PHẨM THEO HÌNH DẠNG
4.1 . Các quy trình công nghệ
4.1.1 . Dùng Pycharm kết hợp với PLC S7-1200
Sử dụng phần mềm Pycharm để xử lý ảnh ngay trên PC và truyền thông với PLC S7-1200 thông qua thư viện snap7.
- Ưu điểm :
+ Sử dụng phần mền ngay trên PC nên rất mượt khi xử lý ảnh.
+ Dễ thao tác.
+ Gọn gàng và ít dây khi kết nối.
- Nhược điểm :
+ Vì sử dụng nhiều phần mềm cùng một lúc nên yêu cầu máy tính phải có cấu hình cao.
+ Khó áp dụng trong công nghiệp.
4.1.2 . Dùng Kit Raspberry kết hợp với PLC S7-1200
- Ưu điểm :
+ Áp dụng công nghệ mới là Kit Raspberry Pi 4B để xử lý ảnh.
+ Dùng phần mềm riêng lẻ nên phù hợp với các máy tính cấu hình thấp.
+ Có thể kết hợp với HMI để thay thế máy tính giám sát.
+ Phù hợp với các hệ thống công nghiệp.
- Nhược điểm :
+ Giá thành của Raspberry khá cao.
+ Sử dụng nhiều dây để kết nối với các thiết bị.
4.1.3 . Lựa chọn phương án
Với việc áp dụng hệ thống trong công nghiệp thì sử dụng raspberry là khả dụng hơn vì raspberry nhỏ gọn và chức năng thì như một máy tính. Vì vậy nhóm em lựa chọn quy trình công nghệ dùng Kit Raspberry kết hợp với PLC S7-1200.
4.2 . Quy trình công nghệ
Sử dụng kết hợp Kit Raspberry Pi 4B để xử lý ảnh và PLC S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC để lập trình và điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng(mô
Mô hình hệ thống dùng công tắc switch để chuyển đổi giữa 2 chế độ AUTO và MANUAL:
Chế độ Auto : - Đèn Auto sáng. Khi ấn nút Start thì hệ thống bắt đầu làm việc, bắt đầu
truyền động quay băng tải.
- Khi cho sản phẩm vào băng tải. Sản phẩm di chuyển qua Camera, tại đây Camera sẽ chụp ảnh rồi gửi tín hiệu tới Raspberry để xử lý ảnh. Sau khi nhận dạng được, Raspberry gửi tín hiệu tới PLC. Khi PLC nhận tín hiệu đó nếu :
+ Sản phẩm hình Tròn thì xilanh 1 đẩy SP vào thùng đựng loại 1, sau 1s xilanh 1 thu lại đồng thời đếm SP hình tròn lên 1 và hiển thị trên màn hình giám sát Wincc.
+ Sản phẩm hình Vuông thì xilanh 2 đẩy SP vào thùng đựng loại 2, sau 1s xilanh 2 thu lại đồng thời đếm SP hình vuông lên 1 và hiển thị trên màn hình giám sát Wincc.
+ Sản phẩm hình Tam Giác thì xilanh 3 đẩy SP vào thùng đựng loại 3, sau 1s xilanh 3 thu lại đồng thời đếm SP hình tam giác lên 1 và hiển thị trên màn hình giám sát Wincc.
+ Sản phẩm hình Chữ nhật thì sẽ chạy thẳng tới cuối băng tải rơi xuống thùng vật loại 4 và đếm sản phẩm hình chữ nhật lên 1 và hiển thị trên màn hình giám sát Wincc.
- Nếu trong quá trình hoạt động gặp sự cố, để đảm bảo an toàn cho hệ thống, đảm bảo tính mạng con người và không gây ảnh hưởng đến môi trường thì khi xảy ra sự cố bất ngờ hoặc muốn tạm dừng hệ thống thì ta nhấn nút Stop để dừng hoạt động toàn bộ hệ thống và đèn Stop sẽ sáng màu đỏ. Hệ thống tiếp tục hoạt động khi ta nhấn nút Start.
- Quá trình hoạt động của hệ thống được điều khiển và giám sát trên WinCC nên khi ta tác động các nút điều khiển tương ứng trên WinCC thì hệ thống hoạt động tương tự như tác động nút nhấn cơ.
Chế độ Manual : - Đèn Manual sáng. Chế độ này được sử dụng để kiểm tra hệ thống, xử lý lỗi
về phần cơ, điều khiển được băng tải, 3 xilanh. Các nút switch được thiết kế cả trên tủ điện lẫn giao diện WinCC.
+ Switch XL1 : điều khiển đóng mở xi lanh 1.
+ Switch XL2 : điều khiển đóng mở xi lanh 2.
+ Switch XL3 : điều khiển đóng mở xi lanh 3.
+ Switch băng tải : điều khiển chạy, dừng băng tải.
4.3 . Thiết kế phần cứng
Hình 4.1 Sơ đồ bố trí thiết bị
4.3.1 . Sơ đồ khối
Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống bao gồm các khối:
- Khối nguồn: Cung cấp các nguồn điện cho các thiết bị (220v, 24v) - Khối xử lý trung tâm: Là khối có vai trò quan trọng trong hệ thống, đây là
khối nhận các tín hiệu vào để xử lý và xuất tín hiệu ra để điều khiển.
- Khối xử lý ảnh: Là khối có vai trò nhận dạng, xử lý các hình ảnh từ camera.
- Camera: Dùng để chụp ảnh để chuyển cho khối xử lý ảnh.
- Khối đầu vào: Các nút nhấn để khởi động hệ thống như start, stop.
- Khối đầu ra: Các đèn, băng tải, xi lanh nhận các tín hiệu của khối trung tâm để thực hiện các chức năng.
- Khối giám sát: Nhận các tín hiệu từ khối trung tâm để hiển thị giám sát qua Wincc.
4.3.2 . Lựa chọn thiết bị 4.3.2.1 . Khối nguồn
a. Attomat Đối với động cơ giảm tốc 1,5kW ta chọn attomat như sau:
Dòng định mức động cơ: Iđmdc = 2.85A Vì động cơ < 5kW nên sẽ khởi động trực tiếp, chọn hệ số khởi động Kkd = 5-7, ta chọn = 6 như vậy dòng khởi động Ikd = 6*2,85 = 17,1A
Ta có dòng điện ngắn mạch là 2kA và dòng điện lớn nhất 17,1A nên ta chọn MCB Schneider EZ9F34320 20A 4.5kA 3P
MCB Schneider EZ9F34320 20A 4.5kA 3P thuộc dòng sản phẩm MCB được sản xuất trên dây chuyền công nghệ hiện đại. Có thiết kế nhỏ gọn, đơn giản với độ bền cao.
Hình 4.3 MCB Schneider EZ9F34320 20A 4.5kA 3P
❖ Chức năng: Có tính năng bảo vệ quá tải, ngắn mạch, quá áp.
❖ Thông số kĩ thuật
Mã sản phẩm EZ9F34340
Dòng điện 20A
Dòng cắt 4.5kA
Điện áp ngõ vào 3 Pha
b. Nguồn tổ ong Nguồn Tổ Ong 24V 5A hay còn gọi là bộ nguồn một chiều được thiết kế để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 220VAC thành nguồn một chiều 12VDC để cung cấp cho các thiết bị hoạt động.
Nguồn tổ ong được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện và dân dụng. Trong công nghiệp chúng thường được sử dụng để cấp nguồn cho một số thiết bị của tủ điện,…
Hình 4.4 Nguồn tổ ong
❖ Thông số kĩ thuật - Điện áp đầu vào: 100VAC ~ 250VAC - Tần số hoạt động: 47 ~ 63HZ
- Công suất: 60W - Điện áp đầu ra: 24V - Dòng điện tối đa: 5A - Điện áp điều chỉnh: ± 10%
- Hiệu suất ≥ 85%
- Điều chỉnh điện áp ( Đầy tải ) ≤ 0.3%
- Chức năng bảo vệ ngắn mạch tự động - Bảo vệ quá áp 105% —- 150% điện áp định mức - Nhiệt độ làm việc: -20 ℃ ~ 60 ℃
- Nhiệt độ bảo quản -40 ℃ ~ 85 ℃ - Kích thước: 110 * 78 * H36 (mm)
4.3.2.2 . Khối xử lý trung tâm
Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 CPU 1214C được thiết kế theo dạng compact CPU được tích hợp sẵn các ngõ I/O. Tuy nhiên PLC S7-1200 vẫn được trang bị thêm các module I/O để mở rộng khả năng của PLC. PLC S7-1200 với thiết kế nhỏ gọn, đa năng, đơn giản nhưng mang đến độ chính xác cao trong hệ thống tự động.
Hình 4.5 PLC S7 – 1200 CPU DC/DC/DC
❖ Mô tả sản phẩm:
Dòng CPU 1214C:
- CPU 1214C có 3 versions với điện áp nguồn và điện áp điều khiển khác nhau.
- Tích hợp nguồn 24 V cho encoder hoặc cảm biến. Nguồn dòng 300 mA sử dụng cho các loại tải khác.
- Tích hợp 14 ngõ DI 24 VDC, 10 ngõ DO, 2 ngõ AI 0…10V.
- 2 nguồn xung với tần số lên đến 100kHz.
- Tích hợp giao tiếp Ethernet (TCP/IP native, ISO-on-TCP).
- 6 counter với 3 counter 100 kHz và 3 counter 30 kHz.
- Board tín hiệu mở rộng tương tự hoặc số được cắm trên CPU.
- Tích hợp điều khiển PID, và đồng hồ thời gian thực.
❖ Thông số kĩ thuật
Bảng 4.1 Bảng thông số kĩ thuật của PLC S7-1200
Power Supply 24V DC
Input voltage DI 24V DC
Output Voltage DO 24V DC
Working Memory 100 kbyte
Load Memory 4 Mbyte
Protocols PROFINET IO, PROFIBUS, AS-
Interface
Programming Language LAD, FBD, SCL
Ambient temperature in operation 0-60°C
Class of Protection IP 20
4.3.2.3 . Khối xử lý ảnh
Raspberry Pi là từ để chỉ các máy tính chỉ có một board mạch, được phát triển tại Anh bởi Raspberry Pi Foundation với mục đích ban đầu là thúc đẩy việc giảng dạy về khoa học máy tính cơ bản trong các trường học và các nước đang phát triển. Phiên bản ban đầu đã trở nên phổ biến hơn nhiều so với dự đoán, vượt ra ngoài thị trường đích và được sử dụng trong tự động hóa, đa phương tiện, robot, IoT thậm chí trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0.
Hình 4.6 Raspberry Pi 4B
❖ Thông số kĩ thuật :
˗ Broadcom BCM2711, Quad core Cortex-A72 (ARM v8) 64-bit SoC
@ 1.5GHz.
˗ 2GB, 4GB hoặc 8GB LPDDR4-3200 SDRAM (tùy thuộc vào kiểu máy).
˗ 2,4 GHz và 5,0 GHz IEEE 802.11ac wireless.
˗ Bluetooth 5.0, BLE.
˗ Gigabit Ethernet.
˗ 2 cổng USB 3.0, 2 cổng USB 2.0.
˗ Đầu cắm GPIO 40 chân tiêu chuẩn Raspberry Pi .
˗ 2 × cổng micro-HDMI (hỗ trợ lên đến 4kp60).
˗ Cổng hiển thị MIPI DSI 2 làn.
˗ Cổng camera MIPI CSI 2 làn.
˗ Cổng video tổng hợp và âm thanh stereo 4 cực.
˗ H.265 (giải mã 4kp60), H264 (giải mã 1080p60, mã hóa 1080p30).
˗ Đồ họa OpenGL ES 3.0.
˗ Khe cắm thẻ nhớ Micro-SD để tải hệ điều hành và lưu trữ dữ liệu.
˗ 5V DC qua đầu nối USB-C (tối thiểu 3A *).
˗ 5V DC qua đầu cắm GPIO (tối thiểu 3A *).
˗ Bật nguồn qua Ethernet (PoE) (yêu cầu PoE HAT riêng biệt).
˗ Nhiệt độ hoạt động: 0-50 độ C.
4.3.2.4 . Camera
Camera công nghiệp là các camera được ứng dụng trong các cơ quan, nhà máy, xí nghiệp dùng để giám sát hoạt động. Ví dụ giám sát các giai đoạn sản xuất tự động với mục đích phân loại và đo lường sản phẩm, kiểm tra sản phẩm tự động, điều hướng robot, quét mã vạch, … mà không cần tiếp xúc.
Camera công nghiệp là một loại camera đặc biệt được sản xuất để làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao, áp suất và rung động). Chúng được sử dụng để theo dõi các sản phẩm trên băng tải, phát hiện các lỗi siêu nhỏ, … Do đó, nhìn chung, phạm vi của chúng gần như vô hạn.
Hình 4.7 Camera công nghiệp
❖ Đặc điểm : - Độ bền cao: Vì phải làm việc trong môi trường khắc nghiệt nên độ chắc
chắn của nó phải cực kì cao để bảo vệ các cơ cấu bên trong khỏi độ ẩm, bụi, khí độc hại và các yếu tố môi trường khác.
- Độ chính xác: Máy ảnh công nghiệp có thể chụp ảnhvới độ phân giải lên đến 150 triệu pixel. Tuy nhiên, có thể tìm thấy thiết bị có thông số cao hơn nữa, ví dụ như VN-25MX với độ phân giải siêu cao 225MP hoặc VN- 200MX với 427MP.
❖ Ứng dụng rộng rãi trong các ngành:
- Thị giác máy
- Điều khiển giao thông
- Y học
- Khoa học
- Sản xuất và chế tạo
- Hệ thống an ninh trong đời sống hàng ngày
❖ Ứng dụng trong sản xuất:
- Nhận diện, kiểm tra ngoại dạng sản xuất
- Đo lường, kiểm tra kích thước sản phẩm không cần tiếp xúc
- Kiểm tra kí tự quang học
- Kiểm tra mã vạch sản phẩm
4.3.2.5 . Khối đầu vào
Nút nhấn nhả LA38 22mm hay còn gọi là nút nhấn đề thường được sử dụng trong các tủ điện công nghiệp, bộ phận truyền tín hiệu sử dụng thao tác ấn một lần trong thời gian dài và chỉ nhả ra sau khi đã hoàn thành công việc.. Nút nhấn có 1 tiếp điểm thường đóng và 1 tiếp điểm thường mở.
Hình 4.8 Nút nhấn nhả LA38
❖ Thông số kĩ thuật:
- Mã sản phẩm: LA38-11
- Điện áp tải tối đa: 660V
- Dòng điện tải tối đa: 10A
- Màu sắc: Đỏ. vàng, xanh lá.
- Kích thước: 66x 36x 29mm
- Kích thước lỗ ren lắp đặt: 22mm
- Kích thước bề mặt nút nhấn: 29mm
- Khối lượng: 50g
4.3.2.6 . Khối đầu ra
a. Đèn
Đèn báo pha tủ điện có chức năng hiển thị các tín hiệu của hệ thống tủ bảng điện như báo lỗi, báo pha,... vì sản phẩm có góc nhìn rộng và ánh sáng phát ra chất lượng cao.
Hình 4.9 Đèn báo pha
❖ Thông số kĩ thuật
- Điện áp của đèn báo pha tủ điện: 220VAC/220VDC (ngoài ra còn có nguồn cấp 24VDC, 24VAC, 110VDC, 110VAC) tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng
- Dòng điện tiêu thụ: >20mA
- Tuổi thọ của đèn: <100.000 giờ (phát sáng liên tục)
- Nhiệt độ hoạt động của đèn: -25~70 độ C
- Tiêu chuẩn kín nước của đèn: IP65 chống nước, chống bụi.
b. Relay trung gian
Relay trung gian là một thiết bị relay điện từ với kích thước nhỏ thông thường được lắp đặt ở vị trí trung gian, nằm giữa những thiết bị điều khiển công suất nhỏ và những thiết bị có công suất lớn hơn, làm cầu nối giữa module điều khiển và các thiết bị đóng cắt động lực.
Relay trung gian thường được sử dụng chịu tải trung gian cho các cảm biến, làm các mạch tự giữ, on off, với thiết kế có nhiều tiếp điểm nhờ đó mà ta có thể chỉ cần sử dụng một tín hiệu có thể điều khiển được nhiểu thiết bị cùng một lúc.
Relay trung gian cũng là thiết bị bảo vệ cho các thiết bị báo mức on off, thay vì sủ dụng ngõ ra các cảm biến để kích van hay đèn… thì thông qua relay trung gian nó sẽ giúp cảm biến được cách ly hoàn toàn, nếu có sự cố quá tải thì chỉ hư các tiếp điểm relay trung gian.
Hình 4.10 Relay trung gian 24V/14 chân
❖ Thông số kĩ thuật
- Dòng đóng cắt: 5A / 220V – 5A /24VDC.
- Số chân: 14 chân.
- Cặp tiếp điểm: 2 NO, 2 NC.
c. Băng tải
Băng tải là một cơ chế hoặc một máy có thể vận chuyển một tải đơn (thùng carton, hộp, túi,…) hoặc trong mô hình là các hộp sản phẩm có màu sắc khác nhau từ một điểm A đến điểm B.
Hình 4.11 Băng tải
❖ Thông số kĩ thuật
- Chiều dài: 5m
- Chiều rộng: 250mm
- Chiều cao: 800mm
- Chân đế: 8 chân
- Con lăn: 2 con, đường kính D = 90mm
- Tốc độ: 9m/phút = 150mm/s
d. Động cơ
Động cơ giảm tốc là loại động cơ được kết hợp giữa động cơ điện và hộp giảm tốc, động cơ này có tốc độ chậm hơn nhiều so với động cơ thông thường nhằm tạo ra lực kéo mạnh mẽ với tốc độ thấp để kéo băng tải.
❖ Thông số đã cho:
- Tổng tải trọng là 15kg(10kg dây băng tải,5kg hàng)
- Hệ số ma sát là μ = 0,15
- Hệ số ma sát con lăn Ƞ1 = 0,95
- Hệ số ma sát hộp giảm tốc Ƞ2 = 0,9
- Đường kính con lăn là D= 90mm
- Tốc độ V = 150mm/s
❖ Tính chọn động cơ:
- Tốc độ vòng quay con lăn: 𝑉∗60
𝐷∗𝜋 = 150∗60
90∗𝜋 = 31,8(v/p) - Tốc độ quay của hộp số n =1450v/p đối với động cơ thông thường
- Hệ số truyền động: i = 1450
31,8 = 45,5 - Moment của con lăn: M1=𝜇∗𝑊∗
𝐷 2
Ƞ1 = 0,15∗15∗
90,10^−3 2
0,95 = 0.106(Nm)
- Moment của đầu hộp số: M2 = 𝑀1∗𝑖
Ƞ2 = 0,106∗45,5
0,9∗2 = 10,7 (Nm)
- Công của động cơ: P = 𝑀2∗𝑛
9550 = 10,7∗1450
9550 = 1,6(kW)
Ta chọn động cơ giảm tốc có công suất khoảng 1.6kW với hệ số truyền động là 45, tần số sử dụng 50Hz/60Hz, điện áp 3 pha 380V.
e. Van điện từ khí nén
Van điện từ khí nén hay van đảo chiều là một cơ cấu điều chỉnh hướng đi của khí nén qua van, có tác dụng đóng ngắt, điều chỉnh hướng đi của dòng khí. Được sử dụng rộng rãi trong việc điều khiển xi lanh, cơ cấu chấp hành.
Hình 4.12 Van điện từ 5/2
Van 5/2 có 5 cổng làm việc:
˗ 1 : cổng khí đi vào.
˗ 2, 4 : cổng khi ra, dẫn khí đến cơ cấp chấp hành.
˗ 3, 5 : cổng có vai trò xả khí.
❖ Nguyên lí hoạt động:
Van 5/2 hoạt động khi cấp nguồn 220V hoặc 24VDC tùy loại. Khi có điện, lõi có điện trong van sẽ sinh ra từ trường, lực này sẽ hút trục van chuyển động dọc trục và khiến cho các cửa van được mở ra để cho khí nén thông cửa. Hoạt động này giúp cho van có thể thực điện đóng khí cho các thiết bị đầu ra.
Khi van nằm ở trạng thái đóng thì cửa số 1 sẽ được thiết kế thông với cửa số 2.
Trong khi đó thì cửa số 4 sẽ được thông với cửa số 5. Nhưng khi van được cấp khí nén khiến cho van nằm trong tình trạng được mơ hoàn toàn thì sẽ có sự thay đổi bắt đầu từ cửa số 1 và số 4. Ở đây sẽ xảy ra hiện tượng đảo chiều và khiến cho cửa số 1 thông với cửa số 4. Trong khi đó thì cửa số 2 thông với cửa số 3. Riêng cửa số 5 sẽ bị chặn lại.
f. Xi lanh
Xi lanh khí nén là một thiết bị cơ học, sử dụng khí nén để tạo ra cơ năng nhằm phục vụ cho mục đích sử dụng của con người
Xi lanh khí nén hay còn được gọi là ben khí nén, là một thiết bị cơ được vận hành bằng khí nén. Cụ thể, xi lanh hoạt động bằng cách chuyển hóa năng lượng của khí nén thành động năng, làm cho piston của xi lanh chuyển động theo hướng mong muốn, thông qua đó truyền động đến thiết bị.
Có thể phân thành 2 loại cơ bản như sau:
- Xi lanh tác động đơn: Đây là loại xi lanh sử dụng khí nén để dịch chuyển piston xi lanh dịch chuyển theo hướng nhất định.
Xi lanh tác động kép: Đây là loại xi lanh cho phép ứng dụng lực đẩy khí nén 2 hướng hành trình di chuyển, cơ cấu dẫn động có thanh đẩy ở hai đầu piston.
Hình 4.13 Xi lanh khí nén
g. Cảm biến
Cảm biến hồng ngoại hay còn gọi là IR Sensor, là thiết bị điện tử có khả năng đo và phát hiện bức xạ hồng ngoại trong môi trường.
Nguyên lý hoạt động: mắt phát hồng ngoại sẽ phát ra sóng ánh sáng có bước sóng hồng ngoại, ở mắt thu bình thường thì có nội trở rất lớn, khi mắt thu bị tia hồng ngoại chiếu vào thì nội trở của nó giảm xuống, từ đó có thể chế tạo thành cảm biến.
Cảm biến hồng ngoại có thể chỉnh khoảng cách báo mong muốn thông qua biến trở.
Hình 4.14 Cảm biến hồng ngoại E3F – DS30P1 PNP
❖ Thông số kỹ thuật:
˗ Chất liệu : Nhựa.
˗ Chiều dài : 70mm.
˗ Đường kính mắt hồng ngoại : 18mm.