Điều khiển và giám sát hệ thống dán nhãn chai

Tự động hóa là ứng dụng công nghệ tiên tiến vào quá trình sản xuất công nghiệp để chuyển một phần lớn hoặc toàn bộ hoạt động sản xuất nhờ sức lao động của con người sang cho máy móc thiết bị. Theo khái niệm này, quá trình tự động sẽ không cần sự can thiệp quá sâu của con người, mà sẽ sử dụng các hệ thống điều khiển khác nhau giúp máy móc vận hành nhanh hơn, chuẩn xác hơn, giảm sự can thiệp của con người, thậm chí một số quy trình là hoàn toàn tự động. Trong đó có thểthấy các sản phẩm tiêu dùng hiện nay phần lớn được chứa đựng trong các bao bì dạng chai lọnhất là trong ngành thực phẩm ví dụ như: bia, rượu, nước giải khát, hóa mỹphẩm, v.v…, với nhiều ưu điểm nổi trội như giá thành hạ, cứng cáp, tính thẩm mỹcao, dễsản xuất.Cũngchính vìlý do này mà nhóm em đã thống nhất và đi đến quyết định chọn đềtài “Điều khiển và giám sát hệthống dán nhãn chai”. 1.2.Mục đích cần đạt được sau khi hoàn thiện Kiến thức lập trình PLC s71200 Thiết kế bằng phương pháp tối ưu nhất

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU: 5

1.1 Giới thiệu đề tài : 5

1.2 Mục đích cần đạt được sau khi thực hiện: 5

CHƯƠNG II:TỔNG QUAN VỀ PLC S7 1200 6

2.1 Giới thiệu PLC: 6

2.2 Quá trình phát triển của kĩ thuật điều khiển 6

2.2.1 Hệ thống điều khiển là gì? 6

2.2.2 Hệ thống điều khiển dùng rơle điện 6

2.2.3 Hệ thống điều khiển dùng PLC 7

2.2.4 Điều khiển dùng PLC 7

2.2.5.Các khối chức năng 7

2.2.6.Các chủng loại PLC 7

2.2.7.Ưu thế của hệ thốn điều khiển dùng PLC 9

2.2.8 Hạn chế 9

2.2.9.Các ứng dụng của PLC 9

2.3.Cấu trúc phần cứng PLC S& 1200 10

2.3.1.Cấu hình và điều hành S7 1200 10

2.3.2 Signal boards 10

2.3.3.Signal modules 10

2.3.4 Các module truyền thông 11

2.4.Những đặc điểm nổi bật của S7 1200 11

2.4.1.Thiết kế dạng module 11

2.4.2 Phạm vi ứng dụng của Simatic S2 1200 12

2.4.3 Các chức năng nổi bật của CPU 1214C 13

2.4.4 Sơ đồ đấu dây PLC CPU 1214C DC/DC/DC .14

2.5 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 14

2.5.1.Cấu trúc 14

2.5.2 Nguyên lý hoạt động của PLC 15

2.5.3.Đèn tín hiệu PLC Có 3 loại đèn báo hoạt động .15

2.5.4 Bộ nhớ PLC PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp .16

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 18

3.1.Các thiết bị sử dụng trong mô hình 18

3.2.1.Băng tải 18

3.3.Rơ le trung gian 18

3.3.1.Khái niệm 18

3.3.2.Cấu tạo 19

3.3.3 Nguyên lý hoạt động 19

3.3.4.Các thông số của MY2NJ 19

33.4.1.Nút nhấn 20

3.4.2.Cấu tạo và nguyên lý làm việc 20

3.5.Đèn báo 21

3.6.Cảm biến quang điện 22

3.7.Xi-lanh TN20x150 24

3.8 Khối nguồn 24

3.6.1.Thông Số kĩ thuật 25

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH HỆ THỐNG 26

4.1.Sơ đồ khối hệ thống 26

4.2.Lưu đồ thuật toán 27

4.3.1.Đầu vào của PLC 28

4.3.2.Đầu ra của PLC 28

4.3.3.Các kí hiệu 29

4.3.4.Mạch động lực 30

4.5.Giao diện WinCC hệ thống dán nhãn 31

4.6.Chế độ manu 31

4.6.1.Chế độ auto 33

4.6.2.Chương trình con mô phỏng sản phẩm 35 4.6.3.Chương trình chính 38 4.7.Giao diện hệ thống máy dán nhãn tự động trong Factory 41 CHƯỜNG V: KẾT LUẬN

