CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PLC
2.2 Giới thiệu thiết bị khác của mô hình
2.2.5 Mạch giảm áp
Mạch giảm áp DC LM2596 3A. Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V, Dòng đáp ứng tối đa là 3A, Công suất: 15W. Mạch giảm áp DC LM2596 3A nhỏ gọn có khả năng giảm áp từ 30V xuống 1.5V mà vẫn đạt hiệu suất cao (92%) . Thích hợp cho các ứng dụng chia nguồn, hạ áp, cấp cho các thiết bị như camera, motor, robot,…
Module có 2 đầu vào IN, OUT, 1 biến trở để chỉnh áp đầu ra. Khi cấp điện cho đầu vào (IN) thì người dùng vặn biến trở và dùng VOM để đo mức áp ở đầu ra (OUT) để đạt mức điện áp mà mình mong muốn. Điện áp đầu vào từ 4-35V, điện áp ra từ 1,25- 30V, dòng Max 3A, có thể cấp nguồn sử dụng tốt cho raspberry và module sim…
Thông số kĩ thuật:
- Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V.
- Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 30V.
- Dòng đáp ứng tối đa là 3A.
- Hiệu suất: 92%
- Công suất: 15W
- Kích thước: 45 (dài) × 20 (rộng) × 14 (cao) mm
2.2.6 Hệ thống xilanh:
Hình 2.16. Mạch giảm áp DC LM2596 3A
Đây là thiết bị cơ học còn có tên gọi khác là ben khí nén, vận hành bằng khí nén từ hệ thống máy nén khí. Xi lanh khí có vai trò tạo ra lực để chuyển đổi năng lượng có trong khí nén thành động năng để cung cấp cho các chuyển động.
Điều này có được là do sự chênh áp được thiết lập bởi khí nén được ở áp suất lớn hơn áp suất của khí quyển. Từ đó làm cho các pít tông của xi lanh chuyển động theo hướng mong muốn qua đó làm cho thiết bị bên ngoài hoạt động.
Có 2 loại xi lanh khí nén phổ biến:
- Xi lanh 1 chiều.
- Xi lanh 2 chiều.
Hình 2.18. Cấu tạo của xi lanh Thông số kĩ thuật của Xi lanh khí nén TN:
- Đường kính piston: 10,16,20,25,32,40 (mm).
- Hành trình: 10,20,30,40,50,60,70,75,80,90,100,125,150,175,200,250,300
- Cách thức hoạt động: Xilanh tác động kép
- Lưu chất hoạt động: Khí nén sạch
- Áp suất vận hành:1-9 kg/cm2
- Áp suất tối đa: 13 kg/cm2
- Nhiệt độ môi trường : -10 ~ 700C
- Tốc độ piston: 100 ~ 500mm/s
2.2.7 Mạch Relay 4 kênh:
Mạch 4 Relay Opto cách ly 5/12VDC (có hai loại 5VDC và 12VDC) thích hợp với các ứng dụng đóng ngắt tải AC hoặc DC, mạch có thiết kế nhỏ gọn, tích hợp opto và transistor cách ly, kích đóng bằng mức thấp (0VDC) phù hợp với mọi loại MCU và thiết kế có thể sử dụng nguồn ngoài giúp cho việc sử dụng trở nên thật linh động và dễ dàng.
Hình 2.19. Mạch Relay 4 kênh 5VDC Thông số kĩ thuật:
- Điện áp sử dụng: Có hai loại 5VDC và 12VDC
- Tín hiệu kích: mức thấp Low (GND 0VDC) Relay đóng, mức cao High
(VCC 5 hoặc 12VDC tùy loại) Relay ngắt.
- Mỗi Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA.
- Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A (Để an toàn
nên dùng cho tải có công suất <100W).
- Tích hợp Opto cách ly, Diod chống nhiễu và đèn báo tín hiệu kích.
NGUỒN
KHỐI CẢM
BIẾN KHỐI XỬ LÝMÀU SẮC
KHỐI BĂNG CHUYỀN
HỆ
THỐNG KHÍ NÉN KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
3.1 Giới thiệu mô hình:
Mô hình phân loại sẽ thực hiện nhận biết màu sắc của sản phẩm (đỏ, vàng, xanh) ở đầu vào sau đó truyền tín hiệu màu đã qua xử lý đến khối xử lý màu sắc để thực hiện tác vụ phân loại màu. Khối xử lý trung tâm sẻ thực hiện nhiệm vụ điều khiển các khối khác để phân loại sản phẩm. Trong suốt quá trình phân loại thì sự tác động của các xi lanh 2 ty.
3.2 Chức năng từng phần:
Xử lý màu sắc: xử lý tín hiệu nhận được từ cảm biến màu sắc và tạo ra tín hiệu đưa về PLC để thực hiện nhiệm vụ phân loại.
Phân loại sản phẩm: nhận các tín hiệu từ khối xử lý màu sắc và cảm biến để hệ thống khí nén xilanh thực hiện phân loại sản phẩm theo các yêu cầu mà mô hình đã đưa ra trước đó.
Khối xử lý màu sắc: có chức năng xử lý tín hiệu từ cảm biến màu sắc và gửi tín hiệu về khối xử lý trung tâm.
Khối cảm biến: bao gồm cảm biến màu sắc và cảm biến tiệm cận nhật biết vật. Có chức năng nhận biết màu sắc và nhận biết vật chạy trên băng tải.
Khối xử lý trung tâm: có chức năng nhận tín hiệu, xử lý thông tin và điều khiển các khối chức năng khác.
Khối băng chuyền: có chức năng đưa sản phẩm chạy trên băng tải đến các khối xử lý khác.
Hệ thống khí nén: có chức năng đẩy sản phẩm đã được phân loại ra khỏi băng tải đến nơi đã định sẵn.
Nguồn: có chức năng cung cấp nguồn cho hệ thống.
3.3 Thiết kế các khối:3.3.1 Khối cảm biến: 3.3.1 Khối cảm biến:
Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 NPN 6-36VDC, điện áp làm việc: DC 6- 36VDC. Khoảng cách phát hiện: 10-30cm có thể điều chỉnh.
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 – DS30C4 để phục vụ cho đề tài.
3.3.2 Khối xử lý màu sắc:
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến màu sắc khác nhau như TSC230 V1, TSC230 V2, TCS3200,... Em chọn cảm biến màu TCS3200 để sử dụng cho mô hình.
Khối xử lý màu sắc dùng để nhận dữ liệu và xử lý màu sắc cảm biến màu TCS3200, sau đó điều khiển khối công suất làm ngõ vào cho PLC.
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…
Từ những yêu cầu trên thì quyết định chọn Arduino Nano vừa đáp ứng đủ các ngõ I/O để điều khiển vừa tiết kiệm chi phí nhưng vẫn đáp ứng đủ hiệu năng.
Do module đã tích hợp sẳn chip nạp và nguồn chúng ta chỉ cần cắm cáp USB hay cấp nguồn Pin vào là có thể hoạt động bình thường.
3.3.3 Khối băng chuyền:
Khối bằng chuyền sẽ thực hiện việc chuyển sản phẩm cần phân loại đến vị trí của cảm biến và vị trí thực hiện phân loại 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 để phù hợp hơn cho mô hình. Động cơ dùng để kéo băng chuyền vận hành.
3.3.4 Hệ thống khí nén:
Hệ thống điều khiển khí nén sẽ thực hiện nhiệm vụ đưa sản phẩm ra khỏi băng tải đến vị trí 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). 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.
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. Đối với van điện từ thì tùy vào loại xi lanh mà chúng ta có cách chọn cho phù hợp.
Đối với van điện từ thì tùy vào loại xi lanh mà chúng ta có cách chọn cho phù hợp, van có các loại như sau: 2/2, 3/2, 4/2, 5/2, 5/3,... Và em chọn van 4/2 hai đầu cuộn dây để thực hiện điều khiển. 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. Việc đẩy xi lanh hay thu xi lanh về sẽ tùy thuộc vào việc chúng ta kích cuộn dây nào của van và việc chúng ta kết nối đường đi của dòng khí nén trên van với xi lanh.
3.3.5 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 em chọn là PLC S7 200 CPU 222. Ở phân khúc 200 thì có các dòng CPU222, CPU224, CPU 221, CPU226…mỗi dòng có số cổng I/O khác nhau. Ở đây em sử dụng S7 -200 CPU224 AC/DC/Rly với 8 ngõ vào và 6 ngõ ra.
Hình 3.2. PLC S7 200 CPU 222 AC/DC/RLY
3.3.6 Bộ nguồn:
Đối với khối nguồn do ở đây chúng ta vừa cần dùng nguồn AC và DC nên nguồn AC 220V chúng ta sẽ lấy trực tiếp từ lưới điện để cấp cho khối xử lý trung tâm.
Riêng về nguồn DC em sử dụng cho khối xử lý màu sắc và các ngoại vi của PLC.
• Khối xử lý màu sắc: ta chọn nguồn 5V để cung cấp cho khối xử lý màu sắc.
- Arduino Nano: 5V - TCS 3200: 5.5V - Relay: 5V
• Các ngoại vi kết nối với khối xử lý trung tâm: ta chon bộ nguồn 24V-5A để cung
cấp cho khối ngoại vi PLC. - Van điện từ: 24V - Động cơ băng tải: 24V - Cảm biến tiệm cận: 6-36V
3.4 Lưu đồ giải thuật:
Lưu đồ giải thuật là một sơ đồ mô tả toàn bộ quá trình sử lý của một hệ thống điều khiển. Nó giúp chúng ta kiểm tra tính khả thi của việc lập trình, nhanh chóng đưa ra những
Bắt đầu
Thiết lập ngõ vào Nút nhấn trạng thái
STOP Phân loại màu sắc
Y Y START N Y Y Vàng Xanh
Phân loại sản phẩm xanh Phân loại sản phẩm vàng
Đỏ
Phân loại sản phẩm đỏ
giải thuật để viết chương trình một cách nhanh chóng và hiệu quả. Một quá trình nó có các bước xử lý tuần tự sẽ thích hợp khi sử dụng lưu đồ thiết kế chương trình. Các bước trong lưu đồ giải thuật được thực hiện theo một trình tự đơn giản.
3.4.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính:
Ở chương trình chính hệ thống sẽ đợi tác động vào nút START, để khởi động hệ thống. Băng tải hoạt động sau khi nhấn START, sản phẩm được băng tải vận chuyển đi qua các cảm biến tiệm cận và cảm biến màu sắc, cảm biến màu sẽ nhận biết vận và sau đó băng tải sẽ đưa vật di chuyển. Xi lanh sẽ được tác động để thực hiện phân loại sản phẩm. Nhấn STOP để dừng hoạt động.
N Y
Bắt đầu
Thiết lập ngõ vào ra
N N N
ĐỏXanhVàng
Y Y Y
Điều khiển chân tín hiệu vàng Điều khiển chân tín hiệu xanh
Điều khiển chân tín hiệu đỏ Nhận biết tín hiệu màu
3.4.2 Lưu đồ giải thuật khối nhận biết màu sắc:
Chương trình xử lý màu sắc sẽ thực hiện kiểm tra tín hiệu tiếp đến sẽ kiểm tra màu mà cảm biến nhận được với mỗi màu sẽ xuất tín hiệu ra chân tín hiệu tương ứng với màu đó.
Hình 3.4. Lưu đồ giải thuật của hệ thống màu sắc
3.5 Thi công mô hình:
Về tổng thể, mô hình bao gồm khối băng chuyền vận chuyển sản phẩm, khối lập trình, khối khí nén và khối cảm biến.
Hình 4.1. Tổng thể mô hình
3.6 Quá trình hoạt động:
Khi nhấn START băng tải hoạt động đưa vật di chuyển, cảm biến hồng ngoại phát hiện được vật và băng tải sẽ dừng lại cảm biến màu phát hiện vật. Sản phẩm có 3 màu: đỏ, vàng
, xanh. Sản phẩm đỏ và xanh sẽ được xi lanh phân loại vào vị trí định sẵn, sản phẩm màu vàng sẽ di chuyển đến cuối băng tải. Nhấn STOP, hệ thống dừng lại.
3.7 Lập trình hệ thống:3.7.1 Lập trình Arduino: 3.7.1 Lập trình Arduino:
Bước 1: Kích đúp vào biểu tượng Arduino trên Desktop.
Hình 4.3. Giao diện Arduino trên Desktop Bước 2: Giao diện lập trình Arduino.
Bước 3: Viết chương trình.
Hình 4.5. Chương trình code Arduino Bước 4: Nạp chương trình vào broad Arduino.
Hình 4.7. Sơ đồ nối dây của Arduino với cảm biến màu sắc và mạch Relay Code lập trình Arduino: const int s0 = 2; const int s1 = 3; const int s2 = 5; const int s3 = 4; const int out = 6;
// LED pins connected to Arduino int redLed = 10; int greenLed = 11; int yellowLed = 12; // Variables int red = 0; int green = 0;
int yellow = 0; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(s0, OUTPUT); pinMode(s1, OUTPUT); pinMode(s2, OUTPUT); pinMode(s3, OUTPUT); pinMode(out, INPUT); pinMode(redLed, OUTPUT); pinMode(greenLed, OUTPUT); pinMode(yellowLed, OUTPUT); digitalWrite(s0, HIGH); digitalWrite(s1, HIGH); } void loop() { color(); Serial.print("R Intensity:"); Serial.print(red, DEC); Serial.print(" G Intensity: "); Serial.print(green, DEC); Serial.print(" B Intensity : "); Serial.print(yellow, DEC); //Serial.println();
if (red < yellow && red < green && red > 10 && red < 15 ) {
digitalWrite(redLed, HIGH); // Turn RED LED ON digitalWrite(greenLed, LOW); digitalWrite(yellowLed, LOW);
}
else if (yellow < red && yellow < green && yellow < 30) {
Serial.println(" - (Blue Color)"); digitalWrite(redLed, LOW); digitalWrite(greenLed, LOW);
digitalWrite(yellowLed, HIGH); // Turn BLUE LED ON }
else if (green < red && green < yellow && green > 14 && green < 27) {
Serial.println(" - (Green Color)"); digitalWrite(redLed, LOW);
digitalWrite(greenLed, HIGH); // Turn GREEN LED ON digitalWrite(green, LOW); } else{ Serial.println(); } delay(300); digitalWrite(redLed, LOW); digitalWrite(greenLed, LOW); digitalWrite(yellowLed, LOW); } void color() { digitalWrite(s2, LOW); digitalWrite(s3, LOW); //count OUT, pRed, RED
red = pulseIn(out, digitalRead(out) == HIGH ? LOW : HIGH); digitalWrite(s3, HIGH);
//count OUT, pBLUE, BLUE
yellow = pulseIn(out, digitalRead(out) == HIGH ? LOW : HIGH); digitalWrite(s2, HIGH);
//count OUT, pGreen, GREEN
green = pulseIn(out, digitalRead(out) == HIGH ? LOW : HIGH); }
3.7.2 Lập trình PLC:
Để thực hiện nạp code cho PLC S7 200, em sử dụng phần mềm Step7 MicroWIN SP9.
Bước 1: Mở ứng dụng Step7 MicroWIN SP9 trên màn hình Desktop.
Hình 4.8. Biểu tượng Step7 MicroWIN SP9 trên màn hình desktop
Bước 2: Viết chương trình điều khiển cho PLC.
Hình 4.10. Viết chương trình PLC Bước 3: Kiểm tra mô phỏng chương trình sử dụng S7-Simulator.
Bước 4: Kết nối PLC với máy tính thông qua cáp USB-PPI.
Hình 4.12. Cáp nạp PLC S7 200
Chương trình lập trình:
Hình 4.13. Cài đặt START/STOP cho chương trình
Hình 4.15. Phôi đi từ cảm biến màu đến xi lanh
Hình 4.16. Xi lanh đầu tiên hoạt động
Hình 4.18. Xi lanh thứ hai hoạt động
Hình 4.19. Phân loại phôi màu đỏ
Hình 4.20. Tự giữ để hệ thống hoạt động
Bảng 4.1 Bảng địa chỉ Input và Output
STT Input Địa chỉ Output Địa chỉ Ghi chú
1 Nút nhấn 1 (ON) I0.0 Băng tải Q0.0
2 Nút nhấn 2 (OFF) I0.1 Xi lanh 1 Q0.1
3 Cảm biến hồng ngoại I0.2 Xi lanh 2 Q0.2
4 K1 (Đỏ) I0.3
5 K2 (Xanh) I0.4
6 K3 (Vàng) I0.5
Sơ đồ nối dây PLC:
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4.1 Kết luận:
Với đề tài: Ứng dụng PLC phân loại sản phẩm theo màu sắc, em đã hoàn thành mô hình hoạt động rất tốt, thỏa mãn được các yêu cầu đã đề ra và thông qua đề tài này em đã có được kiến thức và kỹ năng cho mình.