đồ án bộ điều khiển khả trình và tự động hóa thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

Hệ thống này giúp chosản xuất linh hoạt hơn, tiết kiệm thời gian và nhân lực, tăng sản lượng, đem lại lợi íchkinh tế cao và hiệu quả.Để phân loại sản phẩm có rất nhiều phương pháp, tuy n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

BỘ MÔN ĐIỆN KỸ THUẬT

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Khoa học kỹ thuật luôn luôn phát triển trong tất cả các linh vực, nhất là các nghành sảnxuất Việc đòi hỏi cải tiến và nâng cấp hệ thống sản xuất luôn là ưu tiên hàng đầu Mộttrong những hệ thống đó là hệ thống phân loại sản phẩm tự động Hệ thống này giúp chosản xuất linh hoạt hơn, tiết kiệm thời gian và nhân lực, tăng sản lượng, đem lại lợi íchkinh tế cao và hiệu quả

Để phân loại sản phẩm có rất nhiều phương pháp, tuy nhiên hiện nay phương pháp sửdụng màu sắc chưa được ứng dụng nhiều và hiệu quả Do đó, đề tài “Thiết kế thi công hệthống phân loại sản phẩm” là một đề tài mang tính nghiên cứu và ứng dụng cao, phù hợpvới sự phát triển của các nghành sản xuất

Để thực hiện công việc một cách khoa học nhằm đạt được số lượng lớn, nhanh mà lại lợi

về kinh tế Các công ty xí nghiệp sản xuất thường xử dụng công nghệ lập trình PLC sửdụng các loại phân mềm tự động Dây chuyền sản xuất tự động PLC được hiệu quả caođáp ứng kịp thời yêu cầu của đời sống xã hội

Vì thế dựa vào các yếu tố cần thiết đó, em xin giới thiệu hệ thống “THIẾT KẾ THICÔNG HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC DÙNG PLC”

LỜI NÓI ĐẦU

Khoa học kỹ thuật luôn luôn phát triển trong tất cả các linh vực, nhất là các nghành sảnxuất Việc đòi hỏi cải tiến và nâng cấp hệ thống sản xuất luôn là ưu tiên hàng đầu Mộttrong những hệ thống đó là hệ thống phân loại sản phẩm tự động Hệ thống này giúp chosản xuất linh hoạt hơn, tiết kiệm thời gian và nhân lực, tăng sản lượng, đem lại lợi íchkinh tế cao và hiệu quả Để phân loại sản phẩm có rất nhiều phương pháp, tuy nhiên hiệnnay phương pháp sử dụng màu sắc chưa được ứng dụng nhiều và hiệu quả Do đó, đề tài

“Thiết kế thi công hệ thống băng tải phân loại sản phẩm” là một đề tài mang tính nghiêncứu và ứng dụng cao, phù hợp với sự phát triển của các nghành sản xuất Để thực hiệncông việc một cách khoa học nhằm đạt được số lượng lớn, nhanh mà lại lợi về kinh tế.Các công ty xí nghiệp sản xuất thường xử dụng công nghệ lập trình PLC sử dụng các loạiphân mềm tự động Dây chuyền sản xuất tự động PLC được hiệu quả cao đáp ứng kịpthời yêu cầu của đời sống xã hội Vì thế dựa vào các yếu tố cần thiết đó, em xin giới thiệu

hệ thống “THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀUSẮC DÙNG PLC” Nhằm phục vụ nhiệm vụ hiện đại hóa quy trình sản xuất, hệ thốngphân loại sản phẩm ra đời là một công cụ hiệu quả giúp thay thế con người trong côngviệc đếm và phân loại các sản phẩm, nó đã góp phần nâng cao hiệu quả trong công việc,với một hệ thống phân loại hoàn chỉnh nó có thể phân loại các sản phẩm với độ tin cậycao, hoạt động liên tục và giảm tối đa thời gian trì hoãn hệ thống Hơn thế nữa, đối vớinhững công việc đòi hỏi sự tập trung cao và có tính tuần hoàn, nên các công nhân khóđảm bảo được sự chính xác trong công việc Điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượngsản phẩm và uy tín của nhà sản xuất Vì vậy hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sảnphẩm ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này

ii

Mục lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 1

1.1 CÁC HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 1

1.1.1 Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch 1

1.1.2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng 2

1.1.3 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc 2

1.1.4 Hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước 2

1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC 3

1.2.2 Cấu tạo 3

1.2.3 Ứng dụng 5

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN CHO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC 1