5.Kết quả đạt được 42

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1.Giới thiệu đề tài

Tự động hóa là ứng dụng công nghệ tiên tiến vào quá trình sản xuất công nghiệp để chuyển một phần lớn hoặc toàn bộ hoạt động sản xuất nhờ sức lao động của con người sang cho máy móc thiết bị Theo khái niệm này, quá trình

tự động sẽ không cần sự can thiệp quá sâu của con người, mà sẽ sử dụng các hệ thống điều khiển khác nhau giúp máy móc vận hành nhanh hơn, chuẩn xác hơn, giảm sự can thiệp của con người, thậm chí một số quy trình là hoàn toàn tự động

Trong đó có thể thấy các sản phẩm tiêu dùng hiện nay phần lớn được chứađựng trong các bao bì dạng chai lọ nhất là trong ngành thực phẩm ví dụ như:bia, rượu, nước giải khát, hóa mỹ phẩm, v.v…, với nhiều ưu điểm nổi trộinhư giá thành hạ, cứng cáp, tính thẩm mỹ cao, dễ sản xuất Cũng chính vì lý

do này mà nhóm em đã thống nhất và đi đến quyết định chọn đề tài “Điều

khiển và giám sát hệ thống dán nhãn chai”.

1.2.Mục đích cần đạt được sau khi hoàn thiện

-Kiến thức lập trình PLC s7-1200

-Thiết kế bằng phương pháp tối ưu nhất

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ PLC S7 1200 2.1.Giới thiệu PLC

Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) đượcsáng tạo từ những ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng GeneralMotor vào năm 1968 Trong những năm gần đây, bộ điều khiển lập trìnhđược sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp của nước ta như là 1giải pháp lý tưởng cho việc tự động hóa các quá trình sản xuất Cùng với

sự phát triển công nghệ máy tính đến hiện nay, bộ điều khiển lập trình đạtđược những ưu thế cơ bản trong ứng dụng điều khiển công nghiệp Như vậy,PLC là 1 máy tính thu nhỏ nhưng với các tiêu chuẩn công nghiệp cao và khảnăng lập trình logic mạnh PLC là đầu não quan trọng và linh hoạt trong điềukhiển tự động hóa

2.2.Quá trình phát triển của kĩ thuật điều khiển:

2.2.1.Hệ thống điều khiển là gì?

Hệ thống điều khiển là tập hợp các thiết bị và dụng cự điện tử.Nó dùng

để vận hành quá trình một cách ổn định,chính xác và thông suốt

2.2.2.Hệ thống điều khiển dùng rơle điện

Sự bắt đầu về cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đặc biệt vào những

năm 60 và 70, những máy móc tự động được điều khiển bằng những rơle điện từ như các bộ định thời, tiếp điểm, bộ đếm, relay điện từ Những thiết này được liên kết với nhau để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh bằng vô số các dây điện bố trí chằng chịt bên trong panel điện ( tủ điều khiển) Như vậy, với 1

hệ thống có nhiều trạm làm việc và nhiều tín hiệu vào/ra thì tủ điều khiển rất

lớn Điều đó dẫn đến hệ thống cồng kềnh, sửa chữa khi hư hỏng rất phức tạp và khó khăn.Hơn nữa các rơle tiếp điểm nếu có sự thay đổi yêu cầu điều khiển thì bắt buộc thiết kế lại từ đầu.

