Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp tự động điều khiển bằng PLC

Mục tiêu đề tài là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp tự động điều khiển bằng PLC. Xây dựng mô hình hệ thống phân chia, viết chương trình điều khiển bằng PLC S7200, mô phỏng hoạt động hệ thống phù hợp với một đề tài tốt nghiệp. Đồng thời tiếp cận với các sản phẩm tự động trong công nghiệp. + Tìm hiểu một số linh kiện dùng trong công nghiệp. + Tìm hiểu về PLC S7200 và viết chương trình điều khiển. + Điều khiển mô hình phân chia suất ăn công nghiệp tự động với khối lượng thức ăn cho trước.

Chương MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài Đất nước ta giai đoạn thực cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước Việc ứng dụng điện tử nghiên cứu, chế tạo, sản phẩm khoa học cơng nghệ cao tự động góp phần nâng cao mức độ đại sản phẩm thị trường nước Trong năm vừa qua, trước đòi hỏi cấp bách số lượng, chất lượng thực phẩm phục vụ cho công nhân cơng trình, xí nghiệp, nhà máy với số lượng lớn Mơ hình hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp tự động sản phẩm điện tử có hàm lượng khoa học cơng nghệ cao ứng dụng nhiều thành tựu lĩnh vực khác nhau: Cơ khí – Điện tử - Cơng nghệ thơng tin, … Việc thực đề tài điều kiện tốt để tiếp xúc làm quen với thiết bị điều khiển tự động đại, với linh kiện dùng công nghiệp làm quen dần với môi trường làm việc đại… Khi ngồi ghế nhà trường, việc tìm hiểu nghiên cứu để nắm vững vấn đề tự động hóa có ý nghĩa quan trọng, điều kiện tốt để học hỏi; tích lũy kinh nghiệm hành trang kiến thức vào đời cần thiết Xuất phát từ nguyên nhân đòi hỏi thiết trên, đồng ý khoa Cơ Khí- Cơng Nghệ, mơn Cơ Điện Tử hướng dẫn tận tình thầy Đào Duy Vinh, nhóm sinh viên chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp tự động điều khiển PLC” Do kiến thức thời gian hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót, nhóm sinh viên xin tiếp thu ý kiến nhận xét quý giá quý thầy, bạn Nhóm sinh viên xin chân thành cảm ơn! 1.2 Mục tiêu đề tài Mục tiêu đề tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống phân chia suất ăn cơng nghiệp tự động điều khiển PLC Xây dựng mơ hình hệ thống phân chia, viết chương trình điều khiển PLC S7-200, mô hoạt động hệ thống phù hợp với đề tài tốt nghiệp Đồng thời tiếp cận với sản phẩm tự động cơng nghiệp + Tìm hiểu số linh kiện dùng công nghiệp + Tìm hiểu PLC S7-200 viết chương trình điều khiển + Điều khiển mơ hình phân chia suất ăn công nghiệp tự động với khối lượng thức ăn cho trước 1.3 Ý nghĩa khoa học thức tiễn đề tài Thiết kế mơ hình phù hợp với mục đích nghiên cứu, đồng thời giúp cho việc giảng dạy, thực tập cho sinh viên ghế nhà trường Chương TỔNG QUAN 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài tìm hiểu mơ hình phân chia suất ăn cơng nghiệp tự động, thiết bị để xây dựng mơ hình cho phù hợp với mục tiêu đề tài đưa 2.2 Tổng quan mơ hình phân chia suất ăn cơng nghiệp tự động Trong hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp vấn đề ăn ngon, hợp vệ sinh an toàn thực phẩm yếu tố làm nên chất lượng suất ăn, bên cạnh việc tự động hóa giúp thức ăn phân chia cách đồng đều, giúp tốn thời gian nhân công việc phân chia suất ăn cho công nhân khu công nghiệp nhà máy Vì tính cấp thiết năm qua việc ứng dụng Cơ Điên Tử chế tạo nhằm tạo sản phẩm đại giá cạnh tranh thị trường phục vụ nhu cầu khu cơng nghiệp lớn ngồi nước Trong hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp tự động thực tế có nhiều yếu tố đầu vào lẫn yếu tố đầu cần phải xác định rõ, là: Với khu cơng nghiệp, xí nghiệp khác có suất ăn khác để đáp ứng nhu cầu ăn uống đa dạng người Từ ăn khơ đến canh hay đồ xào có nước Từ hình dáng mâm cơm suất ăn thiết kế khác để phù hợp với loại thức ăn phù hợp với việc điều khiển trình phân chia tự động Vì để điều khiển hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp tự động thực tế cần phải kết hợp nhiều vấn đề từ khí, điện tử, kỹ thuật xây dựng đến điều khiển tự động  Khái niệm chung suất ăn công nghiệp Suất ăn công nghiệp phần ăn công nhân; nhân viên lao động bao gồm : cơm, canh, đồ xào,… xếp ngăn mâm cơm Mỗi suất ăn thường gồm có cơm, canh, đồ xào hay tùy theo sở thích cơng nhân mà ăn thay ăn khác để phục vụ nhu cầu ăn uống đa dạng cơng nhân xí nghiệp nhà máy lớn có số lượng cơng nhân đơng Vì cần có hệ thống phân chia suất ăn Hình 2.1: Hệ thống phân chia suất ăn 2.3 Mơ hình hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp tự động 2.3.1 Mơ hình hệ thống Hình 2.2 : Minh họa 3D cho hệ thống 2.3.2 Sơ đồ khối mô hình: Ngăn chứa cơm Hệ thống đẩy cơm Ngăn chứa cá Hệ thống đẩy cá Ngăn chứa đồ xào Hệ thống đẩy đồ xào Ngăn chứa canh Hệ thống van xả Khây thức ăn NGƯỜI Hình 2.3 : Sơ đồ khối mơ hình 2.4 Giới thiệu số linh kiện sử dụng mơ hình phân chia suất ăn cơng nghiệp 2.4.1 Tìm hiểu động ba pha Động pha có cấu tạo đơn giản đặc tính tốt động pha Việc truyền tải điện mạch điện pha tiết kiệm dây dẫn việc truyền tải điện dòng điện pha Mach điện pha bao gồm: nguồn điện pha, đường dây truyền tải phụ tải Để tạo nguồn điện pha ta dùng máy phát điện đồng pha Cấu tạo động pha sau: + Phần tĩnh (Stator) gồm lõi thép có xẻ rãnh, rãnh dây quấn AX, BY, CZ, có số vòng dây lệch góc 2/3 khơng gian Một dây quấn gọi pha Dây quấn AX gọi pha A, dây quấn BY gọi pha B, dây quấn CZ gọi pha C + Phần quay (Rotor) nam châm điện N-S Hình 2.4: Cấu tạo động pha + Các cách đấu dây động pha: Cách đấu hình sao: Hình 2.5: Cách đấu dây động pha hình Để nối hình ta nối điểm cuối pha với tạo thành điểm trung tính nguồn, điểm cuối X,Y, X nối với thành điểm trung tính O nguồn Đối với tải, điểm cuối X,Y,Z’ nối với tạo thành điểm trung tính O’ tải Các quan hệ đại lượng dây pha: Quan hệ dòng điện dây pha: Idây = Ipha Quan hệ điện áp dây điện áp pha: Udây = Upha Cách nối hình tam giác: muốn nối hình tam giác, ta lấy đầu pha nối cuối pha Các quan hệ đại lượng dây pha: Quan hệ dòng điện dây pha: Udây = Upha Quan hệ điện áp dây pha: Idây = Ipha 2.4.2 Động DC 2.4.2.1 Giới thiệu động chiều Động điện chiều động điện hoạt động với dòng điện chiều gồm phận gồm: rotor stator Stator động điện chiều thường hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện, rotor có cuộn dây quấn nối với nguồn điện chiều, phần quan trọng khác động điện chiều phận chỉnh lưu, có nhiệm vụ làm đổi chiều dòng điện chuyển động quay rotor liên tục Thơng thường phận gồm có cổ góp chổi than tiếp xúc với cổ góp Pha 1: Từ trường rotor cực với stator, đẩy tạo thành chuyển động quay rotor Pha 2: Rotor tiếp tục quay Pha 3: Bộ phận chỉnh điện đổi cực cho từ trường rotor stator dấu, trở lại pha Nếu trục động điện chiều kéo lực ngoài, động hoạt động máy phát điện chiều tạo sức điện động cảm ứng Electromotive forces (EMF) Khi vận hành bình thường, rotor quay phát điện áp gọi sức phản điện động counter-EMF (CEMF) sức điện động đối kháng, đối kháng lại điện áp bên đặt vào động Sức điện động tương tự sức điện động phát động sử dụng máy phát điện (như lúc ta nối điện trở tải vào đầu động cơ, kéo trục động ngẫu lực bên ngoài) Như điện áp đặt động gồm thành phần: sức phản điện động, điện áp giáng tạo điện trở nội cuộn dây phần ứng Dòng điện chạy qua động tính theo cơng thức sau: I = (Vnguồn – V phản điện động ) / Rphần ứng Công suất mà động đưa được, tính bằng: P = I * (Vphản điện động) 2.4.2.2 Nguyên lý hoạt động động  Đặc điểm: • Nguồn điện áp cấp vào 12 V; • Tốc độ quay cao, moment quay cao; • Có khả chịu tải cấp nguồn điện;  Phương pháp điều khiển động DC: • Nguồn điện áp 12 V; • Cấp nguồn điện theo yêu cầu; Hình 2.6 : Phương pháp đảo chiều động DC Nguyên lý hãm ngược: • • Đối với động chiều cơng việc hãm đơn giản Khi ngưng cấp nguồn đồng thời đưa nguồn điện khác ngược chiều với nguồn hoạt động động bị hãm cưỡng bức, lúc có lực có chiều ngược lại ta hiệu chỉnh thời gian cho động dừng hẳn, lúc ngừng cấp nguồn • Tốc độ động điều chỉnh theo giá trị điện áp đưa vào 2.4.2.3 Điều khiển động DC Có nhiều phương pháp điều khiển động bước, có phương pháp thường dùng hệ thống điều khiển tự động sau: a Điều khiển máy tính • Qua cổng nối tiếp RS-232 (tốc độ chậm phức tạp) • Cổng máy in printer port (tốc độ xử lý nhanh dễ sử dụng) • Giao tiếp máy tính với card mở rộng gắn thêm mainboard cho phép đạt tốc độ truy nhập lớn Có thể sử dụng card chuyên dùng để điều khiển động nhằm làm tăng độ xác dễ điều khiển Ưu điểm máy tính tốc độ xử lý nhanh, giá thành rẻ, khả lưu trữ lớn, có tính hiển thị điều khiển vấn đề có tính phức tạp cao Tuy nhiên, cơng nghiệp điện pha gây nhiễu máy tính cần có máy tính cơng nghiệp đại Yếu tố cần thiết điều khiển máy tính người điều khiển phải viết chương trình ngơn ngữ lập trình để điều khiển hoạt động cho robot b Điều khiển từ xa : Hệ thống điều khiển từ xa hệ thống cho phép ta điều khiển thiết bị từ khoảng cách xa.Ví dụ hệ thống điều khiển vơ tuyến, hệ thống điều khiển từ xa hồng tia ngoại, hệ thống điều khiển từ xa cáp quang dây dẫn Cấu tạo hệ thống điều khiển từ xa bao gồm: • • • Thiết bị phát Đường truyền Thuyết bị thu c Điều khiển dùng vi điều khiển : Bộ vi điều khiển viết tắt MC (Micro-Controller) mạch tích hợp chip lập trình được, dùng để điều khiển cho hệ thống, ứng dụng vi điều khiển để điều khiển hoạt động cho robot Ưu điểm nhỏ, gọn, nhẹ có tốc độ xử lý tương đối nhanh Tuy nhiên việc điều khiển vi điều khiển phức tạp Vì đòi hỏi người điều khiển kiến thức thật vững lĩnh vực điện tử mà phải biết lập trình hợp ngữ Bên cạnh đó, chương trình điều khiển khó thay đổi khơng có tính hiển thị Bất thay đổi chương trình điều khiển đòi hỏi người lập trình phải nạp lại chương trình vào chip điều khiển d Điều khiển PLC (Programmable Logic Controller) PLC với cấu trúc dạng modul cho phép mở rộng hay nâng cấp hệ thống điều khiển dùng PLC với cơng suất chi phí tương đối cao Ưu điểm nhỏ gọn nhẹ, thích hợp điều khiển mơi trường cơng nghiệp Tuy nhiên có nhược điểm tốc độ xử lý chậm, khơng có tính hiển thị đồ họa, giá thành cao 2.4.3 Tổng quan PLC Hiện thị trường có nhiều lại PLC hãng khác với đầy đủ kích cỡ, chủng loại chức khác Omron, Mitsubisi, Siemens,… PLC ( viết tắt cụm từ Program Logic Controller) thiết bị cho phép thực phép tốn điều khiển số thơng qua ngơn ngữ lập trình, thay cho việc điều khiển mình, PLC trở thành điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán đặc biệt dễ dàng trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Tồn chương trình lưu trữ nhớ PLC dạng chương trình chương trình ngắt ( khối chình OB1) Trường hợp dung lượng nhớ PLC không đủ cho việc lưu trữ chương trình ta sử dụng thêm nhớ ngồi hỗ trợ cho việc lưu chương trình lưu liệu Để thực chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính máy tính, nghĩa phải có vi xử lý CPU, hệ điều hành, nhớ để lưu chương trình điều khiển, liệu tất nhiên phải có cổng vào để giao tiếp với thiết bị điều khiển để trao đổi thông tin với mơi trương xung quanh Bên cạnh nhằm phục vụ 10 t: thời gian chờ hoạt động  Động 1: băng chuyền  Động 2: động cá  Động 3: động đồ xào  Van xả nước canh  CTHT: công tắc hành trình  Sơ đồ giải thuật điều khiển 45 START Nhập t1 Động quay thuận Băng chuyền hoạt động CTHT5 =1 S CTHT1 =1 Đ Băng chuyền ngừng CTHT2 =1 Đ Động quay nghịch CTHT6 =1 Động quay thuận S Đ Băng chuyền hoạt động S CTHT7 =1 Đ Động quay nghịch S Đ Van xả canh S CTHT3 =1 t ≥ t1 Đ Băng chuyền hoạt động CTHT4 =1 S S Đ END S Đ Hình 4.16 Sơ đồ giải thuật mơ hình hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp 4.3.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động mơ hình phân chia ON (I0.0) Băng chuyền 46 hoạt động CTHT1 Băng chuyền ngừng hoạt động Động cá quay thuận CTHT2 Động cá quay nghịch CTHT3 Băng chuyền hoạt động CTHT4 Băng chuyền ngừng hoạt động Động đồ xào quay thuận CTHT5 Động đồ xào quay nghịch CTHT6 Băng chuyền hoạt động CTHT7 Băng chuyền ngừng hoạt động Van xả canh (xả sau 6s) Kết thúc Hình 4.17 Nguyên lý hoạt động mơ hình Giải thích: Sau nhấn nút ON, người vận hành đưa khây cơm vào băng chuyền hoạt động di chuyển khây cơm Khi khây cơm chạm CTHT1 băng chuyền ngừng hoạt động, động đẩy cá quay thuận đẩy cá từ ngăn chứa cá vào vị trí khây cơm đồng thời CTHT2 kích, động đẩy cá quay đảo chiều trở vị trí cũ đến chạm CTHT3 dừng; băng chuyền tiếp tục hoạt động di chuyển khây cơm Khi khây cơm chạm vào CTHT4 băng chuyền ngừng hoạt động Động đẩy đồ xào hoạt động quay thuận đẩy lượng đồ 47 xào từ ngăn chứa đồ xào vào vị trí khây cơm CTHT5 kích; động đẩy đồ xào quay đảo chiều trở vị trí cũ đến chạm CTHT6 dừng băng chuyền tiếp tục hoạt động di chuyển khây cơm Khây cơm chạm vào CTHT7 dừng lại Van hoạt động xả nước canh vào vị trí khây cơm 6s sau băng chuyền di chuyển khây cơm đến người ăn Chu trình tiếp tục lặp lại trên.Lưu ý: đưa khây cơm vào băng chuyền CTHT7 nhả 4.3.5 Mơ hình thực tế Qua thời gian nghiên cứu, thiết kế nhóm sinh viên xây dựng mơ hình gồm thành phần sau: + Gồm PLC S7-200 + Gồm nút nhấn START + Gồm nút nhấn STOP + Gồm đèn hiển thị trạng thái hoạt động + Gồm ngăn chứa thức ăn cá, đồ xào, canh + Gồm động thực q trình hoạt động mơ hình + Gồm van + Gồm relay điều khiển tín hiệu + Gồm cơng tắc hành trình Hình 4.18 Mơ hình thực tế 4.3.6 Kết nối mơ hình với thiết bị điều khiển 48 Hình 4.19 Kết nối thiết bị điều khiển Mơ hình kết nối với ngõ vào PLC để điều khiển q trình hoạt động Các cơng tắc hành trình nối với ngõ vào PLC, động relay nối với ngõ PLC để điều khiển q trình đóng mở mơ hình … 4.3.7 Khảo nghiệm sơ 4.3.7.1 Khảo nghiệm công đoạn chuyển khây cơm a Mục đích Xác định khả chịu tải băng chuyền, kiểm tra khả hoạt động động cơ, khả hoạt động cơng tắc hành trình phân bố khung máy hoạt động xích truyền b Kết Khả chịu tải băng tải tốt, động dẫn động băng chuyền hoạt đơng bình thường với u cầu đề ra, xích 49 truyền dẫn hoạt động nhịp nhàng khơng gây ồn ào; cơng tắc hành trình ổn định đưa khây cơm vào vị trí lắp đặt không bị lỗi 4.3.7.2 Công đoạn đẩy xả sản phẩm vào khây cơm a Mục đích Kiểm tra cấu đẩy xả sản phẩm vào khây cơm; b Kết  Cơ cấu đẩy cá đồ xào Cơ cấu đẩy hoạt động tốt; cá đồ xào đẩy vào vị trí khây cơm 50 Hình 4.20 Cá đồ xào đẩy vào khây  Cơ cấu xả nước canh Cơ cấu xả hoạt động ổn định; lượng nước canh xả với yêu cầu đặt Hình 4.21 Nước canh xả vào khây Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Đã chế tạo “MƠ HÌNH PHÂN CHIA SUẤT ĂN CƠNG NGHIỆP TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC” Mơ hình hoạt động ổn định phù hợp 51 môi trường Kết nghiên cứu thực mơ hình ứng dụng để chế tạo mơ hình lớn vào thực tiễn Kết khảo nghiệm sơ cho thấy mơ hình máy phân chia suất ăn cơng nghiệp hoạt động ổn định Mơ hình hệ thơng phân chia suất ăn thiết kế với kích thước: chiều dài 1100mm, chiều rộng 400mm; gồm hộp chứa thức ăn bồn chứa nước canh Gồm động điều khiển chu trình làm việc; relay cơng tắc hành trình; mạch nguồn 12VDC 5.2 ĐỀ NGHỊ: Qua q trình thực đề tài, ngồi kết thu đáp ứng yêu cầu, nhóm sinh viên có số đề nghị để phát triển mơ hình tương lai + Thiết kế thêm hệ thống cấp cơm gia vị + Thiết kế giao diện WINCC để điều khiển giám sát hệ thống + Sử dụng biến tần để điều khiển tốc độ động băng chuyền cho phù hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hồng Thái, 2006, giáo trình solidwork Nhà xuất giáo dục, 131 trang [2] Nguyễn Văn Hùng, 2007 Bài giảng Kỹ thuật lập trình áp dụng ĐH Nơng Lâm TP.HCM, 150 trang [3] Nguyễn Hữu Lộc, 2007 Sử dụng AUTOCAD 2007 Nhà xuất Tổng hợp TP.HCM, 579 trang [4] PGS.TS.Dương Văn Tiển, 2006 Giáo trình phương pháp luận nghiên cứu khoa học Nhà xuất Xây dựng [5] Trần Dỗn Tiến, 1999 Tự động điều khiển q trình công nghệ Nhà xuất giáo duc, 236 trang 52 [6] Huỳnh Thái Hồng, 2006 Giáo trình lý thuyết điều khiển tự động.Trường Đại học bách khoa TP.HCM [7] Lê Văn Bạn, Lê Ngọc Bích, 2007 Giáo trình PLC Trường Đại học nông lâm TP.HCM, 69 trang [8] Nguyễn Bá Hội, 2007 Giáo trình lý thuyết điều khiển logic Trường Đại học Đà Nẵng- Trường Đại học Bách Khoa, 69 trang PHỤ LỤC Phụ lục Chương trình điều khiển chính: 53 54 55 56 Phụ lục Một số hình ảnh liên quan tới đề tài 57 Hình Mơ hình tổng thể hệ thống Hình Bánh xích bánh 58 Hình Các cấu sử dụng đề tài 59 ... tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp tự động điều khiển PLC Xây dựng mơ hình hệ thống phân chia, viết chương trình điều khiển PLC S7-200, mô hoạt động. .. Mơ hình hệ thống phân chia suất ăn cơng nghiệp tự động 2.3.1 Mơ hình hệ thống Hình 2.2 : Minh họa 3D cho hệ thống 2.3.2 Sơ đồ khối mơ hình: Ngăn chứa cơm Hệ thống đẩy cơm Ngăn chứa cá Hệ thống. .. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống phân chia suất ăn công nghiệp tự động điều khiển PLC Do kiến thức thời gian hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót,