4.1 Thiết kế cơ khí
4.1.1 Thiết kế bản vẽ 3D
- Bản vẽ 3D:
30 - Hình chiếu bằng:
31 - Hình chiếu đứng:
32 - Hình chiếu ngang:
Hình 4.4: Hình chiếu ngang mơ hình
4.1.2 Các thiết bị sử dụng
4.1.2.1 Băng tải
Kích thước mỗi quả táo dao động từ 4cm - 5cm. Tính tốn cơng suất băng tải cần sử dụng.
F = m*a = 0,3*1 = 0.3(N)
Công suất động cơ cần để truyền táo P = F*v = 0.3*0,1 = 0,03(kw)
Với khối lượng và tính tốn thì nhóm em sẽ chọn băng tải với kích thước 6*80cm và có động cơ giảm tốc 24V để truyền táo qua các các biến và xylanh.
33
Hình 4.5: Băng tải
4.1.2.2 Cảm biến
Để nhận biết táo đã đến hệ thống phân loại hay chưa, nhóm em sử dụng cảm biến tiệm cận với thơng số.
- Chiều dài 65mm, đường kính 18mm chiều dài dây 1.2m. Loại cảm biến: Diffuse.
- Khoảng cách phát hiện: 0 – 50cm. - Điện áp làm việc: 6 – 36V.
- Môi trường làm việc: nhiệt độ từ -40 đến +70 độ C. - Mức độ bảo vệ: IP61-IP67.
- Thời gian đáp ứng: chức năng thời gian thiết lập lại sau 2.5ms. - Chất liệu: Nhựa.
34 - Các chân của cảm biến gồm:
Bảng 4.1: Các chân và chức năng của cảm biến
Dây màu nâu VDC
Dây màu xanh GND
Dây màu đen Tín hiệu
35
4.1.2.3 Xy lanh
Là một thiết bị trong hệ thống khí nén. Nó đóng vai trị chấp hành quan trọng khi chuyển hóa nguồn năng lượng của khí nén thành động năng để thực hiện tác động lực đóng, mở, kéo, đẩy, ép…tùy vào cơng việc thực tế.
So với xi lanh thủy lực thì khách hàng thích sử dụng xi lanh khí hơn vì nó sạch sẽ, êm ái khi vận hành và khơng tốn nhiều diện tích cho việc chứa trữ dầu. Đây cũng chính là nguyên nhân khiến thiết bị này phổ biến.
Với tốc độ băng tải 0,1m/s và bề ngang băng tải là 6cm nhóm em sẽ sử dụng xylanh khí nén AIRTAC TN10.
Xy lanh AirTac TN10 là loại xy lanh tác động kép,xy lanh nhóm em chọn có thơng số đẩy ra là 56.5 và kéo về là 31.4. Như vậy nếu chúng ta đưa áp suất khí nén 0,1Mpa (1 kgf/cm2) để kích hoạt xy lanh thì xy lanh sẽ sinh ra lực đẩy là (0.1 x 56.5=5.7) tương đương 0.5kg và kéo về với lực (0.1 x 31.4 = 3.1) tương đương 0.3kg
36
4.1.2.4 Các bộ phận cơ khí
Tất cả chi tiết cơ khí được sử dụng là sắt và nhựa được in với máy in 3D bao gồm:
Bảng 4.2: Tên thiết bị và chất liệu của các bộ phận cơ khí
Thiết bị Chất liệu
Máng đỡ táo Nhựa in từ máy in 3D
Khung đỡ camera Nhựa fomex
Khung băng truyền và giá đỡ cảm biến, xy lanh
Sắt inox và nhựa in 3D
4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển
4.2.1 Sơ đồ kết nối
37
4.2.2 Bản vẽ mạch điều khiển và động lực
Hình 4.9: Sơ đồ mạch điều khiển và động lực
4.2.3 Các thiết bị sử dụng
4.2.3.1 PLC S7-1200
Mơ hình phân loại gồm có 2 cảm biến, 3 nút nhấn, 1 động cơ, 2 đèn báo. Vì thế chúng em chọn CPU S7-1200 (CPU S7 1212 DC/DC /DC) có 8 ngõ vào và 6 ngõ ra.
Đặc điểm của CPU S7–1200:
- PLC S7-1200 là dòng PLC nhỏ của Siemens với giá thành rẻ nhưng rất mạnh mẽ và phục vụ cho đa phần các ứng dụng trong công nghiệp, là thiết bị tự động hóa đơn giản, nhưng có độ chính xác cao.
- Thiết bị PLC Siemens S7 - 1200 được thiết kế dạng module nhỏ gọn, linh hoạt, phù hợp cho một loạt các ứng dụng, với thiết kế theo dạng module, tính
38
năng cao, dịng sản phẩm S7-1200 thích hợp với nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau, cấp độ từ nhỏ đến trung bình.
- Đầy đủ HSC, PWM/PTO, Profinet, Webserver,...tốc độ tính tốn nhanh, hỗ trợ khoảng 200 I/O, cổng truyền thông Profinet tốc độ cao. Phần mềm cực kỳ linh hoạt.
- PLC S7 1200 có thể dùng cho hầu hết ứng dụng phổ thông và cực kỳ kinh tế. Từ các ứng dụng nhỏ như điều khiển bơm, điều khiển dây chuyền sản xuất giấy, thậm chí các ứng dụng lớn như điều khiển tổ máy nhà máy thủy điện nữa.
- PLC S7 – 1200 của Siemens có một giao diện truyền thông đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất của truyền thông công nghiệp và đầy đủ các tính năng cơng nghệ mạnh mẽ tích hợp sẵn - làm cho nó trở thành một giải pháp tự động hóa hồn chỉnh và tồn diện.
- Đặc điểm nổi bật là PLC S7-1200 được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet), sử dụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic cho việc lập trình PLC và các màn hình HMI. Giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi cơng hệ thống điều khiển được nhanh chóng đơn giản.
- PLC Siemens S7-1200 được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng như: Hệ thống băng tải; Điều khiển đèn chiếu sáng; Điều khiển bơm cao áp; Máy đóng gói; Máy in; Máy dệt; Máy trộn v.v…
39
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp làm việc: DC 20,4 – 28,8V. - Hai ngõ vào Analoge DC 0-10V. - 8 ngõ vào 24VDC. - 6 ngõ ra Transistor. - Công suất: 9W. - Trọng lượng: 0,37 kg. - Kích thước: 90 x 100 x 75 mm. - Phiên bản: V4.4.
- Cách đấu nối PLC Siemens S7-1200.
+ Trước hết, cần phải có nhận thức đúng về mã hiệu của PLC, từ đó mới có sơ đồ đấu nối chính xác và tránh làm hỏng PLC.
+ Mã hiệu PLC là AC/DC/RLY nghĩa là PLC dùng nguồn cấp AC, đầu vào DC và đầu ra dạng Rơ le.
+ Mã là DC/DC/RLY thì khác một chút, nguồn cấp dùng nguồn DC. + Mã là DC/DC/DC thì đầu ra khơng phải Rơ le mà là đầu ra Transistor.
40
+ Đối với loại PLC sử dụng nguồn cấp AC, ở góc trái phía trên sẽ có cặp chân được ký hiệu L1 và N. Bạn chỉ cần cấp nguồn AC vào 2 chân này là được. Cần lưu ý rằng để tránh cấp nguồn nhầm nên xem kỹ nguồn cấp ghi ở nhãn của PLC.
+ Đối với PLC sử dụng nguồn cấp DC thì ở góc trái phía trên của PLC sẽ có chân ký hiệu dạng L+ và M. Bạn cần cấp nguồn 24VDC vào L+ và 0VDC và M.
Hình 4.12: Sơ đồ kết nối đầu vào PLC Siemens S7-1200 (Nguồn Internet)
- Cách đấu nối đầu ra PLC Siemens S7-1200
Hình 4.13: Sơ đồ kết nối đầu ra PLC Simens S7-1200 (Nguồn Internet)
- Nguồn DC Out: PLC có thể chủ động tạo ra nguồn điện 24VDC, tiện lợi cho người sử dụng, lấy từ chân L+ và M, tuy nhiên trong thực tế thường dùng nguồn 24VDC ngồi, cơng suất lớn hơn và an tồn cho PLC hơn. Bạn bắt buộc phải có tải
41
gắn với ngõ ra. Tránh trường hợp nối trực tiếp ngõ ra xuống 0V. Đối với dạng ngõ ra DC bạn có thể sử dụng tần số đóng cắt cao liên quan tới một số ứng dụng điều khiển servo.
- Với PLC đầu ra Rơ le thì khá đơn giản, bởi nó có thể sử dụng được nhiều dạng điện áp khác nhau, không quan tâm đến chiều dòng điện. Do đó có thể dùng để đóng cắt nhiều loại tải khác nhau (phụ thuộc vào điện áp cấp lên chân 1L và 2L của đầu ra). Đối với dạng tín hiệu ngõ ra dạng relay thì ngõ ra Plc có tác dụng như cơng tắc điện vật lý. Có thể đóng cắt cả điện AC và DC. Lưu ý: Chỉ đóng cắt cho thiết bị có dịng tải nhỏ mà thơi. Đối với dạng ngõ ra là relay thì tần số đóng cắt khá thấp.
