Điều khiển giám sát hệ thống cân định lượng - dán nhãn

Trang 20 viii TÓM TẮT Trong toàn bộ đề tài, nhóm em thực hiện các quá trình lên ý tưởng, thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống chiết rót và dán nhãn tự động hoạt động với năng suất ổn

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HỆ THỐNG

CÂN ĐỊNH LƯỢNG – DÁN NHÃN

GVHD: ThS NGUYỄN TỬ ĐỨC SVTH : NGUYỄN HỒ PHI TRƯỜNG ĐOÀN LÊ MINH TÚ

S K L 0 1 1 3 1 3

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN -⸙∆⸙ -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS Nguyễn Tử Đức SVTH 1: Nguyễn Hồ Phi Trường MSSV: 19151302

SVTH 2: Đoàn Lê Minh Tú

MSSV: 19151303

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2023

ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HỆ THỐNG

CÂN ĐỊNH LƯỢNG – DÁN NHÃN

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

o0o

Tp HCM, ngày tháng năm 2023

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên 1: NGUYỄN HỒ PHI TRƯỜNG MSSV: 19151302

Họ và tên sinh viên 2: ĐOÀN LÊ MINH TÚ MSSV: 19151303 Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Khóa: 2019 – 2023

I TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG –

DÁN NHÃN SẢN PHẨM

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG THỰC HIỆN

▪ Tìm hiểu về bộ PLC Siemen CPU S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC

▪ Tìm hiểu về các thiết bị và điều khiền qua PLC S7 1200 như: Driver TB6600, Role trung gian, Step 42…

▪ Tìm hiểu về Tia Portal V16, WinCC và lập trình điều khiển các thiết bị đã kết nói với PLC S7 1200 thông qua Tia Portal

▪ Thi công cơ khí cho hệ thống

▪ Thi công phần điện cho hệ thống

▪ Thi công mô hình lắp đặt thiết bị trong thực tế

▪ Đánh giá kết quả đạt được từ đó tìm ra mặt hạn chế và hướng phát triển của đề tài

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2023

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký tên & đóng dấu)

Đánh giá loại:

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

o0o

Tp HCM, ngày tháng năm 2023

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan rằng đề tài “ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG – DÁN NHÃN SẢN PHẨM” được tiến hành một cách minh bạch, công khai

Các số liệu và kết quả nghiên cứu được đưa ra trong đồ án là trung thực và không sao chép hay sử dụng kết quả của bất kỳ đề tài nghiên cứu nào tương tự Nếu như phát hiện rằng có sự sao chép kết quả nghiên cứu đề những đề tài khác bản thân tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Người thực hiện đề tài

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, nhóm chúng em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô để hoàn thành đồ án

Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn ThS Nguyễn

Tử Đức đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho nhóm trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP HCM nói chung và quý thầy cô Khoa Điện- Điện tử nói riêng, những người đã truyền đạt kiến thức nền tảng quý báu cho nhóm trong suốt thời gian học tập ở môi trường đại học vừa qua Xin gửi lời cảm ơn bạn bè và các bạn sinh viên lớp 191512 và 191513 đã luôn động viên, giúp đỡ nhóm trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Cuối cùng, nhóm em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên nhóm trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một sinh viên,

đồ án này không thể tránh được những thiếu sót Nhóm rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của nhóm, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023

Nhóm sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC VIẾT TẮT vii

TÓM TẮT viii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu 2

1.3 Nội dung nguyên cứu 2

1.4 Giới hạn 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Tính thực thi 4

2.2 Giới thiệu chung về PLC 4

2.2.1 Tổng quan 4

2.2.2 Đặc điểm 4

2.2.3 Vai trò 5

2.3 Lựa chọn động cơ cho hệ thống 6

2.3.1 Giải pháp chọn động cơ 6

2.3.2 Phương pháp điều khiển động cơ 7

2.4 Các loại cân định lượng phổ biến hiện nay 8

2.4.1 Cân định lượng mini 8

2.4.2 Cân định lượng trục vít 9

2.4.3 Cân định lượng đóng bao 10

2.5 Phương pháp dán nhãn phổ biến 10

2.5.1 Máy dán nhãn dùng con lăn di động 11

2.5.2 Máy dán nhãn dùng cơ cấu kẹp thủy lực 12

2.5.3 Máy dán nhãn bằng ma sát 13

2.5.3.1 Loại 1 13

2.5.3.2 Loại 2 14

2.6 Kết Luận 14

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 15

ii

3.2 Hoạt động của hệ thống 15

3.2.1 Yêu cầu chung của hệ thống 15

3.2.2 Hoạt động của hệ thống 15

3.3 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống 16

3.3.1 Bộ điều khiển trung tâm PLC 16

3.3.2 Động cơ bước 42 18

3.3.3 Driver TB6600 18

3.3.4 Nguồn tổ ong 24V-10A 19

3.3.5 Aptomat 19

3.3.6 Relay 20

3.3.7 Van điện từ 20

3.3.8 Lựa chọn Xy lanh 21

3.3.9 Load Cell 22

3.3.10 Đèn 23

3.3.11 Nút nhấn 23

3.3.12 Cảm biến 25

3.3.13 Băng tải 25

3.3.14 Mạch khuếch đại Transmitter 26

3.3.15 Cuộn nhãn 26

3.4 Thiết kế phần cứng 27

3.4.1 Phân khúc cân định lượng hệ thống 27

3.4.2 Phân khúc dán nhãn 28

3.4.3 Hoàn thiện mô hình thi công 28

3.4.4 Thiết kế tủ điện 29

3.5 Thiết kế phần điện 30

3.5.1 Sơ đồ khối hệ thống 30

3.5.2 Lưu đồ giải thuật 37

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 39

4.1 Thi công phần cứng 39

4.1.1 Thi công cơ khí 39

4.1.2 Thi công phần điện 40

4.2 Thi công phần mền 41

4.2.1 Giới thiệu giao diện Wincc 41

4.2.2 Thiết kế giao diện Wincc 42

4.2.3 Thi công giao diện giám sát WinCC RT Advanced 44

4.3 Hệ cơ sở dữ liệu SQL Sever 46

4.3.1 Giới thiệu 46

4.3.2 SQL Sever thu thập dữ liệu số lượng thùng hoàn thành từ PLC 47

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ 49

5.1 Kết quả phần cứng 49

5.1.1 Kết quả cơ khí 49

5.1.2 Kết quả phần điện 49

5.2 Kết quả phần mềm 50

5.2.1 Giao diện giám sát Wincc RT Advanced 50

5.2.2 SQL Sever thu thập dữ liệu 53

5.3 Kết quả vận hành hệ thống 54

5.4 Phân tích và so sánh 55

5.5 Tổng kết 56

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57

6.1 Kết luận 57

6.2 Hạn chế 57

6.3 Hướng phát triển 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 59

iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 3 1 PLC S7-1200 1214DC/DC/DC 17

Hình 3 2 Động cơ bước 42 18

Hình 3 3 Driver TB6600 18

Hình 3 4 Nguồn tổ ong 19

Hình 3 5 Aptomat 19

Hình 3 6 Relay HH6P 20

Hình 3 7 Van điện từ Festo 20

Hình 3 8 Van điện từ Airtac 21

Hình 3 9 Xy lanh 2ty 21

Hình 3 10 Xylanh khí nén thanh đơn MAL16 22

Hình 3 11 Load Cell 5kg 22

Hình 3 12 Đèn tín hiệu 23

Hình 3 13 Nút nhấn nhả 23

Hình 3 14 Nút nhấn Emergency 24

Hình 3 15 Công tắc xoay 24

Hình 3 16 Cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4 25

Hình 3 17 Băng tải mini 25

Hình 3 18 Weight transmitter 26

Hình 3 19 Nhãn dán 26

Hình 3 20 Phân khúc cân định lượng được thiết kế bằng SolidWork 27

Hình 3 21 Bản vẽ 3D dán nhãn 28

Hình 3 22 Bản vẽ hoàn chỉnh của hệ thống 28

Hình 3 23 Bản vẽ 3D tủ điện 29

Hình 3 24 Sơ đồ khối hệ thống 30

Hình 3 25 Sơ đồ nối dây PLC 32

Hình 3 26 Sơ đồ nối dây Load Cell 33

Hình 3 27 Sơ đồ nối TB6600 với STEP 34

Hình 3 28 Sơ đồ nối dây RELAY 35

Hình 3 29 Sơ đồ đấu nối xy lanh 36

Hình 3 30 Lưu đồ giải thuật Auto 37

Hình 3 31 Lưu đồ giải thuật Manual 38

Hình 4 1 Phân khúc chiếc rót và cân định lượng 39

Hình 4 2 Cơ cấu dán nhãn 40

Hình 4 3 Tủ điện 41

Hình 4 4 Màn hình giới thiệu 44

Hình 4 5 Giao diện giám sát hệ thống 45

Hình 4 6 Giao diện cài đặt 45

Hình 4 7 Màn hình cảnh báo 46

Hình 4 8 Đăng nhập vào Sever 47

Hình 4 9 Khai báo các biến dữ liệu và kiểu dữ liệu 47

Hình 4 10 Kết nối TIA V16 với SQL 48

Hình 4 11 Truy xuất dữ liệu 48

Hình 5 1 Hệ thống hoàn chỉnh 49

Hình 5 2 Tủ điện khi đang hoạt động 49

Hình 5 3 Màn hình đăng nhập 50

Hình 5 4 Màn hình giám sát hệ thống 51

Hình 5 5 Màn hình cài đặt và điều khiểu ở chế độ MANUAL 51

Hình 5 6 Màn hình Alarm cảnh báo 52

Hình 5 7 Alarm cảnh báo hệ thống 52

Hình 5 8 Bảng số liệu trên SQL 53

Hình 5 9 Hệ thống đang chiếc rót nguyên liệu 54

Hình 5 10 Thùng tiến hành dán nhãn 54

vi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật PLC S7-1200 1214DC/DC/DC 17

Bảng 3 2 Thông số kỹ thuật của động cơ bước 42 18

Bảng 3 3 Thông số kỹ thuật của Driver TB6600 18

Bảng 3 4 Thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong 24V-10A 19

Bảng 3 5 Thông số kỹ thuật của Aptomat 19

Bảng 3 6 Thông số kỹ thuật Relay HH6P 20

Bảng 3 7 Thông số kỹ thuật van điện từ Festo 20

Bảng 3 8 Thông số kỹ thuật của van điện từ Airtac 21

Bảng 3 9 Thông số kỹ thuật của xy lanh 2 ty 21

Bảng 3 10 Thông số kỹ thuật của xy lanh khí nén thanh đơn MAL16 22

Bảng 3 11 Thông số kỹ thuật của Load Cell 5kg 22

Bảng 3 12 Thông số kỹ thuật của đèn tín hiệu 23

Bảng 3 13 Thông số kỹ thuật của nút nhấn 23

Bảng 3 14 Thông số kỹ thuật của nút nhấn Emergency 24

Bảng 3 15 Thông số kỹ thuật của công tắc xoay 24

Bảng 3 16 Thông số kỹ thuật của cảm biến hồng ngoại 25

Bảng 3 17 Thông số kỹ thuật của băng tải mini 25

Bảng 3 18 Thông số kỹ thuật của Weight transmitter 26

Bảng 3 19 Thông số kỹ thuật của nhãn dán 26

Bảng 4 1 Bảng phân quyền hệ thống 42

Bảng 4 2 Bảng Alarm hệ thống 43

Bảng 5 1 Số lượng thùng hoàn thành theo thời gian 55

Bảng 5 2 Thời gian chiếc rót nguyên liệu 55

Bảng 5 3 Sai số định lượng 55

DANH MỤC VIẾT TẮT

PLC: Programmable Logic Controller

SQL: Structured Query Language

CB: Circuit Breaker

ODBC: Open Database Connectivity

WinCC: Windows Control Center

viii

TÓM TẮT

Trong toàn bộ đề tài, nhóm em thực hiện các quá trình lên ý tưởng, thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống chiết rót và dán nhãn tự động hoạt động với năng suất ổn định Để hoàn thành đề tài, nhóm em đã sử dụng PLC điều khiển hệ thống gồm các cơ cấu chính: cấp thùng, chiết rót, dán nhãn Mô hình được chế tạo có một số ưu điểm nổi bật như sau: khả năng chiết rót chính xác, năng suất cao, dễ bảo trì và sửa chữa

Qua tìm hiểu và khảo sát nhu cầu của thị trường nhóm chúng em đã đưa ra ý tưởng về đề tài “Hệ thống chiết rót và dán nhãn” Nhóm chúng em lên ý tưởng, lựa chọn nhiều phương pháp khác nhau và chọn ra một phương án tối ưu nhất với khả năng của chúng em (thời gian, chi phí…) tính toán và thiết kế bản vẽ sơ bộ, thông qua

ý kiến của giáo viên hướng dẫn, đàn anh đi trước Sau quá trình tính toán và lên bản vẽ thiết kế, chúng em mua vật liệu về gia công, riêng những chi tiết đã được tiêu chuẩn hóa (nhông, sên, dĩa, ổ đỡ…) thì mua về lắp ráp Cuối cùng là lắp ráp, chỉnh sửa, vận hành thử

Qua quá trình vận hành thử nghiệm nhóm cho thấy máy hoạt động tốt, ổn định, năng suất tương đương với yêu cầu lúc trước đề ra Bên cạnh đó vẫn còn tồn tại những mặt hạn chế như quá trình gia công sai số nên thiếu chính xác cho việc lắp ráp, do còn thiếu nhiều kinh nghiệm nên lúc thiết kế có nhiều vị trị khó canh chỉnh… Sau khi hoàn thành xong đồ án nếu có điều kiện nhóm chúng em sẽ tiếp tục cải tiến và nâng cấp hệ thống máy, bổ sung cơ cấu cấp nắp, siết nắp và dán co màng… để cho hệ thống chiết rót và dán nhãn của nhóm chúng em được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Nền công nghiệp thế giới đang trên đà phát triển ngày càng cao với tốc độ chóng mặt Trong đó vấn đề tự động điều khiển được đặt lên hàng đầu trong quá trình nghiên cứu cũng như ứng dụng công nghệ mới vào trong sản xuất, đời sống thay thế sức lao động của con người Với sự ra đời của ngành tự động hóa đã hỗ trợ

và thay thế con người trong nhiều lĩnh vực từ kinh tế, vận chuyển, đóng gói cho đến nhiều lĩnh vực khác như xây dựng, y tế, sản xuất sản phẩm Cho nên ứng dụng của ngành tự động hóa vô cùng sâu rộng và ảnh hưởng đến các linh vực trong đời sống và công nghiệp

Các loại máy móc đặc trưng chuyên dụng cho cách ngành nghề khác và trong đó không thể không nói tới một trong những ngành trọng điểm là ngành tự động hóa Ngành tự động hóa của nước ta phát triển nhanh chóng trong một vài năm trở lại đây, bằng chứng là hàng loạt dây chuyền sản xuất tự động đã được đưa vào hoạt động, nhiều nhà máy sản xuất được vận hành và khai thác Để đạt được những thành tựu như thế đa phần chúng ta phải dựa vào công nghệ, máy móc nhập

từ nước ngoài, giá thành cao khiến tỉ lệ ứng dụng ở các vùng còn thấp, chưa đạt được hiểu quả kinh tế như mong đợi Vì vậy tìm hiểu, nghiên cứu chế tạo máy móc dùng trong tự động hóa mang thương hiệu Việt là vấn đề vô cùng cấp thiết và thu hút được nhiều công trình nghiên cứu

Xuất phát từ nhu cầu muốn tìm hiểu về trang thiết bị, cách thức điều khiển cũng

như muốn xây dựng mô hình mô tả hoạt động, nhóm quyết định lựa chọn đề tài

“ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG – DÁN NHÃN SẢN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.2 Mục tiêu

- Tìm hiểu mô hình cân định lượng chiết rót với sai số nhỏ dưới 2%, thời gian chiếc rót ngắn, chính xác và chiếc rót được nguyên liệu dạng mịn

- Cơ cấu dán nhãn hoàn thiện nhãn được dán một cách thẩm mỹ

- Thiết kế bản vẻ, thi công lắp đặt mô hình chiếc rót định lượng

- Xây dựng mô hình bộ điều khiển và giám sát hệ thống thông qua giao diện giám sát WinCC

- Bộ điều khiển chạy trực tiếp và giao tiếp với người vận hành, không cần thông qua chỉnh sửa trên máy tính

1.3 Nội dung nguyên cứu

• Chương 1: Tổng quan đề tài

Trình bày đặt vấn đề, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án

• Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày tính thực thi, cơ sở lý thuyết về PLC, lựa chọn động cơ, các lý thuyết nguyên lí hoạt động của dán nhãn và các mô hình cân định lượng phố biến hiện nay

• Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình

- Tính toán và thi công các thiết bị trong mô hình cho phù hợp với yêu cầu đặt ra

- Mô tả cách thức hoạt động của các khâu vận hành và sự liên kết giữa các thiết bị với nhau

- Dựa vào cơ sở đã tính toán lựa chọn thiết bị cho mô hình, nhóm bắt đầu thi công mô hình từ phần cơ khí và lắp ráp kết nối các thiết bị với nhau

- Kiểm tra độ an toàn về điện, tránh ảnh hưởng tới con người và thiết bị

• Chương 4: Thi công hệ thống

Kết quả thi công phần cứng và những kết quả xây dựng trên phần mềm

• Chương 5: Kết quả nhận xét và đánh giá

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Kết quả hệ thống đạt được và sau đó nhận xét về mục tiêu đã đặt ban đầu

• Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Kết luận sau khi hoàn thành mô hình hệ thống hoàn chỉnh Nêu ra những

ưu, nhược điểm và hướng phát triển của đồ án để đưa ra hướng phát triển tiếp theo cho đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tính thực thi

Hệ thống cân định lượng và dán nhãn được lắp đặt trong phân khúc của xưởng đóng gói Trong phân xưởng như vậy sẽ có nhiều hệ thống cân định lượng và mỗi hệ thống sẽ có 2-3 người công nhân vận hành và đảm bảo hệ thống vận hành chính xác an toàn Quá trình cân và dán nhãn sẽ qua nhiều công đoạn như: ban đầu nguyên liệu sẽ được đưa tới các bồn chứa riêng của từng hệ thống cân và sau đó sẽ được xả xuống thùng cân khi đủ trọng lượng sẽ tiến hành được đưa tới băng đưa đi qua phân khúc dán nhãn Các thùng sản phẩm đã được dán nhãn thì sẽ được băng tải đưa tới khu vực đóng thành các thùng theo yêu cầu số lượng

2.2 Giới thiệu chung về PLC

2.2.1 Tổng quan

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển logic khả trình

thuộc loại điều khiển bán dẫn tự động theo chương trình người dùng PLC sử dụng bộ nhớ khả trình để lưu trữ chương trình và thực hiện yêu cầu điều khiển PLC có thể coi

là một máy tính được thiết kế hoạt động tin cậy trong môi trường công nghiệp

PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ-le) trong thực tế và nó hoạt động theo phương thức quét các trạng thái ngõ vào/ra với nguyên tắc khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình cơ bản và phổ biến nhất của PLC là Ladder, trong trường hợp các hệ thống tự động có quy trình khá phức tạp thì sẽ sử dụng ngôn ngữ khác để quản lý lập trình như là SFC, FBD, STL…

Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất trên thế giới cung cấp nhiều giải pháp cũng như thiết bị tự động hóa nổi tiếng như ABB, Siemens, Rockwell, Omron, Panasonic, Schneider, Mitsubishi, Delta….[1]

2.2.2 Đặc điểm

Ưu điểm: Nhìn chung PLC có các ưu điểm so với các mạch tiếp điểm truyền

thống như sau:

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Khả năng điều khiển chương trình linh hoạt Khi cần thay đổi yêu cầu, đối tượng điều khiển chỉ cần thay đổi chương trình thông qua việc lập trình

- Số lượng Timer, Counter rất lớn PLC còn hỗ trợ nhiều khối hàm có chức năng chuyên dụng: phát xung tốc độ cao, bộ đếm tốc độ cao, bộ điều khiển PID…

