3.8.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống
-Hệ thống điều khiển sẽ gồm có:
+Thiết bị đầu vào: nút nhấn, cảm biến.
+Thiết bị điều khiển: bộ điều khiển lập trình PLC. +Thiết bị đầu ra: rơ-le, van khí nén.
+Nguyên lý hoạt động: Bộ xử lý trung tâm PLC nhận tín hiệu đầu vào từ nút nhấn, cảm biến, sau đó tiến hành xử lý tín hiệu, lập trình điều khiển, xuất tín hiệu điều khiển động cơ DC, xy lanh khí nén thông qua rơ-le, van khí nén.
3.8.2 Sơ đồ mạch lực
3.8.3 Bản vẽ tủ điện
CHƯƠNG 4 : LẬP TRÌNH VÀ MÔ TẢ HỆ THỐNG 4.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 4. 1 Sơ đồ khối hệ thống
4.1.1 Khối chiết rót
Bộ phận chiết rót gồm có: cảm biến hồng ngoại, động cơ bơm nước AC 220V 3500L/h, bồn chứa nước
Nguyên lý hoạt động của bộ phận chiết rót:
Khi có chai rổng đi vào vị trí rót nước, cảm biến hồng ngoại phát hiện gửi tín hiệu điều khiển cho PLC điều khiển máy bơm hoạt động và kết thúc quá trình bơm nước.
4.1.2 Khối cấp nắp
cấp nắp thì mâm xoay đưa chai đến vị trí đóng nắp.
4.1.3 Khối đóng nắp
Cảm biến đóng nắp chai sẽ nhận biết có chai tới, xi – lanh nắp sẽ
đẩy động cơ nắp xuống và động cơ sẽ đóng nắp cho chai.sau thời gian trễ thì nâng tay đóng nắp về vị trí ban đầu
4.1.4 Khối phân loại
Khi chai đến vị trí phân loại cảm biến chai ra hoạt động, cảm biến mức nước và cảm biến nắp chai sẽ kiểm tra chai
4.1.5 khối xử lí trung tâm
Có chức năng nhận, xử lý thông tin và điều khiển các khối khác.
Nhóm chọn PLC S7-1212c DC/DC/DC và modun 6ES7223 của hãng Siemen có thể nói là đáp ứng được với yêu cầu của nhóm, đồng thời với thiết kế nhỏ gọn, phần mềm lập trình Tia Portal dễ sử dụng cùng v ới khả năng mở rộng IO, giao diện thiết kế SCADA với kho thư viện phong phú nên đây sẽ là lựa chọn thích hợp nhất.
Bảng thông tin modun 6ES7223
Catalog PLC S7-1200 Chức năng CPU 1212C DC/DC/DC I/O tích h ợp cục bộ: Kiểu số Kiểu tương tự 8 ngõ vào/10 ngõ ra. 6 ngõ vào/2 ngõ ra. Bộ nhớ bit (M) 8192 byte. Độ mở rộng các module tín hi ệu 8
Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái) Các b ộ đếm tốc độ cao:
Đơn pha Vuông pha
6
3 tại 100 kHz, 3 tại 30 kHz 3 tại 80 kHz, 3 tại 20 kHz
Các ngõ ra xung 2
PROFINET 2 cổng truyền thông Ethernet.
Nguồn điện Tín hiệu đi Tín hiệu về Nguồn khí
- Chức năng các khối: + Khối nguồn cung cấp: Khối nguồn sẽ cung cấp 2 loại nguồn điện chính cho hệ thống. Bao gồm nguồn điện một pha xoay chiều 220V giúp cung cấp điện cho van điện từ và các adapter chuyển đổi và nguồn điện 24V một chiều giúp cung cấp điện áp nuôi cho PLC, các cảm biến, các đèn báo, buzzer, các van khí nén, động cơ DC. + Khối xử lý trung tâm:Là khối xử lý chính các tín hiệu của hệ thống. Giúp giao tiếp với cảm biến, thu thập và xử lý tất cả các tín hiện thu về từ cảm biến. Tính toán xử lý xuất tín
Khối xử lý trung tâm S71200
Khối động cơ và van điện từ Khối SCADA giám sát hệ thống Van khí nén Xylanh Nguồn cấp khí Khối cảm biến
Khối nguồn 220VAC và 24VDC
hiệu ra các chân Output để điều khiển các động cơ, van khí nén, đèn tín hiệu,...Ngoài ra tạo kết nối với SCADA để giám sát hệ thống.
+ Khối cảm biến: xử lý và gửi tín hiệu cho PLC. + Nguồn cấp khí: cung cấp khí cho các van khí nén
+ Van điện từ khí nén: điều khiển các xylanh. + Khối động cơ: Động cơ cho băng tải, động cơ mâm xoay, máy bơm.
+ Xylanh: Tạo ra các chuyển động, đảm nhận việc cấp lon, cấp nắp, đóng nắp
+ Khối SCADA giám sát hệ thống: Khối này có chứng năng chính là giao tiếp giữa con người với hệ thống, giúp vận hành, giám sát quá trình hoạt động của hệ thống, thông báo các lỗi xảy ra để nhanh chóng khắc phục.
4.1.6 Khối nguồn 24VDC
Hình 4. 2 Nguồn 24vDc
Hệ thống điều khiển khínén, relay trung gian sử dụng điện áp 24VDC.
Với những thông s ố kỹ thuật, điện áp sử dụng và 56ông điện tiêu th ụ đã phân tích trên, 56ông quy ết định chọn nguồn cung cấp cho 56ông b ộ hệ thống là ngu ồn tổ ong 24VDC – 5A.
Cảm biến tiệm cận sử dụng điện áp từ 6VDC đến 36VDC, 56ông tiêu th ụ tối đa 300mA. Cảm biến quang sử dụng điện áp từ 12VDC đến 24VDC, 56ông tiêu th ụ tối đa 35mA trở xuống.
Cảm biến nhãn sử dụng điện áp từ 10VDC đến 30VDC, 56ông tiêu th ụ tối đa 200mA. PLC S7 – 1200 CPU 1215C DC/DC/DC sử dụng điện áp 24VDC, 56ông tiêu thụ tối đa 1500mA
Thông số kĩ thuật
Điện áp đầu vào AC 220V ( Chân L và N ) Điện áp đầu ra DC 24V 5A
Công suất 120W
Điện áp ra điều chỉnh +/-10%
Phạm vi điện áp đầu vào 85 ~ 132VAC / 180 ~ 264VAC Dòng vào 2.6a / 115V 1.3a / 230V
Rò rỉ <1mA / 240VAC
Hình 4. 3 Sơ đồ kết nối hệ thống
4.3 Lưu đồ thuật toán
Hình 4. 4 Lưu đồ thuật toán
Quy trinh vận hành của hệ thống
-Nhấn nút Start trên màn hình SCADA để hệ thống bắt đầu làm việc.
- Chai từ băng tải đi vào mâm xoay, khi cảm biến 1 phát hiện chai thì động cơ băng tải dừng lại. Lúc này vòi nước vào vị trí miệng chai để rót nước. Sau khoảng thời gian chiết rót đã cài đặt thì động cơ mâm xoay chạy.
- Chai nước đi qua hộp cấp nắp thì miệng chai sẽ quệt vào thanh kim loại ở hộp cấp nắp, nắp chai sẽ được đưa vào miệng chai để phục vụ cho quá trình đóng nắp.
- Khi chai gặp cảm biến 2, động cơ mâm xoay lại dừng lại, xylanh 2 đẩy động cơ đóng nắp xuống, động cơ bắt đầu đóng nắp theo thời gian đã nhập ban đầu. sau khi đóng nắp xong xylanh 2 và động cơ về vị trí ban đầu, động cơ mâm xoay tiếp tục chạy đến băng tải 2
- Chai sẽ được đưa đến khâu phân loại. Tại đây cảm biến mức nước và cả biến nắp sẽ kiểm tra, khi chai đạt yêu cầu xylanh sẽ để chai sang bên chuẩn bị cho khâu tiếp theo ,khi chai không đạt băng tải tiếp tục vận chuyển chai chạy tiếp
- Trong quá trình hệ thống hoạt động:
+ Sau khi cài đặt các thông số thời gian ta nhấn nút START hệ thống bắt đầu tiến hành quá trình làm việc
+ Nhấn nút STOP hệ thống lập tức dừng mọi hoạt động lại.
-Khi cảm biến cạn có tín hiệu ,đèn lỗi sẽ sáng hệ thống sẽ dừng hoạt động
4.4 Tính toán tốc độ chuyển động
Yêu cầu bài toán là chiết rót với năng suất 600 chai một giờ, tương đương với 6s chiết rót và đóng nắp được 1 chai hoàn chỉnh.
Với yêu cầu trên, tốc độ quay của động cơ trong hệ thống phải được đạt được như sau:
4.4.1 Tốc độ băng tải vào ra
Khoảng cách giữa 2 chai liên tiếp nhau đặt lên băng tải vào là 10cm, suy ra để đạt được tốc độ 1s/chai thì tốc độ băng tải phải đạt được 10cm/s tương đương 6m/phút
Đường kính trục quả lô của băng tải là 20cm, ta có đường kính 1 vòng quay của quả lô băng di chuyển dược quãng đường là: L=3,14.0,2=0,6283(m).
Để đạt được tốc độ 6m/ph thì tốc độ quay của động cơ phải đạt được là 6/0.6283=9,55(vòng/phút)
Hệ số của bộ giảm tốc là 100, nên tốc độ quay của động cơ phải đạt được là 955vòng/phút.
Tốc độ quay tối đa của động cơ tại tần số 50Hz là 1390 vòng/phút, vì vậy để đạt được tốc độ quay 955 vòng/phút thì tần số cài đặt biến tần của động cơ phải là
4.4.2 Tốc độ mâm xoay
Trên mỗi mâm quay có 1 chai, để đạt được năng suất 1s/chai thì tốc độ quay của mâm quay phải đạt được là 0.25 vòng/s tương đượng 15 vòng/phút.
Hệ số của bộ giảm tốc là 100, nên tốc độ quay của động cơ phải đạt được là 1500vòng/phút.
Tốc độ quay tối đa của động cơ tại tần số 50Hz là 1500 vòng/phút, vì vậy tần số cài đặt biến tần của động cơ phải là 1500/1500.50=50(Hz).
4.5 Các phần mềm hỗ trợ 4.5.1 TIA Portal 4.5.1 TIA Portal
TIA Portal – phần mềm cơ sở tích hợp tất cả các phần mềm lập trình cho các hệ thống tự động hóa và truyền động điện. Phần mềm lập trình mới này giúp mọi người sử dụng phát triển, tích hợp các ệ thông tự động hóa một cách nhanh chóng, do đó giảm nhiều thời gian trong việc tích hợp, xây ựng tất cả các ộ điều khiển PLC, màn hình HMI, các bộ truyền động của Siemens đều được lập trình, cấu hình trên TI A portal. Việc này giúp giảm thời gian, công s ức trong việc thiết lập truyền thông gữa các thi ết bị này. Vídụ người sử dụng có th ể sử dụng tính năng “kéo và thả” một biến trong chương trình điều khiển PLC và ột màn hình của chương trình HMI. Biến này sẽ được gán vào chương trình HMI và sự kế nối giữa PLC – HMI đã được tự động thiết lập, không cần bất cứ sự cấu hình nào thêm.
Phần mềm mới Simatic Step 7 V15 tích h ợp trên TIA Portal, để lập trình cho S7-1500, S7- 1200, S7-300 và hệ thống tự động PC-based Simatic WinAC. Simatic Step 7 V13 được chia thành các module khác nhau, tùy theo nhu cầu của người sử dụng. Simatic Step 7 V15.1 cũng hỗ trợ tính năng chuyển đổi chương trình PLC, HMI đang sử dụng sang phương trình mới trên TIA Portal.
Phần mềm mới Simatic WinCC V5.1, cũng được tích hợp trên TIA Portal, dùng để làm cấu hình cho các màn hình TP và MP hi ện tại, màn hình mới Comfort, cũng như để giám sát điều khiển hệ thống trên máy tính (SCADA).
4.5.2 WinCC professional
Phần mềm WinCC của Siemens làm ột phần mềm chuyên d ụng để xây d ựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và lưu dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành t ự động hóa.
WinCC là cữ viết tắt của Windowns Control Center (Trung tâm điều khiển chạy trên n ền Windows), nói cách khác nó cung cấp các công ụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như Windowns NT hay Windowns 2000, XP, Vista 32bit (Not SP1).
Phần mềm giao diện người máy với Simatic WinCC V15 bao gồm các phiên bản khác nhau:
+WinCC Basic lập trình cho Basic Panels.
+WinCC Comfort lập trình cho t ất cả các dòng Simatic Panels.
+WinCC Advanced kết hợp WinCC Runtime Advanced hỗ trợ giám sát các h ệ thống chạy trên nền máy tính c ấp thiết bị như các Panel PC.
+WinCC Professional làph ần mềm bao gồm tất cả các tính năng trên và sử dụng để lập trình SCADA.
4.6 Điều khiển và giám sát
4.6.1 Các cổng vào ra trong hệ thống
b) Các ngõ ra
4.6.2 Thiết kế giao diện giám sát
Với mục tiêu là giúp người dùng d ễ dàng điều khiển và giám sát được quy trình hoạt động của hệ thống nhóm xây ựng giao diện giám sát SCADA trên giao di ện Phần mềm WinCC Runtime Advanced.Giao diện cho phép người dùng điều khiển trực tiếp và giám sát trạng thái hoạt động của từng thiết bị.
Hình 4. 6 Giao diện giam sát SCADA
CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN 5.1 Kết quả đạt được
Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm đã đạt được một số yêu cầu như sau: + Điều khiển tuần tự hệ thống với bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200. + Giám sát, điều khiển hệ thống thông qua giao di ện SCADA tốt.
+ Thực hiện việc mô phỏng chiết rót chai tự động đạt năng suất 10 chai/phút.
5.2 Hạn chế
Do thời gian làm đề tài ,kiến thức còn hạn hẹp nên đề tài có một số điểm hạn chế sau: + Chưa thiết kế được mô hình thực tế
+ Chưa thể tự động hóa 100% hệ thống.
+ Thể tích nước rót vào chai chưa đạt được độ chính xác cao.
+ Cảm biến dễ bị nhiễu, thời gian đáp ứng chậm dấn đến sai sót trong điều khiển. + Khâu phân loại chất lượng sản phẩm đầu ra chưa hoan thiện
5.3 Hướng phát triển
Để đề tài được hoàn thiện hơn, nhóm đưa ra một số hướng phát triển như sau:
+ Nghiên cứu thiết kế cơ khí để có thể làm được mô hình thực tế + Sử dụng cảm biến có độ chính xác cao để giảm thiểu tối đa sai sót. + Nghiên cứu và thiết kế cơ cấu kiểm tra chất lượng sản phẩm đầu ra.
LỜI KẾT
Trên đây là toàn bộ hệ thống chiết nước đóng nắp chai nước mà chúng em đã thiết kế, tính toán, xây dựng để làm đề tài đồ án tốt nghiệp. Trong quá trình làm đồ án chúng em cũng gặp nhiều khó khăn và đã được Thầy Nguyến Tuấn Phường tận tâm chỉ bảo, hướng dẫn, em xin 1 lần nữa cảm ơn thầy.
Do là trình bày đồ án không có mô hình thực tế, cũng như do thời gian và kiến thức còn hàn chế nên không tránh khỏi thiết sót chúng em rất mong nhận được sự thông cảm cũng như là các ý kiến đóng góp, chỉ bảo của các Thầy, Cô và Hội Đồng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Trần Văn Hiếu, Thiết kế hệ thống HMI/SCADA với TIA Portal, NXB Khoa học vàk ỹ thuật, 2019.
2. Trần Văn Hiếu, Tự động hóa PLC S7 -1200 với TIA Portal, NXB Khoa học vàk ỹ thuật, 2015.
3. http//www.plcvietnam.com.vn 4. http//www.automation.siemens.com
PHỤ LỤC I : SỐ LIỆU ĐẦU VÀO TỐT NGHIỆP
-Nội dung đề tài : THIẾT KẾ HỆ THÓNG ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THÓNG ĐÓNG NẮP CHAI TỰ ĐỘNG
-Sử dụng loại chai nhựa, vặn xoay, tốc độ 10 chai/phút -Nội dung bản thuyết minh:
+ Công nghệ của hệ thống đóng nắp chai tự động
+Thiết kế hệ thống động lực cho hệ thống đóng nắp chai +Thiết kế điều khiển cho hệ thống đóng nắp chai
+Thuật toán điều khiển ,chương trình và mô phỏng hệ thống
PHỤ LỤC II : CHƯƠNG TRÌNH, BẢN VẼ CƠ KHÍ, MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Chương trình chính Main bao gồm: Điều khiển động cơ băng tải đưa chai vào, băng tải đưa chai ra và mâm xoay. Khi nhấn nút Start tác động mức 1, hệ thống sẽ khởi động và được duy trì liên tục khi nhả nút Start về mức 0. Khi nhấn nút Start hệ thống sẽ dừng.
-Các chương trình con: +Chế độ auto
+Khối mô phỏng :