a) Khối xử lý màu sắc
❖ Nhận biết màu sắc sản phẩm.
Sử dụng cảm biến màu sắc TCS3200 để nhận biết màu sắc của sản phẩm.
Trên thị trường có nhiều loại cảm biến màu khác nhau như TCS34725, TCS230, TCS3200…
Em chọn cảm biến màu TCS3200 để nhận biết màu cho sản phẩm. Như đã đề cập ở chương 2, sơ đồ nối dây giữa cảm biến màu TCS3200 với Arduino như sau:
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối cảm biến màu TCS 3200
Quá trình hoạt động của cảm biến TCS 3200:
Ánh sáng trắng là hỗn hợp rất nhiều ánh sáng có bước sóng màu sắc khác nhau, cảm biến ánh sáng hoạt động bằng cách chiếu ánh sáng trắng vào một vật thể và sau đó ghi lại màu phản xạ.[7]
Khi ta chiếu ánh sáng trắng vào một vật thể bất kì, tại bề mặt vật thể sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ và phản xạ ánh sáng. Dựa trên nguyên lý sự phản xạ, hấp thụ ánh sáng trắng của vật thể và sự phối trộn màu sắc bởi 3 màu cơ bản Blue, Green, Red thì TCS3200 có cấu tạo là 4 bộ lọc photodiode Blue, Green, Red và clear để nhận biết màu sắc vật thể. [7]
❖ Xử lý màu sắc
Khối xử lý màu sắc dùng để nhận dữ liệu và xử lý màu sắc đọc từ cảm biến màu TCS3200, sau đó điều khiển khối công suất làm ngõ vào cho PLC. [7]
Có rất nhiều thiết bị, module, IC công suất khác nhau để điều khiển, thực hiện điều khiển các thiết bị công suất như Arduino, Arm, Rasbperry…[7]
Từ những yêu cầu trên thì quyết định chọn Arduino Uno R3 vừa đáp ứng đủ các ngõ I/O để điều khiển vừa tiết kiệm chi phí nhưng vẫn đáp ứng đủ hiệu năng. [7]
Do module đã tích hợp sẳn chip nạp và nguồn chúng ta chỉ cần cắm cáp USB hay cấp nguồn Vin vào là có thể hoạt động bình thường. [7]
dRơ le opto.
Mạch 1 Relay Opto chọn mức kích High/Low (5/12/24VDC) được sử dụng để bật, tắt thiết bị AC/DC qua Relay, mạch có thể tùy chọn kích bằng mức cao hoặc thấp (High/Low) – ( 0 hoặc 1 ) qua Jumper, ngoài ra mạch còn bổ sung thêm Opto cách ly cho độ an toàn và chống nhiễu vượt trội.
Hình 3.4 Module relay 5V DC
Hình 3.5 Sơ đồ chân của Relay 5v
Ứng Dụng:
Dùng dòng điện nhỏ của vi điều khiển, Arduino, PLC để điều khiển các thiết bị điện, đồ dùng điện hoạt động ở mức điện áp cao từ 0-30v DC, 0-250v DC như điện sinh hoạt.
Thông Số Kỹ Thuật:
1. Kích thước: 43mm*17.3mm*17mm (Dài* Rộng* Cao). 2. Điện áp sử dụng: có ba loại 5/12/24VDC.
3. Dòng tiêu thụ: khoảng 200mA /1Relay
4. Tín hiệu kích: Tùy chọn mức cao High (5/12/24VDC theo loại Relay) hoặc thấp Low (0VDC) qua Jumper..
5. Opto cách li, chống nhiễu tốt. 6. Có đèn báo đóng ngắt trên Relay.
7. Tiếp điểm đóng ngắt Relay trên mạch: Max 250VAC-10A hoặc 30VDC- 10A
8. Đầu ra điện thê đóng ngắt tối đa: DC 30V/10A, AC 250V/10A. 9. IN1: Tín hiệu đầu vào, hoạt động mức thấp.
10. NO1: Công tắc thường mở.
Kết nối với Arduino và TCS3200:
Kết nối với PLC:
Hình 3.7 Sơ đồ kết nối với PLC
b) Khối cảm biến vật cản hồng ngoại
Cảm biến vật cản hồng ngoại có khả năng nhận biết vật cản ở môi trường với một cặp LED thu phát hồng ngoại để truyền và nhận dữ liệu hồng ngoại. Tia hồng ngoại phát ra với tần số nhất định, khi có vật cản trên đường truyền của LED phát nó sẽ phản xạ vào LED thu hồng ngoại, khi đó LED báo vật cản trên module sẽ sáng, khi không có vật cản, LED sẽ tắt. Hiện nay trên thị trường có khá nhiều cảm biến vật cản hồng ngoại như E3F - DS30C4, E18 - D50NK, TCRT5000 FC - 123, E18 – D80NK…và theo yêu cầu của đề tài nên em chọn cảm biến E3F – DS30C1 để phục vụ cho đề tài.[6]
Vì tín hiện ra của cảm biến vật cản sẽ đưa về ngõ vào của PLC để xử lý cùng với đó vì cảm biến E3F-DS30C1 là loại cảm biến NPN nên khi được kích tín hiệu đưa ra sẽ xuống mức 0V nên em sẽ nối chân L+ với 1M trên PLC để có thể kích được mức thấp đưa vào PLC. Dưới đây là mạch giao tiếp giữa cảm biến E3F-DS30C1 với PLC và sơ đồ chân.[6]
Hình 3.9 Mạch giao tiếp giữa cảm biến E3F-DS30C1 với PLC
c) Khối động cơ, băng tải
Khối động cơ, băng tải sẽ thực hiện việc chuyển sản phẩm cần phân loại đến vị trí của cảm biến màu và thực hiện phân loại màu trên hệ thống. Do giới hạn của hệ thống chỉ là mô hình nhỏ nên em sử dụng động cơ DC với điện áp 24V.
Động cơ được điều khiển bởi PLC và được kết nối với ngõ vào PLC như sau:
Hình 3.10. Sơ đồ kết nối động cơ với PLC
d) Khối van điện từ, khí nén
❖ Xilanh khí nén
Hệ thống điều khiển khí nén sẽ thực hiện nhiệm vụ đưa sản phẩm ra khỏi băng tải để hoàn thành việc phân loại. Hệ thống sẽ gồm 2 phần chính là xi lanh và van điện từ.
Xi lanh khí nén là dạng cơ cấu vận hành có chức năng biến đổi năng lượng tích lũy trong khí nén thành động năng cung cấp cho các chuyển động. Xi lanh khí nén hay còn được gọi là pen khí nén là các thiết bị cơ học tạo ra lực, thường kết hợp với chuyển động, và được cung cấp bởi khí nén (lấy từ máy nén khí thông thường). [9]
Hình 3.11 Cấu tạo xilanh khí nén
Để thực hiện chức năng của mình, xi lanh khí nén truyền một lực bằng cách chuyển năng lượng tiềm năng của khí nén vào động năng. Điều này đạt được bởi khí nén có khả năng nở rộng, không có đầu vào năng lượng bên ngoài, mà chính nó xảy ra do áp lực được thiết lập bởi khí nén đang ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển. Sự giãn nở không khí này làm cho piston di chuyển theo hướng mong muốn.
Một khi được kích hoạt, không khí nén vào trong ống ở một đầu của piston và do đó, truyền tải lực trên piston. Do đó, piston sẽ di dời (di chuyển) bằng khí nén. [9]
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại xi lanh với kích thước và công dụng khác nhau như xi lanh vuông, xi lanh tròn, xi lanh kẹp, xi lanh compact, xi lanh xoay, xi lanh trượt… Với yêu cầu của đề tài em quyết định chọn 2 xi lanh để sử dụng. [9]
❖ Van khí nén
Để xi lanh hoạt động được thì ta cần có van điện từ để điều khiển hành trình của pittong.
Van điện từ còn được gọi với cái tên solenoid valve. Đây là một thiết bị cơ điện, dùng để kiểm soát dòng chảy chất khí hoặc lỏng dựa vào nguyên lí chặn đóng mở do lực tác động của cuộn dây điện từ.[8]
Hình 3.13 Van điện từ
Đối với van điện từ thì tùy vào loại xi lanh mà chúng ta có cách chọn cho phù hợp riêng với xi lanh mà em chọn thì có các loại van 4/2, 5/2 hoặc 5/3 với một hoặc hai đầu cuộn dây. Và em chọn 2 van 5/2 một đầu cuộn dây để thực hiện điều khiển.
Hình 3.14 Van điện từ 5/2
Để điều khiển được hành trình của pittong xi lanh thì ta sẽ điều khiển các cuộn dây của van điện từ thông qua PLC. Dưới đây là sơ đồ kết nối các cuộn dây của van với ngõ ra PLC:
Hình 3.15 Sơ đồ kết nối của van điện từ 5/2 với PLC
❖ Rơ le trung gian
Được cấu tạo từ nam châm điện và hệ thống các tiếp điểm đóng cắt, với thiết kế nhỏ gọn, module hóa, dễ dàng lắp đặt và thay thế. Ngày nay rơ le trung gian được dùng rất nhiều trong ngành điện tử, đặc biệt là tích hợp trong các tủ điện, tủ điều khiển và hệ thống máy móc công nghiệp.
Trong thực tế bộ rơ le trung gian gồm nhiều tiếp điểm và hoạt động với các mức điện áp khác nhau, tùy theo nhu cầu sử dụng mà khách hàng có thể lựa chọn:
- Mức hoạt động phổ biến trong môi trường công nghiệp là 5v, 12v, 24v (DC) và 220v AC.
- Với 1 loại tiếp điểm, 2 tiếp điểm, 4 tiếp điểm người ta thường quy chuẩn ra chân như rơ le 8 chân, 14 chân …
- Tất cả các thông số kỹ thuật, sơ đồ kết nối được kèm theo catalog hay được khắc trực tiếp lên thiết bị, thân thiện cho mọi người có thể lắp đặt, kiểm tra sau này. Chỉ cần 1 cặp tiếp điểm thường mở là điều khiển được 1 van, nhưng em chọn 3 rơ le trung gian loại 14 chân để thực hiện đề tài này phòng trường hợp hỏng cặp tiếp điểm thì có thể thay thế ngay được.
e) Khối xử lý trung tâm
Khối xử lý trung tâm sẽ thực hiện lấy tín hiện từ khối cảm biến màu sắc, các cảm biến vật cản để xử lý và xuất tín hiệu điều khiển ra các van điện từ để phân loại sản phẩm. Ở đây khối xử lý trung tâm chính là PLC S7 – 1200. Ở phân khúc 1200 thì có các dòng 1211, 1212, 1214, 1215… Mỗi dòng có số cổng I/O khác nhau. Ở đây em sử dụng 8 ngõ vào và 4 ngõ ra thì có 2 loại thông dụng phù hợp đó là S7-1200 CPU 1212 (8DI/6DO) hoặc CPU 1214 (14DI/10DO). Và cuối cùng thì em chọn PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC cho thoải mái đầu vào/ra.[2]
Hình 3.17 PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC
f) Khối nguồn
Đối với khối nguồn do ở đây chúng ta cần nguồn 24 VDC để cấp cho khối xử lý trung tâm nên cần dùng bộ chuyển đổi nguồn tổ ong 24 VDC.
Hình 3.19 Nguồn 24 VDC
Ngoài ra ,hệ thống còn sử dụng mạch giảm áp LM2596 để hạ 24v xuống để đáp ứng các thiết bị arduino,TCS3200,….
Mạch giảm áp DC nhỏ gọn có khả năng giảm áp từ 30v xuống 1.5v mà vẫn đạt hiểu quả cao.Công suất 15W và dòng tối đa 3A