u cầu của mơ hình với các đầu vào cảm biến sử dụng điệp áp 24V -DC nên ta chọn bộ nguồn AC - DC có đầu ra ở mức phù hợp để cấp cho các thiết bị trong mơ hình.
Trong mơ hình em sử dụng bộ nguồn Miwi S- 50-24.
Hình4.5: Bộ nguồn 24V DC 4.3.2.3. Khối tín hiệu đầu vào :
Khối tín hiệu là lấy tín hiệu từ bên ngồi vào các khối xử lý trung tâm PLC, đồng thời nhận các lệnh gửi ra từ PLC để thực hiện các chức năng khác. Khối vào gồm nút ấn, cảm biến phát hiện không tiếp xúc và các giá trị hiện tại của chất lỏng.
a) Cảm biến
Các hệ thống điều khiển tự động trong cơng nghiệp có vơ số các đại lượng vật lý cần đo như: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, trọng lượng… Các đại lượng vật lý này khơng có tính chất điện. Trong khi đó, các bộ điều khiển và các cơ cấu chỉ thị lại làm việc với tín hiệu điện. Vì thế phải có thiết bị để chuyển đổi các đại lượng vật lý khơng có tính chất điện thành đại lượng điện tương ứng mang đầy đủ tính chất của đại lượng vật lý cần đo. Thiết bị chuyển đổi đó là “cảm biến”.
Cảm biến (sensor) là một thiết bị dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý thành các đại lượng điện. Từ đó ta có thể xác định được đại lượng cần đo.
Hàm s = f(m) có thể là hàm tuyến tính, hàm logarit, hàm mũ hay hàm cơng suất. Các đại lượng vật lý: vị trí, vận tốc, gia tốc, lực, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ánh sáng…
Các đại lượng điện: điện trở, điện dung, điện cảm, điện áp, dịng điện…
Trong mơ hình em lựa chọn cảm biến phát hiện nước không tiếp xúc
PHN-Y26 để phát hiện nước vì những ưu điểm sau:
- Sử dụng trong các mạch đo mực nước. - Không cần tiếp xúc với nước.
- Ít bị hao mịn, tuổi thọ và độ chính xác cao.
- Thời gian đáp ứng nhanh, có thể điều chỉnh độ nhạy theo ứng dụng.
Hình4.6: Cảm biến phát hiện nước không tiếp xúc XKC-Y26
Thông số kỹ thuật cảm biến phát hiện nước không tiếp xúc XKC-Y26 như sau:
- Điện áp: 5 – 24VDC. - Dòng điện: 10 mA.
- Cảm biến độ dày 20 mm (ổn định ở 0.5 mm).
- Đầu ra chuẩn XH2.54-4P. - Kích thước: 13.5 x 34.5 mm.
- Biến trở tinh chỉnh điều chỉnh độ nhạy cảm biến. - Chân OUT tín hiệu đầu ra.
- MODE nối GNG => phát hiện có nước OUT mức thấp 0V, khơng có nước mức cao (5-24V).
- MODE nối GND => phát hiện có nước OUT mức cao (5-24V), khơng có nước mức thấp 0V.
b) Nút bấm
Hình: Nút bấm điều khiển PLC Thơng số kỹ thuật:
- Model: AL6 – A - Chất liệu: Nhựa
- Chiều dài của nút nhấn (chưa tính chân): 150mm - Kích thước nút bấm: 15 x15 mm
- Số chân: 4 chân
- Điện áp - dòng điện tối đa: - 250VAC - 3A
- 30VDC - 5A
- Điện áp cung cấp: 24VDC
4.3.2.4. Khối xử lý trung tâm (PLC):
PLC viết tắt Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập
trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển logic thơng qua một ngơn ngữ lập trình.
Là bộ điều khiển logic lập trình PLC S7-1200 của hãng SIEMENS. Có vai trị quan trọng nhất trong tồn bộ hệ thống, có nhiệm vụ điều khiển, giám sát
mọi hoạt động của hệ thống. PLC giao tiếp 2 chiều với khối vào ra và khối điều khiển. Đồng thời PLC cũng giao tiếp một chiều với cơ cấu chấp hành để điều khiển máy bơm thực hiện các lệnh của chương trình điều khiển.
Bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động. Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau.
Trong mơ hình em sử dụng bộ PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC có mã là 6ES7 214-1AG40-0XB0.
4.3.2.5. Khối cơ cấu chấp hành :
- Khối cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ PLC để thực hiện hoạt động.
a.Van điện từ KSD 24V
- Trong mơ hình này em chọn van điện từ KSD 24V:
- Sử dụng điện áp 24V có nhiệm vụ đóng - mở van cấp nước điều khiển qua PLC S7 1200. Van điện từ KSD 24V có cơ chế đóng mở nhanh, hoạt động ổn định, độ bền cao, tốn ít năng lượng và có cấu tạo đơn giản. Van tự động đóng, mở, phân chia, trộn lẫn khí nén từ máy nén khí hoặc từ dầu thủy lực từ bơm thủy lực.
Hình4.9: Van điện từ KSD 24V
Đặc điểm cấu tạo:
- Hình dáng: nhỏ gọn có đầu ra nước nằm bên dưới nên van điện từ KSD 24V phù hợp dễ lắp ráp.
- Cấu tạo: tháo lắp dễ dàng tiện cho việc vệ sinh và thay thế - Màu sắc: trắng-xanh
Thông số:
- Điện áp vào: 24v, 250 mA. - Áp lực tối đa 125 psi.
- Chức năng: ngăn không cho nước vào hệ thống lọc khi máy ở trạng thái ngừng hoạt động.
b. Động cơ DC
Trong cơng nghiệp, động cơ DC có vai trị quan trọng, được ứng dụng trong các máy cắt kim loại, các máy công cụ, trong giao thông vận tải hay các thiết bị cầu trục, trong máy ép, máy bơm, máy nghiền, máy cán,….
Ưu điểm:
-Dễ điều chỉnh tốc độ trong khoảng rộng mà vẫn giữ được mơ men -Có dịng mở máy và momen mở máy nhỏ, có khả năng quá tải lớn -Hệ điều khiển đơn giản, …
Nhược điểm:
- Cần mạch chỉnh lưu để cung cấp điện một chiều
-Phải thường xun bảo trì, thay thế chổi than
Mặc dù có nhiều nhược điểm như trên , nhưng động cơ DC vẫn có vai trị quan trọng trong việc sản xuất, phát triển công nghiệp và được sử dụng phổ biến trong cuộc sống...
• Trong mơ hình nhóm em sử dụng Động cơ DC Geared Motor TT-555 24V vì động cơ này có moment xoắn cao, tiêu thụ điện năng thấp, dòng
điện thấp, tuổi thọ cao, phù hợp hơn cho thời gian dài làm việc Thông số kỹ thuật:
- Điện áp: 24V DC
- Tốc độ sau giảm tốc: 15rpm - Cơng suất: 3.3-13.5W
Hình4.10: Động cơ DC Geared Motor TT-555 24V
Hình 4.11: Các bánh răng trong hộp giảm tốc
c. Rơ le trung gian
Rơ le trung gian nhận tín hiếu từ PLC điều khiển máy bơm hoạt động. - Hiệu suất chuyển tiếp an toàn.
+ Giải phóng điện áp: 10 phút.
+ Điện áp hoạt động: Tối đa 75% so với điện áp định mức. + Tải trọng định mức: 1800 hoạt động/ giờ.
Hình 4.7: Rơ le trung gian Thông số kĩ thuật: Thông số kĩ thuật:
Ứng dụng Rơ le an tồn Cấu hình liên hệ 3a1b Chức năng chốt N/A Hình dạng thiết bị
đầu cuối Đối với bảng mạch Tiếp điẻm dòng định mức (giá trị nhỏ nhất cho AC và DC) 6 Điện áp định mức cuộn dây (DC) V 24 Chiều cao kính thước (mm) 24 Chiều rộng kích thước (mm) 40
Chiều sâu kích thước (mm)
13 Cấu trúc bảo vệ Hình dạng chống chảy
4.3.3. Thiết kế phần cứng
a. Phần bình chứa sơn nguyên liệu
Theo như thiết kế ban đầu, nhóm chúng em có ý định sử dụng 6 màu làm bình chứa nguyên liệu - dựa theo mẫu màu cơ bản: đỏ, trắng, đen, xanh dương, vàng và xanh lá (đã trình bày ở mục 2.5). Nhưng do điều kiện kinh tế và thời gian thi cơng gấp gáp nên nhóm em quyết định rút xuống cịn 3 màu sơ cấp: đỏ, vàng và xanh lam. Từ đó có thể pha ra các màu khác (trừ đen và trắng).
Trên và dưới thành bình chúng em gắn các cảm biến phát hiện nước
khơng tiếp xúc XKC-Y26 với mục đích phát hiện mức nước một cách nhanh
chóng từ đó đánh giá và điều khiển lượng sơn một cách thích hợp. Thể tích mỗi bình chứa sơn ngun liệu là 5 lít.
Hình4.12: Các bình chứa sơn trong mơ hình phần cứng b. Các van xả
Trong mơ hình phần cứng chúng em sử dụng van điện từ KSD 24V được thiết kế đặt ở đáy bình chứa sơn ngun liệu với nhiệm vụ rót sơn từ mỗi bình vào thùng khuấy được đặt ở phía dưới.
Các van điện từ có cơ chế đóng mở nhanh, đồng thời và hoạt động ổn định nên dễ dàng cho việc định lượng sơn. Đóng ngắt van điện từ cho lượng sơn chảy vào thùng khuấy dựa trên thời gian thiết lập, có thể xem như lưu lượng chất lỏng chảy là không đổi, 1 giây bằng 5ml.
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 thời gian điều khiển van điện từ để thay thế khi bơm tỷ lệ.
c. Bộ phận khuấy sơn
Một thùng khuấy với thể tích là 500 ml để chứa sơn bơm vào sau khi các
Khi các van điện từ bơm xong cũng là lúc động cơ DC Geared Motor
TT-555 24V gắn trên thùng khuấy hoạt động trong khoảng thời gian thiết lập.
Khi khuấy xong một van KSD 24V ở đáy thùng khuấy mở ra và sơn thành phẩm được xả ra thùng.
Khi cảm biến cảm biến XKC-Y26 đặt ở khùng khuấy báo hết nước van
điện từ KSD 24V đóng lại.
Hình 4.13: Bộ phận khuấy sơn d. Trung tâm điều khiển
Trung tâm điều khiển của mơ hình gồm: PLC, bộ nguồn, aptomat, nút nhấn, relay,… được thiết kế tập trung tại một khu vực giúp đơn giản hoá việc đi dây và sửa chữa sau này.
Hình 4.14: Trung tâm điều khiển của mơ hìnhe. Mơ hình sau khi hồn thành e. Mơ hình sau khi hồn thành
Hình4.16: Mơ hình sau khi hồn thành (mặt trước) 4.4. Thiết kế chương trình phần mềm
4.4.1. Lưu đồ thuật tốn:
Hình4.17: Lưu đồ chương trình chọn chế độ mơ phỏng b. Lưu đồ thuật tốn chính của chương trình mơ phỏng và thực
Hình4.18: Lưu đồ chương trình chính của chương trình mơ phỏng và thựcc. Các lưu đồ thuật toán con khi hệ thống hoạt động c. Các lưu đồ thuật toán con khi hệ thống hoạt động
Hình4.19: Lưu đồ chương trình con cho bình vàng
Hình 4.21: Lưu đồ chương trình con cho bình xanh
Giải thích:
• Khi khởi động hệ thống (Run) thì tín hiệu đầu ra của PLC sẽ tác động vào van điện từ theo thứ tự từng bình lần lượt: bình vàng, bình đỏ, bình xanh.
• Theo thời gian xác lập của mỗi van nếu chưa đảm bảo thời gian theo yêu cầu thì van điện từ vẫn mở để bơm đủ thể tích sơn cần trộn. Đến 1 thời điểm xác điểm vừa đủ thì van điện từ sẽ đóng và chuyển đến van tiếp theo.
4.4.2. Sơ đồ kết nối phần cứng:
4.4.3. Bảng PLC tags và giải nghĩa các biến vào – ra:
Bảng PLC tags thiết lập cho PLC:
Hình4.24: PLC Tag thiết lập cho các cảm biến vào-ra trong Tia Portal
Trong hình ta nhận thấy, các giá trị thiết lập cho cảm biến được sắp xếp với một quy luật nhất định theo các địa chỉ vào - ra tương ứng. Các giá trị này được đánh số dựa vào kiểu (Type) dữ liệu tương ứng từng bit, giúp cho việc lập trình logic và đơn giản, giúp cho những người có chun mơn sau này sửa đổi mà khơng cần phải nhờ đến sự giúp đỡ của người đã viết ra chương trình.
Các địa chỉ đầu vào (I0.x) và địa chỉ đầu ra (Q.0.x) - với x là các giá trị tương ứng được gán cho các đơn vị thực hiện và chấp hành trong hệ thống giúp việc thiết kế và điều khiển được đồng bộ hơn qua phần mềm Tia Portal V15.1.
Hình4.25: PLC Tag thiết lập địa chỉ vùng nhớ M (các bộ nhớ dữ liệu và điều khiển) M (Vùng nhớ đệm để xử lý chương trình): ta sử dụng vùng nhớ dành cho M (Vùng nhớ đệm để xử lý chương trình): ta sử dụng vùng nhớ dành cho
cả các relay điều khiển và dữ liệu dùng để lưu trữ trạng thái tức thời của một sự vận hành hay của các thông tin điều khiển khác. Ta có thể truy xuất vùng nhớ M theo bit, byte, word hay double word. Cả truy xuất đọc và ghi đều được cho phép đối với M.
Hình4.26: Sử dụng vùng nhớ M với kiểu dữ liệu word trong hệ thống 4.4.4. Giải thích ý nghĩa của các biến vào – ra trong hệ thống
a. Các đại lượng đầu vào cơ bản
b. Các đại lượng đầu ra cơ bản:
Ngoài các giá trị đầu vào và ra chúng em đã trình bày ở trên, chương trình lập trình của hệ thống cịn sử dụng các Vùng nhớ đệm để xử lý chương trình: ký hiệu là M, dùng để tính tốn lưu dữ liệu trong q trình viết chương trình, có thể sử dụng dưới dạng bit, byte và word.
4.5. Thiết kế giao diện điều khiển giám sát WinCC
Thiết kế giao diện và điều khiển giám sát là phần tương đối quan trọng trong “Ứng dụng PLC điều khiển hệ thống trộn sơn”. Nhằm giúp chúng ta có cái nhìn trực quan nhất, bên cạnh việc thao tác với phần cứng. Khi lập trình và thiết kế giao diện cần phải lưu ý về vấn đề kết nối giữa PLC và WinCC qua các địa chỉ tương ứng của chúng.
Ngoài ra chúng ta đặc biệt lưu ý về các địa chỉ biến vào – ra hoặc các vùng nhớ tạm thời (M) có nhiều khác biệt khi ta lập trình mơ phỏng và lập trình trên phần cứng. Khơng phải địa chỉ giống nhau giao diện trên WinCC mà ta nạp được cho PLC trong thiết kế phần cứng, chúng có khác biệt rõ rệt mà vấn đề này cần có thực nghiệm để chứng minh.
Hình 4.28: Thiết kế giao diện hệ thống trên WinCC trong TiaPortal V15.1
b. Giải thích giao diện thiết kế
Bên cạnh các phần như Bảng màu, Thể tích trộn, Bảng điều khiển ta cịn có thêm một số khu vực quan trọng giúp chúng ta hình dung rõ ràng hơn về hệ thống trộn sơn đó là:
[1] Các bình chứa sơn với các màu tương ứng [2] Van bơm sơn vào bình trộn
[3] Động cơ khuấy
[4] Van xả và màu sắc sơn đã trộn
Hình 4.29: Các bình chứa sau khi đổ sơn Đánh giá thực nghiệm:
- Cơng suất có thể đạt 3 phút có thể pha xong lượng sơn theo yêu cần (dung tích mỗi bình <5 lít).
- Hệ thống chạy ổn định, có thể tăng năng suất hoạt động khi thay thay thế bình chứa với dung tích lớn hơn.
- Sử dụng 3 màu chính nên số lượng màu tạo ra hạn chế không tối ưu được tất cả các mã màu.
- Khi so sánh giữa những lần pha với mã màu khác nhau, có sự chênh lệch chút ít về thể tích.
Ví dụ: Ta muốn có 100ml màu cam thì cần làm như sau: Vì theo lập trình cứ 1s thì van xả được 5ml.
• Mà ta cần 100ml nên sẽ cần lập trình trong vịng vịng 20s
• Theo tỉ lệ pha màu thì cần màu đỏ: màu vàng là 1:5 (Nghĩa là cứ 1 ml màu đỏ thì cần 5ml màu vàng)
• Do đó có tất cả 6 phần màu (1 phần màu đỏ + 5 phần vàng ).
• Ta lấy =3.33s
• Vậy khi thay số phần lập trình là 3s cho màu đỏ, 15s màu vàng và 0s cho màu xanh.
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN