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
Khơng như máy tính, PLC có mục đích thực hiện nhanh các chức năng điều khiển, chứ khơng 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 khơng tiếp điểm nên độ tin cậy cao, tuổi thọ lâu hơn so với rơle có tiếp điểm.
Nhược điểm:
Do chưa tiêu chuẩn hố nên mỗi cơng ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngơn ngữ lập trình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất tồn cục về hợp thức hố.
Trong các mạch điều khiển với quy mơ 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 cơng nghệ điều khiển cánh tay robot: ví dụ như gắp phơi 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…
Ngồi ra, người ta cịn 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 cơng tắc hành trình hoặc các cảm biến.
2.5.2. Van khí nén2.5.2.1 Khái niệm 2.5.2.1 Khái niệm
Trong lĩnh vực tự động cơ khí hóa , van khí nén dược sử dụng để tạo ra một dịng chảy tự động thơng 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.
2.5.2.2 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.
Hình 2. 17 Trước và sau khi cấp khí nén[12]
- Ngun lí: Khi dịng 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 thơng 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 2. 18 Trước và sau khi cấp khí nén[12]
Ngun lí: Ở trạng thái bình thường có nghĩa khí nén khơng được đi qua van, các cửa 1 thông cửa số 2, cửa số 3 đóng, cửa 4 thơng với cửa số 5.
Khi cấp nguồn điện 12v, 24v hoặc 110v, 220v thì lập tức cửa 1 thơng 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.
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
Chương này trình bày về việc phân loại và lựa chọn thiết bị, thiết kế mạch kết nối ngõ vào PLC với các ngõ vào tác động, ngõ ra PLC với relay kết nối với các ngõ ra tác động, sơ đồ nối dây, lưu đồ giải thuật và quy trình hệ thống.
3.1. Tính tốn và thiết kế phần cứng3.1.1. Yêu cầu của hệ thống 3.1.1. Yêu cầu của hệ thống
Mơ hình hệ thống với các sản phẩm là các phơi cấp hình hộp chữ nhật có kích thước bằng nhau và khối hộp để đựng các phôi cấp. Mục tiêu của hệ thống là có thể phân loại các sản phẩm khối hộp có kích thước 28x28x67(mm), hình dạng bề mặt giống nhau, nhận diện được sản phẩm bị thiếu, bị sai so với hình dạng chuẩn.
Hình 3. 2 Khối hộp để đựng phơi
Hệ thống có thể phân loại sản phẩm khi sản phẩm đựng vào khối hộp có kích thước 66x66x70(mm), khối hộp có sản phẩm bị thiếu, hoặc khối hộp bị sai mã
barcode. Từ đó xác định được lỗi của sản phẩm đạt chuẩn hay bị lỗi và tiến hành phân loại.
Sản phẩm bị thiếu số lượng là sản phẩm đựng trong hộp chưa đủ số lượng, cụ thể là chưa có sản phẩm hoặc chỉ có một hai hoặc ba sản phẩm, hộp có bốn sản phẩm được cho là đủ số lượng, sản phẩm bị sai mã barcode là sản phẩm có mã barcode bị nhăn, sai mã vạch, khơng thể nhận diện. Từ đó việc phân loại sản phẩm được chia làm 4 loại: sản phẩm sai mã barcode, sản phẩm sai số lượng, sản phẩm sai cả hai và sản phẩm đạt chuẩn.
Hình 3. 3 Mã barcode đúng (bên trái) và mã barcode sai (bên phải)
Hình 3. 5 Sản phẩm lỗi sai số lượng
Hình 3. 7 Sản phẩm đạt chuẩn
Việc đảm bảo phân loại sản phẩm chính xác cần đảm bảo:
- Băng tải đạt tốc độ ổn định để đảm bảo ít rung lắc nhất có thể khi vận hành. - Sản phẩm là các hình hộp có kích thước chuẩn để bỏ vào hộp cho phù hợp.
