HỆ THỐNG tự ĐỘNG PHÂN LOẠI cá , có CODE

Giúp cho việc quản lý và giám sát trở nên rất đơn giản, bởi vì nó không những thay đổi điều kiện làm việc của công nhân mà còn có thể giảm số lượng công nhân đến mức tối đa.Cảm biển cân

THEO CÂN NẶNG SỬ DỤNG PLC, CÓ

CODE

1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1.1 Hệ thống phân loại tự động là gì ? 11.1.2 Nhu cầu thực tiễn của hệ thống 1

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 7

2.5.3 Nguyên lí hoạt động 18

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 193.1 Các thiết bị sử dụng trong đồ án 19

CHƯƠNG 4 GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN 28

4.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống 28

4.3.1 Kết nối PLC với WinCC Runtime Advanced 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

4

Hình 2.2: Cảm biến Loadcell 5kg 7Hình 2.3: Công thức tính giá trị Loadcell 8Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của Loadcell 10Hình 2.5: Cảm biến quang điện hồng ngoại 11Hình 2.6: Cấu tạo cảm biến quang hồng ngoại 12Hình 2.7: Nguyên lí hoạt động cảm biến quang hồng ngoại 12

Hình 2.9: Động cơ bước ( Step motor) 14

Hình 2.11: Nguyên lí hoạt động động cơ bước 16

Hình 3.3: Sơ đồ đấu dây khối tính hiệu analog 22Hình 3.4: Sơ đồ đấu dây cảm biến quang với PLC 22Hình 3.5: Sơ đồ đấu dây motor với driver 23Hình 3.6: Sơ đồ đấu dây arduino với driver 23Hình 3.7: Sơ đồ đấu dây nút nhấn và công tắc với PLC 24Hình 3.8: Sơ đồ đấu dây đèn báo với PLC 24Hình 3.9: Tổng thể mô hình thi công 25

Hình 5.2: Bảng chỉnh chế độ và đèn báo 36

Hình 5.5: Hoàn thành phân loại sản phẩm nhẹ 39

5

2 Nhu cầu thực tiễn của hệ thống

Ở các doanh nghiệp chế biến cá ngừ, trước khi nhập kho, cá được phân loại và thống kê để phục vụ cho việc lập kế hoạch sản xuất Hiện tại, khâu phân loại cá ở các công ty trong nước được công nhân cân thủ công bằng cân bàn điện tử Quá trình phân loại cá như vậy gây tốn nhiều nhân công, làm tăng chi phí sản xuất; thời gian cá chờ đợi nhập kho lâu, làm giảm chất lượng sản phẩm do bị rã đông

Để giải quyết những khó khăn đó, em đã tiến hành nghiên cứu tài liệu, thiết kế và

thi công mô hình “ hệ thống phân loại cá theo khối lượng” Hệ thống phân loại sản

phẩm hoạt động trên nguyên lý dùng cảm biến khối lượng để xác định khối lượng của sản phẩm

Ưu điểm của hệ thống:

Giảm sức lao động, tránh được sự nhàm chán trong công việc, cải thiện được điều kiện làm việc của con người, tạo cho con người tiếp cận với sự tiến bộ của khoa học

kỹ thuật

Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm, cũng như thay đổi mẫu mã một cách nhanh chóng

Giúp cho việc quản lý và giám sát trở nên rất đơn giản, bởi vì nó không những thay đổi điều kiện làm việc của công nhân mà còn có thể giảm số lượng công nhân đến mức tối đa.

Cảm biển cân nặng Loadcell

Cảm biến quang hồng ngoại

Động cơ bước

Arduino

Phần mềm Tia Portal V16

4 Phạm vi nghiên cứu

Hệ thống phân loại sản phẩm là một đề tài đã được nghiên cứu từ lâu Nhưng vì đây

là một đồ án môn học nên chỉ giới hạn trong phòng học, phòng thí nghiệm Hệ thống điều khiển PLC, cơ cấu phân loại sản phẩm điều khiển vị trí dựa vào động cơ bước

1 Giới thiệu tổng quan

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

Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ Sau khingười dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng CPU giám sát các ngõ vào

và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc truyền thông với các thiết bị thông minh khác

Hình 2.1: Model: 6ES7212-1AE40-0XB0 – PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC

3 Tính năng và dung lượng

Đơn pha: 3 tại 100 kHz, 1 tại 30 kHz

Vuông pha: 3 tại 80 kHz, 1 tại 20 kHz

Các ngõ ra xung: 2

Thẻ nhớ: thẻ nhớ SIMATIC (tuỳ chọn)

Thời gian lưu giữ đồng hồ thời gian thực: thông thường 10 ngày/ ít nhất 6 ngày tại 400C

PROFINET: 1 cổng truyền thông Ethernet

Tốc đô thực thi tính toán thực: 18 us/lệnh

Tốc độ thực thi Boolean: 0.1 us/lệnh

Các chức năng cơ bản như logic nhị phân, phân bổ kết quả, lưu, đếm, tạo thời gian, tải, truyền, so sánh, dịch chuyển, xoay, tạo phần bổ sung, gọi chương trình con (với các biến cục bộ)

Các lệnh giao tiếp tích hợp (ví dụ: giao thức USS, Modbus RTU, giao tiếp hoặc Freeport)

Các chức năng thân thiện với người dùng như điều chế độ rộng xung, chức năng chuỗi xung, chức năng số học, số học dấu phẩy động, điều khiển vòng kín PID, chức năng nhảy, chức năng vòng lặp và chuyển đổi mã

Các hàm toán học, ví dụ: SIN, COS, TAN, LN, EXP

Chức năng đếm thân thiện với người dùng kết hợp với bộ đếm tích hợp và các lệnh đặc biệt cho bộ đếm tốc độ cao mở ra các lĩnh vực ứng dụng mới cho người dùng.Các ngắt được kích hoạt theo cạnh (được kích hoạt bằng cách tăng hoặc giảm các cạnh của tín hiệu quy trình trên đầu vào ngắt) hỗ trợ phản ứng nhanh chóng với các

sự kiện của quy trình

Ngắt bộ đếm có thể được kích hoạt khi đạt đến điểm đặt hoặc khi hướng đếm thay đổi

Ngắt giao tiếp cho phép trao đổi thông tin nhanh chóng và dễ dàng với các thiết bị ngoại vi như máy in hoặc máy đọc mã vạch

Ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng như:

Hệ thống băng tải

Điều khiển đèn chiếu sáng

Điều khiển bơm cao áp

Máy đóng gói

Cảm biến tải trọng là một bộ cảm biến được sử dụng để tạo ra một tín hiệu điện có

độ lớn tỷ lệ thuận với lực đo được Có nhiều loại cảm biến tải trọng khác nhau bao gồm thủy lực, khí nén và biến dạng

Cảm biến cân Loadcell là cảm biến có thể chuyển đổi một lực, trọng lượng thành một tín hiệu điện Giá trị tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ Loadcell điện trở làm việc dựa vào nguyên lý áp lực – trở kháng Khi một tải trọng, một lực tác động lên cảm biến sẽ làm trở kháng thay đổi Sự thay đổi trở kháng này dẫn đến dự thay đổi điện áp đầu

ra khi điện áp đầu vào được cấp

Cảm biến loadcell được ứng dụng rộng rãi trong đời sống như: đo khối lượng của vật, phân phối đều trọng lượng sản phẩm trong các dây truyền tự động hóa, đo trọnglượng xe tải…

Hình 2.2: Cảm biến Loadcell 5kg

2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần là: Strain gage và Load Một loadcell thường bao gồm các strain gage được dán vào bề mặt của thân loadcell Thân loadcell là một khối kim loại đàn hồi và tùy theo từng loại loadcell và mục đích sử dụng loadcell, thân loadcell được thiết kế nhiều hình dạng khác nhau, chế tạo bằng nhiều vật liệu khác nhau (nhôm hợp kim, thép không gỉ…)

Strain gage là một điện trở đặc biệt, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn ổn định

Load là một thanh kim loại có tính đàn hồi

Hình 2.3: Công thức tính giá trị Loadcell

R = Điện trở strain gauge (Ohm)

L = Chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m)

A = Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2)

r= Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge

Khi dây kim loại bị lực tác động sẽ thay đổi điện trở

Khi dây bị lực nén, chiều dài strain gauge giảm, điện trở sẽ giảm xuống

Khi dây bi kéo dãn, chiều dài strain gauge tăng, điện trở sẽ tăng lên

Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động

Thông số kĩ thuật :

Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp

Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được

Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra Loadcell được bù vào, nếu nằm ngoàikhoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kĩ thuật được đưa ra

Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống được độ ẩm và bụi)

Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thường đưa ra giá trị lớn nhất

Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà Loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng

Giá trị ra: kết quả đo được (đơn vị: mV)

Trở kháng đầu ra: cho dưới dạng trở kháng được đo giữa Ex+ và EX- trong điều kiện load cell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải

Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vượt quá (ví dụ: 125% công suất)

Hệ số tác động của nhiệt độ: Đại lượng được đo ở chế độ có tải, là sự thay đổi công suất củaLoadcell dưới sự thay đổi nhiệt độ, (ví dụ: 0.01%/10°C nghĩa là nếu nhiệt

dộ tăng thêm 10°C thì công suất đầy tải của Loadcell tăng thêm 0.01%)

Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống như trên nhưng đo ở chế độ không tải

Nguyên lý hoạt động:

Một điện áp được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác

Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), dẫn đến sự thay đổi về chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gage -> thay đổi giá trị điện trở -> thay đổi điện áp đầu ra

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của Loadcell

Lưu ý: Hành động như đặt đột ngột hay thảy vật cân có khối lượng cân nặng lên bàncân rất dễ làm cho thanh kim loại bị biến dạng đột ngột làm cân sẽ không chính xác

và mau hỏng Strain Gauge Không nên cân một vật có khối lượng lớn vượt qua khỏithang đo của cân

3 Cảm biến quang hồng ngoại

(cách nhau bởi một lăng kính), ông nhận thấy rằng nhiệt độ vượt ra ngoài ánh sáng

đỏ là cao nhất IR Sensor là vô hình đối với mắt người, vì bước sóng của nó dài hơnánh sáng khả kiến (mặc dù nó vẫn nằm trên cùng một phổ điện từ) Bất cứ thứ gì phát ra nhiệt (mọi thứ có nhiệt độ trên năm độ Kelvin ) đều phát ra bức xạ hồng ngoại

Hình 2.5: Cảm biến quang điện hồng ngoại

Có hai loại cảm biến hồng ngoại: chủ động và thụ động Cảm biến hồng ngoại hoạt động cả phát ra và phát hiện bức xạ hồng ngoại Cảm biến hồng ngoại chủ động có hai phần: diode phát sáng (LED) và máy thu Khi một vật thể đến gần cảm biến, ánhsáng hồng ngoại từ đèn LED sẽ phản xạ khỏi vật thể và được người nhận phát hiện Cảm biến hồng ngoại hoạt động đóng vai trò là cảm biến tiệm cận và chúng thường được sử dụng trong các hệ thống phát hiện chướng ngại vật (như trong robot)

2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

Cảm biến hồng ngoại hoạt động bằng cách sử dụng một cảm biến ánh sáng cụ thể

để phát hiện bước sóng ánh sáng chọn trong phổ hồng ngoại (IR)

Bằng cách sử dụng đèn LED tạo ra ánh sáng có cùng bước sóng với cảm biến đang tìm kiếm, bạn có thể xem cường độ của ánh sáng nhận được Khi một vật ở gần cảmbiến, ánh sáng từ đèn LED bật ra khỏi vật thể và đi vào cảm biến ánh sáng Điều

này dẫn đến một bước nhảy lớn về cường độ, mà chúng ta đã biết có thể được phát hiện bằng cách sử dụng một ngưỡng.

Hình 2.6: Cấu tạo cảm biến quang hồng ngoại

Hình 2.7: Nguyên lí hoạt động cảm biến quang hồng ngoại

4 Arduino Uno

Thông số kỹ thuật:

Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nói tới chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3)

Hình 2.8: Arduino Uno R3 Bàng 2.1: Thông số kỹ thuật của Arduino Uno

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bitĐiện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Dòng tiêu thụ khoảng 30mAĐiện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Động cơ bước là một loại động cơ sử dụng điện nhưng có nguyên lý và ứng dụng

vô cùng khác biệt so với các loại động cơ điện 1 pha và động cơ điện 3 pha thông thường

Thực chất, đây là một loại động cơ đồng bộ, có khả năng biến đổi các tín hiệu điều khiển của máy móc dưới dạng các xung điện rời rạc được phát ra kế tiếp nhau, tạo thành các chuyển động góc quay Đôi khi chính là các chuyển động của rôto, giúp cho người dùng cố định roto của máy vào trong các vị trí cần thiết

Hình 2.9: Động cơ bước ( Step motor)

Nói chung, động cơ bước (motor bước) là một loại động cơ mà các bạn có thể quy định được tần số góc quay của nó Nếu góc bước của nó càng nhỏ thì số bước trên

mỗi vòng quay của động cơ càng lớn và độ chính xác của vị trí chúng ta thu được càng lớn

Các góc bước của động cơ có thể đạt cực đại là 90 độ và cực tiểu đến 0,72 độ Tuy nhiên, các góc bước của động cơ thường được sử dụng phổ biến nhất là góc 1,8 độ, góc 2,5 độ, góc 7,5 độ và góc 15 độ

Cấu tạo của động cơ bước gồm: Rotor và stato

Rotor thực ra chính là một dãy các lá nam châm vĩnh cửu, chúng được sắp xếp chồng lên nhau một cách kỹ lưỡng, cẩn thận Trên các lá nam châm này lại được chia thành các cặp cực sắp xếp đối xứng với nhau

Stato được cấu tạo bằng sắt từ, chúng được chia thành các rãnh nhỏ để đặt cuộn dây

Hình 2.10: Cấu tạo động cơ bước

Thông số kỹ thuật:

Rated Current/ phase (dòng tiêu thụ tối đa của mỗi pha): 2.0 A

Phase Resistance (điện trở của từng pha):1.4 Ω

Voltage (hiệu điện thế dòng điện): 2.8 V

3 Nguyên lí hoạt động

Nguyên lý hoạt động động cơ bước không quay theo các cơ chế thông thường, bởi

vì Step motor quay theo từng bước một, cho nên nó có một độ chính xác cao, đặc biệt là về mặt điều khiển học

Động cơ motor bước làm việc nhờ vào hoạt động của các bộ chuyển mạch điện tử Các mạch điện tử này sẽ đưa các tín hiệu của lệnh điều khiển chạy vào stato theo số thứ tự lần lượt và một tần số nhất định

Tổng số góc quay của từng con rotor tương ứng với số lần mà động cơ được chuyểnmạch Đồng thời, chiều quay và tốc độ quay của con rotor còn phụ thuộc vào số thứ

tự chuyển đổi cũng như tần số chuyển đổi của nó

Hình 2.11: Nguyên lí hoạt động động cơ bước

6 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

1 Các thiết bị sử dụng trong đồ án

Bảng 3.1: Các thiết bị cần sử dụng

STT Tên thiết bị Hình ảnh

2 Sơ đồ đấu dây

1 Sơ đồ khối tổng quát

Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quát

2 Khối xử lí trung tâm (PLC)

Hình 3.2: Sơ đồ đấu dây PLC

3 Khối tính hiệu analog

Hình 3.3: Sơ đồ đấu dây khối tính hiệu analog

4 Khối nhận diện sản phẩm

Hình 3.4: Sơ đồ đấu dây cảm biến quang với PLC

5 Khối điều khiển phân loại sản phẩm

Hình 3.5: Sơ đồ đấu dây motor với driver

Hình 3.6: Sơ đồ đấu dây arduino với driver

6 Khối đèn báo

Hình 3.7: Sơ đồ đấu dây nút nhấn và công tắc với PLC

7 Khối đèn báo

Hình 3.8: Sơ đồ đấu dây đèn báo với PLC

3 Mô hình tổng thể

Hình 3.9: Tổng thể mô hình thi công

7 GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN

1 Lưu đồ giải thuật

Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật

2 Nguyên lý làm việc của hệ thống

Khi cấp nguồn cho hệ thống Nhấn công tắc chọn chế độ Auto ( điều khiển tự động )/ Manual ( điều khiển bằng thay )

đã dược lập trình sẵn thì khi sản phẩm đi tới vị trí của cần gạt nào thì cảm biến quang hồng ngoại sẽ phát hiện và phát tính hiệu khởi động cần gạt để gạt sản phẩm

ra khỏi băng tải

Khi đã phân loại xong sản phẩm thì tiếp được đặt sản phẩm vào vị trí cân và tiếp tụcquy trình tự động của hệ thống

3 Viết chương trình PLC

1 Kết nối PLC với WinCC Runtime Advanced

2 Các biến khai báo

Khai báo input:

Khai báo output :

Dùng các biến vùng nhớ M để mô phỏng trên HMI:

Khai báo các biến set khối lượng:

3 Chương trình hệ thống

Chương trình chính:

Chế độ Manual: