Thiết kế hệ thống chiết rót và đóng nắp sản phẩm sử dụng PLC s7 1200

Thiết kế hệ thống chiết rót và đóng nắp sản phẩm sử dụng PLC s7 1200

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC

Đề tài: Thiết kế hệ thống chiết rót và đóng nắp sản phẩm sử

dụng PLC S7-1200 Giáo viên hướng dẫn: Tống Thị Lý

Hà Nội 4/2019

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

PHẦN 1- SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN PLC 2

1.1- Cấu trúc của PLC 2

1.2- Các thành phần cơ bản của một PL 3

1.3- Hoạt động của một PLC 3

1.4- So sánh PLC S7 200 với PLC S7 1200 5

PHẦN 2- THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG PLC S7 1200 HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP SẢN PHẨM 6

2.1- Thiết bị sử dụng trong mô hình 6

2.2- Sơ đồ khối của hệ thống 7

2.3- Tính chọn thiết bị 8

2.4- Nguyên lý hoạt động của hệ thống 11

2.5- Phần mềm 15

LỜI NÓI ĐẦU

Từ khi ra đời cho đến nay PLC (programmable logic controller) ngày càng khẳng định được vai trò của mình trong đời sống và sản xuất Nó đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng như các khái niệm thiết kế về chúng bởi những ưu điểm tuyệt vời

Đặc trưng của tất cả các dòng PLC bất kì là khả năng có thể lập trình được, chỉ số IP ở dảiquy 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 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.Và để có cái nhìn khách quan hơn về PLC nhóm chúng em đã tìm hiểu về một hệ thống điều khiển công nghiệp thực tế Đó là hệ thống chiết rót và đóng nắp sản phẩm

Hệ thống này khá phổ biến trong các nhà máy sản xuất nước ngọt, nước giải khát….Góp phần lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, chất lượng và giá thành sản phẩm Do hiểu biết còn hạn chế nên bài tìm hiểu của chúng em không tránh khỏi những sai sót Kínhmong quý thầy cô góp ý để bài làm của chúng em hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn

PHẦN 1- SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN PLC

Ngày nay tự động hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng đời sống và công nghiệp, tựđộng hóa đã phát triển đến trình độ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết điều khiển tựđộng, tiến bộ của ngành điện tử, tin học…Chính vì vậy mà nhiều hệ thống điều khiển rađời, nhưng phát triển mạnh và có khả năng ứng dụng rộng là Bộ điều khiển lập trình PLC

Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable controller) đã được những nhà thiết kếcho ra đời năm 1968(Công ty General Motor-Mỹ), với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứngcác yêu cầu điều khiển :

 Dễ lập trình và thay đổi chương trình

 Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sữa chữa

 Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất

Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăntrong việc vận hành và lập trình hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệthống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiểnlập trình cầm tay (Programmable controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969.Điều này đã tạo ra sự phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình Trong giai đoạn này các hệthống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nốitrong hệ thống điều khiển cổ Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo rađược một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, đó là tiêu chuẩn: Dạng lập trình dùng giản đồ hìnhthang

Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLCphát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng :

 Số lượng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào, ngõ ra

từ xa bằng kỹ thuật truyền thông

 Bộ nhớ lớn hơn

 Nhiều loại Module chuyên dùng hơn

Trong những đầu thập niên 1970, với sự phát triển của phần mềm, bộ lập trình PLCkhông chỉ thực hiện các lệnh Logic đơn giản mà còn có thêm các lệnh về định thì, đếm sựkiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung, xử lý thời gian thực

Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng lẻ thành một

hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ Tốc độ của hệ thống đượccải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn Bên cạnh đó, PLC được chế tạo có thể giao tiếp với cácthiết bị ngoại nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC được mở rộng hơn

1.1- Cấu trúc của PLC

PLC là một thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua một ngônnhữ lập trình Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC Điều

này có thể nói PLC giống như một máy tính, nghĩa là có bộ vi xử lý, một bộ điều hành, bộnhớ để lưu chương trình điều khiền, dữ liệu và các cổng ra vào để giao tiếp với các đốitượng điều khiển…Như vậy có thể thấy cấu trúc cơ bản của một PLC bao giờ cũng gồmcác thành phần cơ bản sau :

 Mô đun nguồn

 Mô đun xử lý tín hiệu

 Mô đun vào

1.2- Các thành phần cơ bản của một PL

Trạng thái ngõ vào của PLC được phát hiện và lưu vào bộ nhớ đệm,(bộ nhớ trong PLCgồm các loại sau: ROM, EPROM, EEOROM PLC ) thực hiện các lệnh logic trên cáctrạng thái của chúng và thông qua chương trình trạng thái, ngõ ra được cập nhật và lưuvào bộ nhớ đệm Sau đó, trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm được dùng để đóng/mở cáctiếp điểm kích hoạt các thiết bị tương ứng Như vậy, sự hoạt động của các thiết bị đượcđiều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình trong bộ nhớ Chương trình được nạp vàoPLC thông qua thiết bị lập trình chuyên dụng

1.3- Hoạt động của một PLC

Bộ vi xử lý sẽ lần lượt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị phụ trợ, thực hiệnlogic điều khiển được đặt ra bởi chương trình ứng dụng, thực hiện các tính toán và điềukhiển các đầu ra tương ứng của PLC Các PLC thế hệ cuối cho phép thực hiện các phéptính số học và các phép tính logic, bộ nhớ lớn hơn, tốc độ xử lý cao hơn và có trang bịgiao diện với máy tính, với mạng nội bộ.v.v.

Bộ vi xử lý điều khiển chu kỳ làm việc của chương trình Chu kỳ này được gọi là chu kỳquét của PLC, tức là khoảng thời gian thực hiện xong một vòng các lệnh của chương trìnhđiều khiển Chu kỳ quét được minh họa ở hìnhsau :

Chu kỳ quét của PLC

Khi thực hiện quét các đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu từ các thiết bị vào như công tấc,cảm biến,…Trạng thái của tín hiệu vào được lưu tạm thời váo một mảng nhớ Trong thờigian quét chương trình, bộ xử lý quét lần lượt các lệnh của chương trình điều khiển, sửdụng các trạng thái của tín hiệu vào trong mảng nhớ để xác định các đầu ra đáp ứng haykhông Kết quả là các trạng thái của đầu ra được ghi vào mảng nhớ, PLC sẽ cấp hoặc ngắtđiện cho các mạch ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi Chu kỳ quét của PLC có thể kéo

dài từ 1 đến 25 mili giây Thời gian quét đầu vào và đầu ra thường ngắn so với chu kỳquét của PLC.

1.4- So sánh PLC S7 200 với PLC S7 1200

PHẦN 2- THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG PLC S7 1200

HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP SẢN PHẨM

PLC là một thiết bị đang được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực của đời sống từ sản xuất , học tập, sinh hoạt hay trong cả lĩnh vực an ninh, quân sự nhằm tối ưu hóa năng suất cũng như khả năng tự động hóa của hệ thống Và chúng em đã chọn một ứng dụng của nó trong sản xuất mà cụ thể là hệ thống chiết rót và đóng nắp chai làm đề tài nghiên cứu của mình Đây là một hệ thống phổ biến trong các nhà máy sản xuất nước ngọt, nước đóng chai, bia rượi…góp phần nâng cao hiệu quả cũng như chất lượng của các sản phẩm

Các biến đầu vào và đầu ra của hệ thống:

Các đầu vào SB1–SB8 Các đầu ra SQ1-SQ8

Cảm biến vị trí bàn xoay

2

Động cơ cấp phôi Cảm biến vị trí đầu vào bàn xoay Động cơ băng tải

Cảm biến vị trí rót

nước

Động cơ bàn xoay 2

Cảm biến vị trí đóng

Cảm biến trước xilanh ép nắp Xi lanh đẩy nắp thu

về Cảm biến sau xilanh ép nắp Xilanh đẩy nắp

Cảm biến trước xilanh đẩy nắp Xilanh ép nắp đẩy

ra

2.1- Thiết bị sử dụng trong mô hình

- Module PLC S7-1200 CPU1212C + SM1223 SM1234

- Module nguồn 24V 5A

- Module rơ le trung gian

- Module nút bấm tự phục hồi

- Cơ cấu chấp hành điều khiển nhiệt độ

Máy vi tính cài đặt các phần mềm sau: Tia portal V13

- Dây kết nối.

2.2- Sơ đồ khối của hệ thống

Khâu khởi động: Hệ thống bắt đầu được khởi động thông qua nút ấn hay sự điều khiển của người kĩ sư qua phần mềm

Khâu lấy chai: Những chiếc chai đã được kiểm tra và loại bỏ các sản phẩm lỗi sẽ được đưa lên băng chuyền để đi vào hệ thống chiết rót

Khâu rót: Trước hệ thống rót có thiết kế một cảm biến để đếm số lượng các chai đi vào hệthống rót

Tùy vào quy mô mà số lượng chai có thể lên đến vài chục chai trong một lần rót Sau khi

hệ thống đã đếm đủ số chai, hệ thống rót được hạ xuống đồng thời băng chuyền dừng hoạtđộng Hệ thống rót chất lỏng theo một thể tích đã được quy định trước và với một chế độ rót riêng biệt đối với từng chất lỏng

Hệ thống rót

Đóng nắp chai

Đóng gói

Kết thúc

Sau khi đã rót xong, hệ thống rót được nâng lên, các chai đã đầy được di chuyển sang khâu đóng nắp và các chai rỗng lại tiếp tục đưa vào hệ thống rót

Khâu đóng nắp chai: Những chai đã được rót đầy chất lỏng được đưa vào hệ thống đóng nắp chai Tùy vào loại chai mà hệ thống có thể sử dụng máy nén để dập nút hay động cơ

để vặn nút chai Sau khi được đóng nắp , những chai này được chuyển qua khâu đóng gói sản phẩm

Khâu đóng gói sản phẩm: Đây là bước cuối cùng của hệ thông, những chiếc chai thành phẩm được đưa vào thùng hàng theo một số lượng quy định Kết thúc mmottj chu kỳ của

đường ra hoặc sự dao động của áp suất ở đường vào van

Hình 2: Van lọc khí

Nguyên tắc hoạt động của van điều chỉnh áp suất khi điều chỉnh trục vít, tức là điều chỉnh vị trí của trục van, trong trường hợp áp suất của đường ra tăng lên so với áp suất của đường điều chỉnh, khí nén sẽ qua lỗ thôngtác động lên màng, vị trí kim van thay đổi, khí nén qua lỗ xả khí ra ngoài Cho đến chừng nào, áp suất của đường ra giảm bằng áp

suất được điều chỉnh ban đầu, thì vị trí kim van trở về vị trí ban đầu  Van 5/2

Van 5/2 là van có 5 cửa 2 vị trí

: Cấu tạo van 5/2 Khi chưa cấp khí vào cửa điều khiển 14, dưới tác dụng của lực lò xo van hoạt động

ở vị trí bên phải, lúc đó cửa số 1 thông với cửa số 2 và cửa 4 thông với cửa 5, cửa số 3 bị

fv chặn Khi ta cấp khí vào cửa điều khiển 14 van 5/2 đảo trạng thái làm cửa 1 thông với cửa 4, cửa 2 thông với cửa 3 và cửa 5 bị chặn

 Băng tải

Mô hình sử dụng một băng tải để dẫn chai vào bàn xoay Ở đầu băng tải có đặt một Mô

Tơ quay để điều khiển băng tải ta cần dùng mô tơ để có thể kéo băng tải giúp băng tải có thể chuyển động dễ dàng

 Động cơ bơm nước

Ở mô hình chiết rót và đóng nắp sản phẩm có sử dụng một động cơ để bơm nước từ bìnhnước lên qua một ống dẫn nước Bơm nước giúp giảm chi phí điện năng, là điểm thăm quan lý tưởng cho mô hình Đây là hệ thống sử dụng cho những bơm có công suất nhỏ Sau khi cảm biến chiết rót nhận được chai tại vị trí thì động cơ được hoạt động để bơm trực tiếp vào chai ở một thời gian delay nhất định

 Bàn xoay 1

Bàn xoay 1 có tác dụng đưa sản phẩm ban đầu lần lượt lên băng tải

 Bàn xoay 2

Bàn xoay 2 có nhiệm vụ là khi cảm biến nhận chai, bàn xoay 2 sẽ quay đến vị trí rót nước, sau khi để trễ 1 thời gian rót nước xong thì bàn xoay 2 tiếp tục quay đến công đoạn đóng nắp chai cuối cùng là hoàn thành sản phẩm vòng xoay này sẽ tiếp tục suốt đến khi

ấn stop để dừng hoạt động của mô hình

 Hộp panel điều khiển

2.4- Nguyên lý hoạt động của hệ thống

- Chai được cấp bằng tay vào bàn xoay 1 Khi bấm nút khởi động bàn xoay 1 quay, băng

tải quay vận chuyển chai đến bàn xoay 2 Khi cảm biến vị trí đầu vào bàn xoay SQ1 phát

hiện chai từ băng tải đưa tới Bàn xoay 2 chạy đưa chai đến vị trí cảm biến vị trí rót nước vào chai tác động thì dừng bàn xoay 2 Trễ 1 thời gian sau đó bơm nước trong 1 khoangr thời gian Khi đó bàn xoay 2 tác động tiếp đưa chai đến vị trí thả nắp Việc phát hiện vị tríthả nắp nhờ cảm biến phát hiện ở vị trí thả năp Tại đây nắp được thả xuống miêng chai sau đó được xi lanh tác động đóng chặt nắp chai Tiếp sau đó bàn xoay 2 tác động đưa chai đã được chiết rót nước và đóng nắp đến kho chứa sản phẩm Quá trình cứ lặp lại như vậy cho đến khi bấm nút Stop.

Lưu đồ thuật toán lấy chai

Hình 11: Lưu đồ thuật toán cấp chai

Lưu đồ thuật toán bơm nước:

Hình 13: Lưu đồ thuật toán bơm nước

Lưu đồ thuật toán đóng nắp

Hình 14:Lưu đồ đóng nắp sản phẩm

2.5- Phần mềm

Bảng phân định đầu ra cho PLC

Bảng 1:Phân định đầu vào

Cảm biến vị trí đầu vào bàn xoay I1.1

Cảm biến trước xilanh đẩy nắp I0.6

 Chương trình điều khiển điều khiển chiết rót và đóng nắp sản phẩm Chương

trình chính OB1

Chương trình con RUN

Chương trình con RESET

Chương trình con BIẾN TRUNG GIAN

Quy trình vận hành hệ thống

Bước 1: Đóng aptomat 3 pha

Bước 2: Bấm ON trên hộp nguồn để cấp điện cho toàn hệ thống

Bước 3: Tải chương trình lập trình cho PLC S7-1200

Bước 4: Chạy chương trình điều khiển giám sát dùng ứng dụng Tia portal V13 Bước 5: Cho nắp vào khoang chứa nắp, cấp phôi vào vị trí bàn xoay 1

Bước 6: Nhấn “Reset” trên giao diện Wincc trong khoảng 5s

Bước 7: Nhấn “Start” trên giao diện Wincc

Bước 8: Quá trình làm việc sẽ được hiển thị ngay trên phần mềm

Bước 9: Bấm Stop để dừng hệ thống