- Việc phát hiện và kiểm tra barcode cần đảm bảo độ sáng tối ưu để camera cho
3.1.2. Bản thiết kế của hệ thống trên Solidworks
Việc thiết kế hệ thống dựa trên sản phẩm thực tế, liên quan đến khối lượng, kích thước để từ đó thiết kế băng tải phù hợp hệ thống. Băng tải có kích thước 600x80 (mm)
a. Thiết kế băng tải
Hình 3. 8 Mơ hình thiết kế băng tải hệ thống (Hình chiếu bằng)
b. Thiết kế gá đỡ cảm biến và gá đỡ xilanh
Hình 3. 10 Thiết kế gá cảm biến
Hình 3. 12 Tổng quan về hệ thống sau ghi gắn cảm biến và xilanh
c. Thiết kế máng trượt và gá đỡ camera
Hình 3. 14 Thiết kế gá đỡ camera
d. Tổng quan mơ hình hệ thống
Hình 3. 16 Tổng quan thiết kế của hệ thống
3.2 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 3. 18 Sơ đồ khối của hệ thống
Chức năng của từng khối:
- Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống
- Nút nhấn, ngõ vào ra tác động:
+ Ngõ vào gồm nút nhấn để tác động vào hệ thống hoạt động, dừng, dừng khẩn cấp, cảm biến quang giúp phát hiện sản phẩm đến hành trình hay chưa.
+ Ngõ ra đèn bảo hiệu trạng thái hệ thống, cụm van solenoid để điều khiển xilanh khí nén.
- Tín hiệu hình ảnh từ camera: truyền hình ảnh từ camera đến labview
- Khối xử lý Labview: thu nhận hình ảnh, xử lý ảnh đếm số lượng sản phẩm và quét barcode gửi tín hiệu về PLC.
- Khối xử lý PLC:
+ Thu nhận tín hiệu nút nhấn, cảm biến tác động vào ngõ ra động cơ, đèn, xilanh hệ thống
+ Thu nhận tín hiệu từ Labview để xác định sản phẩm thuộc loại nào. + Gửi tín hiệu về Labview và Webserver
- Giao diện giám sát Webserver: nhận tín hiệu từ PLC, hiển thị lên giao diện được thiết kế giám sát.
3.3. Lựa chọn thiết bị cho hệ thống3.3.1. Bộ xử lý trung tâm 3.3.1. Bộ xử lý trung tâm
Như đã nêu ở chương 2, 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 dịng 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 3 nút nhấn, 4 cảm biến quang, 1 cảm biến áp suất, 7 relay tương ứng cho động cơ, đèn báo tín hiệu, cụm solenoid, và máy nén khí mini.
Thơng số kỹ thuật
Nguồn cấp 20.4-28.8VDC
Số lượng ngõ vào 14 (DI)
Số lượng ngõ ra 10 (DO)
Số ngõ vào Analog Input 2 (AI)
Giao tiếp truyền thông Ethernet
Bộ nhớ dữ liệu 100 Kb
Bảng 3. 1 Thông số kỹ thuật của PLC S7-1214C DC/DC/DC
3.3.2. Nguồn cấp cho hệ thống
Các thiết bị trong hệ thống sử dụng nguồn 24VDC và 12VDC để hoạt động, tuy nhiên điện sử dụng là điện lưới 220VAC. Do PLC, van solenoid, động cơ giảm tốc, đèn tín hiệu sử dụng trong hệ thống đều là 24VDC nên nhóm sử dụng 2 nguồn tổ ong, một nguồn 24VDC 5A cấp cho hệ thống hoạt động, một nguồn 12VDC 5A cấp cho máy bơm khí nén mini.
Thơng số kỹ thuật Nguồn cấp 110 - 220VAC Tần số 50-60 (Hz) Nguồn ra 24V Dòng ra 5A Công suất 120W
Bảng 3. 2 Thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong 24V 5A
Hình 3. 21 Nguồn tổ ong 12V 5AThông số kỹ thuật Thông số kỹ thuật Nguồn cấp 110 - 220VAC Tần số 50-60 (Hz) Nguồn ra 12V Dịng ra 5A Cơng suất 60W
Bảng 3. 3 Thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong 12V 5A
3.3.3. Động cơ băng tải
Do sản phẩm khơng q nặng, nhóm sử dụng động cơ giảm tốc có moment xoắn 7Kg ( ước tính ) để tải sản phẩm. Hình 3. 22 Động cơ giảm tốc JGB37-3530 24V Thơng số kỹ thuật Nguồn cấp 24VDC Tốc độ quay 48 Rpm Trục đầu ra 6 mm Moment 6Kg ( ước tính ) Cân nặng 174g Đường kính trục động cơ 32.8mm Đường kính hộp số 37.1mm
Đường kính trục đầu ra 17.5mm
Bảng 3. 4 Thông số kỹ thuật của động cơ giảm tốc
3.3.4. Xilanh khí nén
Do sản phẩm nhẹ, khơng nặng và dạng hình hộp nên nhóm sử dụng xilanh khí nén TBDA 10X70 dạng kép để đẩy sản phẩm dễ dàng hơn.
Hình 3. 23 Xilanh khí nén TBDA 10X70Thông số kỹ thuật Thông số kỹ thuật Phương pháp tác động Tác động kép Hành trình 70 mm Độ dày 10 mm Vận tốc tối đa 200 mm/s
Áp suất tối đa 0.7 MPa
Bảng 3. 5 Thơng số kỹ thuật của xilanh khí nén TBDA 10X70
3.3.5. Cảm biến quang và cảm biến áp suất
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. 24 Cảm biến quang NPN E3F-DS30C4
Thơng số kỹ thuật
Kích thước đường kính 18 mm
Loại NPN
Khoảng cách phát hiện 60-300 mm
Điều chỉnh khoảng cách Biến trở
Bảng 3. 6 Thông số kỹ thuật của cảm biến quang NPN E3F-DS30C4
Hệ thống sử dụng máy bơm khí nén mini 12V, để đóng ngắt bơm tự động khi bình chứa đủ áp suất, do bình chứa khí nhỏ, chỉ khoảng 0.2MPa vì vậy nhóm sử dụng cảm biến áp suất PS1000-R07L
Hình 3. 25 Cảm biến áp suất PS1000-R07L
Thông số kỹ thuật
Điện áp làm việc 12-24VDC
Loại ngõ ra NPN và PNP
Áp suất hoạt động -0.1 - 0.45MPa
Điều chỉnh áp suất Biến trở
Hình 3. 26 Sơ đồ đấu chân dạng NPN và PNP [13]
3.3.6. Van solenoid 5/2
Hệ thống dùng 3 xilanh khí nén nhẹ tối đa 0.7MPa, nên nhóm sử dụng cụm van solenoid SMC SY3140-5H với ngõ vào 24V.
Hình 3. 27 Cụm van solenoid SMC SY3140-5H
Thơng số kỹ thuật
Loại Van 5/2
Xuất xứ Japan
Bảng 3. 8 Thông số kỹ thuật của cụm van solenoid
3.3.7. Camera logitech C270 và Camera Sky A870
Hệ thống sử dụng hai camera, một camera để thu nhận số sản phẩm, một camera để thu nhận barcode. Do đó để nhận diện số sản phẩm nhóm sử dụng camera logitech C270, để nhận diện mã barcode nhóm sử dụng camera của điện thoại Sky A870L.
Hình 3. 28 Camera logitech C270
Thông số kỹ thuật
Camera 3Mpx (30 FPS)
Góc quay 78 độ
Kết nối USB
Bảng 3. 9 Thơng số kỹ thuật của camera logitech C270
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 Sky A870L 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. 29 Camera điện thoại Sky A870L
Thông số kỹ thuật
Độ phân giải 640 x 480 pixels
Góc quay 78 độ
Kết nối USB
Bảng 3. 10 Thông số kỹ thuật của camera Sky A870L
3.3.8. Các thiết bị hỗ trợ khác
Relay trung gian:
Để đảm bảo tính an tồn 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, dịng lớn
Nhóm chọn loại Relay MY2N và Relay LY2N 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. 30 Relay MY2N (bên trái) và LY2N (bên phải) Omron 24VDC
MCB
Để có thể tự động cắt điện khi gặp sự cố quá tải, ngắn mạch, cũng như bảo vệ an tồn 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-C16.
Bảng 3. 11 Thông số cơ bản của Relay
Thông số kỹ thuật
Điện áp cuộn dây 24 VDC
Số tiếp điểm thường đóng 1
Số tiếp điểm thường hở 1
Số chân 8
Hình 3. 31 Cầu dao 2 pha MCB PS45N-C16Thông số kỹ thuật Thông số kỹ thuật Số pha 2 Điện áp định mức 400 V Dòng cắt ngắn mạch 6KA Dòng định mức 16A
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. 32 Nút bật tắt hệ thống Thông số kỹ thuật Điện áp định mức 440V Dịng điện 10A
Chất liệu Nhựa, kim loại
Nắp kính đường 22mm 22mm
Nhiệt độ làm việc -5 độ - 50 độ C