2.1 Sơ đồ khối 1

2.3 Chọn cảm biến vật 2

2.4 Chọn cảm biến màu 4

2.5 Chọn nút nhấn Start ,Stop 5

2.5.1 Chọn nút dừng khẩn cấp EMG 5

2.6 Chọn PLC cho hệ thống 6

Chương 3 Thiết kế hệ thống điều khiển 12

3.1 Phân cổng vào ra 12

3.2.Sơ đồ mạch lực 15

3.3 Sơ đồ đấu nối 16

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN

PHẨM

1.1 CÁC HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

1.1.1 Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch

Đây là hệ thống được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, dây chuyền này được sử dụng đểphân loại các kiện hàng, bưu phẩm, sản phẩm thành phẩm đã được đóng thùng carton,đóng túi và dán mã vạch Barcode, mã QR

Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch trong kho hàng

Với những thông tin được lưu trữ trên mã vạch dán trên sản phẩm, hệ thống dễ dàng sànglọc và lựa chọn, đưa sản phẩm về vị trí tập kết theo yêu cầu đăt ra:

Đối với những sản phẩm điện tử, công nghệ: phân theo cùng lô sản xuất, ngày sản xuất,model

Với các bưu phẩm, đơn hàng chuyển phát nhanh: phân theo ngày lên đơn, cách thức đónggói, địa điểm giao hàng, chuyển hàng nhanh,

Các sản phẩm nông sản đóng gói: phân theo hạn sử dụng, số lô chế biến, cấp sản phẩm,

1

Các hộp, thùng hàng được đặt lên băng tải phân loại bởi công nhân hoặc cánhtay robot cộng tác, robot xếp hàng lên pallet từ băng tải cáp hay xe vận hành AGV trongcác nhà máy thông minh.

Với hệ thống phân loại sản phẩm tự động này cao gấp 3 - 5 lần so với cách quét mã vạchphân loại bởi phương pháp thủ công, hệ thống có thể đạt tới 10,000 sản phẩm/giờ

1.1.2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng

Hệ thống ứng dụng đa dạng các loại, kiểu sản phẩm theo nguyên tắc kiểm tra khối lượngonline, sau đó phân ra từng cỡ trọng lượng theo yêu cầu

Dây chuyền phân loại nông sản: cam, táo, khoai tây, cà chua, rau củ quả

Ứng dụng phân loại sản phẩm theo khối lượng cho một số ngành thực phẩm, thủy hải sản,nông sản,

1.1.3 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

Máy phân loại sản phẩm theo màu sắc có thể phân loại các sản phẩm như cà phê, nhựamàu, gạo, các loại hạt, nhờ vào camera kiểm tra sản phẩm, công nghệ vision xử lý ảnh tựđộng Với năng suất từ 0.8 - 15 tấn/giờ (tùy vào loại model), tỷ lệ chính xác >99% Hệthống phân loại sản phẩm tự động theo màu sắc được ứng dụng rộng rãi trong các ngànhnông nghiệp, thực phẩm, dầu, hóa chất, công nghiệp dược phẩm, linh kiện điện tử, thiết bị

y tế,

1.1.4 Hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước

Dựa trên kích thước bao gồm bộ phận cấp, phân loại, thả và thu hồi sản phẩm Máy phânloại sản phẩm theo kích thước điều khiển tự động, độ chính xác cao, hoạt động ổn định,

phù hợp với nhiều loại sản phẩm khác nhau Với năng suất 3 - 5 tấn/giờ, tương đương

1000 - 1100 sản phẩm/phút

Cấp phân loại: 4 - 10 cấp

Dây chuyền phân loại trứng, cà chua theo kích thước

Hệ thống được ứng dụng rộng rãi trong các ngành thực phẩm, nông sản, trái cây,

1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC

1.2.2 Cấu tạo

Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc có cấu tạo chính gồm:

- Cảm biến nhận biết màu sắc

- Hai Cảm biến nhận biết vật

- Hai xylanh piston để phân loại sản phẩm

- Bộ PLC dùng để xử lý tín hiệu

- Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn bộ hệ thống

- Các van đảo chiều

- Nút nhấn

Yêu cầu thiết kế :

- Khởi động hệ thống bằng nút Start, dừng hệ thống bằng nút Stop

3

- Xi lanh 1 có nhiệm vụ đẩy sản phẩm xuống Cảm biến S1, S2 báo trạng thái của xi lanh1.

- Xi lanh 2 di chuyển khoang chứa để đỡ sản phẩm Cảm biến S3, S4 báo trạng thái của

xi lanh 2

- Cảm biến màu dùng để xác định màu sắc của sản phẩm, sau khi phát hiện màu sảnphẩm xi lanh 2 hoạt động để di chuyển khoang chưa với màu sắc phù hợp Sau khi đã dichuyển khoang chứa xilanh 1 đẩy sản phẩm xuống và thu về Sau khi cảm biến phát hiệnvật phát hiện sản phẩm đã rơi xuống khoang chứa Thì lặp lại chu trình Nguyên lý hoạtđộng :

- Khi nhấn nút Start để khởi động hệ thống, đèn đỏ xilanh1,2 báo trạng thái xilanh khônghoạt động cảm biến vật1 tại xilanh1 nhận biết có vật chưa; khi có vật thì cảm biến màuxác định màu được kích hoạt để quét màu sắc phù hợp.Sau khi cảm biến màu quét xong

sẽ truyền tín hiệu cho xilanh2 di chuyển khay chứa với màu sắc phù hợp đã được quét.Sau

đó xilanh1 sẽ đẩy vật xuống khay.Cảm biến vật 2 nhận biết xem có vật rơi vào khay chưa,nếu cảm có tín hiệu thì sẽ thu xilanh1 về và lặp lại chu trình

Nhấn nút Stop hệ thống dừng làm việc

- Khởi động hệ thống bằng nút Start, dừng hệ thống bằng nút Stop - - -

- Xi lanh 1 có nhiệm vụ đẩy sản phẩm xuống Cảm biến S1, S2 báo trạng thái của xi lanh 1

- Xi lanh 2 di chuyển khoang chứa để đỡ sản phẩm Cảm biến S3, S4 báo trạng thái của xi lanh 2

- Cảm biến màu dùng để xác định màu sắc của sản phẩm, sau khi phát hiện màu sản phẩm xi lanh 2 hoạt động để di chuyển khoang chưa với màu sắc phù hợp Sau khi

đã di chuyển khoang chứa xilanh 1 đẩy sản phẩm xuống và thu về Sau khi cảm biến phát hiện vật phát hiện sản phẩm đã rơi xuống khoang chứa Thì lặp lại chu trình

5

1.2.3 Ứng dụng

Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc được ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyềnsản xuất Gạch, Ngói, Đá Granite, trong các dây chuyền phân loại các sản phẩm có màusắc như nhựa hay trong chế biến Nông sản (như cá loại trái cây, hạt điều, cà phê,…),Cáccuộn giấy màu, bánh kẹo, nước ngọt… Hệ thống sẽ giúp nhà sản xuất tốn ít nhân công laođộng và giảm thiểu thời gian làm việc, nâng cao năng suất lao động

Được ứng dụng rộng rãi vào các dây chuyền phân loại sản phẩm theo màu sắc trong thực

tế để tăng khả năng phân loại được nhiều loại sản phẩm

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN CHO HỆ THỐNG

PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC

2.1 Sơ đồ khối

Sơ đồ khối của hệ thống phân loại sản phẩm theo màu

- Nút nhấn: thực hiê –n vai trò đóng ngắt điê –n từ xa cho các thiết bị sử dụng điê –n

- Nút dừng khẩn cấp: thường dùng trong các ứng dụng như dừng khẩn cấp nguồn, dừngtín hiệu hoặc báo tín hiệu về bộ xử lý trong trường hợp khẩn cấp

- Cảm biến màu: có nhiệm vụ phát hiện và phân loại các màu khác nhau khi đi qua cảmbiến

- Cảm biến vật: có nhiệm vụ phát hiện vật khi đi qua cảm biến

- PLC: thiết bị cho phép lập trình thực hiện các thuật toán điều khiển logic Bộ lập trìnhPLC nhận tác động các sự kiện bên ngoài thông qua ngõ vào (input) và thực hiện hoạtđộng thông qua ngõ ra (output)

- Xilanh: có chức năng biến đổi năng lượng tích lũy trong khí nén thành động năng cungcấp cho các chuyển động

2.2 Chọn Xilanh 1 , 2

Lựa chọn pittông đẩy sản phẩm: XI LANH KHÍ NÉN MINI SMC CDJ2D

Xilanh khí nénDưới đây là bảng thông số kỹ thuật của xi lanh khí nén SMC CDJ2D

2.3 Chọn cảm biến vật

Lựa chọn cảm hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoạiLựa chọn cảm biến vật cảm hồng ngoại OMDHON E3F-DS30C4 có chất lượng tốt, độbền và độ ổn định cao, đặc biệt cảm biến có khoảng cách điều chỉnh chính xác từ 5~30cmvới thấu kính hồng ngoại chất lượng tốt dạng phẳng.

Thông số kỹ thuật:

Model: OMDHON E3F-DS30C4

Số dây tín hiệu: 3 dây (2 dây cấp nguồn và 1 dây tín hiệu)

Nguồn điện cung cấp: 6 ~ 36VDC

Khoảng điều chỉnh phát hiện vật cản của cảm biến: 5~30cm (điều chỉnh bằng biến trở trêncảm biến)

Góc khuếch tán (góc chiếu): 3~5 độ

Dòng kích ngõ ra: < 300mA

Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ

Chất liệu sản phẩm: vỏ ngoài nhựa ABS, phía trong đổ keo chống nước, chống va đập.Kích thước: 18 x 70mm

3

Khoảng cách phát hiện : Màu (Vật liệu mờ, đục)

Nguồn sáng : LED đủ màu (đỏ, xanh lá)

Thời gian đáp ứng : 500㎲

Nguồn cấp : 12-24VDC

Chế độ hoạt động : Màu, màu + cường độ

Ngõ ra điều khiển : NPN mạch thu hở

Nút dừng khẩn cấp EMG

Thông số kỹ thuật:

Tự giữ tiếp điểm

Số tiếp điểm: 1 NO + 1 NC (một tiếp điểm thường mở và 1 tiếp điểm thường đóng)Dòng định mức: 10A

Cấu tạo và phân loại PLC:

Thông thường, hệ thống PLC có các bộ phận chính sau:

Bộ nhớ chương trình: RAM, ROM, ngoài ra có thể sử dụng vùng nhớ ngoài – EPROM

Bộ xử lý trung tâm CPU

Module input/output Thông thường module I/O được tích hợp trên PLC, khi có nhu cầu

mở rộng I/O có thể lắp module I/O

Nguyên lý hoạt động của PLC:

Bộ điều khiển trung tâm CPU thực hiện điều khiển toàn bộ hoạt động của bộ PLC Tốc độ

xử lý của CPU quyết định đến tốc độ điều khiển của PLC Chương trình được lưu trữ trênRAM Pin dự phòng được tích hợp trên PLC giúp chương trình không bị mất khi có sự cố

về điện CPU thực hiện quét chương trình và thực hiện các lệnh theo thứ tự

Ưu và nhược điểm của PLC:

Giá thành cao: Chi phí sản phẩm cao hơn so với chi phí mạch relay thông thường Tuynhiên, hiện nay thị trường VN đã có mặt rất nhiều hãng PLC của Đức, Nhật Bản, Mỹ,Trung Quốc… dẫn đến giá thành cạnh tranh hơn so với trước.

Chi phí phần mềm lập trình: Chi phí mua licence phần mềm lập trình tùy thuộc vào hãngsản xuất Hiện nay có 2 dạng: hãng sản xuất cho phép sử dụng miễn phí và hãng sản xuấtyêu cầu mua licence

Yêu cầu người sử dụng có kiến thức về lập trình PLC: Để thiết bị PLC đáp ứng tốt trongđiều khiển, người sử dụng cần có kiến thức căn bản về lập trình PLC

Vai trò của PLC trong hệ thống tự động hoá:

Áp dụng tủ điều khiển vào nhà máy nhiệt điện, thủy điện

Sử dụng điều khiển các dây chuyền sản xuất bia, rượu, nông sản,…

Hệ thống vận hành, vận chuyển

Tủ điều khiển bơm nước sinh hoạt, xử lý nước thải

Quản lý tự động bãi đậu xe

Được đưa vào các công trình toàn nhà lớn: điều khiển thang máy

Dây chuyền công nghệ chế biến thực phẩm, may mặc

Dây chuyền công nghệ sản xuất giấy

Hệ thống báo động

Rất nhiều ngành nghề áp dụng tủ điện, tủ điều khiển và sản xuất và sử dụng hệ thống điềukhiển PLC trong hoạt động vận hành dây chuyền nhà máy cán tôn, cán thép, các dâychuyền lắp ráp linh kiện điện tử trong các nhà máy, robot, dây chuyền kiểm tra chất lượngsản phẩm… chỉ cần thao tác bằng nút bấm và lập trình sẵn

Cách thức điều khiển chính của PLC:

Điều khiển logic:

Điều khiển tự động, bán tự động quy trình máy.

Hỗ trợ bộ đếm (Couter) và bộ định thời gian (Timer)

Điều khiển đáp ứng:

Giải thuật điều khiển PID, Logic mờ

Điều khiển động cơ Servo, động cơ bước

Điều khiển biến tần

Điều khiển đáp ứng nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…

Mạng truyền thông:

Kết nối nhiều bộ điều khiển PLC

Kết nối bộ điều khiển PLC và hệ thống SCADA

Lựa chọn PLC phù hợp với hệ thống đang thiết kế:

Do hệ thống chúng em đang thiết kế có 8 cổng IN và 3 cổng OUT cho nên chúng em chọnPLC MITSUBISHI FX3U 32MR/ES-A để điều khiển hệ thống PLC này có độ phổ biếncao được nhiều người sử dụng và đánh giá rất cao những tính năng mà PLC này mang lại.Ngoài ra với hệ thống mà chúng em đang thiết kế , PLC này hoàn toàn có thể cung cấp đủnhững chức năng phục vụ cho việc nghiên cứu và thiết kế Ngoài ra do giá thành của PLCnày trên thị trường cũng không quá cao cho nên cũng dễ tiếp cận đến những người dùngphổ thông Không những thế PLC này còn nằm trong chương trình học của chúng em nêncũng thuận tiện hơn trong việc học hỏi cũng như thiết kế hệ thống

khối truyền thông mạng Khả năng mở rộng tối đa có thể lên đến 10 khối trên hệ thốngmới này.

Với tốc độ xử lý cực mạnh mẽ, thời gian chỉ 0.065µs trên một lệnh đơn logic, cùng với

209 tập lệnh được tích hợp sẵn và cải tiến liên tục đặc biệt cho việc điều khiển vị trí.Dòng PLC mới này còn cho phép mở rộng truyền thông qua cổng USB, hỗ trợ cổngEthernet và cổng lập trình RS-422 mini DIN Với tính năng mạng mở rộng làm cho PLCnày nâng cao được khả năng kết nối tối đa lên đến 384 I/O, bao gồm cả các khối I/O quamạng

Thông qua tìm hiểu chọn được PLC FX3U phù hợp với hệ thống thiết kế:FX3U-32MR/ES-A

PLC MITSUBISHI FX3U

Các thông số kỹ thuật chính:

Số đầu vào: 16 đầu vào

Số đầu ra: 16 đầu ra transistor (Source)

Timer: 512

Tích hợp cổng thông RS232C, RS 485

Ưu điểm:

Thiết kế nhỏ gọn: các công nghệ hiện đại về kỹ thuật điều khiển lập trình, các linh kiện, vi

xử lý được sắp xếp gọn gàng trong bộ khung nhỏ gọn

Tốc độ xử lý nhanh, hiệu suất làm việc cao, tính năng mở rộng tốt

Bộ nhớ chương trình lớn, cho phép lưu trữ được nhiều lệnh điều khiển phức tạp Dễ dàngghi vào/đọc ở tốc độ cao Nội dung trong bộ nhớ được lưu trữ bằng cách sử dụng nguồnpin dự phòng

Dễ dàng kết nối với các thiết bị thông minh khác

Tuổi thọ cao, tiết kiệm được chi phí bảo hành sửa chữa đáng kể

Có các bộ nhớ tuỳ chọn (EEPROM/FLASH) và không yêu cầu nguồn pin dự phòng Tuynhiên nó cần thiết phải sử dụng nguồn pin nếu chốt bộ nhớ và chức năng đồng hồ được sửdụng

Mitsubishi luôn biết cách làm hài lòng các khách hàng của mình bằng những dòng thiết bịđiện cao cấp, bộ điều khiển lập trình PLC FX3U mang đến những giải pháp vô cùngthông minh về công nghệ điều khiển cũng như các giải pháp tiết kiệm năng lượng hiệuquả, tiết kiệm không gian cho tủ điện của bạn ,…

Trong PLC FX3U, CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình xử lý và điềukhiển hệ thống Chức năng của bộ điều khiển lập trình cần thực hiện sẽ được xác định làmviệc theo chương trình đã được nạp vào bộ điều khiển lập trình PLC Với tính năng này,người vận hành có thể thay đổi các quá trình làm việc của 1 dây chuyền sản xuất hoặc mởrộng chức năng của quy trình sản xuất bằng cách thay đổi chương trình cho PLC Sự thay

11