HỆ THỐNG PHÂN LOẠI sản PHẨM THEO CHIỀU CAO, có CODE, s7 1500

Hiện nay Đất nước ta đang trongquá trình phát triển và hội nhập, chính vì thế các mặt hàng được sản xuất ra không nhữngđạt tiều chuẩn về chất lượng, mà còn đòi hỏi phải có độ chính xác c

HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO

CHIỀU CAO, CÓ CODE

CÁC TỪ VIẾT TẮT

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Giới thiệu đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng nghiên cứu 2

1.4 Phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Dự kiến kết quả 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1.Hệ thống điều khiển PLC 3

2.1.1 Khái niệm 3 2.1.2 Ưu điểm của PLC 3 2.1.3 Cấu trúc của PLC 4 2.1.4 Nguyên lý hoạt động 5 2.2.Hệ thống SCADA 6

2.2.1 Khái niệm 6

2.2.2 kiến trúc SCADA cơ bản 6

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 8

3.1.Sơ đồ khối của hệ thống 8

3.1.1 Khối PLC S7- 1200 9

3.1.2 Khối giám sát (SCADA) 10

3.1.3 Khối cơ sở dữ liệu SQL 1 0 3.1.4 Khối mô phỏng 12

3.1.5 Khối tín hiệu 13

3.1.6 Khối chấp hành 1 5 3.2.Thiết kế dữ liệu cho hệ thống 17

3.2.1 Dữ liệu cho toàn hệ thống trên TIA Portal Version 15 17

3.2.2 Dữ liệu quản lí số lượng sản phẩm trên SQL Se r ver 2014 19

3.3.Thiết kế phần mềm 20

3.3.1 Thiết kế giao diện SCADA điều khiển và giám sát hệ thống 20

3.3.2 Thiết kế mô hình 3D của hệ thống trên phần mềm Factory IO 24

CHƯƠNG 4 GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN 25

4.1.Nguyên lý làm việc của hệ thống 25

4.2.Lưu đồ giải thuật 26

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM 27

5.1.Các bước tiến hành thực nghiệm 27

5.2 Kết quả thực nghiệm 28

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 31

6.1.Ưu điểm 31

6.2.Nhược điểm 31

6.3.Hướng phát triển 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

Phụ lục 1: Chương trình PLC xiii

MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Cấu trúc của PLC 4

Hình 2.2 Hệ thống SCADA 6

Hình 2.3 Kiến trúc SCADA 7

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 8

Hình 3.2 6ES7 214-1AG40-0XB0 9

Hình 3.3 Cấu hình SCADA 10

Hình 3.4 SQL Server 2014 11

Hình 3.5 Cấu hình giao tiếp ODBC 11

Hình 3.6 Phần mềm Factory IO 12

Hình 3.7 Các kết nối Factory IO với bộ điều khiển 13

Hình 3.8 Cảm biến quang thu phát chung – khuyếch tán 13

Hình 3.9 Cảm biến quang phản xạ gương 14

Hình 3.10 Nút nhấn 15

Hình 3.11 Nút vặn 15

Hình 3.12 Băng tải thẳng và cong 16

Hình 3.13 Xilanh khí nén 16

Hình 3.14 Đèn cảnh báo 17

Hình 3.15 Còi báo động 17

Hình 3.16 Dữ liệu toàn hệ thống trên TIA Portal Version 15 19

Hình 3.17 Dữ liệu quản lí số lượng sản phẩm trên SQL Se r ver 2014 19

Hình 3.18 Mô phỏng kết nối PLC với SCADA 20

Hình 3.19 Giao diện đăng nhập 20

Hình 3.20 Giao diện hệ thống điều khiển và giám sát 21

Hình 3.21 Giao diện bảng thống kê số lượng sản phẩm 21

Hình 3.22 Giao diện bảng thống kê lỗi của hệ thống 22

Hình 3.23 Giao diện biểu đồ nhiệt độ động cơ 22

Hình 3.24 Giao diện kiểm soát người dùng 23

Hình 3.25 Mô hình 3D của hệ thống ở mặt đứng 24

Hình 3.26 Mô hình 3D của hệ thống ở mặt bằng 24

Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật 26

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu đề tài

Hiện nay đất nước ta đang trong quá trình Công nghiệp hóa, hiện đại hóa Chính vìvậy có rất nhiều khu công nghiệp đã và đang được hình thành với nhiều dây chuyền thiết

bị hoạt động hiện đại cùng với sự đầu tư và góp vốn đến từ các nước khác trên thế giới

