ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM TRÊN BĂNG TẢI

Hệ thống phân loại sản phẩm là một đề tài đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu. Hiện nay trong các nhà máy xí nghiệp có rất nhiều hệ thống hoàn thiện cả về chất lượng và thẩm mỹ. Với hệ thống tự động hóa này thì chúng ta có thể giảm thiểu nhân công đi kèm với giảm thiểu chi phí sản xuất.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài:

ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI

SẢN PHẨM TRÊN BĂNG TẢI

Hà Nội - 2018

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của nghiên cứu 1

2 Các vấn đề đặt ra 2

3 Ứng dụng 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả đạt được của đề tài 3

6 Phạm vi giới hạn 3

CHƯƠNG 1: ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM TỰ ĐỘNG 4

1.1 Tổng quan đếm và phân loại sản phẩm 4

1.1.1 Đếm sản phẩm 5

1.1.2 Phân loại sản phẩm 7

1.2 Ứng dụng đếm và phân loại sản phẩm trên băng tải 12

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ ĐẾM SẢN PHẨM TRÊN BĂNG TẢI 18

2.1 Phần cơ khí 18

2.1.1 Động cơ điện một chiều 18

2.1.2 Hệ thống băng tải 20

2.2 Hệ thống điều khiển 23

2.2.1 Giới thiệu về PLCS7-200 23

2.2.2 Cảm biến 26

2.2.3 Piston khí nén 28

2.2.4 Van điều khiển đảo chiều 34

2.2.5 Rơ le trung gian 36

2.2.6 LED 7 thanh và ghi dịch 74HC595 37

2.2.7 Nút nhấn 41

CHƯƠNG 3: ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ BĂNG TẢI VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU

KHIỂN HỆ THỐNG ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM TỰ ĐỘNG 42

3.1 Điều khiển ổn định tốc độ băng tải 42

3.1.1 Hệ thống băng tải 43

3.1.2 Động cơ điện 1 chiều 44

3.1.2.2 Mô hình toán của động cơ điện một chiều 45

3.1.2.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ có khâu phản hồi 47

3.2 Điều kiện phân loại sản phẩm 48

3.3 Chương trình điều khiển 51

3.4 Đếm sản phẩm 57

3.4 Kết quả nghiên cứu 57

KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 59

1 Kết quả 59

2 Đánh giá 59

3 Nguyên nhân và biện pháp khắc phục 60

4 Hướng phát triển 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc 8

Hình 1.2: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao 10

Hình 1.3: Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng 11

Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bằng PLC 13

Hình 2.1: Một số loại động cơ trên thực tế 19

Hình 2.2: Cấu tạo động cơ điện một chiều 19

Hình 2.3: Cấu tạo chung băng tải 22

Hình 2.4: Các thành phần cơ bản của PLC 23

Hình 2.5: Cảm biến khoảng cách E3F-DS30C4 27

Hình 2.6: Cảm biến màu sắc TCS3200 27

Hình 2.7: Sơ đồ đấu chân của cảm biến màu sắc TCS3200 với Arduino 28

Hình 2.8a: Xylanh tác động đơn 31

Hình 2.8b: Xylanh tác động kép 31

Hình 2.9: Xylanh khí nén tác động kép MAL 16X 100 32

Hình 2.10: Các ống nối với cửa của xylanh và van 32

Hình 2.11: Hệ thống khí nén 33

Hình 2.12: Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của van điều khiển đảo chiều khí nén 34

Hình 2.13: Van điện từ AIRTAC 4V110-06 35

Hình 2.14: Cấu tạo của rơle trung gian 36

Hình 2.15: Rơle Omron MY2N DC24 37

Hình 2.16: Led 7 thanh 38

Hình 2.17: Sơ đồ vị trí các chân 39

Hình 2.18: Ghép nối qua ghi dịch LS74HC595 40

Hình 2.19: Nút nhấn 41

Hình 3.1 : Hệ thống băng tải 43

Hình 3.2 : Rulo chủ động 44

Hình 3.3: Rulo bị động 44

Hình 3.4: Dây đai 44

Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ thống 45

Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều 46

Hình 3.7: Mô hình mạch vòng tốc độ khi có mạch vòng dòng điện 47

Hình 3.7 Sơ đồ mạch nguyên lí 57

Hình 3.8 Mạch 3D 57

Hình 3.9 Mạch in 57

Hình 3.10 Mô hình thực tế 58

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của nghiên cứu

Trong nền kinh tế hiện nay, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất

và đời sống ngày càng phổ biến Nhưng các ứng dụng sáng tạo và khoa học

kỹ thuật thuờng chỉ áp dụng được cho những nhà máy có mô hình sản xuất tiên tiến với quy mô kinh doanh lớn

Tuy nhiên, tại những nhà máy, xí nghiệp nhỏ hay các hợp tác xã nông thôn ở địa phương vẫn còn sản xuất theo mô hình thủ công, chủ yếu dựa vào sức người lao động

Do đó, chúng em quyết định nghiên cứu về đề tài “Ứng dụng PLC điều khiển tự động đếm và phân loại sản phẩm trên băng tải” nhằm đưa việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào mô hình sản xuất thô sơ tại địa phương, các mô hình sản xuất nhỏ Bên cạnh mạch đếm sản phẩm thông thuờng, chúng em còn nghiên cứu thêm cách phân loại sản phẩm (phân loại sản phẩm theo màu sắc và chiều cao)

Chúng em sử dụng phân loại sản phẩm trên băng tải vì băng tải là một thiết bị khá phổ biến trong các mô hình sản xuất Đồng thời chúng em sử dụng PLC là một bộ lập trình logic công nghiệp khá nhỏ gọn và giá thành tương đối phù hợp

Việc sử dụng mô hình này vào mô hình sản xuất sẽ góp phần giúp người lao động bớt vất vả, đồng thời làm tăng chất luợng sản phẩm và lợi nhuận kinh tế

Trong các quá trình sản xuất, một dây chuyền không thể nào đảm bảo

là sản phẩm nào ra đời cũng đều đúng tiêu chuẩn về chiều cao, chủng loại, cân nặng

Vì vậy dây chuyền phân loại sản phẩm ra đời và đã đáp ứng hiệu quả các vấn đề khó khăn đặt ra Với nhiều tính năng ưu việt như nhiên liệu đầu vào được đưa vào khí nén đều hoàn toàn an toàn và thân thiện với môi trường, phòng chống được việc cháy nổ, tốc độ truyền nhanh cùng với đó là việc kết

hợp với PLC là một bộ lập trình logic công nghiệp Đặc trưng của PLC là việc sử dụng vi mạch để xử lí thông tin và ta có thể thay đổi công nghệ, cải tạo dựa trên công nghệ và phẩn mở rộng chứ không thay thế toàn bộ công nghệ mới Đó hoàn toàn là những sự kết hợp hay và hiệu quả cả về điện khí nén và tự động

2 Các vấn đề đặt ra

Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu chế tạo: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, bảo trì, sửa chữa

Để thiết kế được chúng ta cần thiết kế cơ khí và điều khiển được động cơ

và hệ thống hoạt động tự động dựa vào lập trình và điều khiển của PLC Ngoài ra còn có các vấn đề khác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiết

Các vấn đề cần được giải quyết đó là:

- Vấn đề cơ khí: phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ, gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa

- Vấn đề điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động

- Vấn đề an toàn: đảm bảo an toàn cho người sử dụng và sản phẩm không

bị hỏng

3 Ứng dụng

Đề tài mà chúng em thiết kế có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực như vận chuyển sản phẩm, đếm sản phẩm và phân loại sản phẩm Với hệ thống tự động hóa này thì chúng ta có thể giảm thiểu nhân công đi kèm với giảm thiểu chi phí sản xuất

Ngày nay khi khoa học công nghệ kỹ thuật phát triển thì tự động hóa đã và đang góp phần rất lớn vào quá trình sản xuất thay thế sức lao động của con người

4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài “ Ứng dụng PLC điều khiển tự động đếm và phân loại sản phẩm trên băng tải” đã được nhiều sinh viên của các trường nghiên cứu và thực

hiện Mô hình này cũng đã được thiết kế, đưa vào sử dụng trong một số nhà máy và là một sản phẩm cơ điện tử điển hình, nên trong quá trình làm đồ án, chúng em đã áp dụng phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp phân tích nghiên cứu tài liệu kết hợp với tìm kiếm thông tin

5 Kết quả đạt đƣợc của đề tài

Đề tài sẽ là cơ sở quan trọng để các giảng viên có điều kiện giới thiệu một cách trực quan nhất cho sinh viên nghiên cứu, tìm hiểu về mô hình dây chuyền sản xuất trong thực tế được thực hiện một cách tự động hóa Bên cạnh

đó mô hình cũng đáp ứng được yêu cầu về đào tạo thực hành tại trường trong điều kiện thực tế chưa cho phép sinh viên được đi thực tế tại cơ sở sản xuất

