Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình thực hành PLC phân loại sản phẩm theo khối lượng

MỤC LỤCMỤC LỤC HÌNH ẢNH....................................................................................4MỤC LỤC BẢNG.............................................................................................6MỞ ĐẦU6CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI91.1 Lịch sử phát triển của PLC91.2 Một số đề tài tương tự với đề tài đang nghiên cứu.101.2.1 Mô hình đóng gói và phân loại sản phẩm gạo theo khối lượng dùng plc s7200101.2.2 Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước dùng plc s7200111.3 Mô tả quá trình121.4 Phạm vi giới hạn nghiên cứu.121.5 Phương pháp nghiên cứu.12CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT142.1 Tìm hiểu về plc142.1.1 Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình plc khái niệm về plc142.1.2 Ưu điểm của plc142.1.3 Ứng dụng của hệ thống sử dụng PLC152.1.4 Giới thiệu tổng quát về họ PLC S7200152.1.5 Module mở rộng162.2 Giới thiệu phần mềm lập trình của PLC S7 200.....................................162.3 Cảm biến khối lượng182.4 Cảm biến quang202.4.1 Cấu tạo chung212.4.1.1 Bộ Phát sáng212.4.1.2 Bộ Thu sáng212.4.1.3 Mạch xử lý tín hiệu ra212.4.2 Ưu điểm của cảm biến quang212.4.3 Hiện nay, có các loại cảm biến quang222.4.4 Cảm biến quang thu phát chung khuyếch tán dùng trong đồ án222.5 Động cơ điện một chiều232.5.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều242.5.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều242.5.3 Phân loại động cơ điện một chiều252.6 Van, xi lanh khí nén252.6.1 Van điện từ252.6.2 Van tiết lưu262.6.3 Xi lanh kí nén27 2.6.3.1 Xi lanh tác dụng đơn (xi lanh 1 chiều)27 2.6.3.2Xi lanh tác dụng kép (xi lanh 2 chiều)272.7 Rơ le282.8 Băng tải29CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG313.1 Thành phần trong hệ thống313.2 Thiết kế hệ thống cơ khí313.2.1 Thiết kế kiểu dáng hình học...........................................................313.2.2 Tính toán chọn động cơ.................................................................323.2.3 Lựa chọn các thiết bị cho hệ thống cơ khí và chế tạo băng tải......353.2.3.1 Chọn bộ truyền đai, ổ bi..........................................................353.2.3.2 Chon vật liệu và làm khung băng tải.......................................363.2.3.3 Chọn xi lanh............................................................................373.2.3.4 Van khí nén hút điện...............................................................383.2.3.5 Đồng hồ đo áp suất..................................................................393.3 Thiết kế hệ hệ thống điều khiển..............................................................393.3.1 Thiết kế sơ đồ, mạch, lưu đồ điều khiển..........................................393.3.2 Chọn linh kiện cho hệ thống điều khiển...........................................413.3.2.1 Plc s7200 CPU 222 24VDC..................................................413.3.2.1.1 Cấu hình vào ra của S7200 CPU222 24VDC.................413.3.2.1.2 Cấu trúc của CPU 222......................................................423.3.2.1.3 Đặc điểm ngõ vào ra của plc s7 200.................................433.2.2.1.4 Kết nối plc với máy tính..................................................433.2.2.2 Module EM235 và cách cài đặt.............................................443.2.2.3 Nguồn nuôi của hệ thống........................................................483.2.2.4 Loadcell..................................................................................493.2.2.5 Role.........................................................................................503.2.2.6 Cảm biến.................................................................................513.2.2.7 Bộ hạ áp 24V> 12V...............................................................523.2.3 Lập trình trên PLC............................................................................523.2.3.1 Thống kê các biến đầu VàoRa...............................................523.2.3.2 Chương trình điều khiển..........................................................533.2.4 Thiết kế giao diện bằng wincc..........................................................60CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ624.1 Kết quả đạt được.....................................................................................624.2 Hạn chế của đề tài...................................................................................624.3 Hướng phát triển......................................................................................63TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................64

MỤC LỤC

MỤC LỤC HÌNH ẢNH 4

MỤC LỤC BẢNG 6

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 9

1.1 Lịch sử phát triển của PLC9 1.2 Một số đề tài tương tự với đề tài đang nghiên cứu. 10

1.2.1 Mô hình đóng gói và phân loại sản phẩm gạo theo khối lượng dùng plc s7-200 10

1.2.2 Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước dùng plc s7-200 11

1.3 Mô tả quá trình 12 1.4 Phạm vi giới hạn nghiên cứu 12 1.5 Phương pháp nghiên cứu 12 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 14

2.1 Tìm hiểu về plc 14 2.1.1 Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình plc khái niệm về plc 14

2.1.2 Ưu điểm của plc 14

2.1.3 Ứng dụng của hệ thống sử dụng PLC 15

2.1.4 Giới thiệu tổng quát về họ PLC S7-200 15

2.1.5 Module mở rộng 16

2.2 Giới thiệu phần mềm lập trình của PLC S7 200 16

2.3 Cảm biến khối lượng 18 2.4 Cảm biến quang 20 2.4.1 Cấu tạo chung 21

2.4.1.1 Bộ Phát sáng 21

2.4.1.2 Bộ Thu sáng 21

2.4.1.3 Mạch xử lý tín hiệu ra 21

2.4.2 Ưu điểm của cảm biến quang 21

2.4.3 Hiện nay, có các loại cảm biến quang 22

2.4.4 Cảm biến quang thu phát chung khuyếch tán dùng trong đồ án 22

2.5 Động cơ điện một chiều 23 2.5.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 24

