Khoa: Cơ khí Đề tài đồ án: “ Thiết kế mô hình rửa xe ô tô tự động” Nhóm em xin cam đoan toàn bộ nội dung và kết quả được trình bày trong đồ án này là sản phẩm chúng em tự thực hiện, khô
THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ
Nguyên lí hoạt động của hệ thống
Hình 2 1 Quy trình rửa xe
Bước 1: Nhận diện độ bẩn của xe
Bước 2: Phun nước và xà phòng cho xe
Bước 3: Lau chà, làm sạch xe
Bước 4: Phun nước làm sạch bột xà phòng
Bước 6: Kiểm tra mức độ sạch của xe
• Khi cảm biến 1 phát hiện xe, băng tải bắt đầu di chuyển và đồng thời camera tự động quét độ bẩn của xe
Khi xe được cảm biến 2 phát hiện, băng tải sẽ dừng sau 250ms Trong thời gian 20s, chế độ phun nước lần 1 và chế độ phun xà phòng sẽ luân phiên hoạt động Sau khi hoàn tất chế độ phun xà phòng, băng tải sẽ tiếp tục di chuyển.
Khi xe được phát hiện bởi cảm biến thứ 3, băng tải sẽ dừng lại và đồng thời kích hoạt chế độ lau chùi xe trong thời gian thiết lập sẵn Sau khi quá trình lau chùi hoàn tất, băng tải sẽ tiếp tục di chuyển để xe có thể tiếp tục di chuyển qua hệ thống rửa xe.
• Khi cảm biến 4 phát hiện xe thì băng tải sẽ dừng lại sau 250ms, lúc đó chế độ phun nước lần 2 sẽ hoạt động trong thời gian 10s Băng tải sẽ di chuyển trở lại sau khi kết thúc chế độ phun nước lần 2
• Khi cảm biến 5 phát hiện xe, băng tải sẽ dừng lại sau 400ms và lúc đó chế độ làm khô xe sẽ tự động kích hoạt trong 15s Sau khi kết thúc chế đề làm khô sẽ băng tải sẽ di chuyển trở lai, sau 1s thì kết thúc chương trình
Thiết kế hệ thống truyền động
Hình 2 2 Hình ảnh minh họa
Chọn động cơ điện không đồng bộ 3 pha kiểu ngắn mạch, điện áp 220/380V, kiểu kín hoặc bảo vệ và đặt nằm
* Chọn công suất động cơ điện
Theo tải trọng xe vào khoảng 1000kg
Chọn lực kéo băng tải = 25000N
Công suất cần thiết cho động cơ điện
1000 = 12,5 (kw) (2.1) Theo sơ đồ bộ truyền chúng ta có hiệu suất của 𝜂 𝑛𝑜𝑖𝑡𝑟𝑢𝑐 ,𝜂 𝑏𝑟 , 𝜂 𝑐𝑎𝑝𝑜 ,𝜂 𝑥𝑖𝑐ℎ theo bảng 2.1
N: Công suất trên băng tải (kw)
𝑁 𝑐𝑡 : Công suất cần thiết của động cơ điện
𝜂: Hiệu suất truyền động chung của hệ thống
𝜂 𝑏𝑟 : Hiệu suất bộ truyền bánh răng
𝜂 𝑐𝑎𝑝𝑜 : Hiệu suất một cặp ổ lăn
𝜂 𝑥𝑖𝑐ℎ : Hiệu suất bộ truyền xích
Bảng 2.1 Bảng trị số hiệu suất (Trang 19)
* Chọn công suất động cơ điện
- Số vòng quay của tang
Số vòng quay sơ bộ của động cơ:
𝑖 𝑐 : tỷ số truyền chung của hệ thống
Bộ truyền bánh răng trụ 0,96 – 0,98 0,93 – 0,95
Bộ truyền bánh răng nón răng thẳng 0,95 – 0,97 0,92 – 0,94
Bộ truyền bánh ma sát 0,90 – 0,96 0,70 – 0,88
Puli trong cơ cấu tời, cần trục, máy nâng:
Hiệu suất của bộ truyền đai răng kín khi cấp chính xác cấp 8 là 0,97 - 0,95 Với bánh răng cấp chính xác 9 thì hiệu suất sẽ thấp hơn 1-2%, cấp chính xác 7 thì hiệu suất thấp hơn 1-1,5%.
Tra bảng P1.3: Các thông số kỹ thuật của động cơ 4A
Kiểu động cơ Công suất (KW) Vận tốc quay(v/p) 𝜂%
Hình 2 3 Động cơ điện Bảng 2.2 Tỉ số truyền nên dung cho các bộ truyền trong hệ(Trang 21)
Loại truyền động Tỉ số truyền nên dùng u Truyền động bánh răng trụ:
4…6 3…5 8…10 Truyền động bánh răng côn:
- Hộp giảm tốc 2 cấp trục vít
- Hộp giảm tốc cấp 2 trục vít – bánh răng hoặc bánh răng – trục vít
Truyền động bánh ma sát 2…4
* Phân phối tỉ số truyền
Tỉ số truyền chung của hệ thống
47,74 = 61,4 (2.6) Chọn tỉ số truyền ngoài: 𝑖 𝑛𝑔𝑜à𝑖 = 𝑖 𝑥 = 4
Tính tỉ số truyền trong : 𝑖 ℎ𝑜𝑝
Bảng 2.3 Tỉ số truyền của hộp giảm tốc (Trang 43)
Tỉ số truyền cấp nhanh: 𝑖 𝑛ℎ𝑎𝑛ℎ =4,79
Tỉ số truyền cấp chậm: 𝑖 𝑐ℎậ𝑚 =2,92
Kiểm tra sai số cho phép về tỉ số truyền:
Số vòng quay của các trục:
𝑝ℎú𝑡) (2.10) Trục II (trục trung gian):
* Công suất trên đầu vào của các trục:
Bộ truyền xích được thiết kế theo nguyên lý ăn khớp, cho phép truyền tải công suất lớn lên tới 100 kW và moment xoắn cao Tuy nhiên, chúng có kích thước nhỏ gọn, nhưng kết cấu phức tạp và khó bảo dưỡng Bù lại, bộ truyền xích có tuổi thọ cao, giá thành hợp lý, hiệu suất truyền tải lớn và khả năng chịu quá tải đột ngột Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là độ ồn cao.
Vì tải trọng lớn, vận tốc thấp nên chọn xích ống con lăn
* Thông số của xích và bộ truyền
Bảng 2.4 Hướng dẫn chọn số răng đĩa xích nhỏ (Trang 80)
Loại xích Tỉ số truyền i
Xích ống con lăn 30 – 27 27 – 25 25 – 23 23 – 21 21 – 17 17 – 15 Xích răng 35 – 32 32 – 30 30 – 27 27 – 23 23 – 19 19 – 17
Tỷ số truyền 𝑖 𝑥 = 4, chọn số răng đĩa nhỏ 𝑧 1 = 23
=> Số đĩa răng lớn là 𝑧 2 = 𝑖 𝑥 × 𝑧 1 = 4 × 23 = 92 < 𝑧 𝑚𝑎𝑥 = 120 (2.16)
𝑘 đ =1,2 : tải trọng va đập nhẹ
𝑘 𝐴 =1 : hệ số xét đến chiều dài xích, A= (30 ÷ 50)𝑡
𝑘 đ𝑐 =1 : trục có đĩa xích điều chỉnh được
𝑘 𝑐 =1 : bộ truyền làm việc 1 ca
Bảng 2.5 Trị số của các hệ số thành phần trong hệ sô sử dụng k (Trang 82) Điều kiện làm việc Trị số của các hệ số Đường nối 2 tâm đĩa xích so với đường nằm ngang
Tải trọng làm việc êm 𝑘 đ =1
Tải trọng va đập mạnh 𝑘 đ =1,8
Môi trường làm việc Bôi trơn
* Công suất tính toán của bộ truyền xích
𝑁 𝑡 = 𝑁 𝛪𝛪𝛪 × 𝑘 × 𝑘 𝑧 × 𝑘 𝑛 = 16,71 × 1,56 × 1,087 × 0,85 = 24,08(𝑘𝑤) (2.18) + Hệ số răng đĩa dẫn
23= 1,087 (2.19) + Hệ số vòng đĩa dẫn
Bảng 2.6 Trị số công suất cho phép 𝜂 (kw) của bộ truyền xích ( 𝑧 01 = 25)(Trang 81)
Diện tích bản lề xích F(𝑚𝑚 2 )
Số vòng quay của đĩa nhỏ
Xích ống con lăn 1 dãy
Với 𝑛 01 = 200 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡 ,bước xích t 8,1mm, diện tích bản lề F94,3𝑚𝑚 2 , có công suất cho phép [N]6,3 kw
Từ bảng 2.7 ta tìm được tải trọng phá hỏng là: Q0000(N)
Khối lượng 1 mét xích q=5,5kg
Bảng 2.7 Các kích thước chủ yếu của xích ống con lăn một dãy (Trang 78)
Bảng 2.8 Số vòng quay giới hạn 𝑛 𝑔ℎ của đĩa dẫn (Trang86)
Số răng đĩa xích nhỏ 𝑍 1
Số vòng quay giới hạn của đĩa dẫn 𝑛 𝑔ℎ (vòng/phút)
Số vòng quay giới hạn: 𝑛 𝑔ℎ = 550 𝑣𝑔/𝑝ℎ với 𝑧 1 = 23 và bước xích t= 38,1 mm thỏa điều kiện: 233,89 < 550.