2.2.3.Hệ thống điều khiển dùng PLC

Với những khó khăn và phức tạp khi thiết kế hệ thống dùng rơle điện.Những năm 80, người ta chế tạo ra các bộ điều khiển có lập trình nhằm nângcao độ tinh cậy, ổn định, đáp ứng hệ thống làm việc trong môi trường côngnghiệp khắc nghiệt đem lại hiệu quả kinh tế cao Đó là bộ điều khiển lậptrình được chuẩn hóa theo ngôn ngữ Anh Quốc là Programmable LogicController (viết tắt là PLC)

2.2.4 Điều khiển dùng PLC

Hình 2.1:PLC S7 1200

2.2.5.Các khối chức năng

Một PLC có khối Module Input, khối CPU(Central Processing Unit)

và khối Module Output Khối Module Input có chức năng thu nhận các dữ liệu digital, analog và chuyển thành các tín hiệu cấp vào CPU Khối CPU quyết định và thực hiện chương trình điều khiển thông qua chương trình chứa trong bố nhớ.Khối module Output chuyển các tín hiệu điều khiển từ CPU thành dự liệu ânlog,digital thực hiện điều khiển các đối tượng

2.2.6 Các chủng loại PLC

Hiện nay, một số PLC được sử dụng trên thịtruwờng Việt Nam:

- Mỹ:Allen Bradley, General Electric, Square D, Texas Instruments,

Các sản phẩm như: Logo!, Easy, Zen, cũng được chế tạo ra để đáp ứngnhững yêu cầu điều khiển đơn giản.

2.2.7.Ưu thế của hệ thốn điều khiển dùng PLC

Điều khiển linh hoạt, đa dạng

- Lượng contact lớn, tốc độ hoạt động nhanh

- Tiến hành thay đổi và sửa chữa

- Độ ổn định, độ tin cậy cao

- Lắp đặt đơn giản

- Kích thước nhỏ gọn

- Có thể nối mạng vi tính để giám sát hệ thống

2.2.8 Hạn chế

- Giá thành (tùy theo yêu cầu máy)

- Cần một chuyên viên để thiết kế chương trình cho PLC hoạt động

- Các yêu cầu cố định, đơn giản thì không cần dùng PLC

- PLC sẽ bị ảnh hưởng khi hoạt động cao, độ rung mạnh

- Điều khiển thang máy

- Điều khiển động cơ

- Chiếu sáng.

2.3.Cấu trúc phần cứng PLC S& 1200

PLC là bộ điều khiển lập trình và được xem là máy tính công nghiệp Docông nghệ ngày càng cao vì vậy lập trình PLC cũng ngày càng thay đổi,chủ yếu là sự thay đổi về cấu hình hệ thống mà quan trọng là bộ xử lý trungtâm (CPU) Sự thay đổi này nhằm cải thiện 1 số tính năng, số lệnh, bộ nhớ,

số đầu vào/ ra(I/O), tốc độ quét, vì vậy xuất hiện rất nhiều loại PLC

3.kết nối hệ thống dây

2.3.4 Các module truyền thông

1 Trạng thái đèn led cho

các module giao tiếp

2 Truyền thông kết nối

+ Simatic S7 – 1200 với Simatic HMI Basic được lập trình chung trên một nền phần mềm là TIA Portal V10.5 (Simatic Step 7 Basic, WinCC Basic) hoặc version cao hơn Các thao tác lập trình thực hiện theo cách kéo – thả, do đó tạo

sự dễ dàng cho người sử dụng, lập trình nhanh chóng, đơn giản, chính xác trong

sự truyền thông kết nối theo tags

+ Tích hợp sẵn các đầu vào ra, cùng với các board tín hiệu, khi cần mở rộng ứng dụng với số lượng đầu vào ra ít sẽ tiết kiệm được chi phí, không gian và phần cứng

+ Dễ dàng cho người sử dụng sản phầm trong việc mua gói thiết bị

2.4.2 Phạm vi ứng dụng của Simatic S2 1200:

+ S7 – 1200 bao gồm các họ CPU 1211C, 1212C, 1214C Mỗi loại CPU có những tính năng khác nhau, thích hợp cho từng loại ứng dụng

+ Các kiểu cấp nguồn và đầu vào ra có thể là DC/DC/DC hay DC/DC/Rly

+ Đều có khe cắm thẻ nhớ, dùng cho khi mở rộng bộ nhớ cho CPU, copy

chương trình ứng dụng hay cập nhật firmware + Chẩn đoán lỗi online/offline + Một đồng hồ thời gian thực cho các ứng dụng thời gian thực

2.4.3 Các chức năng nổi bật của CPU 1214C

+ Có 6 bộ đếm tốc độ cao HSC dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường

+ Có 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ, động cơ bước hay servo

+ Có ngõ ra PWM điều chế độ rộng xung cho các ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ, valve, nhiệt độ + Có 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số cho bộ điều khiển (Autotuning)

+2.4.4 Sơ đồ đấu dây PLC CPU 1214C DC/DC/DC

tính nhằm hỗ trợ cho viết, đọc và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nốivới PLC qua cổng RS232, RS422, RS458…

2.5.2 Nguyên lý hoạt động của PLC

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện từng lệnh trong

chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi và toàn bộ các hoat động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ Hệ thống bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song: +Address bus:bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ tới các module khác nhau

+Data bus:bus dùng để truyền dữ liệu P a g e | 9 +Control bus:bus điều khiển dung để truyen các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O.Bên cạnh đó CPU được cung cấp một xung clock có tần số từ 1, 8 Mhz Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống

2.5.3.Đèn tín hiệu PLC Có 3 loại đèn báo hoạt động:

1.Run/stop: đèn xanh/đèn vàng báo hiệu PLC đang hoạt động/dừng hoạt động 2.Error: đèn báo lỗi

3.Maint: đèn báo khi ta buộc (Force) địa chỉ nào đó lên 1

Có 2 loại đèn chỉ thị:

• Ix++.x: chỉ trạng thái logic ngõ vào

• Qx.x: chỉ trạng thái logic ngõ ra

2.5.4 Bộ nhớ PLC PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp:

Làm b+ộ định thời cho các kênh trạng thái I/O Làm bộ đệm trạng thái các chứcnăng tro++ng PLC như định thời, đếm, gọi các Relay Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả các vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ nằm bên trong bộ vi xử lý Bộ vi xử lý sẽ

có giá trị trong bộ đếm này thêm một trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với một địachỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này gọi

là quá trình đọc Bộ nhớ bên trong của PLC được tạo bởi vi mạch bán dẫn, mỗi

vi mạch này có khả năng chứa 2000-16000 dòng lệnh tuỳ theo loại vi mạch trong PLC các bộ nhớ như RAM và EPROM đều được sử dụng

+RAM có thể nạp chương trình, thay đổi hay xoá bỏ nội dung bất kì lúc nào, nộidung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị pin khô có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ choRAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM được dung khởi tạo và kiểm tra chương trình Khuynh hướng hiện nay dung CMOSRAM do khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ cao

+EPROM là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được, nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó đượcgắn sẵn trong máy, đã dược nhà sản xuất nạp và chứa sẵn hệ điều hành Nếu người sử dụng không muốn sử dụng bộ nhớ thì chỉ dùng EPROM gắn bên trongPLC Trên PG có sẵn chổ ghi và xoá EPROM

+EEEPROM liên kết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định Nội dung của nó có thể xoá và lập trình bằng điện tuy nhiên số lần là có giới hạn

CHƯƠNG III: CHỌN LỰA LINH KIỆN 3.1.Các thiết bị sử dụng trong mô hình.

