CHƯƠNG 3 : TÍNH CHỌN THIẾT KẾ
3.3 Mơ hình tổng thể
Dưới đây là bảng liệt kê các thiết bị phần cứng được sử dụng trong mơ hình:
Bảng 3.1 Liệt kê các thiết bị
Thiết bị Số lượng
Động cơ DC 3
Băng tải 1
Rơle 2
Khung sườn và ly nhựa
Phiểu liệu 3 Xilanh 2 chiều 4 Van khí 5/2 4 Nguồn 1 PLC S7-1200 1 Tomino 1 Switch 1 Nút nhấn có đèn 6 Chức năng của các bộ phận:
- Băng tải đóng vai trị nền tảng cho việc di chuyển ly từ đầu cho đến cuối quá trình - Cảm biến xác định vị trí của sản phẩm trên băng tải
- Động cơ DC dùng để bơm nước và khuấy liệu
- Các role trung gian quyết định đầu ra cho các thiết bị
- Khung sườn giúp cố định và tạo hình dạng cố định cho mơ hình.Ly nhựa dùng đựng CF
- PLC lập trình điều khiển hệ thống
- Phiểu dùng để chứa liệu, có thể thay đổi tùy vào lượng liệu - Nguồn tổ ong cấp nguồn cho hệ thống
- Xilanh 2 chiều dùng để xả liệu từ phiểu xuống ly - Van khí 5/2 dùng điều khiển xilanh
- Tomino dùng chia nguồn cho các thiết bị - Switch dùng cho việc chọn chế độ
- Nút nhấn có đèn dùng cho thao tác chọn: loại cf, start,stop
Hình 3-3 Mơ hình tổng thể 1
3.4 Giới thiệu từng thiết bị trong mơ hình
3.4.1 Khối PLC
Sử dụng PLC 1214C DC/DC/DC
Chức năng:
- Nhận tín hiệu từ các thành phần:
Cảm biến tiệm cận nhận biết sản phẩm. Tín hiệu từ HMI.
Tín hiệu từ nút nhấn.
- Xử lý và xuất tín hiệu điều khiển vào và đưa kết quả điều khiển tới các khối vận hành trong mơ hình. Thơng số kỹ thuật - DI: 14x24VDC - DQ: 10x24VDC 0.5A - AI: 2x10 BIT 0-10VDC - Version 3.0 3.4.2 Khối nguồn
- 24VDC đẩu ra cấp nguồn cho PLC
- Điện Áp Đầu Vào: AC 220V ( Chân L và N ) - Điện Áp Đầu Ra: DC 24V
- 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 - Bảo vệ quá tải
- Bảo vệ quá áp - Bảo vệ nhiệt độ cao
- Khả năng chống sốc: 10 ~ 500Hz, 2G 10min. / 1 chu kỳ - Nhiệt độ hoạt động và độ ẩm: -10 ℃ ~ + 60 ℃
- Nhiệt độ bảo quản, nhiệt độ: -20 ℃ ~ + 85 ℃ - Kích thước: 199 * 98 * 38mm
- Trọng lượng: 0.52Kg
- Tiêu chuẩn an toàn đáp ứng các yêu cầu của UL1012
3.4.3 Khối cảm biến
Cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4
- 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 thơng 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.
- Nguồn điện cung cấp: 6 ~ 36VDC. - Khoảng cách phát hiện: 5 ~ 30cm.
- Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở. - Dịng kích ngõ ra: 300mA.
- Ngõ ra dạng PNP 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:
Nâu: VCC. Đen: Ra tín hiệu. Xanh dương: GND
3.4.4 Khối băng tải và sản phẩm
Băng tải được kéo bằng động cơ DC 24V, trên băng tải có gắn cảm biến hồng ngoại để nhận biết sản phẩm, sản phẩm là ly nhựa hoặc thủy tinh (Xem hình 3-8).
Hình 3-8 Băng tải
3.4.5 Động cơ DC
Hình 3-9 Động cơ DC bơm nước
Thông số:
- Thương hiệu Sribo
- Chất liệu nhựa
- Điện áp DC 12v-24v
- Lưu Lượng nước 1.6L / min
- Nhiệt Độ hoạt động phạm vi 5 ~ 45 °C - Ổ phương pháp điện 3.4.6 Van khí 5/2 Hình 3-10 Van khí nén Airtac 5/2 Van khí nén Airtac 5/2 - Điện áp: DC 24V - Kích thước cửa khí: 1/4″
- Chất liệu thân van: nhôm
- Tiêu chuẩn coil điện: IP67
- Loại: 1 coil điện
3.4.7 Xilanh nén vng
Hình 3-11 Xilanh khí nén SDA
Cấu tạo của xy lanh khí nén SDA:
- Bao gồm: lỗ cấp khí vào, lỗ thốt khí ra, nịng, ty, gioăng, phốt, vỏ xy lanh, piston, đầu tác động
- Được làm bằng chất liệu tốt nên có thể chống được oxi hóa, chịu được các lực va đập nhẹ và các mơi trường có nhiệt độ cao.
- Là loại xy lanh 2 tác động, có đệm giảm chấn ở 2 đầu -Chức năng của xy lanh hơi SDA: có nhiệm vụ chuyển hóa năng lượng khí nén thành động năng. Nhờ vậy tạo ra sự chuyển động của piston tạo ra động năng thúc đẩy các thiết bị trong hệ thống hoạt động.
Thông số kỹ thuật của xy lanh hơi SDA: - Đường kính piston: 25,32,40 - Hành trình: 10,15 (mm)
- Áp suất hoạt động: 01~0.9 MPa - Vận tốc:30~500mm/s
3.4.8 Xilanh khí nén dài
Hình 3-12 Xilanh khí nén dài
Thơng số:
- Nhiệt độ chịu được : -50C ~ 700
- Áp suất chịu được : 1 ~ 9 Bar ( kg/cm2)
- Ø Pittông : 6
- Hành trình : 75 mm
3.4.9 Ống nhựa 21*60 ( phiểu đựng liệu)
3.4.10 Relay kiếng
Hình 3-14 Relay khiếng
Thơng số Relay kiếng, relay trung gian. - Điện áp: Relay kiếng loại 24VDC. - Tiếp điểm: Silver alloy.
- Nhiệt độ: 40 -55 độ C.
- Số lần đóng cắt: 100.000 lần. - Dòng định mức: 10A, hoặc 5A.
- Kiểu chân: Chân tròn, chân dẹp nhỏ, chân dẹp lớn 10A.
- Số chân: 14 chân dẹp nhỏ 5A, 14 chân dẹp lớn 10A, 8 chân dẹp nhỏ, 8 chân dẹp lớn 10A.
3.4.11 Terminal
3.4.12 Nút nhấn có đèn 24v
Hình 3-16 Nút nhấn có đèn
Thơng số kỹ thuật của nút nhấn có đèn:
- Model: AL6 - A
- Chất liệu: Nhựa
- Chiều dài của nút nhấn (chưa tính chân): 30mm
- Kích thước nút bấm: 15 x15 mm
- Màu sắc: xanh lá, đỏ, vàng
- Kiểu nút: Nhấn Giữ
- Số chân: 5 chân
- Điện áp - dòng điện tối đa:
30VDC - 5A
- Điện áp cung cấp: 24VDC
- Trạng thái: Có đèn
3.4.13 Switch
Thơng số:
- Cơng tắc xoay 3 vị trí gồm 2 tiếp điểm NO (thường mở) 2 bên - Đường kính ren: 22mm
- Chịu được dòng: 10A - Điện áp sử dụng: 24v
3.5 Nguyên lý hoạt động của hệ thống.
Quá trình đưa ra được ly cà phê gồm 4 bước:
Bước 1: thao tác chọn loại cà phê mong muốn thơng qua nút nhấn (Hình 3-18).
Hình 3-18 Thao tác 1
Bước 2: Đặt ly vào vị trí bắt đầu băng tải và ấn start (Hình 3-19).
Bước 3: Liệu sẽ được xả vào ly khi băng tải đưa ly vào vị trí loại cà phê mà ta đã chọn trước đó (Hình 3-20).
Hình 3-20 Thao tác 3
Bước 4: Sau khi xả liệu, băng tải đưa ly đến khâu xả nước nóng (Hình 3-21).
Bước 5: Sau khi xả nước sẽ đến khâu khuấy (Hình 3-22).
Hình 3-22 Thao tác 5
Trên đây là 5 bước thực hiện của mơ hình tương ứng với 4 khâu. Tùy vào cách lập trình và cái đặt thời gian khác nhau thì các khâu hoạt động khác nhau nhưng vẫn đảm bảo tuần tự.
3.6 Thiết kế giao diện WinCC và lập trình hệ thống
3.6.1 Lưu đồ điều khiển
Hình 3-23 Lưu đồ điều khiển
3.6.2 Thiết lập địa chỉ IP
Để kết nối PLC với máy tính ta cần thiết lập địa chỉ IP cho máy tính.
Bước 1: Vào Network and Sharing Center chọn Change adapter settings. Để tiến hành thực hiện cài đặt thiết lập các yêu cầu địa chỉ để kết nối giữa PLC với máy tính. Xem hình 3-24.
Hình 3-24 Thiết lập địa chỉ IP cho máy tính_1
Bước 2: Click phải vào Ethernet, chọn Ethernet Properties.
Sau đó chọn Internet Protocol Version 4 và nhập địa chỉ IP vào như hình 3-25.
Hình 3-25 Thiết lập địa chỉ IP cho máy tính_2
Địa chỉ IP có dạng 192.168.xx.yy, trong đó yy chọn giống với PLC, xx chọn khác với PLC.
Để xem địa chỉ IP của PLC, trong giao diện chính click chuột phải vào PLC chọn Properties, xem trong phần Ethernet addresses (Xem hình 3-26).
Hình 3-26 Thiết lập địa chỉ IP cho máy tính_3
3.6.3 Tạo Project mới
Bước 1: Từ màn hình chính máy tính chọn vào biểu tượng TIA Portal V16 (Hình 3-27).
Bước 2: Nhập tên dự án và địa chỉ lưu su đó chọn Create (Hình 3-28).
Hình 3-28 Tạo Project mới_2
3.7 Thiết kế giao diện Win CC
Bước 1: Chọn Devices and Network, add new device, chọn CPU 1214 DC/DC/DC, chọn đúng mã ghi trên nhãn PLC, sau đó chọn Add.
Bước 2: Sau khi add được PLC, tiếp theo là add PC station, sau đó chọn Add new device (Hình 3-30).
Hình 3-30 Thiết lập kết nối WinCC_2
Bước 3: Chọn IE genaral, chọn wincc RT advanced, ấn OK (Hình 3-31).
Bước 4: Thiết lập WIN CC và kết nối với PLC (Hình 3-32).
Hình 3-32 Thiết lập kết nối WinCC_4
Bước 5: Thiết lập connection và kết nối với PLC (Hình 3-33, hình 3-34).
Hình 3-34 Kiểm tra kết nối giữa WinCC và PLC_1
Việc kiểm tra kết nối là cần thiết để đảm bảo kết nối được với nhau. Mở PC station thiết lập Screens cho hệ thống (Hình 3-35).
Giao diện sreen (Hình 3-36).
Hình 3-36 Màn hình thiết kế giao diện WinCC
Thiết kế tạo giao diện trên screen và tạo hiệu ứng bằng cách set các thơng số cài đặt (Hình 3-37).
Set các cài đặt cho nút nhấn (Hình 3-39).
Hình 3-38 Setbit cho nút Start
Tạo hiệu ứng đổi màu (Hình 3-39).
Hình 3-40 Giao diện WinCC sau khi thiết kế
3.8 Lập trình điều khiển hệ thống
Trước khi bắt đầu lập trình ta cần kí hiệu các địa chỉ đầu vào ra cho PLC. Đầu vào:
Các cảm biến: Nhận tính hiệu khi ly di chuyển qua để báo về PLC để set các dịng chương trình.
Nút nhấn: Setbit khi có thao tác nhấn chọn nút nhấn để set các dịng chương trình trong PLC.
Đầu ra:
Các động cơ băng tải, bơm nước, khấy. Van điều khiển xilanh nén khí.
Relay: Nhiệm vụ làm trung gian bảo vệ các thiết bị đầu ra.
Bảng 3.2 Địa chỉ vào ra
Input Output
I0.0 START Q0.0 COI
I0.1 STOP Q0.1 BĂNG TẢI
I0.2 CB1 Q0.2 LIỆU 1
I0.3 CB2 Q0.3 LIỆU 2
I0.4 CB3 Q0.4 LIỆU 3
I0.5 CB4 Q0.5 ĐỘNG CƠ BƠM NƯỚC
I0.7 Q0.7 ĐÈN CF1
I1.0 NÚT ẤN CF1 Q1.0 ĐÈN ĐƯỜNG
I1.1 NÚT ẤN CF2 Q1.1 ĐÈN CF2
I1.2 RESET Q2.0 ĐÈN KHÔNG ĐƯỜNG
I1.3 NÚT ẤN ĐƯỜNG Q2.1 ĐÈN START
I1.4 NÚT ẤN KHÔNG ĐƯỜNG Q2.2 ĐÈN STOP
I1.5 SWITCH Q2.3 ĐỘNG CƠ KHUẤY
Giao diện viết chương trình để lập trình mơ hình. Cần sử dụng các thuật logic giữa các tập lệnh để lập trình theo yêu cầu tránh xung đột chương trình, gây lỗi bộ nhớ hoặc chương trình khơng hoạt động theo u cầu (Xem hình 3-41, 3-42).
Hình 3-41 Giao diện viết chương trình
CHƯƠNG 4: THI CƠNG LẬP TRÌNH KẾT NỐI
4.1 Thi cơng:
Sau khi tính tốn, thiết kế, chương này tiến hành thực hiện thi cơng và lập trình cho hệ thống.
Thi công: hệ thống được thi công bao gồm thi công phần cứng (lắp đặt) và thi công phần điện ( đấu nối)
- Về phần cứng: tiến hành lắp ráp các thiết bị vào mơ hình đã gia cơng trước đó. - Về phần điện: đấu nối các thiết bị đã lắp ráp vào mơ hình với nhau bằng dây điện
0.5mm, đấu nối DI, DO của plc và kí hiệu trên đường dây.
Lập trình: Chương trình được lập trình dựa vào nguyên lý hoạt động cũng như lưu đồ giải thuật của hệ thống từ khi cấp nguồn cho tới khi hệ thống dừng hoạt động. Tất cả các qui trình hoạt động của hệ thống đều phải bám sát theo giải thuật để mơ hình hoạt động một cách tối ưu nhất.
Thi cơng hệ thống:
Dưới đây là hình ảnh thực tế đã hồn thành của mơ hình máy pha cà phê tự động. Hiện mơ hình đã đáp ứng được yêu cầu của đề tài.
Thi công phần cứng:
- Lắp ráp băng tải và thanh khung định hình:
- Lắp ráp động cơ băng tải và cố định thanh chữ L, cố định khoảng cách hợp lý giữa các khâu.
Hình 4-2 Lắp ráp động cơ và thanh chữ L
Trong đó:
1: băng tải
2: các thanh chữ L
Lắp gá cảm biến và cảm biến vào vị trị cố định khoảng cách ở 1 bên băng tải. 1
2 2
Hình 4-3 Vị trí gắn gá cảm biến, cảm biến
Trong đó:
1: cảm biến 2: gá cảm biến
- Lắp ráp phiểu và xilanh khí nén, cố định bằng ốc vít và dây gút
Hình 4-4 Lắp đặt phiểu chứa liệu và xilanh
Trong đó:
1: xilanh khí nén 2: phiểu chứa liệu
1 2 2 1 2 2
- Tạo hộp nút nhất bằng bìa phơm để cố định nút nhấn:
Hình 4-5 Tạo hộp nút nhấn
Thi công phần điện:
- Để phần cứng hoạt động thì phần điện điều khiển đóng vai trị quyết định cho toàn bộ hệ thống. Các thao tác đấu nối các thiết bị điện với nhau đều phải chuẩn xác, nếu đấu sai có thể dẫn tới hư hỏng thiết bị hoặc khiến hệ thống gặp lỗi khi vận hành. Vì vậy việc thi cơng phần điện cần phải được thực hiện đấu nối qua sơ đồ trước, kiểm tra, đo thông mạch, tránh trường hợp chập cháy đáng tiếc. Trước khi tiến hành đấu nối, dựa trên nguyên lý hoạt động của các thiết bị, em đã tiến hành vẽ sơ đồ đấu nối trên phần mềm AutoCAD. Và việc đấu nối thực tế dựa trên sơ đồ này. Xem phụ lục 2.
Hình 4-6 Sơ đồ đấu nối
Bảng 4.1 Bảng mô tả một số ký hiệu của các thiết bị trên sơ đồ
Ký hiệu Địa chỉ Mô tả
N1 I0.0 Nút nhấn START N2 I0.1 Nút nhấn STOP N3 I1.0 Nút nhấn cf1 N4 I1.1 Nút nhấn cf2 N5 I1.3 Nút nhấn đường
N7 I1.5 Switch
N8 I1.2 Reset
C1 Q0.0 Cuộn coi relay 1 C2 Q0.0 Cuộn coi relay 2 1 Q0.1 Động cơ băng tải 2 Q0.2 Van liệu 1
3 Q0.3 Van liêu 2 4 Q0.4 Van liệu 3
5 Q0.5 Động cơ bơm nước
6 Q0.6 Van khuấy A Q0.7 Đèn báo nút nhấn N3 B Q1.0 Đèn báo nút nhấn N5 C Q1.1 Đèn báo nút nhấn N4 D Q2.0 Đèn báo nút nhấn N6 E Q2.1 Đèn báo nút nhấn N1 F Q2.2 Đèn báo nút nhấn N2 G Q2.3 Động cơ khuấy
- Sau khi hoàn chỉnh sơ đồ đấu nối, tiến hành đấu nối thực tế các thiết bị điện. Kết quả đấu nối thực tế được thể hiện qua hình ảnh dưới đây: