Chương 3 : TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ
3.2.2 Thiết kế phần cứng
Phần cơ khí
Sau đây là bản vẽ của mơ hình của hệ thống nhưng để đáp ứng đúng và đủ với yêu cầu ban đầu đặt ra của nhóm đã lượt bỏ bớt phần dán nhãn.
Hình 3.1 Bản vẽ mơ hình của hệ thống Bố trí tủ điện Bố trí tủ điện
Sơ đồ bố trí thiết bị trong tủ điện: - 1 là CB - 2 là PLC S7-1200 - 3 là Module SM 1223 - 4 là nguồn tổ ong - 5 là Relay - 6 là cần đấu dây 2 tầng 3.2.3. Sơ đồ khối hệ thống
Đây là sơ đồ tổng thể tất cả các khối chức năng trong hệ thống.
Hình 3.3 Sơ đồ tổng thể hệ thống Chức năng các khối: 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 CB, nguồn tổ ong, bình khí nén và nguồn điện 24V một chiều giúp cung cấp điện áp ni cho PLC chính, module mở rộng, các cảm biến, các đèn báo, buzzer, các van khí nén, động cơ bước.
Khối xử lý trung tâm và các module mở rộng: 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 tốn xử lý xuất tín hiệu ra các chân Output để điều khiển các động cơ, van khí nén, đèn tín hiệu... Ngồi 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 khí nén: điều khiển các xylanh.
Khối động cơ, van điện từ: Động cơ cho các băng tải, động cơ bước. Van điện từ đảm nhiệm việc rót sơn vào lon sơn.
Xylanh: Tạo ra các chuyển động, đảm nhận việc cấp lon, cấp nắp, đóng nắp, đẩy lon và cơ cấu trộn và đẩy lon ra.
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.
3.2.4. Sơ đồ kết nối
Bảng 3.1 Bảng địa chỉ ngõ vào/ra PLC và ký hiệu các thiết bị sử dụng
Module Địa chỉ Ký hiệu Thiết bị Relay điều
khiển
CPU 1212C DC/DC/DC
I0.0 S1 Cảm biến lưu lượng 1 (đỏ) I0.1 S2 Cảm biến lưu lượng 2 (trắng) I0.2 S3 Cảm biến lưu lượng 3 (vàng) I0.3 S4 Cảm biến lưu lượng 4 (xanh)
I0.4 B1 Nút nhấn START
I0.5 B2 Nút nhấn STOP
I0.6 B3 Nút nhấn RESUME
I0.7 B4 Nút nhấn PAUSE
Q0.0 Chân phát xung PTO
Q0.1 Chân điều hường PIR
Q0.2 V1 Van điện từ nước 1 (đỏ) K1
Q0.3 V2 Van điện từ nước 2 (trắng) K2
Q0.5 V4 Van điện từ nước 4 (xanh) K4
SM 1223 8DI/8DO
I8.0 B5 Nút nhất Emergency Stop
I8.1 S5 Cảm biến phát hiện 1 (vị trí chiết rót)
I8.2 S6 Cảm biến phát hiện 2 (vị trí đóng nắp)
I8.3 S7 Cảm biến phát hiện 3 (vị trí trộn sơn)
Q8.0 M1 Động cơ băng tải chính K5
Q8.1 M2 Động cơ băng tải phụ K6
Q8.2 D1 Đèn báo Start Q8.3 D2 Đèn báo Stop Q8.4 D3 Đèn báo Pause Q8.5 D4 Đèn báo hoàn tất Q8.6 D5 Cịi báo hồn tất SM 1223 8DI/8DO Q12.0 X1 Xylanh cấp lon Q12.1 X2 Xylanh cấp nắp Q12.2 X3 Xylanh đóng nắp
Q12.3 X4 Xylanh đẩy lon vào cơ cấu trộn Q12.4 X5 Xylanh đẩy lon ra cơ cấu trộn
Sơ đồ mạch động lực
Hình 3.4 Sơ đồ mạch động lực 24VDC
Sơ đồ kết nối PLC
Hình 3.6 Sơ đồ kết nối module SM 1223 8DI/8DO (a)
Hình 3.8 Sơ đồ kết nối nguồn cấp khí với xy lanh
3.2.5. Lưu đồ giải thuật
3.2.6. Giải thuật chiết rót sơn.
Với yêu cầu đề tài đề ra mỗi lon sơn chứa thể tích 110ml dung dịch sơn đảm bảo độ đồng đều về màu sắc, chính xác về tỉ lệ với sai số nhỏ nhất có thể. Nhóm đã đưa ra giải pháp :
Sử dụng cảm biến lưu lượng đọc thể tích dịng chảy bằng cách dùng High Speed Counter đọc số xung trả về từ cảm biến.
Dùng cơng thức tính lưu lượng dịng chảy để xử lý tỷ lệ xung lẻ sau khi chia giảm thiểu mức độ sai số từ giới hạn của khả năng đọc xung từ cảm biến lưu lượng.
Cơng thức tính lưu lượng dịng chảy: [27]
𝑄 = 𝐴. 𝑣 (l/s) Với: A : Tiết diện ống
v : Tốc độ dòng chảy
Đường kính ống dẫn sơn: 4mm
Chiều cao từ đáy bể đến mặt đất: 0.5m Gia tốc trọng trường: 9.81m/s2
𝑄 = 𝜋 ∗ 0.0022∗ √2 ∗ 9.81.0.5 = 39.3 𝑚𝑙/𝑠
Theo tốc độ dịng chảy được tính tốn, dựa theo thể tích mỗi xung đếm của cảm biến lưu lượng, sau khi đếm đủ số xung chẳn, phần lẻ của xung sẽ được quy đổi thành thời gian delay để đóng ngắt van.
3.2.7. Giải thuật cấp và đóng nắp
Ở đề tài lần này nhóm đưa ra giải pháp cấp nắp như sau: sử dụng 1 xy lanh để đẩy nắp vào vị trí miệng lon, vào sử dụng xy lanh để tạo lực ép chặt lên nắp.
3.2.8. Giải thuật trộn sơn
Kết hợp với cơ cấu chiết rót và đóng nắp, nhóm đưa ra giải pháp trộn sơn sau q trình đóng nắp. Sau khi lon sơn đã được rót đầy đủ thể tích tỉ lệ màu cần thiết và đóng nắp, hệ thống sẽ chuyển bước đến giai đoạn trộn sơn.
Sử dụng động cơ servo quay đủ số xung đã cài trước để hoàn thành lần quay, đảm bảo vị trí đúng để cho các xy lanh đẩy lon ra, đẩy lon vào hoạt động được chuẩn.
Lựa chọn thiết bị trong mơ hình
3.3.1. Cảm biến lưu lượng
Dựa trên cơ sở tính tốn giải tḥt chiết rót – chọn cảm biến lưu lượng sau.
Tên cảm biến: Cảm biến lưu lượng YF-S201
Thương hiệu: YIFA
Mục đích: Đo lượng sơn chảy xuống lon ở khâu chiết rót.
Khi nước chảy qua van cảm biến làm động cơ quay dẫn đến sự thay đổi trạng thái đầu ra của cảm biến Hall, đầu ra tín hiệu xung.
Hình 3.13 Hoạt động của cảm biến lưu lượng
Hình 3.14 Cảm biến lưu lượng YF-S201 - Thông số kỹ thuật: - 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: - Đen: GND
- Đỏ: VCC
- Vàng: Tín hiệu ra của Hall sensor
Trong đó:
Q: Lưu lượng nước
F: Tần số tín hiệu đầu ra (Hz) 7.5: Hằng số
Ví dụ: 1 lít nước sẽ có cơng thức: 1𝑥7.5𝑥60 = 450 xung => 1 xung = 2.22ml Như vậy để chiết rót 110ml sơn cần 50 xung với chính xác 99.1%. [28]
3.3.2. Cảm biến vật cản hồng ngoại
Tên cảm biến: Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4
Thương hiệu: OMDHON
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 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.
Hình 3.15 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4
Thông số kỹ thuật:
+ Nguồn điện cung cấp: 6 ~ 36VDC. + Khoảng cách phát hiện: 5 ~ 30cm.
+ Dịng 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 [29]
3.3.3. Van điện từ nước
Hình 3.16 Van điện từ nước UNI-D UW15
Tên thiết bị: Van điện từ nước UNI-D UW15
Thương hiệu: Uni-D
Mục đích: Đóng ngắt van chảy sơn ở khâu chiết rót.
Thông số kỹ thuật:
+ Nhiệt độ thiết kế: 5 đến 80°c + Áp suất làm việc: 0 đến 7kgf/cm² + Chất liệu: Đồng thau, inox 304 + Port size: 3/4" inch
+ Đường kính: 15mm
+ Kiểu kết nối với đường ống: Kiểu ren + Kiểu tác động: Tác động trực tiếp + Trạng thái của van: Van thường đóng + Nguồn điện sử dụng: 24VDC [30]
3.3.4. Van điện từ Airtac
Hình 3.17 Van điện từ Airtac 4V210-08
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 đóng 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. [31]
3.3.5. Xylanh trịn PVN
Hình 3.18 Xylanh trịn PVN Pneumatic Equipment
Mục đích: Đẩy lon vào trong hộp lắc Thông số kĩ thuật: + Kích thước cổng: ren 9,6mm (1/8”) + Áp suất: 0.1~1Mpa(1~9kg) + Nhiệt độ: - 20~70 oC [32] 3.3.6. Động cơ giảm tốc
Tên thiết bị: Động cơ giảm tốc Tsukasa TG-85E-CH-77-D919
Thương hiệu: Tsukasa
Mục đích: Động cơ quay băng tải chính và động cơ băng tải cấp nắp.
Hình 3.19 Động cơ giảm tốc Tsukasa TG-85E-CH-77-D919
Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp định mức: 24VDC. + Điện áp làm việc: 12V - 24VDC. + Dòng điện khi khơng tải: 100mA. + Dịng điện khi có tải là: 500mA. + Tốc độ khi khơng tải:134 vịng/phút. + Tốc độ khi có tải: 83 vịng/phút. + Tỉ lệ giảm tốc:1/40.
+ Momen định mức: 7,5 kgf.cm. + Momen xoắn tối đa: 13 kgf.cm. + Công suất tiêu thụ: 12W. [33]
3.3.7. Động cơ bước
Ở khâu trộn sơn, để thỏa yêu cầu quay chính xác số vịng quay và kéo tải khoảng 500g thì nhóm chúng em quyết định chọn động cơ bước size 42 loại 17HS8401 để dùng cho khâu trộn sơn.
Hình 3.20 Động cơ bước size 42 loại 17HS8401
Thông số kỹ thuật: + Điện áp làm việc: 12V - 24VDC. + Dòng điện: 1.5A. + Góc bước: 1.80 + Số dây: 4 dây. + Momen xoắn: 0.48 Nm. + Số pha: 2. [34]
Thiết bị trong tủ điện
3.4.1. PLC (Programmable Logic Controller)
Tên thiết bị: SIMATIC S7-1200, CPU 1212C DC/DC/DC (compact CPU)
Thương hiệu: Simens
Mục đích: Lưu trữ hệ điều hành, chương trình ứng dụng, là nơi diễn ra q trình
tính tốn xử lý thơng tin theo thuật toán điều khiển đã được cài đặt bởi người lập trình.
Thơng số kĩ thuật:
+ Điện áp nguồn cấp: 24VDC + 8 ngõ vào số, 6 ngõ ra số
+ 2 ngõ vào tương tự, 0 ngõ ra tương tự + Có thể mở rộng thêm 2 module tín hiệu SM
3.4.2. Module mở rộng
Module S7-1200 SM 1223 8DI/8DO
Hình 3.22 Module mở rộng 8DO/8DI
Tên thiết bị: Mô đun SIMATIC S7-1200 DIGITAL INPUT SM 1223 8DI /8DO
24V, RELAY 2A (6ES7223-1BH32-0XB0).
Mục đích: Mở rộng ngõ vào và ra để đáp ứng nhu cầu sử dụng của hệ thống.
Thương hiệu: Simens.
Hình 3.23 Bộ nguồn
Tên thiết bị: Bộ nguồn Meanwell SP-200-24
Mục đích: Chuyển nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều để cung cấp cho
CPU, các module mở rộng và các thiết bị cảm biến.
Thông số kĩ thuật:
+ Điện áp ngõ ra DC: 24V + Dòng ngõ ra DC: 0~8.4A + Công suất: 200W
+ Điện áp ngõ vào AC: 85~264VAC + Hiệu suất: 83%
+ Phương thức làm mát: được làm mát bằng quạt DC [35]
3.4.4. Driver
Để động cơ bước hoạt động một cách ổn định và có thể điều chỉnh được tốc đồ thì nhóm đã sử dụng driver TB6600. Đây là driver điều khiển động cơ bước chuyên nghiệp dễ sử dụng, có thể điều khiển động cơ bước hai pha, hỗ trợ kiểm sốt tốc độ và hướng. Có thể thiết lập vi bước và dịng ra của nó bằng cơng tắc 6 DIP…Và tất cả các đầu cuối tín hiệu đều áp dụng cách ly optocoupler tốc độ cao, tăng cường khả năng chống nhiễu tần số cao. Dưới đây là thơng số cơ bản và hình ảnh của driver.
- Thông số kỹ thuật:
+ Nguồn đầu vào: 9 ~ 42 VDC + Dòng cấp tối đa: 4 A
+ Kích thước: 96x71x37 mm [36]
3.4.5. Relay
Hình 3.25 Relay LY2NJ
Tên thiết bị: Relay LY2NJ
Thương hiệu: CNAOM
Mục đích: sử dụng để điều khiển hoạt động của các van điện từ nước và động cơ
quay băng tải, động cơ trộn, động cơ băng tải cấp nắp.
Thông số kĩ thuật:
+ Nguồn cuộn dây: 24VDC
+ Nguồn của các tiếp điểm: 240VAC 10A/ 28VDC 10A + Nhiệt độ vận hành: - 400C – 500C
+ Kiểu đầu nối: chân hàn
+ Tiếp điểm: 2 cặp (NO+NC) [37]
3.4.6. 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
Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
Thi công phần cứng hệ thống
4.1.1. Bộ phận 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.
Hình 4.1 Bộ phận cấp lon
4.1.2. Bộ phận chiết rót
Bộ phận này là bộ phận chính quan trọng nhất hệ thống, địi 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 tốn dựa trên chương trình PLC để dung lượng được chiết rót ra là chính xác nhất.
Hệ thống chiết rót trong cơng nghiệp sử dụng đồng hồ đo lưu lượng (flow meter) để đảm bảo độ chính xác tuyệt đối. Tuy nhiên giá thành của đồng hồ đo lưu lượng khá đắt nên nhóm em sử dụng cảm biến lưu lượng YF-S201 để thay thế.
Hình 4.2 Bộ phận chiết rót trong mơ hình
4.1.3. Bộ phận cấp và đóng nắp
Sau khi bộ phận chiết rót đã hồn thành nhiệm vụ, lon sơn được băng tải chuyển đến vị trí đóng nắp. Bộ phận đóng nắp bao gồm các cơ cấu xy lanh:
- Xy lanh cấp nắp: đưa nắp vào vị trí lon, để đóng nắp.