3.2.1 Phân tích chức năng
3.2.1.1 Van nước điện từ
• Khái niệm: Là một thiết bị cơ điện, dùng để kiểm soát các dòng chảy chất khí hoặc lỏng dựa vào nguyên lý chặn đóng mở do lực tác động của cuộn dây điện từ
• Nguyên lý hoạt động: Có một cuộn dây điện, trong đó có một lõi sắt và một lò xo nén vào lõi sắt. Trong khi đó, lõi sắt lại tỳ lên đầu một giăng bằng cao su. Bình thường nếu không có điện thì lò xo sẽ ép vào lõi sắt, van sẽ ở trạng thái đóng. Nếu chúng ta tiếp điện, tức là cho dòng điện chạy qua, cuộn dậy sinh từ trường sẽ tác động làm hút lõi sắt ra, Từ trường này có lực đủ mạnh để thắng được lực lò xo, lúc này van sẽ mở ra.
34
Hình 3.14: Cấu tạo van nước điện từ 1: Thân van Đồng hoặc inox. 6: Dây điện. 2: Môi chất: Chất lỏng hay khí. 7: Trục van. 3: Ống rỗng: Lưu chất chưa qua. 8: Lò xo.
4: Vỏ ngoài: Bảo vệ cuộn điện. 9: Khe hở để lưu chất đi qua.
5: Cuộn từ.
3.2.1.2 Cảm biến lưu lượng
Khái niệm: là cảm biến để đo lưu lượng chất lưu chảy qua tiết diện ngang của ống trong một đơn vị thời gian
• Nguyên lý hoạt động: Sử dụng cảm biến hall, bên trong còn có cánh quạt, khi có dòng nước chảy qua làm cho cánh quạt quay, cảm biến hall sẽ đưa ra tín hiệu xung, dựa vào tần số của xung đưa ra ta có thể xác định được tốc độ dòng chảy.
• Công thức tính lưu lượng nước:
𝑄 = 𝐹
98 (3.5)
Trong đó:
F: Tần số tín hiệu đầu ra(Hz). Q: Lưu lượng nước(lít/phút).
❖ Dựa trên cơ sở tính toán giải thuật chiết rót – chọn cảm biến lưu lượng sau.
− Tên cảm biến: Cảm biến lưu lượng YF-S201
35
− Mục đích: Đo lượng sơn chảy xuống lon ở khâu chiết rót.
− Tính năng: Chất liệu băng nhựa bên trong có cánh quạt nước và cảm
biến hall. Khi nước chảy qua van cảm biến làm động cơ quay dẫn đến sự thay
đổi - Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp làm việc: 5-24V
+ Dòng điện tối đa:15mA (Với đầu vào 5V)
+ Loại đầu ra: 5V TTL
+ Trọng lượng :43g
+ Giới hạn lưu lượng: 1-30 lít/phút.
+ Nhiệt độ làm việc :0-80 độ C
+ Độ chính xác :90%
+ Ký hiệu dây cảm biến:
36
Hình 3.16: Cảm biến lưu lượng YF-S201
3.2.1.3 Cảm biến quang khuếch tán
● Khái niệm: Cảm biến Quang nói một cách nôm na, thực chất chúng là do các linh kiện quang điện tạo thành. Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của cảm biến quang, chúng sẽ thay đổi tính chất. Tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot (Cathode) khi có một lượng ánh sáng chiếu vào.
Hiện nay, có các loại cảm biến quang như: - Cảm biến quang thu phát
- Cảm biến quang phản xạ gương - Cảm biến quang khuếch tán
❖ Cảm biến quang sử dụng trong mô hình
− Tên cảm biến: Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4
− Thương hiệu: OMDHON
- Đen: GND
- Đỏ: VCC
- Vàng: Tín hiệu ra của Hall sensor
37
− Mục đích: Nhận biết vị trí của lon, dừng băng tải khi cảm biến phát hiện
lon đã đến vị trí của các khâu.
− Tính năng: Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 dùng ánh sáng
hồng ngoại để xác định khoảng cách tới vật cản cho độ phản hồi nhanh và rất ít nhiễu do sử dụng mắt nhận và phát tia hồng ngoại theo tần số riêng biệt. Cảm biến có thể chỉnh khoảng cách báo mong muốn thông qua biến trở, ngõ ra cảm biến ở dạng cực thu hở nên cần thêm 1 trở treo lên nguồn ở chân output khi sử dụng.
− Thông số kỹ thuật:
+ Nguồn điện cung cấp: 6 ~ 36VDC. + Khoảng cách phát hiện: 5 ~ 30cm.
+ Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở. + Dòng kích ngõ ra: 300mA.
+ Ngõ ra dạng NPN cực thu hở giúp tùy biến được điện áp ngõ ra, trở treo lên áp bao nhiêu sẽ tạo thành điện áp ngõ ra bấy nhiêu.
+ Chất liệu sản phẩm: nhựa. + Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ. + Kích thước: 1.8cm (D) x 7.0cm (L). + Sơ đồ dây: + Xanh dương: GND + Nâu: VCC supply + Đen: Tín hiệu ra 3.2.1.4 Van điện từ
• Khái niệm: Van điện từ là thiết bị điều khiển điện cơ, được vận hành và điều chỉnh thông qua tác dụng lực của điện từ
38
• Cấu tạo van điện từ: Van điện từ bao gồm các bộ phận sau đây: - Thân van: Làm bằng đồng, inox hoặc nhựa.
- Môi chất: Khí (khí nén, gas,..) hoặc chất lỏng (nước, dầu). - Ống rỗng có tác dụng bảo vệ lõi cuộn dây điện.
- Vỏ ngoài cuộn hút. - Cuộn từ.
- Trục van. - Lò xo.
• Nguyên lý hoạt động:
Bên trong mỗi chiếc van điện từ đều có 1 cuộn lõi dây điện quấn quanh một lõi sắt và một lò xo nén giữ lõi sắt này. Mặt khác, chiếc lõi sắt được giữ dưới lớp gioăng cao su. Trong trường hợp không có dòng điện chạy qua thì lò xo giãn ép vào lõi sắt đẩy cửa van đóng.
Khi có dòng điện chạy qua cuộn lõi dây, cuộn dây bị nhiễm từ sản sinh ra từ trường tạo thành lực hút lõi sắt, lực từ trường đủ lớn để thắng làm giãn lò xo và làm cửa van mở.
• Phân loại van điện từ: Phân loại theo chức năng:
- Van thường đóng (NC).
39 - Van thường mở (NO).
Phân loại theo điện áp: - Van điện từ 220VAC. - Van điện từ 110VAC. - Van điện từ 24VDC.
❖ Van điện từ sử dụng trong mô hình
− Tên thiết bị: Van điện từ Airtac 4V210-08 (Van 5/2)
− Thương hiệu: Airtac
− Mục đích: dùng để đóng mở đường dẫn của khí nén và điều chỉnh
hướng của khí nén, từ đó điều khiển hoạt động của xylanh dập nắp
− Thông số kĩ thuật:
+ Điện áp: 24VDC
+ Kích thước cổng: 1/4''.(ren 13). + kích thước cổng xả: 1/8" (ren 9.6). + Áp suất hoạt động: 0.15 - 0.8 MPa.
+ Loại van hơi 5 cửa 2 vị trí. (1 đầu coil điện) + Hãng sản xuất: AIRTAC (Đài Loan)
+ Dòng series 4V200 có 3 loại như sau: + Nhiệt độ hoạt động: -20~70oC.
Hình 3.20: Van điện từ Airtac 4V210-08
3.2.1.5 Van hút chân không dùng khí nén
−Tên thiết bị: Van hút chân không ZK08
40
−Mục đích: tạo chân không giúp hút nhả nắp và kéo lon từ trong hộp lắc
ra ngoài. −Thông số kĩ thuật: + Điện áp 24VDC + Kích thước cổng: ¼” (ren 13mm) + Áp suất: 0.1~1.16 Mpa) + Nhiệt độ hoạt động: 0~60oC
Hình 3.21: Van hút chân không ZK - 08
3.2.1.6 Nút nhấn tự phục hồi
Ứng dụng: Thường được lắp đặt ở mặt trước của tủ điện, nó dùng để đưa ra tín hiệu lệnh điều khiển. Van hút chân không dùng khí nén
Tín hiệu do nút nhấn tự phục hồi tạo ra có dạng xung
3.2.1.7 Relay trung gian
41
• Khái niệm: Relay trung gian là một kiểu nam châm điện có tích hợp thêm hệ thống các tiếp điểm. Relay trung gian còn được gọi là một công tắc chuyển
đổi hoạt động bằng điện. Gọi là một công tắc vì relay có hai trạng thái: đóng và mở. Relay ở trạng thái đóng hay mở phụ thuộc vào có dòng điện chạy qua relay hay không
• Cấu tạo của relay trung gian
Thiết bị nam châm điện này gồm có lõi thép động, lõi thép tĩnh và cuộn dây. Cuộn dây bên trong có thể là cuộn cường độ, cuộn điện áp, hoặc cả cuộn điện áp và cuộn cường độ. Lõi thép động được găng bởi lò xo cùng định vị bằng một vít điều chỉnh. Cơ chế tiếp điểm bao gôm tiếp điểm nghịch và tiếp điểm thuận.
• Nguyên lý hoạt động
Khi có dòng điện chạy qua rơ le, dòng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên trong và tạo ra một từ trường hút. Từ trường hút này tác động lên một đòn bảy bên trong làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện và như thế sẽ làm thay đổi trạng thái của relay. Số tiếp điểm điện bị thay đổi có thể là một hoặc nhiều tùy vào thiết kế.
42
Relay có hai mạch độc lập nhau hoạt động. Một mạch là để điểu khiển cuộn dây của relay: cho dòng chạy qua cuộn dây hay không, hay có nghĩa là điều khiển relay ở trạng thái mở hay đóng. Một mạch điều khiển dòng điện ta cần kiểm soát có qua được relay hay không dựa vào trạng thái “mở - đóng” của relay.
❖ Lựa chọn relay dùng trong hệ thống
− Tên thiết bị: Relay MK2P-I 24VDC
− Thương hiệu: Omron
− Mục đích: sử dụng để điều khiển hoạt động của các van điện từ nước
và động cơ quay băng tải, động cơ trộn.
− Thông số kĩ thuật:
+ Nguồn cuộn dây: 24VDC 0A
+ Nguồn của các tiếp điểm: 250VAC 10A/ VDC 10A + Nhiệt độ vận hành: - 400C – 700C
+ Kiểu đầu nối: chân hàn + Tiếp điểm: SPDT (NO+NC)
Hình 3.24: Relay Omron MK2P-I
43
• Khái niệm: Nguồn xung (hay là nguồn tổ ong) là bộ nguồn có tác dụng biến đổi điện áp xoay chiều sang nguồn điện một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung. Điện áp mà nguồn xung tạo ra thường là 5V, 9V, 12V, 24V,…
• Ưu điểm của nguồn xung: Giá thành rẻ, gọn nhẹ, dễ tích hợp cho các thiết bị nhỏ gọn, hiệu suất chuyển đổi cao.
• Nhược điểm: Kỹ thuật chế tạo phức tap, thiết kế đòi hỏi kĩ thuật cao, việc sửa chữa khó khăn nếu không nắm vững nguyên lý hoạt động của nguồn. Ngoài ra tuổi thọ của nguồn tổ ong thường không cao do cấu tạo chủ yếu từ các linh kiện bán dẫn.
3.2.1.9 Cầu đấu dây 2 tầng
− Tên thiết bị: Cầu đấu 12 cực TB1512 domino 12p15A
− Thương hiệu: TB series
− Mục đích: sử dụng để kết nối các đầu cuối của các thiết bị điện để tạo
ra một mạch điện. − Thông số kĩ thuật: − Điện áp định mức: 600V − Dòng điện định mức: 15A − Kích thước: 15A - 12P: 125mm x 22mm x 17.5 mm Hình 3.25: Nguồn xung
44
Hình 3.26: Cầu đấu dây 2 tầng
3.2.1.10 PLC S7-1200
❖ Tên thiết bị: SIMATIC S7-1200, CPU 1214C – 6ES7214-1AG40-
0XB0
- Thương hiệu: Simens
- Mục đích: Lưu trữ hệ điều hành, chương trình ứng dụng, là
nơi diễn ra quá trình tính toán xử lý thông tin theo thuật toán điều khiển đã được cài đặt bởi người lập trình.
- Thông số kĩ thuật:
• Điện áp nguồn cấp: 24VDC • 14 ngõ vào số, 10 ngõ ra số
45
46
3.2.1.11 Module S7-1200 SM 1222 16 DO Relay
- Tên thiết bị: Mô đun SIMATIC S7-1200, DIGITAL OUTPUT
SM 1222, 16 DO RELAY (6ES7222-1HH30-0XB0).
- Mục đích: Mở rộng ngõ ra để đáp ứng nhu cầu sử dụng của hệ
thống.
- Thương hiệu: Simens
3.2.2 Thiết kế tủ điện
Yêu cầu thiết kế: Các thiết bị trong tủ điện được sắp xếp ngăn nắp, dễ dàng bảo trì hay sửa chữa trong trường hợp xảy ra sự cố.
47
Hình 3.30: Tủ điện
3.3 Thiết kế tích hợp hệ thống điều khiển và giám sát ứng dụng PLC- S7400 3.3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển 3.3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển
3.3.1.1 Thiết kế giao diện SCADA
a. Giao diện Log in
Sử dụng tính năng User Administration trong WINCC Professional 3 nhằm thiết lập bảo vệ truy cập cho dữ liệu và chức năng ở chế độ Runtime.
