LỜI MỞ ĐẦUCùng với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật điều khiển, công nghệ thông tinvà truyền thông trong thời gian gần đây, lĩnh vực điều khiển và tự động hóa đã pháttriển ngày càng đ
TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
Khái niệm và ứng dụng
1.1.1 Thế nào là hệ thống phân loại sản phẩm
Một hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống có thể phân loại các sản phẩm với độ tin cậy cao, hoạt động liên tục và giảm tối đa thời gian trì hoãn hệ thống. Hơn thế nữa, đối với những công việc đòi hỏi sự tập trung cao và có tính tuần hoàn, nên các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc Điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này.
1.1.2 Các loại hệ thống phân loại sản phẩm
Các hình thức phân loại: Để phân loại hệ thống tự động hóa sản xuất nói chung và hệ thống phân loại sản phẩm nói riêng tư dựa vào các tiêu chuẩn khác nhau như: hình thức, cấp độ, và mức độ tự động, phương pháp điều khiển tự động, cách thức nhận biết sản phẩm….
- Dựa vào hình thức: Hệ thống tự động một phần hoặc toàn phần
+) Tự động một phần: là tự động quá trình công nghệ hoặc hệ thống, trong đó một phần năng lượng của con người được thay thế bằng năng lượng phi sinh vật trừ việc điều khiển khi tự động hóa.
+) Tự động hóa toàn phần là tự động quá trình, trong đó toàn bộ năng lượng của con người được thay thế bằng năng lượng phi sinh vật kể quá quá trình điều khiển tự động hóa.
Quá trình tự động diễn ra trong 1 công đoạn hay trong nhiều công đoạn, trong một phân xưởng hay trong nhiều công xưởng hay toàn bộ nhà máy…
- Dựa vào mức độ tự động hóa:
Mức độ tự động được chia làm 7 mức: thấp, nhỏ, vừa, lớn, nâng cao, cao và toàn bộ.
Hệ số tự động tính theo công thức sau:
TM – thời gian thực hiện bằng máy
TT – Thời gian thực hiện bằng tay
Số mức Tên gọi Giá trị K
- Dựa vào cách thức nhận biết sản phẩm:
Căn cứ vào các yếu tố như: như kích thước, màu sắc, chiều cao, khối lượng, chiều dài, hình ảnh …
+) Phân loại sản phẩm theo kích thước (to – nhỏ) sử dụng cảm biển quang dựa vào mức độ cản trở cảm biển do vật thẻ to nhỏ, cao thấp …
+) Phân loại sản phẩm theo mầu sắc: sử dụng cảm biển màu sắc Cám biển máu sắc phát hiện màu sắc bằng cách sử dụng các yếu tố và tỷ lệ phản chiều của các màu khác nhau.
+) Phân loại sản phẩm sử dụng webcam: sử dụng 1 camera chụp lại sản phẩm khi chạy qua và đưa ảnh về so sánh với ảnh gốc Nếu giống thì sản phẩm đi qua, còn nếu không thì loại sản phẩm đó.
- Ngoài ra còn một số cách phân loại dựa vào bộ phân điều khiển quá trình tự động như: điều khiển bằng rơle, điều khiển bằng bộ vi xử lý, điều khển bằng PLC, điều khiển có sử dụng máy tính v.v…
1.1.3 Ứng dụng trong thực tế
- Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc: thường ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói, Đá Granite, trong các dây chuyền phân loại các sản phẩm nhựa hay trong chế biến Nông sản (như Cà Phê, Gạo)… Hệ thống sẽ giúp nhà sản xuất tốn ít nhân công lao động và giảm thiểu thời gian làm việc, nâng cao năng suất lao động.
- Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao: thường ứng dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm như bánh kẹo, hoa quả ho c trong ặ công nghiệp sản xuất bia hay nước giải khát.
- Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng: thường ứng dụng trong kiểm tra và phân loại nông sản và kết hợp với Robot thông minh.
Từ đây ta có thể thấy hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho chúng ta là rất lớn, cụ thể như: Giảm sức lao động, tránh được sự nhàm chán trong công việc, cải thiện được điều kiện làm việc của con người, tạo cho con người tiếp cận với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và được làm việc trong môi trường ngày càng văn minh hơn Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm,cũng như thay đổi mẫu mã một cách nhanh chóng Giúp cho việc quản lý và giám sát trở nên rất đơn giản, bởi vì nó không những thay đổi điều kiện làm việc của công nhân mà còn có thể giảm số lượng công nhân đến mức tối đa…
Yêu cầu kỹ thuật cơ bản của các cụm chức năng trong hệ thống
Chuyển động tịnh tiến đưa sản phẩm đến bộ phận phân loại, hầu hết trong hệ thống phân loại sản phẩm dùng băng chuyền để tạo ra chuyển động này Để truyền động quay cho trục của băng chuyền người ta dùng động cơ điện thông qua các bộ truyền ngoài như xích hoăc đai Ngoài chuyển động đưa sản phẩm vào của băng chuyền máy còn chuyển động cần thiết nữa đó là hai chuyển động tịnh tiến để đẩy sản phẩm của piston, xilanh hoặc khí nén Chuyển động của piston, xilanh được điều khiển bởi hệ thống khí nén.
- Chức năng cấp phôi tự động: sử dụng piston đẩy phôi vào băng tải với lực phù hợp.
- Chức năng vận chuyển sản phẩm: chọn băng tải phù hợp từ các thông số đầu vào như hình dáng, khối lượng phôi để vận chuyển liên tục với vận tốc mong muốn Từ đó chọn công suất động cơ phù hợp cho hệ thống.
- Chức năng phân loại: sử dụng hai cảm biến tiệm cận để phân loại 3 sản phẩm khác nhau Dưới mỗi cảm biến sẽ có 1 piston để đẩy sản phẩm, đồng thời đếm số lượng sản phẩm mỗi loại.
Hình 1-1 Ví dụ về thành phần của hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao
TÌM HIỂU VỀ CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG PHÂN LOẠI
Động cơ
- Qua quá trình tìm hiểu về động cơ đã thực hiện trong môn học “Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí”, cần chọn động cơ có công suất là 25W, tốc độ quay là 37,24 vòng/phút.
- Từ đây em chọn động cơ 25W 24V DC4GN25-24 với tỉ số truyền 1: 120
Hình 2-1 Động cơ DC4GN25-24
- Thông số động cơ điện 25W :
▪ Công suất của động cơ 25W.
▪ Điện áp cho động cơ 24V.
▪ Tốc độ quay của động cơ 3000 vòng/phút.
▪ Kích thước của động cơ phi 80mm Mặt bích vuông 80x80mm
▪ Chiều dài động cơ 120mm Đường kính trục phi mm.
- Thông số của hộp giảm tốc (đi kèm động cơ):
▪ Hộp giảm tốc có kích thước dài 46mm Thân vuông 80x80mm Trục hộp số phi 10mm.
▪ Tốc độ đầu ra của trục hộp số 15-1000 vòng/phút.
▪ Ta có số vòng quay động cơ là 3000 v/ph, qua hộp giảm tốc thì tốc độ còn lại là 50 v/ph Số vòng quay lô chủ động (tang chủ động) là 37,24 v/ph
▪ Tỉ số truyền xích cần là ux = 50/37,24 = 1,34.
Hệ thống khí nén
Hình 2-2 Hệ thống khí nén cơ bản
1 Nguồn khí nén 4 Đồng hồ đo áp suất
2 Van lọc 5 Van phân phối 3/2
3 Van điều chỉnh áp suất 6 Van tiết lưu
- Ưu điểm của hệ thống khí nén:
+ Do không khí có khả năng chịu nén (đàn hồi) nên có thể nén và trích chứa trong bình chứa với áp suất cao thuận lợi, xem như một kho chứa năng lượng.
+ Có khả năng truyền tải đi xa bằng hệ thống đường ống với tổn thất nhỏ, khí nén sau khi sinh công cơ học có thể thải ra ngoài mà không gây hại cho môi trường. + Tốc độ truyền động cao, linh hoạt, dễ điều khiển với độ tin cậy và chính xác. + Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất hiệu quả.
-Nhược điểm của hệ thống khí nén:
+ Công suất truyền động không lớn Ở nhu cầu công suất truyền động lớn, chi phí cho truyền động khí nén sẽ cao hơn 10-15 lần so với truyền động điện cùng công suất, tuy nhiên kích thước và trọng lượng lại chỉ bằng 30% so với truyền động điện. + Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền động luôn có xu hướng thay đổi do khả năng đàn hồi của khí nén khá lớn, vì vậy khả năng duy trì chuyển động thẳng đều hoặc quay đều thường khó thực hiện.
+ Dòng khí nén được giải phóng ra môi trường có thể gây tiếng ồn.
2.2.1 Van điện từ khí nén
Qua quá trình tìm hiểu về hệ thống khí nén đã thực hiện trong môn học “Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí”, ta chọn van điện từ khí nén AIRTAC 5/2 4V210-08
Tên van Van điện từ khí nén AIRTAC 5/2 4V210-08 Kích thước cổng 13 mm Áp suất hoạt động 0.15 – 0.18 Mpa
Nhiệt độ hoạt động -20 đến 70 C o Điện áp đầu vào 24V
Bảng 2-1 Thông số van AIRTAC 5/2 4V210-08
Hình 2-3 Cấu tạo bên trong của van điện từ 5/2
+) Van 5/2 được thiết kế và hoạt động bằng cách cấp nguồn điện 220V hoặc 24V.
Khi có nguồn điện sẽ sinh ra lực từ trường Lực này sẽ hút trục van chuyển động dọc trục và khiến cho các cửa van được mở ra để cho khí nén thông cửa Hoạt động này giúp cho van có thể thực điện nhiệm vụ cấp hoặc đóng dòng khí nén cho thiết bị cần hoạt động.
+) Khi van nằm ở trạng thái bình thường hay còn gọi là ở trạng thái van đóng thì cửa số 1 sẽ được thiết kế thông với cửa số 2 Trong khi đó thì cửa số 4 sẽ được thông với cửa số 5 Nhưng khi van được cấp khí nén khiến cho van nằm trong tình trạng được mơ hoàn toàn thì sẽ có sự thay đổi bắt đầu từ cửa số 1 và số 4 Ở đây sẽ xảy ra hiện tượng đảo chiều và khiến cho cửa số 1 thông với cửa số 4 Trong khi đó thì cửa số 2 thông với cửa số 3 Riêng cửa số 5 sẽ bị chặn lại.
- Ở mạch điện một chiều, điện áp đến 440V và mạch điện xoay chiều điện áp 500V, tần số 50Hz, 60Hz, nút nhấn thông dụng để khởi động, đảo chiều quay động cơ điện bằng cách đóng và ngắt các cuộn dây của Contactor nối cho động cơ.
- Ở mạch điều khiển, nút nhấn cung cấp tín hiệu điều khiển cho PLC, các bộ xử lí để máy hoạt động theo yêu cầu tác động của người vận hành.
- Nút nhấn thường được nghiên cứu, chế tạo làm việc trong môi trường không ẩm ướt, không có hơi hoá chất và bụi bẩn.
- Thường được sử dụng như một nút nguồn, công tắc chức năng trong các thiết bị như các hệ thống tủ điện điều khiển trong công nghiệp như hệ thống chiếu sáng, bơm, quạt, máy nén,
- Nguyên lý hoạt động: Khi nhấn vào đầu nút nhấn tiếp điểm điểm đóng lại hoặc mở ra tùy vào loại thường mở hay thường đóng, khi tay thả tay ra thì cơ cấu tự giữ của nút nhấn được gài lại nhờ vào đó mà tiếp điểm giữ được trạng thái khi buông tay Khi muốn thay đổi trạng thái nút nhấn ta tiếp tục nhấn vào nút nhấn thêm lần nữa lúc này cơ cấu gài được mở ra lò xo bên trong bung ra làm nút nhấn ra trở về vị trí ban đầu.
⇒ Nút nhấn kiểu này đơn giản là một công tắc với nhấn lần 1 thì đóng công tắc và nhấn lần 2 thì công tắc mở ra với loại tiếp tiếp điểm thường mở (NO), và ngược lại với loại tiếp điểm thường đóng (NC). Ứng dụng: Tắt mở máy, đường dây điện Nếu muốn có thời gian tác động lâu hơn theo ý muốn, bạn sẽ dùng loại nút nhấn tự giữ.
Kết luận: Trong đồ án ta sẽ sử dụng nút nhấn tự giữ để bắt đầu chương trình, điều khiển bật tắt động cơ, xy lanh bằng tay, chuyển đổi giữa AUTO và
Hình 2-8 Nút nhấn tự giữ Schneider XA2EH031, 22mm
- Điện trở tiếp điểm: Nhỏ hơn 50 mohm.
Nguyên lý hoạt động: Khác với loại tự giữ khi nhấn vào đầu nút nhấn nhả thì tiếp điểm đóng lại loại NO hoặc mở ra loại NC, bởi vì không có cơ cấu tự giữ nên khi ta buông tay thì lò xo sẽ bung ra nút nhấn trở về trạng thái ban đầu.
Nút nhấn nhả chỉ có dụng trong một khoảng thời gian ngắn khi chúng ta nhấn vào và kết thúc tác dụng khi ta thả ra. Ứng dụng: Dùng làm nút đề động cơ, vì vậy nút này còn có tên là nút nhấn đề.
Kết luận: Trong đồ án ta sẽ sử dụng nút nhấn nhả để START, STOP và RESET chương trình
Hình 2-9 Nút nhấn nhả Schneider XA2EA31, 22mm
- Điện trở tiếp điểm: Nhỏ hơn 50 mohm.
- Là một thiết bị có chức năng thông báo cho người lao động biết được sự cố hoặc những tín hiệu cần thông báo trong quá trình hoạt động của các dây chuyền sản xuất, hệ thống tự động hóa xảy ra vấn đề bất thường Khi đó, đèn báo sẽ sáng và nháy cùng với tiếng chuông báo động, người lao động sẽ biết và tìm cách khắc phục, lường trước được vụ việc.
- Ngoài ra, còn báo pha điện, báo tín hiệu ON, OFF của nguồn thiết bị (trạng thái hoạt động của thiết bị màu xanh chạy, màu đỏ dừng ).
Trong chương trình ta sẽ dùng đèn báo để thể hiện việc chạy dừng và phân biệt chế độ AUTO hoặc MANUAL.
Hình 2-10 Đèn báo Schneider XA2EVFD4LC
- Dòng tiêu thụ: Nhỏ hơn 18mA
- Tuổi thọ: Trên 100.000 giờ sáng liên tục
- Nhiệt độ hoạt động: -25~70 độ
Nút nhấn điều khiển
cơ điện bằng cách đóng và ngắt các cuộn dây của Contactor nối cho động cơ.
- Ở mạch điều khiển, nút nhấn cung cấp tín hiệu điều khiển cho PLC, các bộ xử lí để máy hoạt động theo yêu cầu tác động của người vận hành.
- Nút nhấn thường được nghiên cứu, chế tạo làm việc trong môi trường không ẩm ướt, không có hơi hoá chất và bụi bẩn.
