Đồ án môn học điều khiển lập trình điều khiển giám sát hệ thống phân loại sản phẩm và lưu kho tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTHÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập – Tự do – Hạnh phúcBÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH Nhóm sinh viên:Phạm Lê Tuấn Hùng

CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Giới thiệu chung về hệ thống

2.1.1 Vai trò của phân loại sản phẩm trong nhà máy

Hệ thống phân loại sản phẩm được sử dụng để thực hiện quá trình phân loại theo các tiêu chí được thiết lập trước đó và di chuyển sản phẩm đến các vị trí khác nhau đã được định nghĩa trong chương trình Những thay đổi trong tư thế vận hành của hệ thống diễn ra thường xuyên trong quá trình phân loại, có thể được hoàn thành với tốc độ nhanh chóng Nơi mà các sản phẩm được phân loại theo một hoặc một số tiêu chí như kích thước, chiều cao, trọng lượng, màu sắc…nhờ công nghệ vision tiên tiến với camera kiểm tra sản phẩm Hệ thống cho phép thực hiện các thay đổi tư thế vận hành ở tốc độ cao Hệ thống sẽ thay thế con người làm các công việc đơn điệu, nhàm chán lặp đi lặp lại, giúp tiết kiệm chi phí thuê nhân công Máy sẽ hoạt động liên tục nên không có thời gian chết có thể gắp các sản phẩm nhỏ mà con người khó hoặc mất nhiều thời gian để hoàn thành.

2.1.2 Vai trò hệ thống lưu kho trong nhà máy

Quản lý kho là công việc quan trọng mà một kho nào cũng cần phải có Họ sẽ làm các hoạt động lưu trữ, bảo quản, cập nhật tình hình hàng hóa có trong kho một cách chính xác và chi tiết nhất.

Hệ thống quản lý kho còn giúp cho việc lưu thông và đảm bảo cho các hoạt động sản xuất và cung ứng hàng hóa được diễn ra liên tục và ổn định. Đối với một doanh nghiệp hay một cửa hàng bán lẻ, thì tình trạng tồn kho thì luôn luôn diễn ra Chính vì lẽ đó, việc kiểm soát tốt hàng tồn kho luôn là một vấn đề hết sức cần thiết và chủ yếu trong quản trị sản xuất tác nghiệp.

Giúp tiết kiệm chi phí lưu kho: chi phí này phụ thuộc vào số lượng và kích thước của hàng hóa lưu trữ, kiểm soát được số lượng tồn kho, giải phóng kịp thời sẽ tiết kiệm được chi phí lưu kho không cần thiết.

Lí thuyết chung về PLC

2.2.1 Giới thiệu chung về PLC

PLC – Programmable Logic Controller, được biết đến như một thiết bị điều khiển lập trình Nó cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển thông qua ngôn ngữ lập trình Đây là một chương trình thực hiện quay vòng, theo chu kỳ khép kín Người sử dụng có thể lập trình các chương trình từ đơn giản đến phức tạp.

Ngôn ngữ lập trình phổ biến là LAD (Ladder logic - Dạng hình thang), FBD (Function Block Diagram - Khối chức năng), STL (Statement List - Liệt kê lệnh) và Ladder logic là ngôn ngữ lập trình PLC đang được ưa chuộng nhất.

PLC là thiết bị điều khiển có cấu trúc máy tính bao gồm bộ xử lý trung tâm CPU,

Bộ nhớ ROM, Bộ nhớ RAM, dùng để nhớ chương trình ứng dụng, và các cổng Vào/ Ra - INPUT/ OUTPUT.

Cùng với sự phát triển của phần cứng lẫn phần mềm, PLC ngày càng tăng được những tính năng cũng như lợi ích của PLC trong hoạt động công nghiệp

- Kích thước của PLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng IO càng nhiều hơn, các ứng dụng của PLC càng mạnh hơn giúp người sử dụng giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống.

