thiết kế hệ thống cơ điện tử thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm

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

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 2

1.1 Khái niệm và ứng dụng 2

1.1.1.Khái niệm 2

1.1.2.Các phương pháp phân loại sản phẩm tự động và ứng dụng 2

1.2 Nguyên lí hoạt động hệ thống điều khiển 5

CHƯƠNG 2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 6

2.1 Động cơ 6

2.2 Xy lanh , van khí nén 9

2.3 Cảm biến 13

a Cảm biến phát hiện chiều cao phôi 14

b Cảm biến phát hiện vị trí Piston – Xylanh 15

CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 34

3.1 Xây dựng bài toán điều khiển 34

3.1.1 Sơ đồ thuật toán 34

3.1.2 Xây dựng giản đồ Grafcet 35

3.2 Xây dựng chương trình PLC 37

3.2.1 Ngôn ngữ lập trình 37

3.2.2 Biến và câu lệnh logic sử dụng trong chương trình 38

3.2.3 Chương trình PLC 40

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIAO TIẾP VÀ MÔ PHỎNG 49

4.1 Thiết kế giao diện giao tiếp người dùng 49

4.1.1.Giới thiệu về HMI 49

4.1.2.Vai trò của hệ thống giao tiếp với người dùng 50

4.1.3.Lựa chọn HMI cho hệ thống 50

4.1.4 Thiết kế giao diện HMI 51

4.2 Mô phỏng hệ thống 52

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao 2

Hình 1.2 Dây chuyền phân loại sản phẩm theo kích thước 2

Hình 1.3 Dây chuyền phân loại sản phẩm theo khối lượng 3

Hình 1.4 Dây chuyền phân loại táo theo màu sắc 3

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch 4

Hình 1.6 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của hệ thống 5

Hình 2.1 Động cơ băng tải và hộp giảm tốc 8

Hình 2.2 Cấu tạo xi lanh tác động đơn 10

Hình 2.3 Cấu tạo xi lanh tác động kép 10

Hình 2.4 Xi lanh khí nén 10

Hình 2.5 Cấu tạo van đảo chiều 2/2 11

Hình 2.6 Cấu tạo van đảo chiều 3/2 12

Hình 2.7 Cấu tạo van đảo chiều 5/2 12

Hình 2.8 Van đảo chiều điện từ Airtac 7V0210-08 12

Hình 2.9 Một số loại cảm biến 13

Hình 2.10 Cảm biến Omron E3F-DS30B4 15

Hình 2.11 Cảm biến Airtac CS1-M-020-S-20 16

Hình 2.12 Cấu tạo chung của PLC 19

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của PLC 19

Hình 2.14 PLC trong công nghiệp 21

Hình 2.15 PLC S7-1200 CPU 1214 DC/DC/DC 23

Hình 2.16 Màn hình làm việc của Tia Portal V15 24

Hình 2.18 Bộ nguồn xung 220VAC – 24DC 25

Hình 2.19 Sơ đồ mạch điện của hệ thống 30

Hình 2.20 Sơ đồ khí nén của hệ thống 31

Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán tổng quan cuẩ hệ thống 32

Hình 3.2 Sơ đồ thuật toán chế độ Manual 32

Hình 3.3 Sơ đồ thuật toán chế độ Auto 33

Hình 3.4 Phương pháp giản đồ Grafcet 34

Hình 3.5 Giản đồ Grafcet của hệ thống 35

Hình 3.6 Bảng biến đầu vào 36

Hình 3.7 Bảng biến đầu ra 36

Hình 3.8 Bảng biến trung gian 37

Hình 3.9 Chương trình PLC liên kết với Factory I/O 38

Hình 3.10 Chương trình chọn mode cho hệ thống 39

Hình 3.11 Điều khiển động cơ trong chế độ Manual 39

Hình 3.12 Chương trình đóng mở XL1 trong chế độ Manual 40

Hình 3.13 Chương trình đóng mở XL 2,3 trong chế độ Manual 40

Hình 3.14 Chương trình khởi động hệ thống trong Auto_mode 41

Hình 3.15 Chương trình trạng thái dừng 41

Hình 3.16 Chương trình trạng thái RESET 42

Hình 3.17 Chương trình trạng thái khi không có phôi ở vị trí cấp phôi 42

Hình 3.18 Chương trình cấp phôi 43

Hình 3.19 Chương trình phân loại phôi cao 43

Hình 3.20 Chương trình phân loại phôi tb 44

Hình 3.21 Chương trình đếm phôi cao 45

Hình 3.22 Chương trình đếm phôi tb 45

Hình 3.23 Chương trình đếm phôi thấp 46

Hình 3.24 Chương trình tính tổng phôi đã phân loại 46

Hình 4.1 Hình ảnh minh họa màn hình HMI 47

Hình 4.2 Màn hình SIMATIC HMI KTP700 Basic PN 48

Hình 4.3 Màn hình hiển thị và điều khiển HMI 49

Hình 4.4 Hình ảnh mô phỏng hệ thống trên phần mềm Factory I/O 50

BẢNG BIỂUBảng 2.1 Thông số cơ bản động cơ K8DG25N2 và hộp giảm tốc 4GN50KF 8

Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật của xi lanh đẩy 11

Bảng 2.3 Thông số kĩ thuật của van đảo chiều Airtac 7V0210-08 13

Bảng 2.4 Thông số kĩ thuật của cảm biến Omcron E3F_DS30B4 15

Bảng 2.5 Thông số kĩ thuật của cảm biến Airtac CS1-M-020-S-20 16

Bảng 2.6 Đặc tính của bộ điều khiển 17

Bảng 2.7 Thông số kĩ thuật PLC Siemens S7-1200 CPU1214C DC/DC/DC 23

Bảng 2.8 Thông số kĩ thuật của relay Omcron LY2N 24V-10A 8P 26

Bảng 2.9 Thông số kĩ thuật của nguồn xung S-240-24 26

Bảng 2.10 Thông số kĩ thuật của van đảo chiều Airtac 7V0210-08 27

Bảng 2.11 Kí hiệu của các thiết bị trong mạch điện 29

Bảng 2.12 Kí hiệu của các thiết bị trong hệ thống khí nén 31

Bảng 3.1 Các ngôn ngữ lập trình chính cho PLC Siemens S7-1200 35

Bảng 3.2 Bảng các bit logic và hàm được sử dụng 37

Bảng 4.1 Thông số kĩ thuật của màn hình HMI TP700 Basic PN 49

LỜI NÓI ĐẦU

Trải qua khoảng thời gian hai năm của đại dịch covid, khi đất nước ta phảithực hiện cách ly toàn xã hội thì việc thiếu nhân công trong các nhà máy sảnxuất, xí nghiệp gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới nền sản xuất công nghiệp Do đóngay từ trong khoảng thời gian dịch bệnh và sau đại dịch, rất nhiều các công ty,xí nghiệp đã thực hiện việc số hóa, tự động hóa một số các quy trình trong sảnxuất 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 cùng như dễ dàng theo dõi, quản lývà tối ưu hóa quá trình sản xuất.

Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóasử dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sảnxuất, gia công, chế biến sản phẩm…Điều này dẫn tới việc hình thành các hệthống sản xuất linh hoạt, cho phép tự động hóa ở mức độ cao đối với sản xuấthàng loạt nhỏ và loạt vừa trên cơ sở sử dụng các máy CNC, robot Trong đó cómột khâu quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng hàng hóa bán ra là hệ thống phậnloại sản phẩm.

Đồ án “Thiết kế hệ thống cơ điện tử – thiết kế hệ thống phân loại sảnphẩm”, được nghiên cứu nhằm củng cố kiến thức cho sinh viên, đồng thời giúp

cho học sinh sinh viên thấy được mối liên hệ giữa những kiến thức đã học ởtrường với những ứng dụng bên ngoài thực tế Đề tài có nhiều ứng dụng quantrọng trong nhiều lĩnh vực như vận chuyển sản phẩm, đếm sản phẩm và phân loạisản phẩm.

Với một khối lượng kiến thức tổng hợp lớn, và có nhiều phần em chưa nắmvững, dù đã tham khảo nhiều tài liệu vì vậy khi thực hiện đồ án không thể tránhđược những thiếu sót hạn chế Kính mong được sự chỉ bảo góp ý giúp đỡ của cácquý thầy cô và các bạn.

Em xin chân thành cảm ơn tới thầy Phạm Đức An đã hướng dẫn tận tình,

tạo điều kiện thuận lợi và cho em nhiều kiến thức quý báu cho việc hoàn thànhđồ án môn học này.

Em xin chân thành cảm ơn!Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đức Long

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM1.1 Khái niệm và ứng dụng

1.1.1.Khái niệm

Hệ thống phân loại sản phẩm là một giải pháp công nghiệp thay thế conngười thực hiện các khâu phân loại sản phẩm, từ thực hiện bằng tay chuyển đổisang sử dụng các hệ thống tự động hóa để phân chia sản phẩm theo từng đặctính mà người sử dụng quy định ( chiều cao, màu sắc, khối lượng,… ) nhờ việcsử 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 dụngcác cảm biến quang hay hồng ngoại… để phát hiện và so sánh kích thước củasản phẩm, sau đó đưa tín hiệu về PLC và PLC thực hiện chức năng phân loạisản phẩm theo yêu cầu Kiểu phân loại này được sử dụng nhiều trong các nhàmáy đóng chai, lọ…Ưu điểm lớn nhất của kiểu phân loại này đó là chi phí chocảm 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 biếntrọng lượng để phân biệt sản phẩm nặng-nhẹ, đủ khối lượng yêu cầu haychưa… Cách hoạt động giống như kiểu phân loại theo kích thước Và ta có thểthấy hình thức phân loại này ở các nhà máy sản xuất xi mang, phân bón hay nóichung là các nhà máy sản xuất sản phẩm dưới dạng đóng gói bao bì cần khốilượng 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 cảmbiến sẽ nhận biết 1 màu riêng biệt như: xanh, đỏ, vàng…) Cách thức hoạt độngcũng giống như 2 hình thức phân loại trên.Ứng dụng của phân loại theo màusắc chủ yếu trong công nghiệp vải lụa, sản xuất màu, lọc hoa quả, các loại hạtưe…

d Phân loại theo hình ảnh sản phẩm: hình thức phân loại này không sử dụngcảm 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 gạchgranit.

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, sửdụng tới máy đọc mã vạch Dây chuyền phân loại sản phẩm theo mã vạch đượcsử dụng rất phổ biến hiên nay Dây chuyền sorting này được sử dụng để phânloại các kiện hàng, bưu phẩm, sản phẩm thành phẩm đã được đóng thùngcarton, đóng túi và dán mã vạch barcode, mã QR Với các thông tin lưu trữ trênmã vạch dán trên sản phẩm, hệ thống có thể dễ dàng sàng lọc và lựa chọn, gomsản 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 lênđơn, 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 chếbiến, 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 cáchộp với trọng lượng, màu sắc, kích thước khác nhau dễ dàng được phân loạinhờ 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 dichuyển tới các vị trí tập kết.

Phân loại sản phẩm tự động giúp giảm thiểu sức người và thời gian chokhâu phân loại vốn nhàm chán nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác ở tốc độ caovới năng suất vượt trội.

Với các ngành chế biến, sản xuất bánh kẹo, thực phẩm, sản phẩm sau khichế biến chạy trên băng tải hoàn toàn có thể được hệ thống chọn/bỏ theo cáctiêu chí về hình dáng, màu sắc, giúp quá trình đóng gói diễn ra liền mạch vàchất lượng sản phẩm được kiểm soát đồng đều hơn.

Hệ thống nhận diện và phân loại ngày càng thông minh hơn với việc ápdụng AI vào công việc phân loại, lựa sản phẩm theo các kịch bản mong muốntừ trước Hệ thống băng tải cấp, chọn hàng với tốc độ lên tới 150m/phút có khảnăng chịu mài mòn, nhiệt độ, độ ẩm cao và các điều kiện sản xuất đặc biệt.

1.2 Nguyên lí hoạt động hệ thống điều khiển

a Nguyên lí hoạt động

Hệ thống điều khiển nhận tín hiệu đầu vào thông qua các cảm biến , để xácđịnh yếu tố mang tính chất phân loại sản phẩm Từ đó, đưa ra tín hiệu điềukhiển tới các cơ cấu chấp hành như động cơ băng tải, xy lanh cấp phôi, xylanhphân loại Các sản phẩm sau khi phân loại sẽ được chuyển đến thùng hàng đểđóng 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 vàcảm 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 điềukiện 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 kếtquả theo yêu cầu.

- Năng suất làm việc : 20sp/ph

- Khả năng phân loại theo chiều cao từ 3 đến 15cm; khối lượng từ 0,2 đến 5kg.

- Màn hình hiển thị cần đơn giản dễ thao tác nhưng vẫn phải đầy đủ thông tincần thiết.

- Có nút nhấn dừng STOP trong trường hợp khẩn cấp.- Đảm bảo độ ổn định và an toàn của mạch điều khiển.

CHƯƠNG 2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNGĐIỀU KHIỂN

Các thành phần trên sơ đồ bố trí động học hệ thống(1)– Xy lanh cấp phôi

(2)– Hộp cấp phôi(3)– Băng tải

(4), (6), (8) – Cảm biến tiệm cận(5), (7) – Xy lanh phân loại (9), (12), (13) – Hộp chứa phôi(10)– Bộ truyền xích

(11)– Động cơ

2.1 Động cơ

Động cơ là một thiết bị chuyển đổi điện năng thành cơ năng Phần chính củađộng cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor) đượcquấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu Khi cuộn dây trên rotorvà stato được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các từ trường, sự tươngtác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trụchay 1 mômen

Có nhiều loại động cơ khác nhau được sử dụng trong công nghiệp Có thểphân 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)

• 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.• Đa năng.

• Giá thành rẻ do sự đồng bộ mạng lưới dân dụng.Nhược điểm :

• 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 khôngcần thiết sử dụng các động cơ công suất lớn Hệ thống hoạt động yêu cầu độ ổnđịnh, 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

Thông qua việc tính toán dựa vào năng suất của hệ thống, em đã lựa chọn

Bảng 2 Thông số cơ bản của động cơ K8DG25N2 cùng hộp giảm tốc 4GN50KF

Trong phạm vi đề tài đồ án, kết hợp với tính toán nên em cho xylanh khínén 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 tronghệ 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: Xylanh 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 tácđộng đơn được sử dụng thường xuyên trong các ứng dụng đóng gói, nơiđẩy, đột lỗ và kẹp được thực hiện với các chuyển động nhanh chóng, chínhxác 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 cóđệm kín ở mép piston Xy lanh tác động kép thì được ứng dụng phổ biếnhơn xy lanh tác động đơn Ưu điểm của xy lanh tác động kép là có thể điềuchỉnh 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

dụng trong hệ thống Trong đó ta lựa chọn một xy lanh cấp phôi MAL 20×200và hai xy lanh phân loại phôi MAL 20×300 của hãng Airtac

Hình 2.4 Xi lanh khí nénBảng 2.2 Thông số kỹ thuật của xy lanh

Loại tác động Tác động kép

Áp suất hoạt động 1,5 10 bar

Ngoài ra chúng còn có các tác dụng khác như:- Điều khiển hướng

- Điều khiển dòng chảy

Van khí nén điện từ là loại van được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thốngkhí 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 thểvận 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 sửdụng 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.

Hình 2.6 Cấu tạo van 3/2

+ Van 4/2 có 4 cổng làm việc vào (1), ra (2,4), chung một cổng xả (3), haitrạng 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 mỗitrạng thái (3,5), có hai trạng thái Van 5/2 dùng làm van đảo chiều điều khiểnxy-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 bấtkỳ 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 điềukhiển 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

Hình 2.8 Van điện từ khí nén 3 cửa 2 vị trí

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của van Airtac 7V0210 - 08

2.3 Cảm biến

Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vậtlý, hóa học hay sinh học của môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệuđiện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó Sau đó được chuyểnthành dạng thông tin mã hóa và xuất về màn hình hoặc máy tính, hệ thống PLCđể có thể điều khiển các thiết bị khác từ xa.

Loại van 5 cửa 2 vị trí

Điều khiển Điều khiển đơn

• Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường

• Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác lên kếtquả

• 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 tồntại (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 củamôi 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 cảmbiến đóng vai trò nhận biết được chiều cao của các phôi được chuyền động trênbăng tải rồi gửi tín hiệu về bộ điều khiển Với thông tin nhận được từ các cảmbiến, bộ điều khiển sẽ thực thi chương trình để điều khiển xy lanh thực hiệnviệc phân loại.

Có nhiều loại cảm biến có thể nhận biết được chiều cao của vật, tùy thuộcvào chất liệu, đặc tính của đối tượng và phương pháp đo Thông thường cảmbiến 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 biếnnhất 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, thiếtbị có thể hoạt động chính xác cao với phạm vi đo rộng Do vậy mà chúngđược ứng dụng trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau.

- Cảm biến siêu âm: đo khoảng cách dựa trên nguyên lý phát ra chùm sóngsiêu âm đến vật phản xạ về cảm biến Đây cũng là thiết bị hoạt động chokết quả có độ chính xác rất cao Với rất nhiều ứng dụng, cảm biến siêu âmđược sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.

- Cảm biến từ: đo và phát hiện vật dựa trên hiện tưởng cảm ứng điện từ dođó cảm biến từ chỉ phát hiện và đo khoảng cách của các vật làm bằng kimloại.

Trong hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao, em lựa chọn cảm biếnquang để phát hiện chiều cao của đối tượng, vừa đảm bảo độ chính xác, ổn địnhvà giá cả hợp lý.

hãng Omron.

Hình 2.10 Cảm biến quang E3F-DS30B4

Bảng 2.4 Bảng thông số kĩ thuật của cảm biến Omron E3F_DS30B4

Nguồn sáng Led hồng ngoại (600 nm)

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, hiệuquả, chính xác chúng ta cần sử dụng đến cảm biến từ xylanh khí nén Nhưchúng ta đã biết, xy lanh là cơ cấu chấp hành trong hệ thống để tạo nên nhữngchuyển động tịnh tiến nhằm tác động lực ra bên ngoài để nén ép Chính vì thếmà chúng ta cần giám sát vị trí của xylanh làm việc nhằm đảm bảo hệ thốnghoạt động ổn định theo yêu cầu thông qua các cảm biến , cụ thể ở đây là cảmbiến 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 Đặcđiểm của lõi này là có độ từ thẩm cao Khi chúng ta mở điện, nguồnđiện 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 ổnđịnh cao do dòng điện cung cấp Khi vật thể là vật liệu từ qua hoặc namchâm vĩnh cửu, tín hiệu cảm biến sẽ được xuất ra.

- Cảm biến điện dung: Đối với loại này thì 2 bản cực là bộ phậnchính Khi xuất hiện 1 vật ở vùng giữa 2 bản cực , giá trị điện dung thayđổi, 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 cáckhoang xy lanh thì còn có các vòng nam châm vĩnh cửu Mục đích của việc nàylà tạo điều kiện thuận lợi để có thể gắn cảm biến, giúp nó có thể thu tín hiệu từxy lanh (piston) dịch chuyển Xy lanh của thể được bố trí ở hai vị trí (đầu hànhtrình và cuối hành trình) hoặc ở các vị trí khác trên thân xy lanh giúp nhân biếttừ 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 sửdụng 6 cảm biến xy lanh để phát hiện vị trí hành trình của xylanh, phục vụ choquá trình điều khiển Trong hệ thống này em lựa chọn sử dụng cảm biến xy lanh

Airtac - CS1-M-020-S-20.

Sử dụng trongphạm vi khá rộngnhư học tậpnghiên cứu vàmột số hình tháiđơn giản khác

Sử dụng trongđiều khiện khắcnhiệt, vận hànhcao hệ thống làmviệc đa năng ,mang tính côngnghiệp.

Hợp lí ( cùng giávới 5-10 relaynhưng khả năngthay thế chohàng trăm relay )

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

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của PLC

Ưu điểm khi sử dụng PLC

Tăng năng suất: Sử dụng PLC cho phép tự động hóa quy trình sản xuất,

giúp tăng năng suất và hiệu suất làm việc PLC có khả năng thực hiện cácnhiệm vụ điều khiển phức tạp và nhanh chóng, giúp giảm thời gian vậnhành và tăng khả năng sản xuất.

Đảm bảo chất lượng: Nó giúp kiểm soát và duy trì chất lượng sản phẩm

trong quy trình sản xuất Chúng có thể điều chỉnh các thông số quy trình,giám sát và phân tích dữ liệu để đảm bảo sản phẩm đáp ứng các yêu cầuchất lượng.

Tiết kiệm năng lượng: Có khả năng tối ưu hóa quy trình vận hành và tiêu

thụ năng lượng Chúng có thể điều chỉnh các thông số để giảm lượng nănglượng tiêu thụ không cần thiết và tăng hiệu suất sử dụng nguồn nănglượng.

Giảm sự phụ thuộc vào con người: Sử dụng PLC giúp giảm sự phụ

thuộc vào con người trong quy trình điều khiển tự động Thay vì phải thựchiện các nhiệm vụ điều khiển bằng tay, các tác vụ này được tự động hóa.Điều này giảm nguy cơ sai sót do con người và tăng tính chính xác vàđồng nhất trong quy trình.

Dễ dàng nâng cấp và mở rộng: PLC có khả năng nâng cấp và mở rộng,

cho phép thêm các chức năng và thiết bị mới vào hệ thống điều khiển tựđộng Điều này mang lại linh hoạt và khả năng thích ứng với các yêu cầusản xuất và công nghệ mới.

Tăng tính an toàn: PLC giúp cải thiện môi trường làm việc và đảm bảo

an toàn cho nhân viên Chúng có khả năng giám sát và kiểm soát các điềukiện nguy hiểm, ngắt kết nối nhanh chóng khi có sự cố và thực hiện cácbiện pháp an toàn tự động.

Ứng dụng :

• Ngành sản xuất: PLC được sử dụng trong ngành sản xuất để điều khiển

và tự động hóa quy trình sản xuất Chúng có thể điều khiển các máy mócnhư: máy chiết rót, máy đóng gói, đường ống, van,… và các thiết bị khácđể thực hiện các công việc sản xuất như lắp ráp, đóng gói, kiểm tra chấtlượng và vận hành dây chuyền sản xuất.

• Ngành điện lực: PLC được sử dụng trong ngành điện lực để điều khiển

và quản lý hệ thống phân phối điện Chúng có thể điều khiển các thiết bịnhư máy phát điện, biến áp, bộ chia tải và hệ thống quản lý điện năng.PLC giúp tăng khả năng vận hành, giảm thời gian gián đoạn và cải thiệnhiệu suất của hệ thống điện lực.

• Ngành dầu khí: PLC được sử dụng trong ngành dầu khí để kiểm soát và

quản lý các quy trình khai thác, chế biến và vận chuyển dầu khí Chúng cóthể điều khiển các thiết bị như van điều khiển, máy nén, hệ thống bơm vàcác thiết bị an toàn PLC giúp tăng độ tin cậy, giảm nguy cơ sự cố và tănghiệu suất trong ngành dầu khí.

• Ngành nước và môi trường: PLC được sử dụng trong ngành nước và

môi trường để kiểm soát và quản lý các quy trình xử lý nước thải, quản lýmôi trường và các hệ thống cấp nước Chúng có thể điều khiển các thiết bịnhư bơm, van, hệ thống lọc và máy móc xử lý nước PLC giúp tối ưu hóaquy trình, giảm tác động môi trường và đảm bảo tuân thủ các quy định vềmôi trường.

• Ngành ô tô: PLC được sử dụng trong ngành ô tô để kiểm soát và điều

khiển quy trình sản xuất và vận hành trong nhà máy ô tô Chúng có thểđiều khiển các thiết bị như robot hàn, máy gia công, hệ thống lắp ráp vàkiểm tra PLC giúp tăng độ chính xác, tăng năng suất và đảm bảo chấtlượng trong quy trình sản xuất ô tô

Hình 2.14 PLC trong hệ thống sản xuất công nghiệp

* Hệ thống điều khiển trong phạm vi đồ án cần đảm bảo được những yêu cầucơ bản sau :

- Tự động và chính xác từ khâu cấp sản phẩm, vận chuyển đến khâuphân loại sản phẩm.

- Băng chuyền hoạt động nhịp nhàng - Độ an toàn lao động được đảm bảo tuyệt đối

Các cổng đầu vào/ra

- Đầu vào:

+ START: Khởi động hệ thống

+ RESET: Đặt lại bộ đếm+ STOP: Dừng hệ thống + Cảm biến nhận biết có phôi+ Cảm biến nhận biết có phôi cao+ Cảm biến nhận biết có phôi trung bình+ Cảm biến nhận biết có phôi thấp+ Cảm biến vị trí xi lanh (6)- Đầu ra:

+ Động cơ băng tải

+ Xilanh đẩy phôi của hệ thống cấp phôi tự động + Xilanh đẩy phôi cao

+ Xilanh đẩy phôi trung bình

+ Đèn tín hiệu trạng thái khay đầy phôi (3)+ Đèn tín hiệu trạng thái hệ thống (3)

Từ yều câu trên ta thấy được bộ điều khiển cần có ít nhất 13 tín hiệu đầuvào số (DI) và 10 tín hiệu ra số (DO) Các tín hiệu đầu vào bao gồm các nútnhấn, công tắc và các cảm biến quang (kiểu PNP) và các cảm biến từ (kiểuPNP) do đó chỉ cần sử dụng các đầu vào DC Đầu ra của hệ thống là điều khiểnmột Relay (cho động cơ băng tải) và các cuộn Solenoid của van điện từ ( dùngđể điều khiển xy lanh) nên lựa chọn kiểu đầu ra DC.

Căn cứ vào các yêu cầu về hệ thống đối với bộ điều khiển PLC đã nêu lên

bộ điều khiển của hệ thống

Hình 2.15 Siemens S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC

Thông số kĩ thuật cơ bản :

Bảng 2.7 Thông số kĩ thuật của PLC Siemens S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC

PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet

- Có 2 cách để giao tiếp sử dụng PROFINET:

1) Kết nối trực tiếp: sử dụng kết nối trục tiếp khi ta đang sử dụng 1 thiết bịlập trình, HMI hay một CPU khác được kết nối với 1 CPU riêng lẻ 2) Kết nối mạng: sử dụng các truyền thông mạng khi ta đang kết nối với 2

thiết bị ( ví dụ CPU, HMI, các thiết bị lập trình và các thiết bị khôngphải của Siemens)

- PLC S7-1200 có 1 cổng PROFINET được tích hợp, hỗ trợ cả tiêu chuẩntruyền thông Ethernet và dựa trên TCP/IP.

- Số lượng tối đa các kết nối đối với cổng PROFINET:

+ 3 kết nối đối với truyền thông HMI đến CPU

+ 1 kết nối đối với truyền thông thiết bị lập trình (PG) đến CPU

+ 8 kết nối đối với truyền thông chương trình S7-1200 bằng cách sử dụngcác lệnh khối T

+ 3 kết nối đối với 1 CPU S7-1200 thụ động giao tiếp với 1 CPU S7 tích cực

Để lập trình cho PLC chạy, chúng ta cần sử dụng phần mềm TIA Portal

(Totally Integrated Automation Portal) Phần mềm này được phát triển lần đầuvào năm 1996 bởi các kỹ sư của hãng Siemens.Phần mềm TIA sẽ giúp tiết kiệmthời gian, chi phí và công sức cho các kỹ sư vận hành hệ thống Trong phạm vi

đồ án này , em sẽ sử dụng phiên bản TIA Portal V15.

Hình 2.16 Màn hình làm việc của TIA Portal V16

2.5 Các thành phần khác của hệ thống điều khiển

2.5.1 Relay

* 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 cấpkhí tín hiệu đầu vào đặt những giá trị xác định Rơ le được sử dụng rất rộng rãitrong mọi lĩnh vực khoa học công nghê và đời sống hằng ngày Rơ le có nhiềuchủng loại với nguyên lý làm việc, chức năng khác nhau như rơ le điện tử, rơ lephân cực, rơ le cảm ứng, rơ le nhiệt, rơ le điện tử tương tự, rơ le điện tử số, điệntử tương tự…

Đặc tính cơ bản của rơ le: là đặc tính vào ra Khi đại lượng đầu vào X tăngđến 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 đầura 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 côngnghiệp 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 sửdụng và cấp điện áp khác nhau Ví dụ trong mạch điều khiển, cuộn hút củaRelay sử dụng điện áp là 220VAC còn tiếp điểm khi đưa vào thiết bị (biếntần, 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 lênvà sử dụng cho 2 vị trí: tiếp điểm thường đóng trong mạch khởi động độngcơ (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 chỉtương tác với tiếp điểm Relay Cách đấu nối này giúp bảo vệ đầu ra củaPLC 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 8PBảng 2.8 Thông số kĩ thuật của relay Omron LY2N 24V-10A 8P

2.5.2 Nguồn

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