3.4.1 PLC
PLC là từ viết tắt của “Programmable logic controller” được dịch sang tiếng việt là bộ điều khiển logic khả trình, hay được gọi là bộ điều khiển lập trình. PLC cho phép sử dụng linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình để thực hiện các sự kiện theo một quy trình. Trong thực tế, chúng ta có thể hiểu PLC như một cụm các relay được tập hợp, thu nhỏ lại và được nâng cấp, thông minh hơn (smart relay). Ngôn ngữ lập trình PLC rất phong phú và đa dạng, tuy nhiên phổ biến nhất là ladder, state logic, C.
PLC được nhiều hãng chế tạo, và mỗi hãng có nhiều họ khác nhau, và có nhiều phiên bản trong mỗi họ, chúng khác nhau về tính năng và giá thành, phù hợp với bài toán đơn giản hay phức tạp. Ngoài ra còn có các bộ ghép mở rộng cho phép ghép nhiều bộ PLC nhỏ để thực hiện các chức năng phức tạp, hay giao tiếp với máy tính tạo thành một mạng tích hợp, việc thực hiện theo dõi, kiểm tra, điều khiển một quá trình công nghệ phức tạp hay toàn bộ một phân xưởng sản xuất. [8]
a. Cấu tạo của PLC
Hình 3.8 Cấu tạo của PLC
Trái tim của hệ thống PLC là CPU (Central Processing Unit “Bộ xử lý trung tâm”). Nó được tạo thành từ một thành phần điều khiển và bộ xử lý. Bộ điều khiển CPU quản lý sự tương tác giữa các thành phần phần cứng
PLC khác nhau trong khi bộ xử lý CPU xử lý tất cả việc xử lý số và thực thi chương trình (ví dụ: ladder logic).
Luồng dữ liệu là từ các thiết bị đầu vào (input devices), qua bộ xử lý CPU (CPU processor) và sau đó đến các thiết bị đầu ra (output devices). Bộ xử lý CPU cũng trao đổi dữ liệu với chương trình và bộ nhớ dữ liệu (program & data memory). Khi tất cả dữ liệu được thu thập, chương trình được xử lý theo kiểu tuần hoàn. Dữ liệu kết quả xuất đến giao diện đầu ra để điều chỉnh và thực thi điều khiển các thiết bị đầu ra.
CPU cũng kiểm soát và trao đổi dữ liệu với giao diện truyền thông (communication interface) và các thiết bị khác.
Một hệ thống giải quyết (addressing system) được sử dụng để tổ chức dữ liệu được chia sẻ giữa các thành phần phần cứng khác nhau.
Một thiết bị đầu cuối lập trình (programming terminal) được sử dụng để viết chương trình PLC, tải chương trình vào bộ điều khiển và giám sát/điều khiển PLC và chương trình của nó.
Bộ nguồn (power supply) chịu trách nhiệm cung cấp và quản lý các yêu cầu năng lượng cho các thành phần phần cứng PLC khác nhau.
b. Nguyên lí hoạt động
PLC nhận thông tin từ các cảm biến được kết nối hoặc thiết bị đầu vào, xử lí dữ liệu và kích hoạt đầu ra dựa trên các tham số được lập trình sẵn. Tùy thuộc vào đầu vào và đầu ra, PLC có thể giám sát và ghi lại dữ liệu thời gian chạy như năng suất máy hoặc nhiệt độ trong quá trình vận hành, tự động khởi động và dừng quá trình, tạo báo động nếu máy gặp trục trặc và hơn thế nữa. Bộ điều khiển logic khả trình là một giải pháp điều khiển linh hoạt và mạnh mẽ, có thể thích ứng với hầu hết mọi ứng dụng. [8]
Hình 3.9 Nguyên lý hoạt động của PLC
c. Ưu nhược điểm của PLC
Ưu điểm:
PLC dễ dàng tạo luồng ra và chương trình PLC dễ dàng thay đổi và sửa chữa.
Các tín hiệu đưa ra từ bộ PLC có độ tin cậy cao hơn so với các tín hiệu được cấp từ bộ điều khiển bằng rơle.
Phần mềm lập trình PLC dễ sử dụng
Không như máy tính, PLC có mục đích thực hiện nhanh các chức năng điều khiển, chứ không phải mang mục đích làm dụng cụ để thực hiện đa chức năng.
Thực hiện nối trực tiếp.
Dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống.
Tuổi thọ là bán- vĩnh cửu: vì đây là hệ chuyển mạch không tiếp điểm nên độ tin cậy cao, tuổi thọ lâu hơn so với rơle có tiếp điểm.
Nhược điểm:
Do chưa tiêu chuẩn hoá nên mỗi công ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngôn ngữ lập trình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất toàn cục về hợp thức hoá.
Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá của một bộ PLC đắt hơn khi sử dụng bằng phương pháp rơle.
d. Ứng dụng của PLC
Bộ lập trình PLC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực, nhiều loại máy móc như: máy in, máy đóng gói, máy đánh sợi, máy se chỉ, máy chế biến thực phẩm, máy cắt tốc độ cao, hệ thống phân bổ giám sát trong dây chuyền sản xuất, bơm, xử lý nước thải, giám sát năng lượng, hệ thống điện, dây chuyền đóng gói.
Dùng trong công nghệ điều khiển cánh tay robot: ví dụ như gắp phôi từ băng tải bỏ qua bàn gia công của máy CNC, hay điều khiển robot đưa đổ vật liệu vào băng tải, hoặc thực hiện các việc đóng hộp, dán tem nhãn…
Ngoài ra, người ta còn sử dụng PLC trong các ứng dụng giám sát các quá trình trong các nhà máy mạ, các dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử trong các nhà máy, dây chuyền kiểm tra chất lượng sản phẩm… bằng các công tắc hành trình hoặc các cảm biến.
3.4.2 Van khí nén a. Khái niệm a. Khái niệm
Trong lĩnh vực tự động cơ khí hóa, van khí nén dược sử dụng để tạo ra một dòng chảy tự động thông qua việc đóng và mở van. Van khí nén (pneumatic valve) sử dụng khí nén làm cho nó mở hoặc đóng khi nén hoặc giải phóng. Cho dù nó mở hay đóng phụ thuộc vào thiết kế cơ khí của van cụ thể trong ứng dụng sử dụng nó.
b. Phân loại
Cấu tạo của van 3/2 tương đối giống 2/2 khi có thân van và coil điện. Thân van sẽ có 2 vị trí truyền động và 3 cửa: cửa cấp khí nén vào, cửa khí nén làm việc, cửa xả khí nén.
Nguyên lí: Khi dòng điện được đi vào van, coil điện sinh ra từ trường tạo lực để tác động đến thân van làm đảo chiều. Cửa khí 1 của van sẽ thông với cửa số 2, cửa số 3 bị chặn lại và dòng khí đi qua cửa van số 1, lên cửa 2 và qua van. Khi ngắt điện, trong vòng 1-2s, van sẽ trở về trạng thái ban đầu.
Van 5/2
- Cấu tạo: 1 cửa đưa khí vào, 2 cửa khí xả, 2 cửa khí làm việc kết nối với 2 cửa khí xi lanh và 2 vị trí truyền động
Hình 3.10 Trước và sau khi cấp khí nén [9]
Nguyên lí: Ở trạng thái bình thường có nghĩa khí nén không được đi qua van, các cửa 1 thông cửa số 2, cửa số 3 đóng, cửa 4 thông với cửa số 5.
Khi cấp nguồn điện 12v, 24v hoặc 110v, 220v thì lập tức cửa 1 thông với cửa số 4, cửa số 2 thông với cửa số 3, cửa số 5 bị đóng, khí sẽ đi qua van đến xi lanh.
Với loại van 5/2 một đầu điện, khi ta cấp điện thì van sẽ đảo chiều, ngưng cấp thì van sẽ về nguyên trạng thái ban đầu. Với loại van điện từ khí nén 5/2 có hai đầu điện thì khi ta cấp điện ở 1 đầu, ty xilanh sẽ đi ra. Nếu cấp điện ở đầu số 2, ty của xi lanh khí sẽ rút về nhanh chóng.
3.4.3 Bộ xử lý trung tâm
Lựa chọn PLC là tối ưu nhất với hệ thống cho việc lập trình điều khiển, giám sát hệ thống chính xác và hiệu quả. Bộ điều khiển PLC có rất nhiều hãng phải nói đến như dòng Mitsubishi, Rockwell, Siemens, … Đối với dòng siemens thì cũng có rất nhiều loại phải kể đến như S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200, S7-1500.
Với đề tài này, nhóm sử dụng 4 nút nhấn, 3 cảm biến quang, 5 relay tương ứng cho động cơ, đèn báo tín hiệu, van khí nén.
3.4.4 Nguồn cấp cho hệ thống
Các thiết bị trong hệ thống sử dụng nguồn 24VDC để hoạt động, tuy nhiên điện sử dụng là điện lưới 220VAC. Do PLC, động cơ giảm tốc, đèn tín hiệu sử dụng trong hệ thống đều là 24VDC nên nhóm sử dụng nguồn tổ ong 24VDC 5A cấp cho hệ thống hoạt động.
Hình 3.12 Nguồn tổ ong 24V 5A
Bảng 3. 1 Thông số kỹ thuật của PLC S7-1212C DC/DC/DC
Thông số kỹ thuật
Nguồn cấp 20.4-28.8VDC Số lượng ngõ vào 8 (DI) Số lượng ngõ ra 6 (DO) Số ngõ vào Analog Input 2 (AI) Giao tiếp truyền thông Ethernet Bộ nhớ dữ liệu 75 Kb
Bảng 3. 2 Thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong 24V 5A Thông số kỹ thuật Nguồn cấp 110 - 220VAC Tần số 50-60 (Hz) Nguồn ra 24V Dòng ra 5A Công suất 120W
3.4.5 Động cơ băng tải
Trong mô hình, vì sử dụng truyền động băng tải dây đai và không yêu cầu tải trọng lớn nên không cần động cơ có công suất lớn. Với yêu cầu khá đơn giản của băng tải như là :
- Băng tải chạy liên tục, có thể dừng khi cần.
- Không đòi hỏi độ chính xác, tải trọng băng tải nhẹ. - Dễ điều khiển, giá thành rẻ.
Vì vậy chỉ cần sử dùng loại động cơ 1 chiều có công suất nhỏ, khoảng 20 – 40W, điện áp vào là 12 - 24 V.
Động cơ DC giảm tốc có cấu tạo bằng kim loại cho độ bền và độ ổn định cao, được sử dụng trong các mô hình robot, xe, thuyền,..., hộp giảm tốc của động cơ có nhiều tỉ số truyền giúp bạn dễ dàng lựa chọn giữa lực kéo và tốc độ (lực kéo càng lớn thì tốc độ càng chậm và ngược lại), động cơ sử dụng nguyên liệu chất lượng cao (lõi dây đồng nguyên chất, lá thép 407, vòng tiếp xúc niken, nam châm từ tính mạnh,...) cho sức mạnh và độ bền vượt trội hơn các loại giá rẻ trên thị trường hiện nay (sử dụng lõi dây nhôm, nam châm từ tính yếu) , động cơ có thể làm viêc hàng giờ mà không lo nóng hoặc cháy.
Hình 3.13 Motor giảm tốc LK0226
Bảng 3. 3 Thông số kỹ thuật của động cơ giảm tốc
Thông số kỹ thuật Điện áp định mức: DC 24V Dòng không tải: 120mA
Tốc độ không tải: 60 vòng / phút Điện áp: 24V Tốc độ 60 vòng/phút Trọng lượng 245 gram
3.4.6 Xi lanh khí nén
Do sản phẩm nhẹ, không nặng và dạng hình hộp nên nhóm sử dụng xilanh khí nén TN10X40S dạng kép để đẩy sản phẩm dễ dàng hơn.
Hình 3.14 Xilanh khí nén TN10X40S
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của xilanh khí nén TN10X40S
Thông số kỹ thuật
Phương pháp tác động Tác động kép Hành trình 40 mm
Độ dày 10 mm
Vận tốc tối đa 200 mm/s Áp suất tối đa 0.15 MPa
3.4.7 Cảm biến quang
Để nhận diện vị trí sản phẩm cũng như giúp các xilanh đẩy chính xác sản phẩm thì nhóm sử dụng cảm biến quang để nhận biết sản phẩm. Do PLC sử dụng ngõ vào sourcing (cấp dòng) và khoảng cách cần phát hiện từ cảm biến đến sản phẩm ngắn, nến nhóm lựa chọn cảm biến quang dạng NPN E3F-DS30C4.
Hình 3.15 Cảm biến quang NPN E3F-DS30C4
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của cảm biến quang NPN E3F-DS30C4
Thông số kỹ thuật
Kích thước đường kính 18 mm Điện áp làm việc 6-36VDC
Loại NPN
Khoảng cách phát hiện 60-300 mm Điều chỉnh khoảng cách Biến trở
3.4.8 Van khí nén 5/2
Hệ thống dùng 2 xilanh khí nén nhẹ tối đa 0.15 MPa, nên nhóm sử dụng cụm van điện từ khí nén AIRTAC 4V210-08 với ngõ vào 24V.
Hình 3.16 Van điện từ khí nén AIRTAC 4V 210-08
Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật van điện từ khí nén AIRTAC 4V210-08
Thông số kỹ thuật
Loại Van 5/2
Áp suất 0.15-0.8 MPa
Xuất xứ Đài Loan
3.4.9 Camera Webcam 1080P và Camera OPPO A73
Hệ thống sử dụng hai camera, một camera để thu nhận màu sắc sản phẩm, một camera để thu nhận barcode. Do đó để nhận diện màu sắc sản phẩm nhóm sử dụng camera Webcam 1080P, để nhận diện mã barcode nhóm sử dụng camera của điện thoại Oppo A73.
Hình 3.17 Camera Webcam 1080P
Bảng 3.7 Camera Webcam 1080P
Thông số kỹ thuật
Độ phân giải HD (1920 x 1080 pixels) Camera 3Mpx (30 FPS) Điều khiển chớp mắt 50Hz
Kết nối USB
Camera nhận diện barcode cần độ làm nét cao để việc thu nhận ảnh dễ dàng, do đó nhóm tận dụng camera có sẵn trên diện thoại Oppo A73 cũng như để tiết kiệm chi phí, sau đó sử dụng phần mềm Droid Cam Client để biến camera trên điện thoại thành camera rời phục vụ cho nhu cầu quét mã barcode của hệ thống.
Hình 3.18 Camera điện thoại Oppo A73
Bảng 3.8 Thông số kỹ thuật của camera Oppo A73
Thông số kỹ thuật
Độ phân giải 640 x 480 pixels Camera 13Mpx (30FPS)
Góc quay 78 độ
Kết nối Wifi
3.4.10 Thiết kế băng tải
Băng tải là một cơ chế hoặc một máy có thể vận chuyển một tải đơn (thùng carton, hộp, túi,…) hoặc trong mô hình là các hộp sản phẩm có màu sắc khác nhau từ một điểm A đến điểm B.
Hình 3.19 Cấu tạo băng tải
Khung băng tải có nhiệm vụ nâng đỡ, gia cố, cố định băng tải và là nơi để gắn các bộ phận khác như động cơ chuyền động, dây băng tải, con lăn kéo.
Kích thước: 60×10×6
Chất liệu: Nhựa Mika
Số con lăn: 2
Số đế băng tải: 2
3.4.11 Các thiết bị hỗ trợ khác
Relay trung gian:
Để đảm bảo tính an toàn cho các thiết bị, bảo vệ bộ điều khiển, dễ dàng điều khiển và phân chia nguồn kết nối cho thiết bị, thiết bị khi gặp sự cố có thể cách ly giữa bộ điều khiển và thiết bị, nhóm sử dụng relay làm thiết bị trung gian giữa bộ điều khiển và phần thiết bị hệ thống. Các relay trung gian làm nhiệm vụ nhận tín hiệu đóng/ngắt từ bộ điều khiển. Sau đó tiến hành đóng/ngắt tiếp điểm để cấp điện hoặc ngắt điện cho thiết bị chấp hành. Relay phải đáp ứng nhanh, tiếp điểm chịu được điện áp, dòng lớn
Nhóm chọn loại Relay MY2N Omron 24VDC 2 cặp tiếp điểm (1 thường đóng và 1 thường hở, 8 chân), đảm bảo đủ số lượng tiếp điểm cần sử dụng, điện áp hoạt động phù hợp với điện áp ngõ ra bộ điều khiển.
Hình 3.21 Relay MY2NJ Omron 24VDC
Bảng 3.9 Thông số cơ bản của Relay
Thông số kỹ thuật
Điện áp cuộn dây 24 VDC Số tiếp điểm thường đóng 2 Số tiếp điểm thường hở 2
Số chân 8
MCB
Để có thể tự động cắt điện khi gặp sự cố quá tải, ngắn mạch, cũng như bảo vệ an toàn cho người và thiết bị điện. Nhóm sử dụng MCB làm thiết bị đóng cắt. Với hệ thống này, nhóm sử dụng MCB Vanlock PS45N-C20.
Hình 3.22 MCB Vanlock PS45N-C20.
Nút Start, Stop, Emergency
Để bật và tắt hệ thống sử dụng hai nút nhấn Start và Stop, khi hệ thống gặp sự cố khẩn cấp, nhóm sử dụng thiết bị LA38/203-209B làm nút bật và tắt hệ thống, PBCY090-LAY37 làm nút nhấn dừng khẩn cấp.
Hình 3.23 Nút bật tắt hệ thống
Bảng 3. 10 Thông số cơ bản của nút bật tắt hệ thống
Thông số kỹ thuật
Điện áp định mức 440V Dòng điện 10A
Chất liệu Nhựa, kim loại Nắp kính đường 22mm 22mm
Nhiệt độ làm việc -5 độ - 50 độ C Số lượng NC 1
Hình 3.24 Nút dừng khẩn cấp
Bảng 3. 11 Thông số cơ bản của nút dừng khẩn cấp
Thông số kỹ thuật
Điện áp định mức 660V Dòng điện 10A
Chất liệu Nhựa, kim loại Nắp kính đường 22mm 22mm Kích thước 37x30x72 mm 37 x 30 x 72 mm
Số lượng NC 1 Số lượng NO 1
Đèn Start, Stop:
Để báo hiệu cho người dùng trạng thái của hệ thống, nhom sử dụng đèn Start, Stop nguồn 24V AD16-22DS
Hình 3.25 Đèn báo Stop (bên trái) và Start (bên phải)
Bảng 3.12 Thông số cơ bản đèn Stop, Start
Thông số kỹ thuật Điện áp 24V Dòng tải <20mA Màu Đỏ và Xanh Đường kính lỗ phi 22 mm Chiều cao 51 mm