Đồ án điều khiển LogicThiết kế chương trình điều khiển cho hệ thống chiết rót, đóng nắp chai và xếp thùng tự động

Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh MỤC LỤC Trang Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh LỜI MỞ ĐẦU Hiện q trình tự động hóa cơng nghiệp quan trọng phát triển quốc gia Với nước phát triển Mỹ, Nhật…thì tự động hóa khơng xa lạ trở nên quen thuộc Ở nước máy móc thay lao động chân tay, số lượng công nhân nhà máy giảm hẳn thay vào lao động chuyên mơn, kỹ sư có tay nghề, điều khiển giám sát trực tiếp q trình sản xuất thơng qua máy tính Việt Nam nước phát triển nhu cầu đại hóa cơng nghiệp điều quan trọng phát triển kinh tế như cầu cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước Là sinh viên theo học chuyên ngành “Kỹ thuật điều khiển tự động hóa” nhu cầu, ứng dụng thực tế cấp thiết công nghiệp nước nhà, em muốn nghiên cứu tìm hiểu thành tựu khoa học để có nhiều hội biết thêm kiến thức thực tế, củng cố kiến thức học, phục vụ tốt cho nghiệp cơng nghiệp hóa đại hóa Vì thơng qua môn Đồ án điều khiển logic em chọn đề tài: “Thiết kế chương trình điều khiển cho hệ thống chiết rót, đóng nắp chai xếp thùng tự động” Sinh viên thực Phan Đình Khoa Trang Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Cơ sở lựa chọn đề tài Hiện công cơng nghiệp hố, đại hố đất nước, u cầu ứng dụng tự động hoá vào đời sống sinh hoạt, sản xuất (yêu cầu điều khiển tự động, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ…) ngày cao Mặt khác nhờ công nghệ thông tin, công nghệ điện tử phát triển nhanh chóng làm xuất loại thiết bị điều khiển khả trình PLC Để thực công việc cách khoa học nhằm đạt số lượng sản phẩm lớn, nhanh mà lại tiện lợi kinh tế Các cơng ty, xí nghiệp sản xuất thường sử dụng cơng nghệ lập trình PLC Dây chuyền sản xuất tự động PLC giảm sức lao động công nhân mà sản xuất lại đạt hiệu cao đáp ứng kịp thời cho đời sống xã hội Với ý nghĩa em chọn đề tài: “Thiết kế chương trình điều khiển cho hệ thống chiết rót, đóng nắp chai xếp thùng tự động” 1.2 Mục tiêu Sử dụng PLC Mitsubishi FX3G để xây dựng chương trình điều khiển Kết mơ sát với thực tế Trang Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh 1.3 Tổng quan dây chuyền cơng nghệ Hệ thống chiết rót đóng nắp chai gồm dây chuyền: - Dây chuyền thứ thực hai khâu chiết rót đóng nắp chai: • Hệ thống khởi động, vỏ chai sau xúc rửa đặt băng chuyền thứ bắt đầu đưa vào bàn xoay thực trình chiết rót đóng nắp Nguồn nước tinh khiết từ bể chứa nối vào hệ thống • Chai cảm biến phát vật phát vào thứ bàn xoay, bàn xoay đứng yên bắt đầu thực bơm nước Nhờ cảm biến lưu lượng (ta xác định thể tích đưa vào chai) • Khi chai đủ nước chuyển sang vị trí đóng nắp Nắp chai lấp đầy máng chứa đưa vào đầu chai Sau đóng nắp chai, chai bàn xoay đưa đến băng chuyền thứ - Dây chuyền thứ hai: băng chuyền hai hệ thống đếm đủ số chai đưa vào tay kẹp chai Trang Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh Cảm biến tiện cận đếm số chai, đến đủ chai piston đẩy chai phía tay kẹp Khi đủ chai bên tay kẹp, tay kẹp giữ chặt cổ chai bắt đầu tiến hành đưa chai vào thùng - Dây chuyền thứ 3: trình xếp chai vào thùng diễn băng chuyền Cảm biến tiện cậm phát thùng, thùng đặt tay kẹp chai, lúc tay kẹp việc đưa xuống thả chai vào thùng Hệ thống sử dụng PLC Mitsubishi làm khối điều khiển trung tâm, điều khiển xuyên suốt hệ thống 1.3.1 Phạm vi áp dụng Cơ sở sản xuất nước uống tinh khiết đóng chai nước khống, nước khác 1.3.2 Yêu cầu thiết kế Thiết kế hoàn chỉnh phần mền hệ thống chiết rót, đóng nắp chai hoạt động ổn định tin cậy 1.3.3 Các chức hệ thống Hệ thống kết hợp khâu: chiết rót, đóng nắp, đóng thùng sản phẩm Mạch điều khiển trung tâm PLC FX3G Mitsubishi: Điều khiển xuyên suốt hệ thống chiết rót, đóng nắp, xếp thùng Khi có cố xảy ra, hệ thống dừng khẩn cấp nhấn nút stop 1.3.4 Các cơng nghệ dây chuyền chiết, đóng nắp, đóng thùng a Chiết nước vào chai Hiện có nhiều cơng nghệ chiết nước vào chai, tùy loại chất lỏng có cách chiết rót khác như: nước có ga, nước khơng ga, chất lỏng dạng cô đặc Định lượng sản phẩm lỏng chiết thể tích định sản phẩm lỏng rót vào chai, bình, lọ Định lượng sản phẩm lỏng máy sử dụng rộng rãi nhiều ngành sản xuất Trang Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh thực phẩm Khi định lượng máy cải thiện điều kiện vệ sinh, đảm bảo suất cao định lượng sản phẩm cách xác Các phương pháp định lượng chủ yếu gồm có: - Định lượng bình định mức: chất lỏng định lượng xác nhờ bình định mức trước rót vào chai - Định lượng chiết tới mức cố định: chất lỏng chiết tới mức cố định chai cách chiết đầy, sau lấy khối thể tích bù trừ khỏi chai mức lỏng chai hạ xuống khoảng thể tích chai có hay khơng Ngồi sử dụng ống thông hơi, chất lỏng chiết tới ngập miệng ống thông dứng lại Phương pháp nầy có độ xác khơng cao, tuỳ thuộc độ đồng chai - Định lượng cách chiết theo thời gian: cho chất lỏng chảy vào chai khoảng thời gian xác định, xem thể tích chất lỏng chảy khơng đổi Phương pháp áp dụng cho sản phẩm có giá trị thấp, khơng u cầu độ xác định lượng Các phương pháp chiết rót sản phẩm gồm có: - Phương pháp rót áp suất thường: chất lỏng tự chảy vào chai chênh lệch độ cao thủy tĩnh Tốc độ chảy chậm nên thích hợp với chất lỏng nhớt - Phương pháp rót chân không: nối chai với hệ thống hút chân không, chất lỏng chảy vào chai chênh áp thùng chứa áp suất chai Lượng chất lỏng chảy vào chai thông thường áp dụng phương pháp bù trừ chiết đầy chai - Phương pháp rót đẳng áp: phương pháp áp dụng cho sản phẩm có gas bia, nước Trong rót, áp suất chai lớn áp suất khí nhằm tránh khơng cho ga (khí CO2) khỏi chất lỏng Với phương pháp rót đẳng áp thơng thường, người ta nạp khí CO2 vào chai áp suất chai áp suất bình chứa, sau cho sản phẩm từ bình chứa chảy vào chai nhờ chênh lệch độ cao Trang Hình 1.1 Máy chiết rót đóng nắp kiểu bàn xoay Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh Máy định lượng, chiết rót sản phẩm lỏng gồm nhiều cấu rót, cấu rót bố trí chiết cho chai Các cấu rót bố trí thẳng hàng, làm việc lúc (máy chiết có cấu chiết thẳng) bố trí bàn quay, làm việc (máy chiết bàn quay) hình bên dưới: Hình 1.1: Máy chiết bàn quay b Đóng nắp chai Máy đóng nắp chai ứng dụng rộng rãi ngành sản xuất đồ uống, thức phẩm, mỹ phẩm hóa chất cơng nghiệp Máy có tác dụng đóng bao kín loại chai thủy tinh, nhựa, đảm bảo việc niêm phóng kín, khơng rò rỉ chất lỏng ngồi Nắp chai dẫn từ thùng chứa xuống đường dẫn đồng thời xếp chiều, chai nước đưa vào vị trí đóng nắp cố định để hệ thống đóng nắp hoạt động Sau đóng nắp chai đưa tới phận vặn nắp để chắn tất nắp phải