Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước Người hướng dẫn : KS Trần Đình Dũng Sinh viên thực : Lê Quốc Tuấn Lớp : 54K2-KTĐK&TĐH Nghệ An-2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước Người hướng dẫn : KS Trần Đình Dũng Sinh viên thực : Lê Quốc Tuấn Lớp : 54K2-KTĐK&TĐH Nghệ An-2018 MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH DANH SÁCH BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các cấu thiết bị hệ thống phân loại sản phẩm 10 1.2.1 Băng tải 10 1.2.2 Xilanh khí nén 16 1.2.3 Cảm biến quang 22 1.2.4 Nút nhấn điều khiển 25 1.2.5 Động 26 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PHẦN MỀM SIMATIC STEP 30 2.1 Tổng quan PLC 30 2.1.1 Giới thiệu PLC 30 2.1.2 Giới thiệu PLC S7-300 33 2.2 Phần mềm Step 39 CHƯƠNG THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 50 3.1 Yêu cầu công nghệ 50 3.2 Xây dựng sơ đồ thuật toán 50 3.3 Lập trình chương trình cho hệ thống 52 3.3.1 Thống kê địa bit vào/ 52 3.3.2 Viết chương trình 54 3.4 Đấu nối mạch điều khiển 55 3.5 Làm mơ hình thực tế 58 3.5.1 Xác định tiêu chí 58 3.5.2 Vật liệu chế tạo 58 3.5.3 Tiến hành thực 60 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hệ thống phân loại trái Hình 1.2 Dây chuyền phân loại táo 10 Hình 1.3 Băng tải PVC 11 Hình 1.4 Băng tải Polyester Cotton 12 Hình 1.5 Hình dạng băng tải EP 13 Hình 1.6 Băng tải chịu nhiệt 14 Hình 1.7 Hình dáng băng tải lòng máng 15 Hình 1.8 Băng tải PVC 16 Hình 1.9 Một số loại xy lanh khí nén 16 Hình 1.10 Nguyên lý hoạt động xylanh đơn 18 Hình 1.11 Cấu tạo xylanh đơn 18 Hình 1.12 Cấu tạo xylanh tác dụng kép 19 Hình 1.13 Xilanh kép khơng có đệm giảm chấn 19 Hình 1.14 Xilanh kép có đệm giảm chấn 19 Hình 1.15 Xilanh khí nén đồng 20 Hình 1.16 Van khí nén 3/2 20 Hình 1.17 Xilanh tròn SMC 21 Hình 1.18 Van điện từ 3/2 SMC 21 Hình 1.15 Cảm biến quang điện 22 Hình 1.16 Cấu trúc cảm biến quang điện 22 Hình 1.17 Vùng phát cảm biến quang điện 24 Hình 1.18 Cảm biến khoảng cách 25 Hình 1.18 Cấu tạo nút nhấn 25 Hình 1.19 Nút nhấn thường mở 26 Hình 1.20 Động 27 Hình 1.21 Động giảm tốc Tsukasa 29 Hình 2.2 Các PLC hãng Simens 31 Hình 2.3 Cấu trúc bên PLC 32 Hình 2.4 Các khối module PLC S7-300 33 Hình 2.5 Các chức phần cứng PLC S7-300 34 Hình 2.6 Địa khe kênh module số 36 Hình 2.7 Địa khe kênh module tương tự 37 Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán 52 Hình 3.2 Chương trình hệ thống 55 Hình 3.3 Cách bố trí module 55 Hình 3.2 Nguyên lý đấu dây module 56 Hình 3.3 - CPU 313C Module Siemens 56 Hình 3.4 Bộ nguồn 24VDC cấp cho CPU 313C Module Siemens 57 Hình 3.5 Đấu nối vào module 57 Hình 3.3 Sắt lỗ chữ L 59 Hình 3.4 Vòng bi 59 Hình 3.5 Mơ hình từ phía trước 60 Hình 3.6 Mơ hình từ xuống 61 Hình 3.7 Mơ hình từ phía sau 61 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1 – Vùng nhớ PLC S7-300 39 Bảng 3.1 – Danh sách biến đầu vào 52 Bảng 3.2 – Danh sách biến đầu 53 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển mạnh mẽ công nghiệp Việt Nam nay, q trình tự động hóa cơng nghiệp đề cao ứng dụng nhiều công nghiệp dân dụng Với nước phát triển Mỹ, Nhật…thì tự động hóa khơng cịn xa lạ trở nên quen thuộc Việt Nam nước phát triển 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 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 lý em chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước” Trong q trình thực đồ án này, em nhận nhiều chia sẻ, góp ý thầy cơ, bạn bè anh chị khóa kiến thức cách trình bày đồ án hồn chỉnh Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo Viện Kỹ Thuật Cơng Nghệ tận tình giảng dạy truyền đạt cho em kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy giáo, KS Trần Đình Dũng người tận tình giúp đỡ, trực tiếp bảo, hướng dẫn em suốt trình làm đồ án Trong thời gian làm việc với thầy, em không tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà cịn học tập tinh thần, thái độ làm việc nghiêm túc, hiệu thầy, điều cần thiết cho em q trình học tập cơng việc sau Tuy vậy, với kiến thức hạn chế nên q trình làm đồ án cịn nhiều điều thiếu sót, chưa hồn thiện lắm, em ln mong nhận góp ý, nhận xét thầy giáo để em chỉnh sửa đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Nghệ An, ngày 15 tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực Lê Quốc Tuấn CHƯƠNG TỔNG QUAN DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 1.1 Đặt vấn đề Nước ta q trình phát triển, để trở thành nước cơng nghiệp hóa đại hóa nhu cầu tự động hóa hệ thống điều khiển cần thiết Tuy nhiên mức độ tự động hóa nước ta trình độ thấp chưa phát huy hết mạnh nó, mà sản phẩm tạo chất lượng chưa cao suất lao động cịn thấp, cơng việc cịn phu thuộc chủ yếu sức người Trong hệ thống sản xuất để từ nguyên liệu ban đầu trở thành sản phẩm hồn chỉnh cần phải trải qua nhiều khâu, công đoạn sản xuất khác mà phân loại sản phẩm số Hiện nay, phân loại sản phẩm công đoạn sử dụng nhiều thực tế ứng dụng rộng rãi nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng, gạch ngói, dây chuyền sản xuất nhựa, ngành cơng nghiệp thực phẩm, nơng sản Hình 1.1 - Hệ thống phân loại trái Khi sử dụng sức người, công việc địi hỏi tập trung cao có tính lặp lại nên người thao tác khó đảm bảo xác cơng việc Mặt khác, có yêu cầu phân loại dựa kỹ thuật nhỏ mà mắt thường khó nhận ra, điều ảnh hưởng trực tiếp tới suất chất lượng sản phẩm Vì vậy, phân loại sản phẩm tự động yêu cầu cấp thiết công nghiệp nhằm thay cho người đặc biệt phân loại sản phẩm theo nhiều tiêu chí khác phân loại theo từ tính, theo màu sắc, theo khối lượng, theo chiều cao theo mã vạch… Hình 1.2 Dây chuyền phân loại táo Để giải vấn đề thực tế nêu trên, đồ án em xin trình bày đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước” Hệ thống bao gồm khối khí khối điều khiển Khối khí dây chuyền băng tải, xilanh khí nén, cảm biến phát sản phẩm Khối xử lý tín hiệu điều khiển hệ thống em sử dụng PLC S7 – 300 hãng Siemens với nhiều tính ưu việt giá thành tốt 1.2 Các cấu thiết bị hệ thống phân loại sản phẩm 1.2.1 Băng tải a Giới thiệu chung băng tải Băng tải (hay gọi băng truyền) thiết bị vận chuyển liên tục, có khoảng cách vận chuyển lớn Được sử dụng rộng rãi công trường xây dựng, xí nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng vật liệu chế tạo…Bao gồm băng tải PVC, băng tải cao su, băng tải xích inox, băng tải xích nhựa, băng tải lăn tự do, băng tải lăn có truyền động, băng tải đứng, băng tải nghiêng, băng tải từ, gầu tải, vít tải Các loại băng tải 10 CHƯƠNG THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 3.1 Yêu cầu công nghệ Mục tiêu đặt 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 cần thiết kế khí điều khiển động hệ thống hoạt động tự động dựa vào lập trình điều khiển PLC Ngồi cịn có vấn đề khác là: vật liệu mơ hình, nguồn cung cấp Các vấn đề cần giải là: • Vấn đề khí: phân tích tính tốn lựa chọn vật liệu, thơng số kỹ thuật chi tiết cho thỏa mãn yêu cầu đề tài: nhỏ, gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt sửa chữa • Vấn đề điều khiển: điều khiển hồn tồn tự động • Vấn đề an tồn: đảm bảo an tồn cho người sử dụng sản phẩm khơng bị hỏng 3.2 Xây dựng sơ đồ thuật