Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống chiết rót và đóng thùng sử dụng plc s7 1200

Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG THÙNG Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PLC S7 – 1200 VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG C

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn : TS Phạm Duy Dưởng

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Duy Phương

Mã sinh viên : 1911505510130

Đà Nẵng, 05/2023

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ

ĐÓNG THÙNG SỬ DỤNG PLC S7-1200

Nhóm Sinh viên thực hiện: Mã Sinh Viên:

2 Nguyễn Duy Phương 1911505510130

Đồ án này sẽ tìm hiểu,thiết kế hệ thống và chế tạo mô hình chiết rót và đóngthùng sử dụng PLC S7-1200

Tìm hiểu và nghiên cứu phần mềm điều khiển, các thuật toán liên quan để phục

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn : TS Phạm Duy Dưởng

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Duy Phương 1911505510130

Nguyễn Tiến Bằng 1911505510104

1 Tên đề tài:

Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống chiết rót và đóng thùng sử dụng PLC S7-1200

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Sử dụng PLC S7-1200

- Động cơ chiết rót, cảm biến đếm số lượng chai, các xilanh, van điện từ, cảmbiến màu sắc, arduino

- Có băng tải đưa hàng vào và trả hàng ra

3 Nội dung chính của đồ án:

NỘI DUNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNGTHÙNG

NỘI DUNG 2: TỔNG QUAN VỀ PLC S7 – 1200 VÀ PHẦN MỀM LẬPTRÌNH

NỘI DUNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG

NỘI DUNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Đồ án tốt nghiệp là một trong những học phần rất hay và rất lý thú, là nhữngsinh viên chuyên ngành Công Nghệ Điều Khiển và Tự động hóa, chúng em luônmuốn được tiếp cận và tìm hiểu sâu hơn nữa về ngành học của mình vì đây là cơ hộicho chúng em tìm hiểu thêm về kiến thức thực tế cũng có những kiến thức đã học.

Vì vậy, đồ án tốt nghiệp là điều kiện tốt để giúp chúng em kiểm chứng được những

lý thuyết đã được học

Trong đồ án lần này, chúng em đã nhận được đề tài: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG THÙNG SỬ DỤNG

PLC S7-1200 ”.Trước hết, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn thầy “ Phạm Duy

Dưởng”đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ nhóm chúng em trong suốt thời gian nghiên

cứu và quá trình hoàn thành đồ án

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các Thầy, Cô giáo “ Khoa Điện - Điện Tử,Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật” đã trang bị kiến thức và tạo điều kiện thuận lợicho chúng em suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và các bạn cùng lớp đã quan tâm, giúp

đỡ động viên chúng em trong quá trình thực hiện đồ án môn học điều khiển logic.Chúng em chân thành cảm ơn!

Đà nẵng, ngày 21 tháng 2 năm 2023

Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Duy Phương

Nguyễn Tiến Bằng

Nhóm em xin cam đoan đây là báo cáo tốt nghiệp mà chúng em thực hiện trong thờigian học tập tại trường Các thông tin, số liệu và kết quả nghiên cứu của chúng em sửdụng trong báo cáo đồ án tốt nghiệp là nhóm tự nghiên cứu, sáng tạo và tìm hiểu Các dữliệu và luận điểm được trích dẫn nguồn và chú thích rõ ràng Nhóm em xin chịu hoàntoàn trách nhiệm trước Nhà trường, Khoa và Bộ môn về sự cam đoan này.

Nhóm sinh viên thực hiện

Nguyễn Tiến Bằng

Nguyễn Duy phương

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN i

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN ii

TÓM TẮT iii

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv

LỜI NÓI ĐẦU v

CAM ĐOAN vi

MỤC LỤC vii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ x

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG THÙNG 3

1.1 Lý do chọn đề tài 3

1.2 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài 4

1.2.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài 4

1.2.2 Tính thực tiễn của đề tài 5

1.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 5

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 5

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 5

1.4 Mục tiêu và phương pháp tiếp cận 6

1.4.1 Mục tiêu 6

1.4.2 Phương pháp tiếp cận 6

1.5 Nội dung đề tài 6

1.6 Tổng quan về các hệ thống và các dây chuyền chiết rót và đóng nắp 6

1.6.1 Hệ thống chiết rót định lượng 6

1.6.2 Hệ thống đóng nắp 7

1.6.4 Hệ thống đóng thùng 7

1.7 Tiêu chí lựa chọn 8

1.8 Lựa chọn phương án hệ thống 8

1.9 Hệ thống đề xuất 9

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200 VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH 11

2.1 Giới thiệu về PLC 11

2.1.1 Khái niệm chung về PLC 11

2.1.2 Cấu trúc của PLC 11

2.2 Tổng quan về S7-1200 13

2.2.1 Tổng quan 13

2.2.4 Đặc tính thiết bị 19

2.2.6 Giao tiếp Profinet 20

2.3 Phần mềm lập trình 20

2.3.1 Tổng quan về phần mềm TIA Portal V15 20

2.3.2 Giao diện phần mềm 21

2.4 Truyền thông giữa máy tính và PLC 25

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG 27

3.1 Thiết kế 27

3.1.1 Thiết kế mâm xoay 27

3.1.2 Thiết kế khâu vặn nắp 28

3.2 Tính toán và lựa chọn thiết bị 28

3.2.1 Lựa chọn PLC S7-1200 28

3.2.2 Aptomat 30

3.2.3 Bộ nguồn chuyển đổi tổ ong 32

3.2.4 Rơle trung gian 33

3.2.5 Cảm biến hồng ngoại PNP-DS30P1 34

3.2.6 Băng tải 35

3.2.7 Động cơ giảm tốc DC 37

3.2.10 Động cơ bơm nước 41

3.2.11 Các thiết bị khác 42

3.3 Chế tạo phần cứng 43

3.3.1 Kết cấu phần chiết rót và lấy nắp 43

3.3.2 Kết cấu đóng nắp chai 44

3.3.3 Kết cấu phân loại sản phẩm lỗi dùng arduino 45

3.3.4 Kết cấu kẹp chai và nâng hạ 46

3.3.5 Kết cấu băng tải vào 47

3.3.6 Kết cấu đẩy chai và đóng thùng 47

3.3.7 Hình ảnh tủ điện hệ thống 47

3.3.8 Mô hình hoàn thiện của hệ thống 48

CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 49

4.1 Sơ đồ nối dây 49

4.2 Phân công vào ra 50

4.3 Quy trình công nghệ 53

4.4 Lưu đồ thuật toán 56

4.4.1 Lưu đồ thuật toán chính của hệ thống 56

4.4.2 Lưu đồ chế độ chạy bằng tay của hệ thống 58

4.4.3 Lưu đồ chế độ tự động của hệ thống 59

4.4.4 Lưu đồ chương trình arduno 60

4.5 Chương trình điều khiển 61

4.5.1 Chương trình điều khiển PLC 61

4.5.2 Chương trình arduino phân loại sản phẩm lỗi 62

4.6 Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát hệ thống trên WINCC 62

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC 66

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng3.2 Thông số động cơ truyền động băng chuyền 36

Bảng3.3 Thông số kỹ thuật của van điện từ 41

Bảng 4 Bảng phân công đầu vào 50

Bảng 5 Bảng phân công Đầu ra 51

Bảng 6 Bảng phân công biến trung gian 52

Y Hình 1.1 Hệ thống chiết rót và đóHình 1ng nắp chai tự động công ty Federal {3} 3