- Người sử dụng có thể nhận biết các trục trặc hệ thống của PLC nhờ giao diện qua màn hình máy tính, một số PLC thế hệ sau có khả năng nhận biết các hỏng hóc troubleshooting của hệ thống và báo cho người sử dụng, điều này giúp cho việc sửa chữa thuận tiện hơn.

2.2.2 Phát xung tốc độ cao trong PLC

Hiện nay các bộ PLC thường có hai loại ngõ ra là relay và transistor Đối với ngõ ra relay là dạng ngõ ra đóng cắt bằng tiếp điểm cơ khí nên tần số đóng cắt rất thấp chỉ khoảng dưới 1Hz, còn đối với dạng ngõ ra transistor thì tần số đóng cắt cao hơn có thể lên tới hàng trăm Khz.

Tuy nhiên để phát được xung từ 10Khz trở lên thì plc phải được thiết kế sử dạng các transistor có tần số đóng cắt cao thì mới đáp ứng được và giá thành của transistor này tương đối cao nên dẫn tới việc plc chỉ thường được tích hợp giới hạn số chân có khả năng phát xung tốc độ cao này. Để biết xem dòng plc đang sử dụng tích hợp bao nhiêu chân phát xung và tốc độ phát xung tối đa là bao nhiêu thì cần tham khảo trong catalogue hoặc manual của nhà sản xuất Các dòng plc cơ bản phổ biến hiện nay đa số thường tích hợp thừ 2-

4 chân phát xung tốc độ cao với tốc độ từ 10Khz đến 100Khz.

Mỗi loại plc thường có cách cài đặt và lập trình bộ phát xung tốc độ cao khác nhau tùy vào tập lệnh, tuy nhiên đều hoạt động dựa trên nguyên lý sau đây. Đầu tiên là xác định chân phát xung, thường lại những chân đầu tiên trong ngõ ra của plc, tiếp theo là cài đặt tần số phát xung, và số xung cần phát.

Có một số plc có khả năng phát xung liên tục hoặc có thể cài đặt độ rộng của xung nên đối với mỗi ứng dụng khác nhau bạn có thể linh hoạt sử dụng các tính năng này. Ứng dụng phổ biến của bộ phát xung tốc độ cao là dùng để điều khiển động cơ bước hay động cơ DC.

2.2.3 Chuyển đổi tín hiệu xung Encoder sang Analog

Encoder hay còn gọi là bộ mã hóa quay hoặc bộ mã hóa trục, là một thiết bị cơ điện chuyển đổi vị trí góc hoặc chuyển động của trục hoặc trục thành tín hiệu đầu ra analog hoặc kỹ thuật số Encoder được dùng để phát hiện vị trí, hướng di chuyển, tốc độ… của động cơ bằng cách đếm số vòng quay được của trục.

Bộ chuyển đổi xung sang tín hiệu Analog được sử dụng để biến đổi tín hiệu xung sang tín hiệu analog Nó được ứng dụng với Encoder đưa tín hiệu xung về tín hiệu 4-20mA để sử dụng cho các bộ điều khiển không đọc được tín hiệu xung.

2.2.4 Xử lý ngõ ra Analog trong PLC

Tín hiê †u Analog hay tín hiệu tương tự là dạng tín hiê †u liên tục được biển diễn qua mô †t đường hình Sin hoă †c Cos, hay thâ †m chí là dạng đường cong lên xuống bất kỳ Thông thường tín hiê †u này hay được nhắc đến tín hiê †u Analog 4-20mA hoă †c 0-10V.

Loại tín hiê †u này hay nhìn thấy ở tín hiê †u Radio, thiết bị âm thanh sống, bô † Ampli, tín hiê †u Tivi…Trong công nghiê †p thì được biết đến với loại cảm biến áp suất, cảm biến nhiê †t đô †, bô † chuyển đổi tín hiê †u… Để đọc, ghi được các tín hiệu tương tự này, PLC có các Module Analog đầu vào (Analog Input) và Analog đầu ra (Analog Output)

Xử lý tín hiệu Analog đầu vào trong PLC Đo một đại lượng thực tế cần đo đếm (nhiệt độ, áp suất, mức,…) bằng thiết bị đo tương ứng Thiết bị đo này chuyển giá trị đại lượng đo thành tín hiệu đầu ra dạng tương tự Tín hiệu tương tự này được đưa vào module Analog input của PLC để biến đổi thành giá trị số Tuy nhiên người lập trình không thể sử dụng giá trị số này mà phải quy đổi tín hiệu số này về khung giá trị của đại lượng cần đo Từ đó mang giá trị này đi xử lý trong logic điều khiển (so sánh, tính toán,…)

Xử lý tín hiệu Analog đầu ra trong PLC

12 Đại lượng cần điều khiển (tần số động cơ, độ mở van tuyến tính,…) được điều khiển bằng thiết bị điều khiển trực tiếp (biến tần, mạch điều khiển van) Thiết bị điều khiển này nhận tín hiệu tương tự xuất ra từ PLC (từ module Analog Output). Tuy nhiên module này chỉ hiểu được các giá trị số, không thể nhập trực tiếp giá trị

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Thiết kế lưu đồ điều khiển

Thiết kế giao diện SCADA

SCADA được hiểu như là giải pháp điều khiển giám sát sử dụng công nghệ phần mềm chuyên dụng Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ,…). SCADA dùng phần mềm chuyên dụng của Siemens đó là Wincc.

Giao diện hiển thị chính gồm có:

+ Ba nút nhấn Start, Stop, Reset và đèn hiển thị tương ứng.

+ Số đếm sản phẩm Blue, Green, Black.

+ Khối lượng sản phẩm hộp.

+ Số thự tự ô hàng lưu kho.

Chương 4: THIẾT KẾ VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ẢO

Factory I/O là một phần mềm thiết kế và mô phỏng trực quan các hệ thống điều khiển tự động hoá theo cách trực quan nhất Phần mềm có thể giao tiếp gần như với mọi PLC Với bộ thư viện phong phú, phần mềm Factory I/O mô phỏng được các hệ thống, đối tượng thông dụng trong hệ thống tự động hoá dưới dạng 3D.

Giao diện khởi động Factory I/O

4.1.2 Các đối tượng điều khiển

Factory I/O được thiết kế sẵn 20 mô hình dựa theo các ứng dụng công nghiệp. Các hệ thống, đối tượng trong Factory I/O thường được cung cấp sẵn trong thư viện Factory I/O để thiết kế dây chuyền, hệ thống theo nhu cầu riêng của bạn Các

36 thư viện này có thể được thấy khi mở phần mềm Factory I/O lên ở góc bên phải gồm các thư viện như băng tải nặng, băng tải nhẹ, cảm biến…Ta lựa chọn nhóm thiết bị rồi kéo thả là có thể lắp ghép mô hình dễ dàng.

Một vài thiết bị và station tích hợp có sẵn trong Factory I/O

4.1.3 Ưu nhược điểm Ưu điểm:

- Giao diện 3D, góc nhìn đa dạng.

- Kết nối được nhiều loại PLC thực khác nhau.

- Thiết kế xây dựng nhà máy với hơn 30 loại linh kiện (cảm biến, băng tải, nút nhấn, pusher, elevator, robot arm ) và linh kiện càng phong phú thêm trong thời gian tới.

- Chỉ là phần mềm mô phỏng nên không thể đáp ứng hết các nhu cầu trong thực tế.

- Không thể mô phỏng được sự quá tải của băng tải.

4.2 Thiết kế hệ thống ảo

4.2.1 Các thành phần hệ thống

Khâu phân loại sản phẩm theo màu

4.2.2 Bảng chuyển đổi thiết bị từ thực tế sang Factory IO

THIẾT BỊ THỰC TẾ THIẾT BỊ FACTORY

Nút nhấn Khi tác động các tiếp điểm chuyển trạng thái, khi không còn tác động, các tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu. Nút nhấn trong Factory

IO cũng có chức năng tương tự như trong thực tế.

Cảm biến màu TCS3200 Nhận biết màu sắc bằng cách đo phản xạ màu sắc từ vật thể từ đó xuất ra tần số xung tương ứng qua các chân tín hiệu Vision Sensor trong Factory IO cũng có chức năng tương tự như trong thực tế.

Cảm biến quang Dùng để phát hiện vật cản Cảm biến phát ra một tia sáng Khi có một vật cản tia sáng thì cảm biến sẽ phát một tín hiệu để báo về trung tâm điều khiển. Diffuse Sensor trong Factory IO cũng có chức năng tương tự như trong thực tế.

Van và xi lanh khí nén Xi lanh khí nén 2 chiều sử dụng lực đẩy của khí nén để tác động đẩy ra và rút lại Pusher trong Factory IO cũng có chức năng tương tự như trong thực tế. Động cơ giảm tốc và băng tải đưa sản phẩm đến kho

Là động cơ điện có tốc độ thấp, được giảm đi nhiều so với động cơ thông thường ở cùng công suất và số cực Động cơ bước và các trục vít me để tạo hệ thống lưu kho 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.

PLC và các module mở rộng

Dùng để thực hiện các phép toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình Sau khi đưa các tín hiệu đầu vào , module PLC sẽ thực hiện nhiệm vụ xử lý và đưa ra tín hiệu đầu ra

Dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện

4.2.3 Giao tiếp trên Factory I/O và PLCSIM

Sau khi đã thiết kế xong hệ thống, Factory I/O sẽ kết nối với các bộ điều khiển PLC thông qua các driver kết nối được cung cấp sẵn Điều khá hay là không những kết nối với thiết bị thật Kết nối Factory I/O với bộ điều khiển PLC với bộ mô phỏng PLCSIM của Siemens. Đối với một PLC chưa được Factory I/O cung cấp drive có sẵn thì ta có thể kết nối thông qua các giao thức trung gian như OPC, Modbus

Các kết nối cho phép điều khiển:

Với đề tài này, chúng em sử dụng kết nối PLCSIM, cho phép kết nối Factory I/O với máy ảo để thuận tiện và tiết kiệm chi phí làm đề tài.

Kết nối Factory I/O và S7-PLCSIM

Chương 5 : KẾT QUẢ THỰC HIỆN

5.1 Kết quả thiết kế hệ thống

Sau khi thực hiện đề tài, nhóm chúng em đã có được một số kết quả như sau:

- Khảo sát và tìm hiểu quy trình phân loại sản phẩm theo màu sắc và khối lượng.

- Xây dựng được phần cứng sử dụng các thiết bị và hiểu rõ hoạt động của các thiết bị đó.

- Học tập và thành thạo hai phần mềm Factory I/O, Tia Portal đồng thời biết cách giao tiếp kết nối các phần mềm.

5.2 Kết quả mô phỏng hoạt động hệ thống

+ Hệ thống phân loại được các loại màu sắc cơ bản như Blue, Green, Black.

+ Hệ thống hoạt động ổn định, cách vận hành của hệ thống đơn giản.

+ Có các màn hình hiển thị số sản phẩm đã được phân loại.

5.3 Kết quả mô phỏng SCADA

+ Nút nhấn và đèn hoạt động ổn định.

+ Màn hình hiển thị số lượng, khối lượng sản phẩm và số thứ tự ô hàng chính xác.

5.4 Kết quả mô phỏng hệ thống ảo

Vận hành hệ thống dễ dàng, hoạt động một cách ổn định và đạt được yêu cầu ban đầu đặt ra.

Sau khi thực hiện đề tài nhóm sinh viên đã có những cái nhìn tổng quan, tiếp cận với các phần mềm, đồng thời áp dụng các kiên thức mà môn học đã mang lại vào đề tài cuối kì này Đề tài đã thực hiện đúng và đủ các yêu cầu mà ban đầu chúng

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ẢO

Thiết kế hệ thống ảo