Mô hình đóng chai và lưu kho viên tinh bột nghệ

17

Đặt vấn đề

Thời điểm này (từ cuối tháng 10 đến tháng 3 năm sau), nông dân các xã Chí Tân, Đại Hưng, Thuần Hưng, Đại Tập… (Khoái Châu) đang bận rộn với việc thu hoạch nghệ, loại cây trồng thế mạnh của đồng đất nơi đây Không chỉ bán củ tươi, những năm gần đây, người trồng nghệ Khoái Châu còn đẩy mạnh việc chế biến các sản phẩm từ củ nghệ để nâng cao giá trị kinh tế

Hình 1 1 Nông dân xã Đại Hưng (Khoái Châu) thu hoạch nghệ Hiện nay, huyện Khoái Châu có 263 ha trồng nghệ (tăng 146 ha so với năm 2015), tập trung ở các xã: Chí Tân, Đại Hưng, Thuần Hưng, Thành Công, Đại Tập… Hiện nay, diện tích nghệ được chứng nhận VietGAP trên địa bàn huyện đạt khoảng 50ha Nghệ là loại cây dược liệu dễ trồng, dễ chăm sóc, phù hợp với nhiều loại đất, ít bị sâu bệnh, không phải mất vốn (giống), thời gian từ khi trồng đến khi thu hoạch trong vòng 1 năm, cho hiệu

18 quả kinh tế cao; bình quân mỗi héc-ta cho thu hoạch khoảng 27 tấn củ, hiện nay, giá bán củ tươi khoảng 7.500 đồng/kg, giá trị thu được trên 1 héc-ta ước đạt khoảng 200 triệu đồng

Các sản phẩm từ nghệ Khoái Châu đã và đang khẳng định được thương hiệu, không chỉ được tiêu thụ mạnh trong nước mà còn xuất khẩu sang một số nước như: Ấn Độ, Lào, Campuchia, Trung Quốc, Nhật Bản, Italia…

Trước đây, củ nghệ tươi sau khi thu hoạch chủ yếu được tiêu thụ thông qua các thương lái đến thu mua rồi vận chuyển đi tiêu thụ ở các tỉnh, thành phố trong cả nước, một phần được phơi hoặc sấy khô Do không chủ động được đầu ra nên giá cả, thị trường không ổn định, thu nhập bấp bênh Những năm gần đây, trên địa bàn huyện đã hình thành một số cơ sở sản xuất, chế biến các sản phẩm từ củ nghệ như: Nghệ sấy khô, bột nghệ, tinh bột nghệ, bột gia vị, nano curcumin…

Với sản lượng nghệ thu hoạch tăng theo các năm, huyện Khoái Châu đã có hơn 20 cơ sở thu mua, sản xuất, sơ chế, bảo quản, kinh doanh nghệ, trong đó có nhiều cơ sở được cấp Giấy chứng nhận cơ sở đủ điều kiện vệ sinh an toàn thực phẩm Tuy nhiên, các cơ sở này quy mô còn nhỏ, cơ sở vật chất còn hạn chế, rất cần sự hỗ trợ từ chính quyền địa phương để nâng cao năng lực sản xuất, chế biến, để nâng tầm chất lượng và giá thành sản phẩm, mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn

Nhận thấy được nhu cầu về dây chuyền sản xuất tinh bột nghệ đang dần được chú ý và trở nên cần thiết ở Khoái Châu nói riêng và cả nước nói chung Là sinh viên năm tư với những kiến thức đã được học, nhóm sinh viên mong muốn được nghiên cứu thiết kế ra hệ thống xứ lí nghệ đã qua chế biến sử dụng PLC, thay thế được hoàn toàn sức lao động con người nhằm tự động hóa được quy trình sản xuất, hiển thị , giám sát khâu thành phẩm góp phần nâng cao năng suất , giảm tải chi phí Để bày tỏ sự quan tâm của mình đến xu hướng phát triển của nền khoa học công nghệ, nhóm quyết định chon đề tài”Mô hình đóng chai và lưu kho viên tinh bột nghệ” Vì đã từng tiếp xúc và biết được cấu tạo, nguyên lí hoạt động nên có đủ khả năng để có thể hoàn thành được đề tài này đúng thời gian quy định Cùng với khoảng thời gian có hạn, không thể thực hiện tốt được các đề tài phức tạp và có độ khó cao nên nhóm chúng em quyết định chọn đề tài này

Hình 1 2 Mô hình sản xuất tinh bột nghệ

Mục tiêu đề tài

Đề tài “MÔ HÌNH ĐÓNG CHAI VÀ LƯU KHO VIÊN TINH BỘT NGHỆ.” được thực hiện với những mục tiêu cụ thể như sau:

Thực hiện được hệ thống cơ khí đếm số lượng chính xác viên tinh bột nghệ đưa vào lọ thủy tinh và chuyển đến kho lưu trữ

Thực hiên thao tác vận hành hệ thống trên màn hình máy tính, HMI, web server

Tạo ra hệ thống tự động linh hoạt theo yêu cầu của người vận hành, khắc phục những nhược điểm như tốn kém chi phí cho các linh kiện cảm biến cho việc đếm số lượng, tốc độ đếm chậm khi đếm bằng tay, khả năng sai sót và nhầm lẫn cao do tính tập trung của người thấp hơn máy

Hoàn thành điều khiển sử dụng các linh kiện sẵn có trên thị trường, các cơ cấu chấp hành nhằm kết nối thiết bị ngoại vi với nhu cầu thực tế của con người

Tìm hiểu, phát triển về phần mềm (code, giao diện) để tạo ra độ chính xác cao, đáp ứng độ chính xác tỉ mỉ của dây chuyền

Thi công hoàn chỉnh mô hình cơ khí vận hành đúng theo yêu cầu

Kiểm chứng kết quả thực nghiệm với mô hình hoàn thiện.

Nội dung của đề tài

Những nội dung còn lại của đề tài “Thiết kế mô hình đóng chai và lưu kho viên tinh bột nghệ” như sau:

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các lý thuyết về các phần được sử dụng trong đề tài như là các khái niệm, phương pháp khác nhau nhằm có thể hỗ trợ một cách tốt nhất cho hệ thống, nêu lên những lý thuyết liên quan của các phần cứng được sử dụng trong hệ thống Ngoài ra cũng nêu lên nguyên lý truyền thông giữa các thiết bị với nhau và một số nguyên lý hoạt động của mạch điện

Chương 3 Thiết kế hệ thống

Chương này trình bày những yêu cầu khi thiết kế phần cứng của hệ thống và trình bày những lý do lựa chọn, đưa ra ưu nhược điểm của từng loại thiết bị được dùng, các hình ảnh mô phỏng, kết quả thực nghiệm qua những lần sử dụng thử các thiết bị và cuối cùng đưa ra những chọn về việc những phần cứng nào được chọn sử dụng trong hệ thống Đồng thời chương này trình bày những yêu cầu khi thiết kế phần mềm, trình bày giao diện phầm mềm máy chủ và giao diện vận hành trên màn hình Cùng với đó đưa ra được phương pháp đếm cuối cùng được sử dụng trong đề tài

Chương 4 Kết quả đạt được

Chương này trình bày kết quả đạt được của mô hình hệ thống khi thực hiện đề tài

Chương 5 Kết luận và hướng phát triển

Chương này trình bày các kết luận rút ra được từ đề tài sau khi hoàn thành hệ thống và nêu hướng phát triển trong tương lai.

Phương pháp nghiên cứu

Đầu tiên, nhóm sinh viên tham khảo các mô hình giải thuật từ các thiết kế có sẵn, chắt lọc ý kiến từ các nguồn trên internet, bạn bè… để hoàn thiện dựa trên phần mềm ứng dụng cơ khí Solid Works Sau khi có được thiết kế tương đối về cơ khí, nhóm tìm mua các thành phần link kiện, lắp ghép để định hình phần cứng Sau khi đã có phần cứng, nhóm dựa vào đó định hình phần code điều khiển bằng phần mềm Tia Portal (điều khiển các thiết bị ngoại vi, các cơ cấu chấp hành, các đèn báo, nút nhấn) Tiếp theo đó, nhóm chạy thử

21 nghiệm các ý tưởng mà nhóm nghĩ có thể áp dụng thành công với mô hình, cuối cùng nhóm tìm ra được phương án điều khiển tốt nhất cho hệ thống mô hình đề tài.

Giới hạn đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế, xây dựng mô hình hoạt động của hệ thống

“Thiết kế mô hình đóng chai và lưu kho viên tinh bột nghệ” cũng như nghiên cứu các vấn đề xử lý cơ khí dữ liệu, thông tin qua các cảm biến Đề tài chỉ thiết kế một phần trong dây chuyền sản xuất tự động chế biến viên tinh bột nghệ

* Về quy mô mô hình

Thiết kế mô hình gồm các phần như đế xoay chia số lượng viên tinh bột, thiết bị vận chuyển lưu trữ hàng hóa và kho chứa

Việc vận hành hệ thống phụ thuộc nhiều vào các cảm biến (cảm biến có độ chính xác thấp)

Kích thước mô hình nhỏ: chiều cao 45cm, chiều rộng 1m và chiều dài 1m, chỉ lưu trữ số lượng hàng hóa thấp ( 9 ngăn lưu trữ đối với kho, số lưỡng viên tinh bột cho vào lọ chỉ 40 viên) Đây là kích thước vừa phải cho một hệ thống trong việc triển khai một đề tài nhưng lại khá nhỏ để đáp ứng được một vài điều kiện thực tế Đa phần các linh kiện cơ khí đều được lắp đạt theo quá trình đúc kết từ những lần sai sót trước, việc tính toán để lắp đặt không có kiến thức chuyên sâu về cơ khí

Sử dụng hạt nhựa để mô phỏng viên tinh bột trong quá trình làm đồ án

Số lượng viên tinh bột đưa vào cùng lúc không quá nhiều, cần sự hỗ trợ của nhân công để đưa hạt vào nhiều lần

* Về phần chương trình điều khiển

Sử dụng phần mềm “visual”, “sql”, “tia portal” lập trình giao diện “HMI” kết hợp để có thể trao đổi các tín hiệu điều khiển và thay đổi hoạt động của các thiết bị ngoại vi

22

Phương pháp đóng chai theo số lượng

Hình 2 1 Nhân công sản xuất tinh bột nghệ

* Ưu điểm: Đếm được sản phẩm có kích thước nhỏ, túi trong suốt, dạng bịch, có thể đếm ở nhiều vị trí, không quan trọng về khoảng cách, có thể kiểm soát được số lượng lớn sản phẩm

* Nhược điểm: Không cài đặt được giá trị cần đếm, nhân công nếu thiếu tập trung có thể quên đi số lượng đã đếm, khó có thể nhớ nếu số lượng sản phẩm quá lớn, sau khi đếm phải nhập liệu, chi phí nhân công cao, thời gian hoạt động giới hạn, quy trình không mang tính tự động

2.2.2 Sử dụng cảm biến tiệm cận

Hình 2 2 Cảm biến tiệm cận đếm sản phẩm trong công nghiệp

* Ưu điểm: Tiết kiệm chi phí, thời gian hoạt động 24/24, kiểm soát số lượng chính xác 100%, chi phí thấp, dễ dàng thay thế sửa chữa, tiết kiệm nhân lực quản lí, cắt bớt chi phí cho bảng, giấy bút, văn phòng phẩm, thống kê được số lượng bất kì lúc nào, tính tự động hóa cao

* Nhược điểm: Phải có kiến thức về các loại cảm biến trên thị trường để lựa chọn thiết bị phù hợp với hệ thống, không đếm được các sản phẩm dạng bịch, trong suốt hay có kích thước nhỏ, không thể kiểm soát số lượng quá nhiều cùng một lúc, sản phẩm đi qua cảm biến phải có khoảng cách chính xác để cảm biến nhận tín hiệu

2.2.3 Sử dụng cảm biến quang

Hình 2 3 Cảm biến quang sử dụng trong công nghiệp

* Ưu điểm: Tiết kiệm chi phí, thời gian hoạt động 24/24, kiểm soát số lượng chính xác 100%, chi phí thấp, dễ dàng thay thế sửa chữa, tiết kiệm nhân lực quản lí, cắt bớt chi phí cho bảng, giấy bút, văn phòng phẩm, thống kê được số lượng bất kì lúc nào, có thể đếm sản phẩm có kích thước nhỏ, tính tự động hóa cao

* Nhược điểm: Phải có kiến thức về các loại cảm biến trên thị trường để lựa chọn thiết bị phù hợp với hệ thống, không đếm được các sản phẩm dạng bịch, trong suốt, không thể kiểm soát số lượng quá nhiều cùng một lúc, sản phẩm cần được kiểm soát tốc độ lúc đi qua cảm biến, cần mạch điều khiển để giải mã tín hiệu

2.2.4 Sử dụng cơ cấu cơ khí

Hình 2 4 Bàn xoay chia hạt

* Ưu điểm : Chi phí đầu tư thấp, thời gian hoạt động 24/24, kiểm soát số lượng chính xác 100%, có thể đếm sản phẩm có kích thước nhỏ, tính tự động hóa cao, tốc

25 độ đếm nhanh, cơ cấu đơn giản, thiết bị bền bỉ do phần nhiêu sử dụng các cơ cấu chấp hành cứng cáp

* Nhược điểm: Tính toán cơ cấu cơ khí đòi hỏi độ chính xác cao, khó khăn trong việc thay thế khi thiết bị xảy ra sự cố, không thể thay đổi số lượng vật mẫu đóng vào chai

Sau khi phân tích, phương án áp dụng vào đề tài được lựa chọn theo các tiêu chí: đếm được sản phẩm có kích thước nhỏ, số lượng đếm chính xác, hiệu quả kinh tế theo thời gian, tính tự động cao Do đó phương án sử dụng cơ cấu cơ khí được sử dụng vào đề tài của nhóm.

Phương pháp lưu kho

* Đặc điểm: Được tạo nên bởi hai dãy kệ quay lưng vào nhau, tiết kiệm đường đi trong kho

* Đặc điểm: Được thiết kế để sử dụng đồng nhất cho một loại pallet, tiết kiệm tối đa diện tích nhà kho do không mất nhiều diện tích cho lối đi riêng

* Đặc điểm: Được thiết kế để chứa các khuôn mẫu, mỗi một tầng được thiết kế chốt chặn để lấy khuôn dễ dàng và an toàn

* Đặc điểm : Tối ưu diện tích sử dụng kệ chứa hàng, mật độ lưu trữ cao, phù hợp với phương pháp lưu trữ LIFO, mỗi xe trượt tách biệt với nhau, dễ dàng nhận dạng và sửa chữa khi cần thiết, mỗi lần tải có thể lưu trữ từ 2 - 5 pallet theo chiều sâu

Sau khi phân tích, phương án áp dụng vào đề tài được lựa chọn theo các tiêu chí: Khuôn mẫu có kích thước giống nhau, mỗi ô trên kho chỉ chứa một khuôn mẫu để tiện việc lấy hàng bằng trục đỡ, trụ dỡ chỉ di chuyển theo chiều ngang Do đó phương án sử dụng kệ khuôn được sử dụng vào đề tài của nhóm.

Phương pháp đưa hàng vào lưu trữ

Hình 2 9 Xe nâng vận chuyển hàng

* Ưu điểm: Có khả năng nâng hàng lớn, linh hoạt, cơ động, giá cả phải chăng, di chuyển bốc dỡ hàng hóa nhanh

* Nhược điểm: Cần nhân công để vận hành máy, tiếng ồn to, tính tự động thấp, rủi ro lao động cao

Hình 2 10 Sử dụng robot vận chuyển hàng

* Ưu điểm: đem lại năng suất lao động cao, khả năng dễ tự động hóa, giảm thiểu lao động và rủi ro trong lao động, giảm thiểu nguồn nhân lực, đảm bảo khả năng chính xác cao

* Nhược điểm: Chi phí đầu tư cao, khó khăn, tốn kém trong việc bảo trì và sửa chữa, cần có kiến thức để sử dụng tốt

* Ưu điểm :tưởng tự như xe nâng nhưng di chuyển tự động, đem lại năng suất lao động cao, khả năng dễ tự động hóa, giảm thiểu lao động và rủi ro trong lao động, giảm thiểu nguồn nhân lực, đảm bảo khả năng chính xác cao, chi phí thấp hơn so với việc dùng robot

* Nhược điểm: tốc độ di chuyển chậm, yêu cầu kĩ thuật cao để đem lại độ chính xác

Sau khi phân tích, phương án áp dụng vào đề tài được lựa chọn theo các tiêu chí: Chi phí thấp, tính tự động hóa cao Do đó phương án sử dụng trục đỡ được sử dụng vào đề tài của nhóm.

