Việc lắp đặt, sử dụng các dây chuyền tự động hóa làm giảm bớt sợ phụthuộc vào nguồn lực nhân công, bên cạnh đó còn mang lại nhiều hiệu quả vềnăng suất, sản lượng, chất lượng sản phẩm cùn
TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
Khái niệm và ứng dụng
Hệ thống phân loại sản phẩm là một giải pháp công nghiệp thay thế con người thực hiện các khâu phân loại sản phẩm, từ thực hiện bằng tay chuyển đổi sang sử dụng các hệ thống tự động hóa để phân chia sản phẩm theo từng đặc tính mà người sử dụng quy định ( chiều cao, màu sắc, khối lượng,… ) nhờ việc sử dụng các cảm biến, xylanh,…
1.1.2.Các phương pháp phân loại sản phẩm tự động và ứng dụng
Tùy vào độ phức tạp yêu của từng loại sản phẩm mà ta có thể đưa ra những phương pháp phân loại sản phẩm khác nhau. a, Phân loại theo kích thước (cao thấp, dài-ngắn,): kiểu phân loại này sử dụng các cảm biến quang hay hồng ngoại… để phát hiện và so sánh kích thước của sản phẩm, sau đó đưa tín hiệu về PLC và PLC thực hiện chức năng phân loại sản phẩm theo yêu cầu Kiểu phân loại này được sử dụng nhiều trong các nhà máy đóng chai, lọ…Ưu điểm lớn nhất của kiểu phân loại này đó là chi phí cho cảm biến là khá thấp, lắp đặt đơn giản và dễ vận hành.
Hình 1.1 Mô hình dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao
Hình 1.2 Dây chuyền phân loại trứng, cà chua theo kích thước (lớn-nhỏ) b Phân loại theo khối lượng sản phẩm: kiểu phân loại này sử dụng cảm biến trọng lượng để phân biệt sản phẩm nặng-nhẹ, đủ khối lượng yêu cầu hay chưa… Cách hoạt động giống như kiểu phân loại theo kích thước Và ta có thể thấy hình thức phân loại này ở các nhà máy sản xuất xi mang, phân bón hay nói chung là các nhà máy sản xuất sản phẩm dưới dạng đóng gói bao bì cần khối lượng chính.
Hình 1.3 Máy phân loại sản phẩm theo khối lượng sản phẩm. c Phân loại theo màu sắc của sản phẩm: sử dụng các cảm biến màu ( mỗi cảm biến sẽ nhận biết 1 màu riêng biệt như: xanh, đỏ, vàng…) Cách thức hoạt động cũng giống như 2 hình thức phân loại trên.Ứng dụng của phân loại theo màu sắc chủ yếu trong công nghiệp vải lụa, sản xuất màu, lọc hoa quả, các loại hạt ưe… d Phân loại theo hình ảnh sản phẩm: hình thức phân loại này không sử dụng cảm biến mà người ta dùng camera để chụp ảnh của sản phẩm cần phân loại,sau đó đưa ảnh đó so sánh với ảnh gốc chuẩn xem sản phẩm đó thuộc loại nào.Hiện nay thì hình thức phân loại này đang được ứng dụng để phân loại gạch granit.
Hình 1.4 Dây chuyền phân loại táo theo màu sắc e Phân loại theo mã vạch của sản phẩm: đây là kiểu phân loại khá hiện đại, sử dụng tới máy đọc mã vạch Dây chuyền phân loại sản phẩm theo mã vạch được sử dụng rất phổ biến hiên nay Dây chuyền sorting này được sử dụng để phân loại các kiện hàng, bưu phẩm, sản phẩm thành phẩm đã được đóng thùng carton, đóng túi và dán mã vạch barcode, mã QR Với các thông tin lưu trữ trên mã vạch dán trên sản phẩm, hệ thống có thể dễ dàng sàng lọc và lựa chọn, gom sản phẩm vào các vị trí tập kết (hub) theo yêu cầu đặt ra như :
Với 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 loại theo ngày lên đơn, cách thức đóng gói, địa điểm giao hàng, hàng chuyển nhanh-tiêu chuẩn… Với các sản phẩm nông sản đóng gói: phân loại theo hạn sử dụng, số lô chế biến, cấp sản phẩm…
Hình 1.5 Máy phân loại sản phẩm theo mã vạch
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.
Nguyên lí hoạt động hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển nhận tín hiệu đầu vào thông qua các cảm biến , để xác định yếu tố mang tính chất phân loại sản phẩm Từ đó, đưa ra tín hiệu điều khiển tới các cơ cấu chấp hành như động cơ băng tải, xy lanh cấp phôi, xylanh phân loại Các sản phẩm sau khi phân loại sẽ được chuyển đến thùng hàng để đóng gói Chu trình này sẽ lặp lại cho đến khi hết sản phẩm.
* Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống:
Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lí hoạt động chung của hệ thống điều khiển
- Khối đầu vào : nhận tín hiệu điều khiển thông qua các nút ấn từ màn hình và cảm biến có sẵn rồi chuyển tín hiệu đó đến khối xử lý trung tâm.
- Khối xử lí trung tâm : dựa vào tín hiệu từ khối đầu vào thông qua các điều kiện lập trình sẵn đưa tín hiệu kết quả cho khối đầu ra.
- Khối đầu ra : nhận kết quả từ khối trung tâm xử lý để hoạt động, hiện thị kết quả theo yêu cầu. b.Yêu cầu kỹ thuật cơ bản của các cụm chức năng trong hệ thống
- Năng suất làm việc : 20sp/ph
- Khả năng phân loại theo chiều cao từ 3 đến 15cm; khối lượng từ 0,2 đến 5 kg.
- Màn hình hiển thị cần đơn giản dễ thao tác nhưng vẫn phải đầy đủ thông tin cần thiết.
- Có nút nhấn dừng STOP trong trường hợp khẩn cấp.
- Đảm bảo độ ổn định và an toàn của mạch điều khiển.
CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Động cơ
Động cơ là một thiết bị chuyển đổi điện năng thành cơ năng Phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu Khi cuộn dây trên rotor và stato được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các từ trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1 mômen
Có nhiều loại động cơ khác nhau được sử dụng trong công nghiệp Có thể phân loại động cơ ra làm các loại:
- Động cơ điện một chiều ( động cơ giảm tốc, động cơ rung, động cơ bước, động cơ servo) Ưu điểm :
• Điều khiển tốc độ nhanh, nhạy.
• Tiết kiệm điện năng, tuổi thọ lớn.
• Khả năng tạo mômen lực lớn khi khởi động.
• Chi phí lắp đặt tốn kém do cần bộ chỉnh lưu.
• Ít sử dụng để tạo công suất lớn
• Nhanh hao mòn cấu kiện
- Động cơ điện xoay chiều.( đồng bộ, xoay chiều 1 pha , xoay chiểu 3 pha ) Ưu điểm :
• Hoạt động trong thời gian dài với hiệu năng cao.
• Giá thành rẻ do sự đồng bộ mạng lưới dân dụng.
• Tốn kém khá nhiều điện năng
• Tuổi thọ trung bình không cao
Mô hình hoạt động với kích thước sản phẩm và khối lượng nhỏ do đó không cần thiết sử dụng các động cơ công suất lớn Hệ thống hoạt động yêu cầu độ ổn định, trơn tru, liên tục Không yêu cầu tính chính xác cao, thiết kế cần gọn nhẹ, dễ điều khiển, mô men lớn, chi phí sử dụng thấp,tuổi thọ lớn Do vậy từ những yêu cầu đó em sử dụng động cơ điện một chiều để truyền động cho băng tải.
Thông qua việc tính toán dựa vào năng suất của hệ thống, em đã lựa chọn được động cơ DC là K8DG25N2 đi kèm theo hộp giảm tốc 4GN50KF.
Hình 2.1 Động cơ băng tải K8DG25N2 và hộp giảm tốc 4GN50KF.
Bảng 2 Thông số cơ bản của động cơ K8DG25N2 cùng hộp giảm tốc 4GN50KF Điện áp hoạt động (V) 24
Tốc độ trục động cơ giảm tốc (rpm) 58
Tốc độ quay động cơ (rpm) 2900
Tỉ số truyền hộp giảm tốc 50
Xy lanh , van khí nén
a Xy lanh Đây là chi tiết quan trọng không thể thiếu trong các động cơ và tạo không gian để piston chuyển động trong quá trình vận hành động cơ Xy lanh được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp tự động hóa như: sản xuất lắp ráp linh kiện điện tử, sản xuất giấy, chế biến gỗ, lắp ráp xe ô tô, cơ khí chế tạo thiết bị máy móc công nghiệp.Hiện nay trong công nghiệp sử dụng chủ yếu 2 loại xilanh là xi lanh khí nén và xi lanh thủy lực
Trong phạm vi đề tài đồ án, kết hợp với tính toán nên em cho xylanh khí nén vì có rất nhiều ưu điểm nổi bật so với thủy lực như:
- Có thể cấp nguồn áp suất thấp
- Dịch chuyển năng lượng khí nén đạt vận tốc lớn.
- Có khả năng chuyển năng lượng đi xa vì độ nhớt và tổn thất áp suất trong hệ thống khí nén là nhỏ.
- Khả năng chịu nén tốt của không khí nên có thể chứa khí rất thuận lợi.
- Không khí dùng để nén là vô tận và có thể thải ra khí quyển.
- Hệ thống khí nén đối với việc vệ sinh tương đối là sạch sẽ.
- Chi phí thiết lập hệ thống khí nén thì rẻ.
- Hệ thống phòng ngừa quá áp được đảm bảo.
Bên cạnh đó thì khí nén còn một số nhược điểm như:
- Lực tác động tới cơ cấu chấp hành (xy lanh) tương đối thấp.
- Dòng khí thoát ra ở đường dẫn gây tiếng ồn.
Thông thường có hai loại xy lanh khí nén thường xuyên được sử dụng: Xy lanh tác động đơn, xy lanh tác động kép.
+ Đối với xy lanh tác động đơn thì áp lực của dòng khí nén chỉ đi vào một phía, phía ngược lại do một lò xo hoặc do ngoại lực tác động Xi lanh tác động đơn được sử dụng thường xuyên trong các ứng dụng đóng gói, nơi đẩy, đột lỗ và kẹp được thực hiện với các chuyển động nhanh chóng, chính xác của chúng.
Hình 2.2 Cấu tạo xy lanh tác động đơn
+ Đối với xy lanh tác động kép, cả hành trình đi và hành trình về đều có tác động bởi khí nén Độ kín giữa xy lanh và piston được đảm bảo nhờ có đệm kín ở mép piston Xy lanh tác động kép thì được ứng dụng phổ biến hơn xy lanh tác động đơn Ưu điểm của xy lanh tác động kép là có thể điều chỉnh được hành trình của xy lanh – đảm bảo sự chính xác trong hoạt động.
Hình 2.3 Cấu tạo xy lanh tác động kép
Dựa trên thiết kế kết hợp với yêu cầu đặc điểm của xy lanh tác động nhanh, hành trình không lớn, cố định nên ta chọn xy lanh tác động kép để sử dụng trong hệ thống Trong đó ta lựa chọn một xy lanh cấp phôi MAL 20×200 và hai xy lanh phân loại phôi MAL 20×300 của hãng Airtac
Hình 2.4 Xi lanh khí nén Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của xy lanh
Nội dung Thông số Đường kính Piston 20 mm
Loại tác động Tác động kép Áp suất hoạt động 1,5 10 bar Áp suất tối đa 15 bar
Tốc độ hành trình 30 mm/s
Kiểu lỗ cấp khí 1/8” b Van khí nén
Van có nhiều kiểu dáng cũng như kích thước khác nhau nhưng tất cả đều thực hiện một chức năng đó là đóng mở cửa van cung cấp khí nén để phục vụ yêu cầu vận hành của các thiết bị: xi lanh, bộ lọc, điều áp hay bình dầu…
Ngoài ra chúng còn có các tác dụng khác như:
Van khí nén điện từ là loại van được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống khí nén sản xuất công nghiệp và phục vụ đời sống Van đảm bảo tốc độ nhanh, chính xác cao, đấu nối và lắp đặt dễ dàng, không tốn nhiều nhân công, có thể vận hành tự động…
Các loại van đảo chiều thông dụng:
+ Van 2/2: Có hai cổng, vào (1) và ra (2), hai trạng thái, van 2/2 có thể sử dụng làm khóa ON/OFF đóng mở nguồn khí nén hoặc rẽ mạch khí nén.
Hình 2.5 Cấu tạo van 2/2 + Van 3/2: Có cổng làm việc vào (1), ra (2), cổng xả (3) và hai trạng thái.
+ Van 4/2 có 4 cổng làm việc vào (1), ra (2,4), chung một cổng xả (3), hai trạng thái Van 4/2 được ghép bởi van 3/2 trong một vỏ: một thường đóng, một thường mở.
+ Van 5/2 có 5 cổng làm việc, vào (1), ra (2,4), hai cửa xả riêng cho mỗi trạng thái (3,5), có hai trạng thái Van 5/2 dùng làm van đảo chiều điều khiển xy-lanh tác động kép và động cơ.
Hình 2.7 Cấu tạo của van 5/2+ Van 5/3 có 3 trạng thái, trong đó trạng thái trung gian (mind-position) là trạng thái ổn định và luôn được thiết lập bởi các lò xo hồi khi không có bất kỳ một tín hiệu điều khiển nào Người ta thường gọi đó là trạng thái không. Hai trạng thái còn lại được thiết lập và cùng tồn tại bởi hai tín hiệu điều khiển tương ứng như đối với van 5/2 điều khiển một phía.
Trong mô hình hệ thống phân loại sản phẩm, ta sử dụng van đảo chiều 5/2 Cụ thể lựa chọn sử dụng van điện từ khí nén Airtac 7V0210 – 08.
Hình 2.8 Van điện từ khí nén 3 cửa 2 vị tríBảng 2.3 Thông số kỹ thuật của van Airtac 7V0210 - 08
Cảm biến
Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý, hóa học hay sinh học của môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó Sau đó được chuyển thành dạng thông tin mã hóa và xuất về màn hình hoặc máy tính, hệ thống PLC để có thể điều khiển các thiết bị khác từ xa.
Loại van 5 cửa 2 vị trí Điều khiển Điều khiển đơn
Loại lỗ Lỗ nối nhanh
Kích thước cổng PT 1/4” Điện áp DC 24V Áp xuất max 1.2 Mpa
Hình 2.9 Một số loại cảm biến
• Cảm biến vật lí : sóng điện từ, sáng , tử ngoại
• Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, khói, …
• Cảm biến sinh học: đường glucose huyết, vi khuẩn, vi rút, … Các đặc trưng của cảm biến:
Một cảm biến được sử dụng khi đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật xác định :
• Độ nhạy: Gia số nhỏ nhất có thể phát hiện
• Mức tuyến tính: Khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cố định
• Dải biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi sử dụng được
• Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường
• Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác lên kết quả
• Sai số xác định: Phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu
• Độ trôi: Sự thay đổi tham số theo thời gian phục vụ hoặc thời gian tồn tại (date).
• Độ trễ: Mức độ đáp ứng với thay đổi của quá trình
• Độ tin cậy: Khả năng làm việc ổn định, chịu những biến động lớn của môi trường như sốc các loại
• Điều kiện môi trường: Dải nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, làm việc được. a Cảm biến phát hiện chiều cao phôi
Hệ thống thực hiện phân loại các phôi hình trụ dựa trên chiều cao Các cảm biến đóng vai trò nhận biết được chiều cao của các phôi được chuyền động trên băng tải rồi gửi tín hiệu về bộ điều khiển Với thông tin nhận được từ các cảm biến, bộ điều khiển sẽ thực thi chương trình để điều khiển xy lanh thực hiện việc phân loại.
Có nhiều loại cảm biến có thể nhận biết được chiều cao của vật, tùy thuộc vào chất liệu, đặc tính của đối tượng và phương pháp đo Thông thường cảm biến khoảng cách thường được sử dụng để nhận biết được chiều cao của vật. Thông thường cảm biến khoảng cách có thể chia thành các dòng như sau:
- Cảm biến quang: Cảm biến quang là một trong những thiết bị phổ biến nhất khi dùng để đo khoảng cách Sử dụng quá trình thu phát các tia sáng (phổ biến là tia hồng ngoại và laser) với nguyên lý phát xạ cảm ứng, thiết bị có thể hoạt động chính xác cao với phạm vi đo rộng Do vậy mà chúng được ứng dụng trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau.
- Cảm biến siêu âm: đo khoảng cách dựa trên nguyên lý phát ra chùm sóng siêu âm đến vật phản xạ về cảm biến Đây cũng là thiết bị hoạt động cho kết quả có độ chính xác rất cao Với rất nhiều ứng dụng, cảm biến siêu âm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.
- Cảm biến từ: đo và phát hiện vật dựa trên hiện tưởng cảm ứng điện từ do đó cảm biến từ chỉ phát hiện và đo khoảng cách của các vật làm bằng kim loại.
Trong hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao, em lựa chọn cảm biến quang để phát hiện chiều cao của đối tượng, vừa đảm bảo độ chính xác, ổn định và giá cả hợp lý.
Cảm biến được lựa chọn ở đây là cảm biến quang E3F-DS30B4 (PNP) của hãng Omron.
Hình 2.10 Cảm biến quang E3F-DS30B4
Bảng 2.4 Bảng thông số kĩ thuật của cảm biến Omron E3F_DS30B4
Khoảng cách phát hiện 5-30 cm Điện áp cung cấp 6-36 VDC
Dòng điện đầu ra định mức 300 mA
Thời gian đáp ứng tối đa 1,5 ms
Nguồn sáng Led hồng ngoại (600 nm)
Vật liệu Vỏ: nhựa ABS, Bề mặt cảm biến (thấu kính): PMMA b Cảm biến phát hiện vị trí Piston – Xylanh Để dễ dàng cho quá trình vận hành hệ thống khí nén một cách tự động, hiệu quả, chính xác chúng ta cần sử dụng đến cảm biến từ xylanh khí nén Như chúng ta đã biết, xy lanh là cơ cấu chấp hành trong hệ thống để tạo nên những chuyển động tịnh tiến nhằm tác động lực ra bên ngoài để nén ép Chính vì thế mà chúng ta cần giám sát vị trí của xylanh làm việc nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định theo yêu cầu thông qua các cảm biến , cụ thể ở đây là cảm biến tiệm cận.
Người ta phân cảm biến tiệm cận thành 2 loại:
- Cảm biến từ: Nó chính là 1 cuộn dây được cuốn quanh một lõi sắt Đặc điểm của lõi này là có độ từ thẩm cao Khi chúng ta mở điện, nguồn điện sẽ đi đến cảm biến và tạo ra một từ trường dao động quanh tổ hợp. Người ta gọi đó là nam châm điện Ưu điểm của loại này đó là tính ổn định cao do dòng điện cung cấp Khi vật thể là vật liệu từ qua hoặc nam châm vĩnh cửu, tín hiệu cảm biến sẽ được xuất ra.
- Cảm biến điện dung: Đối với loại này thì 2 bản cực là bộ phận chính Khi xuất hiện 1 vật ở vùng giữa 2 bản cực , giá trị điện dung thay đổi, ngay lập tức cảm biến phát hiện và đưa ra tín hiệu.
Trên trục của Piston xy lanh thì ngoài các phớt, gioăng để làm kín giữa các khoang xy lanh thì còn có các vòng nam châm vĩnh cửu Mục đích của việc này là tạo điều kiện thuận lợi để có thể gắn cảm biến, giúp nó có thể thu tín hiệu từ xy lanh (piston) dịch chuyển Xy lanh của thể được bố trí ở hai vị trí (đầu hành trình và cuối hành trình) hoặc ở các vị trí khác trên thân xy lanh giúp nhân biết từ trường của xy lanh khi piston dịch chuyển đến.
Trong hệ thống được thiết kế sử dụng 3 xy lanh khí nén do vậy sẽ sử dụng 6 cảm biến xy lanh để phát hiện vị trí hành trình của xylanh, phục vụ cho quá trình điều khiển Trong hệ thống này em lựa chọn sử dụng cảm biến xy lanh
Airtac - CS1-M-020-S-20. trình và cấu trúc dư liệu, firmware. Ứng dụng
Làm thành phân trong các thiết bị điện tử tiêu dụng và thiết bị thông minh.
Sử dụng trong phạm vi khá rộng như học tập nghiên cứu và một số hình thái đơn giản khác
Sử dụng trong điều khiện khắc nhiệt, vận hành cao hệ thống làm việc đa năng , mang tính công nghiệp.
Giá cả Rẻ Vừa phải
Hợp lí ( cùng giá với 5-10 relay nhưng khả năng thay thế cho hàng trăm relay )
Do đó trong đồ án này, em sẽ chọn PLC làm bộ điều khiển trung tâm.
PLC là từ viết tắt của Programmable Logic Controller (Tiếng Việt: Bộ điều khiển Logic có thể lập trình được) Khác với các bộ điều khiển thông thường chỉ có một thuật toán điều khiển nhất định, PLC có khả năng thay đổi thuật toán điều khiển tùy biến do người sử dụng viết thông qua một ngôn ngữ lập trình Do vậy, nó cho phép thực hiện linh hoạt tất cả các bài toán điều khiển. Cấu tạo :
CPU (Central Processing Unit): Đây là “bộ não” của PLC, nơi xử lý logic và thực thi các chương trình điều khiển.
Module I/O (Tín hiệu vào/ra): Module I/O được sử dụng để kết nối và giao tiếp với các thiết bị và cảm biến bên ngoài Module I/O có thể chứa các cổng vào và cổng ra để nhận và gửi tín hiệu.
Memory (Bộ nhớ): PLC có bộ nhớ để lưu trữ chương trình điều khiển và dữ liệu liên quan Bộ nhớ này có thể được chia thành các vùng khác nhau như vùng chương trình, vùng dữ liệu và vùng hằng số.
Power Supply (Nguồn điện): Đây là nguồn cung cấp điện cho PLC và các thiết bị kết nối.
Hình 2.12 Cấu tạo chung của PLC
Các thành phần khác của hệ thống điều khiển
* Khái niệm chung về Rơ le
Rơ le là loại khí cụ điện hạ áp tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khí tín hiệu đầu vào đặt những giá trị xác định Rơ le được sử dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực khoa học công nghê và đời sống hằng ngày Rơ le có nhiều chủng loại với nguyên lý làm việc, chức năng khác nhau như rơ le điện tử, rơ le phân cực, rơ le cảm ứng, rơ le nhiệt, rơ le điện tử tương tự, rơ le điện tử số, điện tử tương tự… Đặc tính cơ bản của rơ le: là đặc tính vào ra Khi đại lượng đầu vào X tăng đến một giá trị tác động X2, đại lượng đầu ra Y thay đổi nhảy cấp từ 0 (Ymin) đến 1 (Ymax) Theo chiều giảm của X, đến giá trị số nhả X1 thì đại lượng đầu ra sẽ nhảy cấp từ 1 xuống 0 Đây là quá trình nhả của rơ le.
Relay điện từ là thiết bị điện tử được dùng phổ biến trong các hệ thống công nghiệp Chúng được sử dụng với các chức năng chính sau đây:
- Cách ly mạch điều khiển với mạch động lực, cách ly các mạch điện sử dụng và cấp điện áp khác nhau Ví dụ trong mạch điều khiển, cuộn hút của Relay sử dụng điện áp là 220VAC còn tiếp điểm khi đưa vào thiết bị (biến tần, PLC,…) chỉ sử dụng điện áp nội bộ 24VDC.
- Nhân các tín hiệu cần sử dụng ở 2 vị trí trở lên Ví dụ đối với Relay K5 (đây là Relay báo trạng thái biến tần lỗi), tín hiệu lỗi này đã được nhân lên và sử dụng cho 2 vị trí: tiếp điểm thường đóng trong mạch khởi động động cơ (Cuộn hút K1) và tiếp điểm thường mở để đóng/cắt tín hiệu đèn báo lỗi.
- Relay trung gian cũng được dùng trong mạch điều khiển PLC Đầu ra PLC nối với cuộn hút của Relay trung gian, còn các đối tượng cần điều khiển chỉ tương tác với tiếp điểm Relay Cách đấu nối này giúp bảo vệ đầu ra của PLC do được cách ly với mạch lực và các cấp điện áp khác.
Trong hệ thống em lựa chọn sử dụng Relay Omron LY2N 24V-10A 8P Bảng 2.8 Thông số kĩ thuật của relay Omron LY2N 24V-10A 8P
Bộ nguồn đóng vai trò cung cấp toàn bộ điện cho hệ thống phân loại Vì các thành phân trong hệ thống đề sử dụng nguồn điện một chiều từ 24 VDC trở
Kích thước 3.3x2.5x2 cm Điện áp vào của Relay 24 VDC
Số chân 8 Pins (2 NO – 2 NC)
Trọng lượng 30 grams xuống (Động cơ băng tải, PLC, relay, đèn báo,….) nên trong hệ thống này em lựa chọn sử dụng nguồn xung (nguồn tổ ong) để cung cấp điện cho các thiết bị. Để bộ nguồn cung cấp đủ công suất điện cho cả hệ thống thì cần tính toán được tổng công suất của hệ thống bao gồm động cơ, relay, solenoid valve, đèn báo, …
Hình 2.18 Bộ nguồn xung 220V AC-24V DC
Bảng 2.9 Thông số kỹ thuật nguồn xung S-240-24 Điện áp ngõ ra 24 VDC
Số ngõ ra 1 Điện áp ngõ vào 100 ÷ 240 VAC
Cách gắn Gắn trực tiếp
Kích thước 198 mm × 110 mm × 50 mm
Dải nhiệt hoạt động -20ºC ÷ +60ºC
Bảng 2.10 Thông số kĩ thuật đèn báo và nút bấm
STT Loại Thông số Tác dụng Hình ảnh Số lượng
11DN Điện áo tải max:
10A Màu sắc: đỏ,vàng,lục Kích thước:82x33x29mm
Kích thước lỗ lắp:22mm Khối lượng: 60g
Nút nhấn khởi động, dừng và reset hệ thống (có led)
11ZS Điện áp tối đa:
440VAC Dòng điện tối đa:10A Chất liệu: nhựa Đường kính lỗ gắn:
Dừng hệ thống trong tình huống khẩn cấp
Hãng: APT Điện áp: 24V Đường kính:16mm Đèn báo trạng thái khay chứa phôi đầy
Màu hiển thị: đỏ Đèn báo nguồn điện đã cấp cho hệ thống
Mạch điện hệ thống và sơ đồ khí nén
Thiết kế mạch điện hệ thống điều khiển
Mạch điện của hệ thống bao gồm :
Bảng 2.11 Kí hiệu các thiết bị trong mạch điện
STT Tên Kí hiệu Số lượng
6 Cảm biến phân loại phôi 3
7 Cảm biến vị trí xylanh 6
8 Cuộn solenoid điều chỉnh vị trí van đảo chiều 3
Bộ chuyển đổi dòng diện từ dòng AC
Hình 2.19.Sơ đồ mạch điện của hệ thống
Hệ thống khí nén gồm 3 xilanh khí nén gồm 1 xilanh phân loại sản phẩm cao, 1 xilanh phân loại sản phẩm trung bình và 1 xilanh đẩy phôi vào băng tải. Các xilanh được điều khiển đẩy ra và rút về thông qua các van điều hướng 5 cửa 2 vị trí (van 5/2) diều khiển bằng tín hiệu điện, sử dụng lò xo hồi vị Cả hệ thống dùng chung một nguồn khí nén Đồng hồ đo áp suất khí nén trong hệ thống.
Bảng 2.12 Kí hiệu các thiết bị trong hệ thống khí nén
STT Tên Biểu tượng Vai Trò Số lượng
1 Nguồn cấp khí Cung cấp khí cho hệ thống 1
2 Bộ lọc khí, đồng hồ đo, sấy khô Điều chỉnh áp suất và lọc khí 1
3 Van đảo chiều 5/2 Quyết định chiều đi của khí nén 3
4 Van tiết lưu- một chiều Điều chỉnh lưu lượng khí 6
5 Xilanh khí nén Sử dụng khí nén để đẩy phôi 3
Sơ đồ hệ thống khí nén :
Hình 2.20.Sơ đồ khí nén của hệ thống
LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
Xây dựng bài toán điều khiển
Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán tổng quan hệ thống
Khi hệ thống điều khiển bắt đầu hoạt động, tùy theo nhu cầu của người dùng sẽ chọn chế độ Auto/Manual Từ đó sẽ có những thao tác điều khiển khác nhau trên từng vùng làm việc. a) Chế độ Manual:
Khi chế độ thủ công được chọn, người dùng sẽ thao tác với các nút nhấn trên màn hình HMI ứng với các cơ cấu chấp hành bao gồm: Động cơ băng tải, xy lanh cấp phôi, xy lanh phân loại phôi cao, xy lanh phân loại phôi trung bình.Khi người dùng nhấn với các nút thì các cơ chấp hành tương ứng sẽ hoạt động
(Chạy động cơ băng tải, xy lanh đầy ra,….) Chế độ thủ công giúp người vận hành kiểm tra được tình trạng các thiết bị hoạt động, nếu hỏng hoặc lỗi thì sẽ khắc phục kịp thời. b) Chế độ Auto
Khi hệ thống hoạt động, động cơ băng tải được bật Nếu có phôi trong hộp thì xy lanh đẩy phôi thực hiện cấp phôi theo chu kỳ T = 3 (s), nếu không có phôi, sau 20 (s) tắt động cơ.
Khi phôi đã được cấp vào băng tải sẽ đi qua các cảm biến Nếu phôi cao đi qua cảm biến cao thì xy lanh tương ứng thực hiện đẩy phôi cao vào khay tương ứng và thực hiện đếm số phôi cao Nếu phôi có chiều cao trung bình thì khi đi qua cảm biến phôi trung bình sẽ có tín hiệu và xy lanh tương ứng đẩy phôi trung bình vào khay tương ứng Nếu phôi có chiều cao thấp thì sẽ đi đến cuối băng tải vào được đưa vào khay chứa phôi thấp và bộ đếm sẽ số phôi đã vào khay.
3.1.2 Xây dựng giản đồ Grafcet
Giản đồ Grafcet là một phương pháp tổ hợp mạch logic tuần tự, biểu diễn các quá trình công nghệ dưới dạng lưu đồ (graph) các trạng thái làm việc Từ lưu đồ Grafcet có thể xây dựng các hàm logic điều khiển hoặc sơ đồ điều khiển.
Hình 3.4 Phương pháp giản đồ Grafcet Đặc điểm của Grafcet :
- Mỗi hành động chính sẽ ứng với một nhóm hành động hoàn chỉnh.
- Mỗi chuyển tiếp đi kèm với một tác nhân kích thích (Điều kiện logic) biểu thị điều kiện chuyển trạng thái.
- Trạng thái hoạt động: thực thi các hành động tương ứng ở trạng thái đó.
- Hoạt động của Grafcet: Các trạng thái lần lượt hoạt động theo trình tự quy định.
Quy tắc hoạt động của Grafcet :
- Quy tắc hoạt động của GRAFCET (quy tắc vượt qua chuyển tiếp)
- Chuyển tiếp sẵn sàng: các trạng thái ngay trước chuyển tiếp (đầu vào) là đang hoạt động
- Chuyển tiếp được vượt qua: khi chuyển tiếp sẵn sàng và tác nhân kích thích xảy ra (điều kiện logic là đúng)
- Khi vượt qua chuyển tiếp: Các trạng thái ngay trước chuyển tiếp ngừng hoạt động, đồng thời các trạng thái ngay sau (đầu ra) hoạt động.
Từ bài toán hệ thống xây dựng được ở bên trên, ta sẽ đi xây dựng giản đồ
Hình 3.5 Giản đồ Grafcet hệ thống điều khiển
Xây dựng chương trình PLC
Các ngôn ngữ lập trình chính cho PLC Siemens S7-1200 là :
Bảng 3.1 Các ngôn ngữ lập trình PLC Siemens S7-1200
SCL (Structured Control Language Đặc điểm Biểu diễn các tín hiệu đầu vào và đầu ra của PLC
Biểu diễn các hàm logic hoặc toán học. Được tạo ra từ các
Viết các chương trình phức tạp hơn, với các công cụ lập trình phức dưới dạng các mạch điện tử dạng thanh ngang LAD là một ngôn ngữ lập trình đồ họa, dễ hiểu và thân thiện với người dùng. khối chức năng, được kết nối với nhau bằng các đường dẫn, tạo thành các chương trình điều khiển tương đối phức tạp. tạp hơn so với LAD và FBD Nó cho phép các nhà phát triển viết các hàm toán học, điều khiển bộ nhớ, chuyển đổi dữ liệu và xử lý các chuỗi dữ liệu
Dựa trên đặc tính dễ sử dụng, đơn giản nhưng vẫn thực hiện tốt chức năng điều khiển hệ thống; đồng thời trong phạm vi đề tài đồ án, chương trình điều khiển hệ thống không quá phức tạp nên em sẽ chọn ngôn ngữ LAD làm ngôn ngữ lập trình cho PLC.
3.2.2 Biến và câu lệnh logic sử dụng trong chương trình a Các biến sử dụng trong chương trình
Hình 3.8 Bảng biến trung gian b Các bit logic và hàm sử dụng trong chương trình
Bảng 3.2 Bảng bit logic và hàm sử được sử dụng
1 Tiếp điểm thường hở ( sẽ cho dòng điện đi qua khi giá trị của bit địa chỉ bằng 1 Toán hạng : I,Q,M,L,D )
Tiếp điểm thường đóng ( sẽ ngăn dòng điện đi qua khi giá trị của bit địa chỉ bằng 1 Toán hạng: I,Q,M,L,D )
Quét tín hiệu xung tích cực
( Khi trạng thái biết địa chỉ chuyển đổi từ 0 lên 1 , thì dòng điện sẽ đi qua, hết trạng thái chuyển đổi đó thì dòng điện sẽ bị ngắt )
( Khi đầu vào IN có trạng thái 1 thì bộ đếm sẽ cho trạng thái đầu ra Q lên 1 sau 1 khoảng thời gian cài tại PT (ms) ET là giá trị đếm thực khi timer thực hiện )
( khi đầu vào CU có trạng thái 1 thì giá trị CV sẽ cộng thêm 1 , khi giá trị CV bằng giá trị thiết lập
PV thì đầu ra Q sẽ có trạng thái bằng 1 Ngõ vào
R khi trạng thái bằng1 sẽ đặt giá trị CV về 0, đồng thời Q trạng thái trở lề 0)
(Khi trạng thái EN = 1, các giá trị IN1 sẽ cộng với IN2 , kết quả cho ra OUT Trong quá trình chay không xảy ra lỗi thì đầu ra ENO sẽ có trạng thái bằng 1 Kiểu dữ liệu vào/ra : SInt, Int, Dint, USInt, UInt, UDint, Real, Lreal )
Lệnh set giá trị bằng 1 ( Giá trị của các bit địa chỉ sẽ bằng 1 khi đầu vào của hệ lệnh này bằng 1.Sau khi giá trị đầu vào của lệnh trở về 0 thì bit này vẫn giữ nguyên trạng thái Toán hạng:Q,M,L,D )
Lệnh set giá trị bằng 0 ( Giá trị của các bit có địa chỉ làn sẽ bằng 0 khi đầu vào của lệnh này bằng 1.Khi đầu vào của lệnh bằng 0 thì các bit này vẫn giữ nguyên trạng thái Toán hạng:Q,M,L,D )
Hình 3.9 Chương trình PLC liên kết Factory I/O Để có thể dùng phần mềm Factory I/O mô phỏng hệ thống lập trình bởiTia Portal thì ta cần có một khối function có nhiệm vụ biên dịch cũng như liên kết 2 phần mềm với nhau
Hình 3.10 Chương trình chọn mode cho hệ thống
Khi bắt đầu, người dùng sẽ chọn chế độ vận hành ( Auto/Manual) cho hệ thống thông qua công tắc ảo MODE trên màn hình HMI, có địa chỉ biến nhớ
%M1.1 Khi chuyển công tắc sang chế độ Auto, biến nhớ MODE (địa chỉ
%M1.1) sẽ có trạng thái tín hiệu bằng 1; đồng thời cho dòng điện đi qua và chạy chương trình điều khiển hệ thống theo khối Function Auto_mode được lập trình sẵn Ngược lại, nếu chuyển công tắc MODE về chế độ Manual,trạng thái của biến nhớ MODE sẽ bằng 0, cho dòng điện đi qua dòng thứ 2 và chạy hệ thống theo khối Function Manual_mode có sẵn.
Chế độ Manual ( thực hiện thao tác thủ công trên màn hình HMI )
Hình 3.11 Điều khiển động cơ tron chế độ Manual
Trong chế độ Manual, việc điều khiển động cơ bằng nút nhấn ảoMAN_DC (địa chỉ %M1.0) trên màn HMI Khi nhấn nút, trạng thái của biến nhớ MAN_DC (địa chỉ %M1.0) bằng 1 , cho dòng điện đi qua dòng thứ nhất ở hình ảnh trên đồng thời thiết lập trạng thái động cơ lên 1 ( động cơ hoạt động).Ngược lại khi không nhấn nút , thì trạng thái biến nhớ bằng 0, dòng điện sẽ đi qua dòng thứ 2 ở hình ảnh trên, đặt lại trạng thái động cơ về 0 ( động cơ không hoạt động ).
Hình 3.12 Chương trình đóng mở XL1 trong chế độ Manual
Hình 3.13 Chương trình đóng mở XL2,3 chế độ Manual
Tương tự như điều khiển động cơ băng tải M1, điều khiển các xilanh cấp phôi, phân loại sản phẩm cao, trung bình thông qua relay đóng mở điện cho cuộn hút từ bời các nút nhấn ảo MAN_XL1 (%M0.5), MAN_XL2 ( %M0.6), MAN_XL3 (%M0.7) ở màn hình HMI Mỗi khi nhấn nút thì trạng thái của biến relay tương ứng nút nhấn được thiết lập hoạt động ( bit 0 -> 1) (mở xi lanh đẩy), và khi không nhấn thì trạng thái của các relay được đặt về trạng thái 0 ban đầu ( đóng xi lanh )
Chế độ Auto a Khởi động chương trình :
Hình 3.14 Chương trình PLC khởi động hệ thống
Khi nhấn nút START trên tủ điện (%i0.0) thì hệ thống sẽ hoạt động và duy trì bởi biến trung gian M_START (%m0.0) , động cơ băng tải M1 (%Q0.6) chuyển sang trạng thái hoạt động ; đồng thời đèn LED_START sẽ sáng lên và chỉ tắt khi hệ thống dừng Để dừng hệ thống ,ta có thể nhấn nút RESET (%I0.2) hoặc nút STOP (%I0.1) trên tủ điện b Trạng thái dừng
Hình 3.15 Trạng thái dừng hệ thống
Khi nhấn nút STOP (%I0.1) trên tủ điện , hệ thống sẽ dừng lại và duy trì trạng thái dừng thông qua biến nhớ trung gian M_STOP(%M0.1); đồng thời LED_STOP sẽ sáng lên và động cơ băng tải M1 sẽ dừng Để ngắt trạng thái dừng thì nhấn nút START (%I0.0) trên tủ điện c Nút nhấn RESET
Hình 3.16 Chương trình trạng thái RESET
Khi nhấn nút RESET (%I0.2) , hệ thống sẽ dừng băng tải M1, đặt các trạng thái của relay đóng điện cho cuộn hút từ cho van điện từ điều khiển xilanh về trạn thái 0 ( trạng thái đóng ); đồng thời đặt lại các bộ đếm phôi về 0. d Trạng thái khi không có phôi ở vị trí cấp phôi
Hình 3.17 Chương trình trạng thái khi không có phôi ở vị trí cấp phôi Khi hệ thống chạy, ở vị trí cấp phôi cảm biến CB1 ( %I0.3) sẽ nhận diện có phôi hay không Nếu không có phôi thì sau 20 giây không có phôi thì động cơ băng tải M1 sẽ dừng e Chương trình cấp phôi
Hình 3.18 Chương trình cấp phôi
THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIAO TIẾP VÀ MÔ PHỎNG
Thiết kế giao diện giao tiếp người dùng
HMI là viết tắt của "Human-Machine Interface" trong tiếng Anh, có nghĩa là
"giao diện người-máy" Nó là công cụ giao tiếp giữa con người và máy móc trong quá trình hoạt động và điều khiển HMI cho phép người dùng tương tác và kiểm soát các thiết bị và hệ thống máy móc một cách dễ dàng và hiệu quả.
Hình 4.1 Hình ảnh minh họa HMI
HMI mang đến nhiều lợi ích cho người dùng trong quá trình điều khiển và giám sát quy trình công nghiệp Dưới đây là một số lợi ích chính của HMI:
1 Tính dễ sử dụng: HMI cung cấp giao diện người-máy thân thiện và dễ sử dụng.HMI dùng có thể tương tác với các thiết bị và hệ thống một cách đơn giản và thuận tiện thông qua màn hình cảm ứng, giúp giảm thiểu sự phức tạp trong quá trình điều khiển.
2 Hiển thị thông tin chi tiết: HMI cho phép người dùng truy cập và hiển thị thông tin quan trọng về quy trình và hoạt động của hệ thống Điều này giúp người dùng có cái nhìn tổng quan về tình trạng và hiệu suất của thiết bị và quy trình.
3 Tiết kiệm không gian: HMI dạng tinh thể lỏng nhỏ gọn hơn và chiếm ít không gian hơn so với các loại hiển thị khác như CRT Điều này cho phép sử dụng HMI trong không gian hạn chế và các ứng dụng yêu cầu kích thước nhỏ gọn.
4 Tích hợp tính năng đa dạng: HMI có khả năng tích hợp nhiều tính năng khác nhau như lập trình, điều khiển, giám sát, ghi dữ liệu và giao tiếp mạng Điều này giúp tăng khả năng linh hoạt và hiệu suất của quá trình điều khiển.
5 Di động và tiện lợi: Một số HMI có thể di chuyển và cài đặt dễ dàng, giúp người dùng tiếp cận và kiểm soát từ xa các thiết bị và quy trình. Điều này đặc biệt hữu ích khi không gian là hạn chế và người dùng cần truy cập từ nhiều vị trí khác nhau.
4.1.2.Vai trò của hệ thống giao tiếp với người dùng
Giao tiếp hệ thống cung cấp giao diện trực quan và dễ sử dụng, giúp người sử dụng kiểm soát và theo dõi hoạt động của hệ thống một cách hiệu quả ngoài ra giao tiếp hệ thống đóng quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình công nghiệp và nâng cao hiệu suất làm việc.
4.1.3.Lựa chọn HMI cho hệ thống
Trong hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được thiết kế, màn hình HMI được thiết kế giúp người sử dụng có thể điều khiển hệ thống bao gồm: bật/ tắt/ reset hệ thống, lựa chọn chế độ làm việc, bật tắt các cơ cấu chấp hành trong chế độ Manual và hiển thị số lượng các phôi đã được phân loại.
Màn hình yêu cầu sự nhỏ gọn, di động và đảm bảo đủ cho các thông tin hiển thị và điều khiển ở trên Bên cạnh đó do sử dụng PLC của hãng Siemens do đó em lựa chọn màn hình SIMATIC HMI KTP700 Basic PN - 6AV2123-
2GB03-0AX0 để đảm bảo tương thích với PLC
Hình 4.2 Màn hình SIMATIC HMI KTP700 Basic PN
Bảng 4.1 Thông số kĩ thuật của màn HMI TP700 Basic PN
Kích thước màn hình 7 inch
Loại màn hình Cảm ứng Độ phân giải 800 x 480 px Điện áp hoạt động 24 VDC
Kết nối hỗ trợ PROFINET
USB 2.0 4.1.4 Thiết kế giao diện HMI
Việc thiết kế giao diện đã được tích hợp trực tiếp trên phần mềm lập trình TIA PORTAL Căn cứ vào các yêu cầu của giao diện, thiết kế của màn hình HMI được đưa ra như sau:
Hình 3.4 Màn hình hiện thị và điều khiển HMI.
Giao diện bao gồm 4 nút nhấn, 3 đèn hiển thị trạng thái và 4 I/O field cụ thể:
- Nút Động cơ – dùng để bật/tắt động cơ băng tải trong chế độ Manual.
- Nút Xilanh 1 – dùng để bật/tắt xy lanh 1 trong chế độ Manual.
- Nút Xilanh 2 – dùng để bật/tắt xy lanh 2 trong chế độ Manual.
- Nút Xilanh 3 – dùng để bật tắt xy lanh 3 trong chế độ Manual.
1 công tắt Switch để lựa chọn chế độ vận hành.
3 đèn hiển thị trạng thái Start/Reset/Stop.
4 I/O field để hiển thị số lượng phôi cao/ trung bình/ thấp và tổng phôi đã phân loại.