Sự kết hợp giữa ngành điện – điện tử và ngành cơ khí là một bước tiến quan trọngtrong sự phát triển của tự động hóa trong công nghiệp Hiện nay Đất nước ta đang trongquá trình phát triển và hội nhập, chính vì thế các mặt hàng được sản xuất ra không nhữngđạt tiều chuẩn về chất lượng, mà còn đòi hỏi phải có độ chính xác cao về hình dạng, kíchthước, trọng lượng…Cho nên từ đó các khu công nghiệp được hình thành với nhiều dâychuyền thiết bị máy móc hiện đại để phối hợp với nhu cầu sản xuất, để tạo ra năng suấtcao hơn trong quá trình sản xuất Trong các Nhà máy, các sản phẩm được sản xuất ratrước khi được xuất xưởng thì phải trải qua nhiều giai đoạn kiểm tra sản phẩm Tuỳ theosản phẩm được sản xuất ra mà nó phải được kiểm tra qua các khâu khác nhau, chẳng hạnnhư kiểm tra về chất lượng, kích thước, hình dạng, hoặc trọng lượng …Trong đề tài này,

em xin thực hiện việc : “ Ứng dụng PLC S7-1200 trong phân loại sản phẩm theo chiềucao” Đề tài này sẽ giúp cho em phần nào hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của các dâychuyền thiết bị được dùng trong việc phân loại sản phẩm, đồng thời ứng dụng PLC vàoviệc điều khiển chúng, cũng như các hệ thống băng chuyền

Đề tài này được trình bày theo dạng mô hình mô phỏng trên phần mềm Nên trongquá trình thực hiện luận văn này không tránh khỏi những sai sót Kính mong quý Thầy Côgóp ý để em hoàn thiện tốt hơn nữa

(Siemens) với hệ thống băng chuyền để điều khiển và PC của máy tính để lập trìnhcũng như giả lập SCADA.

- Đồng thời tìm hiểu thêm kiến thức về phần mềm mô phỏng 3D hệ thống Factory IO

- Cuối cùng là kết nối và quản lí dữ liệu với phần mềm SQL Sever 2014

1.3 Đối tượng nghiên cứu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Hệ thống điều khiển PLC

2.1.1 Khái niệm

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trìnhđược (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thôngqua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạttrình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào)tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sựkiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế PLC hoạtđộng theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi

ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladderhay State Logic Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell…

Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiểnbên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp”trong chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu

ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình

2.1.2 Ưu điểm của PLC

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiểnbằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:

• Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

• Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

• Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

• Giá cả cá thể cạnh tranh được

• PLC hiện nay được chế tạo và cải tiến gọn nhẹ để người dùng có thể dễdàng bảo quản và sửa chữa

• Các PLC đời mới hiện nay có các Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứađược những chương trình phức tạp nhiều đầu In và Out.

• PLC hiện nay được cải tiến qua nhiều năm nên có thể hoàn toàn tin cậytrong môi trường tủ bảng điện công nghiệp

• Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng,các môi Modul mở rộng đáp ứng được cuộc cách mạng công nghiệp 4.0

2.1.3 Cấu trúc của PLC

Hình 2.1 Cấu trúc của PLC

Tất cả các PLC đều có thành phần chính là: Một bộ nhớ chương trình RAM bêntrong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM) Một bộ vi xử lý có cổnggiao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC, các module I/O

Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trìnhbằng tay hay bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để

chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lập trình làđơn vị xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chươngtrình đã được kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC Đốivới các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc vàkiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422,RS485, …

2.1.4 Nguyên lý hoạt động của PLC

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm trachương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trongchương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới cácthiết bị liên kết để thực thi Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vàochương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ

Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tínhiệu song song:

• Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau

• Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu

• Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểukhiển đồng bộ các hoạt động trong PLC

Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thôngqua Data Bus Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phéptruyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song

Nếu một modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽchuyển tất cả trạng thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu

ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Databus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt độngcủa PLC Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thờigian hạn chế

Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bêncạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1,8 MHz Xung này quyếtđịnh tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệthống.

2.2 Hệ thống SCADA

2.2.1 Khái niệm

SCADA (viết tắt tiếng Anh: Supervisory Control And Data Acquisition) hiểutheo nghĩa truyền thống là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu.Nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa Theo định nghĩatrên thì SCADA là một hệ thống các yếu tố phần mềm và phần cứng cho phép các tổchức công nghiệp:

• Kiểm soát các quy trình công nghiệp tại local hoặc tại các địa điểm từ xa

• Theo dõi, thu thập và xử lý dữ liệu thời gian thực

• Tương tác trực tiếp với các thiết bị như cảm biến, van, máy bơm, động cơ vànhiều thứ khác thông qua phần mềm giao diện người-máy (HMI)

• Ghi sự kiện vào một file nhật ký hoặc CSDL

Hình 2.2 Hệ thống SCADA

2.2.2 Kiến trúc SCADA cơ bản

Mọi hệ thống SCADA đều có bốn thành phần chính sau:

• Giao diện quá trình hoạt động: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bịchuyển đổi và các cơ cấu chấp hành

• Trạm thu thập dữ liệu trung gian: là các khối thiết bị đầu cuối từ xa RTU(Remote Terminal Units) hoặc các khối điều khiển logic khả trình PLC(Programmable Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bịchấp hành

• Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, cácthiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền

dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ

• Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện người-máyHMI (Human Machine Interface)

Hình 2.3 Kiến trúc SCADA

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

3.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống

3.1.1 Khối PLC S7 – 1200

- Chức năng: là thiết bị lập trình dùng để điều khiển các hệ thống tự động hóatrong công nghiệp Cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic thôngqua ngôn ngữ lập trình như Ladder, State Logic hay Code C

- Linh kiện chính: 6ES7 214-1AG40-0XB0 – PLC S7-1200 CPU 1214CDC/DC/DC (Siemens).

• Khối lượng: 412g

• Hãng sản xuất: Siemens

3.1.2 Khối giám sát (SCADA)

- Chức năng: là chương trình thiết kế giao diện giao tiếp giữa máy tính và ngườidùng Chức năng chính là thu thập dữ liệu và giám sát hệ thống

- Sử dụng: WinCC Runtime Professional với chuẩn kết nối IE general để giaotiếp với PLC

Hình 3.3 Cấu hình SCADA

3.1.3 Khối cơ sở dữ liệu SQL

- Chức năng: là chương trình tạo, chỉnh sửa và lưu trữ cơ sở dữ liệu cho hệthống

● Phần mềm SQL Server 2014 Management Studio giúp quản lí và truy xuất

dữ liệu từ server

Hình 3.4 SQL Server 2014

● ODBC Data Source Administrator (kết nối cơ sở dữ liệu mở) giúp tạo kếtnối giữa SQL với phần mềm khác (ở đồ án này là giao tiếp SQL với TiaV15)

Hình 3.5 Cấu hình giao tiếp ODBC

3.1.4 Khối mô phỏng

- Chức năng: sử dụng phần mềm Factory IO để mô phỏng hệ thống ở định dạng3D

- Factory IO (version 2.4.3) là phần mềm mô phỏng hệ thống 3D rất trực quan

và hiện đại Hỗ trợ mô phỏng Process chuyên nghiệp với nhiều hãng PLC, thưviện đa dạng sát thực tế

Hình 3.6 Phần mềm Factory IO

- Các kết nối Factory IO với bộ điều khiển:

Hình 3.7 Các kết nối Factory IO với bộ điều khiển

Hình 3.8 Cảm biến quang thu phát chung – khuyếch tán

- Cảm biến quang điện khuếch tán có thể phát hiện bất kỳ vật thể rắn nào

● Đèn LED: màu đỏ (phát hiện)

● Vật liệu có thể phát hiện được: chất rắn

● Phạm vi cảm biến: 0 - 1,6 m

b) C m bi n quang ph n x gả ế ả ạ ương

Hình 3.9 Cảm biến quang phản xạ gương

- Không giống như các cảm biến khác, cảm biến retroreflective đòi hỏi mộtphản xạ Để hoạt động đúng, nó phải được liên kết với phản xạ Nó được trang

bị hai đèn LED cho biết sự liên kết chính xác (màu xanh lá cây) và trạng tháiphát hiện (màu vàng)

● Đèn LED màu xanh lá cây: phù hợp với phản xạ

● Đèn LED màu vàng: chùm ánh sáng không bị gián đoạn

● Vật liệu có thể phát hiện được: chất rắn

● Phạm vi cảm biến: 0 - 6 m

c) Nút nh nấ

● Nút Start: khởi động động cơ băng tải

● Nút Stop: dừng động cơ băng tải

● Nút Reset: khởi động lại toàn bộ hệ thống về ban đầu

● Nút Emergency Stop: dừng khẩn cấp

● Nút vặn: Chuyển qua lại giữa 2 chế độ tự động và bằng tay

a) Động cơ băng tải

Hình 3.12 Băng tải thẳng và cong

- Băng tải được sử dụng để vận chuyển hàng hóa tải trọng nhẹ Có thể đượcđiều khiển bởi các giá trị kỹ thuật số hoặc analog

3.2 Thiết kế dữ liệu cho hệ thống

3.2.1 Dữ liệu cho toàn hệ thống trên TIA Portal Version 15

Hình 3.17 Dữ liệu quản lí số lượng sản phẩm trên SQL Sever 2014

3.3 Thiết kế phần mềm

3.3.1 Thiết kế giao diện SCADA điều khiển và giám sát hệ thống

- Thiết kế trên phần mềm TIA Portal Version 15 với PLC S7-1200 1214C DC-DC kết nối với SCADA là Wincc Professional bằng cổng truyền thôngProfinet

DC-Hình 3.18 Mô phỏng kết nối PLC với SCADA

Hình 3.19 Giao diện đăng nhập

Hình 3.20 Giao diện hệ thống điều khiển và giám sát

Hình 3.21 Giao diện bảng thống kê số lượng sản phẩm

Hình 3.22 Giao diện bảng thống kê lỗi của hệ thống

Hình 3.23 Giao diện biểu đồ nhiệt độ động cơ

Hình 3.24 Giao diện kiểm soát người dùng

3.3.2 Thiết kế mô hình 3D của hệ thống trên phần mềm Factory IO

Hình 3.25 Mô hình 3D của hệ thống ở mặt đứng

Hình 3.26 Mô hình 3D của hệ thống ở mặt bằng

CHƯƠNG 4 GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN

4.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống

Nhấn nút “Start” thì đèn làm việc sẽ sáng, băng chuyền sẽ chạy và hệ thống bắt đầu hoạtđộng Sau đó sản phẩm sẽ được đưa lên băng chuyền

▪ Nếu cảm biến 1 phát hiện sản phẩm cao sẽ gửi tín hiệu về vùng nhớ PLC giúp tăng

số lượng sản phẩm cao lên 1 và cấp tín hiệu cho xilanh đẩy sản phẩm xuống thùng1

▪ Nếu cảm biến 2 phát hiện sản phẩm trung bình sẽ gửi tín hiệu về vùng nhớ PLCgiúp tăng số lượng sản phẩm trung bình lên 1 và cấp tín hiệu cho xilanh đẩy sảnphẩm xuống thùng 2

▪ Nếu cảm biến 3 phát hiện sản phẩm thấp sẽ gửi tín hiệu về vùng nhớ PLC giúptăng số lượng sản phẩm thấp lên 1 và cấp tín hiệu cho xilanh đẩy sản phẩm xuốngthùng 3

▪ Nếu sản phẩm không có cảm biến nào phát hiện được thì sản phẩm đó bị lỗi vàchạy tới cuối băng chuyền vào thùng 4

Sau mỗi 5s dữ liệu số sản phẩm sẽ được cập nhật trên SQL Sever 2014

Nhấn nút “Stop/ Emergency Stop” thì đèn làm việc sẽ tắt và toàn bộ hệ thống dừng hoạtđộng