MỤC LỤC MỤC LỤC 2 DANH MỤC HÌNH ẢNH 4 LỜI MỞ ĐẦU 6 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG DÁN NHÃN TỰ ĐỘNG 7 1.1. Đặt vấn đề: 7 1.2. Mục tiêu đề tài: 7 1.3. Đối tượng nghiên cứu: 7 1.4. Ý nghĩa đề tài: 8 1.5. Ứng dụng: 8 1.6. Kết luận chương 1 8 CHƯƠNG II: CÁC THÀNH PHẦN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 9 2.1. Giới thiệu chung về PLC: 9 2.1.1. Tổng quan 9 2.1.2. Phần cứng PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC 16 2.1.2.1. Giới thiệu chung: 16 2.1.2.2. Bảng tín hiệu 16 2.1.2.3. Các module tín hiệu 17 2.1.2.4. Các module truyền thông 18 2.1.3. Phần mềm SIMATIC TIA Portal V16 18 2.2. Giao diện giám sát WINCC 21 2.2.1. Giới thiệu chung: 21 2.2.2. Chức năng của WinCC (HMI) 22 Các bước cấu hình và kết nối WinCC với PLC: 22 2.3. Các thiết bị sử dụng: 25 2.3.1. Băng tải: 25 2.3.2 Động cơ băng tải 26 3.2.3. Nút ấn , đèn báo 28 3.2.4. PLC S7-1200 29 3.2.5. Cảm biến 30 2.3. Kết luận chương 2 32 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 33 3.1. Yêu cầu hệ thống: 33 3.2. Sơ đồ khối hệ thống 33 3.3. Lưu đồ thuật toán và nguyên lý hoạt động 34 3.3.1. Chế độ Auto: 35 3.1.2. Chế độ Manu: 36 3.4. Chương trình hoạt động 36 3.4.1. Bảng quy ước ngõ vào ngõ ra: 37 3.5. Giao diện giám sát trên WinCC 43 3.6.. Kết luận chương 3 45 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1. Module PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC 16 Hình 2.2: Các bảng tín hiệu 17 Hình 2.3: Module tín hiệu 17 Hình 2.4: Biểu tượng TIA Portal V16 19 Hình 2.5 : Giao diện tạo file mới trên phần mềm Tia Portal 19 Hình 2.7 : Giao diện Project mới tạo 20 Hình 2.9 : Cổng kết nối HMI trên WinCC 23 Hình 2.10: Gọi khối IE general 23 Hình 2.12 : PLC và WinCC đã được kết nối 25 Hình 2.13 : Băng tải 25 Bảng 2.1 : Thông số kỹ thuật băng tải PVC xanh nhám 5mm mã sản phẩm SBPV50AG2HNN 26 Hình 2.14 : Động cơ băng tải 27 Hình 2.15. Cấu tạo của mortor DC 29 Hình 2.16 : Nút nhấn 29 Hình 2.17 : Đèn báo 30 Hình 2.18 : PLC S7-1214 DC/DC/DC 31 Hình 2.20. Cảm biến E18-D80NK 32 Hình 2.21. Sơ đồ chân của E18-D80NK 33 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 34 Hình 3.2: Lưu đồ thuật toán hệ thống 35 Hình 3.3: Lưu đồ thuật toán chế độ Auto 36 Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán chế độ Manu 37 Hình 3.5: Các biến đầu vào 38 Hình 3.6: Các biến đầu ra 38 Hình 3.7: Các biến nhớ trung gian 38 Hình 3.8: Tag các biến trên WinCC 45 Hình 3.9: Giao diện giám sát trên WinCC 45 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay trước những sự phát của khoa học kỹ thuật việc áp dụng khoa học công nghệ vào trong thực tế sản xuất đang được phát triển rộng rãi về mặt quy mô lẫn chất lượng. Trong đó ngành tự động hóa chiếm một vai trò rất quan trọng không những giảm nhẹ sức lao dộng cho con người mà còn góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm, chính vì thế ngành tự dộng hóa ngày càng khẳng định được vị trí cũng như vai trò của mình trong các ngành công nghiệp và đang được phổ biến rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp trên toàn thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Xuất phát từ thực tế, trong quá trình học tập tại Trường Đại học công nghệ và truyền thông Thái Nguyên, được sự chỉ bảo và hướng dẫn tận tình của các thầy cô trong khoa kĩ thuật và công nghệ và đặc biệt là Thầy giáo ThS. Trần Xuân Trọng án với đề tài: “Thiết kế hệ thống dán nhãn tự động sử dụng PLC S7-1200”. Nội dung đề tài báo cáo của em gồm 4 chương: Chương 1: Giới thiệu hệ thống dán nhãn tự động. Chương 2: Các thành phần sử dụng trong hệ thống Chương 3: Thiết kế, mô phỏng hệ thống.. Việc hoàn thành đề tài này sẽ không tránh được những sai lầm thiếu sót. Em rất mong được sự phê bình, đánh giá của các thầy cô để em có thể rút ra được kinh nghiệm cũng như phát triển thêm đề tài. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG DÁN NHÃN TỰ ĐỘNG 1.1. Đặt vấn đề: Nhằm phục vụ nhiệm vụ hiện đại hóa quy trình sản xuất, hệ thống dán nhãn sản phẩm ra đời là một công cụ hiệu quả giúp thay thế con người trong công việc dán nhãn, nó đã góp phần nâng cao hiệu quả trong công việc. Một hệ thống hoàn chỉnh có thể dán nhãn các sản phẩm với độ tin cậy cao, hoạt động liên tục và giảm tối đa thời gian trì hoãn hệ thống. Hơn thế nữa, đối với những công việc đòi hỏi sự tập trung cao và có tính tuần hoàn, nên các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc. Điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất. Đi cùng với sự phát triển của các nghành công nghiệp khoa học kĩ thuật điện tử mà trong đó kĩ thuật số, tự động hóa đóng vai trò vô cùng quan trọng trong mọi lĩnh vực. Xuất phát từ thực tế của các nhà máy xí nghiệp sản xuất, em thấy được nhiều khâu tự động hóa trong quá trình sản xuất. Một trong những khâu đơn giản trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là sản phẩm làm ra được dánmột cách tự động. Điều này giúp quá trình dán nhãn chính xác, nhanh chóng, mất ít thời gian hơn so với đếm tay và tiết kiệm nhân công. Vì vậy, hệ thống dán nhãn sản phẩm tự động ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này. Hệ thống dán nhãn sản phẩm hiện nay có rất nhiều trong ứng dụng thực tế trong các nhà máy xí nghiệp. 1.2. Mục tiêu đề tài: Tìm hiểu quy trình dán nhãn tự động từ các nhà máy sản xuất đóng chai trong và ngoài nước. Nghiên cứu và chế tạo mô hình dán nhãn tự động làm tiền đề cho việc nghiên cứu các hệ thống sản xuất trong các nhà máy này. 1.3. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống dán nhãn các sản phẩm dạng lỏng. Phạm vi: + Modul điều khiển chính cho mô hình Hệ thống dán nhãn + Nghiên cứu các loại cảm biến phụ vụ cho mục đích của đề tài: cảm biến hồng ngoại,.. + Các động cơ, motor,… 1.4. Ý nghĩa đề tài: - Vận dụng được những kiến thức có được trên giảng đường vào việc nghiên cứu, chế tạo hệ thống dán nhãn tự động. - Kết hợp các môn học chuyên ngành như cảm biến trong điều khiển, PLC nâng cao, Truyền thông công nghiệp và SCADA. - Trau dồi kỹ năng trả giá, tìm hiểu thị trường linh kiện, khả năng thay thế các chi tiết khác so với tính toán lý thuyết. - Làm quen với văn bản luận văn, luận án, để sau này khi trình bày bất kì ý tưởng nào đều theo mẫu chuẩn để người đọc dễ dàng nắm bắt thông tin. - Giúp bản thân sinh viên tự tin hơn trong thuyết trình, thuyết phục và đưa ra ý tưởng trước hội đồng giảng viên. Và tự tin hơn khi tham gia vào bất kỳ tập thể công ty nào. 1.5. Ứng dụng: Đề tài mà em thiết kế có nhiều ứng dụng quan trọng trong các dây chuyển sản xuất nước ngọt. trong các dây chuyền sản xuất Nước tinh khiết, Nước ngọt, Nước mắm,... trong các dây chuyền chiết rót và đóng nắp sản phẩm hay trong sản xuất (như Nước ngọt, nước tinh khiết)… Hệ thống sẽ giúp nhà sản xuất tốn ít nhân công lao động và giảm thiểu thời gian làm việc, nâng cao năng suất lao động và hiệu quả nhất định trong sản xuất. 1.6. Kết luận chương 1 Trong chương một em đã đi khảo sát tổng quan về đặc điểm, yêu cầu và ứng dụng của hệ thống dán nhãn tự động trong sản xuất công nghiệp. Trong chương em sẽ đi phân tích các thành phần sử dụng trong hệ thống. CHƯƠNG II: CÁC THÀNH PHẦN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 2.1. Giới thiệu chung về PLC: 2.1.1. Tổng quan Giới thiệu Kỹ thuật điện tử đã phát triển nó góp phần không nhỏ và sản xuất công nghiệp. Nhất là trong giai đoạn hội nhập hiện nay. Các doanh nghiệp không ngần ngại hạ giá thành sản phẩm tăng sức cạnh tranh với các công ty khác. Một trong những giải pháp về trang thiết bị hiện đại này là PLC. PLC có khả năng vận hành tự động theo một quy trình định sẵn mà không cần có sự tham gia của con người lúc vận hành. Bởi tất cả những gì cần thiết cho ra đời một loạt sản phẩm đã tích hợp tất cả trong một thiết bị nhỏ gọn đó là PLC. Hệ thống tự động này gần như tối ưu khi kết hợp với máy vi tính để điều khiển và kiểm soát quá trình sản xuất hoàn toàn chỉ trên máy vi tính. Thật ra hệ thống điều khiển tự động này đã xuất hiện từ năm 1970 và nhanh chóng trở thành sự lựa chọn cho việc sản xuất. Nhưng ở Việt Nam, còn khá nhiều công ty hoàn toàn xa lạ với PLC. Tại sao như vậy? Về giá thành? Đúng là PLC còn khá đắt nhưng chỉ với một công ty sản xuất thì giữa đầu tư ban đầu đó với những lợi ích nó đem lại thì giá thành không đáng quan tâm lắm. Thật ra là do ngại thay đổi, do chưa hiểu nhiều về PLC nên khi vận hanh, bảo trì, bảo dưỡng, thay đổi chương trình gặp không ít khó khăn cho người sử dụng. Vì vậy cần chủ động tiếp cận, khi nắm bắt được rồi vấn đề chuyển giao công nghệ không còn đáng lo và PLC có thể hiện tính ưu việt nhờ sự hiểu biết của người sử dụng. Vậy PLC là gì? Hy vọng nội dung được đề cập trong đồ án này giúp người đọc hiểu hơn về PLC. PLC là viết tắt của Programmable Logic Controller có nghĩa là thiết bị điều khiển logic khả trình. Sự phát triển của PLC đã mang lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn. Nó có khả năng thay thế hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơle (loại thiết bị phức tạp và cồng kềnh); khả năng điều khiển dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản; khả năng định thời, đếm; giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ; khả năng tạo lập, gởi đi, tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm soát sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng của máy hoặc một dây chuyển công nghiệp. => Như vậy những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và tích hợp trong môi trường công nghiệp: - Khả năng kháng nhiễu tốt. - Cấu trúc dạng module rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải tạo nâng cấp... - Có những module chuyên dụng để thực hiện chức năng đặc biệt hay những module truyền thông để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc qua mạng internet. - Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động. - Thuộc vào hệ sản xuất linh hoạt do tính thay đổi được do chương trình hoặc thay đổi trực tiếp các thông số mà không cần thay đổi lại chương trình. Cấu trúc phần cứng của PLC Các thành phần cơ bản của một PLC thường có các module phần cứng sau: + Module nguồn. + Module đơn vị xử lý trung tâm. + Module bộ nhớ chương trình và dữ liệu. + Module đầu vào. + Module đầu ra. + Module phối ghép (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông nội bộ). + Module chức năng (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông mạng). Cấu trúc bộ nhớ PLC Bộ nhớ chia làm 3 vùng chính + Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình được chia làm miền: Organisation block: Miền chứa chương trình tổ chức, chứa chương trình chính, các lệnh trong khối này luôn được quét. Subroutine (Chương trình con): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và có biến hình thức để trao đổi dữ liệu, chương trình con này sẽ được thực hiện khi nó được gọi trong chương trình chính.Interrup (Chương trình ngắt): Miền chứa chương trình ngắt được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác. Chương trình này sẽ được thực hiện khi có sự kiện ngắt xảy ra. Có rất nhiều sự kiện ngắt như: Ngắt thời gian, ngắt xung tốc độ cao. + Vùng chứa tham so của hệ điêu hành: chia thành miền khác nhau: I (Process Image Input): Miền dữ liệu các cổng vào số, trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I. Thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của công vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I. Q (Process Image Output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số. Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chúng tới bộ đệm Q. M (Miền các biến cờ): Chương trình ứng dụng sử dụng những biến này dể lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập theo bit (M), byte (MB), từ (MW) hay từ kép (MW). T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu giữ giá trị thời gian đặt trước (PV- Preset Value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV- Current Value) cũng như giá trị Logic đầu ra của bộ thời gian. C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt trước (PV- Preset Value), giá trị đếm tức thời (CV- Current Value) và giá trị logic đầu ra của bộ đệm. Vùng dữ liệu. Vùng dữ liệu là một vùng nhớ động. Nó có thể được truy cập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn (word) hay từ kép (double word) và được sử dụng làm miền lưu trữ dữ liệu cho các thuật toán, các hàm truyền thông, lập bảng, các hàm dịch chuyển, xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ... Xử lý chương trình PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng việc đọc dữ liệu từ các cổng vào cùng bộ đệm ảo, tiếp theo giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương trình thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh kết thúc. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông và kiểm tra lỗi, vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyền các nội dung của bộ đệm ảo đến cổng ra. Cấu trúc chương trình Chương trình trong S7-1200 được lưu trong bộ nhớ PLC ở vùng dành riêng cho chương trình và có thể được lập với 2 dạng cấu trúc khác nhau: Lập trình có cấu trúc: chương trình được chia thành những phần nhỏ và mỗi phần thực thi những nhiệm vụ riêng biệt của nó, từng phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau. Loại hình cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiểu nhiệm vụ và phức tạp. PLC S7-1200 có 3 loại khối cơ bản sau: Loại khối organization Block: khối tổ chức và quản lí chương tình điều khiển. khối này luôn được thực thi và luôn được quét trong mỗi chu kì quét. Loại khối chương trình con: Khối chương trình với những chức năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm (chương trình con có biến hình thức). Một chương trình ứng dụng có nhiểu khối chương trình con và các khối chương trình con này được phân biệt với nhau bằng tên của chương trình con đó. Lập trình tuyến tính: toàn bộ chương trình nằm trong một khối bộ nhớ. Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động nhỏ. Không phức tạp. Khối được chọn phải là khối organization Block mà PLC luôn quét và thực hiện tổng các lệnh đó thường xuyên. Từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối và quay lại lệnh đầu tiên. Loại khối chương tình ngắt: là khối chương trình đặc biệt có khả năng trao đổi 1lượng lớn với các khối chương trình khác. Chương trình sẽ được thực thi mỗi khi có sự kiện ngắt xảy ra. Dòng sản phẩm PLC đầu tiên của Siemens là PLC S7-200. Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200. Bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-1200 mang lại tính năng linh hoạt và sức mạnh điều khiển nhiều thiết bị đa dạng. Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ khiến cho PLC S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng nhỏ. Module CPU của PLC S7-1200 tích hợp bộ vi xử lý, bộ nguồn, ngõ vào/ra, cổng mạng PROFINET, các bộ đếm tốc độ cao (HSC), các ngõ vào tương tự tạo nên một bộ điều khiển có tính năng mạnh mẽ. Module CPU cung cấp một cổng PROFINET dành cho việc trao đổi thông tin qua mạng PROFINET. Một số các module truyền thông mở rộng khác cho phép ghép nối và truyền thông PLC S7-1200 qua mạng PROFIBUS, GPRS, RS485, RS232, IEC, DNP3 và WDC. Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic. Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens. Phân loại Có nhiều cách phân loại PLC S7-1200. Theo bộ vi xử lý, PLC S7-1200 được phân chia thành 5 dòng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU1214C, CPU 1215C, CPU 1217C. Theo nguồn nuôi cung cấp cho CPU, ngõ vào và ngõ ra tích hợp trên CPU: Loại AC/DC/RLY: nguồn nuôi cấp cho CPU là xoay chiều, ngõ vào 1 chiều, ngõ ra xoay chiều hoặc 1 chiều. Loại DC/DC/RLY: nguồn nuôi cấp cho CPU là một chiều, ngõ vào 1 chiều, ngõ ra xoay chiều hoặc 1 chiều. Loại DC/DC/DC: nguồn nuôi cấp cho CPU, ngõ vào, ngõ ra đều là 1 chiều. Ưu điểm và ứng dụng Ưu điểm: + Giảm đến 80% số lượng dây nối. + Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp . + Khả năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho việc sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng. + Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình, khi không có các yêu cầu thay đổi các đầu vào ra thì không cần phải nâng cấp phần cứng + Giảm thiểu số lượng rơle và timer so với hệ điều khiển cổ điển. + Không hạn chế số lượng tiếp điểm sử dụng trong chương trình. + Thời gian để một chu trình điều khiển hoàn thành chỉ mất vài ms, điều này làm tăng tốc độ và năng suất PLC . + Chương trình điều khiển có thể được in ra giấy chỉ trong thời gian ngắn giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống. + Chức năng lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học. + Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo quản, sửa chữa. + Dung lượng chương trình lớn để có thể chứa được nhiều chương trình phức tạp. + Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp. + Dễ dàng kết nối được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, kết nối mạng Internet, các Modul mở rộng. + Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ. + Giá bán cạnh tranh. Đặc trưng của tất cả các dòng PLC bất kì là khả năng có thể lập trình được, chỉ số IP ở dải quy định cho phép PLC hoạt động trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, yếu tố bền vững thích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thay thế và hiệu chỉnh chương trình dễ dàng, khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mở rộng số lượng đầu vào nhập và đầu ra xuất được đáp ứng tuỳ nghi trong khả năng trên có thể xem là các tiêu chí đầu tiên cho chúng ta khi nghĩ đến thiết kế phần điều khiển trung tâm cho một hệ thống hoạt động tự động. Ứng dụng Từ các ưu điểm nêu trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như: + Hệ thống nâng vận chuyển. + Dây chuyền đóng gói + Các robot lắp giáp sản phẩm . + Điều khiển bơm. + Dây chuyền xử lý hoá học. + Công nghệ sản xuất giấy . + Dây chuyền sản xuất thuỷ tinh. + Sản xuất xi măng. + Công nghệ chế biến thực phẩm. + Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn. + Dây chuyền lắp giáp Tivi. + Điều khiển hệ thống đèn giao thông. + Quản lý tự động bãi đậu xe. + Hệ thống báo động. + Dây chuyền may công nghiệp. + Điều khiển thang máy. + Dây chuyền sản xuất xe ôtô. + Sản xuất vi mạch. + Kiểm tra quá trình sản xuất . 2.1.2. Phần cứng PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC 2.1.2.1. Giới thiệu chung: Hình 2.1. Module PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC Bộ phận kết nối: Các bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các nắp che). Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên. Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp. Bộ phận kết nối PROFINET ( phía trên của CPU) 2.1.2.2. Bảng tín hiệu Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU. Người dùng có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự. SB kết nối vào phía trước của CPU. SB .với 4 I/O kiểu số ( ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC) SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự. Hình 2.2: Các bảng tín hiệu Các LED trạng thái trên SB Bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo ra 2.1.2.3. Các module tín hiệu Người dùng có thể sử dụng ccá module tín hiệu để thêm vào CPU các chức năng. Hình 2.3: Module tín hiệu Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu Bộ phận kết nối đường dẫn Bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo ra 2.1.2.4. Các module truyền thông Họ S7 – 1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng bổ sung vào hệ thống. Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485. CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU ( hay về phía bên trái của một CM khác) 2.1.3. Phần mềm SIMATIC TIA Portal V16 Phần mền SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic chạy hệ điều hành Windows, phần mềm làm nhiệm vụ trung gian giữa người lập trình và PLC. Để lập trình SIMATIC S7 1200 từ PC hay Laptop cần một kết nối TCP/IP Để PC và SIMATIC S7 1200 có thể giao tiếp với nhau, điều quan trọng là các địa chỉ IP của cả hai thiết bị phải phù hợp với nhau. Sau đây là cách tạo một prọect trên phần mềm. Một số thao tác cơ bản khi làm quen với phần mềm Bước 1: Kích đúp chọn biểu tượng Tia Portal V16 từ màn hình Desktop Hình 2.4: Biểu tượng TIA Portal V16 Bước 2: Click chuột vào Create new prọect để tạo dự án Đặt tên cho dự án => Create Hình 2.5 : Giao diện tạo file mới trên phần mềm Tia Portal Bước 3: Chọn loại CPU Chọn Device & Networks => Add new device => Controller: chọn CPU 1214C DC/DC/DC 6ES7 214-1AG40-0XB0 => Add. Hình 2.6 : Các loại CPU trong PLC S7-1200 Bước 4: Project mới tạo được hiện ra Hình 2.7 : Giao diện Project mới tạo 2.2. Giao diện giám sát WINCC 2.2.1. Giới thiệu chung: WinCC là một trong những chương trình ứng dụng cho mạng HMI, SCADA trong lĩnh vực dân dụng cũng như công nghiệp. Hình 2.8 : Mô phỏng hệ thống xử lý nước thải trên WinCC WinCC ( Windows Control Center) là phần mềm của hãng Simens dùng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất. Nói rõ hơn, WinCC là chương trình dùng để thiết kê sgiao diện Ngưởi và Máy – HMI ( Human Machine Interface) trong hệ thống SCADA ( Supervision Controller And Data Acquisition), với chức năng chính là thu thập số liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất. Với WinCC, người dùng có thể trao đổi dữ liệu với PLC của nhiều hãng khác nhau như: Siemens, Mitsubishi, Allen braddly, Omron,… thông qua cổng COM với chuẩn RS232 của PC và chuẩn RS485 của PLC. Với WinCC, ta có thể tận dụng nhiều giải pháp khác nhau cho để giải quyết công việc, từ thiết kế cho hệ thống có quy mô nhỏ đến quy mô lớn, hệ thống thực hiện sản xuất – MES (Manufacturing Excution System). WinCC có thể mô phỏng bằng hình ảnh các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng chuổi sự kiện. Để đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng phát triển, WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị, thông báo, ghi báo cáo, xử lý thông tin đo lường, các tham số công thức,.. và là một trong những chương trình thiết kế giao diện Người và Máy – HMI được tin dùng nhất hiện nay. 2.2.2. Chức năng của WinCC (HMI) Hiện thị quá trình: Quá trình được hiển thị trên thiết bị HMI (WinCC). Màn hình trên thiết bị HMI được cập nhật một cách năng động. Điều này được dựa trên các sự chuyển tiếp quá trình. Điều khiển vận hành của quá trình: Người vận hành có thể điều khiển quá trình bởi GUI. Ví dụ, người vận hành có thể đặt trước các giá trị tham khảo cho điều khiển hay khởi động một động cơ. Hiển thị các cảnh báo: Các quá trình nghiêm trọng tự động khởi động phắt báo động.Ví dụ, khi giá trị đặt được vượt quá. Lưu trữ dữ liệu và cảnh báo các quá trình Hệ thống HMI có thể ghi lại các cảnh báo và giá trị quá trình. Tính năng này cho phép bạn lưu trữ các dãy quá trình và lấy ra các dữ liệu của sản xuất trước đó. Ghi chép các giá trị cảnh báo và giá trị quá trình: Hệ thống HMI có thể đưa ra các cảnh báo giá trị quá trình và các cảnh báo. Tính năng này cho phép bạn in ra các dữ liệu sản xuất ở cuối của ca làm việc. Quản lý thông số máy móc và quá trình: Hệ thống HMI có thể lưu giữu các thông số của quá trình và máy móc dưới dạng công thức. Ví dụ, bạn có thể dowload những thông số trên một đường dẫn từ thiết bị HMI tới PLC để thay đổi toàn kiểu sản xuất của sản phẩm. Các bước cấu hình và kết nối WinCC với PLC: Bước 1: Từ giao diện của TIA Portal. Ta chọn Add new device. Khi hiển thị ô cửa sổ như hình bên dưới, ta chọn PC systems => SIMATIC HMI APPLICATION => WinCC RT Advanced => OK Hình 2.9 : Cổng kết nối HMI trên WinCC Bước 2: Sau khi hoàn thành bước 1, sẽ hiển thị giao diện như hình bên dưới. Ta chọn Communications modules → PROFINE T/Ethernet → IE general. Hình 2.10: Gọi khối IE general Bước 3: Sau đó, ta chọn Network view, sẽ hiển thị ra giao diện như hình dưới, sau đó ta nối PLC_1 với PC-System_1 Hình 2.11 : Kết nối PLC_1 với PC-Systems_1 Bước 4: Sau khi đã hoàn thành bước 3, ta chọn Connection và tiến hành nối PLC_1 với WinCC RT Advanced. Sau khi đã hoàn thành ta sẽ được như hình bên dưới: Hình 2.12 : PLC và WinCC đã được kết nối 2.3. Các thiết bị sử dụng: 2.3.1. Băng tải: Băng tải (băng chuyền) hiểu đơn giản là một máy cơ khí dùng để vận chuyển các đồ vật từ điểm này sang điểm khác, từ vị trí A sang vị trí B. Thay vì vận chuyển sản phẩm bằng công nhân vừa tốn thời gian, chi phí nhân công lại tạo ra môi trường làm việc lộn xộn thì băng chuyền tải có thể giải quyết điều đó. Nó giúp tiết kiệm sức lao động, số lượng nhân công, giảm thời gian và tăng năng suất an toàn lao động. Vì vậy băng chuyền, băng tải là một trong những bộ phận quan trọng trong dây chuyền sản xuất, lắp ráp của các nhà máy, xí nghiệp. Góp phần tạo nên một môi trường sản xuất hiện đại, khoa học và giải phóng sức lao động mang lại hiệu quả kinh tế cao cho công ty. Hình 2.13 : Băng tải Chất liệu băng tải PVC Màu sắc băng tải Xanh táo Chiều dày băng tải 5 mm Số lớp bố 2 Bề mặt băng tải Mặt nhám Loại băng tải Loại thường Đường kính rulo nhỏ nhất 80 mm Lực kéo dãn 1% 10 N/mm Lực kéo đứt 120 N/mm Nhiệt độ làm việc -10÷80°C Trọng lượng băng tải 4.5 kg/m² Bảng 2.1 : Thông số kỹ thuật băng tải PVC xanh nhám 5mm mã sản phẩm SBPV50AG2HNN 2.3.2 Động cơ băng tải Giới thiệu Động cơ điện một chiều là máy điện chuyển đổi năng lượng điện một chiều sang năng lượng cơ. (Máy điện chuyển đổi từ năng lượng cơ sang năng lượng điện là máy phát điện). Động cơ DC giảm tốc V1 là loại được lựa chọn và sử dụng nhiều nhất hiện nay cho các mô hình, thiết kế Robot đơn giản... Động cơ DC giảm tốc V1 có chất lượng tương đối cùng với khả năng dễ lắp ráp đem lại sự tiện dụng. Hình 2.14 : Động cơ băng tải Cấu tạo & Hoạt động Gồm có 3 phần chính stator (phần cảm), rotor (phần ứng), và phần chỉnh lưu (chổi than và cổ góp). + Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện. + Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều. + Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor. Pha 2: Rotor tiếp tục quay Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1 Hình 2.15. Cấu tạo của mortor DC; Hình a: Pha 1 của stato; Hình b: Pha 2 của stato;Hình c: Pha 3 của stato 3.2.3. Nút ấn , đèn báo Nút nhấn tủ điện là một loại khí cụ dùng để đóng/ngắt các thiết bị điện, máy móc hoặc một số loại quá trình trong điều khiển. Nút nhấn thường được đặt trên bảng điều khiển, tủ điện, công tắc nút nhấn,... Khi thao tác với nút ấn, quý khách cần dứt khoát để mở hoặc đóng mạch điện. Hầu hết, các nút nhấn tủ điện được làm từ nhựa hoặc kim loại. Hình dạng và kích thước được thiết kế để phù hợp với ngón tay và bàn tay của người vận hành. Nút ấn được thiết kế và sản xuất theo tiêu chuẩn cao, có kiểu dáng đẹp, kết cấu chất lượng, chắc chắn, dễ dàng lắp đặt và thay thế. Hình 2.16 : Nút nhấn Đèn báo được hiểu là đèn chỉ thị được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực như trong các loại tàu thuỷ, máy móc thiết bị sản xuất, trong các tủ điện điều khiển, tủ điện phân phối. Đèn báo tuy có giá thành không cao nhưng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện công nghiệp vì đèn báo giúp người sử dụng biết được trạng thái nguồn điện đang bật hay tắt, đèn báo trên thiết bị có vai trò thể hiện tình trạng hoạt động của thiết bị hay một hệ thống có bình thường hay đang bị lỗi Hình 2.17 : Đèn báo 3.2.4. PLC S7-1200 PLC (viết tắt của Programmable Logic Controller) là thiết bị cho phép lập trình thực hiện các thuật toán điều khiển logic. Bộ lập trình PLC nhận tác động các sự kiện bên ngoài thông qua ngõ vào (input) và thực hiện hoạt động thông qua ngõ ra (output). PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi bất kỳ từ ngõ vào, dựa theo logic chương trình ngõ ra tương ứng sẽ thay đổi. Hình 2.18 : PLC S7-1214 DC/DC/DC 3.2.5. Cảm biến Cảm biến trong tiếng Anh được gọi là sensor, đây là thiết bị được sử dụng để phát hiện và phản hồi các tín hiệu đầu vào từ môi trường vật lý như độ ẩm, áp suất, ánh sáng, nhiệt độ, chuyển động và một số hiện tượng về môi trường khác. Các tín hiệu đầu ra chính là các tín hiệu điện được chuyển đổi và có thể đọc được ở trên màn hình bao gồm các thông tin liên quan đến vị trí cảm biến hoặc truyền điện tử qua mạng để đọc và xử lý. Hình 2.19 : Các loại cảm biến Lâu nay, chúng ta đã quen với việc sử dụng cảm biến siêu âm để phát hiện vật cản, tuy nhiên điểm yếu của nó là dễ bị nhiễu. Để khắc phục điểm yếu trên, đồ án đã sử dụng một phương pháp phát hiện vật cản khác. Đó chính là sử dụng hồng ngoại, mà cụ thể hơn là sử dụng cảm biến E18-D80NK thường ứng dụng cho các đặc tính Robot tránh vật cản, trên các dây chuyền phát hiện sản phẩm, các bộ reminder đa chức năng..v.v.. Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK dùng ánh sáng hồng ngoại để xác định vật cản cho độ phản hồi nhanh và rất ít nhiễu do sử dụng mắt nhận và phát tia hồng ngoại theo tần số riêng biệt. Cảm biến có thể chỉnh khoảng cách hoạt động thông qua biến trở ở phần cuối thân cảm biến. Hình 2.20. Cảm biến E18-D80NK Thông số kỹ thuật Điện áp hoạt động: 5VDC Khoảng cách hoạt động tối đa: ~80cm Dòng kích ngõ ra: 300mA Góc điểm: ~15o Thời gian hồi đáp: ~2ms Nhiệt độ môi trường làm việc: -25oC~50oC Ngõ ra dạng NPN cực thu hở giúp tùy biến được điện áp ngõ ra, trở treo lên áp bao nhiêu sẽ tạo thành điện áp ngõ ra bấy nhiêu. Chất liệu vỏ cảm biến: Nhựa Hiển thị ngõ ra bằng Led Kích thước: 1.8cm (D) x 7.0cm (L) Sơ đồ dây E18-D80NK có cách nối dây tương đối đơn giản: Màu nâu: VCC, nguồn dương 5VDC Màu xanh dƣơng: GND, nguồn âm 0VDC Màu đen: tín hiệu ngõ ra cực thu hở NPN, cần trở treo để tạo mức cao Hình 2.21. Sơ đồ chân của E18-D80NK 2.3. Kết luận chương 2 Tiếp theo chương 1, chương 2 em đã đi khảo sát sơ đồ công nghệ hệ thống dán nhãn tự động trong sản xuất công nghiệp từ đó tiến hành chọn thiết bị, lựa chọn phần mền code và mô phỏng. Trong chương 3, em sẽ đi xây dựng chương trình điều khiển, giao diện giám sát hệ thống thông qua công cụ WinCC. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1. Yêu cầu hệ thống: Hệ thống dán nhãn tự động bằng PLC S7-1200 với điều kiện đảm bảo tính ổn định, hiệu quả và dễ dàng quản lý. Trước hết, hệ thống phải được thiết kế để theo dõi và hoạt động chính xác. Hệ thống cần đảm bảo khả năng lập trình linh hoạt để dễ dàng điều khiển có chế độ bằng tay và tự động Về mặt giám sát, hệ thống phải hỗ trợ giao diện người-máy (HMI) hoặc khả năng kết nối từ xa qua mạng, cho phép người dùng dễ dàng kiểm tra, theo dõi và điều chỉnh hoạt động của hệ thống một cách trực quan và hiệu quả. Tất cả các yêu cầu này cần được đảm bảo thực hiện đồng bộ, nhằm tạo ra một hệ thống tự động hóa có độ tin cậy cao, dễ bảo trì, và tối ưu hóa hiệu suất sản xuất công nghiệp. 3.2. Sơ đồ khối hệ thống
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG DÁN NHÃN TỰ ĐỘNG
Đặt vấn đề
Hệ thống dán nhãn sản phẩm hiện đại hóa quy trình sản xuất, giúp thay thế lao động con người và nâng cao hiệu quả công việc Với độ tin cậy cao và khả năng hoạt động liên tục, hệ thống này giảm thiểu thời gian trì hoãn, đồng thời đảm bảo chính xác cho những công việc đòi hỏi sự tập trung Sự phát triển của công nghệ điện tử và tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong ngành sản xuất, với nhiều khâu tự động hóa, trong đó việc dán nhãn tự động giúp tiết kiệm thời gian và nhân công, nâng cao chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất.
Hệ thống dán nhãn sản phẩm tự động đã được phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong sản xuất Hiện nay, hệ thống này được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy và xí nghiệp, mang lại hiệu quả cao trong quy trình sản xuất.
Mục tiêu đề tài
Tìm hiểu quy trình dán nhãn tự động từ các nhà máy sản xuất đóng chai trong và ngoài nước.
Nghiên cứu và chế tạo mô hình dán nhãn tự động làm tiền đề cho việc nghiên cứu các hệ thống sản xuất trong các nhà máy này.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống dán nhãn các sản phẩm dạng lỏng. Phạm vi:
+ Modul điều khiển chính cho mô hình Hệ thống dán nhãn
+ Nghiên cứu các loại cảm biến phụ vụ cho mục đích của đề tài: cảm biến hồng ngoại,
Ý nghĩa đề tài
- Vận dụng được những kiến thức có được trên giảng đường vào việc nghiên cứu, chế tạo hệ thống dán nhãn tự động.
- Kết hợp các môn học chuyên ngành như cảm biến trong điều khiển, PLC nâng cao, Truyền thông công nghiệp và SCADA.
- Trau dồi kỹ năng trả giá, tìm hiểu thị trường linh kiện, khả năng thay thế các chi tiết khác so với tính toán lý thuyết.
Để trình bày ý tưởng một cách hiệu quả, việc làm quen với cấu trúc văn bản luận văn và luận án là rất quan trọng Điều này giúp đảm bảo rằng thông tin được truyền đạt một cách rõ ràng và dễ hiểu cho người đọc, từ đó nâng cao khả năng tiếp cận và ghi nhớ nội dung.
Giúp sinh viên tự tin hơn trong việc thuyết trình, thuyết phục và trình bày ý tưởng trước hội đồng giảng viên, đồng thời nâng cao sự tự tin khi tham gia vào các tập thể công ty.
Ứng dụng
Đề tài thiết kế của em có nhiều ứng dụng quan trọng trong các dây chuyền sản xuất nước ngọt, nước tinh khiết và nước mắm Hệ thống này sẽ tối ưu hóa quá trình chiết rót và đóng nắp sản phẩm, giúp nhà sản xuất giảm thiểu nhân công lao động, tiết kiệm thời gian làm việc, đồng thời nâng cao năng suất và hiệu quả trong sản xuất.