đóng kín Trang Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh Hình 1.2: Máy chiết rót đóng nắp kiểu bàn xoay c Xếp thùng Các máy đóng thùng chai đa dạng từ thô sơ tới đại Tùy theo dạng sản phẩm có cách đóng gói khác Với chai lọ thủy tinh dễ vỡ hay chai có dung tích lớn thường đóng thùng cánh tay Robot Phương pháp đại xác nhất, đảm bảo chống va đập làm hư sản phẩm Số lượng sản phẩm phụ thuộc vào kích thước thùng chứa, số lượng chai gắp lần dễ dàng cài đặt, ví dụ để đóng két cho bia chai lần cánh tay robot gắp 20 chai Dây chuyền đóng thùng gồm băng tải, băng tải đa sản phẩm đến tay gắp, băng vận chuyển thùng, hai băng tải đặt ngang Bộ phận gắp chai điểu khiển đồng khí nén Với loại chai nhỏ khó vỡ thường dùng phương pháp đóng thùng kiểu “Drop” Hệ thống có hai băng tải: băng tải chở sản phẩm chai phía băng tải chứa thùng phía dưới, số chai chạy vào khung đủ số lượng phần đáy khung mở để tồn chai khung rơi xuống thùng, chai rơi xuống thùng đồng thời Trang Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh thùng hạ xuống để giảm lực tác động vào đáy chai, cách đóng thùng nhanh đơn giản dùng cánh tay Robot Hình 1.3: Hệ thống xếp thùng Trang Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG 2.1 Động 2.1.1 Động điện xoay chiều Hình 2.1: Động xoay chiều * Ưu điểm động điện xoay chiều: - Ít phải bảo dưỡng khơng có cổ góp - Kết cấu bền vững - Khả điều khiển tốc độ quay đa dạng - Dùng nguồn trực tiếp từ lưới, sử dụng dể dàng - Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ * Nhược điểm động điện xoay chiều: - Khi dùng trọng tải lớn chịu tải Ln vận hành gắn với hệ thống xoay chiều có sẵn Cấu trúc điều khiển phức tạp khó mơ tả tốn học Trang 10 Đồ án mơn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Sơ lược PLC hãng Mitsubishi Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC: Programmable Logic Control) loại thiết bị cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển số thơng qua ngơn ngữ lập trình, thay cho việc thể thuật tốn mạch số Trên giới có nhiều PLC nhiều hãng khác như: Siemens Đức, Mitsubishi Nhật… Hình 3.1: PLC Mitsubishi Trang 25 Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh Hình 3.2: PLC Siemens Như vậy, với chương trình điều khiển mình, PLC trở thành điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật tốn đặc biệt dễ trao đổi thơng tin với môi trường xung quanh (với PLC khác với máy tính) Tồn chương trình điều khiển lưu nhớ nhớ PLC dạng khối chương trình (khối OB, FC FB) thực lặp theo chu kỳ vòng quét Tự động ngày đóng vai trò quan trọng đời sống công nghiệp Ngày nay, ngành tự động phát triển đến trình độ cao nhờ tiến lý thuyết điều khiển tự động, tiến ngành khác điện tử, tin học… Nhiều hệ thống điều khiển đời, phát triển mạnh có khả phục vụ rộng điều khiển PLC Khái niệm điều khiển lập trình PLC ý tưởng nhóm kỹ sư hãng General Motors vào năm 1968, họ đề tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu điều khiển sau: - Dễ lập trình thay đổi chương trình điều khiển, sử dụng thích hợp nhà máy công nghiệp - Cấu trúc dạng Module dễ mở rộng, dễ bảo trì sửa chữa - Đảm bảo độ tin cậy môi trường sản xuất nhà máy công nghiệp - Sử dụng linh kiện bán dẫn nên phải có kích thước nhỏ gọn mạch role mà chức tương đương - Giá cạnh tranh 3.2 Lựa chọn PLC Dựa vào số lượng đầu vào, đầu quy trình cơng nghệ Ta chọn PLC loại FX3G- 40MR-ES có cấu tạo, thơng số kỹ thuật, sơ đồ chân sơ đồ nối dây sau: Trang 26 Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh 3.2.1 Cấu tạo Hình 3.3: Cấu tạo PLC FX3G-40MR-ES W: 130 (5.12”) W1: 122 (4.81”) Weight: 0.7 kg 3.2.2 Thông số kỹ thuật - Mã sản phẩm: FX3G-40MR-ES Dòng PLC: FX3G Nhà sản xuất: Mitsubishi Số đầu vào số: 24 Điện áp đầu vào: 24 VDC Sink/Source Số lượng đầu số: 16 Loại đầu ra: Relay Điện áp cung cấp: 100-240 VAC PLC mở rộng Có sẵn nguồn AC DC Các mơ hình DC có điện áp biến đổi, 12 đến 24 VDC Có thể mở rộng lên đến 256 đầu vào/ra Có sẵn với đầu relay transistor Đầu vào tốc độ cao cho chế độ đếm nhanh Đèn LED để trạng thái đầu vào đầu Giao diện USB tích hợp Hai giao diện nối tiếp tích hợp Giao diện truyền thơng RS485/422/232 thứ thêm vào Có thể gắn đường ray DIN mặt phẳng Bảo vệ truy cập mật Trang 27 Đồ án môn học: Điều khiển Logic - GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh Bộ nhớ EEPROM lên đến 32000 bước Khối đầu cuối tháo dỡ cho tất đơn vị Khe cắm thẻ nhớ Tích hợp đồng hồ thời gian thực Kiểm sốt vị trí tích hợp Giao diện thay đổi bảng điều khiển I/O I/O, ADP module chức đặc biệt có sẵn Hệ thống lập trình thân thiện 3.2.3 Sơ đồ chân Hình 3.4: Sơ đồ chân PLC FX3G-40MR-ES Trang 28 Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh 3.2.4 Sơ đồ nối đầu vào Hình 3.5: Sơ đồ nối dây đầu vào PLC FX3G-40MR-ES Trang 29 Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh 3.2.5 Sơ đồ nối dây đầu Hình 3.6: Sơ đồ nối dây đầu PLC FX3G-40MR-ES 3.3 Phân kênh vào INPUT ADDRESS Ký hiệu Mô tả X0 Sn Đầu vào cảm biến lưu lượng X1 Start Nút nhấn khởi động hệ thống X2 Stop Nút nhấn dừng hệ thống X3 CTHT3 Cơng tắc hành trình cho piston X4 CTHT5.1 Cơng tắc hành trình cho piston X5 CTHT5.2 Cơng tắc hành trình cho piston X6 CTHT6 Cơng tắc hành trình cho piston X10 S1 Cảm biến phát chai băng chuyền X11 S2 Cảm biến phát chai băng chuyền X12 S3 Cảm biến phát chai băng chuyền Trang 30 Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh OUTPUT ADDRESS Ký hiệu Mô tả Y0 D1 Đèn báo Start Y1 D2 Đèn báo Stop Y2 P1 Piston đẩy động đóng nắp Y3 P2 Piston cản chai băng chuyển Y4 P3 Piston đẩy chai băng chuyền Y5 P4 Piston kẹp cổ chai Y6 P5 Piston thả chai Y7 P6 Piston giá đỡ Y10 M_BC1 Động băng chuyền Y11 M_BC2 Động băng chuyền Y12 M_BC3 Động băng chuyền Y13 M_xoay Động mâm xoay Y14 M_rot Động rót nước Y15 M_nap Động đóng nắp Trang 31 Đồ án môn học: Điều khiển Logic 3.4 GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh Lưu đồ thuật toán Trang 32 Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1 Thiết kế mạch động lực mạch trung gian Hình 4.1: Sơ đồ mạch động lực Hình 4.2: Sơ đồ mạch trung gian Trang 33 Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh 4.2 Thiết kế mạch điều khiển Hình 4.3: Sơ đồ mạch điều khiển Trang 34 Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh Trang 35 Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh CHƯƠNG 5: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Trang 36 Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh Trang 37 Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh Trang 38 Đồ án môn học: Điều khiển Logic GVHD: TS Nguyễn Kim Ánh Trang 39