2.5.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 24

2.5.3 Phân loại động cơ điện một chiều 25

2.6 Van, xi lanh khí nén 25 2.6.1 Van điện từ 25

2.6.2 Van tiết lưu 26

2.6.3 Xi lanh kí nén 27

2.6.3.1 Xi lanh tác dụng đơn (xi lanh 1 chiều) 27

2.6.3.2Xi lanh tác dụng kép (xi lanh 2 chiều) 27

2.7 Rơ le 28 2.8 Băng tải 29 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG 31

3.1 Thành phần trong hệ thống 31

3.2 Thiết kế hệ thống cơ khí 31 3.2.1 Thiết kế kiểu dáng hình học 31

3.2.2 Tính toán chọn động cơ 32

3.2.3 Lựa chọn các thiết bị cho hệ thống cơ khí và chế tạo băng tải 35

3.2.3.1 Chọn bộ truyền đai, ổ bi 35

3.2.3.2 Chon vật liệu và làm khung băng tải 36

3.2.3.3 Chọn xi lanh 37

3.2.3.4 Van khí nén hút điện 38

3.2.3.5 Đồng hồ đo áp suất 39

3.3 Thiết kế hệ hệ thống điều khiển 39

3.3.1 Thiết kế sơ đồ, mạch, lưu đồ điều khiển 39

3.3.2 Chọn linh kiện cho hệ thống điều khiển 41

3.3.2.1 Plc s7-200 CPU 222 24VDC 41

3.3.2.1.1 Cấu hình vào ra của S7-200 CPU222 24VDC 41

3.3.2.1.2 Cấu trúc của CPU 222 42

3.3.2.1.3 Đặc điểm ngõ vào ra của plc s7 200 43

3.2.2.1.4 Kết nối plc với máy tính 43

3.2.2.2 Module EM235 và cách cài đặt 44

3.2.2.3 Nguồn nuôi của hệ thống 48

3.2.2.4 Loadcell 49

3.2.2.5 Role 50

3.2.2.6 Cảm biến 51

3.2.2.7 Bộ hạ áp 24V-> 12V 52

3.2.3 Lập trình trên PLC 52

3.2.3.1 Thống kê các biến đầu Vào/Ra 52

3.2.3.2 Chương trình điều khiển 53

3.2.4 Thiết kế giao diện bằng wincc 60

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 62

4.1 Kết quả đạt được 62

4.2 Hạn chế của đề tài 62

4.3 Hướng phát triển 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mô hình đóng gói và phân loại sản phẩm gạo theo khối lượng dùng

plc s7-200 10 Hình 1.2 Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước dùng PLC

s7-200 11 Hình 2.1 Sơ đồ khối của PLC 14 Hình 2.2 Hình dáng và cấu trúc bên ngoài của PLC s7-200 16

Hình 2.4 Hình ảnh cho Loadcell 11 Hình 2.5 Tín hiệu vào ra của loadcell 12 Hình 2.6 Cấu tạo của Loadcell 19Hình 2.7 Hình ảnh cho Loadcell dạng thanh 19

Hình 2.8 Biểu đồ đặc tính cho loadcell 20 Hình 2.9 Mô phỏng hoạt động của cảm biến quang20Hình 2.10 Hình ảnh thực tế và cấu tạo của cảm biến 20

Hình 2.11 Hoạt động Cảm biến quang thu phát chung khuyếch tán 22

Hình 2.12 Các dây tín hiệu của cảm biến 23 Hình 2.13 Động cơ điện 1 chiều thực tế 23Hình 2.14 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều 24Hình 2.15 Van điện từ thực tế 25

Hình 2.16 Cấu tạo van điện từ 25 Hình 2.17 Van tiết lưu 26 Hình 2.18 Hình ảnh xi lanh thực tế 27 Hình 2.19 Xi lanh tác dụng đơn27Hình 2.20 Xi lanh tác dụng kép không có giảm chấn 28

Hình 2.21 Rơ le thực tế 28 Hình 2.22 Cấu tạo rơle 29

Hình 2.23 Hình ảnh cho băng tải 30 Hình 3.1 Các thiết bị trong hệ thống 20 Hình 3.2 Bản vẽ lắp của hệ thống 20 Hình 3.3 Bản vẽ phân rã của hệ thống 20 Hình 3.4 Động cơ điện 1 chiều 22 Hình 3.5 Hình ảnh bộ đai răng 23 Hình 3.6 Hình ảnh ổ bi 23 Hình 3.7 Hình ảnh băng tải đồ án 24 Hình 3.8 Xilanh CDJ2B16-75-B 38 Hình 3.9 Van khí nén TG252108 38 Hình 3.10 Hình ảnh van áp suất AR - 2000 39 Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 39 Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán điều khiển 40 Hình 3.13 Mạch nguyên lí hệ thống điện 41

Hình 3.14 Mạch động lực 41 Hình 3.15 Cấu hình vào ra CPU 222 42 Hình 3.16 Hình ảnh cho cáp usb/ppi 43 Hình 3.17 Đầu vào theo kiểu điện áp 44 Hình 3.18 Đầu vào theo kiểu dòng điện 45

Hình 3.19 Tín hiệu ra EM235 45 Hình 3.20 Cấp nguồn cho EM 235 45 Hình 3.21 Đặc tính tín hiệu vào ra EM235 47 Hình 3.22 Biểu đồ cho tính toán khối lượng 48 Hình 3.23 Nguồn tổ ong 24V 5A 49 Hình 3.24 loadcell dạng thanh class c3 LAB - 6 50Hình 3.25 RơleMY2M 50

Hình 2.26 Hình kết nối plc vói cơ cấu chấp hành 51 Hình 3.27 Cảm biến khoảng cách E3F-DS30C4 51

Hình 3.28 Bộ hạ áp 52 Hình 3.29 Thiết kế giao diện trên win cc cho mô hình 51

Hình 4.1Hình ảnh mô hình thực tế sau khi hoàn thành 52

MỤC LỤC BẢNG Bảng 2.1 Thông số họ PLC S7200 cpu 22X 15

Bảng 3.1 : Bảng xác định hệ số ma sát giữa băng tải và tấm đỡ 32

Bảng 3.2 : Bảng chọn hệ số c3 33

Bảng 3.3 Bảng chân của cáp kếp nối 44

Bảng 3.4 Bảng thông số cấu hình EM235 46

Bảng 3.5 Bảng định địa chỉ đầu vào PLC 52

Bảng 3.6 Bảng định địa chỉ đầu ra PLC 53

MỞ ĐẦU

Nước ta đang trong công cuộc hiện đại hoá để từng bước bắt kiệp sự pháttriển trong khu vực và thế giới về mọi mặt kinh tế và xã hội, công nghiệp sảnxuất hàng hoá đống vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế.Việc tựđộng hoá là sự lựa chọn không tránh khỏi trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra sảnphẩm có chất lượng cao, tăng khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thịtrường.Tốc độ sản xuất phải nhanh, chất lượng cao và ít phế phẩm, giá nhâncông hạ, thời gian chết của máy móc là tối thiểu Đất nước phát triển, nhu cầucủa con người càng cao nên cần có những thiết bị có thể thay thế được sứclao động của con người, đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất, vì vậy mà cần

có những dây chuyền tự động ra đời giúp chúng ta lao động nhẹ nhàng hơn

Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng là một hệ thống được áp

dụng rất nhiều trong các nhà máy sản xuất Với những yêu cầu về định lượng sản phẩm một cách chính xác khi được đưa vào quá trình sản xuất nên nhóm tác giả mạnh dạn chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình thực

hành PLC phân loại sản phẩm theo khối lượng “ để giúp cho giảm sức lao

động của con người , tăng năng suất hơn trong sản xuất cả về chất lượng lẫn sản lượng

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình thực hành PLCphân loại sản phẩm theo khối lượng Với phương pháp cân động sẽ thay thếcho phương pháp cân tĩnh truyền thống Khi cân động, hoa quả sẽ được cânmột cách tự động, vận chuyển theo phương hướng đã định trước, cân với tốc

độ ổn định, hiệu quả, không tốn nhiều sức lực Hơn nữa, người quản lý sẽđiều khiển, giám sát hệ thống cân cũng như cập nhật số liệu một các tự động,

và chính xác

Phương pháp điều khiển và giám sát hệ thống thiết bị bằng phần mềmWinCC trên giao diện HMI sẽ giúp người quản lý và điều khiển công việchiệu quả hơn, nhanh hơn ít tốn thời gian và chủ động trong công việc

Tính toán phương pháp cân động để khối lượng thu về một cách chính xác

Toàn bộ trạng thái hoạt động và số liệu cân thu về được điều khiển và giámsát trên máy tính thông qua phần mềm ứng dụng WinCC.

Để hoàn thành tốt đồ án này, chúng em chân thành cảm ơn các thầy, cô

giáo đã tạo điều kiện giúp đỡ và đặc biệt là thầy Ngô Văn Tâm đã trực tiếp

hướng dẫn chúng em thực hiện đồ án để có kết quả tốt Qua đồ án tốt nghiệpgiúp chúng em phần nào hiểu rõ hơn từ những bước đầu tiên để thiết kế cácchi tiết của Robot cho đến lúc hoàn thành sản phẩm Trong quá trình thựchiện thiết kế, gia công hệ thống băng tải phân loại sản phẩm theo khối lượngcòn nhiều thiết sót, mong các thầy cô chỉ bảo thêm để đồ án có được kết quảtốt nhất

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Dũng Chử Việt Anh Nguyễn Tiến Mạnh

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Lịch sử phát triển PLC

Vào khoảng năm 1968 các nhà sản xuất ô tô đã đưa ra các yếu tố kỹ thuậtđầu tiên cho thiết bọ điều khiển logic khả lập trình với mục đích là thay thế tủđiều khiển cồng kềnh tiêu thị lượng điện năng khá lớn và thường xuyên phảithay thế các role do hỏng cuộn hút hay gẫy các thanh lò xo tiếp điểm, mụcđích thứ hai là tạo ra một thiết bị điều khiển có tính linh hoạt trong việc thayđổi chương trình điều khiển

Với thiết bị điều khiển khả lập trình, người ta có thể giảm bớt thời giantrong sản xuất, mở rộng khả năng hoàn thiện hệ thống sản xuất và thích ứng

sự thay đổi trong sản xuất Từ đó một số nhà sản xuất thiết bị điều khiển trên

cơ sở máy tính đã sản xuất ra các thiết bị điều khiển khả lập trình còn gọilàPLC

Những PLC đầu tiên được sử dụng trong công nghiệp ô tô vào băn 1969 đãđem lại sự ưu việt hơn hẳn các hệ thống điều khiển trên cơ sở rơ le Các thiết

bị này được lập trình dễ dàng, không chiến không gian trong các cơ sở sảnxuất Sau đó các ứng dụng của PLC đã nhanh chóng mở rộng ra tất cả cácngành công nghiệp sản xuất khác