4.2.3.2 Nút nhấn
Nhóm em sử dụng 2 nút nhấn nhả màu đỏ và xanh để điều khiển bắt đầu và dừng băng tải, 1 nút dừng đỏ khẩn cấp.
42 - Điện áp tải max: 440V.
- Dòng điện tải max: 10A. - Kích thước: 66x36x29mm.
4.2.3.3 Đèn báo
Đèn báo sử dụng đèn xanh và đèn đỏ 24VDC để hiển thị dây truyền đang chạy và dây truyền đang dừng hoạt động tạm thời.
- Loại: AD16. - Điện áp: 24VDC. - Ánh sáng: LED.
Hình 4.15: Đèn báo 24V
4.2.3.4 Nguồn tổ ong
- Nguồn tổ ong 24V/5A.
43
Hình 4.16: Nguồn tổ ong 24V/5A Thông số kỹ thuật: Thông số kỹ thuật:
- Điện áp vào: AC 110V-220V, 50/60Hz. - Điện áp ra: DC 5V-12V-24V.
- Dòng điện tối đa: 5A. - Điện áp điều chỉnh: ± 10%. - Công suất: 10w-600w.
- Hiệu suất sử dụng: 80% công suất là tối ưu. - Bảo vệ: quá tải/ quá áp/ ngắn mạch.
4.2.3.5 Relay trung gian (relay kiếng)
Rơ le trung gian hay cịn gọi là rơle kiếng. Đơn giản nó là một thiết bị trung gian sử dụng trong việc linh động kích giảm nguồn nhằm phù hợp với nguồn cần đóng ngắt thiết bị. Có nghĩa là loại relay này khi nhận được các tín hiệu PNP, NPN hoặc các tín hiệu relay output ra từ bộ điều khiển. Nó sẽ lập tức output ra 1 relay khác có dịng điện áp cao hơn để điều khiển thiết bị.
Đồ án sử dụng relay trung gian 24VDC để điều khiển động cơ của xylanh và động cơ DC của băng tải để hạn chế việc quá dòng gây hư hại động cơ.
44
Hình 4.17: Relay trung gian
4.2.3.6 Aptomat:
Aptomat là tên thường gọi của thiết bị đóng cắt tự động (cầu dao tự động). Trong tiếng Anh thiết bị đóng cắt là Circuit Breaker (viết tắt là CB). Aptomat có chức năng bảo vệ quá tải và ngắn mạch trong hệ thống điện. Một số dịng Aptomat có thêm chức năng bảo vệ chống dòng rò được gọi là aptomat chống rò hay aptomat chống giật. Aptomat đơi khi cịn được gọi theo cách ngắn gọn là CB.
Đồ án chúng em sử dụng Aptomat DZ47-63.
45 Thông số:
- Điện áp làm việc: 230/415V. - Dồng điện làm việc: 10A.
Bảng 4.3: Tên thiết bị được sử dụng trong mơ hình
STT Thiết bị Số lượng 1 Tủ sắt 200x300x150 1 2 Relay 8C nhỏ 24Vdc 3 3 Đế 8C dẹp nhỏ 3 4 Bộ nguồn 5A-24Vdc 1 5 Nút nhấn xanh 1 6 Nút nhấn đỏ 1 7 Dừng khẩn 1 8 Đèn báo đỏ 24Vdc 1 9 Đèn báo xanh 24Vdc 1 10 Thanh nhôm 1 11 Nẹp xám 25x25 1 12 Dây Vcm 0.75 (đỏ) 5 13 Dây Vcm 0.75 (xanh) 5 14 Camera 1 15 PLC Siemens S7-1200 1 16 Aptomat DZ47-63 1 17 Xy lanh AirTac TN10 2 18 Cảm biến hồng ngoại 2 19 Băng chuyền 1
46
CHƯƠNG 5: THI CƠNG MƠ HÌNH
5.1 Thi cơng
47
48
49
5.2 Giải thuật điều khiển
50
5.3 Nguyên lý làm việc
Khi hệ thống hoạt động, PLC sẽ kích hoạt băng tải hoạt động đồng thời đèn báo bắt đầu hoạt động; Sau đó, khi camera phát hiện sản phẩm táo cần phân loại.
Camera sẽ thu hình ảnh từ bộ phận cung cấp sản phẩm sau đó truyền hình ảnh lên máy tính. Thơng qua phần mềm Labview và hình ảnh thu được từ camera phần mềm sẽ phân tích phổ màu của từng loại táo đi qua để phân loại sản phẩm . Sau đó truyền tín hiệu phân loại đến PLC S7-1200 thông qua phần mềm TIA PORTAL.
Hệ thống xử lý ảnh sẽ phân loại các loại táo dựa vào phổ màu của các loại táo và sẽ kích hoạt các chu trình tiếp sau đó.
- Nếu là loại táo đỏ thì chu trình của táo loại 1 với cảm biến 1 và xylanh 1 sẽ hoạt động khi cảm biến phát hiện táo đi qua sẽ kích xylanh 1 đi ra để đẩy táo vào máng 1. Kết thúc chu trình phân loại.
- Nếu là loại táo xanh thì chu trình của táo loại 2 với cảm biến 2 và xylanh 2 sẽ hoạt động khi cảm biến phát hiện táo đi qua sẽ kích xylanh 2 đi ra để đẩy táo vào máng 2. Kết thúc chu trình phân loại.
- Nếu là loại vàng thì chu trình của táo loại 3 được kích hoạt, sẽ khơng có cảm biến hay xylanh nào hoạt động, táo sẽ theo băng truyền đi hết băng truyền để vào máng 3.
Sau khi nhấn nút dừng tạm thời thì tồn bộ chu trình sẽ dừng lại đồng thời đèn tạm dừng hoạt động.
51 - Các tag và các ngõ ra đã thiết lập liên kết
Hình 5.5: Các chân kết nối PLC với các thiết bị điều khiển mơ hình
5.4 Phần mền điều khiển và giám sát
52
5.5 Chạy thử, hoàn thiện sản phẩm
- Nhấn nút Start băng tải hoạt động đồng thời đèn báo bắt đầu hoạt động:
53
- Thông qua camera phát hiện sản phẩm táo cần phân loại sẽ thu hình ảnh và báo lên màn hình máy tính.
Hình 5.8: Camere phát hiện sản phẩm táo đỏ và thu hình ảnh lên màn hình để phân loại
54
Hình 5.10: Camera phát hiện sản phẩm táo xanh và thu hình ảnh lên màn hình để phân loại
55
Hình 5.12: Camera phát hiện sản phẩm táo vàng và thu hình ảnh lên màn hình để phân loại
56
5.6 Giao diện điều khiển và giám sát SCADA
57
5.7 Chương trình xuất số liệu ra fie Excel
Hình 5.15: Giao diện hình excel
5.8 Kết quả vận hành
Hệ thống vận hành ổn định với đầy đủ chức năng phân loại sản phẩm theo màu sắc là 3 loại táo bao gồm táo đỏ, táo xanh, và táo vàng.
Kết nối giữa camera với máy tính ổn định. Máy tính có thể thu được hình ảnh với độ phân giải 720p với đầy đủ màu sắc, hồn tồn có thể sử dụng hình ảnh để phân loại táo.
Kết nối giữa Labview và TIA PORTAL ổn định, hai phần mềm giao tiếp tín hiệu 2 chiều ổn định.
Kết nối giữa phần mềm và PLC hoàn toàn ổn định.
Kết nối giữa các thiết bị INPUT bình thường và truyền tín hiệu tốt.
Các thiết bị như đèn, xylanh, động cơ hoạt động ổn định khi có tín hiệu ra. Mơ hình đạt được các mục tiêu nghiên cứu mà đề tài đồ án đã đề ra ban đầu.
58
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ
6.1 Ưu điểm của mơ hình
- Tủ điện điều khiển kết nối ổn định với bộ phận chấp hành bao gồm động cơ băng tải, xylanh điện và cảm biến tiệm cận.
- Tủ điện hoạt động ổn định và đạt tiêu chí đã đề ra ban đầu.
- Mơ hình sau khi hoàn thành đạt đầy đủ chỉ tiêu, thiết bị đã đề ra ở phần thiết kế để phân loại 3 loại táo.
- Giá thành để hoàn thành rẻ phù hợp ở mức độ nghiên cứu.
- Mơ hình hoạt động ổn định và có thể đưa vào sử dụng cho giải thuật và điều khiển.
6.2 Nhược điểm của mơ hình
- Tính thẩm mỹ của mơ hình chưa được cao. - Độ bền của các thiết bị không cao.
- Bộ phận cung cấp sản phẩm vẫn cịn phải thực hiện thủ cơng. - Mơ hình chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu.
- Dễ bị bắt ánh sáng làm thay đổi phân khúc ảnh.
6.3 Hướng phát triển của mơ hình
Với tính ứng dụng mà mục tiêu đề tài đã đề ra thì mơ hình nghiên cứu hồn