3.2.1.Băng tải

Mô hình được thực hiện với mục đích nghiên cứu nên nhóm chọn băng tải có kích thước nhỏ: dài 50cm, rộng 6cm,cao 10cm vừa đúng cho chai chạy được trên một hàng thẳng

Động cơ băng tải được sử dụng là động cơ giảm tốc 24VDC, sức kéo tối đa 15kg, tốc độ quay 50 vòng/phút

Số lượng băng tải: 3 băng tải

Hình 3.1 Băng tải 3.3.Rơ le trung gian

3.3.1.Khái niệm

Rơ le là một thiết bị tự dộng mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định Rơ le là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ là điều khiển sự làm việc cả mạch điện động lực

3.3.2.Cấu tạo

Rơ le gồm các bộ phận chính sau:

- Cơ cấu tiếp thu (khối tiếp thu): là cuộn dây, có nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đầu vào và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cung cấp tín hiệu cho khốitrung gian

- Cơ cấu trung gian (khối trung gian): là mạch từ nam châm điện, làm nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đưa đến từ khối tiếp thu và biến đổi nó thành đại lượngcần thiết cho relay tác động

- Cơ cấu chấp hành(khối chấp hành): là hệ thống tiếp điểm, làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển

3.3.3 Nguyên lý hoạt động

Rơ le hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, khi cho dòng điện đi vào cuộn dây của nam châm thì nó sẽ tạo ra một lực hút các tiếp điểm sang một bên Khi đó các tiếp điểm thường đóng sẽ trở thành thường hở và các tiếm điểm thường hở

sẽ trở thành thường đóng Trong mô hình hệ thống đã sử dụng rơ le trung gian MY2NJ của OMRON

3.3.4.Các thông số của MY2NJ

- Điện áp cuộn dây: 24 VDC có LED báo hiển thị

- Thông số của tiếp điểm: 5A - 24 VDC

-Số cặp tiếp điểm: 4 cặp

-Đèn báo:Có

Hình 3.2 Rơle.

3.4.1.Nút nhấn

Khái niệm: Nút ấn còn gọi là nút điều khiển là 1 loại khí cụ điện điều khiển bằng tay, dùng để điều khiển từ xa các khí cụ điện đóng cắt bằng điện từ, điện xoay chiều, điện 1 chiều hạ áp, các dụng cụ báo hiệu và cũng để chuyển đổi các mạch điện điều khiển, tín hiệu liên động bảo vệ …

Nút ấn thường dùng để khởi động, dừng và đảo chiều quay các động cơ điện bằng cách đóng cắt các cuộn dây nam châm điện của công tắc tơ, khởi động từ

3.4.2.Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Nút ấn gồm hệ thống lò xo, hệ thống các tiếp điểm thường mở và thường đóng

và vỏ bảo vệ Khi tác động vào nút ấn, các tiếp điểm chuyển trạng thái và khi không còn tác động, các tiếp điểm trở lại trạng thái ban đầu

Nút ấn thường đặt trên bảng điều khiển, ở tủ điện, trên hộp nút ấn các loại nút

ấn thông dụng có dòng điện định mức là 5A, điện áp ổn định mức là 400V, tuổi

thọ điện đến 200.000 lần đóng cắt, tuổi thọ cơ đến 1000000 đóng cắt Nút ấn màu đỏ thường dùng để đóng máy, màu xanh để khởi động máy

Hình 3.3 Nút nhấn.

Nút nhấn nhựa không đèn(Nhấn nhả)

3.6.Cảm biến quang điện

a Khái niệm

Cảm biến quang điện bao gồm một nguồn phát quang và một bộ thu quang Nguồn quang sử dụng LED hoặc LASER phát ra ánh sáng thấy hoặc không thấytùy theo bước sóng Bộ thu quang sử dụng photodiode hoặc phototransitor để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện

b Nguyên lý hoạt động

Khi mục tiêu đi vào vùng phát của cảm biến sẽ làm phản xạ tín hiệu ánh sáng tác động vào led thu Lúc này led thu sẽ tác động vào transistor để xuất tín hiệu

ra

c Đặc tính kỹ thuật của sensor E3F-DS10C4

Cảm biến quang điện hình trụ chống nhiễu tốt với công nghệ PhotoIC.Khoảng cách phát hiện khoảng 10cm với bộ điều khiển độ nhạy cho bộ khuếch tán

Dây Màu Xanh Dương GND

Dây Màu Đen Tín Hiệu NPN