Hình 1.2 Hệ thống chiết rót và đóng nắp nước lọc của công ty Bảo Ngọc {4} 5

Hình1.3 Hệ thống lấy nắp đóng nắp bằng mâm xoay {5} 7

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống của đề tài 9

Hình 2.1 Cấu trúc của PLC {1} 12

Hình2.2 PLC S7-1200 14

Hình 2.3 CPU 1211C DC/DC/DC 15

Hình 2.4 CPU 1212C AC/DC/RLY 16

Hình 2.5 CPU 1214C AC/DC/RLY 17

Hình 2.6 CPU 1215C DC/DC/DC 18

Hình 2.7 CPU 1217C DC/DC/DC 19

Hình 2.8 Phần mềm TIA PORTAL V15 21

Hình 2.9 Phần mềmTIA Portal V15 22

Hình 2.10 Thao tác tạo dự án mới 22

Hình 2.11 Thao tác đặt tên chọn đường dẫn và tạo new project 23

Hình 2.12 Thao tác chọn vào Configure a device 23

Hình 2.13 Thao tác chọn vào Add new device 24

Hình 2.14 Thao tác Chọn loại CPU PLC 24

Hình 2.15 Giao diện phần mềm 25

Hình 2.16 Truyền thông giữa máy tính và PLC 26

Hình 2.17 Dây cáp kết nối PLC và PC 26

Hình 3.1 Bản vẽ mâm xoay 27

Hình 3.2 Bản vẽ khâu vặn nắp chai 28

Hình 3.3 PLC 1214 DC/DC/DC VÀ BỘ MỞ DỘNG 8DI/8DQ 29

Hình 3.4 NXB-63 2P C6 - Aptomat Chint MCB 2P 6A 6kA 31

Hình 3.7 Relay trung gian 33

Hình 3.8 Cảm biến hồng ngoại PNP DS30P1 35

Hình 3.9 Động cơ truyền động băng chuyền S6I06GB-P43 36

Hình 3.10 Băng tải 60x15 37

Hình 3.11 Động cơ giảm tốc 25W 24V DC4GN25-24 38

Hình 3.12 Xilanh đẩy 39

Hình 3.13 Xilanh kẹp 39

Hình 3.14 Xilanh nâng hạ 40

Hình 3.15 Van điện từ 41

Hình 3.16 Động cơ bơm 12V R385 42

Hình 3.17 Động cơ mâm xoay dùng điều tốc 42

Hình 3.18 Hệ thống mâm xoay chiết rót và đóng nắp 42

Hình 3.19 Hình ảnh kết cấu phần đóng nắp chai 42

Hình 3.20 Hình ảnh phân loại sản phẩm lỗi dùng arduno 42

Hình 3.21 Hình ảnh kết cấu kẹp chai và nâng hạ 42

Hình 3.22 Hình ảnh băng tải vào 42

Hình 3.23 Hình ảnh đẩy sản phẩm và đóng thùng 42

Hình 3.24 Hình ảnh tủ điện 42

Hình 3.25 Hình ảnh mô hình hoàn thiện của hệ thống 42

Hình 4.1 Sơ đồ nối dây của hệ thống 49

Hình 4.2 Lưu đồ chính của hệ thống 57

Hình 4.3 Lưu đồ chế độ bằng tay 58

Hình 4.4 Lưu đồ chế độ tự động 59

Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán Arduno 61

Hình 4.6 Chương trình chính của hệ thống 62

Hình 4.7 Khai báo chương trình 62

Hình 4.8 Giao diện được thiết kế trên Wincc 63

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

I/O : Đầu vào, đầu ra (Input/ Output)

CPU : Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit)

HMI : Màn hình hiển thị (Human Machine Interface)

WINCC : là một phần mềm của hãng Siemens(Windows Control Center )

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, sự phát triển thần tốc của các cuộc cách mạng khoa học công nghệ, việc

sử dụng con người trong các dây chuyền sản xuất hàng hóa còn rất nhiều, gây ra một sựđối lập Vì vậy áp dụng các công nghệ hiện đại để đưa vào đây đang rất được ưu tiên vàđược ủng hộ Đặc biệt là ý tưởng sử dụng công nghệ để tự đông hóa quá trình sản xuấttrong công nghiệp, đặc biệt là các dây chuyền sản xuất hàng hóa nó có thể tăng độ chínhxác cho các sản phẩm tạo ra vì nó đã được thiết kế và tính toán bởi các kĩ sư lành nghề

và đặc biệt là có thể thay thế cho con người trong sản xuất giúp tiết kiệm chi phí và giảmgiá thành sản phẩm cũng như hạn chế tai nạn lao động trong những công việc nguy hiểm

là công việc rất quan trọng

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, nên việc thiết kế và chế tạo một dây chuyền hệthống tự động hóa trong sản xuất là việc làm rất cần thiết và cấp bách hiện nay Với sựchính xác trong khâu thiết kế tính toán và độ tin cậy cao

2 Mục đích thực hiện đề tài

Nâng cao hiệu quả công việc

Giảm bớt sức người và tiết kiệm một khoản chi phí nhân công

Độ chính xác, an toàn cao

3 Mục tiêu đề tài

Đề tài với mục tiêu là hướng đến việc ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất côngnghiệp, dành cho người vận hành giám sát Môi trường làm việc là công nghiệp nên phảiyêu cầu là thiết bị điều khiển mang tính công nghiệp như làm việc vận hành liên tục,chịu được khắc nghiệt, bền bỉ với thời gian Chống nhiễu và hạn chế lỗi trong các linhkiện

Đặc biệt là phương pháp điều khiển phải đơn giản, dễ hiểu, không quá phức tạp và

có thể thay đổi linh hoạt hệ thống sản xuất đối với những hàng hoá khác

4 Phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Phạm vi: nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống Hệ thống baogồm những phần chính như: băng tải, cơ cấu bơm nước, mâm xoay, cơ cấu cấp nắp, cơcấu vặn nắp, cơ cấu phân loại lỗi , cơ cấu đóng thùng

Đối tượng nghiên cứu: hệ thống chiết rót, đóng nắp chai và đóng thùng Chai nướcnhựa loại nắp vặn Hệ thống điều khiển bởi bộ điều khiển PLC Nghiên cứu đặc tính sảnxuất và lập trình điều khiển hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu: để giải quyết các mục nêu trên, đồ án này sẽ đưa ra cácphương pháp nghiên cứu như sau:

- Tìm hiểu quy trình vận hành hệ thống đã có trong thực tế

- Tìm hiểu sơ đồ đấu nối các thiết bị khí cụ điện

- Tìm hiểu số liệu của bộ điều khiển, các khí cụ điện liên quan

- Tìm hiểu và tính toán các thông số của các động cơ cũng như các cảm biến

- Nghiên cứu về phần mềm TIA Portal và giao diện điều khiển giám sát trênWINCC

- Tài liệu về điều khiển tự động hoá, các thiết bị linh kiện sử dụng

- Nghiên cứu và tìm hiểu các chức năng của hệ thống

- Áp dụng các kiến thức chuyên ngành về điện cũng như các kiến thức về điềukhiển để thi công phần điện cho mô hình

5 Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG THÙNG Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PLC S7 – 1200 VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG

Chương 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN.

KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT

VÀ ĐÓNG THÙNG

1.1 Lý do chọn đề tài

Trong thời đại phát triển như ngày nay, công nghiệp hóa hiện đại hóa là xu thế củatoàn cầu Khoa học kĩ thuật công nghệ hiện đại được áp dụng vào trong tất cả các mặccủa đời sống xã hội Dân số tăng nhu cầu thực phẩm ngày càng tăng cao nên yêu cầuchúng ta phải áp dụng các công nghệ kĩ thuật tiên tiến vào trong sãn xuất để nâng caonăng xuất lao động và đồng giảm thời gian công sức lao động của con người bỏ ra

Hệ thống chiết rót theo dây chuyền tự động là một trong những khâu quan trọngtrong dây chuyền súc rửa, chiết rót và đóng nắp phục vụ cho các ngành đóng gói chấtlỏng công nghiệp

Trong một dây chuyền của nhà máy nếu có hệ thống chiết rót thì một hệ không thểthiếu là đóng gói, đóng nắp và đóng thùng sản phẩm

Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động được đưa vào sử dụng nhiều trong côngnghiệp để phục vụ cho các ngành: thực phẩm, nước uống, dược phẩm, mỹ phẩm, hóachất, dầu nhớt,… Sự ra đời của của các hệ thống chiết rót đóng nắp và đóng thùng theodây chuyền tự động tự động đã tiết kiệm cho các nhà sản xuất một khoản chi phí lớn vềnhân công, nâng cao năng suất cho các nhà máy.

Hệ thống chiết rót đóng thùng là kết hợp giữa các khâu chiết rót, đóng nắp, đóngthùng bán tự động Bộ điều khiển trung tâm thường được sử dụng là PLC Mỗi khâu đềuvận hành tự động, nhân công chỉ tham gia vào một số công đoạn điều khiển khi cần, đầuvào và đầu ra (xếp chai vào, đóng thùng, vận hành máy, ) Ví dụ ở công ti Federaldùng PLC để điều khiển hệ thống chiết rót và đóng nắp tự động có thể xem ở hình 1.1

1.2 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

1.2.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Toàn bộ hệ thống là một dây chuyền để hoàn thành các công đoạn sản xuất ra mộtthành phẩm Các khâu trong dây chuyền có mức tự động hóa cao, con người chỉ tácđộng vào vận hành, đầu vào và đầu ra Kết quả đạt được những ưu điểm sau:

- Góp phần nâng cao năng suất lao động cho người sản xuất, giảm giá thành sảnphẩm: Tổng sản phẩm đầu ra đạt năng suất cao hơn, hệ thống có thể chiết rótđược số lượng lớn có thể lên tới hàng nghìn chai mỗi giờ, tùy theo dung tíchcủa chai

- Góp phần giảm số lượng và chi phí nhân công: Hệ chống chiết rót đóng nắp sẽđược hoạt động một cách tự động theo dây chuyền dẫn đến công việc ít hơn vàđơn giản hơn nên ta chỉ cần sô lượng nhân công ít

- Góp phần nâng cao độ an toàn: Bằng việc hệ thống sẽ hoạt độn tự động hóa thìcác hoạt động mà nhân công tham gia trực tiếp sẽ chuyển sang điều khiển vàvận hành gián tiếp giúp công việc trở nên dễ dàng và an toàn hơn

- Góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm: Hệ thống chiết rót đóng thùng khôngnhững sản xuất với tốc độ nhanh hơn, mà còn sản xuất với sự đồng nhất caohơn và sự chính xác đối với các yêu cầu khắt khe của sản nên sẽ đảm bảo đượcchất lượng sản phẩm

Tuy nhiên nhược điểm của hệ thống chiết rót là có chi phí đầu tư cao, việc chuyển từ

sử dụng nhân công con người sang dây chuyền sản xuất tự động đòi hỏi các chi phí đầu

tạo nhân công cho các công việc vận hành và sửa chữa các loại thiết bị, máy móc hiệnđại, phức tạp trong dây chuyền.

1.2.2 Tính thực tiễn của đề tài

Trong thực tế ở hầu như các nhà máy sản xuất bia và nước ngọt, … đã sử dụng các

hệ thống chiết rót và đóng thùng và các quy trình trình này hoạt động hoàn toàn tựđộng Hình 1.2 là một ví dụ cho quy trình chiết rót và đóng nắp tự động

Hình 1.2 Hệ thống chiết rót và đóng nắp nước lọc của công ty Bảo Ngọc [3].

1.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Các cơ sở, doanh nghiệp đang sản xuất các loại thực phẩm chức năng, sản xuất nướcgiải khát, nước tinh khiết, bia… Các sản phẩm chất lỏng hoặc chất lỏng cô đặc có yêucầu vệ sinh khử trùng cao

Sử dụng với loại chai có dung tích từ 200 ml - 1000 ml.Trong đồ án này, nhóm emchọn chai nước loại nắp vặn có dung tích 250 ml làm đối tượng nghiên cứu.

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Với đề tài Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống chiết rót và đóng thùng sử dụngPLC S7-1200 nhóm chúng em thiết kế với quy mô mô hình vừa phải và áp dụng cáckiến thức đã học và tham khảo các tài liệu để thực hiện làm mô hình này

1.4 Mục tiêu và phương pháp tiếp cận

1.4.1 Mục tiêu

Thiết kế sản phẩm và chế tạo thành công mô hình hệ thống chiết rót và đóng thùng

sử dụng PLC

Nghiên cứu tìm hiểu và lập trình điều khiển PLC

Tìm hiểu nâng cao kiến thức về về các hệ thống dây chuyền hoạt động của các nhàmáy, doanh nghiệp cụ thể là hệ thống chiết rót và đóng thùng

1.4.2 Phương pháp tiếp cận

Tham khảo các nguồn thông tin ,các tài liệu trên mạng trên hệ thống báo chí

Quan sát thực tế tiếp cận vấn đề, thực nghiệm quá trình chiết rót và đóng thùng tạicác nhà máy, các hộ kinh doanh

Tìm hiểu xác định các khó khăn, vướng mắc mà trong quá trình chiết rót và đóngthùng gặp phải

Tham khảo, nghiên cứu các hệ thống đã có sẵn trên thị trường để tìm cách tối ưu

1.5 Nội dung đề tài

Xây dựng và thiết kế hoàn thiện mô hình hệ thống chiết rót và đóng thùng ngoàithực tế

Thực hiện thiết kế chương trình PLC S7-1200 và thực hiện mô phỏng điều khiển vàgiám sát trên WinCC

1.6 Tổng quan về các hệ thống và các dây chuyền chiết rót và đóng nắp

1.6.1 Hệ thống chiết rót định lượng

Trên thị trường hiện nay thì việc chiết rót định lượng rất phổ biên và được áp dụngrộng rãi vào trong quá trình sản xuất Chiết rót định lượng sẽ đưa sản phẩm vào các bao

bì một cách nhanh chóng, chính xác nhất và quá trình diễn ra hoàn toàn tự động

Việc chiết rót như vậy sẽ đảm bảo năng xuất và vệ sinh an toàn cho các sản phẩm

mà chúng ta sản xuất ra

Hiện nay có 2 loại chiết rót định lượng chính:

- Chiết rót định lượng bằng cách chiết rót theo thời gian : Ở phương pháp này

sẽ cho sản phẩm đưa vào chai hoặc bao bì trong một khoảng thời gian nhấtđịnh.chúng ta có thể sử dụng động cơ bơm để thực hiện việc này

- Chiết rót định lượng bằng bình định mức: Ở phương pháp này sản phẩm sẽđược phân chia định lượng chính xác trước khi chiết rót

- Chiết rót định lượng tới mức cố định: Ở phương pháp này sản phẩm sẽ đượcchiết rót đầy đến một mức cố định khi đó hệ thống sẽ dừng

Hình1.3 Hệ thống lấy nắp đóng nắp bằng mâm xoay [4]

- Đóng nắp theo dây chuyền liên tiếp : Các sản phẩm được đưa ra từ khâu

1.6.3 Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi

Phân loại sản phẩm lỗi rất đa dạng và có các loại như:

- Phân loại sản phẩm lỗi bằng xử lý hình ảnh: Giá thành cao sử dụng cáccamera để đưa dữ liệu về xử lý

- Phân loại sản phẩm lỗi bằng màu sắc: Giá thành hợp lý có thể tìm hiểu thêmkiến thức về arduino

1.6.4 Hệ thống đóng thùng

Các sản phẩm được sản xuất ra muốn đưa đến thị trường tiêu thụ đều phải qua khâuđóng gói mà cụ thể ở đây là đóng thùng mang thương hiệu của người sản xuất cho sảnphẩm

1.7 Tiêu chí lựa chọn

Độ chuẩn xác cao, hệ thống ổn định

Sản phẩm phải đạt được chất lượng và hiệu quả, đạt năng suất cao

Tính năng và mức độ tự động của sản phẩm cao, đáp ứng được các công nghệ hiệnđại

Chu trình kép kín diện thích nhỏ gọn, giá thành hợp lý

1.8 Lựa chọn phương án hệ thống

Sau khi đưa ra các phương án phân tích về các tiêu chí lựa chọn, các mặc tính năng,

ưu, nhược điểm cũng như chất lượng và hiệu quả của những sản phẩm làm ra, thì nhómchúng em đã lựa chọn được phương án thực tiển nhất là: Thiết kế và chế tạo hệ thốngchiết rót và đóng thùng sử dụng PLC S7-1200

Để cho đảm bảo tối ưu về giá thành và chất lượng sản phẩm thì chúng ta sẽ lựa chọkết hợp giữa các khâu tạo thành một hệ thống hoàn thiện :

- Khâu chiết rót định lượng bằng cách chiết rót theo thời gian

- Khâu lấy nắp và đóng nắp vòng xoay

- Khâu phân loại sản phẩm lỗi bằng màu sắc

- Khâu đóng thùng thông qua quá trình gắp sản phẩm cho sản phẩm vào thùngQuá trình điều khiển này hoàn toàn tự động nó sẽ điều khiển hệ thống của chúng taluôn ổn định nhờ việc điều khiển dễ dàng của chúng với các thiết bị như các Xilanh,động cơ, băng chuyền,các cảm biến màu sắc

Hệ thống sẽ hoạt động qua chương trình mà người thiết kế đã cài đặt sẳn theo quytrình sau : Chiết rót > Cho nắp vào chai > Đóng nắp >Phân loại sản phẩm > Đưa chaiđến vị trí kẹp > Kẹp chai > Cho chai vào thùng > Đẩy thùng

1.9 Hệ thống đề xuất

Dưới đây là hệ thống đề xuất các khâu và các thiết bị có trong hệ thống chiết rótđóng thùng sử dụng PLC S71200 của nhóm xem hình 1.4

Về môi trường thì ta thấy hệ thống này sẽ gồm các thiết bị hoạt động bền và lâu dài

sẽ giảm được các rác thải điện tử ra ngoài môi trường khi sử dụng các thiết bị điện tửkhác dễ hư hỏng và có thời gian sử dụng kém Ngoài ra hệ thống chiết rót đóng thùng sửdụng PLC mà chúng em chuẩn bị thiết kế sẽ được hoạt động trong một quy trình khépkín có thể đáp ứng được các nhu cầu vệ sinh an toàn thực phẩm Toàn bộ hệ thống sẽđược hoạt động bằng năng lượng thân thiện với môi trường đó là năng lượng điện

Hệ thống sẽ áp dụng các tính năng mới như việc điều chỉnh tốc độ kép bằng việcvừa sử dụng bộ điều khiển tốc vừa sử dụng hệ thống dây curoa và bánh răng pulley đểđiều khiển tốc độ phù hợp Hệ thống sẽ có sự kết hợp giữa PLC và arduino hoạt độngđộng độc lập nhau và hỗ trợ nhau để tối ưu hơn

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống của đề tài

Băng tải vào: Đưa chai vào cung cấp cho mâm xoay

Bơm nước : Tại đây sẽ sử dụng động cơ bơm nước để cấp nước chiết rót cho chaitheo thời gian cài đặt sẵn

Lấy nắp : Tại đây sẽ thiết kế hệ thống lấy nắp tự động

Mâm xoay : Là cơ cấu quan trọng trong cả qiuas trình chiết rót và đóng nắp, sử dụngđộng cơ giảm tốc DC để điều khiển mâm xoay

Khâu đóng nắp: Tại đây sử dụng động cơ giảm tốc để vặn nắp và được di chuyểnlên xuống nhờ xilanh nâng hạ

Arduino phân loại sản phẩm lỗi: Ở trên băng tải ra sẽ gắn cảm biến màu sắc TS3200

để phân loại sản phẩm lỗi theo màu sắc

Thùng sản phẩm lỗi: nơi t6aapj kết sản phẩm lỗi và cảm biến đếm sản phẩm lỗi.Xilanh đẩy : Là xilanh khí nén thực hiện việc đẩy chai

Băng tải ra: Đưa sản phẩm ra

Khâu đóng nắp: Sử dụng các xilanh khí nén, xilanh kẹp để thực hiện việc đưa sảnphẩm vào thùng và đẩy thùng ra

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200

VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH

2.1 Giới thiệu về PLC

2.1.1 Khái niệm chung về PLC

PLC là các chữ được viết tắt từ : Programmable Logic Controller, là một thiết bịđiều khiển lập trình cho phép người dùng cài đặt chương trình mong muốn cho nó, làmột bộ điều khiển tích hợp nhiều chức năng khác nhau cho phép điều khiển nhiều loạithiết bị và bộ xử lý khác nhau Người dùng sẽ thiết lập các tín hiệu vào ra cho PLC nónhư là một bộ lưu trữ, là máy tính công nghiệp dùng để xử lý và điều khiển quá trìnhnào đó

Nguyên lý hoạt động của PLC

Khi ta cho hệ thống hoạt động sẽ kích ON hệ thống, khi dừng sẽ OFF hệ thống, khihoạt động thì PLC sẽ thực hiện các chương trình mà người dùng đã thiết lập và cài vào

đó theo chu kì vòng lặp, nó sẽ hoạt động lặp lại cho đến khi ta tắt hoặc nạp một chươngtrình mới vào đó Tại đây chúng ta sẽ thiết lập các đầu ra và đầu vào cho PLC để điềukhiển các thiết bị ta có thể kết nối đầu ra PLC với các rơ le

PLC có các tính năng như :

- Lập trình hệ thống một cách dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

- Kích thước nhỏ, dể dàng bảo quản, sửa chữa khi cần thiết

- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp màngười dùng sử dụng

- Mức ổn định cao hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

- Kết nối được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, các mô Modul

2.1.2.2 Bộ Nguồn

Nhiệm vụ của bộ nguồn là chuyển đổi điện áp cao 12V thành điện áp thấp 5V cầnthiết cho bộ xử lý và các mạch điện có trong các module giao diện nhập và xuất củaPLC

2.1.2.3 Bộ nhớ

Bộ nhớ là nơi lưu chương trình

Hình 2.5 Cấu trúc của PLC [1]

Trong hệ thống PLC có các loại bộ nhớ:

- Bộ nhớ chỉ dùng để đọc ROM cung cấp dung lượng lưu trữ cho hệ điều hành

và dữ liệu cố định được CPU sử dụng

- Bộ nhớ RAM ( Ramden Accept Memory) dành bộ nhớ dành cho chương trìnhcủa người dùng

Người dùng có thể thay đổi các chương trình và dữ liệu được thiết lập trong RAM.Tất cả các PLC đều có một dung lượng RAM nhất định để người dùng trữ chương trình

do người dùng cài đặt và các dữ liệu chương trình Tuy nhiên để trong quá trình sử dụngtránh mất mát chương trình khi có sự cố bất ngờ do nguồn công suất bị ngắt, thì lúc nàyPLC sử dụng ác quy để duy trì nội dung của RAM trong một thời gian Sau khi được càiđặt và đưa chương trình vào RAM thì chương trình có thể được tải vào vi mạch của bộnhớ EPROM của PLC, thường là các module có khoá nối vĩnh cửa với PLC, do đóchương trình trong đó trở thành vĩnh cửu Ngoài ra thì PLC còn có các bộ đệm để lưu trữ

dữ liệu các kênh nhập và xuất

Dung lượng lưu trữ của bộ nhớ được xác định theo các tính bằng số lượng từ nhịphân có thể lưu trữ được trên đó

Hình2.6 PLC S7-1200

2.2.1.1 Tính năng nổi bật của CPU Simatic S7-1200

Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 thiết kế theo CAMPACT CPU trong đó tíchhợp sẵn các ngõ vào và ngõ ra I,O Tuy nhiên, PLC S7-1200 vẫn được trang bị thêm cácmodule mở rộng của PLC PLC S7-1200 với thiết kế với cấu tạo nhỏ gọn, nhiều côngnăng, đơn giản nhưng mang đến độ chính xác rất

Nhờ vào các module mở rộng mà PLC S7-1200 có thể được tùy chỉnh được chotừng ứng dụng và hệ thống cụ thể mà người dùng sử dụng Đặc điểm nổi bậc của dòngPLC này đó là có trang bị giao tiếp truyền thông Profinet

PLC tích hợp ngõ ra và ngõ vào I/O, các chuẩn giao tiếp truyền thông cho phép PLCđáp ứng được các yêu cầu khắc khe nhất, cao nhất trong truyền thông công nghiệp và cóđầy đủ các chức năng mới, điều này giúp cho PLC S7-1200 trở thành giải pháp tối ưucho trong các hệ thống, dây chuyền tự động hiện đại ngày nay Ở Hình2.2 Hình ảnh thực

tế của loại PLC S7-1200

2.2.1.2 CPU Tiêu Chuẩn

Tất cả dòng CPU tiêu chuẩn đều có thể mở rộng được nhờ modul mở rộng Số lượngcác đầu ra và đầu vào I/O tích hợp cũng như các module mở rộng sẽ phụ thuộc vào từngloại CPU khác nhau mà chúng ta sử dụng

- Có ộ nhớ 50 KB work memory và 1 MB Load memory.

- Có 3 bộ đếm xung tốc độ cao với tối đa 100 kHz

- Có tích hợp I/O: 6 DI/4 DQ

- Có khả năng mở rộng: 1 signal board (SB)

2.2.1.3.2 SIMATIC S7-1200 CPU 1212C

PLC 1212C có 3 loại biến thể, hình 2.4 là hình thực tế PLC 1212C DC/DC/RLY của

1 trong 3 biến thể của PLC S7 -1200 1212C

Trong PLC S7-1200 có các bộ phận sau: Bộ điều khiển, Signal board, các module I/

O tín hiệu số và tín hiệu analog khác nhau, các module truyền thông khác nhau, bộchuyển đổi Ethernet, bộ phận đầu cuối để đo trọng lượng của SIWAREX, bộ nguồn

2.2.3 Các tính năng cơ học

Dễ lắp đặt trong các tủ diện

Vỏ bằng nhựa an toàn khi sử dụng, chắc chắn

Các bộ phận được kết nối và kiểm soát chặt chẽ có thể tiếp cận dễ dàng, được bảo vệbởi các nắp nhựa

Thiết bị đầu cuối và các module có thể dễ dàng lắp đặt và tháo rời khi không sửdụng đến

Dòng điện sử dụng là 24VDC nên an toàn cho người sử dụng

2.2.4 Đặc tính thiết bị

Có các tiêu chuẩn quốc tế:

- SIMATIC S7-1200 được đảm bảo phù hợp các tiêu chuẩn quốc tế như VDE,

UL, CSA và FM

- Có chất lượng sử dụng theo tiêu chuẩn ISO 9001

SIMATIC S7-1200 có các cơ chế truyền thông khác nhau như sau:

- Đã tích hợp sẵn giao tiếp Profinet

- Module truyền thông PROFIBUS DP master

- Module truyền thông PROFIBUS DP slave

- Module GPRS có chức năng kết nối với mạng di động

- Module LTE có chức năng để liên lạc trong các mạng điện thoại di động

- Bộ xử lý truyền thông kết nối với phần mềm trung tâm điều khiểnTeleControl

- Bộ xử lý truyền thông được kết nối với các trung tâm điều khiển cho các ứngdụng từ xa

- RF120C có chức năng dùng để kết nối với các hệ thống SIMATIC

- Module SM1278 có chức năng dùng để kết nối cảm biến và bộ truyền động

- Module giao tiếp Point-to-point

2.2.6 Giao tiếp Profinet

Truyền thông Profinet sẽ cho phép kết nối với các thiết bị sau:

2.3.1 Tổng quan về phần mềm TIA Portal V15

TIA Portal là một phần mềm trên máy tính dùng để lập trình cho PLC, phần mềmnày tích hợp nhiều chức năng như lập trình, mô phỏng để điều khiển, giám sát, và vậnhành các hệ thống Chúng ta có thể hiểu, phần mềm TIA Portal là phần mềm tự động sửdụng chung một môi trường, nền tảng để thực hiện các quá trình

Hình 2.12 Phần mềm TIA PORTAL V15

Đặc điểm TIA Portal là cho phép các phần mềm cùng nhau chia sẽ và kết nối cùng

1 cơ sở dữ liệu, tạo nên sự thống nhất, tối ưu cho hệ thốngtrong việc vận hành và quản

lý

Phần mềm TIA Portal là phần mềm dễ dàng để lập trình:

- Thực hiện hiết kế giao diện kéo nhã thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ đadạng

- Thực hiện quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát

- Thực hiện go online và Diagnostic xác định lỗi hệ thống

- Thực hiện tích hợp mô phỏng hệ thống

- Dễ dàng có thể thiết lập cấu hình và những liên kết giữa các thiết bị

Hiện tại phần mềm TIA Portal có nhiều phiên bản khác nhau từ n TIA PortalV14,V15, V16, V17 Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người dùng sẽ lựa chọn cài đặt phiênbản tương ứng với nhu cầu

2.3.2 Giao diện phần mềm

Phần mền TIA PORTAL V15 làm nhiệm vụ trung gian giữa người dùng, người lậptrình và PLC

Các bước để tạo một project trên phần mềm :

- Bước 1: Khởi động phần mềm TIA PORTAL như hình 2.9

Hình 2.13 Phần mềmTIA Portal V15

- Bước 2: Click chuột để tạo dự án như hình 2.10

Hình 2.14 Thao tác tạo dự án mới

- Bước 3: Nhập tên dự án vào Project name sau đó nhấn Create như hình 2.11

Hình 2.15 Thao tác đặt tên chọn đường dẫn và tạo new project

- Bước 4: Chọn Configure a device như hình 2.12

Hình 2.16 Thao tác chọn vào Configure a device

- Bước 5: Chọn Add new device như hình 2.13

Hình 2.17 Thao tác chọn vào Add new device

- Bước 6: Chọn loại PLC mà ta sử dụng như hình 2.14

Hình 2.18 Thao tác Chọn loại CPU PLC

- Bước 7: Giao diện hiện ra như hình 2.15

Hình 2.19 Giao diện phần mềm

2.4 Truyền thông giữa máy tính và PLC

Tích hợp cổng truyền thông Profinet(Ethernet) Simatic S7 – 1200 vói Simatic HMIBasic được lập trình chung trên một nền phần mềm là TIA Portal V15 (Simatic Step 7Basic, WinCC Basic) hoặc version cao hơn Những thao tác lập trình thực hiện đơn giảntheo cách kéo và thả tạo sự dễ dàng cho người sử dụng, lập trình nhanh chóng, đơn giản,chính xác trong sự truyền thông

Hình 2.20 Truyền thông giữa máy tính và PLC

Hình 2.17 Dây cáp cổng mạng kết nối PLC với PC

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

Dây cáp cổng mạng tín hiệu ( hình 2.17) dùng để kết nối tín hiệu giữa máy tính vàPLC

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG

3.1 Thiết kế

3.1.1 Thiết kế mâm xoay

Hệ thống mâm xoay được thiết kế như hình 3.1, gồm 2 vòng đó là vòng ngoài vàvòng trong

Hình 3.21 Bản vẽ mâm xoay

Vòng ngoài là thiết kế khung để cố định và giữ chai

Vòng trong gồm thiết kế 4 vị trí để đặt chai khi quay mâm xoay và 4 lỗ ốc cố định

và 1 lỗ trục mâm xoay

Số liệu của vòng xoay như sau:

- Vật liệu : Bìa mica

- Kích thước mâm xoay R=16