộ phận chính của một băng tải điển hình bao gồm:
Dây băng tải, thường là dây băng PVC hoặc dây băng PU hoặc sử dụng các con lăn băng tải
Con lăn kéo (con lăn chủ động): bằng thép mạ kẽm hoặc nhôm…
Con lăn đỡ bằng thép mạ kẽm hoặc inox
Băng tải truyền động xích hoặc đai
Phân loại hệ thống băng tải
Trong dây chuyền sản xuất, tùy thuộc vào tính chất của nguyên liệu cần vận chuyển và đặc điểm mặt bằng của nhà máy sản xuất mà các băng tải có kích thước và thiết kế khác nhau
Sau đây là 5 loại băng tải phổ biến sử dụng trong công nghiệp:
- Băng tải cao su: Chịu nhiệt, sức tải lớn
Hình 2 29 Băng tải cao su
- Băng tải xích: Khá tốt trong ứng dụng tải dạng chai, sản phẩm cần độ vững chắc, tải trọng nặng
- Băng tải con lăn: giải pháp phù hợp để vận chuyển sản phẩm trong các môi trường có hóa chất ăn mòn, bụi bặm…
Hình 2 31 Băng tải con lăn
- Băng tải đứng: vận chuyển hàng hóa theo phương hướng lên thẳng đứng
- Băng tải PVC: Tải nhẹ và thông dụng với kinh tế
Nguyên lý hoạt động của hệ thống băng tải
Khi rulô chủ động quay làm cho dây băng tải chuyển động nhờ lực ma sát giữa rulô và dây băng băng tải
Ứng dụng băng tải trong sản xuất
Băng tải được sử dụng vào mục đích vận chuyển đồ vật từ vị trí này đến vị trí khác mà không cần đến sức người Được thiết kế với nhiều chức năng và ứng dụng khác nhau, do đó tùy vào từng lĩnh vực sản xuất mà lựa chọn các chất liệu phù hợp
Phương pháp lựa chọn hệ thống băng tải:
Bước 1: Lựa chọn các thông số cơ bản, cấu trúc, chất liệu của băng tải:
Kích thước, chất liệu băng tải
Khối lượng, kích thước, chất liệu sản phẩm vận chuyển
Mặt bằng và môi trường làm việc của băng tải
Bước 2: Lựa chọn động cơ
Xác định tải trọng của băng tải Để xác định được tải trọng của băng tải, thì một trong những thông số cần quan tâm đó là:
− Tổng khối lượng hàng trên băng chuyền: m1 (Kg)
− Khối lượng của dây belt: m2 (Kg)
− Tải trọng của băng tải:
Tính mômen xoắn động cơ
Tốc độ góc của rulo ω = v r (rad/s) [2.2]
Tốc độ của rulo = ω x 9.55 ( rpm) [2.3]
Mô men quán tính băng tải với M là tải trọng lớn nhất của băng tải
23 Ứng với lượng tải khi khởi động sẽ có momen cản của cơ cấu băng tải tương ứng
Mô men xoắn của động cơ:
Công suất yêu cầu của động cơ:
N: Số vòng quay (vòng/phút) [6]
Chọn loại động cơ phù hợp
Lưu ý: Khi chọn động cơ ta cũng nên chú ý đến các thông số cơ bản khác trong việc chọn động như chế độ làm việc, môi trường làm việc của động cơ, khả năng làm mát…
2.3.2 Van điện từ và xi lanh khí nén
Giới thiệu van điện từ khí nén:
Van điện từ khí nén (Pneumatic solenoid valve), còn được gọi là van điều hướng khí nén Có tác dụng ngăn chặn, cho phép, điều khiển dòng chảy của khí nén đi qua van và được vận hành bằng điện
Hình 2 34 Van điện từ khí nén
Cấu tạo van điện từ khí nén:
Hình 2 35 Cấu tạo van điện từ khí nén
1 Thân van: Làm bằng đồng hoặc inox, nhựa…
2 Môi chất: khí (khí nén, gas, v,v) hay chất lỏng (nước, dầu)
3 Ống rỗng (lưu chất chưa qua)
4 Vỏ ngoài cuộn hít (để bảo vệ cuộn điện)
5 Cuộn từ (Cuộn dây từ)
6 Dây điện được nối kết với nguồn điện bên ngoài
7 Trục van làm kín bình thường lò xo ở số 8 sẽ tác động ép kín, làm cho van ở trạng thái đóng)
9 Khe hở để lưu chất đi qua
Nguyên lý hoạt động của van điện từ
Van điện từ bao gồm một cuộn dây dẫn điện quấn quanh một nòng kim loại có thể di chuyển Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nòng kim loại sẽ di chuyển theo một hướng cụ thể Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra một trường từ xung quanh cuộn dây Điều này được biểu thị bằng luật Ampe Hướng của trường từ tạo ra phụ thuộc vào hướng dòng điện trong cuộn dây
Hình 2 36 Nguyên lý van điện từ khí nén
Phân loại van điện từ
Phân loại theo số cửa và vị trí:
Gồm ba cổng: Van này có ba cổng để kết nối với các đường ống khí nén Cổng vào cho khí nén từ nguồn cung cấp, cổng ra để điều khiển dòng khí đến các thiết bị hoặc hệ thống con, và cổng xả để giải phóng áp suất khí nén không cần thiết
Hai trạng thái hoạt động: Van khí nén 3/2 có hai trạng thái hoạt động chính: mở (on) và đóng (off) Khi van được kích hoạt, nó cho phép luồng khí nén đi qua từ cổng vào đến cổng ra, gửi dòng khí đến các thiết bị hoặc hệ thống con Khi van không được kích hoạt, nó chuyển sang trạng thái đóng, ngăn chặn dòng khí từ cổng vào tới cổng ra
Gồm hai cổng: Van này có hai cổng để kết nối với các đường ống khí nén Cổng vào để nhận khí nén từ nguồn cung cấp, và cổng ra để điều khiển dòng khí đến thiết bị hoặc hệ thống con
Hai trạng thái hoạt động: Van khí nén 2/2 có hai trạng thái hoạt động chính: mở (on) và đóng (off) Khi van được kích hoạt, nó cho phép luồng khí nén đi qua từ cổng vào đến cổng ra, gửi dòng khí đến thiết bị hoặc hệ thống con Khi van không được kích hoạt, nó chuyển sang trạng thái đóng, ngăn chặn dòng khí từ cổng vào tới cổng ra
Hai cổng tiếp nhận khí nén từ nguồn (thường là máy nén khí) được ký hiệu là "A1" và "A2"
Hai cổng điều khiển khí ra, thường được ký hiệu là "P" (cho phía trên hoặc phía sau) và "R" (cho phía dưới hoặc phía trước)
Trạng thái hoạt động của van được chia thành hai: trạng thái thứ nhất và trạng thái thứ hai Trong trạng thái thứ nhất, van kết nối cổng A1 với cổng P và cổng A2 với cổng
R, cho phép khí nén chảy từ nguồn qua van ra điểm đến mong muốn Trong trạng thái thứ hai, van kết nối cổng A2 với cổng P và cổng A1 với cổng R, làm đảo ngược luồng khí
Van khí nén 5/2 5/3 là loại van đảo chiều, thân van có 5 cửa 2 hoặc 3 vị trí
Giới thiệu xi lanh khí nén:
Xi lanh khí nén là một thiết bị chuyển động linh hoạt sử dụng khí nén để tạo ra lực đẩy và di chuyển các cơ cấu Nó bao gồm một ống hoạt động có thể di chuyển
28 với một piston bên trong.
Hình 2 42 Xi lanh khí nén
Cấu tạo của xi lanh khí nén
Xi lanh khí nén có cấu tạo gồm các bộ phận chính như sau: + Thân trụ (barrel)
+ Lỗ cấp khí (cap-end port)
+ Lỗ thoát khí (rod-end port)
Hình 2 43 Cấu tạo xi lanh khí nén
Phân loại xi lanh khí nén
Xi lanh khí nén 1 chiều
Xi lanh khí nén 1 chiều:
Hình 2 44 Xi lanh khí nén 1 chiều
Xi lanh khí nén 2 chiều:
Hình 2 45 Xi lanh khí nén 2 chiều
Giới thiệu phần mềm sử dụng
Phần mềm CX-Programmer là một phần mềm lập trình ứng dụng cho các bộ điều khiển PLC như CP1E, CP1L, CP1H… Được sản xuất bởi hãng Omron, phần mềm này được sử dụng để lập trình và cấu hình các bộ điều khiển trong các ứng dụng tự động hóa quy trình sản xuất [8]
Hình 2 46 Phần mềm CX Programmer
Phần mềm NB Designer được sản xuất bởi công ty Omron và được sử dụng để thiết kế giao diện màn hình điều khiển cho các hệ thống tự động hóa trong các ứng dụng công nghiệp Các loại HMI: NB3Q / NB5Q / NB7Q [9]
Hình 2 47 Phần mềm NB Designer
Phần mềm CX-Supervisor là một hệ thống giám sát và điều khiển các quy trình tự động hóa trong ngành công nghiệp Được sản xuất bởi hãng Omron, phần mềm này có khả năng tích hợp các dữ liệu từ các thiết bị đo lường và điều khiển để hiển thị và điều khiển các quy trình hoạt động một cách tự động [10]
Hình 2 48 Phần mềm CX Supervisor
UltraViewer là phần mềm điều khiển máy tính và thiết bị từ xa, cung cấp cho người dùng khả năng điều khiển máy tính từ xa để thực hiện các chức năng, hướng dẫn cài đặt, khắc phục lỗi hệ thống,
31 Để hoạt động, thiết lập yêu cầu hai máy tính Phần mềm lập trình Omron cần được cài đặt trên máy tính lập trình và UltraViewer có trình điều khiển VPN cần được cài đặt trên cả hai máy vi tính
Hình 2 49 Ứng dụng điển hình của phần mềm UltraViewer
Thiết kế mô hình và lựa chọn thiết bị
Yêu cầu mô hình
- Đèn báo nguồn ON, OFF, ERROR
- Có 1 cảm biến phát hiện sản phẩm, 3 cảm biến phân loại theo 3 mức sản phẩm cao, thấp, trung bình
- Có 2 xi lanh để phân loại sản phẩm cao và trung bình
- Có 2 chế độ Auto/Manual
- Điều khiển, thu thập dữ liệu qua màn hình HMI và giám sát từ xa qua
- Khi không có sản phẩm trên băng tải sau 1 khoảng thời gian cài đặt thì đèn báo
ERROR chớp tắt Sau đó 1 khoảng thời gian vẫn không có sản phẩm thì băng tải tự dừng hoạt động
- Khi xi lanh 1 và 2 bị sự cố lỗi thì sau 1 khoảng thời gian cài đặt hệ thống sẽ dừng hoạt động, đèn báo ERROR chớp tắt
- Có chế độ ALARM để cảnh báo.
Lựa chọn thiết bị cho phần cứng
3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống
Ta có yêu cầu mô hình có 5 ngõ vào và 4 ngõ ra PLC OMRON CP1E-N30DR-A có 18 ngõ vào và 12 ngõ ra đáp ứng được yêu cầu trên
Hình 3 3 Các bộ phận trên PLC CP1E – N30DR - A
Cổng USB ngoại vi (Peripheral USB port): Dùng để nối với máy tính nạp code điều khiển vào PLC
Điều chỉnh tương tự (Analog adjusters): Sử dụng với các tín hiệu điều khiển tương tự
Đầu nối nguồn ngoại (External power supply): dùng để cấp nguồn DC từ
PLC cho thiết bị đầu vào
Đầu nối cấp nguồn vào cho PLC (Power Supply Input Terminal): Dùng để nối với nguồn 220VAC để cấp nguồn cho PLC
Đầu nối với module vào ra mở rộng (Expansion I/O Unit Connector):
Dùng để nối module có CPU (là module chính có bộ xử lý trung tâm - CPU và chứa chương trình ứng dụng - User program) với module vào ra mở rộng (Expansion I/O Unit) để bổ sung đầu vào ra cho module chính
Cổng RS-232C tích hợp (Built-in RS-232 port): Dùng để kết nối với các thiết bị khác giao tiếp theo chuẩn truyền thông RS232
Khe cắm các card truyền thông mở rộng tùy chọn (Option board slot):
Dùng để cắm thêm các card RS–232C hay RS–422A/485
Đầu nối nguồn điện cung cấp cho PLC (Power Supply Input Terminal):
PLC được cung cấp bằng nguồn điện 100 – 240VAC
Đầu nối đất tín hiệu (Ground Terminal) nhằm tăng khả năng chống nhiễu và tránh điện giật
Đầu nối tín hiệu vào (Input Terminal): 18 ngõ vào
Đầu nối tín hiệu ra (Output Terminal): 12 ngõ ra relay
Đèn báo trạng thái hoạt động (Operation Indicators): Cho biết trạng thái hoạt động của PLC
Chỉ báo ngõ vào (Input Indicators): Hiển thị sơ đồ chân ngõ vào
Chỉ báo ngõ ra (Output Indicators): Hiển thị sơ đồ chân ngõ ra
Hình 3 4 Sơ đồ chân ngõ vào PLC CP1E – N30DR – A
Hình 3 5 Sơ đồ chân ngõ ra PLC CP1E – N30DR – A