- Thường được sử dụng như một nút nguồn, công tắc chức năng trong các thiết bị như các hệ thống tủ điện điều khiển trong công nghiệp như hệ thống chiếu sáng, bơm, quạt, máy nén,
- Nguyên lý hoạt động: Khi nhấn vào đầu nút nhấn tiếp điểm điểm đóng lại hoặc mở ra tùy vào loại thường mở hay thường đóng, khi tay thả tay ra thì cơ cấu tự giữ của nút nhấn được gài lại nhờ vào đó mà tiếp điểm giữ được trạng thái khi buông tay Khi muốn thay đổi trạng thái nút nhấn ta tiếp tục nhấn vào nút nhấn thêm lần nữa lúc này cơ cấu gài được mở ra lò xo bên trong bung ra làm nút nhấn ra trở về vị trí ban đầu.
⇒ Nút nhấn kiểu này đơn giản là một công tắc với nhấn lần 1 thì đóng công tắc và nhấn lần 2 thì công tắc mở ra với loại tiếp tiếp điểm thường mở (NO), và ngược lại với loại tiếp điểm thường đóng (NC). Ứng dụng: Tắt mở máy, đường dây điện Nếu muốn có thời gian tác động lâu hơn theo ý muốn, bạn sẽ dùng loại nút nhấn tự giữ.
Kết luận: Trong đồ án ta sẽ sử dụng nút nhấn tự giữ để bắt đầu chương trình, điều khiển bật tắt động cơ, xy lanh bằng tay, chuyển đổi giữa AUTO và
Hình 2-8 Nút nhấn tự giữ Schneider XA2EH031, 22mm
- Điện trở tiếp điểm: Nhỏ hơn 50 mohm.
Nguyên lý hoạt động: Khác với loại tự giữ khi nhấn vào đầu nút nhấn nhả thì tiếp điểm đóng lại loại NO hoặc mở ra loại NC, bởi vì không có cơ cấu tự giữ nên khi ta buông tay thì lò xo sẽ bung ra nút nhấn trở về trạng thái ban đầu.
Nút nhấn nhả chỉ có dụng trong một khoảng thời gian ngắn khi chúng ta nhấn vào và kết thúc tác dụng khi ta thả ra. Ứng dụng: Dùng làm nút đề động cơ, vì vậy nút này còn có tên là nút nhấn đề.
Kết luận: Trong đồ án ta sẽ sử dụng nút nhấn nhả để START, STOP và RESET chương trình
Hình 2-9 Nút nhấn nhả Schneider XA2EA31, 22mm
- Điện trở tiếp điểm: Nhỏ hơn 50 mohm.
- Là một thiết bị có chức năng thông báo cho người lao động biết được sự cố hoặc những tín hiệu cần thông báo trong quá trình hoạt động của các dây chuyền sản xuất, hệ thống tự động hóa xảy ra vấn đề bất thường Khi đó, đèn báo sẽ sáng và nháy cùng với tiếng chuông báo động, người lao động sẽ biết và tìm cách khắc phục, lường trước được vụ việc.
- Ngoài ra, còn báo pha điện, báo tín hiệu ON, OFF của nguồn thiết bị (trạng thái hoạt động của thiết bị màu xanh chạy, màu đỏ dừng ).
Trong chương trình ta sẽ dùng đèn báo để thể hiện việc chạy dừng và phân biệt chế độ AUTO hoặc MANUAL.
Hình 2-10 Đèn báo Schneider XA2EVFD4LC
- Dòng tiêu thụ: Nhỏ hơn 18mA
- Tuổi thọ: Trên 100.000 giờ sáng liên tục
- Nhiệt độ hoạt động: -25~70 độ
TÌM HIỂU CHUNG VỀ PLC
Giới thiệu chung về PLC
- Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên đã được thiết kế lần đầu tiên cho ra đời năm 1968 (Công ty General Motor -Mỹ) Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người dùng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống.
Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn gặp nhiều khó khăn, lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vi hỗ trợ cho công việc lập trình.
- Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiến lập trình cầm tay đầu tiên được ra đời năm 1969 Điều này đã tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình PLC chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống rơ-le và dây nối trong hệ thống cổ điển Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang Trong những năm đầu tiên của thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hỗ trợ, “vận hành với các dữ liệu cập nhật” Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính, nên việc giao tiếp giữa người điều khiển và lập trình cho hệ thống ngày càng trở nên thuận tiện hơn.
- Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệ thống ngõ vào/ra có thể tăng thêm 800 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128.000 từ bộ nhớ Ngoài ra còn có kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kì quét nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt hơn với những chức năng phức tạp, số lượng cổng vào/ ra lớn.
- Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam và các loại PLC với các chức năng điều khiển “thông minh” còn gọi là các siêu PLC.
Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình PLC
- Khái niệm về PLC: PLC là các chữ được viết tắt từ “Programmable Logic Controller” Theo hiệp hội quốc gia về sản xuất điện Hoa Kỳ thì PLC là một thiết bị điều khiển mà được trang bị các chức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung và tính toán cho phép điều khiển nhiều loại máy móc và các bộ xử lý. Các chức năng đó được đặt trong bộ nhớ mà tạo lập sắp xếp theo chương trình. Khái niệm ngắn gọn hơn, PLC là một máy tính công nghiệp để thực hiện một dãy quá trình.
- 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 đối 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 chống nhiễu với độ tin cậy cao và có rất nhiều ưu điểm khác.
+ 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
- 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.
- Lợi ích của việc sử dụng PLC: 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.
+) Lợi ích 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).
+ 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 hành quá trình báo động.
+ Phát hiện lỗi khi chạy chương trình.
+ Ghép nối với máy tính (RS232/ RS485).
+ 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
+) Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: Phân loại sản phấm, đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm.
+) Kim loại: Điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), quy trình sản xuất, kiểm tra chất lượng.
+) Năng lượng: Điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý các tuabin ) các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ).
3.3 Ưu, nhược điểm khi lập trình hệ thống điều khiển PLC
- Ưu điểm của PLC: Từ thực tế sử dụng thấy rằng PLC có những điểm mạnh như sau:
Cấu trúc PLC
Hình 3-1 Cấu tạo của PLC
- Hệ thống PLC thông dụng có 5 bộ phận cơ bản, gồm bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện nhập/ xuất (I/O), và thiết bị lập trình.
+) Bộ xử lý của PLC: Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu động trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất.
+) Bộ nguồn: Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp DC (5V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện có trong các module giao diện nhập và xuất.
+) Bộ nhớ: Bộ nhớ là nơi lưu chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển, dưới sự kiểm tra của bộ vi xử lý.Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ: Bộ nhớ chỉ để đọc ROM cung cấp dung lượng lưu trữ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định được CPU sử dụng, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM dành cho chương trình của người dùng Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được là các ROM có thể được lập trình, sau đó các chương trình này được thường trú trong ROM Toàn bộ chương trình điều khiển được nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và được thực hiện theo chu kỳ vòng quét Như vậy, PLC thực chất hoạt động như một máy tính cá nhân nghĩa là phải có bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ để lưu giữ chương trình điều khiển, dữ liệu, có cổng vào ra đế giao tiếp với các thiết bị bên ngoài Bên cạnh đó PLC còn có các bộ Counter, Timer để phục vụ bài toán điều khiển.
- Đầu vào của PLC gồm:
+) Tín hiệu từ các loại cảm biến: Số và tương tự.
+) Cảm biến tiệm cận: cảm biến điện cảm, điện dung, quang, …
+) Khóa chuyển mạch (Switchs): đóng mở cơ khí.
+) Potentionmeter: đo vị trí góc dùng điện trở.
- Đầu ra của PLC gồm 2 loại:
+) Relay: DC và AC Thời gian đáp ứng > ms Dùng khi yêu cầu dòng lớn hoặc điện trở tải rất nhỏ.