Giới thiệu chung về hệ thống

Sau khi các viên tinh bột nghệ được đưa vào cơ cấu xoay để phân chia đúng số lượng viên đổ vào chai đặt bên dưới Sau khi xếp đủ các chai vào khuôn, hệ thống trục đỡ sẽ đưa các khuôn hàng tới kho không có sẵn hàng và lưu trữ cũng như ghi nhớ phần kho đã xếp vào Hệ thống có thể lấy hàng từ kho một cách tương tự.

Lý thuyết chung về PLC [1]

PLC là tên viết tắt của dòng chữa Programmable Logic Controller (Có thể hiểu là thiết bị điều khiển cho phép người dùng lập trình (khả trình) Trong quá khứ các bộ điều khiển chỉ được sản xuất ra để phục vụ riêng cho một mục đích điều khiển và không thể thay đổi (hay còn gọi là điều khiển kết nối cứng), điều này đã tạo ra những hạn chế và nhược điểm vô cùng lớn trong việc lập trình điều khiển nên bộ điều khiển Login khả trình đã được ra đời (PLC) Thông qua bộ điều khiển PLC, người dùng

30 hoàn toàn có thể thay đổi thuật toán điều khiển thông qua việc lập trình PLC (Viết bằng ngôn ngữ lập trình).

Chúng ta có thể lập trình cho PLC nhờ vào các ngôn ngữ lập trình đơn giản Đặc biệt đối với người sử dụng không cần nhờ vào các ngôn ngữ lập trình khó khăn, cũng có thể lập trình PLC được nhờ vào các liên kết logic cơ bản Như vậy thiết bị PLC làm nhiệm vụ thay thế phần mạch điện điều khiển trong khâu xử lý số liệu Nhiệm vụ của sơ đồ mạch điều khiển sẽ được xác định bởi một số hữu hạn các bước thực hiện xác định gọi là chương trình Chương trình này mô tả các bước thực hiện gọi là tiến trình điều khiển, tiến trình này được lưu vào bộ nhớ nên được gọi là điều khiển theo lập trình nhớ hay điều khiển khả trình.

Khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển thì người ta thay đổi mạch điều khiển: Lắp lại mạch, thay đổi các phần tử mới ở hệ điều khiển bằng relay điện Trong khi đó khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển ở hệ điều khiển logic khả trình (PLC) thì người ta chỉ thay đổi chương trình soạn thảo

Hình 2 11 PLC trong công nghiệp

2.6.2 Những ưu điểm khi sử dụng PLC

Giảm giá thành đối với những hệ thống phức tạp

Mềm dẻo và dễ dàng thay thế khi cần thay đổi hệ thống điều khiển

Khả năng kết hợp với máy tính cho phép điều khiển các hệ thống tinh vi

Khả năng hỗ trợ xử lý sự cố làm cho việc lập trình dễ dàng và nhanh chóng Kết cấu chắc chắn và chính xác làm cho hệ thống hoạt động ổn định và tin cậy

Có khả năng kết nối mạng

Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống

Công suất tiêu thụ nhỏ

Hiện nay PLC được phân loại theo 2 cách chính: Đầu tiên PLC được phân loại theo hãng sản xuất gồm các hãng như: Siemens, Omron, Mitsubishi, Allen Bradley, Panasonic,

Phân loại PLC theo Version: Ví dụ như Mitsubishi có Fx, Fxo, Fxon,A- Series,L- Series,Q- Series, Siemens có S7-200, S7-300, S7-1200, S7-1500,

Ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder logic)

Là ngôn ngữ lập trình kiểu đồ họa, hiển thị dựa trên các sơ đồ mạch điện Các phần tử của một sơ đồ mạch điện, như các tiếp điểm thường đóng hay thường mở, và các cuộn dây được nối với nhau để tạo thành các mạng.

Ngôn ngữ lập trình FBD (Function Block Diagram)

Giống như ngôn ngữ LAD, ngôn ngữ FBD cũng là một ngôn ngữ lập trình kiểu đồ họa Sự hiển thị của mạch logic được dựa trên các biểu tượng logic đồ họa sử dụng trong đại số Boolean Các hàm toán học và các hàm phức khác có thể được thể hiện một cách trực tiếp trong sự kết hợp với các hộp logic Để tạo ra logic cho các vận hành phức tạp, ta chèn các nhánh song song giữa các hộp.

Ngôn ngữ lập trình STL (Statement List)

Là phương pháp thể hiện chương trình dưới dạng tập hợp các câu lệnh Đây là dạng ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính Một chương trình được ghép gởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định.

2.6.5 Cấu trúc phần cứng PLC

Hình 2 12 Các thành phần chính của PLC PLC có nhiều hãng sản xuất cũng như nhiều loại khác nhau Tuy nhiên dù là của hãng nào, loại nào, cấu hình nào thì chúng đều có chung các thành phần như trên.

Phần mềm cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server Management Studio

Microsoft SQL Server Management Studio là môi trường phát triển nâng cao cho phép người dung cấu hình, quản lý, quản trị cơ sở dữ liệu SQL server Ứng dụng cho phép người dung lưu trữ dữ liệu dưới dạng RDBMS và tương tác với chúng dưới dạng giao diện hoặc các lệnh được phát triển bởi Microsoft Môi trường được tạo bởi Microsoft SQL Server Management Studio chấp nhận quyền truy xuất dữ liệu từ đa ứng dụng phần mềm Nó có thể chạy trên cùng một máy tính hoặc trên một máy tính khác trên mạng (bao gồm cả Internet)

Hình 2 13 Biểu tượng phần mềm SQL Server Ưu điểm khi sử dụng Microsoft SQL Server Management Studio:

- Giúp người sử dụng có thể duy trì việc lưu trữ bền vững

- Cho phép bạn tạo ra nhiều cơ sở dữ liệu hơn

- Có khả năng phân tích dữ liệu bằng SSAS

- Nó có khả năng bảo mật cao

- Việc tạo ra được các báo cáo bằng SSRS

- SQL Server Reporting Services sẽ được dễ dàng hơn

- Các quá trình sẽ được thực hiện bằng SSIS - SQL Server Integration Services

2.8 Visual Studio và lập trình ASP.NET [4]

Visual studio là một trong những công cụ hỗ trợ lập trình website rất nổi tiếng nhất hiện nay của Mcrosoft và chưa có một phần mềm nào có thể thay thế được nó Visual Studio có những ưu điểm nổi trội sau:

Giúp hỗ trợ lập trình trên nhiều ngôn ngữ như: C#, C/C++, HTML, Visual Basic, JavaScript, CSS

Hỗ trợ việc Debug thuận lợi như hỗ trợ debug từng câu lệnh, Break Point, xem giá trị của biến trong quá trình chạy

Có giao diện dễ sử dụng đối với những người mới biết lập trình - Phần mềm Visual Studio hỗ trợ phát triển các ứng dụng: Windows Form, desktop MFC, Windows 10, ứng dụng mobile Windows Phone 8/8.1…

Có các công cụ kéo thả chuyên nghiệp Được nhiều lập trình viên trên thế giới tin tưởng sử dụng

Hình 2 14 Giao diện phần mềm Visual Studio

ASP.NET được xem là một nền tảng chuyên được sử dụng để phát triển web Nền tảng này được Microsoft phát hành và cung cấp vào năm 2002 và nó có thể tạo ra các ứng dụng web-based ASP.NET được hình thành nhờ những thành phần chủ yếu sau:

Ngôn ngữ: Ngôn ngữ lập trình được sử dụng phổ biến là: VB.net và C #

Thư viện: NET Framework thường có các lớp thư viện chuẩn nên chúng được sử dụng phổ biến cho các ứng dụng web bên trong NET là Web Library Ngoài ra, Web Library còn bao gồm những thành phần cần thiết để sử dụng cho việc phát triển mọi ứng dụng web-based

Thời gian cần để thực hiện chạy ngôn ngữ lập trình CLR: Là một trong những cơ sở hạ tầng của hầu hết các loại ngôn ngữ lập trình thuộc dạng phổ thông và có cả

35 nền tảng CLI được dùng cho quá trình thực hiện chạy quảng cáo chương trình NET Thông thường, CLR chỉ thực hiện những thao tác nghiệp vụ chính để tiến hành xử lý một số trường hợp cá biệt cũng như thu gom rác Ứng dụng của ASP.NET:

- Hỗ trợ cho việc tạo ra các ứng dụng web

- Tổ chức lưu trữ ứng dụng web

- Làm việc với các tập tin cấu hình

Human-Machine Interface (HMI)

Màn hình HMI hiện nay đã quá quen thuộc với con người, đặc biệt trong công nghiệp, nó đóng vai trò vô cùng quan trọng trong phần giao tiếp giữa người và máy HMI là viết tắt của Human-Machine Interface, nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa con người điều hành và máy móc thiết bị Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao tiếp” với một máy móc qua màn hình giao diện thì đó là HMI

Hình 2 15 Màn hình HMI trong công nghiệp

Phần cứng HMI: Phần cứng HMI bao gồm thân vỏ, khung, các thiết bị vi mạch điện tử… Những chi tiết phần cứng cụ thể và chức năng của chúng bao gồm:

Màn hình: Có chức năng cảm ứng để người vận hành có thể chạm tay vào để điều khiển các thao tác trên đó như 1 điện thoại Smartphone hiện đại mà chúng ta hay dùng hàng ngày Ngoài ra màn hình còn dùng để hiển thị các trạng thái cũng như các

36 tín hiệu hoạt động của máy và thiết bị tùy thuộc vào nhu cầu người dung và do người lập trình

Chip: chính là CPU của màn hình

- Bộ nhớ chương trình: ROM, RAM, EPROM/Flash… Phần mềm HMI:

- Các hàm và lệnh - Phần mềm phát triển

- Các công cụ xây dựng HMI

- Các công cụ kết nối, nạp chương trình và gỡ rối

- Các công cụ mô phỏng Truyền thông:

- Các giao thức truyền thông: Modbus, CANbus, PPI, MPI, PROFIBUS…

- Các cổng truyền thông: RS232, RS485, Ethernet, USB…

2.9.2 Ưu điểm và ứng dụng của HMI Ưu điểm của HMI:

- Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin

- Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ xung thông tin cần thiết

- Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa

- Tính “Mở”: Có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại giao thức

- Khả năng lưu trữ cao Ứng dụng thực tế của HMI:

HMI luôn có trong các hệ thống SCADA hiện đại, vị trí của HMI ở cấp điều khiển, giám sát là vô cùng quan trọng

Hình 2 16 Một vài ứng dụng của HMI

2.9.3 Nguyên tắc thiết kế màn hình giám sát HMI[5]

Giao diện màn hình HMI khi thiết kế phải tuân thủ chặt chẽ các nguyên tắc thiết kế đồ họa, bố cục, màu sắc và phân cấp màn hình để đảm bảo yêu cầu sử dụng và vận hành

Màu sắc: Sử dụng khi thiết kế màn hình HMI không được quá nổi bật, không dùng quá nhiều màu sắc sáng và nên thiết kế theo 1 gam màu xám Có một số màu sắc được quy ước khi thiết kế như sau:

- Màu đỏ thể hiện hoạt động dừng lại, khẩn cấp hoặc cấm

- Màu xanh lá thể hiện việc bắt đầu hoặc điều kiện an toàn

- Màu vàng thể hiện cảnh báo

- Màu xanh đậm là hoạt động bắt buộc

- Đồ họa: Không được sử dụng quá nhiều hiệu ứng phức tạp, nên sử dụng các hiệu ứng đơn giản Chỉ hiển thị các thông tin cần thiết, quan trọng để người dùng dễ dàng nắm bắt thông tin và vận hành

- Thông tin cần thiết cần gom lại trong nền trắng và đặt bên phải màn hình

- Các đèn báo được bố trí góc trên bên trái là vị trí đầu tiên mà mắt người quét qua giúp nhanh chóng nhận biết tình trạng hoạt động của hệ thống

- Các nút nhấn được đặt trong 1 vùng gồm các nút điều khiển được đặt bên trái màn hình, các nút điều hướng được đặt ở bên góc dưới bên phải màn hình Đồng thời, các nút nhấn, nhãn dán và bảng biểu phải đồng điệu và sắp xếp song song với nhau Các nút nhấn chế độ Manual ở chung một vị trí.

Chuẩn giao tiếp truyền dữ liệu (Ethernet)

Ethernet là một họ các công nghệ mạng máy tính thường dùng trong các mạng local area network (LAN), metropolitan area network (MAN) và wide areanetwork (WAN) Nó được giới thiệu thương mại vào năm 1980 và lần đầu tiên được tiêu chuẩn hóa vào năm 1983 thành IEEE 802.3, kể từ đó nó được chỉnh sửa để hỗ trợ bit rate cao hơn và khoảng cách kết nối dài hơn Theo quá trình phát triển, tốc độ truyền dữ liệu Ethernet đã tăng từ 2.94 megabit trên giây (Mbit/s) ban đầu lên đến tốc độ gần đây nhất là 100 gigabit trên giây (Gbit/s).

Nhờ tốc độ nhanh, độ tin cậy và tính bảo mật cao, Ethernet được ứng dụng rất rộng rãi.

Phương thức hoạt động của giao tiếp Ethernet:

Giao thức Ethernet hoạt động trên layer 1 - lớp vật lý - và layer 2 - lớp liên kết dữ liệu - trên mô hình giao thức mạng OSI Ethernet xác định hai đơn vị truyền: packet và framework Framework không chỉ có nội dung của dữ liệu được truyền mà còn bao gồm:

- Địa chỉ truy cập vật lý (MAC) của cả người gửi và người nhận

- Gắn thẻ Vlan và thông tin liên quan khác

- Thông tin sửa lỗi để phát hiện sự cố truyền

Mỗi frame sẽ nằm trong một gói chứa một vài byte thông tin để thiết lập kết nối và đánh dấu vị trí framework bắt đầu.

Giới thiệu phần mềm lập trình Tia Portal

TIA Portal viết tắt của Totally Integrated Automation Portal là một phần mềm tổng hợp của nhiều phần mềm điều hành quản lý tự động hóa, vận hành điện của hệ thống Có thể hiểu, TIA Portal là phần mềm tự động hóa đầu tiên, có sử dụng chung một môi trường nền tảng để thực hiện các tác vụ, điều khiển hệ thống

Hình 2 17 Giao diện phần mềm Tia Portal TIA Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện các thao tác:

- Thiết kế giao diện kéo nhã thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ đa dạng

- Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát

- Thực hiện go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị trong project để xác định bệnh, lỗi hệ thống

- Tích hợp mô phỏng hệ thống

- Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens.

Động cơ bước [2]

2.12.1 Động cơ bước là gì?

40 Động cơ bước (stepper motor), thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay

2.12.2 Cấu tạo động cơ bước

Về cấu tạo động cơ bước gồm có các bộ phận là stato, roto là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính Động cơ bước được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài Động cơ bước và bộ điều khiển được thiết kế sao cho động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như quay đến một vị trí bất kỳ nào Động cơ bước có thể sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản, hoặc vòng kín, tuy nhiên khi sử dụng động cơ bước trong hệ điều khiển vòng hở khi quá tải, tất cá các giá trị của động cơ đều bị mất và hệ thống cần nhận diện lại

Hình 2 19 Cấu tạo động cơ bước

2.12.3 Đặc điểm của động cơ bước Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau Khi có dòng điện hay điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ bước làm cho roto của động cơ quay một góc nhất định gọi là bước của động cơ

Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển Góc bước được xác định dựa vào cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều khiển động cơ bước

Tính năng mở máy của động cơ được đặc trưng bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà không làm cho roto mất đồng bộ

Chiều quay động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây

2.12.4 Phân loại động cơ bước Động cơ bước được chia thành 3 loại chính là: Động cơ bước biến từ trở Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Động cơ bước hỗn hợp/lai

2.12.5 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

42 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có roto là nam châm vĩnh cửu, stato có nhiều răng trên mỗi răng có quấn các vòng dây Các cuộn dây pha có cực tính khác nhau

Hình 2 20 Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có 2 cặp cuộn pha được trình bày ở hình 2.21: Ban đầu vị trí của stato và roto đang ở phase A Khi cấp điện cho 2 cuộn dây pha B và D trong 2 cuộn sẽ xuất hiện cực tính Do cực tính của cuộn dây pha và roto ngược nhau dẫn đến roto chuyển động đến vị trí như hình phase

B on Khi cuộn dây pha B và D ngắt điện cuộn dây A và B được cấp điện thì roto lại chuyển động đến vị trí như hình phase C on

Hình 2 21 Nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Gọi số răng trên stato là Zs, góc bước của động cơ là Sđc, góc bước của động cơ này được tính theo công thức sau:

2.12.6 Động cơ bước biến từ trở Động cơ bước biến từ trở có cấu tạo giống với động cơ bước nam châm vĩnh cửu Cấu tạo của stato cũng có các cuộn pha đối xứng nhau, nhưng các cuộn pha đối xứng có cùng cực tính khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu Góc bước của stato là Ss

Roto của động cơ bước biến từ trở được cấu tạo từ thép non có khả năng dẫn từ cao, do đó khi động cơ mất điện roto vẫn tiếp tục quay tự do rồi mới dừng hẳn

Nguyên lý hoạt động của động cơ bước biến từ được thể hiện như hình:

Hình 2 22 Nguyên lý hoạt động động cơ bước biến trừ trở Khi cấp điện cho pha A (hình 2.22), từng cặp cuộn dây A bố trí đối xứng nhau có cùng cực tính là nam (S) và bắc (N) Lúc này các cuộn dây hình thành các vòng từ đối xứng

Khi cấp điện cho pha B (hình 2.22), lúc này từ trở trong động cơ lớn, momen từ tác động lên trục roto làm cho roto quay theo chiều giảm từ trở Roto quay cho tới

44 khi từ trở nhỏ nhất và khi momen bằng không thì trục động cơ dừng, roto đạt đến vị trí cân bằng mới Để động cơ quay ngược chiều chỉ cần cấp điện cho các pha theo thứ tự ngược lại Tương tự như vật khi cấp điện cho pha C, động cơ hoạt động theo nguyên tắc trên và roto ở vị trí như hình 2.22 Quá trình trên lặp lại và động cơ quay liên tục theo thứ tự pha A

Gọi số pha của động cơ là Np, ổ răng trên roto là Zr, góc bước của động cơ bước biến từ trở là S ta tính được công thức sau:

2.12.7 Động cơ bước hỗn hợp Động cơ bước hỗn hợp (còn gọi là động ơ bước lai) có đặc trưng cấu trúc của động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ Stato và roto có cấu tạo tương tự động cơ bước biến từ trở nhưng số răng của stato và roto không bằng nhau Roto của động cơ bước thường có 2 phần: phần trong là nam châm vĩnh cửu được gắn chặt lên trục động cơ, phần ngoài là 2 đoạn roto được chế tạo từ lá thép non và răng của 2 đoạn roto được đặt lệch nhau

Hình 2 23 Cấu tạo động cơ bước hỗn hợp Góc bước của động cơ bước hỗn hợp được tính theo công thức:

S là góc bước của động cơ

Sr là góc giữa 2 răng kề nhau

Zs là số cặp cực trên stato Động cơ bước hỗn hợp được sử dụng rộng rãi vì kết hợp các ưu điểm của 2 loại động cơ trên là động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ trở

Hiện nay các động cơ bước 2 pha được sử dụng rất thông dụng, có kết cấu như động cơ bước hỗn hợp và động cơ bước nam châm vĩnh cửu Tuy nhiên động cơ bước

Xy lanh khí nén

Xi lanh khí nén hay còn gọi là ben khí nén, xi lanh khí là một thiết bị cơ học, sử dụng sức mạnh của khí nén để tạo ra lực cung cấp cho chuyển động Xi lanh khí

49 nén giúp chuyển hóa năng lượng của khí nén thành động năng, tác dụng làm piston của xi lanh chuyển động, thông qua đó truyền động đến thiết bị hoạt động Bởi vì khí nén có khả năng nở rộng, không có sự xuất hiện của năng lượng đầu vào từ bên ngoài Để thực hiện chức năng của mình, khí nén dãn nở ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, áp lực được tạo ra đẩy piston chuyển động theo hướng mong muốn.

Hình 2 30 Cấu tạo Xy lanh Cấu tạo Xi lanh khí nén gồm các bộ phận chính như sau:

Lỗ cấp khí (cap-end port)

Lỗ thoát khí (rod-end port)

Hành trình xa nhất mà trục piston có thể di chuyển (được gọi là cylinder stroke) là đơn vị được thiết kế tùy biến theo yêu cầu phù hợp, tùy theo nhà sản xuất hoặc lượng chạy của nhà máy

Phân loại xi lanh khí nén

Xy lanh khí nén một chiều

Xy lanh khí nén hai chiều

Xy lanh khí nén dạng xoay

Xy lanh khí nén dạng trượt

Van điện từ có tên tiếng anh là solenoid valve Đúng như tên gọi của nó, van sử dụng từ trường để đóng mở, kiểm soát lưu chất trong hệ thống đường ống Van sử dụng nguồn điện 24v, 220v xoay chiều hoặc một chiều

Van điện từ có cơ chế đóng mở nhanh, hoạt động ổn định, tốn ít năng lượng và có thiết kế nhỏ gọn Trong các hệ thống công nghiệp, chúng đóng vai trò mở, trộn phân chia dòng lưu chất trong đường ống Van được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, từ môi trường chất lỏng như nước, dầu, hóa chất đến các môi trường dạng khí, hơi

Van có thiết kế phổ biến nhất là dạng hai cổng: một vào và một ra Ngoài ra chúng cũng có thiết kế dạng ba cổng: một vào và hai cổng ra Dạng ba cổng thường sử dụng trong các hệ thống phân chia dòng lưu chất Các hệ thống hiện đại có thể sử dụng rất nhiều van điện từ để ghép lại với nhau, nhằm tối ưu hóa hoạt động của hệ thống

Hình 2 31 Một số van điện từ hiện nay Cấu tạo của van điện từ:

Hình 2 32 Cấu tạo van điện từ Nguyên lí hoạt động của van điện từ:

Van sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để hoạt động Khi dòng điện đi qua cuộn dây thì nó sẽ sinh ra một dòng từ trường Dòng từ trường này sẽ hút pit tông lên trên Pit tông rời khỏi vị trí ban đầu sẽ giúp cho dòng lưu chất đi qua hoặc chặn hoàn toàn dòng lưu chất

Phân loại van điện từ:

Phân loại theo dạng đóng mở

Phân loại theo thiết kế

Giới thiệu

Với đề tài này thì yêu cầu phải làm sao cho cơ cấu có thể phân chia đúng số lượng viên nén hạt nghệ theo yêu cầu (40 viên/chai), đồng thời cơ cấu nâng hạ có thể di chuyển ổn định để dễ dàng thao tác trong việc lấy và cất các khuôn chứa sản phẩm, yêu cầu thiết kế và sử dụng Web Page để lưu trữ dữ liệu cảm biến và giám sát từ xa

Vì vậy nhóm phải thiết kế các yêu cầu sau:

Thiết kế mạch kết nối ngõ ra của PLC kết nối với driver

Thiết kế mạch kết nối ngõ vào của PLC với động cơ DC

Tiến hành điều chỉnh tốc độ động cơ trên driver

Vận hành tự động và giám sát trên màn hình HMI

Giám sát thông qua Web Server.

Thiết kế hệ thống

3.2.1 Thiết kế phần cơ khí cho hệ thống

3.2.1.1 Các yêu cầu chức năng cơ khí của hệ thống

Khung chắc chắn đảm bảo ít rung lắc khi mô hình đang vận hành

Các ô chứa khuôn phải có kích thước phù hợp với mô hình kho được lên thiết kế

Trục động cơ phải đồng tâm với gối đỡ trục để đảm bảo động cơ di chuyển một cách ổn định nhất

Bản vẽ thiết kế cơ khí của hệ thống trên Solidworks

3.2.1.2 Thiết kế bản vẽ trên phần mềm Solidworks

Hình 3 1 Hình từ trên xuống của mô hình

Hình 3 2 Mặt sau của mô hình

Hình 3 3 Hình chiếu từ bên trái sang của mô hình

Hình 3 4 Mô hình hoàn thiện (1)

Hình 3 5 Mô hình hoàn thiện (2)

Hình 3 6 Mô hình hoàn thiện (3)

3.2.2 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Hình 3 7 Sơ đồ khối hệ thống

Chức năng của từng khối

Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống hoạt động

Khối cảm biến: có nhiệm vụ truyền tín hiệu về PLC để xử lý

Khối động cơ driver và relay: bao gồm các relay và các động cơ bước để vận hành mô hình

Khối xử lý trung tâm:

PLC nhận và truyền tín hiệu cho máy tính và các tín hiệu ngõ vào để điều khiển động cơ

SCADA giúp quá trình quan sát tốt hơn ngoài ra có thể vận hành ở phòng điều khiển thay vì trực tiếp với máy

Hoạt động của hệ thống

Viên nén được đổ đầy vào bộ phận chứa sau đó bộ phận chứa có nhiệm vụ phân chia đúng số lượng viên nén vào bên dưới lọ thủy tinh Sau đó xy lanh đứa các lọ được đặt trong các khuôn mẫu vào trục nâng đỡ để đưa đến từng kho

Lúc này hệ thống sẽ bắt đầu so sánh xem đã có khuôn ở trong kho hay chưa, nếu chứa thì đưa khuôn vào kho Hệ thống trục đỡ nâng khuôn lên và di chuyển đến vị trí kho, lúc này xy lanh tiến hành đứa khuôn vào kho và hoàn tất việc lưu kho

Cũng như việc lưu kho thì việc xuất kho cũng tương tự Tiến hành kiểm tra trên hệ thống, sau đó hệ thống sẽ xem khuôn đã có trong kho chưa, nếu đã có thì bắt đầu di chuyển trục đỡ đến vị trí của khuôn đồng thời nâng khuôn ra khỏi khung sau đó di chuyển đến vị trí ra để xuất kho

3.2.3.1 Thiết kế khối khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm bao gồm PLC và máy tính giao tiếp với nhau qua cổng Enthernet.

Với đề tài này thì nhóm sử dụng 2 cảm biến để nhận biết vị trí của lọ thủy tinh,

3 công tắc để chạy hoặc dừng hệ thống, 1 rơ le tương ứng với 1 động cơ DC để điều khiển băng chuyền, 5 chân phát xung và điều khiển cho 3 driver, 2 chân ngõ ra để điều khiển van điện từ Như vậy, có tổng tất cả 5 ngõ vào và 8 ngõ ra Ngoài ra PLC cần có thư viện để kết nối SQL để đứa lên Web Server Do đó nhóm chọn PLC Siemens 1214DC/DC/DC

Hình 3 8 Kết nối PLC với máy tính CPU 1214C DC/DC/DC (mã sản phầm 6ES7214-1AG40-0XB0) là một loại PLC S7-1200 có các tính năng nổi bật cho hầu hết các hệ thống công nghiệp, các dự án lớn hay mô hình nghiên cứu của sinh viên Với việc sử dụng hàm chức năng như một bộ đếm tốc độ cao High Speed Counter (HSC) Điện áp ngõ vào, ngõ ra là 24 VDC, phù hợp với các loại thiết bị như cảm biến và relay

Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật của CPU 1214C DC/DC/DC được mô tả như sau: Điện áp nguồn 24 VDC

I/O tích hợp 16DI 24VDC, 16DO 24VDC, 4AI (0 – 10VDC),

Ngôn ngữ lập trình LAD, STL, FBD

Cổng truyền thông Profinet, MPI

Giao thức truyền thông Ethernet, Modbus

Khả năng mở rộng Tối đa 4 rack với mỗi rack là 8 module I/O

3.2.3.2 Thiết kế khối khối nguồn

Cảm biến tiệm cận sử dụng nguồn 6-36VDC

Van điện từ khí nén sử dụng nguồn 24VDC Động cơ DC sử dụng nguồn 24VDC

Driver TB6600 sử dụng điện áp 9VDC đến 42VDC, dòng điện tiêu thụ tối đa

Với những thông số kỹ thuật, điện áp sử dụng và dòng điện tiêu thụ đã phân tích trên, nhóm quyết định chọn nguồn cung cấp cho toàn bộ hệ thống là nguồn tổ ong 24VDC – 3A

Hình 3 10 Nguồn 24VDC-3A Thông số kỹ thuật Đầu vào: AC110V / 220V Đầu ra: DC 24V 3A

Chất liệu: kim loại, linh kiện điện tử

Các kí hiệu đầu kết nối

GND: Đầu dây nối đất

V / ADJ: Điều chỉnh điện áp đầu ra (15%)

3.2.3.3 Thiết kế khối động cơ, driver và relay

Mô-men của động cơ: 𝑇 = P∗9.55 n = 1.08∗9.55

23 ≈ 0.45 (Nm) Tải trọng tối đa trên băng tải là 150gam

Hình 3 11 Động cơ giảm tốc ZGB37R-530 24V 23rpm Bảng 3 2 Thông số kỹ thuật của động cơ giảm tốc ZGB37R-530 24V 23rpm được mô tả như dưới: Điện áp nguồn 24VDC

Lựa chọn dây băng tải:

Băng tải mini phổ biến trên thị trường thường có kích thước về ngang là 6 cm,

8 cm, 10 cm… Để kéo sản phẩm mẫu có mặt tiếp xúc với băng tải đường kính 5.5cm, mô hình hệ thống có chiều rộng 60 cm Nhóm sinh viên chọn băng tải có kích thước 800x60 mm để phù hợp với mô hình và sản phẩm mẫu

Lựa chọn động cơ bước

Sản phẩm được động bước kết hợp với cơ cấu chấp hành di chuyển vào, ra vị trí kho Khối lượng tối đa sản phẩm có thể chứa được lần lược là 500g, 5kg, 20kg Khoảng cách từ trục động cơ đến cơ cấu chấp hành lần lược là 20mm, 500mm, 500mm Từ đó ta tính moment tối thiểu cần thiết để vận hành mô hình

* Đối với động cơ bàn xoay:

Tải trọng tối đa sản phẩm: 𝐹1 = 0.5 ∗ 10 = 5 𝑁

Khoảng cách từ trục động cơ đến điểm đặt lực: 𝑑1 = 20 𝑚𝑚 = 0.2 𝑚

Moment xoắn cần để di chuyển sản phẩm: 𝑀1 = 𝐹1 𝑑1 = 5 20 = 1.0 𝑁𝑚

* Đối với động cơ nâng hạ:

Các thông số đầu vào:

Chọn vít-me có bước PB= 8 mm

Hệ số ma sát trượt giữa thép và gang ta chọn μ = 0.12

Gia tốc lớn nhất của bàn máy amax = 3m/s 2

Vận tốc lớn nhất của bàn máy vmax = 10m/phút

Chiều dài dịch chuyển lớn nhất bàn máy L = 500 mm

Khối lượng bàn máy M = 5 kg

Tỉ số truyền i = 1 ( do chọn phương án động cơ nối trực tiếp với vít-me không qua hộp giảm tốc)

Lực ma sát giữa con chạy và ray dẫn hướng: Ffric = f.m.g

Với: f là hệ số ma sát, m là khối lượng bàn máy

Với là PB bước vít, u là tỉ số truyền, u = 1 vì trục động cơ nối với trục vít bằng nối trục

Momen trọng lực quy đổi

Vận tốc lớn nhất của trục vít

0.008 = 1200 rpm Tiêu chí lựa chọn động cơ

Tốc độ định mức của động cơ Nrated ≥ Nmax tốc độ lớn nhất của vitme mà tải yêu cầu

Trated ≥ k.TL momen định mức động cơ lớn hơn momen tải quy đổi, trong đó k là hệ số dự trữ

Momen xoắn định mức của động cơ

Dựa vào các dữ kiện trên, chọn động cơ sơ bộ như sau:

Chọn động cơ bước CNC STEPPERONLINE NEMA 23

Hình 3 13 Động cơ bước Nema 23 Tốc độ: 800-1200 rpm

Kích thước động cơ: 57x57x56 mm

Với mô-men xoắn giữ 1,26 Nm và kích thước 57x57x56mm, động cơ StepperOnline có tổng cộng 4 dây dẫn, đường kính trục 6,35mm và chiều dài trục

20,6mm Góc bước của động cơ là 1,8° có thể chạy 200 bước mỗi vòng quay và có điện trở pha là 0,9 ôm

* Đối với động cơ di chuyển phải trái

Chọn vít-me có bước PB= 8 mm

Hệ số ma sát trượt giữa thép và gang ta chọn μ = 0.4

Gia tốc lớn nhất của bàn máy amax = 3m/s 2

Vận tốc lớn nhất của bàn máy vmax = 10m/phút

Chiều dài dịch chuyển lớn nhất bàn máy L = 500 mm

Khối lượng bàn máy M = 20 kg

Tỉ số truyền i = 1 (do chọn phương án động cơ nối trực tiếp với vít-me không qua hộp giảm tốc)

Khi hệ thống hoạt động các sẽ xuất hiện các thành phần lực, momen chống lại chuyện động quay từ trục động cơ Để đơn giản cho việc tính toán, ta biến đổi các thành phần này về một thành phần duy nhất Đó là việc quy đổi momen tải về trục động cơ

Lực cản của hệ thống bao gồm:

- Lực ma sát của con chạy với ray dẫn hướng

- Trọng lượng tải (bàn máy + hộp + vítme) Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân bằng công suất của hệ truyền động

Giả thiết tải trọng G sinh ra lực Fci có vận tốc truyền động là

Momen quy đổi của thành phần lực này là:

𝜔: Tốc độ động cơ [rad/s] vi: vân tốc của phần tử thứ i [m/s]

Lực ma sát giữa con chạy và ray dẫn hướng: Ffric = f.m.g với: f là hệ số ma sát, m là khối lượng bàn máy

𝜔 = 𝑃 𝐵 𝑢 với là PB bước vít, u là tỉ số truyền, u = 1 vì trục động cơ nối với trục vít bằng nối trục

Momen trọng lực quy đổi

Công suất do trọng lực tạo ra 𝑁𝐺 = 𝑃 𝑣 , mà 𝑃 và 𝑣 vuông góc với nhau, do bàn máy đặt ngang nên 𝑁𝐺 = 0, vậy momen trọng lực quy đổi

Vận tốc lớn nhất của trục vít

0.008 = 1200 rpm Lựa chọn sơ bộ động cơ

Tiêu chí lựa chọn động cơ

Tốc độ định mức của động cơ Nrated ≥ Nmax tốc độ lớn nhất của vitme mà tải yêu cầu

Trated ≥ k.TL momen định mức động cơ lớn hơn momen tải quy đổi, trong đó k là hệ số dự trữ

- Momen xoắn định mức của động cơ

Dựa vào các dữ kiện trên, chọn động cơ sơ bộ như sau Động Cơ Bước 42HB250-40B

Hình 3 14 Động Cơ Bước 42HB250-40B Bảng 3 3 Thông số kĩ thuật Động cơ bước 42HB250-40B:

Chiều Dài của động cơ 60mm

Tốc độ 800-1200 rpm Điện cảm 2.6 MH

Hording Mô-men Xoắn 0.4 N.m Điện áp 12 ~ 60 V

Với đề tài này nhóm quyết định chọn rơ le trung gian Omron 8 chân

Hình 3 15 Rơ le Omron Thông số kĩ thuật

Loại rơ le 8 chân nhỏ, Điện áp cuộn định mức: 24VDC

Sử dụng driver TB6600 để điều khiển cho động cơ bước

Hình 3 16 Bộ điều khiển động cơ bước Driver TB6600

Tín hiệu đầu vào có cách ly quang, tốc độ cao bằng opto

Có thể dừng động cơ bằng cách ngưng cấp xung điều khiển

Chế độ điều khiển bán kép kín giúp cho mạch có thể hoạt động ở những môi trường nghiêm ngặt hơn

Có chức năng khóa bán tự động tiết kiệm năng lượng

Có chức năng bảo vệ Quá nhiệt, quá dòng, sụt áp

Có thể điều khiển động cơ bước 2 pha quay và đảo chiều quay, có thể hoạt động ở chế độ vi bước ( 1/2; 1/4; 1/8; 1/16 bước)

Lựa chọn van điện từ

Có nhiều loại van khí nén điện từ có thể điều khiển được Xi-lanh hệ thống như loại van điện từ khí nén 5/2 AIRTAC 4V410-15

Hình 3 17 Van điện từ AIRTAC Bảng 3 4 Thông số kỹ thuật van điện từ AIRTAC Điện áp cung cấp 24 VDC Áp lực khí nén 1MPA

Dòng điện tiêu thụ 83mA

Lựa chọn xy lanh xoay Được ứng dụng trong việc đầy và lấy các khuôn mẫu với khoảng cách < 7cm nên nhóm quyết định chọn xy lanh khí nén MAL 16x75 để đáp ứng yêu cầu hệ thống

Hình 3 18 Xy lanh khí nén MAL 16x75 Thông số kĩ thuật: Đường kính trong 16mm

Max Áp Lực: 1.0 MPa (10.2 kg/cm2)

Kích Thước chân ren: PT - M5*0.8 (ren 5mm)

3.2.3.4 Thiết kế khối cảm biến và nút nhấn

Lựa chọn cảm biến vật cản

Mô hình yêu cầu khoảng cách phát hiện vật khoảng 3 – 5 cm, ngoài ra để kết nối với PLC S7-1200, nhóm sinh viên chọn cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4 NPN có ngõ ra 6 – 36 V, tiếp điểm NPN khi được kích hoạt sẽ mang điện áp 0V, nghĩa là chân dương của tải sẽ nối với nguồn, còn chân âm của tải sẽ nối với tiếp điểm NPN, tiếp điểm ngõ ra dạng NPN tức là không có điện áp trên tiếp điểm sẽ giúp hạn chế tối đa khả năng cháy nổ khi sự cố xảy ra Đây là loại cảm biến hồng ngoại phổ biến và đặc biệt phù hợp với các đề tài nghiên cứu của sinh viên

Hình 3 19 Cảm biến vật cản Bảng 3 5 Thông số kỹ thuật của cảm biến E3F-DS30C4

Nguồn điện cung cấp 6 - 36VDC

Khoảng điều chỉnh cảm biến 7~30cm

Khoảng cách phát hiện vật cản 0~30cm

Dòng kích ngõ ra 300mA

Dạng đóng ngắt Thường đóng

Số dây tín hiệu 3 dây

Hình 3 21 Nút nhấn Start, Stop, Emergency Thông số kỹ thuật: Điện áp tải Max: 440V

Màu sắc: Đỏ, Xanh lá

3.2.4 Thiết kế lưu đồ điều khiển

3.2.4.1 Yêu cầu thiết kế hệ thống

Các công đoạn trong hệ thống phải diễn ra một cách tự động

Quan sát được trạng thái hoạt động của thiết bị, số lượng khuôn trong kho

Có thể điều khiển được các thiết bị ở trên màn hình máy tính

Chương trình phải được viết rõ ràng và gọn gàng để dể quản lý và bảo trì

Giao diện đơn giản và hài hòa, tạo cho người dùng cảm giác dễ nhận biết và điều khiển

3.2.4.2 Mô tả chương trình điều khiển phần cứng

Ban đầu, khi cấp điện cho hệ thống, động cơ bước về vị trí Home, xi-lanh xoay ở vị trí mặc định, động cơ băng tải vẫn trong trạng thái dừng

Nhấn Start, hệ thống sẽ hoạt động, băng tải chạy và các cơ cấu chấp hành trong trạng thái sẵn sàng

Cảm biến phát hiện lọ thủy tinh đi vào, băng tải dừng

Bộ phận đế xoay hoạt động, đếm đủ số lượng hạt đứa vào lọ thủy tinh bên dưới, bằng tải tiếp tục chạy

Cảm biến thứ 2 phát hiện lọ thủy tinh, bằng tải dừng, xy lanh đẩy lọ thủy tinh vào khuôn Sau khi khuôn nhận đủ 2 lọ thủy tinh, cơ cấu giá đỡ hoạt động, đưa xy lanh thứ 2 đẩy ra nhận lấy khuôn và đứa khuôn đến những vị trí kho còn trống Hệ thống trục đỡ hoạt động tương tự đối với việc xuất kho

Sau khi trục đỡ trở về vị trí ban đầu, băng tải tiếp tục chạy để thực hiện chu kì mới

Hệ thống sẽ thực hiện lại các bước trên khi có hộp sản phẩm mới đi vào, có thể dừng bằng nút nhấn Stop/Emergency-Stop

Hình 3 22 Lưu đồ điều khiển

3.2.5 Thiết kế màn hình giám sát HMI

Sử dụng phần mềm TIA Portal để thiết kế màn hình giám sát

Yêu cầu thiết kế màn hình HMI:

Giao diện đơn giản, dễ dàng quan sát, vận hành Đầy đủ các thông tin, trạng thái của hệ thống Tuân theo các nguyên tắc thiết kế HMI

Hiển thị được các trạng thái hoạt động một cách trực quan giúp người dung nhận biết dễ dang nếu gặp sự cố

3.2.5.1 Thiết kế màn hình tổng quan

Trang màn hình tổng quan thể hiện khách quan quá trình hệ thống vận hành thông qua bảng thông báo, chứa các nút điều hướng người sử dụng Sau khi đăng nhập phân quyền người dùng có thể truy cập vào các trang vận hành chi tiết

Hình 3 23 Màn hình tổng quan hệ thống

3.2.5.2 Thiết kế màn hình vận hành Ở màn hình vận hành bằng tay, người vận hành có thể sử dụng để kiểm tra các phần cứng có hoạt động không, và khi 1 thành phần nào đó hoạt động không ổn định hoặc hỏng sẽ được báo cáo lên bảng thông báo Người vận hành dễ dàng sửa chữa và vận hành từng thành phần của hệ thống một cách rời rạc

Hình 3 24 Màn hình vận hành hệ thống

3.2.6 Thiết kế giao diện Web Pages

80

Kết quả thiết kế hệ thống

Mô hình thiết kế cơ khí của hệ thống có khả năng đáp ứng được yêu cầu của đồ án đó là khả năng đưa hạt phân chia đều vào các lọ thủy tinh đồng thời đưa các khuôn mẫu đến đúng vị trí kho yêu cầu

Hình 4 1 Mô hình đóng chai hệ thống

Hình 4 2 Mô hình lưu kho hệ thống

Kết quả thiết kế giao diện SCADA

Hình 4 4 Giao diện màn hình tổng quan

4.3 Kết quả thực hiện giao diện Web Server

Hình 4 9 Dữ liệu nhập kho (1)

Hình 4 10 Dữ liệu nhập kho (2)

4.4 Kết quả cơ sở dữ liệu SQL

Hình 4 11 Data base trong phần mềm SQL

Hình 4 12 Bảng lưu trữ trong quá trình sản xuất

Lần Hộp chai Số viên Thoi gian đóng chai

- Số viên tinh bột nghệ ở 2 lần cuối ít hản so với các lần trước

Lí do: ở 2 lần cuối, số hạt trong ô chứa không còn đầu như lúc trước (còn khoang 10%) cho nên số hạt xa xuống không còn đủ

Giải pháp: mở rộng ô chứa, đảm bảo cho ơ chứa luôn đủ hạt, có thể sử dụng cảm biến để đo mức hạt còn trong ô chứa để nhắc nhở cấp them hạt vào ô hoặc tự động cấp hạt

- Thời gian cấp hạt cho chai khá dều nhau, sai số khả năng cao do quá trình bấm giờ bằng nhân lực và dụng cụ bấm giờ thô sơ

-Chu kì đóng chai lưu kho không đều nhau

Lí do: khoảng cách các kho không đều nhau, nên thời gian để di chuyển đến các ô kho là khác nhau

Giải pháp: có thê tăng tốc độ của động cơ servo, giảm thời gian di chuyển đến các ô kho, từ đó thời gian chênh lệch là không đáng kể

Kết quả cơ sở dữ liệu SQL

Hình 4 11 Data base trong phần mềm SQL

Hình 4 12 Bảng lưu trữ trong quá trình sản xuất

Lần Hộp chai Số viên Thoi gian đóng chai

- Số viên tinh bột nghệ ở 2 lần cuối ít hản so với các lần trước

Lí do: ở 2 lần cuối, số hạt trong ô chứa không còn đầu như lúc trước (còn khoang 10%) cho nên số hạt xa xuống không còn đủ

Giải pháp: mở rộng ô chứa, đảm bảo cho ơ chứa luôn đủ hạt, có thể sử dụng cảm biến để đo mức hạt còn trong ô chứa để nhắc nhở cấp them hạt vào ô hoặc tự động cấp hạt

- Thời gian cấp hạt cho chai khá dều nhau, sai số khả năng cao do quá trình bấm giờ bằng nhân lực và dụng cụ bấm giờ thô sơ

-Chu kì đóng chai lưu kho không đều nhau

Lí do: khoảng cách các kho không đều nhau, nên thời gian để di chuyển đến các ô kho là khác nhau

Giải pháp: có thê tăng tốc độ của động cơ servo, giảm thời gian di chuyển đến các ô kho, từ đó thời gian chênh lệch là không đáng kể

Kết luận

5.1.1 Những kết quả đạt được

Trong suốt 3 tháng thực hiện đề tài, tôi đã hoàn thành những nội dung sau:

- Hiểu được lý thuyết cơ bản về cấu tạo các loại kho chứa cũng như các phương pháp đóng chai trên thị trường hiện nay

- Hiểu thêm kiến thức về các loại cảm biến, sử dụng các cảm biến để làm tăng tính tự động cho hệ thống

- Củng cố thêm cơ sở lý thuyết về các thành phần của hệ thống thông qua việc tính toán và lựa chọn thiết bị dưới sự hỗ trợ của phần mềm mô phỏng Solidworks

- Mô hình được thi công đúng theo thiết kế, đáp ứng các yêu cầu của hệ thống

- Bảng điện được thiết kế theo hướng điện vào – ra, các dây được bấm đầu cos chắc chắn mang tính thẩm mĩ cao, dễ dàng sửa chữa, thay thế

Về phần mềm điều khiển:

- Thiết kế được quy trình, chương trình đóng chai, chương trình điều khiển cho hệ thống nhập và xuất kho viên nén tinh bột nghệ

- Hiểu được cách đặc điểm, nguyên lý hoạt động của PLC

- Chương trình điều khiển PLC hoạt động ổn định, cho phép từng thiết bị hoạt động dễ dàng

- Thiết kế được giao diện giao diện điều khiển giám sát trực quan dễ dàng vận hành, dễ dàng thu thập và lưu trữ dữ liệu vào SQL

- Thiết kế giao diện HMI dễ dàng quản lý và sử dụng

- Nhóm sử dụng hạt nhựa tròn thay thế cho viên tinh bột nghệ nên không thể chính xác 100% khi đếm số lượng

- Cơ cấu nâng hạ mất nhiều thời gian để vận hành nếu kho còn trống ở quá xa dẫn đến nằng suất tuột giảm

- Điều khiển và giám sát PLC bằng Webserver chỉ thực hiện trong mạng nội bộ, chưa điều khiển từ xa qua Internet

5.1.3 Những khó khăn khi gặp phải

- Tìm mua thiết bị tương đối khó và chi phí cao

- Thiết bị khi mua không có hoặc không đúng với những yêu cầu đã thiết kế: thông số không khớp, độ sai lệch cao…

- Thời gian thực hiện đồ án không được liên tục, nhóm sinh viên chỉ được làm việc online do do dịch bệnh Covid-19 đang diễn biến phức tạp khó lường

5.1.4 Những kiến thức đạt được sau khi hoàn thành đồ án tốt nghiệp

- Kinh nghiệm thiết kế thi công bảng điện

- Kinh nghiệm thiết kế cơ khí trên Solidworks và các thư viện hỗ trợ mô hình 3D khác

- Kinh nghiệm tính toán và lựa chọn các thiết bị phù hợp cho hệ thống

- Sử dụng các driver điều khiển động cơ bước chạy ổn định

- Hiểu được chức năng, địa chỉ mua, giá cả và cách sử dụng các thiết bị điện, vật liệu, công cụ cơ khí cần thiết để làm bảng điện như các loại kềm (kềm cắt tuốt dây, kềm

90 bấm cos Y, cos pin, kềm mũi nhọn…), đồng hồ đo, dây điện, các loại đầu cos, máy khoan, mũi khoan…

- Sử dụng tốt phần mềm TIA Portal để tạo lập được giao diện điều khiển đơn giản nhưng đầy đủ và dễ dàng vận hành

- Có thể lưu trữ, thu thập các dữ liệu vào cơ sở dữ liệu SQL và xuất báo cáo về quá trình sản xuất trên local web.

Hướng phát triển đề tài

Có thể mở rộng nhiều hơn số lượng kho chứa hàng

Sử dụng camera để lưu nhiều thông tin hơn về sản phẩm

Có thể tạo thành mô hình tự động hoàn toàn với việc cấp nắp, cấp khuôn cũng như dán nhãn cho sản phẩm