- Tiết kiệm thời gian nối dây, mạch điều khiển lúc này đã được thay thế hoàn toàn bằng chương trình PLC

- Cấu trúc dạng Module giúp PLC có tính năng mềm dẻo, không bị cứng hóa về phần cứng Người dùng dễ dàng lựa chọn những module nào cần thiết với yêu cầu điều khiển hiện tại giúp tiết kiệm chi phí Cấu trúc dạng module của PLC giúp việc mở rộng quy mô điều khiển đơn giản, tiết kiệm, không cần phải trang bị CPU mới Tuy nhiên khi mở rộng cần chú ý tới khả năng kết nối tối đa của CPU

- Khả năng truyền thông, nối mạng với máy tính hay với PLC khác Khả năng này đáp ứng yêu cầu điều khiển, giám sát từ xa, xây dựng

hệ thống SCADA

- Hoạt động với độ tin cậy cao, tuổi thọ cao, chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp

Nhược điểm: Giá thành cao chính là một trong những nhược điểm của PLC,

việc giá thành cao dẫn đến việc không thể tiếp cận với nhiều hệ thống điều khiển đơn giản Hiệu quả kinh tế không cao bằng bộ điều khiển tiếp điểm Yêu cầu về kiến thực lập trình PLC đối với người mới bắt đầu

2.2.3 Vai trò

Với những ưu nhược điểm như đã nêu trên, PLC thể hiện ưu điểm vượt trội và hiện nay đã thay thế nhiều hệ thống điều khiển tiếp điểm truyền thống trong các nhà máy, dây chuyền công nghiệp Việc thay thế này giúp hệ thống hoạt động tin cậy và hiệu quả hơn, tiết kiệm nhân công và tránh những thao tác sai của người vận hành

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3 Lựa chọn động cơ cho hệ thống

2.3.1 Giải pháp chọn động cơ

Động cơ bước và động cơ servo là hai loại động cơ thông dụng dùng để điều khiển góc quay trong những ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao Để có thể lựa chọn được loại động cơ phù hợp với hệ thống nhóm đã tiến hành nghiên cứu và so sánh các thông số của cả hai loại động cơ [2]:

Bảng 2 1 Sơ sánh động cơ

Động cơ bước AC Servo

Bộ điều khiển (Driver) Đơn giản Phức tạp

Chế độ điều khiển Vị trí Tốc độ, vị trí, momen Hiện tượng trượt bước gây sai

lệch trong điều khiển Có thể xảy ra khi tải tăng

Ít xảy ra, động cơ vẫn chạy êm khi tải tăng Phương pháp điều khiển Điều khiển vòng hở Điều khiển vòng kín Nhiễu và rung Dễ rung và nhiễu Ít rung và nhiễu

Độ bền Đơn giản, nhỏ gọn, ít bảo

dưỡng

Thiết bị phức tạp, phải bảo dưỡng định kỳ

Độ phân giải Thấp (từ 0.36-15°)

Rất cao, lên đến 13bit (phụ thuộc vào

encoder)

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2 1 So sánh động cơ Step với Servo

Vì hệ thống lựa chọn phương pháp truyền động qua dây đai được thiết kế cố định di chuyển xoay theo vị trí mong muốn Với cơ cấu hoạt động của phân khúc dán nhãn bằng ma sát thì động cơ Servo luôn được ưu tiên hàng đầu cho việc vận hàng Nhưng đối với quy mô ở một mô hình đồ án thì việc lựa chọn động cơ servo sẽ tốn chi phí cao Vì vậy nhóm chọn động cơ bước (Stepper Motor) để phù hợp với mô hình đồ

án và tiết tiệm chi phí

2.3.2 Phương pháp điều khiển động cơ

Các phương pháp điều khiển động cơ bước phổ biến hiện nay:

- Điều khiển dạng sóng (Wave): là phương pháp điều khiển cấp xung điều

khiển lần lượt theo thứ tự cho từng cuộn dây pha

- Điều khiển bước đủ (Full step): là phương pháp điều khiển cấp xung

đồng thời cho 2 cuộn dây pha kế tiếp nhau

- Điều khiển nửa bước (Half step): là phương pháp điều khiển kết hợp cả

2 phương pháp điều khiển dạng sóng và điều khiển bước đủ Khi điều khiển theo phương pháp này thì giá trị góc bước nhỏ hơn hai lần và số bước của động cơ bước tăng lên 2 lần so với phương pháp điều khiển bước đủ tuy nhiên phương pháp này có bộ phát xung điều khiển phức

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Điều khiển vi bước (Microstep): là phương pháp mới được áp dụng trong

việc điều khiển động cơ bước cho phép động cơ bước dừng và định vị tại

vị trí nửa bước giữa 2 bước đủ Ưu điểm của phương pháp này là động

cơ có thể hoạt động với góc bước nhỏ, độ chính xác cao Do xung cấp có dạng sóng nên động cơ hoạt động êm hơn, hạn chế được vấn đề cộng hưởng khi động cơ hoạt động[3]