Đề tài cũng là một tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn đồng nghiệp, các bạn sinh viên trong công việc cũng như trong quá trình học tập của mình

6 Phạm vi giới hạn

Hệ thống phân loại sản phẩm là một đề tài đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu Hiện nay trong các nhà máy xí nghiệp có rất nhiều hệ thống hoàn thiện cả về chất lượng và thẩm mỹ Tuy nhiên, trong phạm vi một đề tài nghiên cứu, với những giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài giới hạn bởi:

- Kích thước: (Dài x Rộng x Cao) 104 x 27 x 30 (cm)

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

- Cơ cấu đẩy sản phẩm: Xylanh piston

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

- Hệ thống dẫn động: Băng chuyền

- Điện áp cung cấp: Điện áp xoay chiều 220V và điện áp một chiều 24V

CHƯƠNG 1: ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM TỰ ĐỘNG

1.1 Tổng quan đếm và phân loại sản phẩm

Hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống tự động hoặc bán tự động nhằm chia sản phẩm ra các nhóm có cùng thuộc tính với nhau để thực hiện đóng gói hay loại bỏ sản phẩm hỏng

- Có nhiều cách phân loại hệ thống phân loại sản phẩm:

+ Dựa trên phương thức điều khiển chia ra hệ thống tự động hay bán tự động, có sự tham gia của con người hay không, mức độ đến đâu, điều khiển bằng PLC, vi xử lí

+ Theo màu sắc : Màu sắc sẽ được cảm biến nhận biết chuyển sang tín hiệu điện rồi qua bộ chuyển đổi ADC về bộ vi xử lí

+ Theo trọng lượng, hình dáng kích thước bên ngoài

Ngoài ra còn nhiều cách phân loại khác nhau tùy vào yêu cầu và sự khác biệt của phôi với nhau

Bên cạnh các băng tải để vận chuyển sản phẩm thì một yêu cầu cao hơn được đặt ra đó là phải có hệ thống phân loại sản phẩm Còn rất nhiều dạng phân loại sản phẩm tùy theo yêu cầu của nhà sản xuất như : Phân loại sản phẩm theo kích thước, phân loại sản phẩm theo mã vạch, phân loại sản phẩm theo hình ảnh

Vì có nhiều phương pháp phân loại khác nhau nên có nhiều thuật toán, hướng giải quyết khác nhau cho từng sản phẩm, đồng thời các thuật toán này

có thể đan xen, hỗ trợ nhau Ví dụ như muốn phân loại vải thì cần phân loại

về kích thước và màu sắc, về nước uống ( như bia, nước ngọt) cần phân loại theo chiều cao, khối lượng, phân loại xe theo chiều dài, khối lượng, phân loại gạch granitr theo hình ảnh

- Phân loại sản phẩm to nhỏ sử dụng cảm biến quang : sản phẩm chạy trên băng tải ngang qua cảm biến quang thứ 1 nhưng chưa kích thích cảm biến quang thứ 2 thì được phân loại vật thấp nhất khi sản phẩm qua 2 cảm biến đồng thời thì được phân loại vật cao nhất

- Phân loại sản phẩm dựa vào màu sắc của sản phẩm nhưng cảm biến phân loại màu sắc sẽ được đặt trên băng tải, khi sản phẩm đi ngang qua nếu cảm biến nào nhận được sản phẩm thuộc màu nào sẽ được cửa phân loại tự động mở để sản phẩm đó được phân loại đúng

- Phân loại sản phẩm dùng webcam: Sử dụng 1 camera chụp lại sản phẩm khi chạy qua và đưa cảnh về so sánh với ảnh gốc Nếu giống thì cho sản phẩm

đi qua, còn nếu không thì loại sản phẩm đó

1.1.1 Đếm sản phẩm

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử mà trong đó kỹ thuật số đóng vao trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng

Xuất phát từ những đợt đi thực tế tại nhà máy và tham quan các doanh nghiệp sản xuất điện tử, chúng em đã được thấy 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 số lượng sản phẩm làm ra được đếm một cách tự động Tuy nhiên đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hoàn toàn chưa được áp dụng trong những khâu đếm sản phẩm, đóng bao bì

mà vẫn còn sử dụng nhân công

Chúng ta có thể sử dụng đếm tự động và đếm bằng tay tuy nhiên thì đếm sản phẩm tự động giúp chính xác, nhanh chóng và tiết kiệm nhân công

- Tần số đáp ứng của mạch nhanh, cho phép đếm với tần số cao

- Khoảng cách đặt phần phát và phần thu xa nhau cho phép đếm những sản phẩm lớn

- Tổn hao công suất bé, mạch có thể sử dụng pin hoặc acquy

- Khả năng đếm rộng

- Giá thành hạ

- Mạch đơn giản dễ thực hiện

Với việc sử dụng kỹ thuật số khó có thể đáp ứng được việc thay đổi số đếm Muốn thay đổi một yêu cầu nào đó của mạch thì buộc lòng phải thay đổi phần cứng Do đó mỗi lần phải lắp mạch dẫn đến tốn kém về kinh tế mà nhiều khi yêu cầu đó không thực hiện được bằng phương pháp này

Với sự phát triển mạnh của ngành kỹ thuật số đặc biệt là cho ra đời các họ

vi xử lí và vi điều khiển rất đa chức năng do đó việc dùng kỹ thuật vi xử lí, kỹ thuật vi điều khiển đã giải quyết những bế tắc và kinh tế hơn mà phương pháp

dùng IC rời kết nối lại không thực hiện được

thể thực hiện được mà nếu có thể thực hiện được thì cũng cứng nhắc mà người công nhân cũng khó tiếp cận, dễ nhầm

- Số linh kiện sử dụng trong mạch ít hơn

- Mạch đơn giản hơn so với mạch đếm sản phẩm dùng IC rời và có phần cài đặt số đếm ban đầu

- Mạch có thể lưu lại số liệu của các ca sản xuất

- Mạch có thể điều khiển đếm được nhiều dây chuyền sản xuất cùng lúc bằng phần mềm

- Mạch cũng có thể kết nối giao tiếp được với máy tính thích hợp cho những người quản lí tại phòng kỹ thuật nắm bắt được tình hình sản xuất qua màn hình của máy vi tính

Nhưng trong thiết kế người ta thường chọn phương pháp tối ưu nhưng kinh tế do đó chúng em chọn phương pháp đếm sản phẩm dùng kỹ thuật vi điều khiển

* Phương pháp đếm sản phẩm dùng vi điều khiển:

Ngoài những ưu điểm có được của hai phương pháp trên, phương pháp này có còn những ưu điểm :

Trong mạch có thể sử dụng ngay bộ nhớ trong đối với những chương trình có quy mô nhỏ, rất tiện lợi mà vi xử lí không thực hiện được

Nó có thể giao tiếp nối tiếp trực tiếp với máy tính mà vi xử lí cũng giao tiếp được với máy tính nhưng là giao tiếp song song nên cần có linh kiện chuyển đổi dữ liệu từ song song sang nối tiếp để giao tiếp với máy tính

1.1.2 Phân loại sản phẩm

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

hệ thống hoàn chỉnh có thể phân loại 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 chính xác trong công việc Điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này

Hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay có rất nhiều trong ứng dụng thực tế trong các nhà máy xí nghiệp, nhưng chủ yếu được chia thành ba loại chính là phân loại sản phẩm theo màu sắc, theo hình dạng và theo chiều cao

a Phân loại sản phẩm theo màu sắc

Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

Hình 1.1: Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

+) Cấu tạo :

Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc (Hình 1.1) có cấu tạo chính gồm:

- Một băng tải

- Một động cơ điện một chiều để kéo băng tải

- Cảm biến nhận biết màu sắc

- Ba xylanh piston để phân loại sản phẩm

- Bộ PLC dùng để xử lí tín hiệu

- Các van đảo chiều

- Các rơle trung gian

- Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn hệ thống

+) Ứng dụng :

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

b Phân loại sản phẩm theo chiều cao

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao:

Hình 1.2: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao

+) Cấu tạo :

- Hai băng tải

- Hai động cơ điện một chiều để kéo băng tải

- Ba cảm biến nhận biết chiều cao

- Hai xylanh piston để phân loại sản phẩm

- Bộ PLC dùng để xử lí tín hiệu

- Hai van đảo chiều

- Các rơ le trung gian

- Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn hệ thống

- Nút ấn

+) Nguyên lí hoạt động:

Khi nhất nút Start điện áp một chiều cấp cho động cơ điện một chiều thứ nhất hoạt động, truyền chuyển động cho băng tải thứ nhất thông qua dây đai.Trên băng tải này sẽ thiết kế những cảm biến nhận biết sản phẩm có chiều cao khác nhau Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xử lí sau đó PLC đưa ra tín hiệu về van đảo chiều tác động điều khiển piston đẩy sản phẩm cao và trung bình vào khay chứa tương ứng, sản phẩm

thấp sẽ được đi đến hết băng tải và được phân loại vào hộp chứa nằm trên băng tải thứ hai Sau đó động cơ một chiều thứ hai truyền chuyển động cho băng tải thứ hai vận chuyển hộp chứa sản phẩm thấp về vị trí tương ứng

+) Ứng dụng:

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp :

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

- Ứng dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm như bánh kẹo, hoa quả

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

c.Phân loại sản phẩm theo hình dạng :

Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng :

Hình 1.3: Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng

+) Cấu tạo:

- Một băng tải

- Một động cơ điện một chiều để kéo băng tải

- Hai động cơ bước gạt sản phẩm để phân loại

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

- Bộ PLC dùng để xử lí tín hiệu

- Các rơ le trung gian

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

- Ứng dụng trong kiểm tra và phân loại nông sản

- Ứng dụng kết hợp với Robot thông minh

Như vậy, ngoài ba loại hệ thống phân loại sản phẩm trên, chúng ta còn thấy

có hệ thống phân loại sản phẩm khác theo đặc tính của sản phẩm Ví dụ như phân loại sản phẩm theo trọng lượng, kích thước Hầu hết cấu tạo và nguyên

lí hoạt động của chúng khá tương tự nhau, chỉ khác nhau ở bộ phận sản phẩm phân loại (có thể là xylanh piston hoặc động cơ bước ) và bộ phận nhận dạng sản phẩm ( có thể là các loại cảm biến như màu sắc, cảm biến quang thu phát, cảm biến phát hiện kim loại, hay camera phát hiện hình dạng vật thể )

1.2 Ứng dụng đếm và phân loại sản phẩm trên băng tải

Hiện nay có 2 hệ điều khiển được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp đó

là PLC và vi điều khiển

* Hệ thống sử dụng hệ điều khiển PLC

Hiển thị qua Led7 thanh Nút nhấn

Động cơ băng tải

và hệ thống xi lanh khí Cảm biến

PLC

+ Sơ đồ khối

PLC sẽ nhận tín hiệu cài đặt từ nút nhấn và tín hiệu từ cảm biến để điều khiển đếm và phân loại PLC xử lý các tín hiệu đó thông qua chương trình lập trình để điều khiển động cơ băng tải, hệ thống xylanh khí và hiển thị số sản phẩm đã qua băng tải lên Led 7 thanh

+Ưu, nhược điểm của PLC

Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng như các khái niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có những

ưu điểm sau:

- 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

Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bằng PLC

- 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 nhau: máy tính, kết nối mạng Internet, các Modul mở rộng

- 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 khắc nghiệt công nghiệp, 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 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

* Hệ thống sử dụng vi điều khiển

Led 7 thanh

Khối công suất

Động cơ băng tải

Nút nhấn

Cảm biến

Khuếch đại hiệu chỉnh

Vi điều khiển

+ Sơ đồ khối

Vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu cài đặt số sản phẩm thông qua nút nhấn Khi có tín hiệu từ cảm biến qua các khối khuếch đại hiệu chỉnh đưa tín hiệu vào vi điều khiển Vi điều khiển xử lí tín hiệu và xuất ra điều khiển trên Led 7 thanh hiển thị số sản phẩm và qua các khối công suất để điều khiển động cơ băng tải

+ Ưu, nhược điểm của vi điều khiển

Vi điều khiển ra đời mang lại sự tiện lợi đối với người dùng, họ không cần nắm vững một khối lượng kiến thức quá lớn như người dùng vi xử lý, kết cấu mạch điện dành cho người dùng cũng trở nên đơn giản hơn nhiều và có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị bên ngoài Vi điều khiển tuy được xây dựng với phần cứng dành cho người sử dụng đơn giản hơn, nhưng thay vào lợi điểm này là khả năng xử lí bị giới hạn (tốc độ xử lí chậm hơn và khả năng tính toán ít hơn,dung lượng chương trình bị giới hạn) Thay vào đó, vi điều khiển có giá thành rẻ, việc sử dụng đơn giản, do đó nó được ứng dụng rộng rãi vào nhiều ứng dụng có chức năng đơn giản, không đòi hỏi tính toán phức tạp

Hình1.5: Sơ đồ khối của hệ thống sử dụng vi điều khiển

Kết luận: Dựa vào yêu cầu của đề tài và ứng dụng của hệ thống trong

công nghiệp nên chúng em chọn hệ thống điều khiển bằng PLC cho mô hình đếm và phân loại sản phẩm trên băng tải kết hợp với sử dụng arduino và Led

7 thanh hiện thị số sản phẩm đếm được

+ Loại C: Xanh lá cây thấp 3cm

+ Loại D: Xanh lá cây cao 5cm

Khi nhấn nút START thì đèn hoạt động (HĐ) sáng, đồng thời băng tải chở sản phẩm hoạt động đưa sản phẩm lần lượt đi qua cảm biến màu và cảm biến tiệm cận phát hiện chiều cao:

+ Nếu sản phẩm loại A thì piston I đẩy sản phẩm loại A rơi vào thùng đựng sản phẩm A, bộ đếm đếm lên và hiển thị trên LED 7 thanh Cứ như vậy cho đến khi trong thùng có đủ 6 sản phẩm thì đưa số sản phẩm này sang khâu đóng gói, bộ đếm thực hiện reset đếm lại

+ Nếu sản phẩm loại B thì piston II đẩy sản phẩm loại B rơi vào thùng đựng sản phầm B, bộ đếm đếm lên và hiển thị trên LED 7 thanh Cứ như vậy cho đến khi trong thùng có đủ 6 sản phẩm thì đưa số sản phẩm này sang khâu đóng gói, bộ đếm thực hiện reset đếm lại

+ Nếu sản phẩm loại C thì piston III đẩy sản phẩm loại C rơi vào thùng đựng sản phầm C, bộ đếm đếm lên và hiển thị trên LED 7 thanh Cứ như vậy cho đến khi trong thùng có đủ 6 sản phẩm thì đưa số sản phẩm này sang khâu đóng gói, bộ đếm thực hiện reset đếm lại

+ Nếu sản phẩm loại D thì sản phẩm loại D đi đến cuối băng tải rơi vào thùng đựng sản phầm D, bộ đếm đếm lên và hiển thị trên LED 7 thanh Cứ như vậy cho đến khi trong thùng có đủ 6 sản phẩm thì đưa số sản phẩm này

sang khâu đóng gói, bộ đếm thực hiện reset đếm lại

Tổng số sản phẩm đưa vào băng tải được hiển thị trên LED 7 thanh Nếu tổng số sản phẩm bộ đếm đếm được là 96 sản phẩm thì bộ đếm dừng đếm Nhấn nút STOP tất cả hệ thống dừng

* Ứng dụng của phân loại và đếm sản phẩm trong bài toán

Dựa theo bài toán thực tế:

- Sản phẩm được phát hiện về chiều cao và màu sắc thông qua các cảm biến, PLC S7-200 nhận tín hiệu tác động vào các xylanh phân loại sản phẩm theo 4 loại A,B,C,D

- Sản phẩm được phát hiện khi qua cảm biến, PLC S7-200 nhận tín hiệu, lúc này sản phẩm được đếm tự động thông qua bộ ghi dịch được hiển thị trên Led 7 thanh,thực hiện đếm tổng số sản phẩm được đưa vào băng tải và số lượng sản phẩm của từng loại, nếu tổng số sản phẩm đưa vào băng tải là 96 sản phẩm thì bộ đếm dừng đếm

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ

ĐẾM SẢN PHẨM TRÊN BĂNG TẢI

Dựa vào yêu cầu của đề tài, hệ thống phân loại và đếm sản phẩm tự động được thiết kế gồm 2 phần chính là: phần cơ khí và hệ thống điều khiển

2.1 Phần cơ khí

2.1.1 Động cơ điện một chiều

Trong mô hình, vì sử dụng truyền động băng tải dây đai và không yêu cầu tải trọng lớn nên không cần động cơ có công suất lớn Với yêu cầu khá đơn giản của băng tải như là:

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

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

- Dễ điều khiển, giá thành rẻ

Vì vậy chỉ cần sử dụng động cơ một chiều có công suất nhỏ, khoảng 80 -

Hình 2.1: Một số loại động cơ trên thực tế

a) Cấu tạo động cơ điện một chiều

1- Cổ góp điện 2- Chổi than 3- Rotor 4- Cực từ 5- Cuộn cảm 6- Stator 7- Cuộn dây phần ứng

Cấu tạo của động cơ điện một chiều (Hình 2.2):

- Stator (phần tĩnh): Gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy Các cực từ chính có dây quấn kích từ

- Rotor (phần động): Gồm lõi thép và dây quấn phần ứng Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày khoảng 0.5 mm, phủ sơn cách điện

Hình 2.2: Cấu tạo động cơ điện một chiều

ghép lại Mỗi phần tử của dây quấn phần động có nhiều vòng dây, hai đầu với hai phiến góp, hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn trong hai rãnh dưới hai cực khác tên

- Cổ góp: gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục rotor

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

và giá chổi điện gắn trên nắp máy

b) Nguyên lí làm việc của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi than, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm cho Rotor quay Chiều của lực được xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn sẽ đổi chỗ cho nhau do có phiến cổ góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động cơ một chiều thì sức điện động ngược chiều với dòng điện nên còn gọi là sức phản điện động

2.1.2 Hệ thống băng tải

Băng tải thường được dùng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệu rời theo phương ngang và phương nghiêng Trong các dây chuyền sản xuất, các thiết bị này được sử dụng rộng rãi như những phương tiện để vận chuyển các cơ cấu nhẹ, trong các xưởng luyện kim dùng để vận chuyển quặng, than

đá, các loại xỉ lò và trên các trạm thủy điện thì dùng vận chuyển nhiên liệu Trên các kho bãi thì dùng để vận chuyển các loại bưu kiện, vật liệu hạt hoặc một số sản phẩm khác Trong 1 số ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp hóa chất thì dùng để vận chuyển các sản phẩm đã

hoàn thành và chưa hoàn thành giữa các công đoạn, các phân xưởng, đồng thòi dùng để loại bỏ các sản phẩm không dùng được

a Ưu điểm :

- Băng tải cấu tạo đơn giản, có độ bền cao

- Có khả năng vận chuyển vật liệu theo hướng nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp được cả hai với khoảng các lớn

- Không gây tiếng ồn cho xung quanh, năng suất tiêu hao nhỏ

- Vận chuyển được hàng rời như cát, đá răm, than, than đá từ nơi này đến nơi khác

- Vốn đầu tư không lớn, có thể tự động được, vận hành đơn giản, bảo dưỡng dễ dàng , làm việc tin cậy, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển khác không nhiều hơn

b Nhược điểm:

- Để tăng được tuổi thọ sử dụng của băng tải, khi sử dụng bạn nên chạy với tốc độ trung bình – không cao

- Độ nghiêng băng tải nhỏ hơn 24 độ

- Không vận chuyển theo hướng đường cong cần bố trí thêm động cơ và khung băng để đổi hướng

c Đặc điểm làm việc của băng tải

- Thường xuyên kiểm tra bảo dưỡng con lăn vì thiết bị vận động liên tục

và luôn bị tì đè lên con lăn

- Nhờ lực ma sát giữa bề mặt đai và đường dẫn - con lăn nên băng tải được hoạt động một cách dễ dàng

- Tùy thuộc vào từng điều kiện sản xuất để lựa chọn việc sử dụng băng tải hay tổ hợp nhiều băng tải cùng với thiết bị băng chuyền khác và thiết bị tự

động hóa trong sản xuất để nâng cao năng suất và giải phóng sức lao động cho con người

- Mặt khác chi phí băng tải được thiết kế đơn giản, chi phí đầu tư chế tạo thiết bị băng chuyền thấp tạo điều kiện cho tất cả các doanh nghiệp lớn nhỏ trong thị trường hiện nay

d Cấu tạo của băng tải :

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

Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo

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

Hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ ) làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu tố làm việc

e Ứng dụng của băng tải

- Băng tải chế tạo : Được ứng dụng trong một số nhà máy chế tạo bánh kẹo, nước giải khát,…

- Băng tải lắp ráp: Được ứng dụng trong các nhà xưởng lắp ráp ô tô, xe máy, đồ điện tử,…

- Băng tải sản suất : Được ứng dụng trong 1 số nhà máy chế biến rau

củ, thủy hải sản, động thực vật làm thức ăn để con người hoặc gia súc

- Băng tải đóng gói: Được chế tạo với việc đóng gói sản phẩm

Trên thị trường ngày nay có những dòng hàng hóa băng tải được nhiều quý khách hàng lựa chọn như: băng tải lưới, băng tải chuyển hàng, băng tải pu, băng tải xích,

2.2 Hệ thống điều khiển

2.2.1 Giới thiệu về PLCS7-200

PLC là một thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển thông số qua một ngôn ngữ lập trình Toàn bộ chương trình điều khiển sẽ được lưu vào trong bộ nhớ của PLC Điều này làm cho PLC giống như một máy tính, nghĩa

là có bộ vi xử lí, một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu các chương trình hỗ trợ điều khiển, dữ liệu , các cổng vào/ ra để kết nối với các đối tượng điều khiển Như vậy có thể thấy cấu trúc cơ bản của một PLC bao giờ cũng gồm các thành phần cơ bản sau :

Mô đun nguồn

- Mô đun xử lý tín hiệu

- Mô đun vào

- Mô đun ra

- Mô đun nhớ

- Thiết bị lập trình

Hình 2.4: Các thành phần cơ bản của PLC

Ngoài các module chính như trên, PLC còn có các mô đun phụ trợ như

mô đun giao tiếp mạng, truyền thông, module ghép nối các module chức năng

để xử lí tín hiệu như module kết nối với các van nhiệt, module điều khiển động cơ bước, module kết nối với các encoder, module đếm xung vào

Trạng thái ngõ vào của PLC được phát hiện và được lưu vào bộ nhớ đệm,(bộ nhớ trong PLC gồm các thành phần như sau: ROM, EPROM, EEOROM PLC ) thực hiện các lệnh logic trên các trạng thái của chúng và thông qua chương trình trạng thái, ngõ ra được cập nhật và lưu vào bộ nhớ đệm Sau đó, trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm được dùng để đóng/mở các tiếp điểm kích hoạt các thiết bị tương ứng Như vậy, tất cả hoạt động của các thiết bị được điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình trong bộ nhớ Chương trình được truyền nạp vào PLC thông qua những thiết bị lập trình chuyên dụng

+) Ưu điểm của hệ thống điều khiển sử dụng PLC S7-200

Sự ra đời của hệ thống điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng như các khái niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có những ưu điểm sau:

- 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 khắc nghiệt công nghiệp, 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 thích nghi trong khả năng nên có thể xem là các tiêu chí đầu tiên cho chúng ta khi nghĩ đến thiết kế phần điều từ các ưu điểm nêu trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong hệ thống truyền động băng tải như:

- 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 may công nghiệp

- Dây chuyền sản xuất xe ôtô

Vì những ưu điểm như vậy, chúng em lựa chọn sử dụng PLC S7 – 200 để lập trình cho hệ thống điều khiển tự động đếm và phân loại sản phẩm trên băng tải

2.2.2 Cảm biến

Với đề tài phân loại sản phẩm theo chiều cao và màu sắc, chúng em sử dụng cảm biến khoảng cách E3F – DS30C4 và cảm biến màu sắc TCS3200 để nhận biết và phân loại sản phẩm

2.2.2.1 Cảm biến khoảng cách E3F-DS30C4

Áp dụng để phân loại màu sắc, cảm ứng và hiệu chuẩn ánh sáng mặt trời, kiểm tra dải đọc, kiểm tra màu sắc phù hợp

Thông số kỹ thuật :

- Điện áp cung cấp : (2.7V đến 5.5V)

- Chuyển đổi từ cường độ ánh sáng sang tần số với độ phân giải cao

- Lập trình lựa chọn bộ lọc màu sắc khác nhau và dạng tần sô xuất ra

- Điện năng tiêu thụ thấp Giao tiếp trực tiếp với vi điều khiển

Chức năng:

- S0,S1 : Đầu vào chọn tỉ lệ tần số đầu ra

- S2, S3 :Đầu vào chọn kiểu photodidoe

- OE: Đầu vào cho phép xuất tần số ở chân OUT

- OUT: Đầu ra là tần số thay đổi phụ thuộc cường độ và màu sắc

- Linh kiện điện tử Module cảm biến màu TCS3200 với khả năng nhận biết 3 màu cơ bản RGB và 4 đèn LED trắng Các TCS3200 có thể phát hiện

và đo lường gần như tất cả màu sắc có thể nhìn thấy Ứng dụng bao gồm kiểm tra đọc dải, phân loại theo màu sắc, cảm biến ánh sáng xung quanh và hiệu chuẩn, và kết hợp màu sắc, đó chỉ là một vài ứng dụng TCS3200 có các booh tách sóng quang, có 2 bộ lọc màu sắc là bộ lọc đỏ, xanh dương, hoặc màu xanh lá, hoặc không có bộ lọc (rõ ràng) Các bộ lọc của mỗi màu được phan

bố đều khắp các mảng để loại bỏ sai lệch vị trí giữa các điểm màu Bên trong

là một bộ dao động tạo ra đầu ra sóng vuông có tần số là tỷ lệ thuận với cường độ của màu sắc lựa chọn

- Sơ đồ đấu chân của cảm biến màu sắc TCS3200 với Arduino

Hình 2.7: Sơ đồ đấu chân của cảm biến màu sắc TCS3200 với Arduino

2.2.3 Piston khí nén

Piston xylanh bao gồm piston xylanh thủy lực và khí nén, thực chất là