Khi các vi cử lý được đưa vào sử dụng trong những năm 1974 – 1975, cáckhả năng cơ bản của PLC được mở rộng và hoàn thiện hơn, có khả năng xử lýcác tính toán, số liệu phức tạp hơn

Vào năm 1977 thì việc truyền dữ liệu trở nên dễ dàng hơn nhờ sự phát triểncủa công nghiệp điện tử, các PLC có thể điều khiển xa hàng trăm mét CácPLC có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và điều khiển quá trình sản xuất nhanhhơn

Năm 1980 nhờ vào sự ra đời của máy tính cá nhân đã nâng cao đáng kểtính năng và khả năng sử dụng PLC trong điều khiển máy và quá trình sảnxuất

Sự phát triển của phần mềm đồ họa máy tính cá nhân, ứng dụng vào PLC,PCL lại được trang bị các giao diện đồ họa để có thể mô phỏng hoặc hiển thịcác hoạt động của từng bộ phận trong hệ thống điều khiển.PLC được sản xuấtbởi nhiều hãng khác nhau trên thế giới Về nguyên lý hoạt động, các PLC này

có tính năng tương tự giống nhau, nhưng về lập trình sử dụng thì chúng hoàn

toàn khác nhau do thiết kế khác nhau của mỗi nhà sản xuất PLC khác với cácmáy tính là không có ngôn ngữ lập trình chung và không có hệ điều hành Khiđược bất lên thì PLC chỉ chạy chương trình điều khiển ghi trong bộ nhớ của

nó, chứ không thể chạy được hoạt động nào khác

Một số hãng sản xuất PLC lớn có tên tuổi như: Siemens, Toshiba,Mishubisi, Omron, Allan Bradley, Rockwell, Fanuc là các hãng chiếm phầnlớn thị phần PLC thế giới Các PLC của các hãng này được ứng dụng rộng rãitrong công nghiệp sử dụng công nghệ tự động hoá

(nguồn: voer.edu.vn/c/lich-su-phat-trien/b65809e7/80222f7f)

1.2 Một số đề tài tương tự với đề tài đang nghiên cứu.

1.2.1 Mô hình đóng gói và phân loại sản phẩm gạo theo khối lượng dùng plc s7-200

 Trước khi khởi động băng chuyền ta cần truyền số kg cho mõi loạithùng

 Nhấn START băng chuyền hoạt động, thùng đi qua cảm biến phân loạitác động nếu:

 Thùng loại 1: thì cảm biến 1 lên mức 1 sau đó xuống 0

 Thùng loại 2: thì cảm biến 1 và 2 lên mức 1 sau đó xuống 0

 Thùng loại 3: thì cảm biến 1, 2 và 3 lên mức 1 sau đó xuống 0

 Khi gặp cảm biến băng chuyền dừng pittông xã mở đến khi đủ số lượngthì pittông đóng lại băng chuyền chạy lại

 Tùy vào loại thùng mà pittông xã vào khối lượng khác nhau

 Băng chuyền tiếp tục chạy khi gặp cảm biến phân loại thùng loại 3 thìbăng chuyền dừng pitông đẩy tác động sau thời gian 3s pittông mấtđiện băng chuyền chạy lại tương tự cho thùng loại 1và 2

 số thùng đã được phân loại được hiển thị trên led 7 đoạn

 Nhấn STOP dừng tất cả

Hình 1.1 Mô hình đóng gói và phân loại sản phẩm gạo theo khối lượng dùng

plc s7-200 (https://idoc.vn/threads/94804/)

Nhận xét: Hệ thống có kết cấu cơ khí chắc chắn ,cân chính xác khối lượngtheo yêu cầu đặt ra Tuy nhiên hệ thống còn chiếm khá nhiều diện tích, cầncải thiện tính thảm mỹ cho mô hình

1.2.2 Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước dùng plc 200

s7-Mô hình phân loại khoảng 3 sản phâm (chiều dài 3 sản phẩm chính là3cm, 5cm, 7cm) Dây chuyền được khởi động bằng nút Start (màu xanh) vàdừng lại bằng nút Stop (màu đỏ) Khi nhất Start – khởi động hệ thống, động

cơ truyền động băng tải được cấp điện, bắt đầu truyền động quay 2 băng tải,đồng thời cấp điện cho PLC Khi cho vật vào băng tải Khi gặp cảm biến (cảmbiến 1 được đặt ở độ cao chuẩn của sản phẩm thấp nhất), tay gạt quay bên tráiđưa sản phẩm vào ô thứ nhất của băng truyền 2, khi gặp cảm biến 1 và 2 (cảmbiến 2 được đặt ở độ cao chuẩn trung bình) cảm biến 1 và 2 đồng thời có tínhiệu tay gạt quay sang bên phải đưa sản phẩm vào ô thứ 3 của băng chuyền 2.Khi vật gặp cả 3 cảm biến (cảm biến 3 được đặt ở độ cao nhất) cả 3 cảm biếnđồng thời có tín hiệu tay gạt ở vị trí chính giữa đưa sản phẩm vào ô thứ 2 củabăng chuyền

Hình 1.2 Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước dùng PLC

s7-200

(http://doantotnghiep.vn/thiet-ke-thi-cong-lap-trinh-mo-hinh-phan-loai-san-pham.html)Nhận xét : Hệ thống có cơ cấu nhỏ gọn, chắc chắn, phân loại với độ chínhxác cao Tuy nhiên cách bố trí lặp đặt hệ thống chưa được tối ưu , cần cảithiện thêm về mặt thẩm mỹ

 Hệ thống điều khiển và cân

 Kết nối cảm biến với PLC ( với loadcell thì qua EM235 để chuyển đổitín hiệu )

 PLC xử lý tín hiệu để cho tín hiệu đầu ra điều khiển cơ cấu chấp hành( động cơ , xilanh)

 Việc đầu nối giữa các thánh phần đame bảo chính xác chắc chắn

 Phần mềm lập trình

 Sử dụng phần mềm lập trình STEP7 Microwin để lập trình sau đótruyền tín hiệu xuống PLC thông qua cáp USP/PPI

1.4 Phạm vi giới hạn nghiên cứu.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài “Mô hình thi công phân loại sản phẩm theokhối lượng dùng plc s7_200” là: hệ thống hoạt động với 1 cân loadcell, xácđịnh được khối lượng ( 0- 50g, 100g - 150g, > 150g), chiều dài băng tảikhoảng 0.6m - 0.8 m, tốc độ làm việc của băng tải ổn định khoảng 0.1m/s, cóthể cân và phân loại nhiều loại sản phẩm khác nhau

1.5 Phương pháp nghiên cứu.

 Tìm hiểu lí thuyết

 Tìm hiểu các mô hình băng tải phân loại sản phẩm

 Tìm hiểu PLC S7-200 Siemens và ngôn ngữ lập trình, các phần mềmdung để lập trình, mô phỏng Step7 Microwin

 Tìm hiểu module analog EM235 kết nối loadcell với plc, kết nối plc vớimáy tính

 Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thành phần trong hệthống: loadcell ,cảm biến vịtrí (cảm biến quang), động cợ 1 chiều, van

áp suất, van dảo chiều ,xilanh,role

 Tìm hiểu vế bộ cấp nguồn cho các linh kiện

 Nghiên cứu thực nghiệm

 Thiết kế hệ thống cơ khí (bàn cân , băng tải)

 Thiết kế hệ thống xilanh khí nén đẩy vật lắp đặt trên mô hình và hiệuchỉnh

 Thiết hệ hệ thống điện đấu nối giữa plc và các thiết bị ngoại vi

 Tiến hành cân và hiệu chỉnh loadcell đúng theo yêu cầu

=> Đề tài của nhóm gồm một bàn cân được bố trí trước băng tải chạy liên tục.Nguyên liệu sau khi được cân xong sẽ được 1 xi – lanh được điều khiển đẩyvào băng tải Toàn bộ bàn cân được đặt trên một cảm biến lực – loadcell Sau

đó sản phẩm di chuyển trên băng tải và đến các vị trí cảm biến nhận được , xilanh tương ứng với mức khối lượng đó sẽ đẩy sản phẩm đó vào thùng Còn lạimức khối lượng mà không thuộc khoảng đã định thì sẽ đi thẳng vào mộtthùng chưa khác.Tín hiệu cân được khuếch đại và chuyển bởi module EM 235

để xử lý bằng PLC và đưa về giá trị khối lượng hiển thị trên màn hình

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tìm hiểu về plc

2.1.1 Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình plc khái niệm về plc

PLC là các chữ được viết tắt từ : Programmable Logic Controller Theohiệp hội quốc gia về sản xuất điện Hoa kỳ thì PLC là một thiết bị điều khiển

mà được trang bị các chức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung

và tính toán cho phép điều khiển nhiều loại máy móc và các bộ xử lý Cácchức năng đó được đặt trong bộ nhớ mà tạo lập sắp xếp theo chương trình.Nói một cách ngắn gọn PLC là một máy tính công nghiệp để thực hiện mộtdãy quá trình

Hình 2.1 Sơ đồ khối của PLC

2.1.2 Ưu điểm của plc

2.1.3 Ứng dụng của hệ thống sử dụng PLC

 Hệ thống nâng vận chuyển

 Dây chuyền đóng gói

 Các Robot lắp ráp sản phẩm

 Điều khiển bơm

 Dây chuyền sử lý hóa học

 Công nghệ sản xuất giấy

 Dây chuyền sản xuất thủy tinh

 Sản xuất si măng

 Điều khiển đèn giao thông

 Quản lý tự động bãi đỗ xe

 Điều khiển thang máy

2.1.4 Giới thiệu tổng quát về họ PLC S7-200

 Họ PLC S7 là một họ PLC mạnh, tốc độ xử lý cao, khả năng quản lý bộnhớ tốt, kết nối mạng công nghiệp

 Mỗi một thế hệ PLC lại có nhiều chủng loại CPU khác nhau

 Đối với PLC S7, có thể thực hiện các phép toán logic, đếm, định thời,các thực toán phức tạp và thực hiện truyền thông với các thiết bị khác

 Một số thông số kỹ thuật của S7-200 CPU22X

Bảng 2.1 Thông số họ PLC S7200 cpu 22X

Hình 2.2 Hình dáng và cấu trúc bên ngoài của PLC s7-200

 Đầu vào (Ix.x ): kết nối với nút bấm, công tắc, sensor…với điện áp vàotiêu chuẩn 24VDC

 Đầu ra (Qx.x): kết nối với thiết bị điều khiển với các điện áp24VDC/220VAC ( tùy theo loại CPU )

 Đầu vào nguồn: 24VDC/220VAC ( tùy theo loại CPU )

2.1.5 Module mở rộng

Khái niệm về module analog.

Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông quaviệc xử lý các tín hiệu số

Analog input

Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D) Nó chuyển tín hiệutương tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra Dùng để kết nối các thiết bị đovới bộ điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ

Analog output

Analog output cũng là một phần của module analog Thực chất nó là một

bộ biến đổi số - tương tự (D/A) Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào thành tínhiệu tương tự ở đầu ra Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đo tương tự.Chẳng hạn như điều khiển Van mở với góc từ 0-100%, hay điều khiển tốc độbiến tần 0-50Hz.

2.2 Giới thiệu phần mềm lập trình của PLC S7 200

STEP7 MicroWin chạy trên hệ điều hành Windows, phần mềm này làmnhiệm vụ trung gian giữa người lặp trình và PLC Có 3 khối lập trình chính:

khối chương trình (Program Block), khối dữ liệu (Data Block) và khối hệthống (System Block) Ngoài ra PLC S7 200 còn 4 khối lập trình phụ là: khốiđịnh nghĩa các ký hiệu (Symbol table), khối xem trạng thái các biến (Statuschart), khối tham chiếu (Cross Reference) và khối truyền thông(Communication) [3].

Hình 2.3 Giới thiệu giao diện điều khiển STEP7Trong STEP7 MicroWin có 3 cách soạn thảo một chương trình: soạn thảochương trình dưới dạng thang (Ladder), dạng câu lệnh STL (Statement list) và

sơ đồ khối FBD (Function Block Diagram) Trong 3 cách soạn thảo trên, soạnthảo chương trình bằng ladder là thông dụng nhất vì cho phép người lập trìnhquan sát được chương trình đang chạy một cách trực quan, việc chuyển đổi từdạng soạn thảo này sang dạng soạn thảo khác một cách dễ dàng

Các nhóm lệnh được cho trong cây lệnh của S7-200:

 Bit Logic: Tập lệnh làm việc với bit

 Clock: Tập lệnh làm việc với thời gian của hệ thống

 Communication: Tập lệnh truyền thông

 Compare: Tập lệnh so sánh

 Convert: Tập lệnh biến đổi

 Counter: Tập các bộ đếm

 Floating-Point Math: Tập lệnh toán học làm việc với số thực

 Integer Math: Tập lệnh toán học làm việc với số nguyên

 Interupt: Tập lệnh làm việc với chương trình ngắt

 Logical Operations: Tập lệnh các phép tính logic biến đổi

 Move: Tập lệnh di chuyển dữ liệu.

 Programe Control: Tập lệnh điều khiển chương trình

 Shift/Rotate: Tập lệnh dịch/quay làm việc với thanh ghi

 String: Tập lệnh làm việc với chuỗi

 Table: Tập lệnh làm việc với bảng dữ liệu

 Timers: Tập các bộ định thời gian

2 3 Cảm biến khối lượng

Khái niệm Load cell : Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổilực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện

Hình 2.4 Hình ảnh cho Loadcell

Cấu tạo của một Loadcell : Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở

strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone nhưhình dưới và được dán vào bề mặt của thân loadcell Loadcell hoạt động dựatrên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone Mạch cầu Wheatstone dùng

để chuyển đổi sự thay đổi của điện trở (thay đổi điện trở của các strain gage)dưới tác dụng lực thành sự thay đổi của điện áp trên đường chéo của cầu

Hình 2.5 Tín hiệu vào ra của loadcell Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động của loadcell dựa trên nguyêntắc mạch cầu, mạch cầu được cấp 1 nguồn nuôi vào 2 đầu,khi chưa có lựctác dụng cầu cân bằng , khi có lực tác dụng thì làm lệch cầu cân bằng (thayđổi giá trị điện trở) từ đó cho ra điện áp 2 đầu còn lại và thông qua các mạchkhuyêch đại , module biến đổi ta có được lưc hay khối lượng cần đo

Hình 2.6 Cấu tạo của Loadcell R=(L ρ)/S)/S

L là chiều dài của dây dẫn( m)

S là tiết diện (diện tích mặt cắt)(m2)

ρ)/S điện trở suất

Khi chưa có lực tác dụng R1=R2=R3=R4=R cầu cân bằng

Khi có lực tác dụng R1=R3=R+∆R tăng ; R2=R4=R-∆R giảm

Vout= Vin(∆R/R)

Hình 2.7 Hình ảnh cho Loadcell dạng thanh

Hình 2.8 Biểu đồ đặc tính cho loadcell

2.4 Cảm biến quang

Hình 2.9 Mô phỏng hoạt động của cảm biến quang

Hình 2.10 Hình ảnh thực tế và cấu tạo của cảm biến

2.4.1 Cấu tạo chung

Gồm 3 thành phần chính: Bộ phát sang , bộ thu sang, mạch xử lý tínhiệu

2.4.1.1 Bộ Phát sáng

Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED (LightEmitting Diode) Ánh sáng được phát ra theo xung Nhịp điệu xung đặc biệtgiúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ cácnguồn khác (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng) Các loạiLED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED lazer Một sốdòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá Ngoài ra cũng có LEDvàng

2.4.1.2 Bộ Thu sáng

Thông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang) Bộphận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ Hiện naynhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụngASIC ( Application Specific Integrated Circuit) Mạch này tích hợp tất cả bộphận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC) Bộphận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loạithu,phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạkhuếch tán)

2.4.1.3 Mạch xử lý tín hiệu ra

Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tínhiệu ON / OFF được khuếch đại Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mứcngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt Mặc dù một

số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếpđiểm rơ-le (relay) vẫn khá phổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùngtín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN) Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ

lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo đếm

2.4.2 Ưu điểm của cảm biến quang

 Không tiếp xúc với vật thể cần phát hiện

 Có thể phát hiện vật từ khoảng cách xa

 Không bị hao mòn, có tuổi thọ cao

 Có thời gian đáp ứng nhanh

 Có thể phát hiện mọi loại vật thể, vật chất

2.4.3 Hiện nay, có các loại cảm biến quang

 Cảm biến quang thu phát: Cảm biến dạng thu phát có bộ phát và thusáng tách riêng Bộ phát truyền ánh sáng đi và bộ thu nhận ánh sáng.Nếu có vật thể chắn nguồn sáng giữa hai phần này thì sẽ có tín hiệu racủa cảm biến

 Cảm biến quang phản xạ gương: Bộ phát truyền ánh sáng tới mộtgương phản chiếu lăng kính đặc biệt, và phản xạ lại tới bộ thu sáng củacảm biến Nếu vật thể xen vào luồng sáng, cảm biến sẽ phát tín hiệu ra

 Cảm biến quang khuếch tán:Cảm biến dạng này truyền ánh sáng từ bộphát tới vật thể Vật này sẽ phản xạ lại một phần ánh sáng (phản xạkhuếch tán) ngược trở lại bộ thu của cảm biến, kích hoạt tín hiệu ra

2.4.4 Cảm biến quang thu phát chung khuyếch tán dùng trong đồ án

Hình 2.11 Hoạt động Cảm biến quang thu phát chung khuyếch tán

Cấu tạo cảm và nguyên lý làm việc :đầu thu và phát tích hợp trong

một.Cảm biến dạng này truyền ánh sáng từ bộ phát tới vật thể Vật này sẽphản xạ lại một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán) ngược trở lại bộ thu củacảm biến, kích hoạt tín hiệu ra

Ưu điểm:Lắp đặt đơn giản, dễ dàng,c hỉ cần 1 điểm lắp đặt duy nhất

Nhược điểm: Khoảng cách phát hiện ngắn (do chỉ phát hiện được mộtphần ánh sáng phản xạ) phát hiện phụ thuộc nhiều vào màu sắc, kích thước,tính chất bề mặt của vật thể

Hình 2.12 Các dây tín hiệu của cảm biến

2.5 Động cơ điện một chiều

Trong mô hình sử dụng băng truyền chuyển động dây đai và không yêu cầutải trọng lớn không cần động cơ có công suất lớn , vì vậy chỉ cần loại động cơ

có công suất từ 5 - 20W, điện áp một chiều 24V

Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện mộtchiều Động cơ điện một chiều thường được sử dụng rộng dãi trong côngnghiệp vì nó có thể điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi hoạtđộng

Động cơ điện sử dụng trong công nghiệp với các loại máy có moment

mở máy lớn hoặc cần điều chỉnh tốc độ liên tục trong phạm vi hoạt độngrộng Động cơ điện một chiều trong thực tế:

Hình 2.13 Động cơ điện 1 chiều thực tế

2.5.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Hình 2.14 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều

 Stato( phần tĩnh): Gồm lõi thép là thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏmáy Các cực từ chính có dây quấn kích từ

 Rotor( phần động): Gồm lõi thép và dây quấn phần ứng Lõi thép hìnhtrụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện ghép lại với nhau có phủ sơn cáchđiện

 Chổi than: làm bằng than granphit Các chổi tì chặt trên cổ góp nhờ lò

xo và giá chổi điện trên nắp máy

2.5.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắtnon, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khicạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàntay trái của Fleming Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm chorotor quay Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện

sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn

đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường Nghĩa làlực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầucủa nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính

Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ranhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp Nhờ vậy dòng điện và lực quay đượcliên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor

2.5.3 Phân loại động cơ điện một chiều

Tùy theo cách mắc mạch kích từ với mạch phần ứng mà động cơ điệnmột chiều được chia thành:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập|: có dòng điện kích từ và từ thôngđộng cơ không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng Nguồn điện mạch kích từriêng biệt với nguồn điện phần ứng

Động cơ điện một chiều kích từ song song: khi nguồn điện một chiều cócông suất vô cùng lớn, điên trở của nguồn coi như bằng 0 thì điện áp nguồn sẽ

là không đổi, không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng động cơ Loại động

cơ kích từ song song cũng như là kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: dây quấn kích từ mắc nối tiếpvới mạch phần ứng

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: gồm 2 dây quấn kích từ, dâyquấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp trong đó dây quấn kích từsong song là chủ yếu

chiều 5/2 tác động trực tiếp bằng dòng khí nén vào từ hai phía của nòng van,đây là loại van 5 cửa 2 vị trí.

Nguyên lý hoạt động: Hình là sơ đồ van có 5 cửa 2 vị trí Cửa P là cungcấp khí, cửa A lắp với buồng bên trái xilanh cơ cấu chấp hành, cửa B lắp vớibuồng bên phải của xylanh cơ cấu chấp hành, cửa T và cửa R là cửa xả nănglượng Khi con trượt van di chuyển qua phải, cửa P thông với cửa A, cửa Bthông với cửa T Khi con trượt của van di chuyển qua trái, cửa P thông vớicửa B, cửa A thông với cửa R

 Con trượt của van đƣợc điều khiển nhờ cuộn hút Khi cuộn hút chưacấp điện, con trượt có vị trí sao cho cửa A thông với cửa P và cửa Bthông với cửa T Khi cuộn hút đƣợc cấp điện áp 24V thì con trượt dichuyển sang vị trí sao cho cửa A thông với cửa R và cửa B thông vớicửa P

 Cuộn hút của van khí nén được cấp điện điều khiển thông qua Relayđược nối với hệ thống xử lý trung tâm

2.6.2 Van tiết lưu

Trong mô hình sử dụng 6 van tiết lưu, có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượngdòng khí tức là điều chỉnh vận tốc hoặc thời gian chạy vào ra của pittongtrong xylanh, mục đích nhóm sử dụng dùng để chỉnh thô và chỉnh tinh nguyên

liệu khi cân Nguyên lý làm việc của van tiết lưu là lưu lượng dòng khí qua

van phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện

Hình 2.17 Van tiết lưu

2.6.3 Xi lanh kí nén

Hình 2.18 Hình ảnh xi lanh thực tế

2.6.3.1 Xi lanh tác dụng đơn (xi lanh 1 chiều)

Hình 2.19 Xi lanh tác dụng đơn

Nguyên lý hoạt động: Cấp khí vào bên trái xi lanh thì pitong tiến ra,

không cấp khí thì lò xo kéo pitong lùi về

2.6.3.2Xi lanh tác dụng kép (xi lanh 2 chiều)

Trong đồ án chúng em sử dụng xi lanh khí nén tác dụng kép

Hình 2.20 Xi lanh tác dụng kép không có giảm chấnNguyên lý hoạt động: Cấp khí vào bên trái xi lanh thì pitong tiến ra, Cấp khí vào bên phải xi lanh thì pitong lùi về.

Nguyên lý hoạt động: (sử dụng xilanh tác động 2 chiều)

Xilanh khí nén có 2 cửa vào A và B, cửa A và cửa B của xylanh lần lượtđược nối với cửa B và cửa A của van khí nén Khi xylanh chưa hoạt động, khí

sẽ được cấp vào cửa B của xylanh khiến xylanh thu lại Khi xylanh hoạt động,khí sẽ được cấp vào cửa A của xylanh khiến xylanh đẩy ra và tác động đẩysản phẩm vào thùng chứa

2.7 Rơ le

Để đảm bảo nguyên tắc về an toàn điện ta không thể đấu nối trực tiếp cácthiết bị tải mà ở đây là động cơ và van khí nén vào bộ điều khiển.Thay vào đó

ta phải dùng rơle làm thiết bị trung gian Rơ le trung gian được dùng làm phần

tử đầu ra để truyền tín hiệu cho các bộ phần mạch phía sau: động cơ,van khínén Đồng thời cách ly điện áp khác giau giữa khối điều khiển và khối chấphành Có nhiều loại rơ le trung gian một chiều và xoay chiều

Hình 2.21 Rơ le thực tế

Hình 2.22 Cấu tạo rơle

Rơle trung gian làm chức năng thực hiện các theo tác trung gian, hoặc điđóng cắt cuộn dây khống chế của công tắc tơ, aptômat hoặc máy cắt điện Vìthế, rơle trung gian thường có nhiều tiếp điểm, kể cả tiếp điểm thường mở vàthườngđóng

Nguyên lý hoạt động:

Khi cuộn dây có điện, nó hút lõi thép 3 xuống, các đầu tiếp xúc động 7 và

10 được nâng lên, do đó tiếp điểm thuận 6-7 đóng lại, tiếp điểm nghịch 10-11

mỏ ra.Các vít 4 và ốc 5 để điều chỉnh điện áp (hay dòng điện) hút và nhả củanam châm điện.Loại rơle này thuộc loại tác động ngay, tức có điện thì nóđóng, mắt điện nó nhả ngay

2.8 Băng tải

Loại băng tải sử dụng: Băng tải PVC

Ưu điểm:

 Tải nhẹ, thông dụng với kinh tế

 Đầu tư không lớn nhưng doanh nghiệp sẽ nhận lại hiệu quả rất lớn từ sựtiện dụng và lợi ích của băng tải PVC

 Hệ thống băng tải PVC là thiết bị chuyên tải mang lợi ích kinh tế caotrong ứng dụng vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệu trong sản xuấtvới mọi khoảng cách Có nhiều loại băng tải được ứng dụng trong cácđiều kiện và tính chất làm việc khác nhau

 Động cơ được gắn vào con lăn chủ động trực tiếp Khi động cơ chạycác con lăn sẽ quay ngược lại gây ra do con lăn áp lực cao của các tấmthảm cao su, khi áp dụng đúng cách, tạo ra một áp lực đáng kể vào bêntrong.

Hìn

h 2.23 Hình ảnh cho băng tải

CHƯƠNG III THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ TÍCH HỢP

HỆ THỐNG3.1 Thành phần trong hệ thống

Hình 3.1 Các thiết bị trong hệ thống

3.2 Thiết kế hệ thống cơ khí

3.2.1 Thiết kế kiểu dáng hình học

Hình 3.2 Bản vẽ lắp của hệ thống.

Hình 3.3 Bản vẽ phân rã của hệ thống

3.2.2 Tính toán chọn động cơ

 Xác định lực kéo băng tải

Lực kéo cần thiết được tính theo công thức

m - khối lượng của phôi

T

 - hệ số ma sát trượt giữa belt và tấm đỡ được tra trong bảng sau:

Bảng 3 1 : Bảng xác định hệ số ma sát giữa băng tải và tấm đỡ

B

m  (chiều dai băng đai).(khối lượng riêng băng đai).(chiều rộng băng).

, khối lượng riêng = 2,5 kg/m 2

Dựa vào lực kéo cần thiết như trên ta có thể tính được đường kính nhỏ nhất

của tang kéo như sau:

0

b - chiều rộng băng tải

 - góc ôm của belt và tang trống

3

c - hệ số được chọn từ bảng

Bảng 3 2 : Bảng chọn hệ số c3