Kết luận chương 1
Trong chương một, tôi đã khảo sát tổng quan về đặc điểm, yêu cầu và ứng dụng của hệ thống dán nhãn tự động trong sản xuất công nghiệp Ở chương này, tôi sẽ phân tích các thành phần cấu thành hệ thống dán nhãn tự động.
CÁC THÀNH PHẦN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG
Giới thiệu chung về PLC
Kỹ thuật điện tử đã có sự phát triển mạnh mẽ, đóng góp quan trọng vào sản xuất công nghiệp, đặc biệt trong bối cảnh hội nhập hiện nay Các doanh nghiệp đang nỗ lực hạ giá thành sản phẩm để tăng sức cạnh tranh Một trong những giải pháp hiện đại cho vấn đề này là sử dụng PLC (Bộ điều khiển lập trình) PLC có khả năng tự động vận hành theo quy trình đã được lập sẵn mà không cần sự can thiệp của con người Tất cả các yếu tố cần thiết để sản xuất một loạt sản phẩm đều được tích hợp trong thiết bị nhỏ gọn này Hệ thống tự động này trở nên tối ưu khi kết hợp với máy vi tính, cho phép điều khiển và kiểm soát quá trình sản xuất hoàn toàn trên máy tính.
Hệ thống điều khiển tự động, xuất hiện từ năm 1970, đã trở thành lựa chọn phổ biến trong sản xuất, nhưng nhiều công ty tại Việt Nam vẫn chưa quen thuộc với PLC Nguyên nhân không chỉ do chi phí đầu tư ban đầu cao mà còn do sự ngại thay đổi và thiếu hiểu biết về PLC, dẫn đến khó khăn trong vận hành, bảo trì và thay đổi chương trình Để khai thác tối đa lợi ích của PLC, các công ty cần chủ động tìm hiểu và tiếp cận công nghệ này, từ đó giúp việc chuyển giao công nghệ trở nên dễ dàng hơn Hy vọng nội dung trong bài viết này sẽ giúp độc giả hiểu rõ hơn về PLC.
PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển logic khả trình, mang lại nhiều lợi ích trong việc nâng cao tốc độ và độ tin cậy của các thao tác máy Với khả năng thay thế hoàn toàn các phương pháp điều khiển truyền thống sử dụng rơle, PLC cho phép điều khiển linh hoạt và dễ dàng thông qua lập trình các lệnh logic cơ bản Nó cũng có khả năng định thời, đếm, giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ, cũng như tạo lập, gửi đi và tiếp nhận tín hiệu để kiểm soát các chức năng của máy hoặc dây chuyền công nghiệp.
=> Như vậy những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và tích hợp trong môi trường công nghiệp:
- Khả năng kháng nhiễu tốt.
- Cấu trúc dạng module rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải tạo nâng cấp
- Có những module chuyên dụng để thực hiện chức năng đặc biệt hay những module truyền thông để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc qua mạng internet.
- Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động.
Hệ sản xuất linh hoạt cho phép điều chỉnh các thông số mà không cần thay đổi chương trình, nhờ vào tính thay đổi linh hoạt của nó.
Cấu trúc phần cứng của PLC
Các thành phần cơ bản của một PLC thường có các module phần cứng sau:
+ Module đơn vị xử lý trung tâm.
+ Module bộ nhớ chương trình và dữ liệu.
+ Module phối ghép (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông nội bộ).
+ Module chức năng (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông mạng).
Cấu trúc bộ nhớ PLC
Bộ nhớ chia làm 3 vùng chính
+ Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình được chia làm miền:
Organisation block: Miền chứa chương trình tổ chức, chứa chương trình chính, các lệnh trong khối này luôn được quét.
Chương trình con (Subroutine) là một phần của mã nguồn được tổ chức thành các hàm, cho phép trao đổi dữ liệu qua các biến hình thức và được thực thi khi được gọi trong chương trình chính Trong khi đó, chương trình ngắt (Interrupt) cũng được tổ chức thành hàm, có khả năng giao tiếp với các khối chương trình khác và sẽ được thực hiện khi có sự kiện ngắt xảy ra, như ngắt thời gian hoặc ngắt xung tốc độ cao.
+ Vùng chứa tham so của hệ điêu hành: chia thành miền khác nhau:
Trước khi thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc và lưu trữ giá trị logic của tất cả các cổng vào số trong vùng nhớ I Thông thường, chương trình ứng dụng không truy cập trực tiếp trạng thái logic của cổng vào mà chỉ lấy dữ liệu từ bộ đệm I.
Miền bộ đệm Q chứa các dữ liệu cổng ra số và đóng vai trò quan trọng trong quá trình thực hiện chương trình Khi chương trình hoàn tất, PLC sẽ chuyển giá trị logic từ bộ đệm Q tới các cổng ra số Thông thường, giá trị không được gán trực tiếp tới cổng ra mà chỉ được chuyển qua bộ đệm Q trước.
M (Miền các biến cờ) là chương trình ứng dụng sử dụng các biến để lưu giữ các tham số cần thiết Người dùng có thể truy cập thông tin này theo đơn vị bit (M), byte (MB), từ (MW) hoặc từ kép (MW).
Bộ thời gian (Timer) đảm nhiệm chức năng quan trọng trong việc ghi nhớ các giá trị thời gian, bao gồm giá trị thời gian đã đặt trước (PV - Preset Value), giá trị đếm thời gian hiện tại (CV - Current Value) và giá trị Logic đầu ra của bộ thời gian.
C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt trước
(PV- Preset Value), giá trị đếm tức thời (CV- Current Value) và giá trị logic đầu ra của bộ đệm.
Vùng dữ liệu là khu vực bộ nhớ động cho phép truy cập theo từng bit, byte, từ đơn (word) hoặc từ kép (double word) Nó đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ dữ liệu cho các thuật toán, chức năng truyền thông, lập bảng, cũng như các thao tác dịch chuyển và xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ.
PLC hoạt động theo chu kỳ lặp, mỗi chu kỳ được gọi là một vòng quét Vòng quét bắt đầu bằng việc đọc dữ liệu từ các cổng vào cùng với bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong mỗi vòng quét, chương trình thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc Sau khi hoàn tất giai đoạn thực hiện, PLC tiến hành truyền thông và kiểm tra lỗi, kết thúc vòng quét bằng việc chuyển nội dung của bộ đệm ảo đến cổng ra.
Chương trình trong S7-1200 được lưu trong bộ nhớ PLC ở vùng dành riêng cho chương trình và có thể được lập với 2 dạng cấu trúc khác nhau:
Lập trình có cấu trúc chia chương trình thành các phần nhỏ, mỗi phần thực hiện nhiệm vụ riêng, giúp quản lý các bài toán phức tạp và điều khiển nhiều nhiệm vụ hiệu quả PLC S7-1200 bao gồm ba loại khối cơ bản, phục vụ cho việc phát triển và tối ưu hóa quy trình lập trình.
Loại khối organization Block: khối tổ chức và quản lí chương tình điều khiển khối này luôn được thực thi và luôn được quét trong mỗi chu kì quét.
Khối chương trình con là một phần của chương trình ứng dụng, có chức năng tương tự như một hàm hay chương trình con với các biến hình thức Mỗi chương trình ứng dụng thường bao gồm nhiều khối chương trình con, và các khối này được phân biệt thông qua tên gọi của chúng.
Lập trình tuyến tính là phương pháp trong đó toàn bộ chương trình được lưu trữ trong một khối bộ nhớ duy nhất, phù hợp cho các bài toán tự động nhỏ và không phức tạp Trong cấu trúc này, khối được chọn phải là khối organization Block, mà PLC sẽ quét và thực hiện các lệnh theo thứ tự từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng, sau đó quay lại lệnh đầu tiên để lặp lại quy trình.
Khối chương trình ngắt là một loại chương trình đặc biệt, có khả năng trao đổi dữ liệu lớn với các khối chương trình khác Chương trình này sẽ được thực thi ngay khi có sự kiện ngắt xảy ra.
Giao diện giám sát WINCC
WinCC là một trong những chương trình ứng dụng cho mạng HMI, SCADA trong lĩnh vực dân dụng cũng như công nghiệp.
Hình 2.8 : Mô phỏng hệ thống xử lý nước thải trên WinCC
WinCC (Windows Control Center) là phần mềm của Siemens dùng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong sản xuất Nó thiết kế giao diện Người và Máy (HMI) trong hệ thống SCADA (Supervision Controller And Data Acquisition), với chức năng chính là thu thập số liệu và giám sát quá trình sản xuất WinCC cho phép người dùng trao đổi dữ liệu với PLC của nhiều hãng như Siemens, Mitsubishi, Allen-Bradley, Omron qua cổng COM với chuẩn RS232 của PC và chuẩn RS485 của PLC.
Với WinCC, người dùng có thể áp dụng nhiều giải pháp linh hoạt từ thiết kế hệ thống quy mô nhỏ đến lớn, bao gồm cả hệ thống thực hiện sản xuất (MES) WinCC cho phép mô phỏng hình ảnh các sự kiện trong quá trình điều khiển dưới dạng chuỗi sự kiện, đáp ứng nhu cầu công nghệ ngày càng cao Phần mềm này cung cấp nhiều chức năng để hiển thị, thông báo, ghi báo cáo, và xử lý thông tin đo lường, cùng với các tham số công thức, làm cho nó trở thành một trong những chương trình thiết kế giao diện Người và Máy (HMI) phổ biến nhất hiện nay.
2.2.2 Chức năng của WinCC (HMI)
Quá trình hiển thị trên thiết bị HMI (WinCC) được cập nhật một cách năng động, dựa trên các sự chuyển tiếp của quá trình.
Điều khiển vận hành của quá trình:
Người vận hành có thể điều khiển quá trình thông qua giao diện đồ họa người dùng (GUI), cho phép họ dễ dàng thiết lập các giá trị tham khảo cho hệ thống điều khiển hoặc khởi động động cơ một cách hiệu quả.
Hiển thị các cảnh báo:
Các quá trình nghiêm trọng tự động khởi động phắt báo động.Ví dụ, khi giá trị đặt được vượt quá.
Lưu trữ dữ liệu và cảnh báo các quá trình
Hệ thống HMI có khả năng ghi lại cảnh báo và giá trị quá trình, cho phép lưu trữ các dãy quá trình và truy xuất dữ liệu sản xuất từ trước.
Ghi chép các giá trị cảnh báo và giá trị quá trình:
Hệ thống HMI cung cấp cảnh báo về giá trị quá trình và các cảnh báo quan trọng khác Tính năng này cho phép người dùng in dữ liệu sản xuất vào cuối ca làm việc, giúp theo dõi hiệu quả và quản lý quy trình sản xuất một cách hiệu quả hơn.
Quản lý thông số máy móc và quá trình:
Hệ thống HMI cho phép lưu trữ thông số của quy trình và máy móc dưới dạng công thức Chẳng hạn, bạn có thể tải xuống các thông số từ thiết bị HMI sang PLC để điều chỉnh toàn bộ quy trình sản xuất sản phẩm.
Các bước cấu hình và kết nối WinCC với PLC:
Bước 1: Từ giao diện của TIA Portal Ta chọn Add new device.
Khi hiển thị ô cửa sổ như hình bên dưới, ta chọn PC systems => SIMATIC HMI
APPLICATION => WinCC RT Advanced => OK
Hình 2.9 : Cổng kết nối HMI trên WinCC
Bước 2: Sau khi hoàn thành bước 1, sẽ hiển thị giao diện như hình bên dưới Ta chọn Communications modules → PROFINE T/Ethernet → IE general.
Hình 2.10: Gọi khối IE general
Bước 3: Sau đó, ta chọn Network view, sẽ hiển thị ra giao diện như hình dưới, sau đó ta nối PLC_1 với PC-System_1
Hình 2.11 : Kết nối PLC_1 với PC-Systems_1
Bước 4: Sau khi đã hoàn thành bước 3, ta chọn Connection và tiến hành nối PLC_1 với WinCC RT Advanced.
Sau khi đã hoàn thành ta sẽ được như hình bên dưới:
Hình 2.12 : PLC và WinCC đã được kết nối
Các thiết bị sử dụng
Băng tải (băng chuyền) là một thiết bị cơ khí thiết yếu, giúp vận chuyển hàng hóa từ vị trí A đến vị trí B một cách hiệu quả Thay vì phụ thuộc vào nhân công, vừa tốn thời gian và chi phí, băng chuyền không chỉ tiết kiệm chi phí lao động mà còn tạo ra môi trường làm việc gọn gàng và năng suất hơn.
Nó giúp tiết kiệm sức lao động, số lượng nhân công, giảm thời gian và tăng năng suất an toàn lao động.
Băng chuyền và băng tải đóng vai trò quan trọng trong dây chuyền sản xuất và lắp ráp của các nhà máy, xí nghiệp Chúng không chỉ tạo ra một môi trường sản xuất hiện đại và khoa học mà còn giúp giải phóng sức lao động, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế cho công ty.
Chất liệu băng tải PVC
Màu sắc băng tải Xanh táo
Chiều dày băng tải 5 mm
Bề mặt băng tải Mặt nhám
Loại băng tải Loại thường Đường kính rulo nhỏ nhất 80 mm
Trọng lượng băng tải 4.5 kg/m²
Bảng 2.1 : Thông số kỹ thuật băng tải PVC xanh nhám 5mm mã sản phẩm
Động cơ điện một chiều (DC) là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng cơ Trong đó, động cơ DC giảm tốc V1 được ưa chuộng trong các mô hình và thiết kế Robot đơn giản nhờ vào chất lượng tương đối tốt và khả năng lắp ráp dễ dàng, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
Hình 2.14 : Động cơ băng tải
- Gồm có 3 phần chính stator (phần cảm), rotor (phần ứng), và phần chỉnh lưu (chổi than và cổ góp).
+ Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện.
+ Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều.
+ Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục.
Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor.
Pha 2: Rotor tiếp tục quay
Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1
Hình 2.15 Cấu tạo của mortor DC; Hình a: Pha 1 của stato; Hình b: Pha 2 của stato;Hình c: Pha 3 của stato
Nút nhấn tủ điện là một loại khí cụ dùng để đóng/ngắt các thiết bị điện, máy móc hoặc một số loại quá trình trong điều khiển.
Nút nhấn thường được lắp đặt trên bảng điều khiển, tủ điện và công tắc nút nhấn Khi sử dụng nút ấn, người dùng cần thực hiện một cách dứt khoát để mở hoặc đóng mạch điện một cách hiệu quả.
Nút nhấn tủ điện thường được chế tạo từ nhựa hoặc kim loại, với hình dạng và kích thước được thiết kế tối ưu cho việc sử dụng của ngón tay và bàn tay của người vận hành.
Nút ấn được thiết kế và sản xuất theo tiêu chuẩn cao, có kiểu dáng đẹp, kết cấu chất lượng, chắc chắn, dễ dàng lắp đặt và thay thế.