❖Thao tác trong giao diện:
- Log in: đăng nhập vào hệ thống. Có 2 quyền đăng nhập vào hệ thống: + Quyền ADMIN: có tất cả các quyền bao gồm chọn màu sơn, số lượng, điều khiển các nút nhấn và sử dụng chức năng thêm mã màu mới.
+ Quyền User: không thể thực hiện chức năng thêm màu mới.
- Activated: khóa các chức năng khi chưa đăng nhập và kích hoạt các chức năng sau khi đăng nhập.
- Color: chuyển đến giao diện chọn màu sơn và số lượng. - Data: chuyển đến giao diện dữ liệu màu.
- Exit: Thoát khỏi chế độ Runtime
48
Giao diện này cung cấp cho người dùng một bảng màu với 73 màu sắc có tỉ lệ pha trộn khác nhau. Nhấn chọn vào từng màu trên bảng màu sẽ hiển thị được tỉ lệ pha màu trong bảng setting, nhập vào số lượng lon, nhấn Confirm, sau đó chuyển đến giao diện vận hành.
❖Thao tác trong giao diện:
- Chọn 1 trong 73 màu có trong bảng màu. - Nhập số lượng lon vào ô Quantity.
- Nếu số lượng nhập vào bằng 0, sẽ có thông báo yêu cầu nhập lại.
- Nếu số lượng lớn hơn 0, sẽ có thông báo xác nhận lần cuối và tự động chuyển đến giao diện vận hành.
- Data: chuyển đến giao diện màu.
- Operation: chuyển đến giao diện vận hành. a. Giao diện chọn màu và số lượng lon
Giao diện thể hiện tỉ lệ phần trăm của các màu đỏ, vàng, xanh dương và trắng của từng mã màu sử dụng trong mô hình. Có thể thêm màu mới với tỉ lệ mới, yêu cầu tổng bốn tỉ lệ của bốn màu phải bằng 100%, nếu không sẽ hiển thị cảnh báo. Màu mới sẽ được hiển thị trong bảng Setting của giao diện chọn màu.
❖Thao tác trong giao diện:
- Chọn New để thêm vào mã màu mới - Nhập vào tỉ lệ mong muốn
- Nhấn Add để thêm vào bảng. Nếu tỉ lệ sai sẽ hiển thị hộp thoại cảnh báo.
- Nhấn Clear để xóa màu vừa được thêm vào.
c) Giao diện điều khiển
Đây là giao diện chính của mô hình, chứa tất cả các tùy chọn trong điều khiển giám sát hệ thống. Từ màn hình giám sát có thể quan sát được mô hình đang hoạt động như thế nào, điều khiển hệ thống thông qua các nút nhấn trên màn hình, tùy chọn các màn hình quản lý sản xuất, cảnh báo lỗi.
49
- Home, Select Color, Data: Trở về giao diện Log in, giao diện chọn
màu, giao diện dữ liệu
- Exit: Thoát khỏi chế độ Runtime
- Status: Thể hiện trạng thái các đèn Progress, Stop, Pause, EMO
- Control Panel: Các nút nhấn điều khiển hệ thống ON, OFF, PAUSE,
RESUME, EMO
- PROGRESS: Thể hiện mã màu đang sản xuất, số lượng đặt, số lon
hiện tại đã hoàn thành xong.
- Volume Tank: thể tích sơn hiện tại của các bể.
Để vận hành hệ thống, nhấn chọn biểu tượng Color để chọn màu sắc, số lượng lon muốn sản xuất, nhấn Start để bắt đầu quá trình.
3.4 Thi công hệ thống
3.4.1 Thi công hệ thống cơ khí 3.4.1.1 Bộ phần cấp lon 3.4.1.1 Bộ phần cấp lon
Bộ phận này được thiết kế đơn giản để tối ưu chi phí, nên nhóm em đã thiết kế một ống hình trụ dài làm nơi chứa lon và một xylanh đẩy để làm nhiệm vụ cấp lon ra băng tải.
50
3.4.1.2 Bộ phần chiết rót
Bộ phận này là bộ phận chính quan trọng nhất hệ thống, đòi hỏi tính chính xác cao vì thế nhóm chúng em đã thống nhất thiết kế đo lưu lượng thông qua cảm biến và rót trực tiếp ra lon.
Định lượng bằng cách chiết theo tổng số xung của cảm biến lưu lượng YF- S201: đóng ngắt van điện từ cho lượng sơn chảy vào lon dựa trên số xung đếm được, có thể xem như lưu lượng chất lỏng chảy là không đổi, 1 xung bằng 2,25ml. Đây cũng chính là nhược điểm của cảm biến, vì thế nhóm em đã tính