+) Solid state: Gồm tranzitor (DC) và triac (AC)
Bộ nhớ của PLC
Hình 3-2 Cấu trúc vùng nhớ của PLC
- Vùng nhớ của PLC được chia thành 3 vùng: vùng chứa chương trình ứng dụng và vùng chứa tham số của hệ điều hành và vùng chứa các khối dữ liệu.
+) Vùng chứa chương trình ứng dụng: Gồm 3 miền:
- OB1 (Organisation Block): Chứa chương trình tổ chức, chương trình chính.
- Subrountine: Chứa chương trình con được tổ chức thành hàm và có biến hình thức để trao đổi dữ liệu Chương trình được thực hiện khi có lệnh gọi trongOB1.
- Interrupt: được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi với bất kỳ 1 khối dữ liệu nào khác Chương trình này sẽ được thực hiện khi sự kiện ngắt xảy ra.
+) Vùng chứa các khối dữ liệu:
- DB (Data Block): miền chứa dữ liệu được tổ chức thành khối.
- L (Local Data Block): miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình ứng dụng tổ chức và sử dụng cho các biến tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình gọi nó.
- Theo yêu cầu của đề bài và điều kiện làm việc, lựa chọn thiết bị điều khiển là PLC S7- 1200 với các thông số cơ bản sau:
Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
Kích thước vật lý (mm) 90 x 100 x 75 110 x 100 x 75
2 kB I/O tích hợp cục bộ
+ 14 vào/10 ra+ 2 ngõ raKích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)
Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte Độ mở rộng các module tín hiệu
Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái)
Bảng 3-1 Các thông số cơ bản của PLC S7-1200
Hình 3-3 PLC S7 – 1200 (1214C DC/DC/DC)
+) Bộ điều khiển gọn nhẹ có dải hiệu suất từ thấp đến trung bình, chi phí thấp.
+) Tích hợp Web Server hỗ trợ các ứng dụng vừa và nhỏ cho các giải pháp IoT thêm hoàn hảo.
+) Thích hợp cho các ứng dụng như hệ thống băng tải, thang máy và thang cuốn, vật liệu, thiết bị giao thông vận tải, cơ khí máy móc, máy đóng gói,…
+) Kết nối Module truyền thông rời, tăng khả năng giao tiếp với nhiều thiết bị khác nhau.
+) Bộ điều khiển PLC tích hợp giao diện điều khiển PROFINET IO để truyền thông giữa bộ điều khiển SIMATIC, HMI, thiết bị lập trình, các thành phần tự động khác.
+) Có thể mở rộng bộ điều khiển bằng các module tín hiệu I/O.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Sơ đồ giải thuật
Hình 4-1 Sơ đồ giải thuật chính
Hình 4-2 Sơ đồ giải thuật chế độ AUTO
Hình 4-3 Sơ đồ giải thuật chế độ MANUAL
- Giải thích nguyên lý hoạt động: Khi ta cấp nguồn cho PLC, ta sẽ có hai lựa chọn: Chế độ bằng tay hoặc chế độ tự động:
+) Chế độ bằng tay: Ta sẽ có thể điều khiển bật tắt các thiết bị thông qua các nút bấm Ta có thể bật động cơ băng tải, Xylanh cấp sản phẩm, đẩy sản phẩm cao và đẩy sản phẩm trung bình.
Chế độ này khi ta ấn nút Start thì đông cơ băng tải tự động chạy
Khi có tín hiệu cảm biến phát hiện vật thì Xylanh sẽ đẩy sản phẩm vào băng tải Tín hiệu điều khiển van sẽ lên mức cao để Xylanh đi hết hành trình, sau đó 2s sẽ trở về mức thấp để thu Xylanh lại.
Cảm biến cao khi nhận được tín hiệu thì Xylanh đẩy sản phẩm cao hoạt động trong 2s Nếu cảm biến không phát hiện vật thì tiếp tục đi qua cảm biến trung bình và tương tự Nếu cảm biến trung bình cũng không nhận được tín hiệu thì nó sẽ đi đến hết băng tải và rơi vào thùng sản phẩm thấp.Mỗi lần cảm biến cao, trung bình, thấp có tín hiệu sẽ đếm sản phẩm mỗi loại.
Input/ Output
- Sau khi xây dựng được sơ đồ giải thuật, ta bắt đầu hình thành các Input/ Output cho hệ thống.
Name Data Type Address Comment
I_MODE Bool %I0.0 Switch Auto/Manual
I_CB_Cao Bool %I0.1 Cam bien san pham cao
I_CB_TB Bool %I0.2 Cam bien san pham TB
I_CB_Thap Bool %I0.3 Cam bien san pham thap
I_BT Bool %I0.4 Switch bang tai
I_Xylanh_Cao Bool %I0.5 Switch Xylanh SP cao
I_Xylanh_TB Bool %I0.6 Switch Xylanh SP TB
I_CB_SP Bool %I0.7 Cam bien phat hien SP
I_Xylanh_SP Bool %I1.0 Swith Xylanh cap SP
I_A0 Bool %I2.0 Cong tac hanh trinh
I_A1 Bool %I2.1 Cong tac hanh trinh
I_B0 Bool %I2.2 Cong tac hanh trinh
I_B1 Bool %I2.3 Cong tac hanh trinh
I_C0 Bool %I2.4 Cong tac hanh trinh
I_C1 Bool %I2.5 Cong tac hanh trinh
Bảng 4-1 Đầu vào Input trong PLC
Name Data Type Address Comment
Q_Lamp_Auto Bool %Q0.0 Den Auto
Q_Lamp_Manu Bool %Q0.1 Den Manual
Q_Xylanh_Cao Bool %Q0.3 Xylanh SP cao
Q_Xylanh_TB Bool %Q0.4 Xylanh SP TB
Q_Xylanh_SP Bool %Q0.5 Xylanh cấp SP
Q_RUN Bool %Q0.6 Den bao he thong chay
Bảng 4-2 Đầu ra Output trong PLC
Hình 4-4.Kết nối vào PLC
Hình 4-5 Sơ đồ điều khiển hệ thống khí nén phân loại sản phẩm
CHƯƠNG 5: CHƯƠNG TRÌNH PLC VÀ MÔ PHỎNG
HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
Giới thiệu về phần mềm lập trình và mô phỏng PLC S7-1200 TIA PORTAL
TIA PORTAL là phần mềm được phát triển tốt hơn để hỗ trợ cho các dòng sản phẩm đời cao bao gồm (S7-300, S7-400, S7-1200 và S7-1500).
Tính năng của 2 phần mềm này là hỗ trợ khai báo cấu hình cho một trạm PLC, xây dựng cấu hình mạng và kết nối truyền thông giữa các trạm PLC Kèm theo đó STEP 7/TIA PORTAL cung cấp môi trường thân thiện với người dùng để phát triển logic bộ điều khiển và định cấu hình HMI trực quan hóa.
Hình 5-1 Step 7 & TIA PORTAL phần mềm lập trình PLC
Khi sử dụng TIA PORTAL, phần mềm được chia thành 2 khung hiển thị khác nhau Đây là giao diện ban đầu khi người sử dụng khởi động phần mềm, ở khung hiển thị này có 3 phần chính:
+) Tạo project mới, mở project có sẵn và cài đặt thiết bị
+) Bản lựa chọn và cấu hình thông tin ban đầu
+) Bật khung hiển thị project
Hình 5-2 Góc hiển thị ban đầu của TIA PORTAL
Khi lựa chọn mục Project View ở khung hiển thị Portal View sẽ được đưa đến phần hiển thị sâu hơn về thiết bị và lập trình:
- Thanh cuộn các thẻ tag, thiết bị và cấu hình tinh chỉnh Project
- Khu vực làm việc (bàn làm việc chính)
- Quay lại phần hiển thị ban đầu – Portal View
- Chuyển đổi tác vụ đang thực hiện
Hình 5-3 Góc nhìn Project View của TIA PORTAL