toán Xây dựng sơ đồ: Đề tài thiết kế ứng dụng PLC để điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm theo theo mức chiều cao bao gồm hệ thống băng tải, cảm biến, xylanh khí nén hoạt đơng theo nguyên lý sau: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao với mức cao, trung bình thấp với chế độ tay (manu) chế độ tự động (auto) Ở chế độ tự động: Khi nhấn nút Start nhấn nút chọn chế độ tự động băng tải hoạt động đưa sản phẩm vào, sản phẩm sản phẩm cao qua cảm biến 1, lúc cảm biến gửi tín hiệu điều khiển cho dừng băng tải, đồng thời tác động xilanh đẩy sản phẩm xuống hộp sản phẩm cao tiếp tục cho băng tải tiếp tục hoạt động Nếu sản phẩm sản phẩm trung bình qua cảm biến 1, cảm biến phát hiện, cảm biến gửi tín hiệu điều khiển băng tải ngừng hoạt động đồng thời tác 50 động cho xylanh làm việc đẩy sản phẩm vào hộp sản phẩm trung bình tiếp tục cho băng tải hoạt động Nếu sản phẩm qua sản phẩm thấp hệ thống cho qua đến hết băng tải Hệ thống tiếp tục chu trình Khi nhấn nút Stop hệ thống ngừng hoạt động Ở chế độ tay: Ở chế độ sử dụng để kiểm tra linh kiện tác động trực tiếp nút nhấn Có nút nhấn, nút nhấn động hai nút nhấn xilanh Khi nhấn giữ nút nhấn động động băng tải hoạt động đến nhả nút băng tải ngừng hoạt động Khi nhấn giữ nút nhấn xilanh xilanh tác động đẩy ra, đến nhả nút trục xilanh thu lại vị trí ban đầu Đối với xilanh hoạt động tương tự xilanh 51 Hình 3.1: Sơ đồ thuật tốn 3.3 Lập trình chương trình cho hệ thống 3.3.1 Thống kê địa bit vào/ a Các biến đầu vào TT Các nút nhấn Địa Nút Start I124.0 Cảm biến I124.2 Cảm biến I124.3 Chế độ tự động I124.4 Chế độ tay I124.5 Công tắc (chế độ tay điều khiển động cơ) I124.6 Công tắc (chế độ tay điều khiển xilanh 1) I124.7 Công tắc (chế độ tay điều khiển xilanh 2) I125.0 Bảng 3.1 – Danh sách biến đầu vào b Các biến đầu TT Các nút nhấn Địa Động Q124.0 Xilanh Q124.1 Xilanh Q124.2 Biến chế độ tự động Q124.3 Biến tổng chế độ tự động Q124.4 Biến chế độ tay Q124.5 Biến chế tổng độ tay Q124.6 52 Bảng 3.2 – Danh sách biến đầu 53 3.3.2 Viết chương trình 54 Hình 3.2 Chương trình hệ thống 3.4 Đấu nối mạch điều khiển Theo thống kê bit vào hệ thống có đầu vào đầu chọn module SM (có 24/16 đầu vào/đầu ra), đồng lời lựa chọn CPU CPU 313C, chọn nguồn 24VDC Hình 3.3 Cách bố trí module 55 Hình 3.2 – Nguyên lý đấu dây module Hình 3.3 - CPU 313C Module Siemens 56 Hình 3.4 – Bộ nguồn 24VDC cấp cho CPU 313C Module Siemens Hình 3.5 – Đấu nối vào PLC 57 3.5 Làm mơ hình thực tế 3.5.1 Xác định tiêu chí Hiện nhà máy xí nghiệp có nhiều hệ thống hồn thiện chất lượng thẩm mỹ Tuy nhiên, phạm vi đề tài nghiên cứu, với giới hạn kiến thức, thời gian kinh phí nên đề tài em chọn tiêu chí sau: - Kích thước: (Dài x Rộng x Cao) 1100 x 200 x 200 (mm) - Khối lượng: Kg - Hệ thống điều khiển: PLC hệ thống khí nén - Cơ cấu đẩy sản phẩm: Xylanh khí nén - Động truyền chuyển động: Động điện chiều có hộp giảm tốc - Hệ thống dẫn động: Băng chuyền - Điện áp cung cấp: Điện áp chiều 24V 3.5.2 Vật liệu chế tạo - Đế đỡ tồn mơ hình: Sử dụng gỗ có kích thước 1100 x 200 x 20 mm có ưu điểm sau: • Gia cơng đơn giản • Giá thành rẻ • Trọng lượng nhẹ • Thuận tiện cho việc thiết kế bắt vít cố định cho tồn mơ hình hệ thống - Khung đỡ: Sử dụng sắt lỗ chữ L, khung đỡ có kích thước 700 x 150 x 200 mm Loại sắt có ưu điểm: • Độ vững cao • Có lớp sơn tĩnh điện nên khả chống ăn mịn tốt • Khả chịu nhiệt tốt • Chi phí sản xuất thấp 58 Hình 3.3: Sắt lỗ chữ L - Vòng bi: Sử dụng vịng bi có kích thước  30 để dẫn trục quay giảm ma sát trục quay Trong mơ hình em sử dụng vòng bi cho trục quay Hình 3.4: Vịng bi - Trục quay: Sử dụng trục quay thép có chiều dài 120mm  0, có trục quay chủ động trục quay bị động Trục quay chủ động có gắn thêm bánh để dẫn động từ động cịn có chức tạo, giữ lực căng cần thiết cho bẳng tải - Phần tử ghép nối khí: Sử dụng bulong - đai ốc, vít bắn, vít xốy Các phần tử có chức ghép nối phần tử khí với để đảm bảo độ cứng, độ vững cho hệ thống Các phần tử có ưu điểm giá thành rẻ, khả ghép nối cao, chống ăn mòn tốt 59 3.5.3 Tiến hành thực Từ phân tích vật liêu xác đinh trước kích thước em tiến hành thực lắp ráp theo phần sau: - Phần khí: • Làm đế đỡ • Thiết kế, chế tạo khung đỡ • Lắp đặt trục quay, vịng bi, băng tải • Gắn động cơ, nối xích từ động đến trục quay • Thiết kế hộp chứa sản phẩm - Phần điện • Tiến hành lắp đặt cảm biến, relay • Đấu nối bảng điện - Phần khí nén: Lắp đặt xilanh, dây dẫn khí van điện từ Sau q trình thiết kế thi công em thực sản phẩm thực tế mơ hình phân loại sản phẩm theo chiều cao Hình 3.5: Mơ hình từ phía trước 60 Hình 3.6: Mơ hình từ xuống Hình 3.7: Mơ hình từ phía sau 61 KẾT LUẬN Sau q trình nghiên cứu, thiết kế thi cơng, mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao chế tạo thành cơng Nhìn chung, hệ thống đáp ứng yêu cầu đề tài đặt ra, nhiên hệ thống số nhược điểm, cần phải khắc phục - Những ưu điểm: • Thiết kế nhỏ gọn phù hợp với yêu cầu đề tài • Hệ thống điều khiển hoàn toàn tự động • Việc áp dụng cơng nghệ lập trình PLC đem lại cho mơ hình tính vượt trội điều khiển, tuổi thọ thiết bị nâng cao • Có thể thay đổi, tác động trực tiếp vào chương trình điều khiển mơ hình • Đơn giản thao tác, vận hành, sửa chữa bảo dưỡng • Hệ thống khí nén ổn định • Mơ hình hệ thống hoạt động an tồn • Khả phân loại sản phẩm hệ thống xác Những nhược điểm: - • Tính thẩm mỹ chưa cao • Động chạy gây tiếng ồn Nguyên nhân biện pháp khắc phục - Nguyên nhân Trong trình hoạt động hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao xuất nhiều lỗi khiến hệ thống làm việc gặp nhiều hạn chế: lỗi động cơ, bố trí phần tử chưa đạt thẩm mỹ cao Các lỗi nhiều nguyên nhân khách quan chủ quan gây nhìn chung số nguyên nhân sau: • Thiết kế khí chưa đạt độ ổn định cao cịn rung lắc • Chưa có hệ thống ổn định q dịng - Biện pháp khắc phục 62 • Tối ưu hóa hệ thống khí cho hệ thống đảm bảo tạo thành khối liên kết chắn • Hồn thiện hệ thống lý thuyết để đưa sản phẩm thực tiễn Hướng phát triển - Trong tương lai, mô hình hệ thống nghiên cứu sâu để đưa hệ thống vào ứng dụng thực tế ngành cơng nghiệp nói chung cơng nghiệp tự động hóa nói riêng - Hệ thống phân loại nhiều sản phẩm với tiêu chí khác nhiều trường hợp - Mong đề tài bạn sinh viên khóa sau tiếp tục thực yêu cầu khắc phục hạn chế đề tài này, để tạo hệ thống có chất lượng cao phục vụ cho sản xuất đời sống xã hội 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển khí nén, NXB Giáo dục, Hà Nội, 1998 [2] Nguyễn Dỗn Phước, Tự động hóa với Simatic S7-300, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2000 [3] Hồ Viết Bình, Tự động hóa q trình sản xuất, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, 2004 64 ... tài ? ?Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước? ?? Hệ thống bao gồm khối khí khối điều khiển Khối khí dây chuyền băng tải, xilanh khí nén, cảm biến phát sản phẩm. .. PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 3.1 Yêu cầu công nghệ Mục tiêu đặt 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 cần thiết. ..TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước Người hướng dẫn : KS Trần Đình Dũng Sinh