Thiết kế mô hình
Do điều kiện thực tế và chế tạo thực nghiệm đòi hỏi chi phí lớn nên trong đồ án này chúng em chỉ thiết kế mô hình với kích thước và tỉ lệ phù hợp để đánh giá, kiểm tra ý tưởng
Hình 2 4 Mô hình 3D của hệ thống
Sau khi tham khảo và nghiên cứu, nhóm em đã thiết kế băng tải như hình 2.2 với các thông số sau:
Chi tiết Số lượng Ổ bi trục đứng 4 Ốc định hình 8
Nhôm định hình thanh dọc
Nhôm định hình thanh ngang
* Nguyên lý làm việc của băng tải
Khi cấp điện cho động cơ quay, rulo chủ động của băng chuyền sẽ được quay nhờ bộ truyền động đai, pulley Khi đó rulo sẽ quay theo nhờ lực ma sát với băng chuyền
Băng chuyền dùng để di chuyển vật đến vị trí mong muốn, trong quá trình hoạt động không nhất thiết quan tâm đến việc điều khiển tốc độ của băng chuyền Vậy nên chúng em lựa chọn hệ truyền động điện không điều chỉnh cho băng chuyền Động cơ sẽ nối trực tiếp với lưới điện và truyền động cho băng chuyền với một tốc độ nhất định
Hình 2 5 Hệ thống băng tải
Sau khi nghiên cứu nhiều loại động cơ thì chúng em chọn loại động cơ một chiều cho mô hình này
Hình 2 6 Động cơ 1 chiều 24VDC
Nguồn tổ ong 24VDC 5A là thiết bị chuyển đổi điện xoay chiều thành điện một chiều với hiệu suất cao, đầu ra ổn định và kích thước nhỏ gọn giúp dễ dàng di chuyển và lắp đặt Nguồn DC này rất phù hợp để cung cấp điện năng cho các thiết bị điện sử dụng điện áp 24V như PLC, bơm nước DC, cảm biến và các ứng dụng khác.
- Điện áp đầu vào: AC 110/220V
- Tần số đầu vào: 50-60Hz
Hình 2 7 Nguồn tổ ong 24VDC
Máy bơm là một loại máy thủy lực, nhận năng lượng từ bên ngoài ( cơ năng, điện năng, thủy năng, ) và truyền năng lượng cho dòng chất lỏng, nhờ vậy đưa chất lỏng lên một độ cao nhất định hoặc dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống đường ống
- Mức đẩy tối đa: 0.3 - 0.8 mét
2.3.4 Động cơ mini Động cơ mini được sử dụng để chuyển động chổi quét làm sạch xe
- Điện áp định mức 3-6 VDC
Dùng để sấy cho xe nhanh khô sau khi rửa xong
- Điện áp định mức:12VDC
Camera USB có khả năng nhận diện được gần 26000 màu, tốc độ xử lí hình ảnh cao, tương thích với nhiều phần mềm lập trình nhận diện
Giúp xử lí hình ảnh từ đó gửi về tín hiệu cho PLC để điều khiển băng tải
Khi vật di chuyển qua vùng hoạt động của camera thì camera sẽ xử lý hình ảnh của vật thể đó, sau khi đã xử lý xong hình ảnh thì camera sẽ gửi tín hiệu cho bộ điều khiển trung tâm (Arduino, PLC…) để thực hiện các công đoạn đã được lập trình trước đó
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Giới thiệu về PLC
PLC (Programmable Logic Control) là thiết bị có thể lập trình được thiết kế chuyên dùng trong công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lí từ đơn giản đến phức tạp, tuỳ thuộc vào người điều khiển mà có thể thực hiện một loạt các chương trình hoặc sự kiện này được kích hoạt bởi các tác nhân kích thích (hay còn gọi là ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các bộ định thời (Timer) hay các sự kiện được đếm qua bộ đếm Khi một sự kiện được kích hoạt nó PLC bật ON, OFF hoặc phát ra một chuỗi xung ra các thiết bị bên ngoài được gắn vào ngõ ra của PLC Hiện nay PLC đã được nhiều hãng khác nhau sản xuất như: Siemens, Omron, Mitsubishi, Pesto, Alan Bradley, Shneider Hitachi,… Mặt khác ngoài PLC cũng đã bổ sung thêm các thiết bị mở rộng khác như: Các cổng mở rộng AI (Analog Input), DI (Digital Input), các thiết bị hiển thị, các bộ vào
* Đăc điểm của bộ điều khiển lập trình
Sự phát triển những hệ thống điều khiển lập trình được (programmable control systems) hệ thống sử dụng CPU và bộ nhớ để điều khiển máy móc hay quy trình sản xuất PLC tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản, thực hiện những tác vụ khác như định thời, đếm, … làm tăng khả năng điều khiển cho những hoạt động phức tạp, ngay cả với loại PLC nhỏ nhất
Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà không cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối dây, sự thay đổi chỉ là thay đổi chương trình điều khiển trong bộ nhớ thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng Hơn nữa, chúng ta còn có ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào hoạt động nhanh hơn so với những hệ thống truyền thống mà đòi hỏi cần phải thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời Tuy nhiên, khi dùng PLC điều khiển những thiết bị có công suất lớn cần phải có mạch điện tử công suất trung gian gắn thêm vào
* Một số loại PLC hiện nay:
Sản xuất nhiều dòng sản phẩm khác nhau, phục vụ tốt cho nhu cầu nhà máy, lập trình dễ dàng, gọn nhẹ, dung lượng lớn,… dễ dàng bảo quản sửa chữa 19 và có giá cả cạnh tranh PLC siemens có các dòng sản phẩm phổ biến : S7-200, S7-300, S7-400, S7- 1200, S7-1500
Các sản phẩm của Mitsubishi, trong đó có PLC MITSUBISHI FX1N và PLC MITSUBISHI FX2N, được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển các hệ thống công nghiệp, từ đơn giản đến phức tạp.
- PLC Schneider Được thiết kế với kích thước nhỏ gọn, tiện lợi, dễ sử dụng nhất Sức mạnh sử lý và kích thước bộ nhớ là lý tưởng cho mục tiêu các ứng dụng hiệu suất cao Phần mềm lập trình của SoMachine rất mạnh mẽ và trực quan, giúp bạn 20 nhanh chóng tạo ứng dụng mà không tốn nhiều thao tác Có 5 dòng sản phẩm chính: PLC Modicon M2xx, PLC Modicon M580 ePAC, PLC Modicon M340, PLC Modicon Quantum, PLC Modicon Preminum
PLC S7-1200 ra đời năm 2009 dùng để thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-
1200 có những tính năng nổi trội hơn
S7-1200 được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và một tập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200
S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP
Việc áp dụng PLC vào thực tế như tại trường học, các nhà máy, xí nghiệp đều có những nhiệm vụ và yêu cầu riêng vì vậy việc lựa chọn các thiết bị phần cứng là cũng khác nhau Để đáp ứng phù hợp với những yêu cầu đó mà không gây lãng phí tiền của PLC đã được chia nhỏ ra thành các module riêng lẻ để cho PLC không bị cứng hóa về cấu hình
Là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485) …
Hiện nay module CPU được sử dụng phổ biến tại các trường học và nhà máy đều sử dụng bộ nguồn nuôi là 24VDC Module CPU có 14 ngõ vào (14DI DC) và 10 ngõ ra (10DO DC), có 2 module mở rộng Analog (2AI)
Hiện tại bộ module đã được tích hợp sẵn cổng thời gian thực RTC, cổng truyền thông như RS485 cũng như các cổng truyền thông mở rộng như Modbus, Profibus, Devicenet
Hình 3 4 PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC
Sử dụng module nguồn PM 1207 có các thông số: Input: 220/230V AC 50/60Hz, 1.2A/0.7A Output: 24V DC / 2.5A
+ Power Supply (PS): module nguồn nuôi, có 3 loại là 2A, 5A và 10A
+ Signal Module (SM): module tín hiệu vào ra số, tương tự
+ Interface Module (IM): module ghép nối, ghép nối các thành phần mở rộng lại với nhau
+ Function Module (FM): module chức năng điều khiển riêng
+ Communication Processor (CP): Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các bộ PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính
Hình 3 6 Module mở rộng tín hiệu vào/ra
Module được giao tiếp với RS 232/RS 485
SM – tín hiệu module cho các đầu vào và đầu ra Analog (cho CPU 1212C tối đa của 2 SM có thể sử dụng, cho 1214C tối đa là 8)
* Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ
Trong một chương trình có thể có các kiểu dữ liệu sau:
+ BOOL: với dung lượng 1 bit và có giá trị là 0 hay 1 Đây là kiểu dữ liệu có biến 2 trị + BYTE: Gồm 8 bit, có giá trị nguyên dương từ 0 đến 255 Hoặc mã ASCII của một ký tự + WORD: Gồm 2 byte, có giá trị nguyên dương từ 0 đến 65535
+ INT: Có dung lượng 2 byte, dùng để biểu diễn số nguyên từ -32768 đến 32767
+ DINT: Gồm 4 byte, biểu diễn số nguyên từ -2147463846 đến 2147483647
+ REAL: Gồm 4 byte, biểu diễn số thực dấu phẩy động
+ S5T: Khoảng thời gian, được tính theo giờ/phút/giây/mili giây
+ TOD: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/giây
+ DATE: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày
+ CHAR: Biểu diễn một hoặc nhiều ký tự (nhiều nhất là 4 ký tự)
* Ngôn ngữ lập trình của PLC S7-1200
Các loại PLC nói chung có nhiều loại ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ các đối tượng sử dụng khác nhau PLC S7 – 1200 có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản
Ngôn ngữ STL (Statement List): Ngôn ngữ “Liệt kê lệnh”, dạng ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính, một chương trình được ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và có cấu trúc chung “ tên lệnh + thuật toán ”
Ngôn ngữ FBD (Function Block Diagram): Ngôn ngữ “ hình khối ” là ngôn ngữ đồ họa cho những người quen thiết kế mạch điều khiển số
Ngôn ngữ LAD (Ladder Diagram): Đây là ngôn ngữ lập trình “ hình thang ”, dạng ngôn ngữ đồ họa thích hợp cho những người quen thiết kế mạch điều khiển logic
Có 3 loại đèn báo hoạt động:
Run/Stop: đèn xanh/đèn vàng báo hiệu PLC đang hoạt động/dừng hoạt động
Main: đèn báo khi ta buộc (Force) địa chỉ nào đó lên 1
Có 2 loại đèn chỉ thị:
Ix.x: chỉ trạng thái logic ngõ vào
Qx.x: chỉ trạng thái logic ngõ ra.
Lựa chọn các thiết bị ngoại vi
3.2.1 Cảm biến hồng ngoại E3F-DS30P1
Hình 3 9 Cảm biến hồng ngoại
- Nguồn điện cung cấp: DC 6~36V
- Khoảng cách phát hiện: 10~36cm
- Dòng kích ngõ ra: 300mA
- Sơ đồ chân: Nâu :+6V , Xanh :0V, Đen: tín hiệu ngõ ra
Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại là sử dụng một cảm biến ánh sáng cụ thể để phát hiện bước sóng ánh sáng chọn trong giới hạn phổ hồng ngoại (IR) Thông qua việc sử dụng đèn LED để tạo ra ánh sáng có cùng bước sóng với cảm biến đang tìm kiếm, người thực hiện có thể xem cường độ của ánh sáng nhận được Khi một vật ở gần với cảm biến, ánh sáng từ đèn LED sẽ bật ra khỏi vật thể và đi vào cảm biến ánh sáng tạo nên một bước nhảy lớn về cường độ
Hình 3 10 Role trung gian 8 chân
Là loại thiết bị có chức năng chuyển mạch tín hiệu điều khiển và khuếch đại chúng với kích thước nhỏ Thiết bị được lắp đặt ở vị trí trung gian nằm giữa thiết bị điều khiển công suất nhỏ và thiết bị công suất lớn hơn Vai trò cách ly mạch điều khiển với mạch
39 động lực, cách ly cấp điện áp… Trên thị trường với nhiều role tùy theo nhu cầu sử dụng
Mức điện áp hoạt động trong môi trường công nghiệp thường là 5VDC, 12VDC, 24VDC, 110VAC, 220VAC Các relay có thể có 1, 2 hoặc 4 tiếp điểm và thường tuân theo chuẩn chân như relay 8 chân, 14 chân
Trong mô hình này chúng em sử dụng role trung gian 8 chân 24VDC
3.2.3 Mạch điều khiển động cơ
Hình 3 11 Mạch điều khiển động cơ
- Công suất điều khiển:90W( điều khiển công suất tối đa)
- Tần số của PWM:10khz
- Kích thước vỏ:30mm x rộng 24mm( không bao gồm tay cầm) cao 15mm
Cung cấp nguồn điện 12V cho động cơ quạt hay bơm mini hoạt động
Hình 3 12 Mạch hạ áp LM2596
Thông số kỹ thuật Giá trị
Công suất 15W Điện áp đầu vào 3 – 30V Điện áp đầu ra 1.5 – 30V
Trong lĩnh vực tự động hóa, PLC nổi bật nhờ nhiều ưu điểm so với các bộ điều khiển khác như: lập trình đơn giản, ngôn ngữ lập trình dễ tiếp cận, kích thước nhỏ gọn, thuận tiện di chuyển và lắp đặt, dễ bảo dưỡng, sửa chữa, bộ nhớ dung lượng lớn cho phép chứa các chương trình phức tạp, độ chính xác cao, tốc độ xử lý nhanh, hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp và giao tiếp được với nhiều thiết bị khác như máy tính, mạng, bộ điều khiển khác.
Controller có nghĩa là bộ điều khiển logic khả lập trình Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng rơ-le dây nối và các logic thời gian Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm
41 tốc độ xử lý cũng như giá cả Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch…, sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn
Hình 3 13 Các loại PLC phổ biến
Lựa chọn bộ điều khiển PLC
Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Schneider, Mitsubishi, Omron, Delta…đi kèm với đó là các phần mềm lập trình được phát triển dành riêng cho từng loại PLC của hãng đó Tuy đa dạng về phần mềm biên dịch nhưng về cơ bản ngôn ngữ để lập trình cho PLC đa phần là giống nhau, tất cả đều chỉ cần có máy tính cá nhân là dễ dàng cài đặt và viết chương trình Một trong các hãng uy tín, có độ tin cậy cao và rất được ưa chuộng đó chính là PLC của hãng Siemens Chính vì vậy nhóm đã quyết định lựa chọn PLC S7-1200 1214 DC/DC/DC cho bộ điều khiển trung tâm của hệ thống
- Bộ điều khiển PLC S7 -1200 1214 DC/DC/DC siermen Để hiểu rõ hơn về PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC chúng ta sẽ tìm hiểu các thông số kỹ thuật của nó vá các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển PLC được thể hiện trong bảng sau
Hình 3 14 PLC S7-1200 1214 DC/DC/DC
Bảng 3.1 Thông số bộ điều khiển PLC S7- 1200 1214 DC/DC/DC
Thông số kỹ thuật Giá trị Điện áp định mức 24VDC
Dòng điện định mức 5000mA
Tốc độ xử lý của CPU 0.08às/lệnh đối với BIT, 1.7às/lệnh đối với word, 2.7às/lệnh đối với foating Các khối lệnh hỗ trợ Hỗ trọ khối lệnh FB, FC, DB, counter, timer Tối đa trong khoảng 1 đến 65535
Thông số kỹ thuật Giá trị Đầu ra Digital 10 (có hỗ trợ 4 chân highspeed counter) Điện áp tín hiệu ra 0.1V ở mức “0”, 20V ở mức “1”
Dòng tín hiệu ra 0.1mA ở mức “0”, 0.5mA ở mức “1” Độ trễ tớn hiệu ra 1às khi chuyển từ 0→1, 5às khi chuyển từ
Ngõ vào Digital 14 (hỗ trợ 6 chân highspeed counter) Điện áp tín hiệu vào 5V ở mức “0”, 15V ở mức “1” Độ trễ tớn hiệu vào 0.2às khi chuyển từ 0→1, 12.8às khi chuyển từ 1→0
Bộ điều khiển PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC có khả năng xử lí dữ liệu mạnh mẽ S7-1200 là series được dùng nhiều trong công nghiệp có giá cả phù hợp, độ cơ học tốt
Số kênh I/O đủ để sử dụng, có hỗ trợ nhiều bộ đếm tốc độ cao cho phép mở rộng thêm nhiều nhiệm vụ khác.
Giới thiệu về phần mềm TIA portal
* Tổng quan về TIA Portal
Phần mềm Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal)được phát triển lần đầu vào năm 1996 bởi các kỹ sư của hãng Siemens Đây là một đột phá lớn khi tích hợp tất cả công cụ vào trong 1 bộ phần mềm duy nhất Từ thiết kế, thử nghiệm, vận hành và duy trì nâng cấp hệ thống tự động hóa, phần mềm TIA sẽ giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và công sức cho các kỹ sư SIMATIC STEP 7 (TIA Portal) là phần mềm nổi tiếng và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp
Giao diện trực quan và thân thiện với người dùng của TIA Portal giúp việc lập trình tự động hóa trở nên dễ dàng cho cả người mới bắt đầu và người có kinh nghiệm.
44 phần mềm này, các bạn có thể cấu hình, lập trình, thử nghiệm và chẩn đoán tất cả các bộ điều khiển PLC cũng như các module, HMI sẵn có của Siemens một cách dễ dàng
Phiên bản TIA Portal V16 là phiên bản được Siemens tung ra thị trường vào cuối năm
Hệ thống hỗ trợ đầy đủ các ngôn ngữ lập trình LAD, FBD, SCL, STL, GRAPH giúp kỹ sư lập trình linh hoạt lựa chọn ngôn ngữ phù hợp cho bộ điều khiển của hệ thống, đáp ứng nhu cầu đa dạng trong các ứng dụng tự động hóa.
Hình 3 15 Phần mềm TIA Portal
Siemens giới thiệu TIA Portal – phần mềm cơ sở tích hợp tất cả các phần mềm lập trình cho các hệ thống tự động hóa và truyền động điện
Phần mềm lập trình mới này giúp người sử dụng phát triển, tích hợp các hệ thống tự động hóa một cách nhanh chóng, do giảm thiểu thời gian trong việc tích hợp, xây dựng ứng dụng từ những phần mềm riêng rẽ
Là phần mềm cơ sở cho các phần mềm dùng để lập trình, cấu hình, tích hợp các thiết bị trong dải sản phẩm tích hợp tự động hóa toàn diện (TIA) của Siemens
Tất cả các bộ điều khiển PLC, màn hình HMI, các bộ truyền động của Siemens đều được lập trình, cấu hình trên TIA portal Việc này giúp giảm thời gian, công sức trong việc thiết lập truyền thông giữa các thiết bị này
* Sử dụng phần mềm TIA Portal
- Bước 1: Mở màn hình máy tính ta kích đúp chuột vào biểu tượng Tia Portal V16
Hình 3 16 Biểu tưởng TIA portal trên PC
- Bước 2: Chọn Create new project để tạo dự án
- Bước 4: Chọn Add new device
- Bước 5: Chọn cấu hình cho PLC
* Tải chương trình xuống cho PLC
Nhấn vào biểu tượng trên thanh công cụ để Dowload chương trình
Chọn card mạng phù hợp, sau đó nhấn "Start search" để tìm PLC đang kết nối Sau khi quét xong, nếu tìm thấy PLC, chỗ PLC phía dưới sẽ chuyển sang màu cam Tiếp đó, nhấn
Load để kết nối với PLC Cuối cùng nhấn Start all và chọn Finish để kết thúc
Hình 3 23 Tìm và kết nối địa chỉ IP PLC
Giới thiệu về công nghệ xử lý ảnh
Python là một ngôn ngữ lập trình được sử dụng phổ biến ngày nay từ trong môi trường học đường cho tới các dự án lớn Ngôn ngữ phát triển nhiều loại ứng dụng, phần mềm khác nhau như các chương trình chạy trên desktop, server, lập trình các ứng dụng web Ngoài ra Python cũng là ngôn ngữ ưa thích trong xây dựng các chương trình trí tuệ nhân tạo trong đó bao gồm machine learning Ban đầu, Python được phát triển để chạy trên nền Unix, nhưng sau này, nó đã chạy trên mọi hệ điều hành từ MS-DOS đến Mac OS, OS/2, Windows, Linux và các hệ điều hành khác thuộc họ Unix Python do Guido van Rossum tạo ra năm
Năm 1990, Python được phát triển thông qua một dự án mã nguồn mở của Python Software Foundation, một tổ chức phi lợi nhuận Dù nhiều cá nhân đóng góp vào sự phát triển của Python, Guido van Rossum vẫn là tác giả chính Ông đóng vai trò chủ chốt trong việc định hình hướng phát triển của Python.
Python là ngôn ngữ có hình thức đơn giản, cú pháp ngắn gọn, sử dụng một số lượng ít các từ khoá, do đó Python là một ngôn ngữ dễ học đối với người mới bắt đầu tìm hiểu Python là ngôn ngữ có mã lệnh (source code hay đơn giản là code) không mấy phức tạp
Cả trường hợp bạn chưa biết gì về Python bạn cũng có thể suy đoán được ý nghĩa của từng dòng lệnh trong source code Python có nhiều ứng dụng trên nhiều nền tảng, chương trình phần mềm viết bằng ngôn ngữ Python có thể được chạy trên nhiều nền tảng hệ điều hành khác nhau bao gồm Windows, Mac OSX và Linux
Nhận diện hình ảnh hoặc thị giác máy tính là một kỹ thuật tìm kiếm các cách để tự động hóa tất cả công việc mà một hệ thống thị giác của con người có thể làm Hãy nhắc đến những cái tên như TensorFlow của Google, DeepFace của Facebook, Dự án Oxford của Microsoft Chúng đều là những ví dụ tuyệt vời về hệ thống nhận diện hình ảnh học sâu Mặt khác, các API được lưu trữ cho phép các doanh nghiệp tiết kiệm một số tiền lớn cho các nhóm phát triển Ví dụ như Google Cloud Vision, Clarifai, Imagga…
Hình 3 24 Nhận diện con người ở Trung Quốc
Ứng dụng của phân tích hình ảnh không có giới hạn Sự phát triển của công nghệ mở ra nhiều cơ hội cho doanh nghiệp Giải pháp nguồn mở và công cụ học sâu đã đưa phân tích hình ảnh lên một tầm cao mới.
Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 3 25 Sơ đồ khối của hệ thống
Sơ đồ khối gồm 4 khối chính: Khối nguồn, khối đầu vào, khối đầu ra và khối điều khiển trung tâm
- Nguồn 220V cung cấp cho bộ nguồn tổ ong để chuyển đổi thành nguồn 24VDC, nguồn tổ ong sẽ cung cấp tải cho các thiết bị như :PLC, nút nhấn, rơ le, cảm biến tiệm cận
- Nguồn 12VDC cung cấp cho tải hoạt động như: bơm, chổi…
- Cảm biến tiệm cận: Để phát hiện xe khi xe đi đến
- Nút nhấn: Gồm 3 nút nhấn được sử dụng để điều khiển quá trình hoạt động của mô hình
- Các thiết bị mà ta cần phải điều khiển role trung gian và động cơ băng tải
- Chúng thực hiện các lệnh mà bộ điều khiển trung tâm yêu cầu
* Khối điều khiển trung tâm:
-PLC S7-1200 1214 DC/DC/DC để lập trình điều khiển toàn bộ hệ thống.
Bảng phân công đầu vào và đầu ra
Bảng 3.2 Phân công cổng đầu vào
STT Đầu vào Quy định tên
Bảng 3.3 phân công cổng đầu ra
STT Đầu ra Quy định tên
3 Q0.2 Động cơ bơm xà phòng
Sơ đồ mạch của hệ thống
Hình 3 26 Sơ đồ mạch điện
Lưu đồ thuật toán
Hình 3 27 Lưu đồ thuật toán
Chương trình điều khiển
* Chương trình Python import cv2 as cv import numpy as np from matplotlib import pyplot as plt import math from pymodbus.client import ModbusTcpClient client = ModbusTcpClient('192.168.0.1', portP2) client.connect()
UNIT = 0x10 client.write_coil(1, True) result = client.read_coils(1, 1) print(f"Result of coil 1: {result.bits[0]}") cap = cv.VideoCapture(1) threshold = 127 while (1): ret, img = cap.read() img = img[100:600, 120:400] imgGray = cv.cvtColor(img, cv.COLOR_BGR2GRAY) ret, thresh2 = cv.threshold(imgGray, threshold, 255, cv.THRESH_BINARY_INV) k = cv.waitKey(1) if k == 27: break elif k == ord('w'): if threshold < 255: threshold = threshold + 1 elif k == ord('x'): if threshold > 0: threshold = threshold – 1 nPixel = thresh2.size nPixelMask = cv.countNonZero(thresh2)
Data = (nPixelMask / nPixel) * 100 print(int(Data)) cv.putText(img, "threshold: "+str(threshold),(0,30), cv.FONT_HERSHEY_SIMPLEX,
1, (255, 255, 255), 2) cv.imshow("org", img) cv.imshow("threshold", thresh2) client.write_register(0, int(Data), unit=UNIT) cv.destroyAllWindows()
THỬ NGHIỆM, PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT QUẢ
Kết quả đạt được
Sau một khoảng thời gian, nghiên cứu lên ý tưởng cùng với sự giúp đỡ tận tình của giảng viên hướng dẫn T.S Nguyễn Phú Sinh thì:
- Ứng dụng các phần mềm TIA Portal để lập trình điều khiển hệ thống, Auto Cad để vẽ sơ đồ đi dây của hệ thống
- Tự thiết kế và thi công lắp đặt mô hình Nhóm đã hoàn thành được mô hình và chạy thực nghiệm như dự kiến ban đầu đề ra của đề tài Khắc phục được vấn đề trong quá trình lập trình cũng như thực hiện phần cứng
- Trong phần xử lý ảnh, mô hình đã xử lý được 3 mức độ bẩn khác nhau
- Nâng cao được kỹ năng lập trình cũng như tìm hiểu và sử dụng thành thạo các thiết bị được sử dụng trong đề tài.
Ưu điểm
- Các thành viên làm việc tích cực
- Mô hình hoạt động ổn định
- Mô hình đáp ứng được nhu cầu đề ra
- Mô hình dễ điều khiển sử dụng
Nhược điểm
- Tính thẩm mỹ chưa cao
- Gặp nhiều vấn đề trong quá trình thực hiện cảm biến hồng ngoại đôi khi bị nhiễu
Định hướng phát triển
Do thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện đề tài Rất mong nhận được những góp ý từ thầy cô và các bạn Chúng em xin cảm ơn!