Chọn phương án: Điều khiển vi bước (Microstep) phương pháp này điều

khiển động cơ có độ chính xác cao, ít sai số và có thể dễ dàng điều khiển qua PLC S7

1200

2.4 Các loại cân định lượng phổ biến hiện nay

Cân định lượng là một thiết bị rất hữu hiệu trong việc định lượng chính xác khối lượng hàng hóa Vì vậy, thiết bị này thường được sử dụng cùng với máy đóng gói để

tự động hóa và chuẩn hóa quy trình sản xuất Hiện nay có các loại phổ biến sau[4]

2.4.1 Cân định lượng mini

Máy cân định lượng mini chỉ chuyên dùng cho các loại thảo dược, trà, chè và không nên dùng trong việc định lượng các sản phẩm là bột mịn như bột mì vì độ chính xác không cao Thiết bị này thường được kết hợp với máy đóng gói để khâu định lượng và đóng gói diễn ra nhanh gọn hơn Máy đóng gói cân định lượng mini hiện đang là một trong những sản phẩm được ưa thích trên thị trường Bởi lẽ giá thành của

nó không cao, lại có kích thước tiện lợi cho việc di chuyển

Hình 2 2 Cân định lượng mini

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.4.2 Cân định lượng trục vít

Cân định lượng trục vít thường dùng để định lượng các loại bột thành từng khoảng nhỏ Máy có tốc độ làm việc nhanh, độ chính xác cao và rất hữu ích cho ngành thực phẩm, dược phẩm, thuốc thú y và một số ngành chế biến khác

Máy dùng để định lượng bột vào chai, lọ, túi có sẵn

Hình 2 3 Cân định lượng trục vít

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.4.3 Cân định lượng đóng bao

Thường được sử dụng để đo số lượng lớn các sản phẩm thô Các sản phẩm này sau đó sẽ được đóng vào các bao có khối lượng lớn Hệ thống cân định lượng trong nhà máy xi măng, nhà máy đóng bao gạo,… thường có loại máy này

2.5 Phương pháp dán nhãn phổ biến

Dán nhãn có tầm quan trọng trong việc quyết định tính thẩm mỹ, thông qua đó nói lên chất lượng sản phẩm Từ đó người dùng có thể dánh giá được sự chuyên nghiệp của đơn vị sản xuất và đánh giá cao hơn về chất lượng sản phẩm Hiện nay, máy dán nhãn được ứng dụng trong hầu hết các ngành nghề yêu cầu tem nhãn dán như bia rượu, nước giải khát, dược phẩm, đồ tiêu dùng, mỹ phẩm, sản phẩm xuất/ nhập khẩu

Trên thị trường có nhiều loại máy dán nhãn khác nhau như máy dán nhãn cầm tay, máy dán nhãn tự động, máy dán nhãn chai tròn, máy dán nhãn chai vuông…Trên thực tế hiện nay có nhiều kiểu máy dán nhãn sau: dùng bằng ma sát, dùng con lăn di động, dùng cơ cấu kẹp thực lực, [5]

Hình 2 4 Cân định lượng đóng bao

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.5.1 Máy dán nhãn dùng con lăn di động

Bảng 2 2 Bảng cơ cấu máy gồm

• Nguyên lý hoạt động: Chai được đặt lên vị trí dán nhãn Nhãn dán được máy

bóc tách và dán trực tiếp lên chai Dán dưới tác động của lực ép lò xo Sử dụng lực kéo băng tải các con lăn di động giúp nhãn được dán chặt lên chai

Hình 2 5 Cơ cấu máy dán nhãn dùng con lăn di động

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

• Ưu điểm: Cấu tạo của máy dán nhãn có chứa con lăn di động Máy thường dễ

sử dụng hơn nữa phù hợp với nhiều mặt hàng kinh doanh khác nhau Cấu tạo đơn giản, dễ điều chỉnh

• Nhược điểm: Không tự động hoàn toàn cần người theo dõi Phù hợp với các

đơn vị sản xuất số lượng ít/ trung bình, cần cân nhắc thêm khi lựa chọn

2.5.2 Máy dán nhãn dùng cơ cấu kẹp thủy lực

• Nguyên lý hoạt động: Nhờ cơ cấu kẹp bằng thủy lực được dẫn hướng bằng hai

rãnh, hai xy lanh thủy lực được điều khiển do tín hiệu phát ra từ cảm biến màu, khi chai cách nhãn khoảng cách nhất định, cảm biến màu nhận ra chai sẽ điều khiển hai thanh kẹp kẹp chi lại đồng thời dán nhãn lên chai

• Ưu điểm: độ chính xác cao, năng suất lớn

• Nhược điểm: máy móc phức tạp, khó chế tạo, yêu cầu băng keo 2 mặt nên giá

thành cao và giữ vệ sinh khó khăn sau khi dán vào chai do bề mặt ngoài còn keo sẽ bám bụi cao hoặc phải thêm công đoạn dán lớp nilon vào mặt ngoài làm cho giá thành cao

Hình 2 6 Cơ cấu kẹp thủy lực

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.5.3 Máy dán nhãn bằng ma sát

2.5.3.1 Loại 1

• Nguyên lý hoạt động: Chai sản phẩm di chuyển trên băng tải đồng thời được

quay tròn nhờ cơ cấu ma sát, trên băng ma sát được căng cuộn băng keo hai mặt Chai di chuyển tròn và dính chặt tem nhãn dán Nhãn chai được dán cứng nhờ lực lăn ép trên băng ma sát Hoặc máy hoạt động bằng cách nhận diện chai

và chuyển chai đến vị trí tem nhãn đã chuẩn bị sẵn, dán lên chai chuyền đi

• Ưu điểm: Phương pháp này có ưu điểm về độ chính xác cao Ít phế phẩm, sản

phẩm được dán số lượng lớn nhanh chóng

• Nhược điểm: Cấu tạo máy dán nhãn phức tạp hơn, giá thành máy cao hơn, cần

đảm bảo máy được vệ sinh sạch sẽ thường xuyên

Hình 2 7 Cơ cấu dán nhãn bằng ma sát loại 1

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.5.3.2 Loại 2

• Nguyên lý hoạt động: Nhãn được bốc ra do băng dán nhãn bị gấp khúc đột ngột,

chai từ băng tải tới nhãn dán dính vào chai sau đó được dán chăt ma bang ma sát nếu có 1 chai do dán nhãn không chính xác sẽ được nhận biết do cảm biếng quang, chau được đưa ra ngoài do cơ cấu gạt trong chai đó chai và nhãn được nhận biết nhờ các bộ phận của cảm biến

• Ưu điểm: Năng xuất cao, độ chính xác lớn, cơ cấu đơn giản

• Nhược điểm: Chi phí ban đầu cao do yêu cầu cơ cấu phải chính xác

2.6 Kết Luận

Bằng nhưng cơ sở lí thuyết, ưu điểm, nhược điểm của các phương pháp cân định lượng và các cơ cấu dán nhãn Từ đó nhóm sử dụng cơ sơ lí thuyết của cân định lượng mini và cơ cấu dán nhãn bằng ma sát loại 2 để thi công mô hình của chính nhóm

Hình 2 8 Cơ cấu dán nhãn bằng ma sát loại 2

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

3.1 Giới thiệu khái quát về hệ thống

Mô hình động bộ của nhóm thi công là mô hình thực nghiệm do đó mô hình đảm bảo những yêu cầu sau:

- Có khả năng liên tục đưa sản phẩm qua các bước vận hành, dễ dàng điều khiển, ổn định ở các phân khúc với nhau

- Đồng bộ các phân khúc vận hành với nhau

- Kết cấu chắc chắn, có khả năng tháo lắp, an toàn với người vận hành

- Phù hợp với nhu cầu giảng dạy

Mô hình ‘ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG – DÁN NHÃN SẢN PHẨM.’ gồm hai phần chính là phần cơ khí và phần điện Vì vậy cần tính toán giới hạn khối lượng và kích thước của mô hình sao cho gọn nhẹ, thẩm

mỹ nhất có thể, đồng thời để đảm bảo được tiến độ hoàn thành mô hình theo thời gian định trước, nhóm chia làm hai giai đoạn thi công gồm: phần cơ khí và phần điện

3.2 Hoạt động của hệ thống

3.2.1 Yêu cầu chung của hệ thống

Hệ thống có một số yêu cầu:

- Có mô hình của hệ thống điều khiển giám sát hoạt động

- Xây dựng các tiện ích để người vận hành có thể điều khiển và giám sát hệ thống đơn giản và dễ dàng

- Xây dựng giải thuật hệ thống bằng PLC

- Thiết kế giám sát hệ thống trên Wincc

Hệ thống hoạt đồng gồm hai phân khúc chính là cân định lượng và dán nhãn

3.2.2 Hoạt động của hệ thống

Hệ thống hoạt động gồm 2 chế độ AUTO/MANU:

Chế độ AUTO (chế độ tự động): Thùng chứa nguyên liệu được đưa vào khu

vực cấp thùng và khi nhấn nút START thì hệ thống bắt đầu dùng xi lanh để đưa thùng chứa nguyên liệu đến khu vực cân định lượng (load cell) Hệ thống chiếc rót sẽ bắt đầu

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

đặt ra vào ban đầu thì sẽ được đưa vào băng tải tiến hành dán nhãn sản phẩm đạt chuẩn Có thể kiểm tra số lượng sản phẩm hoàn chỉnh trên màn hình giao diện giám sát WINCC và số liệu sẽ được reset khi ta nhấn nút HOME trên WINCC hoặc hệ thống đã dừng hoàn toàn khi đạt đủ số lượng cần thiết mà đã được cài đặt từ trước Quy trình hoạt động chỉ kết thúc khi ta nhấn STOP hoặc chuyển sang chế độ MANU Ngoài ra, quy trình hoạt động của hệ thống chỉ có thể dừng khi đã đạt đủ số lượng sản phẩm đã được cài đặt trên hệ thống Trường hợp xảy ra vấn đề trong khi hệ thống đang hoạt động thì đèn cảnh báo sẽ được bật lên để báo hiệu cho người giám sát hệ thống, lúc này ta chỉ có thể dừng hệ thống bằng cách nhấn vào nút EMERGENCY ngoài ra không thể dùng thao tác khác để dừng hệ thống

Chế độ MANU (chế độ bằng tay): Chế độ chỉ dành cho Kỹ Sư hoặc người trực

tiếp giám sát và điều khiển hệ thống Khi chuyển sang chế độ MANU cho phép người điều khiển dừng toàn bộ hệ thống đang hoạt động một cách tự động và các khâu hoạt động của hệ thống chỉ có thể vận hành một cách riêng biệt bằng cách ON/OFF các khâu xử lý Để dùng chế độ MANU ta nhấn nút START và chuyển nút sang chế độ MANU Ta chỉ có thể thoát chế độ MANU bằng cách chuyển nút nhấn sang chế độ AUTO lúc này hệ thống bắt đầu hoạt động một cách tự động Ngoài ra có thể dừng toàn bộ hệ thống bằng cách nhấn nút STOP hoặc nút EMERGENCY

3.3 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống

3.3.1 Bộ điều khiển trung tâm PLC

Đối với các quá trình sản xuất nhỏ thì người ta thường dùng vi điều khiển để điều khiển Nhưng đối với những quá trình sản xuất quy mô lớn thì vi điều khiển không còn đáp ứng được yêu cầu về độ tin cậy, độ bền nữa

Trên thị trường hiện nay có nhiều hãng sản xuất PLC có tên tuổi như: ABB, Siemens, Omron, … Nhưng PLC của hãng Siemens khá phổ biến ở Việt Nam, giá

thành phù hợp, hỗ trợ nhiều trong việc lập trình như: Truyền thông, PID, Motion

Control, … Giao diện thân thiện dễ sử dụng

Qua việc nghiên cứu và tham khảo ước lượng điều khiển phần cứng, giá thành phù hợp, nhóm đã chọn sử dụng PLC S7-1200 1214DC/DC/DC của Siemens

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật PLC S7-1200 1214DC/DC/DC

Bộ nhớ bit (M) 8192 byte

Độ mở rộng các module tín hiệu 8

Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái)

PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet

Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Hình 3 1 PLC S7-1200 1214DC/DC/DC

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

3.3.2 Động cơ bước 42

Cơ cấu truyền động của hệ thống nhẹ nên sử dụng động cơ bước 42

Bảng 3 2 Thông số kỹ thuật của động cơ bước 42

Bước góc (deg/step): 1.8 Cường độ dòng điện (A): 1-2A Phase: 2

Kích thước (mm): 40x40x35 Trục (mm): 5

Số đầu dây: 6 3.3.3 Driver TB6600

Driver TB6600 sẽ được sử dụng để điều khiển cho động cơ 42 NEMA23 của cánh tay robot

Bảng 3 3 Thông số kỹ thuật của Driver TB6600

Hình 3 3 Driver TB6600

Điện áp sử dụng (VDC): 9 - 42 Dòng điện ngõ ra (A): 0.5 - 4 Dòng điện vào (A): 0-5

Các tùy chỉnh vi bước: 1/1, 1/2, 1/4, 1/8,

1/16, 1/32

Các tùy chỉnh dòng điện (A): 0.5A, 1.2A,

1.7A, 2.2A, 2.7A, 3.2A, 3.7A, 4.20A

Tần số xung tối đa (kHz): 200

Hình 3 2 Động cơ bước 42

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

3.3.4 Nguồn tổ ong 24V-10A

Nhóm sử dụng nguồn 24V-10A luôn đạt sự ổn định và an toàn tuyệt đối cho thiết bị, dễ dàng trong việc bảo hành và sữa chữa

Bảng 3 4 Thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong 24V-10A

Hình 3 4 Nguồn tổ ong

Điện áp đầu vào: 110 – 220VAC (chỉnh bằng công tắc gạt)

Công suất: 250WDòng đầu ra tối đa: 10ANhiệt độ làm việc: -10 ~ 60 độ CKích thước: 215x115x50mm

3.3.5 Aptomat

Aptomat của hãng CHINT được sinh viên sử dụng thông dụng trong các hệ thống hiện nay

Bảng 3 5 Thông số kỹ thuật của Aptomat

Hình 3 5 Aptomat

Phân loại: MCB Điện áp định mức: 240/415V Dòng điện định mức: 16A Số pha: 2 pha

Dòng cắt ngắn mạch: 6kA Tiêu chuẩn: IEC 60898-1

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

3.3.6 Relay

Nhóm sử dụng relay trung gian HH62P

Bảng 3 6 Thông số kỹ thuật Relay HH6P

Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay

3.3.7 Van điện từ

Van điện từ Festo Vuvg-L10-T32C-AT-M5-1P3: Vì van này khá thông dụng

và dễ dàng sử dụng

Bảng 3 7 Thông số kỹ thuật van điện từ Festo

Hình 3 7 Van điện từ Festo

2 x 3/2 chiều thường đóng (NC) Van

điện tử được kích hoạt bằng điện Cuộn điều khiển: 24VDC

Chiều rộng: 10mm Lưu lượng: 150L / phút (LPM) Cấp bảo vệ : IP40 / IP65 Nhiệt độ hoạt động: − 5 +50 ° C Vỏ hợp kim nhôm rèn