Thông số chi tiết của PLC xem ở phần phụ lục bảng PL 1, PL 2, PL 3, PL 4
Màn hình cảm ứng HMI NB5Q-TW00B
Hình 3 6 Màn hình HMI NB5Q – TW00B Để kết hợp với PLC CP1E – N30DR – A, nhóm sử dụng màn hình HMI NB5Q- TW00B của hãng Omron để làm giao diện người dùng cho hệ thống Ưu điểm màn hình HMI NB5Q-TW00B:
● Hỗ trợ Modbus ASCII, Modbus RTU và thiết bị khác chuẩn Modbus
● Kết nối được với nhiều hãng PLC: Omron, Siemens, Mitsubishi, Panasonic, Allen-Bradley, Schneider, Delta, LS, GE Fanuc Automation
● Màn hình cảm ứng TFT LCD 5.6”, độ phân giải 320x234, 65536 màu
● Dung lượng của màn hình: 128MB (bao gồm bộ nhớ hệ thống)
● Cổng truyền thông: RS-232C (COM1), RS-232C/422A/485 (COM2)
● Hỗ trợ EtherNet/IP và Pict Bridge
● Lập trình qua cổng USB
Nút Dừng Khẩn LAY7 (PBCY090) LAY37
Hình 3 7 Nút dừng khẩn cấp
Tiếp điểm: 2 cặp tiếp điểm (NO, NC)
Đường kính ren gắn tủ: 22mm
● Điện áp hoạt động: đèn báo hệ thống phân loại 24VDC, đèn báo nguồn 220VAC
● Đường kính lỗ lắp đặt: 22mm
Relay trung gian MY4N-J AC220V 14 chân Omron
Hình 3 9 Relay trung gian, đế cắm và sơ đồ nguyên lý
Điện áp điều khiển: 220V AC - 37.7 mA
Chân 13, 14: Chân cấp điện cho cuộn dây
Tiếp điểm thường đóng: 4 cặp là 9-1, 10-2, 11-3, 12-4
Tiếp điểm thường đóng: 4 cặp là 9-1, 10-6, 11-7, 12-8
Yêu cầu chức năng của băng tải
● Chất liệu: PVC (dây băng), nhôm (khung)
● Sử dụng động cơ DC giảm tốc 24V
- Yêu cầu băng tải chạy với tốc độ 8cm/s
- Tải trọng lớn nhất của băng tải là M= 500 g
Hình 3 11 Lực tác động lên vật chuyển động tịnh tiến
Tốc độ góc của rulo ω = v r = 8
1.7 = 4.7 (rad/s) [3.1] Tốc độ của rulo = 4.7 x 9.55 = 45 ( rpm) [3.2]
Mô men quán tính băng tải:
J = M ∗ r 2 = 0.5 ∗ (17 ∗ 10 −3 ) 2 = 1.44 ∗ 10 −4 (kg 𝑚 2 ) [3.3] Không có ma sát giữa tải với băng tải, chỉ có TL của động cơ Ứng với lượng tải khi khởi động sẽ có momen cản của cơ cấu băng tải tương ứng
Mô men xoắn của động cơ:
Công suất yêu cầu của động cơ:
Vì vậy để đáp ứng nhu cầu thiết kế ta chọn động cơ có công suất P ≥ 1.77 (W), tốc độ quay ≥ 45 (vòng/phút)
Chọn động cơ DC 24 V trang bị hộp giảm tốc với mã động cơ là ZGB-37-3530
Thông số kỹ thuật Giá trị
Công suất định mức 4.8 W Điện áp định mức 24VDC
Momen xoắn định mức 4 kg/cm
Tốc độ định mức 48 vòng/phút
Bảng 3 1 : Thông số động cơ giảm tốc ZGB-37-3530
Hình 3 12 Động cơ giảm tốc ZGB-37-3530
Hình 3 13 Kích thước động cơ giảm tốc ZGB-37-3530
- Yêu cầu băng tải phân loại được ít nhất 2000 sản phẩm/ giờ:
Với chiểu dài băng tải là Lbangtai = 600mm và kích thước sản phẩm phân loại tối đa là L x W x H = 45 x 40 x 90 (mm) khoảng cách tối thiểu giữa hai sản phẩm là Lkc = 55 mm thì số sản phẩm tối đa trên băng tải là:
Băng tải chạy với tốc độ 8cm/s
Vậy một giờ băng tải phân loại được
45 + 55 = 2880 (𝑠𝑝) [3.7] Trong đó t: thời gian phân loại (s)
Lsp: chiều dài tối đa của sản phẩm (mm)
Lkc: khoảng cách tối thiểu giữa hai sản phẩm (mm)
Vbangtai: tốc độ băng tải (mm/s) Hiệu suất băng tải là 2880 (sản phẩm / giờ) >2000 (sản phẩm/ giờ)
Đáp ứng yêu cầu thiết kế
Chiều rộng băng tải là 7 cm, chọn xi lanh khí nén CDJ2D16X100-B chiều dài hành trình là 10 cm đủ để đẩy sản phẩm ra khỏi băng tải
Hình 3 14 Xi lanh khí nén CDJ2D16X100-B
● Áp suất tối đa chịu được: Pmax= 0.7MPa=7.14Kgf/cm 2 Áp suất nguồn nén P=4Kgf/cm 2