Quá trình sản xuất càng được tự động hóa cao càng nâng cao năng suất sản xuất giảm chi phí tăng tính cạnh tranh cho các doanh nghiệp.Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong công cuộc công n
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Tự động hóa trong dây chuyền sản xuất là một phương án tối ưu, nó đòi hỏi sự nhanh chóng, chính xác và giảm thiểu được nhân công lao động Quá trình sản xuất càng được tự động hóa cao càng nâng cao năng suất sản xuất giảm chi phí tăng tính cạnh tranh cho các doanh nghiệp.
Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa sử dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sản xuất, gia công, chế biến sản phẩm…Điều này dẫn tới việc hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt, cho phép tự động hóa ở mức độ cao Trong đó có một khâu quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng hàng hóa bán ra là hệ thống phân loại sản phẩm Việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển vào “quá trình phân loại sản phẩm” thành tựu đáng kể làm thay đổi sản xuất cũ mang nhiều hạn chế làm thay đổi cục diện công nghiệp mạnh mẽ Trở thành vấn đề hứng thú đầy tiềm cho chúng em tìm hiểu xây dụng thiết kế cải tiến góp phần vào hoàn thiện phát triển sâu, rộng đời sống sản xuất người.
Hình 1 1: Một số dây chuyền phân loại sản phẩm trong công nghiệp Đồ án “Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm” nhằm củng cố kiến thức cho sinh viên, đồng thời giúp cho sinh viên thấy được mối liên hệ giữa những kiến thức đã học ở trường với những ứng dụng bên ngoài thực tế Đề tài có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực như vận chuyển sản phẩm, đếm sản phẩm và phân loại sản phẩm Với hệ thống tự động hóa này chúng ta có thể giảm thiểu nhân công đi kèm với giảm chi phí sản xuất.Bên cạnh đó PLC được ra đời và nó ngày càng phát triển vì những tính năng ưu việt mà nó có được Từ khi PLC ra đời nó đã thay thế một số phương pháp cũ, nhờ khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa vào việc lập trình dựa trên những tập lệnh logic cơ bản.
Lí do chọn đề tài
Nội dung của môn học này là vận dụng những kiến thức đã được học ở môn “Điều khiển lập trình” của kì trước để vận hành một PLC vận hành trong một mô hình thực tế.
Hiện nay, các nhà máy với mặt hàng sản xuất là hộp nhựa dùng nhiều lần được dùng để bảo quản đồ ăn , các vật dụng mà không bị tác động của môi trường với khả năng chống thấm nước, gọn nhẹ, không hoen gỉ Với sản lượng lớn nên các khâu sản xuất cần có sự tính toán tỉ mỉ, tối ưu hóa về mặt thời gian cũng như chất lượng sản phẩm Đề tài phân loại sản phẩm theo chiều cao bằng PLC là một trong những đề tài dễ tiếp cận đối với sinh viên nhằm phục vụ cho học tập và nghiên cứu Đồng thời đây cũng là mô hình có tính thực tế cao.
Tóm tắt đề tài
Trong sản xuất hiện nay, nhu cầu về hình dạng sản phẩm ngày càng được chú trọng, vì vậy để đáp ứng nhu cầu thiết yếu đó nên trên thị trường ra nhiều sản phẩm có hình dạng và kích thước khác nhau Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được sử dụng rất phổ biến hiện nay trong các dây chuyền sản xuất Bằng cách nhận biết các sản phẩm dựa vào chiều cao đã được quy định trước đó bởi người vận hành Hệ thống phân loại sản phẩm chiều cao được xem như là một công cụ hỗ trợ phân loại nhanh và chính xác, hạn chế khả năng xảy ra lỗi hơn so với con người, tối ưu hóa được số lượng nhân công.
Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được hoạt động theo quy trình như sau: Sản phẩm được đưa lên băng tải băng tải sau đó được di chuyển qua các cảm biến Lúc này nếu chiều cao đạt đúng yêu cầu mà người vận hành quy định thì các cảm biến tác động gửi tín hiệu về PLC và PLC xuất tín hiệu ở ngõ ra điều khiển các xy lanh đẩy sản phẩm lên các thanh trượt vào thùng chứa tương ứng Hệ thống này được lặp đi lặp lại liên tục cùng với dây chuyền đóng gói, dán nhãn, lưu kho tạo nên một dây chuyền sản xuất hoàn chỉnh của nhà máy. Ứng dụng thực tế của mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao:
Hệ thống phân loại tự động cho sản phẩm hàng hóa, trái cây và rau quả trên cơ sở kích thước bao gồm bộ phận cấp, phân loại, thả và thu hồi sản phẩm Máy phân loại sản phẩm theo kích thước điều khiển tự động, độ chính xác cao, hoạt động ổn định, phù hợp cho nhiều loại sản phẩm khác nhau.
Năng suất: 3-5 tấn/ giờ ~ 1000-1100 sản phẩm/ phút
Hình 1 2: Dây chuyền phân loại trứng , cà chua theo kích thước Ứng dụng phân loại sản phẩm theo khối lượng cho ngành thực phẩm, nông sản, trái cây…
Trong ngành logistic, thương mại điện tử, các gói hàng được đóng trong các hộp với trọng lượng, màu sắc, kích thước khác nhau dễ dàng được phân loại nhờ hệ thống phân loại lựa với camera và thuật toán phân loại thông minh Hàng hóa được phân loại trên băng tải chính theo các băng tải xương cá di chuyển tới các vị trí tập kết.
Phân loại sản phẩm tự động giúp giảm thiểu sức người và thời gian cho khâu phân loại vốn nhàm chán nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác ở tốc độ cao với năng suất vượt trội.
Với các ngành chế biến, sản xuất bánh kẹo, thực phẩm, sản phẩm sau khi chế biến chạy trên băng tải hoàn toàn có thể được hệ thống chọn/bỏ theo các tiêu chí về hình dáng, màu sắc, giúp quá trình đóng gói diễn ra liền mạch và chất lượng sản phẩm được kiểm soát đồng đều hơn.
Hệ thống nhận diện và phân loại ngày càng thông minh hơn với việc áp dụng AI vào công việc phân loại, lựa sản phẩm theo các kịch bản mong muốn từ trước Hệ thống băng tải cấp, chọn hàng với tốc độ lên tới 150m/phút có khả năng chịu mài mòn, nhiệt độ, độ ẩm cao và các điều kiện sản xuất đặc biệt. Để mô hình có thể hoạt động được và đạt được hiệu quả Các vấn đề cần quan tâm:
- Làm thế nào để đưa sản phẩm vào hệ thống
- Làm cách nào để nhận biết được sản phẩm
- Cuối cùng làm cách nào để phân loại sản phẩm vào đúng vị trí của nó. Để giải quyết các vấn đề được đặt ra, ta cần xác định được nguyên lý vận hành của hệ thống và chi tiết cần thiết kế Sau đó, xây dựng sơ đồ khối để xác định cơ chế vận hành cho từng khối Từ đó thiết kế chi tiết cho từng khối.
Cách thức thực hiện đối với đề tài “Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao” để có thể thực hiện được đề tài này cần thiết phải nắm được những kiến thức về cơ khí, về điện tử, về PLC Tìm hiểu thêm các tài liệu liên quan đến đề tài thông qua sách báo, mạng,… để củng cố thêm kiến thức Đồng thời cần xây dụng mô hình phần cứng của hệ thống để làm cơ sở cho đề tài.
Mục tiêu nghiên cứu
- Thi công và điều khiển được mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao với PLC S7- 1200.
- Lựa chọn thiết bị phù hợp để điều khiển.
- Kết nối ngoại vi với bộ xử lí trung tâm (PLC).
- Hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống, đánh giá tổng quan mô hình.
- Kết nối và vận hành hệ thống phân loại theo đúng yêu cầu.
Phương pháp nghiên cứu
- Đọc manual và các tài liệu hướng dẫn sử dụng liên quan đến PLC.
- Đọc datasheet và cách thức hoạt động cũng như nối dây của cảm biến.
- Tham khảo các bài báo khoa học và các đồ án đã được thực hiện trước đây để rút ra kinh nghiệm.
- Đọc hiểu các trình tự thiết kế màn hình HMI trên phần mềm Tia Portal.
- Tham khảo ý kiến các thầy bộ môn Điện - Tự động hóa.
Giới hạn đề tài
- Mô hình phân loại quy mô nhỏ, tốc độ phân loại còn chậm, chỉ phân loại theo 3 loại sản phẩm: Thấp (4cm), trung bình (6cm) và cao (9cm).
- Mô hình còn khá đơn giản, chưa có nhiều cải tiến nổi trội.
Nội dung đề tài
Đề tài gồm có 5 chương như sau:
Chương 2: Cơ sở lí thuyết
Chương 3: Lựa chọn thiết bị
Chương 4: Thi công mô hình
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu về PLC
PLC được sử dụng để điều khiển dây chuyền, thiết bị công nghiệp riêng lẻ (Rơ-le, timer, contactor ) hoặc kết hợp với nhau tuỳ theo mức độ yêu cầu thành một hệ thống điện điều khiển đáp ứng được bài toán công nghệ đặt ra Công việc này diễn ra khá phức tạp trong thi công vì phải thao tác chủ yếu trong việc đấu nối, lắp đặt mất khá nhiều thời gian mà hiệu quả lại không cao vì một thiết bị có thể cần được lấy tín hiệu nhiều lần mà số lượng lại rất hạn chế, bởi vậy lượng vật tư là rất nhiều đặc biệt trong quá trình sửa chữa bảo trì, hay cần thay đổi quy trình sản xuất gặp rất nhiều khó khăn và mất rất nhiều thời gian trong việc tìm kiếm hư hỏng và đi lại dây bởi vậy năng suất lao động giảm đi rõ rệt Với những nhược điểm trên các nhà khoa học, nhà nghiên cứu đã nỗ lực để tìm ra một giải pháp điều khiển tối ưu nhất đáp ứng mong mỏi của ngành công nghiệp hiện đại đó là tự động hoá quá trình sản xuất làm tăng sức lao động, giúp người lao động không phải làm việc ở những khu vực nguy hiểm, độc hại mà năng suất lao động lại tăng cao gấp nhiều lần.
Một hệ thống điều khiển ưu việt mà phải chọn để điều khiển cho ngành công nghiệp hiện đại cần phải hội tụ đủ các yếu tố sau: Tính tự động cao, kích thước và khối lượng nhỏ gọn, giá thành hạ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt Từ đó, hệ thống PLC ra đời đầu tiên năm 1968 Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống, vì vậy qua nhiều năm cải tiến và phát triển không ngừng khắc phục những nhược điểm còn tồn tại để có được bộ điều khiển PLC như ngày nay Từ đó đã giải quyết được các vấn đề nêu trên với các ưu việt như sau:
Là bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán điều khiển.
Có khả năng mở rộng các module vào ra khi cần thiết.
Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu thích hợp với nhiều đối tượng lập trình.
Có khả năng truyền thông đó là trao đổi thông tin với môi trường xung quanh như với máy tính, các PLC khác, các thiết bị giám sát, điều khiển
Có khả năng chống nhiễu với độ tin cậy cao và có rất nhiều ưu điểm khác nữa. Hiện nay trên thế giới có nhiều hãng PLC khác nhau cùng phát triển như hãng Omron, Misubishi, Hitachi, ABB, Siemens đều có chung một nguyên lý cơ bản, tuy nhiên có vài điểm khác biệt phù hợp với từng ngành.
Cùng với sự phát triển của phần cứng lẫn phần mềm, PLC ngày càng tăng được các tính năng cũng như lợi ích trong hoạt động công nghiệp Kích thước của PLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O nhiều hơn, các ứng dụng của PLC mạnh hơn nâng cao khả năng giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống. Ứng dụng đầu tiên của PLC là hệ thống điều khiển chỉ cần lắp đặt một lần (đối với sơ đồ hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngõ vào/ra ), mà không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tự điều khiển (đối với hệ thống điều khiển rơ-le ) khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC để luôn truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống điều khiển linh hoạt hơn.
Không như các hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng lắp đặt do chiếm một khoảng không gian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống khác Điều này thuận lợi hơn đối với các hệ thống điều khiển lớn, phức tạp, và quá trình lắp đặt hệ thống PLC ít tốn thời gian hơn các hệ thống khác Có thể nhận biết các vấn đề trong hệ thống của PLC nhờ giao diện qua màn hình máy tính (một số PLC thế hệ sau có thể nhận biết và thông báo trực tiếp cho người sử dụng).
Tiêu chuẩn hoá các chức năng chính của PLC trong các hệ điều khiển gồm:Điều khiển chuyên gia giám sát:
- Thay thế cho điều khiển rơ-le.
- Thay thế cho các Panel điều khiển, mạch in.
- Điều khiển tự động, bán tự động bằng tay, các máy và các quá trình.
- Có các khối điều khiển thông dụng (thời gian, bộ đếm). Điều khiển dãy:
- Các phép toán số học.
- Điều khiển liên tục các quá trình (nhiệt độ, áp suất ).
- Điều khiển động cơ chấp hành.
- Điều khiển động cơ bước. Điều khiển mềm dẻo:
- Điều hành quá trình báo động.
- Phát hiện lỗi khi chạy chương trình.
- Ghép nối với máy tính.
- Thực hiện mạng tự động hoá xí nghiệp.
Một số lĩnh vực tiêu biểu sử dụng PLC:
Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất trong công nghiệp và dân dụng Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có khả năng đóng mở (ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong sản xuất Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm:
- Hóa học và dầu khí: định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiến hệ thống dẫn.
- Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hóa trong chế tạo máy, đo đạc, quá trình lắp đặt máy điều khiển nhiệt độ lò kim loại phẩm. lượng.
-Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: Phân loại sản phẩm, đếm sản phẩm, kiểm tra sản
- Kim loại: Điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), quy trình sản xuất, kiểm tra chất
- Năng lượng: Điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý các tua bin ) các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ). 2.1.3 Ưu, nhược điểm của PLC
Từ thực tế sử dụng thấy rằng PLC có những điểm mạnh như sau:
Chương trình PLC dễ thay đổi và sửa chữa: Chương trình tác động đến bên trong bộ PLC có thể được lập trình thay đổi bằng xem xét việc thực hiện và giải quyết tại chỗ những vấn đề liên quan đến sản xuất Người lập trình PLC được trang bị các công cụ phần mềm hỗ trợ để tìm ra lỗi, từ đó sửa chữa thay thế hay theo dõi được cả phần cứng và phần mềm dễ dàng hơn Chỉ cần thay đổi phần mềm sẽ có thể tạo nên hệ thống tối ưu mà các hệ điều chỉnh trước không có được.
Dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống: Với chi phí rất lớn cho việc hàn mạch hay nối mạch trong cấp điều khiển rơ-le, thì ở PLC những công việc đó đơn giản được thực hiện bởi chương trình.
Các tín hiệu đưa ra từ bộ PLC có độ tin cậy cao hơn so với các tín hiệu được cấp từ bộ điều khiển bằng rơ-le.
Với hệ thống điều khiển dùng PLC vừa có thể tiến hành hiệu chỉnh sửa chữa mà hệ thống vẫn làm việc, tức là vẫn đảm bảo dây chuyền công nghệ không bị dừng, vì vậy cho phép hiệu chỉnh để đạt được kết quả hiệu chỉnh là tối ưu.
Do chưa tiêu chuẩn hoá nên mỗi công ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngôn ngữ lập trình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất về hợp thức hoá.
Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá của một bộ PLC đắt hơn khi sử dụng bằng phương pháp rơ-le.
Dòng đầu ra của PLC thường nhỏ hơn 500 mA Nên khi đấu nối với các thiết bị công suất lớn thường phải sử dụng thiết bị trung gian là rơ-le. Để thực hiện lập trình được chương trình điều khiển bắt buộc phải có máy tính hoặc máy lập trình đi kèm với cáp chuẩn hóa.
PLC được nhiều hãng chế tạo và mỗi hàng có nhiều họ khác nhau, và có nhiều phiên bản trong mỗi họ, chúng khác nhau về tính năng và giá thành, phù hợp với bài toán đơn giản hay phức tạp Ngoài ra còn có các bộ ghép mở rộng cho phép ghép nhiều bộ PLC nhỏ để thực hiện các chức năng phức tạp, hay giao tiếp với máy tính tạo thành một mạng tích hợp, việc thực hiện theo dõi, kiểm tra, điều khiển một quá trình công nghệ phức tạp hay toàn bộ một phân xưởng sản xuất Mặc dù vậy, một hệ thống điều khiển dùng bất cứ loại PLC nào đều có cấu trúc như hình sau:
+ Ngõ vào dạng số: gồm hai trạng thái ON và OFF Khi ở chức năng ON thì ngõ vào số được coi như ở mức logic một hay mức logic cao Khi ở trạng thái OFF thì ngõ vào có thể được như ở mức logic 0 hay mức logic thấp.
+ Ngõ ra số: Gồm hai trạng thái ON và OFF Các ngõ ra này thường được nối ra để điều khiển các cuộn dây contactor, đèn tín hiệu…
+ Thiết bị đầu vào: Gồm các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển thường là nút nhấn, cảm biến.
Bảng 2 1: Một số thông số CPU S7-1200
Chức năng CPU 1211C CPU1212C CPU
Kích thước vật lí(mm) 90x100x75 90x100x75 110x100x7
Word 30 Kbytes 50 Kbytes 75Kbytes 100 Kbytes
Load 1 Mbytes 1 Mbytes 4 Mbytes 4 Mbytes
Retentive 10 Kbytes 10 Kbytes 10 Kbytes 10 Kbytes
Kiểu số 6 Input/4 Out 8 Inputs/6 Out
Kiểu tương tự 2 Inputs 2 Inputs 2 Inputs 2 Input/2
Output Kích thước bộ đệm
Inputs 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes Outputs 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes
Bit nhớ (M) 4096 bytes 4096 bytes 4096 bytes 4096 bytes
Module mở rộng vào ra None 2 8 8
Bộ đệm tốc độ cao
3 at 100kHz SB: 2 at 30kHz
3 at 100kHz 1at 30kHz SB:
3 at 80kHz SB: 2 at 20kHz
3 at 80kHz 1 at 30kHz SB:
Card nhớ SIMATIC Memory Card (optional)
Lưu trữ thời gian đồng hồ thời gian thực
Chuẩn 20 ngày, nhỏ nhất là 12 ngày ở nhiệt độ 40 C 0 (duy trì bằng tụ điện có dung lượng lớn) PROFINET 1 cổng truyền thông Ethenet 2 cổng truyền thông
Tốc độ thực thi phép toán thực
Tốc độ thực thi logic
Giới thiệu phần mềm giao diện người và máy WinCC (Siemens)
2.2.1.Giới thiệu chung về WinCC:
WinCC là viết tắt của “Windows Control Center” được Siemens phát triển từ rất sớm và được đưa ra thị trường từ năm 1994 – 1996.
SIMATIC WinCC là phần mềm được sử dụng để thiết kế cho màn hình giao diện HMI (HMI viết tắt của cụm từ “Human-Machine-Interface” được hiểu là thiết bị dùng để giao tiếp giữa người thiết kế với thiết bị máy), cũng như hệ thống SCADA (SCADA là viết tắt của cụm từ “Supervisory Control And Data Acquisition” được hiểu là hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát).
Hiện nay trên thị trường SIMATIC WinCC vẫn tiếp tục phát triển hai phiên bản là WinCC.x và WinCC của TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal – hệ thống tự động hóa tích hợp toàn diện).
Hình 2 5: Đặc tính mở của phần mềm WinCC
- Phiên bản WinCC Basic và Comfont thiết kế cho các dòng màn hình Basic, Comfort, mobile.
- Phiên bản WinCC Advanced thiết kế cho các dòng màn hình Thin client hoặc chạy runtime trên máy tính PC (“Person Computer” nghĩa là máy tính cá nhân).
- Phiên bản WinCC Professional thiết kế cho hệ thống SACADA chạy trên nền tảng máy tính PC.
SIMATIC WinCC gồm hai bản cài đặt:
WinCC ES là viết tắt của WinCC Engineering Software Đây là phiên bản dành cho nhà tích hợp và thiết kế hệ thống SCADA Cấu hình máy tính PC để sử dụng tối ưu nhất cho phiên bản WinCC ES với đề nghị tối thiểu: Chip xử lý Intel Core i5-3320M y TM 3.3 GHz hoặc tương đương, 8G RAM, độ phân giải 1920 x 1080, OS 32/64-bit. WinCC RT là viết tắt của WinCC Runtime Đây là phiên bản dành cho người dùng cuối (end-user) Cấu hình máy tính PC để sử dụng tối ưu nhất cho phiên bản WinCC RT với đề nghị tối thiểu: Chip xử lý Intel Core i3 1.6 GHz hoặc tương đương, 4/8G RAM, y TM độ phân giải 1366 x 768, OS 32/64 bit.
Tự động hóa quá trình điều khiển và giám sát quy trình sản xuất Khi một hệ thống sử dụng chương trình WinCC để điều khiển và thu thập dữ liệu từ quá trình, nó có thể mô phỏng bằng hình các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng các chuối sự kiện WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị, thông báo bằng đồ họa xử lý thông tin đo lường, các tham số công thức, các bản ghi báo cáo, đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày một phát triển và là một trong những chương trình ứng dụng trong thiết kế giao diện Người-Máy (HMI), sử dụng phổ cập nhất tại Việt Nam hiện nay vào hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt tại nhiều nước trong đó có Việt Nam.
Khi sử dụng WINCC để thiết kế giao diện Người-Máy (HMI) và mạng SCADA, WINCC sử dụng các chức năng sau:
- Graphics Designer: Thực hiện dễ dàng các chức năng mô phỏng và hoạt động qua các đối tượng đồ họa của chương trình WINCC, Windows, OLE, I/O, … với nhiều thuộc tính hoạt động (Dynamic).
- Alarm Logging: Thực hiện việc hiển thị các thông báo hay các báo cáo trong khi hệ thống vận hành Đảm trách các thông báo nhận được và lưu trữ Nó chứa các chức năng để nhận các thông báo từ các quá trình, để chuẩn bị, hiển thị, hồi đáp và lưu trữ chúng.
- Tag Logging: Thu thập, lưu trữ và nén các giá trị đo dưới nhiều dạng khác nhau. Tag Logging cho phép lấy dữ liệu từ các quá trình thực thi, chuẩn bị để hiển thị và lưu trữ các dữ liệu đó Dữ liệu có thể cung cấp các tiêu chuẩn về công nghệ và kỹ thuật quan trọng liên quan đến trạng thái hoạt động của toàn hệ thống.
- Report Designer: Có nhiệm vụ tạo các thông báo, báo cáo và các kết quả này được lưu dưới dạng các trang nhật ký sự kiện.
- User Achivers: Cho phép người dùng sử dụng lưu trữ dư liệu từ chương trình ứng dụng và có khả năng trao đổi với các thiết bị tự động hóa khác Điều này có nghĩa các công thức, thông số trong chương trình WINCC có thể được soạn thảo, lưu trữ và sử
- WINCC cho phép người sử dụng có khả năng truy cập các hàm giao diện chương trình ứng dụng API (API viết tắt của cụm từ “Application Program Inter face”) của hệ điều hành Ngoài ra sự kết hợp giữa chương trình WINCC và các công cụ phát triển riêng như: Visual C++ hoặc Visual Basic sẽ tạo ra hệ thống có tính đặc thù cao, tinh vi, gắn riêng với một cấu hình cụ thể nào đó.
- WINCC có thể tạo ra một giao diện Người-Máy (HMI) dựa trên cơ sở giao tiếp giữa con người, với các hệ thông máy, thiết bị điều khiển (PLC, CNC, …) thông qua các hình ảnh, sơ đồ, hình vẽ hoặc câu chữ có tính trực quan hơn Có thể giúp người vận hành theo dõi được quá trình làm việc, thay đổi các tham số, công thức hoặc quá trình hoạt động, hiển thị các giá trị hiện thời cũng như giao tiếp với quá trình công nghệ thông qua các hệ thống tự động.
- Việc sử dụng chương trình WINCC để điều khiển giám sát hệ thống tự động hóa trong quá trình sản xuất đã cho kết quả điều khiển chính xác Từ máy tính trung tâm, có thể điều khiển mọi hoạt động toàn bộ dây chuyền sản xuất được lập trình trên WINCC,bạn có thể tất cả các thiết bị trên dây chuyền Dựa vào giao diện HMI có thể giám sát và thu thập dữ liệu vào ra (I/O) một cách chính xác, hỗ trợ các phương thức xử lý dữ liệu, tổ chức dữ liệu một cách linh hoạt thông qua kiểu lập trình bằng ngôn ngữ C.
LỰA CHỌN THIẾT BỊ
Lựa chọn PLC
Có rất nhiều bộ điều khiển trên thị trường để chúng ta sử dụng cho dự án của mình Nhưng để sử dụng và thực hiện được cần đòi hỏi người thực hiện có kiến thức và kinh nghiệm Trải qua đào tạo ở trường, nhóm đã chọn PLC làm bộ điều khiển cho cả hệ thống.
PLC S7 - 1200 là một dòng PLC mới của SIEMENS có độ chính xác cao Thiết bị PLC Siemens S7-1200 có thiết kế dạng module nhỏ gọn, linh hoạt, phù hợp với một loạt các ứng dụng khác nhau PLC S7 – 1200 của Siemens có một giao thức truyền thông, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn cao nhất của truyền thông công nghiệp và các tính năng công nghệ mạnh mẽ được tích hợp sẵn làm cho nó trở thành một giải pháp tự động hóa hoàn chỉnh và toàn diện nhất.
Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích họp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ Sau khi người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng CPU giám sát các ngõ vào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức họp và việc truyền thông với các thiết bị thông minh khác.
Hệ thống gồm có 2 xy lanh, 3 nút nhấn ON/OFF/RESET, 2 cảm biến, 3 relay Dựa vào số lượng thiết bị đầu vào và đầu ra mà nhóm lựa chọn PLC Siemens S7 – 1200 CPU1212C DC/DC/DC.
Hình 3 1: PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC
Bảng 3 1: Thông số kỹ thuật của CPU 1212C DC/DC/DC
Kích thước vật lý (mm) 90 x 100 x 75
Bộ nhớ làm việc 25 kB
Bộ nhớ giữ lại 2 kB
Kiểu số 8 ngõ vào / 6 ngõ ra
Kiểu tương tự 2 ngõ ra
Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ vào (Q)
Bộ nhớ bit (M) 4096 byte Độ mở rộng các module tín hiệu 2
Các module truyền thông 3 ( mở rộng về bên trái )
Các bộ đếm tốc độ cao 4 Đơn pha 3 tại 100kHz
Thẻ nhớ Thẻ nhớ Simatic ( tùy chọn)
Thời gian lưu giữ đồng hồ thời gian thực Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C
PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet
Tốc độ thực thi tớnh toỏn thực 18às / lệnh
Tốc độ thực thi Boolean 0,1às / lệnh
Lựa chọn động cơ
Động cơ băng tải là một cơ chế hoạt động hoặc máy, có thể vận chuyển tải đơn hoặc túi, hộp, thùng carton, số lượng lớn vật liệu (bột, đất, ) từ điểm A đến
B Băng tải công nghiệp ( hệ thống băng tải ) đóng vai trò quan trọng trong lắp ráp động cơ, sản xuất các nhà xưởng, doanh nghiệp Nhờ hệ thống băng tải động cơ, môi trường sản xuất càng trở nên năng động, hiện đại Đồng thời, nó còn giải phóng sức lao động, đem lại hiểu quả kinh tế lớn cho nhà đầu tư.
3.2.1Xác định tải trọng của băng
- Tổng khối lượng sản phẩm trên băng chuyền khoảng 200g
- Khối lượng của dây belt là 300g => Tải trọng của băng là W = 500g
- Hệ số ma sát pully: π1=0.95
- Hệ số ma sát hộp giảm tốc: π2=0.9
3.2.2 Tính chọn tỉ số truyền băng tải
Tốc độ của băng chuyền: V= 4m/phút
Tỉ số truyền động cơ = tốc độ vòng quay hộp số / tốc độ vòng quay pully: = 1/1 Tốc độ vòng quay của động cơ: 107RPM
3.2.3Tính momen xoắn động cơ
Lực kéo băng tải (N) = (Trọng lượng tải + Trọng lượng băng tải) x g x μ
= 0.75N Công suất (W) = Lực kéo (N) x vận tốc (m/s)
Công suất động cơ giảm tốc DC JGB37-520, 24V107RPM
Wdc = Dòng điện điện định mức (A) x Điện áp (V)
Momen động cơ theo datasheet: 0.6kg.cm
Ta có lực kéo động cơ = 0.6Kgcm x 0.0980665 Nm = 0.06N
Như vậy có thể dùng động cơ JGB37-520 107RPM để chế tạo băng tải cho mô hình. Động cơ có nhiệm vụ kéo cho băng tải chuyển động kèm theo sản phẩm trên băng tải Do sản phẩm nhóm làm bằng giấy formex rất nhẹ nên chỉ cần một lực kéo vừa phải từ động cơ Đó là lý do nhóm chọn động cơ giảm tốc DC JGB37-520, 24V107RPM có chất lượng tốt, lõi đồng và chổi than to, hộp giảm tốc chắc chắn bằng kim loại, cho lực kéo mạnh, moment lớn, thích hợp cho các ứng dụng cần kéo tải nặng và giá thành lại phải chăng.
Hình 3 2: Động cơ giảm tốc DC JGB37-520, 24V107RPM
Bảng 3 2: Thông số kỹ thuật động cơ
Thành phần Thông số Điện áp làm việc 12 – 30VDC Điện áp định mức 24VDC
Lực kéo moment 0.6kg.cm
Lựa chọn băng tải
Hộp sản phẩm nhóm làm ra là dạng hình lập phương được dán chắc chắn, có kích thước như sau: Sản phẩm cao có kích thước 4x9cm, sản phẩm trung bình có kích thước 5x6cm, sản phẩm thấp có kích thước 3x4 cm Hệ thống yêu cầu sản phẩm phải được vận chuyển một cách ổn định, cân bằng, tránh rung lắc Ngoài ra hệ thống còn có 2 xy lanh và
2 cảm biến phân loại 3 sản phẩm tương ứng 3 loại, với số lượng xy lanh và cảm biến như vậy thì không cần thiết phải có một băng tải quá dài Do đó nhóm đã lựa chọn dây belt băng tải có chiều dài 60cm, chiều rộng 7cm (đáp ứng đủ yêu cầu với hộp sản phẩm có bề rộng như trên), chất liệu băng tải là PVC màu xanh bền bỉ, chắc chắn.
Hình 3 3: Dây belt băng tải PVC kích thước 7x60cm
Lựa chọn bộ nguồn
Hệ thống phân loại sản phẩm dùng PLC để điều khiển Vì thế cần phải có nguồn cấp cho PLC và các ngõ vào/ra của PLC (các nút nhấn, switch, relay, cảm biến) Điện áp mà PLC hoạt động là 24VDC Do đó nhóm lựa chọn nguồn tổ ong 24VDC phù hợp cấp cho PLC.
Hình 3 4: Bộ nguồn AC-DC S-240-24 Bảng 3 3: Thông số kỹ thuật bộ nguồn AC-DC S-240-24
Thành phần Thông số Điện áp đầu vào AC 110-240V, 50-60Hz Điện áp đầu ra DC 24V
Chất liệu vỏ Nhôm/Kim loại
Loại Có quạt tản nhiệt
Lựa chọn Xylanh khí nén
Để sản phẩm đi vào băng tải một cách chuẩn xác hoàn toàn nằm trên băng tải thì xylanh 2 trục và 3 xy lanh trục là phù hợp với lực đẩy sản phẩm vào băng tải, nếu chọn xylanh thân tròn thì khi đẩy sản phẩm có thể bị đi lệch không theo ý muốn nên nhóm quyết định chọn xylanh khí nén 2 trục CXSM 10 – 75 và xy lanh khí nén 3 trục STNC MGPM12- 50Z để đẩy sản phẩm cấp phôi cho hệ thống.
Hình 3 5: Xy lanh khí nén 2 trục CXSM 10 – 75
Bảng 3 4: Thông số kỹ thuật xylanh khí CXSM10-75
Hành trình xy lanh 75mm Áp suất hoạt động tối đa 1 Mpa Áp suất hoạt động tối thiểu 0.1 Mpa
Nhiệt độ -10 đến 60 độ C Áp suất phá hủy 1.05 Mpa
Tác động 2 tác động đẩy và rút
Hình 3 6: Xy lanh khí nén 3 trục STNC MGPM12-50Z
Bảng 3 5: Thông số kỹ thuật xy lanh STNC MGPM12-50Z
Hành trình xy lanh 75mm Áp suất hoạt động tối đa 1 Mpa Áp suất hoạt động tối thiểu 0.12 Mpa
Nhiệt độ -10 đến 60 độ C Áp suất phá hủy 1.5 Mpa
Tác động 2 tác động đẩy và rút
Lựa chọn Van điện từ khí nén
Hệ thống có 3 xy lanh khí nén cần điều khiển đẩy phân loại sản phẩm Vì xy lanh cần khí nén để hoạt động nên cần có van điện từ giúp đóng hay mở đường dẫn khí nén Ngoài ra van điện từ còn được sử dụng để điều chỉnh hướng đi của khí nén được chính xác hơn và xy lanh lựa chọn là xy lanh 2 tác động nên van điện từ có 1 đầu coil Vì vậy nhóm đã lựa chọn van điện từ khí nén 5/2 1 đầu coil 24VDC.
Hình 3 7: Van điện từ khí nén AIRTAC 4V210-08
Van điện từ khí nén AIRTAC 4V210-08 là loại van khí nén 5/2 có 5 cổng 2 vị trí và 1 đầu coil điện, kích hoạt và điều khiển bằng điện, thường được dùng để điều khiển xi lanh khí nén.
Bảng 3 6: Thông số kỹ thuật van AIRTAC 4V210-08
Kích thước cổng 1/4″ (ren 13mm)
Kích thước cổng xả 1/8″ (ren 9.6) Áp suất hoạt động 0.15 – 0.8 MPa Điện áp đầu vào 24VDC
Loại van Van hơi 5 cửa 2 vị trí (1 đầu coil điện)
Lựa chọn cảm biến
Cảm biến vật cản hồng ngoại
- Hệ thống gồm có 2 cảm biến vật cản giúp nhận biết từng sản phẩm đi qua Nhóm quyết định chọn cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 vì chất lượng tốt với độ bền và độ ổn định cao, cảm biến sử dụng ánh sáng hồng ngoại để xác định vật cản phía trước cảm biến, cảm biến phát ra tia hồng ngoại với dải tần số chuyên biệt cho khả năng chống nhiễu tốt kể cả ở điều kiện ánh sáng ngoài trời.
- Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 có thể chỉnh khoảng cách mong muốn thông qua biến trở trên cảm biến, cảm biến có ngõ ra là cấu trúc Transistor NPN (sinking sensors) đã được nối điện trở nội 10k lên VCC nên có thể sử dụng ngay mà không cần trở kéo lên VCC.
Hình 3 8: Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4
Bảng 3 7: Thông số kỹ thuật cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4
Số dây tín hiệu 3 dây ( 2 dây cấp nguồn và 1 dây tín hiệu )
Nâu: VCC; Đen: chân tín hiệu ; Xanh dương: GND
Chân tín hiệu ngõ ra Dạng Transistor NPN đã được kéo nội trở 10k lên
VCC, khi có vật cản sẽ ở mức thấp (Low-GND), khi không có vật cản sẽ xuất ra mức cao (High-VCC).
Nguồn điện cung cấp 6 ~ 36VDC
Khoảng điều chỉnh phát hiện vật cản 0~30cm
Khoảng điều chỉnh cảm biến 7~30cm
Dải nhiệt độ hoạt động -30 - 65ºC
Cảm biến chuyển đông dùng cho xy lanh khí nén
Nhóm chọn D-M9B là dòng cảm biến chuyên dùng cho xylanh SMC, D-M9B được dùng trong các ứng dụng theo dõi vị trí trục của xylanh trong các thiết bị điều khiển, tự động hóa công nghiệp thích hợp cho các ứng dụng PLC, rơle.
Hình 3 9: Chuyển động sensor D-M9B SMC dùng cho xy lanh khí nén Bảng 3 8: Thông số kĩ thuật cảm biến chuyển động sensor D-M9B SMC.
Tải áp dụng 24VDC Điện năng 24VDC( 10 đến 28 VDC)
Dòng điện 2,5 tới 40mA Điện năng sụt giảm 4V hoặc ít hơn
Dòng điện tiêu hao 0.8mA hoặc ít hơn Đèn báo tín hiệu Đèn led đỏ sẽ sáng lên khi nhận tín hiệu
Lựa chọn relay
Relay kiếng 14 chân hay còn gọi là relay trung gian được ứng dụng rất rộng rãi trong các tủ điện công nghiệp và dân dụng Relay trung gian có nhiệm vụ đóng mở các tiếp điểm của tải hoặc tín hiệu Cuộn kích đóng ngắt relay có loại phổ biến là 12V - 24V hoặc 220V.
Hình 3 10: Relay trung gian MY4N đế M4x10
Bảng 3 9: Thông số kỹ thuật của relay MY4N đế M4x10
Trọng lượng của relay Omron 14P 30g Điện áp vào 12VDC
3.9 Lựa chọn nút nhấn và đèn báo
Nhóm thiết kế hệ thống gồm 3 nút nhấn là nút ON, nút OFF, nút RESET
Nhóm lựa chọn nút nhấn LA38-11/209 nhả không đèn 10A NO/NC.
Hình 3 11: Nút nhấn LA38 Bảng 3 10: Thông số kỹ thuật nút nhấn LA38
Thành phần Thông số Điện áp đầu vào 24VDC Điện áp tối đa 660V
Dòng điện tải tối đa 10A
Kích thước lỗ ren lắp đặt 22mm
Kích thước bề mặt nút nhấn 29mm
THI CÔNG MÔ HÌNH
Yêu cầu thiết kế
− Sản phẩm có chiều cao từ 4 đến 9cm do đó hệ thống phải được thiết kế và thi công chuẩn xác để quá trình phân loại đạt được hiệu suất cao nhất.
− Có khả năng thay đổi chiều cao của sản phẩm bằng cách thay đổi chiều cao của cảm biến nhận biết.
− Vận tốc di chuyển của sản phẩm:4m/phút.
− Sản phẩm sau khi được phân loại sẽ được đưa vào thùng chứa.
− Quá trình phân loại sản phẩm cần có những quy chuẩn sau:
Bảng 4 1: Yêu cầu thiết kế hệ thống
Quy trình thực hiện Yêu cầu đạt được
Vận chuyển sản phẩm - Sản phẩm được đưa lên băng tải
- Hệ thống được vận hành ổn định
Nhận diện chiều cao - Nhận diện chiều cao chính xác, nhanh chóng
- Gửi tín hiệu và điểu khiển xy lanh phân loại sản phẩm đúng khu vực yêu cầu.
Phân loại sản phẩm - Phân loại sản phẩm liên tục
- Sản phẩm được phân loại hoàn toàn tự động
Lưu đồ giải thuật
Hình 4 1: Lưu đồ giải thuật hệ thống
Sơ đồ đấu dây
Hình 4 2: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển PLC Trong đó:
- S1 là nút Start, S2 là nút Stop, S3 là nút Sự cố/ Reset.
- CB1, CB2 là các cảm biến quang loại NPN dùng để nhận biết có sản phẩm hay không.
- R1, R2 và R3 là các relay trung gian để giao tiếp ngõ ra PLC với các thiết bị ngoại vi.
Hình 4 3: Sơ đồ kết nối mạch động lực Motor và Van điện từ xylanh
Mô hình hệ thống
Hình 4 4: Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC S7-1200