ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: Thiết kế hệ thống băng tải phân loại và giám sát sản phẩm sử dụng PLC

Đồ án bao gồm: File báo cáo, File code và giao diện hệ thống đính kèm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Thiết kế hệ thống băng tải phân loại và giám sát sản phẩm sử dụng PLC . Nội dung nghiên cứu. - Nghiên cứu về hệ thống phân loại và giám sát sản phẩm. - Nghiên cứu về PLC Mitsubishi FX2N. - Nghiên cứu về hệ thống khí nén và băng tải. - Nghiên cứu về cánh tay robot gắp sản phẩm. - Nghiên cứu về thiết kế giao diện giám sát trên HMI. 4. Phạm vi nghiên cứu. - Khai thác và vận hành các thiết bị trong hệ thống phân loại và giám sát sản phẩm. - Xây dựng thuật toán điều khiển logic. - Xây dựng phần mềm giao diện trên HMI. - Xây dựng phần mềm trên PLC Mitsubishi FX2N. - Tính toán và thiết kế cơ khí.

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ

- -ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Thiết kế hệ thống băng tải phân loại và giám sát

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy –****cùng cácthầy, cô khoa Điện tử, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tận tình hướngdẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài tốtnghiệp

Em xin chân thành cảm ơn thầy ***, cô ***, cô *** đã tạo điều kiệnthuận lợi về cơ sở vật chất, phòng thí nghiệm… giúp chúng em có thể hoànthành đồ án này

Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn tạođiều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên chúng em trong suốt quá trình học tập

và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Mặc dù đồ án đã hoàn thành xong nhưng không tránh khỏi những thiếuxót Chúng em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo trong khoa

để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Ngày 21 tháng 3 năm 2023

Nhóm thực hiện đồ án

Trang 3

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

MỞ ĐẦU 7

1 Lý do chọn đề tài 7

2 Mục đích nghiên cứu 7

3 Nội dung nghiên cứu 8

4 Phạm vi nghiên cứu 8

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BĂNG TẢI PHÂN LOẠI VÀ GIÁM SÁT SẢN PHẨM 9

1.1 Giới thiệu một số hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay 9

1.2 Hệ thống băng tải phân loại và giám sát sản phẩm 12

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

2.1 Bộ điều khiển PLC 15

2.2 Động cơ điện một chiều 19

2.3 Băng tải 22

2.4 Piston xi lanh 23

2.5 Van điện từ khí nén 25

2.6 Hệ thống máy nén khí 27

2.7 Cảm biến quang 28

2.8 Cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại 29

Trang 4

2.9 Rơ le trung gian 30

2.10 Tay máy robot khí nén 31

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ GIÁM SÁT SẢN PHẨM 34

3.1 Phân tích yêu cầu thiết kế 34

3.2 Thiết kế sơ đồ khối 35

3.3 Thiết kế chi tiết từng khối 35

3.4 Lập trình điều khiển hệ thống 43

3.5 Thiết kế giao diện giám sát 48

3.6 Thi công mô hình 53

3.7 Kết quả 53

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 56

Kết luận 56

Hướng phát triển 57

TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG HỆ THỐNG BĂNG TẢI PHÂN LOẠI VÀ GIÁM SÁT SẢN PHẨM 58

1 Tổng quan về tài liệu hướng dẫn 58

2 Hướng dẫn sử dụng, vận hành sản phẩm 58

3 Các lỗi khuyến cáo và cảnh báo 64

4 Bảo trì hệ thống 64

BẢNG DỰ TRÙ VẬT TƯ CHI PHÍ 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 69

Trang 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc 9

Hình 1.2 Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao 10

Hình 1.3 Mô hình phân loại sản phẩm theo hình dạng 11

Hình 2.1 Hệ thống điều khiển tự động sử dụng PLC 15

Hình 2.2 Cấu trúc của PLC [1] 15

Hình 2.3 Chu kỳ quét của PLC 17

Hình 2.4 PLC FX2N 17

Hình 2.5 Cấu trúc ngoài của PLC FX2N 18

Hình 2.6 Động cơ điện một chiều trong thực tế 20

Hình 2.7 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 20

Hình 2.8 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 21

Hình 2.9 Hình ảnh băng tải trong thực tế 22

Hình 2.10 Cấu tạo chung của băng tải 22

Hình 2.11 Cấu tạo của xi lanh khí nén 23

Hình 2.12 Van điện từ khí nén 25

Hình 2.13 Cấu tạo của van điện từ khí nén 25

Hình 2.14 Nguyên lý hoạt động của van điện từ 26

Hình 2.15 Hệ thống máy nén khí 27

Hình 2.16 Cảm biến quang 28

Hình 2.17 Cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại 29

Hình 2.18 Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận 29

Hình 2.19 Sơ đồ các cặp tiếp điểm của rơ le trung gian 14 chân 31

Hình 2.20 Cấu tạo của xi lanh kẹp 32

Hình 2.21.Nguyên lý hoạt động của xilanh kẹp 33

Hình 2.22 Xi lanh xoay khí nén 33

Hình 3.1 Sơ đồ khối toàn hệ thống 35

Hình 3.2 PLC Mitsubishi FX2N-32MT 37

Hình 3.3 Module PLC FX2N 37

Trang 6

Hình 3.4 Băng tải phân loại sản phẩm 38

Hình 3.5 Băng tải vận chuyển sản phẩm 38

Hình 3.6 Xi lanh đẩy sản phẩm kim loại 38

Hình 3.7 Tay máy gắp sản phẩm 39

Hình 3.8 Mặt trước của GOT2000 40

Hình 3.9 Mặt sau GOT200 40

Hình 3.10 Sơ đồ kết nối toàn hệ thống 41

Hình 3.11 Sơ đồ công nghệ hệ thống phân loại sản phẩm 44

Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán của hệ thống 47

Hình 3.13 Giao diện phần mềm GX Works2 47

Hình 3.14 Giao tiếp giữa máy tính và GOT2000 48

Hình 3.15 Hình ảnh màn hình của GT Designer3 (GOT2000) 49

Hình 3.16 Màn hình Home của giao diện giám sát 50

Hình 3.17 Màn hình hệ thống của giao diện giám sát 50

Hình 3.18 Màn hình chế độ chạy auto của giao diện giám sát 51

Hình 3.19 Màn hình chế độ chạy thủ công của giao diện giám sát 51

Hình 3.20 Màn hình đếm sản phẩm của giao diện giám sát 52

Hình 3.21 Màn hình cảnh báo của giao diện giám sát 52

Hình 3.22 Mô hình sau khi hoàn thiện 53

Hình 0.1 Bước 1- Hướng dẫn sử dụng, vận hành sản phẩm 58

Hình 0.2 Bước 2.1 – Hướng dẫn sử dụng, vận hành sản phẩm 59

Hình 0.4 Bước 3 – Hướng dẫn sử dụng, vận hành sản phẩm 59

Trang 7

Hình 0.11.Bước 10.1 – Hướng dẫn sử dụng, vận hành sản phẩm 62

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh hai phương pháp sử dụng khí nén và thủy lực 14

Bảng 2.1 Cấu trúc phần cứng của PLC FX2N 18

Bảng 3.1 Các đầu vào của hệ thống 41

Bảng 3.2 Phân chia địa chỉ vào ra cho hệ thống 44

Bảng 3.3 Kết quả sau khi chạy thử nghiệm phôi nhựa 54

Bảng 3.4 Kết quả sau khi chạy thử nghiệm phôi kim loại 54 Bảng 3.5 Kết quả sau khi chạy thử nghiệm hai loại phôi trong 2 phút .54

Trang 8

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹthuật điện tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọngtrong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp tự động hóa… Tựđộng hóa có thể áp dụng cho nhiều loại hình sản xuất hàng loạt và đơn chiếcvới một trình độ chuyên môn hóa cao cũng chính vì thế mà năng suất cũngnhư chất lượng sản phẩm cao Ngày nay để đánh giá mức độ của một nền sảnxuất, người ta đánh giá vào mức độ tự động hóa của nền sản xuất đó

Với tầm quan trọng như thế, ngành tự động hóa rất được quan tâm bởi

đó không những là bộ mặt của nền sản xuất mà trong thời buổi kinh tế thịtrường việc cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường là rất khó khăn, nó đòihỏi không những về chất lượng sản phẩm mà còn cả về giá thành

Một trong những phương án đầu tư vào tự động hóa là việc ứng dụngPLC vào các mô hình hệ thống trong sản xuất Đối với những tính năng tiệních của hệ thống PLC nên hiện nay bộ điều khiển này đang được sử dụng rấtnhiều trong các lĩnh vực khác nhau

Xuất phát từ thực tế đó, trong quá trình học tập tại trường Đại học Côngnghiệp Hà Nội, được sự chỉ bảo và hướng dẫn tận tình của các thầy cô trongkhoa Điện tử và đặc biệt là thầy Nguyễn Tiến Kiệm, nhóm chúng em đã quyết

định thực hiện đồ án với đề tài: “Thiết kế hệ thống băng tải phân loại và giám sát sản phẩm sử dụng PLC”

2 Mục đích nghiên cứu

Trong đồ án này chúng em thực hiện đếm và phân loại sản phẩm theokim loại Mục đích yêu cầu của đề tài:

- Phân loại và đếm sản phẩm chính xác

- Hiển thị giám sát thông qua giao diện HMI

- Ứng dụng PLC điều khiển băng tải, cánh tay robot và phân loại sảnphẩm

Trang 9

- Xây dựng một mô hình tự động hóa có tính ứng dụng thực tiễn

- Góp phần phát triển công nghệ tự động hóa trong sản xuất công nghiệp

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu về hệ thống phân loại và giám sát sản phẩm

- Nghiên cứu về PLC Mitsubishi FX2N

- Nghiên cứu về hệ thống khí nén và băng tải

- Nghiên cứu về cánh tay robot gắp sản phẩm

- Nghiên cứu về thiết kế giao diện giám sát trên HMI

4 Phạm vi nghiên cứu

- Khai thác và vận hành các thiết bị trong hệ thống phân loại và giám sátsản phẩm

- Xây dựng thuật toán điều khiển logic

- Xây dựng phần mềm giao diện trên HMI

- Xây dựng phần mềm trên PLC Mitsubishi FX2N

- Tính toán và thiết kế cơ khí

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học:

+ Ứng dụng bộ điều khiển PLC kết hợp với lập trình điều khiển mànhình HMI trong các hệ thống điều khiển tự động: Điều khiển hệ thống, giámsát hệ thống, điều khiển từ xa, điều khiển đa chế độ, tích hợp các hệ thốngkhác như SCADA, MES… để tạo ra một hệ thống điều khiển tự động toàndiện

+ Mở ra thêm nhiều ý tưởng mới về tự động hóa trong sản xuất, kết quảcủa đề tài có thể được sử dụng để tiếp tục phát triển theo các hướng và mụcđích khác nhau

Trang 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BĂNG TẢI PHÂN

LOẠI VÀ GIÁM SÁT SẢN PHẨM

1.1 Giới thiệu một số hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay

Nhằm phục vụ nhiệm vụ hiện đại hóa quy trình sản xuất, hệ thống phânloại sản phẩm ra đời là một công cụ hiệu quả giúp thay thế con người trongviệc phân loại, nó đã góp phần nâng cao hiệu quả trong công việc

Hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay có rất nhiều trong ứng dụng thực

tế trong các nhà máy xí nghiệp, một số loại hệ thống phân loại sản phẩm đanghiện hành như sau:

1.1.1 Phân loại sản phẩm theo màu sắc

Hình 1.1 Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc (Nguồn: Mô hình đồ án- Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc)

Cấu tạo:

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

- Một băng chuyền

- Một động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền

- Cảm biến nhận biết màu sắc

- Ba xylanh piston để phân loại sản phẩm

Trang 11

- Bộ PLC dùng để xử lý tín hiệu

- Các van đảo chiều

- Các rơ le trung gian

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

- Nút nhấn

Nguyên lý hoạt động:

Khi nhấn nút Start, động cơ điện một chiều hoạt động, truyền chuyểnđộng cho băng chuyền thông qua dây đai Xylanh sẽ đẩy sản phẩm ra băngchuyền Trên băng chuyền sẽ thiết kế những cảm biến nhận biết sản phẩm cómàu sắc khác nhau Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu

về bộ PLC xử lý sau đó PLC đưa ra tín hiệu về van đảo chiều tác động điềukhiển piston đẩy từng sản phẩm có màu sắc khác nhau vào nơi chứa riêngbiệt

Ứng dụng:

Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc được ứng dụng rất nhiềutrong các dây chuyền sản xuất gạch, ngói, đá Granite, trong các dây chuyềnphân loại các sản phẩm nhựa hay trong chế biến nông sản (như cà phê, gạo)

…

1.1.2 Phân loại sản phẩm theo chiều cao.

Trang 12

Hình 1.2 Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao (Nguồn: ebookbkmt.com-tài liệu kỹ thuật miễn phí)

Ứng dụng:

- Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói

- Ứng dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm như bánh kẹo, hoaquả…

Trang 13

- Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất bia, nước giải khát

1.1.3 Phân loại sản phẩm theo hình dạng

Hình 1.3 Mô hình phân loại sản phẩm theo hình dạng (Nguồn: ECAPRO VN: Mô hình phân loại sản phẩm theo hình dạng)

Cấu tạo:

- Một băng chuyền

- Một động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền

- Hai động cơ bước gạt sản phẩm để phân loại

- Cảm biến thị giác Camera (Nhận dạng vật thể qua Camera)

- Bộ PLC xử lý tín hiệu

- Các rơ le trung gian

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

Nguyên lý hoạt động:

Khi nhấn nút Start, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện một chiềuhoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai Trênbăng chuyền sẽ thiết kế cảm biến thị giác nhận dạng sản phẩm Khi sản phẩm

đi qua, cảm biến thị giác nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xử lý sau đó

Trang 14

PLC đưa ra tín hiệu điều khiển động cơ bước gạt từng sản phẩm có hình dạngkhác nhau vào nơi chứa riêng biệt

Ứng dụng:

- Ứng dụng trong công nghiệp kiểm tra và phân loại sản phẩm có hìnhdạng khác nhau như: Gạch, Ngói, thực phẩm tiêu dùng…

- Ứng dụng trong kiểm tra và phân loại nông sản

- Ứng dụng kết hợp với Robot thông minh

1.2 Hệ thống băng tải phân loại và giám sát sản phẩm

1.2.1 Giới thiệu về

hệ thống băng tải phân loại và giám sát sản phẩm.

Sự kết hợp giữa ngành điện- điện tử cơ khí là một bước tiến quan trọngtrong sự phát triển của tự động hóa trong công nghiệp Hiện nay, đất nước tađang trong quá trình phát triển và hội nhập, chính vì thế các mặt hàng đượcsản xuất ra không những đạt tiêu chuẩn về chất lượng, mà còn đòi hỏi phải có

độ chính xác cao về hình dạng, kích thước, chất liệu…Các hệ thống phân loạisản phẩm ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuấtcông nghiệp Chính vì thế nhóm thực hiện đồ án đã quyết định thiết kế về thi

công mô hình với đề tài: “Thiết kế hệ thống băng tải phân loại và giám sát sản phẩm sử dụng PLC” Mô hình này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cấu

tạo cũng như nguyên lý hoạt động của các dây chuyền thiết bị được dùngtrong hệ thống phân loại, đồng thời ứng dụng PLC vào việc điều khiển hệthống

1.2.1.1 Nguyên lý làm việc

Nguyên lý hoạt động được chia thành hai quá trình:

- Quá trình cấp sản phẩm: Băng tải 1 hoạt động vận chuyển sản phẩmđến cuối băng tải Cảm biến 1 gắn ở đầu băng tải nhận biết khi có sản phẩmcấp vào thì băng tải 1 chạy, không có sản phẩm thì băng tải không hoạt động

Trang 15

Khi sản phẩm đến cuối băng tải, cảm biến 2 nhận biết vật đến cuối băng tải,băng tải dừng lại, cánh tay robot thực hiện gắp sản phẩm từ băng tải 1 quabăng tải 2

- Quá trình phân loại sản phẩm: Băng tải 2 sẽ thực hiện phân loại sảnphẩm Thông qua cảm biến điện từ phân thành sản phẩm kim loại và sảnphẩm không phải kim loại Cảm biến điện từ nhận biết kim loại sẽ gửi tín hiệuđến PLC điều khiển xilanh đẩy sản phẩm vào thùng chứa 1 Sản phẩm còn lạikhông phải kim loại sẽ đi đến cuối băng tải và đi vào thùng chứa 2

- Nếu cánh tay không gắp được sản phẩm thì sẽ có cảnh báo “không gắpđược sản phẩm” trên giao diện giám sát

Khi nhấn Stop, hệ thống dừng hoạt động

1.2.1.2 Ứng dụng.

Hệ thống có thể được sử dụng linh hoạt để ứng dụng trong một số ngànhcông nghiệp như:

- Ứng dụng trong các dây chuyển sản xuất Đá Granite

- Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất gạch ngói

- Ứng dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất đồ chơi

1.2.2 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế

- Từ yêu cầu của bài toán, phân tích và đưa ra các phương pháp thiết kế

- Đối với hệ thống truyền lực, có thể sử dụng hệ thống khí nén hoặc thủylực

Trang 16

Tốc độ Nhanh Chậm

Thiết bị Máy nén/ Điện/ Ống Bơm/ Điện / ỐngĐiều khiển lực

Người dùng chỉ có thểđiều khiển lực ở mứctrung bình

Dễ dàng trong thao tácđiều khiển lực

Nhược điểm

Độ ồn lớn khi khí nén

xả sau một chu trìnhhoạt động

Nguy hiểm cháy nổ.Khả năng rò rỉ gây dơbẩn lớn Khá độc hại vàrất dễ bắt cháy trongmôi trường có nhiệt độ

cao

Nhận xét:

Sau khi phân tích hai phương pháp trên, kết hợp với các yếu tố của đề tàinhư tính ứng dụng, chi phí, hiệu suất, khả năng tải lực và các yếu tố kỹ thuậtkhác thì sử dụng khí nén sẽ là phương pháp tối ưu nhất và phù hợp với hoạtđộng của đề tài

Trang 17

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.4 Hệ thống điều khiển tự động sử dụng PLC

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của PLC

2.1.2.1 Cấu tạo PLC

Cấu tạo của PLC được chia làm 3 modul cơ bản: CPU, bộ nhớ, khối vào/ra Mỗi modul có những chức năng riêng và có thể nâng cấp hoặc thay thế dễ dàng [1]

Trang 18

Hình 2.5 Cấu trúc của PLC [1]

CPU:

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểmtra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnhtrong chương trình Việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và cổng vào/rađược thực hiện thông qua hệ thống các bus nối dưới sự điều khiển của CPU[1]

Bộ nhớ

Tất cả các loại PLC đều sử dụng 3 loại bộ nhớ sau:

- Bộ nhớ ROM (Read Only Memory): Là bộ nhớ chỉ đọc, trong PLC bộnhớ này dùng để lưu giữ chương trình điều hành do nhà sản xuất nạp và chỉnạp một lần.[1]

- Bộ nhớ RAM (Random Access Memory): Là bộ nhớ truy cập ngẫunhiên, trong PLC bộ nhớ này dùng để lưu giữ dữ liệu hoặc kết quả tạm thờicủa các phép toán Dữ liệu lưu trong RAM sẽ bị xoá khi xảy ra mất nguồnnuôi [1]

- Bộ nhớ EEPROM (Electrical Erasable Programmable ROM): Là bộnhớ ROM có thể xoá và nạp lại bằng tín hiệu điện Bộ nhớ EEPROM đượcdùng để lưu giữ chương trình ứng dụng trong PLC [1]

Cổng vào/ra

Mọi hoạt động bên trong PLC đều có mức điện áp 5VDC hoặc

15VDC (mức điện áp cấp cho các IC TTL hoặc CMOS) trong khi đó tín

Trang 19

hiệu điều khiển ở bên ngoài theo chuẩn công nghiệp là 24VDC hoặc220VAC Khối cổng vào/ra đóng vai trò là mạch giao tiếp giữa các vi mạchđiện tử bên trong PLC với các mạch công suất bên ngoài, nó thực hiện chuyểnđổi mức tín hiệu và cách ly [1]

2.1.2.2 Nguyên lý làm việc

PLC làm việc theo nguyên lý kỳ quét Quá trình làm việc của PLC thựchiện các chu kỳ quét liên tiếp nhau Hoạt động của PLC trong 1 kì quét làkiểm tra trạng thái tín hiệu ở cổng vào và ghi trạng thái tín hiệu ở tất cả cáccổng vào bộ đệm Từ các tín hiệu ở cổng vào lưu trong bộ đệm, CPU sẽ thựchiện logic chương trình đã được lập trình sẵn và đưa ra kết quả vào bộ đệmcổng ra để điều khiển các thiết bị bên ngoài [2]

Thời gian cần thiết cho một vòng quét thay đổi khoảng từ 1ms30ms.Thời gian cho một vòng quét phụ thuộc vào độ dài của chương trình ứngdụng, việc sử dụng các đầu vào/ra từ xa và phụ thuộc vào tốc độ xử lý củaPLC [1]

Hình 2.6 Chu kỳ quét của PLC

2.1.3 Giới thiệu về PLC Mitsubishi FX2N

2.1.3.1 Giới thiệu về PLC FX2N

Trang 20

PLC FX2N là một trong những dòng PLC có tính năng mạnh nhấttrong họ FX FX2N thích hợp với các bài toán điều khiển với số lượng đầuvào ra trong khoảng 16-128, trong trường hợp cần thiết FX2N có thể mở rộngđầu vào ra lên đến 256 [2]

Hình 2.7 PLC FX2N 2.1.3.2 Cấu trúc phần cứng của PLC FX2N [2]

Trang 21

Hình 2.8 Cấu trúc ngoài của PLC FX2N

Bảng 2.2 Cấu trúc phần cứng của PLC FX2N

C Vít nối đầu vào N Đèn chỉ thị trạng thái đầu ra

D Nắp che vít nối đầu vào P Pin nuôi RAM

E Đèn báo trạng thái đầu vào Q Đầu nối Pin

F Nắp che giăm nối module mởrộng R Cổng cắm thẻ nhớ

G

Đèn báo trạng thái của PLC

RUN: PLC đang chạy;

STOP: PLC dừng;

BATT.V: báo hết pin;

PROG.E: báo lỗi chương

trình;

CPU.E: Lỗi CPU

S Công tắc chuyển mạchRUN/STOP

H Nắp che cổng lập trình T Cổng lập trình

J Tấm phủ trước U Cầu chì cho board mở rộng

N

Trang 22

K Vít nối đầu ra V Đầu nối board mở rộng

2.1.3.3 Cấu trúc bộ nhớ của PLC FX2N

Bộ nhớ xử lý chương trình của PLC được quy ước chia thành các vùngnhớ:

Vùng nhớ đệm tín hiệu đầu vào: Ký hiệu là X.

Đây là vùng nhớ dành cho các thiết bị vào được nối với PLC Ví dụ như:công tắc, nút nhấn, các loại cảm biến…[1]

Vùng nhớ đệm tín hiệu đầu ra: Ký hiệu Y.

Vùng nhớ Y là vùng nhớ dành cho các thiết bị điều khiển được kết nốivới PLC Ví dụ như: các đèn chỉ thị, các cuộn hút của rơ le, các thiết bị điềukhiển có công suất nhỏ…[1]

Vùng rơ le phụ: Ký hiệu M

Vùng rơ le phụ dùng để thực hiện các xử lý trung gian trong chươngtrình Các bit thuộc vùng M được đánh số thập phân, ví dụ M0, M1…M9,M10…M8000… [1]

Vùng nhớ rơ le trạng thái (State rơ le): Ký hiệu S

Các bit thuộc vùng nhớ này được sử dụng chuyên dùng trong điều khiểntrình tự và thường được gọi là cờ trạng thái STL (Step Ladder) Các bit thuộcvùng nhớ này được đánh thứ tự thập phân, ví dụ S0, S1…S34… [1]

Vùng thanh ghi dữ liệu (Data registers): Ký hiệu D

Vùng thanh ghi dữ liệu là bộ nhớ 16 bit được dùng để lưu trữ số liệu.Thứ tự thanh ghi được đánh theo số thập phân, ví dụ: D0, D1…D200…D8000…[1]

Vùng các bộ trễ thời gian (Timer)

Các bộ trễ thời gian được ký hiệu là T và được đánh số thập phân, ví dụ:T0, T1…T10…T255 PLC FX2N có 256 bộ trễ thời gian từ T0 đến T255 [1]

Vùng các bộ đếm (Counter)

Các bộ đếm được ký hiệu là C và được đánh số thập phân, ví dụ: C0,C1…C100…C255 PLC FX2N có 256 bộ đếm từ C0 đến C255 [1]

Trang 23

2.2 Động cơ điện một chiều

Trong đề tài, vì sử dụng truyền động băng chuyền dây đai và không yêucầu tải trọng lớn nên không cần động cơ có công suất lớn Với yêu cầu kháđơn giản của băng chuyền như là:

- Băng chuyền chạy liên tục, có thể dừng khi cần

- Không đòi hỏi độ chính xác cao, tải trọng băng chuyền nhẹ

- Dễ điều khiển, giá thành rẻ

Vì vậy chỉ cần sử dụng động cơ điện một chiều có công suất nhỏ, khoảng20-30W, điện áp một chiều 24V

Hình 2.9 Động cơ điện một chiều trong thực tế

2.2.1 Cấu tạo động

cơ điện một chiều

Trang 24

Hình 2.10 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Cấu tạo của động cơ điện một chiều thường gồm những phần chính sau:

- Stator (phần tĩnh): Gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là

vỏ máy Các cực từ chính có dây quấn kích từ [8]

- Rotor (phần động): Gồm lõi thép và dây quấn phần ứng Lõi thép hìnhtrụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày khoảng 0,5mm phủ sơn cách điệnghép lại Mỗi phần tử của dây quấn phần động có nhiều vòng dây, hai đầu vớihai phiến góp, hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn trong hai rãnh dưới haicực khác tên [8]

- Cổ góp: gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạnghình trụ, gắn ở đầu trục rotor [8]

Trang 25

- Chổi than: làm bằng than graphit Các chổi tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo

và giá chổi điện gắn trên nắp máy [8]

2.2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Hình 2.11 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi than, trong dây quấn phần ứng

có dòng điện Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tácdụng làm cho Rotor quay Chiều của lực được xác định theo quy tắc bàn taytrái Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn sẽ đổi chỗ chonhau do có phiến cổ góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụngkhông đổi Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sứcđiện động Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải [8]

2.3 Băng tải

2.3.1 Giới thiệu chung về băng tải

Băng tải là một máy cơ khí dùng để vận chuyển các đồ vật từ điểm nàysang điểm khác Thay vì vận chuyển sản phẩm bằng công nhân vừa tốn thờigian, chi phí nhân công lại tạo ra môi trường làm việc lộn xộn thì băng tải cóthể giải quyết điều đó [5]

Trang 26

Băng tải thường được dùng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệurời theo phương ngang và phương nghiêng

Hình 2.12 Hình ảnh băng tải trong thực tế

2.3.2 Cấu tạo băng tải

Hình 2.13 Cấu tạo chung của băng tải

1- Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật

2- Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo

3- Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo

4- Hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ…) làm phần trượt cho bộ phận kéo vàcác yếu tố làm việc

Trang 27

5- Bộ phận đổi hướng cho bộ phận kéo

2.3.3 Nguyên lý hoạt động của băng tải

Khi con lăn chủ động quay, băng tải di chuyển nhờ lực ma sát giữa conlăn và băng tải Để tạo ma sát giữa con lăn và băng tải khi băng tải xô chồnglên nhau, điều chỉnh con lăn thụ động sao cho băng tải kéo dài để tạo ra masát giữa băng tải và con lăn chủ động Tải và cuộn sẽ làm cho băng tải chuyểnđộng tịnh tiến Khi vật liệu rơi trên bề mặt của băng chuyền, nó sẽ được dichuyển bởi chuyển động của băng chuyền [5]

2.4.1 Cấu tạo xilanh khí nén

Hình 2.14 Cấu tạo của xi lanh khí nén

Cấu tạo của xi lanh khí nén bao gồm bộ phận sau:

- Piston: Nhận lực từ trục cơ và tay biên để truyền động và thực hiện hoạtđộng nạp, nén và xả khí Đảm bảo cho các không gian làm việc luôn được

Trang 28

phủ kín, không cho khí trong các không gian này lọt xuống bộ phận khác vàngăn chặn dầu bôi trơn xâm nhập lên trên

- Bộ phận trượt: Giúp giữ piston được cố định chắc chắn cũng như đảmbảo piston trượt được hoạt động ổn định và tốt hơn

- Thân xi lanh: Là toàn bộ phần bên ngoài mà chúng ta có thể nhìn thấybằng mắt thường Thân máy thường dùng để lắp đặt các cơ cấu và hệ thốngcủa động cơ

- Đầu vào ra của khí nén

- Bên cạnh các bộ phận chính kể trên, xi lanh máy nén khí còn có nhữngchi tiết máy khác cũng không kém phần quan trọng như: trục piston, ống xilanh, chân kết nối, nắp piston…

2.4.2 Nguyên lý hoạt động

- Khi không khí được nén vào trong xi lanh thông qua một đầu piston vàtheo đó chiếm không gian bên trong xi lanh và làm cho piston di chuyển, kéotheo xi lanh trượt đi theo hướng trục của xi lanh Khi hết hành trình, xi lanhlại đẩy khí nén ra ngoài tiếp tục vòng tuần hoàn Nhờ vậy đã sinh ra công,điều khiển thiết bị bên ngoài

- Sau khi lắp đặt xi lanh vào đúng vị trí và kích hoạt nó, khí nén đượcđưa vào bên trong xi lanh thông qua ống dẫn khí và cửa khí vào Lượng khínén tăng lên dần dần và sẽ chiếm lấy không gian bên trong xi lanh Điều nàykhiến piston phải dịch chuyển theo kiểu tịnh tiến tới lui và truyền động điềukhiển thiết bị bên ngoài Khí nén sẽ đi qua cửa khí ra và xả môi trường bênngoài, kết thúc 1 chu kỳ hoạt động Và xi lanh sẽ vận hành cho đến khi ngườiđiều khiển ngắt khí

- Để có thể điều chỉnh tốc độ xi lanh, có thể điều khiển, đảo chiều khínén thông qua các van gạt tay hoặc van điện từ [1]

Trang 29

2.5 Van điện từ khí nén

Van điện từ khí nén (Pneumatic solennoid valve), còn được gọi là vanđiều hướng khí nén Là một loại van công nghiệp có vai trò quan trọng trongcác hệ thống máy nén khí, có tác dụng ngăn chặn, cho phép, điều khiển dòngchảy của khí nén đi qua van và được vận hành bằng điện [9]

Hình 2.16 Cấu tạo của van điện từ khí nén

1- Thân van 6- Dây điện nối nguồn bên ngoài

4- Vỏ ngoài cuộn hít 9- Khe hở để chất lưu đi qua

Trang 30

- Dây dẫn: Là một bộ phận ở bên ngoài, có nhiệm vụ kết nối và nhậnnguồn điện để dẫn vào bên trong để giúp van có thể hoạt động

- Piston: Khi nhận được tín hiệu điện, piston sẽ di chuyển theo giúp đónghoặc mở các cửa để khí nén có thể lưu thông dễ dàng

- Cổng vào: Là nơi cho phép dòng khí nén bắt đầu đi vào

- Cổng làm việc: Cổng này được kết nối trực tiếp với hệ thống, có nhiệm

vụ nhận khí nén từ cổng vào và đưa vào hệ thống

- Cổng xả: Đây là nơi mà khí nén sau khi làm việc xong sẽ được xả rangoài

- Bộ điều khiển: Có tác dụng điều khiển hoạt động của van Khi tác độnglực điện vào hệ thống, dây dẫn sẽ nhận nguồn điện và đưa tới piston, piston bịtác động sẽ trượt qua lại làm chốt van thay đổi vị trí, tạo ra trạng thái đónghoặc mở cho van [9]

2.5.2 Nguyên lý hoạt động của van điện từ khí nén

Trang 31

Hình 2.17 Nguyên lý hoạt động của van điện từ

Ở trạng thái đóng, piston sẽ là các chốt khóa để ngăn chặn đầu vào vàđầu ra của van Lúc này, hệ thống và khí nén được cách ly hoàn toàn

Khi tác động một lực điện từ vào trong hệ thống, dây dẫn sẽ chịu tráchnhiệm dẫn điện vào trong van Nguồn điện này sẽ tác động lên cuộn coil,cuộn coil sẽ tạo ra các từ trường làm piston di chuyển lên xuống theo lực đànhồi của lò xo Từ đó mở ra các khóa chốt giúp cổng vào và cổng làm việcđược lưu thông

Lúc này, khí nén sẽ theo cổng vào và tiến thẳng đến hệ thống bằng cổng

ra, sau khi thực hiện xong nhiệm vụ, chúng sẽ được đưa ra ngoài môi trườngbên ngoài bằng cổng xả, kết thúc hành trình

Sau khi hoạt động, chỉ cần ngắt nguồn điện, piston bị tác động sẽ quay

về trạng tháo ban đầu [1]

2.6 Hệ thống máy nén khí

Hình 2.18 Hệ thống máy nén khí

Trang 32

- Máy nén khí là thiết bị tạo ra áp suất khí, ở đó năng lượng cơ học củađộng cơ điện hoặc động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khínén và nhiệt [9]

- Hệ thống làm lạnh:

+ Làm lạnh khí nén sau quá trình nén khí

+ Tách hơi nước trong khí nén

- Bình trích chứa khí nén: Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và được

xử lý thì cần phải có một bộ phận lưu trữ để sử dụng Bình trích chứa khí nén

có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén từ máy nén khí chuyển đến trích chứa,ngưng tụ và tách nước

Hình 2.19 Cảm biến quang

2.7.1 Cấu trúc cảm biến quang

Cấu trúc cảm biến quang gồm 3 thành phần chính:

Trang 33

- Bộ phát sáng: Cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED Ánhsáng được phát ra theo xung Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệtđược ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác

- Bộ thu sáng: Đây là bộ phận cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thànhtín hiệu điện tỉ lệ Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát hoặcánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện

- Mạch xử lý tín hiệu ra: Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từtranzito quang thành tín hiệu ON/OFF được khuếch đại Khi lượng ánh sángthu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến đượckích hoạt [3]

2.8 Cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại

Cảm biến dò tìm kim loại còn có chức năng biến đổi sự chuyển động củavật thể thành điện năng Thiết bị có đến 3 hệ thống thực hiện nhiệm vụchuyển đổi này đó là cảm ứng qua điện từ, hệ thống thay đổi điện dung và hệthống chuyển các mạch động từ [3]

Hình 2.20 Cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại

2.8.1 Cấu tạo của cảm biến tiệm cận

- Vỏ cảm biến: Được làm từ chất liệu đặc biệt, có khả năng chống va đậpmạnh và có thể tháo lắp được, giúp người dùng sử dụng dễ dàng hơn

- Bên trong gồm có: cảm biến, mạch dao động, bộ tín hiệu đầu ra

Trang 34

- Bên cạnh đó, máy cảm biến tiệm cận còn có một số linh kiện đi kèmkhác, liên kết với nhau để thực hiện nhiệm vụ một cách tốt nhất

2.8.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận hoạt động theo nguyên lý trường điện từ phát ra xungquanh cảm biến với khoảng cách tối đa là 30mm Nếu gặp vật thể thì nó sẽphát tín hiệu truyền về bộ xử lý [3]

Hình 2.21 Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận

- Cảm biến từ tiệm cận bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi

từ ở đầu cảm ứng Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra môi trường điện

từ sao động quanh nó Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểmsoát

- Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra dòng điện(dòng điện xoáy) trong vật

- Những dòng điện này gây ra tác động như máy biến thế, do đó nănglượng trong cuộn phát hiện giảm đi và dao động giảm xuống, độ mạnh của từtrường giảm đi

- Mạch giám sát phát hiện ra mức dao động giảm đi và sau đó thay đổiđầu ra, vật đã được phát hiện

2.9 Rơ le trung gian

Rơ le trung gian là thiết bị điện tử có kích thước rất nhỏ, có chức năngchuyển mạch tín hiệu điều khiển và khuếch đại

Electrical circuitCopper coil

Trang 35

2.9.1 Cấu tạo của rơ

le trung gian

Rơ le được cấu tạo từ hai phần chính là cuộn hút và mạch tiếp điểm

- Cuộn hút (nam châm điện): Gồm lõi thép động, lõi thép tĩnh và cuộndây Cuộn dây dùng để cuộn cường độ, điện áp hay có thể cuộn cả điện áp lẫncường độ Lõi thép động sẽ được định vị bằng một vít điều chỉnh găng bởi lò

xo

- Mạch tiếp điểm (mạch lực): Gồm có tiếp điểm thuận và tiếp điểmnghịch Tiếp điểm nghịch sẽ đảm nhận vai trò đóng cắt tín hiệu thiết bị tải vớidòng nhỏ được cách ly với cuộn hút [11]

2.9.2 Nguyên lý hoạt động của rơ le trung gian

- Khi dòng điện chạy qua rơ le trung gian, đi tới cuộn dây của nam châmđiện, tạo thành từ trường hút Từ trường tác động để đóng hoặc mở tiếp điểmđiện Từ đó làm thay đổi trạng thái đóng mở của rơ le trung gian Tùy vàothiết kế mà số tiếp điểm điện sẽ thay đổi khác nhau

- Rơ le trung gian có 2 mạch hoạt động độc lập Một mạch sẽ điều khiểncuộn dây rơ le để dòng chảy có thể đi qua cuộn dây hoặc không đi qua Mạchcòn lại sẽ điều khiển dòng điện để xem xét dòng điện có thể đi qua rơ le đượchay không [11]

Trang 36

Hình 2.22 Sơ đồ các cặp tiếp điểm của rơ le trung gian 14 chân

2.10 Tay máy robot khí nén

Cánh tay robot khí nén được thiết kế bởi các bộ phận chính sau: [7]

- Các xilanh khí nén: được sử dụng để tạo ra chuyển động cho cánh taybằng cách sử dụng khí nén để tạo ra áp suất và đẩy piston

- Bộ truyền động: bao gồm các van điều khiển và ống dẫn khí nén, giúpđiều khiển chuyển động của cánh tay

- Tay đỡ: giúp giữ cân bằng cho cánh tay robot khi đang hoạt động

- Đầu kẹp: được sử dụng để nắm và giữ các đối tượng

Nguyên lý hoạt động của cánh tay robot khí nén được dựa trên sựchuyển động của khí nén trong các xilanh Khi một bộ điều khiển bật van, khínén được đưa vào xi-lanh và tạo ra áp suất để đẩy piston di chuyển Khi vanđược tắt, khí nén được giải phóng và áp suất giảm, giúp piston di chuyểnngược lại

2.10.1 Xi lanh kẹp khí nén

2.10.1.1 Cấu tạo tay kẹp khí nén

Trang 37

Hình 2.23 Cấu tạo của xi lanh kẹp

- Cấu tạo của xi lanh kẹp khí nén gồm:

+ Tay kẹp để kẹp chặt chi tiết, sản phẩm

2.10.1.2 Nguyên lý hoạt động của xi lanh kẹp

Xi lanh kẹp hoạt động dựa trên nguyên lý: Biến chuyển năng lượng củanguồn khí được cấp thành động năng

Khí từ bình tích áp hay bồn chứa sẽ đi đến van điện từ thông qua hệthống ống dẫn Khí nén từ van sẽ được đưa vào bên trong xi lanh, lượng khínén tăng dần lên và đẩy trục piston chuyển động tịnh tiến Phần tay kẹp sẽ kẹplại và kẹp các chi tiết, sản phẩm Khi chúng ta ngưng cấp khí nén vào xi lanhthì piston sẽ không dịch chuyển, tay kẹp lại trở về với vị trí ban đầu [10]

Trang 38

Hình 2.24.Nguyên lý hoạt động của xilanh kẹp

2.10.2 Xi lanh xoay khí nén

Hình 2.25 Xi lanh xoay khí nén

- Xi lanh xoay khí nén sẽ nhận khí nén từ hệ thống cấp vào thông qua conối, ống dẫn khí nén Từ đó khí nén đi vào xi lanh, chiếm lấy không gian bêntrong cho xi lanh và làm cho piston chuyển động tịnh tiến Tiếp theo thì nó sẽkéo theo xi lanh di chuyển hướng trục Quá trình này sẽ được diễn ra liên tục,lặp lại và tuần hoàn khi có khí nén Xi lanh chỉ dừng lại khi khí nén ngừngcấp

Trang 39

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÂN LOẠI

VÀ GIÁM SÁT SẢN PHẨM

3.1 Phân tích yêu cầu thiết kế

3.1.1 Yêu cầu kĩ thuật

- Kích thước: (Dài x Rộng x Cao): 80x60x30 cm

- Khối lượng: 10kg

- Hệ thống điều khiển: PLC và hệ thống khí nén

- Đầu vào của PLC: NPN

- Cơ cấu đẩy sản phẩm: Xylanh piston

- Động cơ truyền chuyển động: Động cơ điện một chiều

- Hệ thống dẫn động: Băng chuyền