Nút nhấn đèn báo là thiết bị chỉ thị phổ biến trong nhiều lĩnh vực như tàu thủy, máy móc sản xuất, và tủ điện điều khiển Mặc dù có giá thành thấp, đèn báo đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện công nghiệp, giúp người sử dụng nhận biết trạng thái nguồn điện bật hay tắt Ngoài ra, đèn báo trên thiết bị còn thể hiện tình trạng hoạt động của thiết bị hoặc hệ thống, cho biết liệu chúng đang hoạt động bình thường hay gặp lỗi.
PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) là thiết bị cho phép lập trình các thuật toán điều khiển logic Nó hoạt động bằng cách quét trạng thái đầu vào và đầu ra, phản ứng với các sự kiện bên ngoài Khi có sự thay đổi ở đầu vào, đầu ra sẽ được điều chỉnh theo logic của chương trình đã được lập trình.
Hình 2.18 : PLC S7-1214 DC/DC/DC
Cảm biến, hay còn gọi là sensor trong tiếng Anh, là thiết bị dùng để phát hiện và phản hồi các tín hiệu từ môi trường vật lý như độ ẩm, áp suất, ánh sáng, nhiệt độ và chuyển động Các tín hiệu đầu ra của cảm biến được chuyển đổi thành tín hiệu điện, có thể hiển thị trên màn hình hoặc truyền qua mạng để đọc và xử lý thông tin liên quan đến vị trí của cảm biến.
Hình 2.19 : Các loại cảm biến
Trong thời gian qua, cảm biến siêu âm đã được sử dụng phổ biến để phát hiện vật cản, nhưng nó gặp phải vấn đề nhiễu tín hiệu Để khắc phục nhược điểm này, đồ án đã áp dụng một phương pháp mới là sử dụng cảm biến hồng ngoại E18-D80NK Cảm biến này thường được ứng dụng trong các robot tránh vật cản, dây chuyền phát hiện sản phẩm và các thiết bị reminder đa chức năng.
Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK sử dụng ánh sáng hồng ngoại để phát hiện vật cản, mang lại độ phản hồi nhanh và giảm thiểu nhiễu nhờ vào mắt nhận và phát tia hồng ngoại với tần số riêng biệt Người dùng có thể điều chỉnh khoảng cách hoạt động của cảm biến thông qua biến trở nằm ở phần cuối thân cảm biến.
- Điện áp hoạt động: 5VDC
- Khoảng cách hoạt động tối đa: ~80cm
- Dòng kích ngõ ra: 300mA
- Thời gian hồi đáp: ~2ms
- Nhiệt độ môi trường làm việc: -25oC~50oC
- Ngõ ra dạng NPN cực thu hở giúp tùy biến được điện áp ngõ ra, trở treo lên
- áp bao nhiêu sẽ tạo thành điện áp ngõ ra bấy nhiêu.
- Chất liệu vỏ cảm biến: Nhựa
- Hiển thị ngõ ra bằng Led
- Màu nâu: VCC, nguồn dương 5VDC
- Màu xanh dương: GND, nguồn âm 0VDC
- Màu đen: tín hiệu ngõ ra cực thu hở NPN, cần trở treo để tạo mức cao
Hình 2.21 Sơ đồ chân của E18-D80NK
Kết luận chương 2
Trong chương 2, em đã tiến hành khảo sát sơ đồ công nghệ của hệ thống dán nhãn tự động trong sản xuất công nghiệp Dựa trên kết quả khảo sát, em đã lựa chọn thiết bị phù hợp, phần mềm lập trình và thực hiện mô phỏng hệ thống.
Trong chương 3, em sẽ đi xây dựng chương trình điều khiển, giao diện giám sát hệ thống thông qua công cụ WinCC.
THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
Yêu cầu hệ thống
Hệ thống dán nhãn tự động sử dụng PLC S7-1200 được thiết kế nhằm đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong quá trình vận hành Quan trọng là hệ thống phải có khả năng theo dõi và hoạt động chính xác, đồng thời cần linh hoạt trong lập trình để dễ dàng chuyển đổi giữa chế độ điều khiển tay và tự động.
Hệ thống giám sát cần hỗ trợ giao diện người-máy (HMI) và khả năng kết nối từ xa qua mạng, giúp người dùng kiểm tra, theo dõi và điều chỉnh hoạt động một cách trực quan và hiệu quả Tất cả yêu cầu này phải được thực hiện đồng bộ để tạo ra hệ thống tự động hóa đáng tin cậy, dễ bảo trì và tối ưu hóa hiệu suất sản xuất công nghiệp.
Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống
Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện cho các thiết bị và PLC để hệ thống hoạt động.
Khối tín hiệu: PLC lấy tín hiệu các cảm biến hoặc nút nhấn do người dùng điều khiển để điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống.
Khối xử lý trung tâm (CPU) trong PLC nhận chương trình hoạt động từ người dùng và thực hiện việc xử lý để điều khiển các thiết bị chấp hành.
Khối điều khiển, giám sát (HMI): Giúp người dùng giám sát và điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống từ xa.
Khối chấp hành: PLC sẽ điều khiển các thiết bị chấp hành như van, bơm, động cơ,…để thực hiện một quá trình nhỏ trong hệ thống.
Lưu đồ thuật toán và nguyên lý hoạt động
- Hệ thống có hai chế độ hoạt động là chế độ điều khiển bằng tay (Manu) và chế độ điều khiển tự động (Auto).
Hình 3.2: Lưu đồ thuật toán hệ thống
Hình 3.3: Lưu đồ thuật toán chế độ Auto
Chế độ Auto hoạt động khi nhấn M_START, khởi động băng tải và máy dán nhãn, tự động dán nhãn cho sản phẩm CB1 sẽ phát hiện và đếm số sản phẩm vào, trong khi CB2 đếm số sản phẩm đã được dán nhãn Khi cảm biến đếm đủ 12 sản phẩm, Pittong sẽ đẩy sản phẩm vào thùng Sau đó, băng tải thùng chuyển thùng sản phẩm ra ngoài và đưa thùng rỗng vào Nhấn Reset để khôi phục bộ đếm sản phẩm và thùng sản phẩm.
Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán chế độ Manu
Nguyên lý hoạt động chế độ Manu: Bật lần lượt các thiết bị trong hệ thống: Băng tải, máy dán nhãn,…nhấn Stop để tắt các thiết bị.
Chương trình hoạt động
Là chương trình(code) đã được soạn thảo trên phần mền hỗ trợ lập trình PLC S7-
1200 TIA Portal và được nạp xuống khối xử lý trung tâm.
3.4.1 Bảng quy ước ngõ vào ngõ ra:
Bảng tag biến đầu vào:
Hình 3.5: Các biến đầu vào
Bảng tag biến đầu ra:
Hình 3.6: Các biến đầu ra
Bảng tag biến nhớ trung gian:
Hình 3.7: Các biến nhớ trung gian
Giao diện giám sát trên WinCC
Ta sử dụng công cụ WinCC trong TIA Portal để thiết kế giao diện giám sát
Bảng tag các biến trên WinCC
Hình 3.8: Tag các biến trên WinCC
Giao diện giám sảt và điều khiển trên WinCC
Hình 3.9: Giao diện giám sát trên WinCC
Trong chương 3, tôi đã phát triển chương trình điều khiển và giao diện giám sát cho hệ thống dán nhãn tự động Mặc dù hệ thống hiện tại còn đơn giản và chỉ dừng lại ở mức mô phỏng, nhưng nó đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của bài toán đề ra.