Thiết kế hệ thống cân tự động sử dụng trong quá trình đóng gói sản phẩm

Tài liệu tham khảo chuyên ngành viễn thông Thiết kế hệ thống cân tự động sử dụng trong quá trình đóng gói sản phẩm

Tóm tắt nội dungLuận văn trình bày một cách khái quát bài toán cân đóng bao trong công nghiệp cùng cách giải quyết vấn đề, đồng thời, nghiên cứu một số thiết bị phần cứng cũng như các tiêu chuẩn truyền thông được sử dụng trong công nghiệp. Các nghiên cứu này cho phép thiết kế một hệ thống hoàn chỉnh phục vụ cho bài toán cân đóng bao và một số bài toán liên quan. Từ đó luận văn mô tả một cách chi tiết một hệ thống thực đã được tác giả xây dựng và các kết quả triển khai thực tế của nó trong nhà máy công nghiệp. Phần còn lại trình bày các chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ lập trình C sử dụng trong bộ điều khiển. Hi vọng, những kiến thức trong luận văn sẽ mang lại cái nhìn rõ ràng nhất cho người đọc về các hệ thống điều khiển tự động nói chung và hệ thống cân đóng bao nói riêng.i Mục lục Tóm tắt nội dung .i Mục lục .ii Danh mục hình vẽ iv Mở đầu .1Chương 1: Tổng quan . 2 1.1 Đặt vấn đề . 2 1.2 Bài toán cân đóng bao trong thực tế . 2 1.3 Nội dung của luận văn . 3 Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết . 4 2.1 Các khái niệm 4 2.1.1 Các trạng thái của quá trình đóng bao . 4 2.1.2 Các biến quá trình . 5 2.2 Quá trình cân đóng bao: . 5 2.2.1 Xung đầu ra 7 2.2.2 Lưu đồ thuật toán 7 2.2.3 Quá trình cân phối liệu 9 2.3 Mạng truyền thông công nghiệp 10 2.3.1 MODBUS . 10 2.3.2 CAN . 15 Chương 3: Nghiên cứu tính năng phần cứng . 21 3.1 Vi điều khiển xử lý tín hiệu số 16 bit DSPIC 30F6010 . 21 3.1.1 Các tính năng chính . 21 3.1.2 Module truyền thông không đồng bộ UART . 24 3.1.3 Bộ điều khiển truyền thông CAN của dsPIC 30F6010 . 26 3.1.4 Bộ định thời TIMER . 28 3.1.5 Bộ chuyển đổi tương tự - số ADC 30 3.2 Vi điều khiển PSOC . 31 3.2.1 Các dòng vi điều khiển PSOC . 31 3.2.2 Vi điều khiển CY8C27443 32 3.2.3 Các khối số . 35 3.2.4 Bộ đếm COUNTER 36 ii 3.2.5 Config các khối UART 37 3.3 Thiết bị cân 38 3.3.1 Chức năng . 40 3.3.2 Cổng nối tiếp 40 Chương 4: Thiết kế hệ thống+kế+hệ+thống+dẫn+động.htm' target='_blank' alt='thiết kế hệ thống dẫn động' title='thiết kế hệ thống dẫn động'>Thiết kế hệ thống . 44 4.1 Cấu trúc hệ thống . 44 4.1.1 Sơ đồ khối hệ thống 44 4.1.2 Khối giao tiếp người – máy . 45 4.1.3 Khối điều khiển . 46 4.1.4 Khối cân . 47 4.1.5 Truyền thông trong hệ thống . 47 4.2 Phần mềm giám sát hệ thống 48 Chương 5: Triển khai phần cứng và các kết quả đạt được 49 5.1 Giao diện người – máy . 49 5.1.1 Sơ đồ nguyên lý 49 5.1.2 Phương thức hoạt động . 49 5.2 Bộ điều khiển 50 5.2.1 Sơ đồ . 50 5.2.2 Phương thức hoạt động . 50 5.3 Triển khai ứng dụng hệ thống tại nhà máy Phân lân Ninh Bình 51 Chương 6: Kết luận . 54 Phụ lục .55 Tài liệu tham khảo 90iii Danh mục hình vẽHình 1: Quá trình cân đóng bao .4Hình 2: Hệ thống cân đóng bao 6Hình 3: Sơ đồ quá trình cân đóng bao và xung điều khiển tương ứng 7Hình 4: Lưu đồ thuật toán quá trình cân đóng bao .9Hình 5: Hệ thống cân phối liệu 9Hình 6: Mô hình OSI của mạng truyền thông MODBUS .10Hình 7: Phạm vi định nghĩa của CAN trong mô hình OSI .16Hình 8: Sơ đồ khối bộ truyền dữ liệu UART 25Hình 9: Sơ đồ khối bộ nhận dữ liệu UART 25Hình 10: Sơ đồ khối module CAN của dsPIC 30F6010 .27Hình 11: Bộ định thời của dsPIC 30F6010 .29Hình 12: Sơ đồ khối cấu trúc của PSoC CY8C27433 .34Hình 13: Các khối số của PSOC 35Hình 14: Sơ đồ khối bộ đếm của PSoC CY8C27433 .37Hình 15: Sơ đồ nguyên lý module UART của PSOC .38Hình 16: Thiết bị cân Mettler Toledo IND130 .39Hình 17: Các cổng vào ra trên Mettler Toledo IND130 40Hình 18: Vị trí chốt của RS-232 và RS-485 .41Hình 19: Sơ đồ khối hệ thống cân đóng bao .45Hình 20: Khối giao tiếp người-máy 46Hình 21: Khối điều khiển 47Hình 22: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp người-máy .49Hình 23: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển 50Hình 24: Ảnh tủ điều khiển .51Hình 25: Ảnh mạch nguồn .52Hình 26: Ảnh khối giao tiếp người máy .52Hình 27: Ảnh tủ van khí nén 53Hình 28: Ảnh khối cân Mettler Toledo IND130 .53iv Mở đầuTheo định hướng phát triển kinh tế - xã hội của nước ta, Việt Nam phấn đấu đến năm 2020 sẽ trở thành một nước công nghiệp hiện đại. Để hướng tới mục tiêu này, chúng ta đang xây dựng một hệ thống nhà máy, xí nghiệp lớn, hiện đại với các dây chuyền sản xuất, lắp ráp, đóng gói . tương xứng. Trong đó, hệ thống cân đóng bao là một thành phần không thể thay thế trong các nhà máy chế biến, tinh luyện, các khu chế xuất. Các hệ thống này có tính tự động cao, dễ vận hành nhờ được điều khiển bằng máy tính hoặc các bộ vi xử lý. Chúng dễ dàng được cài đặt, quản lý để thực hiện thao tác một cách chính xác với khối lượng nguyên liệu cần đóng gói được đặt trước bởi người vận hành. Việc xây dựng những hệ thống tự động trong công nghiệp nói chung và hệ thống cân đóng bao nói riêng là một hướng đi khả thi và hứa hẹn đem lại hiệu quả kinh tế, ứng dụng cao. Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, khi xây dựng các hệ thống điều khiển tự động, nền tảng truyền thông trong hệ thống đều dựa vào các thiết bị đắt tiền của nước ngoài. Luận văn hướng đến việc xây dựng một hệ thống cân đóng bao tự động dựa trên các linh kiện thông dụng, giao tiếp dựa trên các chuẩn truyền thông công nghiệp. Do các yêu cầu về tính khả thi cũng như tính kinh tế, cần lựa chọn một vi điều khiển cùng thuật toán điều khiển hợp lý để khi kết hợp với chuẩn truyền thông sẽ mang lại hiệu quả cao nhất cho hệ thống. Hệ thống sẽ được đưa vào phục vụ sản xuất trong dây chuyền đóng bao của Nhà máy Phân Lân Ninh Bình.Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Th.S. Đặng Anh Việt, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình làm luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới TS. Trần Quang Vinh và các cán bộ phòng Robotic cùng toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa Điện tử - Viễn thông đã tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành đề tài này.Hà Nội, 5/2008 Đỗ Anh Tú1 Chương 1: Tổng quan1.1 Đặt vấn đềTrong quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa ở nước ta hiện nay, việc tự nghiên cứu chế tạo các hệ thống sản xuất, đóng gói tự động trong các nhà máy công nghiệp là một vấn đề cấp thiết. Tuy nhiên, có một thực tế là hầu hết các dây chuyền công nghiệp như vậy đều được nhập từ nước ngoài với chi phí rất cao. Các hệ thống này tuy hoạt động chính xác và quản lý dễ dàng nhưng trong quá trình vận hành có thể gặp trục trặc do điều kiện thời tiết khí hậu nóng ẩm ở nước ta. Khi những sự cố như vậy xảy ra, rất khó để chúng ta tự khắc phục vì mỗi nhà cung cấp thường chọn cho mình những tiêu chuẩn cũng như công cụ phát triển riêng. Do đó, không còn cách nào khác là phải mời các chuyên gia nước ngoài về giải quyết sự cố với chi phí không hề rẻ. Điều đó chắc chắn có ảnh hưởng rất lớn đến khía cạnh kinh tế của nhà sản xuất cũng như của cả nền kinh tế nước ta. Bên cạnh đó, việc giải quyết các bài toán tự động hóa mà cụ thể ở đây là bài toán cân đóng bao là không quá phức tạp và hoàn toàn khả thi, phù hợp với những kiến thức thu được trên giảng đường đại học về điều khiển học, kỹ thuật điện tử, thiết kế mạch hay mạng truyền dữ liệu…Chính vì những lý do đó, tôi muốn hướng đến việc nghiên cứu một hệ thống cân tự động sử dụng trong quá trình đóng gói sản phẩm và giải quyết một số bài toán thực tiễn của hệ thống. Hệ thống này cần được phát triển dựa trên các chuẩn quốc tế để có thể kết nối với các thiết bị khác trong dây chuyền sản xuất. Việc xây dựng thành công một hệ thống như vậy chắc chắn sẽ mang lại hiệu quả kinh tế lớn cũng như phần nào đóng góp vào sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước. 1.2 Bài toán cân đóng bao trong thực tếCân đóng bao là một bài toán được ứng dụng rất phổ biến ở các nhà máy chế biến thực phẩm, sản xuất xi măng, lọc hóa dầu.v.v…Nguyên liệu sau khi đi qua một số quá trình trở thành thành phẩm sẽ được đóng gói để vận chuyển và đưa ra thị trường tiêu thụ. Vấn đề đặt ra là làm sao để đóng gói nhanh và đồng đều một lượng chính xác nguyên liệu định trước (gọi là lượng đặt). Bên cạnh bài toán cân đóng bao, một bài toán khác cũng thường gặp không kém là bài toán cân phối liệu. Trong bài toán này, người ta phải đổ vào máy trộn một số loại nguyên 2 liệu nào đó với một tỷ lệ nhất định. Thực chất, việc giải bài toán cân phối liệu hoàn toàn dựa trên lời giải của bài toán cân đóng bao, nhưng được áp dụng cho nhiều nguyên liệu một lúc.Sau khi xem xét những bài toán trên có thể nhận thấy việc xây dựng một hệ thống cân tự động như vậy cần được dựa trên những thành phần cơ bản sau:• Thiết bị cân chính xác, có độ tin cậy cao.• Vi xử lý phù hợp điều khiển toàn bộ hệ thống.• Hệ thống board mạch chủ, mạch nguồn, mạch điều khiển.• Hệ thống mạng truyền thông (hay còn gọi là bus) đảm bảo kết nối tín hiệu giữa các thành phần với nhau.• Một giao diện thân thiện, linh hoạt dễ sử dụng cho người vận hành, chủ yếu là các công nhân trình độ thấp.1.3 Nội dung của luận vănLuận văn chia làm 2 phần: • phần một gồm các chương 2, 3 nghiên cứu các cơ sở lý thuyết và tính năng các linh kiện chính phục vụ xây dựng các module trong hệ thống. Trong đó, chương 2 trình bày chi tiết quá trình cân đóng bao cũng như lý thuyết về các mạng truyền thông sử dụng trong công nghiệp, chương 3 tập trung nghiên cứu các tính năng của phần cứng (các vi điều khiển và thiết bị cân sử dụng trong hệ thống).• phần hai gồm các chương tiếp theo trình bày triển khai cụ thể hệ thống, chương 4 mô tả một hệ thống thực được hướng đến, chương 5 là những kết quả đã đạt được và triển khai ứng dụng trong thực tế.3 Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết2.1 Các khái niệm2.1.1 Các trạng thái của quá trình đóng baoHình 1: Quá trình cân đóng bao• Trạng thái sẵn sàng : hệ thống sẵn sàng làm việc, đợi tín hiệu báo có bao.• Trạng thái trễ vào bao : hệ thống chờ một khoảng thời gian TTA từ khi có tín hiệu vào bao cho đến khi bắt đầu ra lệnh mở các van xả.• Trạng thái xả thô (coarse speed) : cả van xả thô và van xả tinh được mở, dòng liệu chảy với tốc độ lớn.• Trạng thái xả tinh (fine speed) : van xả thô đóng, chỉ còn van xả tinh hoặc cửa xả đóng nhỏ lại với hệ thống chỉ có 1 cửa xả, dòng liệu chảy với tốc độ nhỏ.• Trạng thái trễ ra bao : hệ thống chờ một khoảng thời gian TE từ khi đóng hết các van (bao đầy) cho đến khi bắt đầu ra lệnh đẩy bao ra.• Trạng thái ra bao : hệ thống ra lệnh đẩy bao ra, trong khoảng thời gian TEM, sau đó tự động trở về trạng thái sẵn sàng, chuẩn bị xuất bao tiếp theo.4 2.1.2 Các biến quá trình• Lượng đặt (target weight): khối lượng nguyên liệu cần đổ vào bao để đóng gói và được người điều khiển nhập vào trước khi bắt đầu quá trình. • Lượng thực (real weight): khối lượng nguyên liệu thực tế trong bao sau khi kết thúc quá trình.• Điểm cắt thô (coarse weight): bộ điều khiển sẽ ra lệnh đóng van xả thô khi khối lượng nguyên liệu trong bao đạt tới giá trị này.• Điểm cắt tinh (fine weight): bộ điều khiển sẽ ra lệnh đóng van xả tinh khi khối lượng nguyên liệu trong bao đạt tới giá trị này.• Preact: khoảng thời gian chờ để ổn định hệ thống khi kết thúc quá trình.• Lượng dư (preact weight): khối lượng nguyên liệu trong các đường ống sẽ tiếp tục đổ xuống bao sau khi đã đóng các van.• Sai số = lượng thực – lượng đặt. Sai số này cần nhỏ hơn dung sai cho phép (tolerance).• Trạng thái bao bì: có hay không có bao bì.• Trạng thái các cửa xả: các cửa xả đóng hay mở.• Trạng thái van kẹp bao: van kẹp bao đóng hay mở.2.2 Quá trình cân đóng bao:Giải quyết bài toán cân đóng bao là tìm cách điều hòa một cách hợp lý nhất 2 yêu cầu đặt ra: độ chính xác và thời gian, sao cho sai số giữa lượng thực và lượng đặt càng nhỏ càng tốt và thời gian hoàn thành càng ngắn càng tốt Để giải quyết bài toán này, người ta lắp đặt cho hệ thống 2 van xả nguyên liệu: van thô và van tinh. Điểm khác nhau giữa 2 kiểu van này là đường kính miệng van (van thô lớn hơn van tinh, đồng nghĩa với lưu lượng nguyên liệu được xả bởi van thô sẽ lớn hơn so với van tinh). Nhiệm vụ của 2 van này do vậy cũng khác nhau. Van thô được sử dụng với mục đích đổ đầy phần lớn lượng nguyên liệu cần đóng gói nhưng do tốc độ chảy nhanh nên không thể điều chỉnh một cách chính xác lượng nguyên liệu mong muốn. Vì thế, người ta cần một van tinh với tốc độ chảy chậm để dễ dàng bù thêm phần nguyên liệu còn thiếu. Các van này được đóng mở bằng xi lanh khí nén.5 Hình 2: Hệ thống cân đóng baoQuá trình cân đóng bao có thể tóm tắt như sau. Đầu tiên, khi nhận được tín hiệu bắt đầu, hệ thống kiểm tra sự có mặt của của bao bì bằng một sensor quang hoặc một công tắc hành trình. Nếu có bao bì, sensor sẽ gửi tín hiệu về vi điều khiển để quá trình có thể được bắt đầu; nếu không, hệ thống tiếp tục chờ đến khi có bao bì được đặt vào đúng vị trí. Lúc này, lệnh mở các cửa xả nguyên liệu được phát đi, đồng thời cân điện tử bắt đầu làm việc, liên tục gửi số liệu đo được về vi điều khiển. Vi điều khiển so sánh số liệu này với điểm cắt thô định trước và sẽ phát lệnh đóng van thô khi khối lượng bao đạt đến mốc này. Khi đó, van tinh vẫn mở, nhưng dòng liệu chảy vào bao với tốc độ thấp hơn. Vi điều khiển tiếp tục so sánh số liệu thu về từ cân điện tử đến khi khối lượng bao đạt đến điểm cắt tinh để phát lệnh đóng van tinh. Cần lưu ý là điểm cắt tinh luôn nhỏ hơn lượng đặt một chút bởi sau khi đóng van tinh, vẫn còn một lượng nhỏ nguyên liệu tiếp tục đổ xuống bao (cũng vì lý do này mà ta cần một thời gian trễ để ổn định hệ thống và để số liệu từ cân điện tử đưa về vi xử lý được chính xác). Chính lượng nguyên liệu này là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sai số mà ta cần giải quyết. Để giảm sai số trong những lần đóng gói tiếp theo, ta điều chỉnh lại điểm cắt tinh bằng cách gán:Điểm cắt tinh = Điểm cắt tinh cũ – Sai số x 50%.VĐKCOARSEFINEDISCHARGECÂNGiao diện 6 [...]... chẵn/lẻ nếu sử dụng parity 13  1 bit kết thúc (stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng parity) 2.3.1.3 Cấu trúc bức điện Trong mạng Modbus chuẩn, khi một trong hai chế độ truyền được chon, một thông báo sẽ được đóng khung Mỗi khung bao gồm nhiều ký tự khung như trên Các ký tự này sẽ được truyền đi liên tục trong chế độ RTU và gián đoạn trong chế độ ASCII • Khung ASCII Trong chế... nối thiết bị, trao đổi thông tin là một trong những vấn đề cơ bản trong bất cứ một giải pháp tự động hóa nào Hệ thống cân đóng bao được xây dựng với một số khối chức năng riêng biệt, được ghép nối với nhau qua một chuẩn truyền thông công nghiệp Ngoài ra, hệ thống còn phải ghép nối được với máy tính trung tâm phục vụ yêu cầu quản lý sản phẩm Phần này nghiên cứu một số chuẩn truyền thông được sử dụng. .. dấu hai chấm (:), tức ký tự ASCII 3A, và kết thúc bằng hai dấu quay lại – xuống dòng (CRLF), tức hai ký tự ASCII 0D và 0A Mỗi byte trong thông báo được truyền đi bằng hai ký tự ASCII, vì vậy các ký tự được phép xuất hiện trong các phần còn lại của khung là 0-9 và A-F Khởi đầu Địa chỉ Mã hàm Dữ liệu Mã CRC Kết thúc 1 ký tự : 2 ký tự 2 ký tự N ký tự 2 ký tự 2 ký tự CR+LF Mỗi thiết bị tham gia mạng có... bit Hoạt động ở tốc độ cao mà tiêu hao ít năng lượng Dải hoạt động từ 3.0 tới 5.25V Điện áp hoạt động có thể giảm xuống 1.0V sử dụng chế độ kích điện áp Hoạt động trong dải nhiệt độ từ -40 đến 85°C • Các khối ngoại vi có thể được sử dụng độc lập hoặc kết hợp 12 khối ngoại vi tương tự có thể được thiết lập để làm các nhiệm vụ: Các bộ ADC 14 bit Các bộ DAC 9 bit Các bộ khuếch đại có thể lập trình hệ số... Start 0 1 2 3 4 5 6 P Stop Mỗi ký tự khung bao gồm:  1 bit khởi đầu (start bit)  7 bit biểu diễn một chữ số hex của byte cần gửi dưới dạng ký tự ASCII (0 -9 và A – F), trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước  1 bit parity chẵn/lẻ, nếu sử dụng parity  1 bit kết thúc (stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng parity • Chế độ RTU Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn được... (thô, tinh) Sai Cân ≥ điểm cắt thô Đúng Đóng van thô Sai Cân ≥ điểm cắt tinh Đúng Đóng các van Đợi delay – Thời gian ổn định Cân Tính sai số E = lượng thực – lượng đặt Mở van kẹp bao, ra lệnh đẩy bao Xác định lại điểm cắt tinh Cắt tinh = cắt tinh – E x 50% 8 Hình 4: Lưu đồ thuật toán quá trình cân đóng bao 2.2.3 Quá trình cân phối liệu Như đã đề cập ở phần trên, việc giải quyết bài toán cân phối liệu... tài nguyên số hoặc tương tự, hoặc cả hai tùy theo từng chức năng (phương pháp lập trình kéo thả) Việc thiết lập ngắt trên chân nào, loại ngắt gì, các chân vào ra được hoạt động ở chế độ như thế nào đều tùy thuộc vào việc thiết lập của người lập trình khi thiết kế và lập trình cho PSoC Với khả năng cấu hình mạnh mẽ như vậy, một thiết bị điều khiển, đo lường có thể được gói gọn trong một chip duy nhất... liệu A đã có trong bao với khối lượng nguyên liệu B cần đổ Tương tự, lượng đặt cho nguyên liệu C được tính bằng tổng lượng thực của nguyên liệu A và B đã có trong bao với khối lượng nguyên liệu C cần đổ Việc tính sai số cũng được tính toán như quá trình cân đóng bao Nếu quá trinh lặp lại nhiều lần, dễ thấy rằng sai số sẽ nhỏ dần theo từng lần đổ nguyên liệu 3 rơ-le VĐK CÂN Hình 5: Hệ thống cân phối liệu... Chính vì lý do đó, hãng Cypress Micro Systems đã không gọi sản phẩm của mình là vi điều khiển như truyền thống, mà goị là thiết bị PsoC”, và họ hy vọng rằng, với khả năng đặt cấu hình mạnh mẽ, người sử dụng sẽ có những thiết bị điều khiển, những thiết bị đo có giá thành rẻ, kích thước nhỏ gọn, và sản phẩm PsoC của họ sẽ thay thế được những thiết bị dựa trên vi xử lý hoặc vi điều khiển đã có từ trước... QEI 3.1.1.6 Các module tương tự: • 4 bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (ADC) 10 bit với tốc độ lấy mẫu lên tới 500Ksps, 16 kênh vào và có thể chuyển đổi ngay cả trong chế độ ngủ (sleep) • Có thể lâp trình để bảo vệ hệ thống ở điện thế thấp • Có thể lập trình ở mức bảo vệ Brown-out và khởi động lại hệ thống 3.1.1.7 Các tính năng vi điều khiển đặc biệt: • Bộ nhớ chương trình Flash với chu kỳ ghi/xóa . tử, thiết kế mạch hay mạng truyền dữ liệu…Chính vì những lý do đó, tôi muốn hướng đến việc nghiên cứu một hệ thống cân tự động sử dụng trong quá trình đóng. Đặt vấn đ Trong quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa ở nước ta hiện nay, việc tự nghiên cứu chế tạo các hệ thống sản xuất, đóng gói tự động trong các