HD1 lê văn nghĩa NGHIÊN cứu, THIẾT kế hệ THỐNG sấy rửa CHI TIẾT KIM LOẠI điều KHIỂN BẰNG PLC

Nắm bắt được tầm quan trọng của sự ra đời một hệ thống giúp tối ưu hóa thời gian và thay thế sức lao động của con người nhóm đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống sấy

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ - -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY RỬA CHI TIẾT

KIM LOẠI ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC

Nguyễn Thế Vũ 2018606153

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, cơ khí nói chung đóng một vai trò rất quan trọng Nhưng ngày nay với sự phát triển vượt bậc của công nghệ,

cơ khí truyền thống không thể mang lại hiệu quả cao trong nền kinh thế thị trường Chính

vì vậy xuất hiện một xu hướng mới trong công nghệ, đó là sự kết hợp giữa cơ khí, công nghệ thông tin và điện tử để hình thành một lĩnh vực mới - lĩnh vực cơ khí tự động hóa Trên thế giới, cơ khí tự động hóa đã xuất hiện khá lâu đời và phát triển rất mạnh nhưng tại Việt Nam đây là lĩnh vực mới và đang trong quá trình hình thành và phát triển Những năm trở lại đây, ngành cơ khí chế tạo đã Việt Nam đã có những bước tiến lớn, là một trong những ngành luôn dẫn đầu trong nền kinh tế và đã đạt được những thành tựu đáng

kể Cơ khí chế tạo trong nước cũng đã sản xuất, lắp ráp được hầu hết các chủng loại xe ôtô con, xe tải, xe khách; sản xuất xe máy đã có tỷ lệ nội địa hóa 85-95%, đáp ứng nhu cầu trong nước và xuất khẩu Tuy ngành cơ khí chế tạo đã có những chuyển biến tích cực nhưng vẫn còn tồn đọng những hạn chế nhất định như thời gian máy gia công vẫn chưa được tối ưu hóa, vẫn còn cần sự tham gia vận hành của người công nhân nhất là quá trình xử lý sản phẩm sau gia công Công nhân vẫn còn rửa các chi tiết sau gia công một cách thủ công, tiếp xúc trực tiếp với chất tẩy rửa… Nắm bắt được tầm quan trọng của sự ra đời một hệ thống giúp tối ưu hóa thời gian và thay thế sức lao động của con

người nhóm đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống sấy rửa chi tiết

kim loại điều khiển bằng PLC” Theo suốt quá trình thực hiện đề tài là sự chỉ dẫn tận

tình của thầy giáo Th.S Lê Văn Nghĩa Em xin trân thành cảm ơn thầy đã nhiệt tình

giúp đỡ bọn em thực hiện đề tài này Tuy vậy, dù đã cố gắng hết sức nhưng đồ án tốt nghiệp của chúng em vẫn còn nhiều thiếu sót nên rất mong được sự giúp đỡ và đóng

góp của thầy cô

Sinh viên thực hiện

Đỗ Đắc Cao Nguyễn Thế Vũ Triệu Văn Yên

MỤC LỤC

LỜI MỞĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 10

1.1 Các vấn đềđặt ra 10

1.2 Tổng quan đềtài 14

1.2.1 Các vấn đềtồn tại 14

1.2.2.Đặc điểm trên hệthống 16

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đềtài 16

1.3.1 Ý nghĩa khoa học 16

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn 17

1.4 Mục tiêu nghiên cứu đềtài 17

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 17

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 17

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 18

1.6 Phương pháp thực hiện đềtài 18

1.6.1 Cơ sởlý thuyết 18

1.6.2 Phương pháp thực nghiệm 18

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀMÁY RỬA CHI TIẾT CƠ KHÍ 19

2.1.Ứng dụng của hệthống trong sản xuất công nghiệp 19

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệthông sấy rửa 20

2.2.1 Nguyên lý làm việc chung 20

2.2.2.Lưu đồnguyên lý làm việccủa hệthống 20

2.3.1.Thông sốcủa hệ thống 21

2.3.2.Tính năng nổi bật của hệthống 21

2.3.3.Hóa chất tẩy rửa 22

2.3.4.Hệ thống điều khiển giảm sát 23

2.3.5 Bộ điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller, PLC 25

2.3.6 PLC Siemen S7-1200 27

2.3.7 Biến tần 29

2.3.8 Khởi động từ (Contactor) 31

2.3.9 Rơ le nhiệt 32

2.3.10 Rơ le trung gian 33

2.3.11 Aptomat 34

2.3.12 Màn hình HMI 34

2.3.13 Cảm biến nhiệt độ PT100 36

2.3.14 Cảm biến hồng ngoại 38

2.3.15 Cảm biến pH 40

2.3.16 Động cơ điện 41

2.3.17 Van cấp nước, công tắc áp suất 43

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 47

3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí 47

3.1.1 Cấu tạo của hệ thống cơ khí 47

3.1.2 Tính toán thiết kế cụm băng tải 53

3.1.3 Thiết kế cụm bồn rửa, cụm khí, cụm khung 59

3.1.4 Chọn cơ cấu chấp hành 59

3.1.5 Chọn van cấp nước, công tắc áp suất cho hệ thống 68

3.2 Mô hình hóa và hệ thống gia nhiệt thùng sạch 70

3.2.1 Sơ đồ khối và chức năng của từng khối 70

3.2.2 Mô hình gia nhiệt 71

3.2.3 Xác định hàm truyền của hệ thống 71

3.2.4 Thiết kế bộ điều khiển PID số theo phương pháp Ziegler- Nichols 73

3.2.5 Mô hình hóa mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink 75

3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển 79

3.3.1 Tính toán công suất, lựa chọn thiết bị đóng ngắt 79

3.3.2 Lựa chọn PLC 80

3.3.3 Lựa chọn biến tần 81

3.3.4 Bộ điều khiển nhiệt độ E5CC 85

3.3.5 Switch lan 87

3.3.6 Màn hình SIMATIC HMI TP700 Comfort 88

3.4 Thiết kế tủ điện 88

3.4.1 Layout tủ điện 88

3.4.2 Thiết kế mạch điện 89

3.5 Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển qua HMI 90

3.5.1 Thiết kế giao diện giám sát cho hệ thống 90

3.5.2 Thiết kế giao diện điều khiển cho hệ thống máy sấy rửa 93

3.5.3 Màn hình giám sát và điều khiển của hệ thống 102

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 104

1 Kết quả đạt được 104

2 Đánh giá 104

3 Hạn chế của đề tài 104

4 Phương pháp giải quyết và hướng phát triển đề tài 105

4.1 Phương pháp giải quyết 105

4.2 Hướng phát triển đề tài 105

Danh mục tài liệu tham khảo 106

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sản xuất cơ khí những năm đầu cuộc cách mạng công nghiệp 10

Hình 1.2 BộPLC đầu tiên được phát triển 11

Hình 1.3 Máy gia công CNC điều khiển PLC 12

Hình 1.4 Làm sạch chi tiết kim loại thủcông 12

Hình 1.5 Phương pháp rửa kim loại bằng chất điệndung 13

Hình 1.6 Máy rửa kim loại PTU–2400 của hãng sản xuất Trans–Potent 13

Hình 1.7 Máy rửa chi tiết máy móc DP–102 của hàng sản xuất DOK 14

Hình 1.8 Gia công CNC đạt độchính xác cao 15

Hình 1.9 Xưởng sản xuấtCNCtiêu thụđiện năng trong quá trình hoạt động 16

Hình 2.1 Sản phẩm rửa 21

Hình 2.2 Dung dịch rửa Eco Kleen Plus 22

Hình2.3 Ảnh minh họa hệthống SCADA 23

Hình2.4 Ảnh minh họa thành phần của một hệthống SCADA 24

Hình 2.5.Ảnh minh họa PLC của hãng Siemen 25

Hình 2.6.Ảnh minh họa CPU S7-1200 27

Hình 2.7 Các module mởrộng của S7-1200 28

Hình 2.8Ảnh minh họa nguyên lý làm việc cơ bản của biến tần 30

Hình 2.9.Ảnh minh họa bộkhởi động tửlắp cùng rơ le nhiệt 31

Hình 2.10 Rơ le nhiệt và sơ đồcấu tạo rơ le nhiệt 32

Hình 2.11.Ảnh minh họa Rơ le trung gian 33

Hình 2.12 Cấu tạo chung của Rơ le trung gian 33

Hình 2.13 Cấu tạo chung của Aptomat 34

Hình 2.14.Ảnh minh họa HMI 35

Hình 2.15 Cấu tạo Pt100 36

Hình 2.16 Nguyên lý hoạt động pt100 37

Hình 2.17.Bảng quy chiếu nhiệt độPt100 37

Hình 2.18 Cảm biến hồng ngoại 38

Hình 2.19 Cấu tạo cảm biến hồng ngoại 39

Hình 2.20 Nguyên lý hoạt động củacảm biến hồng ngoại 39

Hình 2.21 Cảm biến pH 40

Hình 2.22 Cấu tạo động cơ 3 pha 41

Hình 2.23 Cấu tạo van điện từ nước 43

Hình 2.24 Van điện từ khí nén 44

Hình 2.25 Công tắc áp suất nước 45

Hình 2.26 Cấu tạo công tắc áp suất nước 46

Hình 2.27 Công tắc áp suất khí 46

Hình 3.1 Cấu tạo của hệ thống máy sấy rửa 47

Hình 3.2 Cụm khung dưới 48

Hình 3.3 Cụm khung trên 49

Hình 3.4 Cụm băng tải 50

Hình 3.5 Cụm bồn chứa 51

Hình 3.6 Hệ thống Oil Skimmer 51

Hình 3.7 Hệ thống lọc dầu Oil Belt Skimmer 52

Hình 3.8 Động cơ 0.55kw băng tải 58

Hinh 3.9 Xích băng tải 59

Hình 3.10 Máy bơm rửa 60

Hình 3.11 Máy bơm lọc 61

Hình 3.12 Động cơ sấy SHD-6FII 61

Hình 3.13 Động cơ quạt hút sương CRM-H04-S23-B21 62

Hình 3.14 Cấu tạo của động cơ quạt hút hơi sương 63

Hình 3.15 Động cơ HFM-15R-160-T15 64

Hình 3.16 Quạt hút ly tâm CPL-2-2.5D 65

Hình 3.17 Heater MSHPW10 65

Hình 3.18 Cảm biến nhiệt độ Pt100-HM 66

Hình 3.19 Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK 67

Hình 3.20 Cảm biến pH GEC- PH485 67

Hình 3.21 Van điện từ đóng mở nước 68

Hình 3.22 Van điện từ VXD260NA 69

Hình 3.23 Công tắc áp suất nước SMC ISG031 69

Hình 3.24 Công tắc áp suất ISE30A 70

Hình 3.25 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động 70

Hình 3.26 Mô hình hệ thống 71

Hình 3.27 Đặc tính của gia nhiệt điện trở 72

Hình 3.28 Sơ đồ cấu trúc PID 73

Hình 3.29 Đáp ứng nấc của hệ hở dạng S 73

Hình 3.230 Đồ thị miêu tả đặc tính của hệ thống 74

Hình 3.31 Sơ đồ mô phỏng hệ thống gia nhiệt trên Matlab Simulink 75

Hình 3.32 Quá trình quá độ của hệ thống gia nhiệt khi chưa có PID 75

Hình 3.33 Các tính chất phản hồi của hệt thống 76

Hình 3.34 Sơ đồ mô phỏng hệ thống gia nhiệt trên Matlab Simulink khi có PID 76

Hình 3.35 Sơ đồ mô phỏng hệ thống gia nhiệt trên Matlab Simulink khi có PID 76

Hình 3.36 Đặc tính phản hồi của hệ thống khí có bộ PID 77

Hình 3.37 Phản hồi của hệ thống sau khi sử dụng tính năng Auto-tune trên Matlab 77

Hình 3.38 Bộ PID sau khi sử dụng tính năng Auto-tune trên Matlab 78

Hình 3.39 Ảnh minh họa biến tần Biến tần G120 CU250S-2PN 82

Hình 3.40 Minh họa kết cấu module của dòng biến tần G120 82

Hình 3.41 Module nguồn PM240-2 84

Hình 3.42 CU 250S-2PN Control Unit 84

Hình 3.43 Bảng điều khiển IOP-2-BT 85

Hình 3.44 Bộ điều khiển nhiệt độ E5CC-QX2ASM-802 85

Hình 3.45 Switch Lan 5 Ports 87

Hình 3.46 Màn hình SIMATIC HMI TP700 Comfort 88

Hình 3.47 Layout thiết bị trong tủ điện 89

Hình 3.48 3D tủ điện và tủ điều khiển 89

Hình 3.49 Nhận diện phần mềm TIA Portal V16 90

Hình 3.50 Tạo một dự án mới trên TIA Portal V16 91

Hình 3.51 Thêm các thành phần cần thiết vào dự án mới 92

Hình 3.52 Giao diện làm việc của dự án 92

Hình 3.53 Thêm màn hình HMI vào dự án trên phần mền HMI 93

Hình 3.54 Kết nối HMI với CPU 93

Hình 3.55 Tạo màn hình và thêm đối tượng vào màn hình 94

Hình 3.56 Thay đổi thuộc tính đối tượng 94

Hình 3.57 Thay đổi thuộc tính đối tượng 95

Hình 3.58 Thêm tính năng “Visibility” và “Movement” 95

Hình 3.59 Thêm các đối tượng “ Text” vào màn hình 96

Hình 3.60 Ảnh minh họa thay đổi thuộc tính đối tượng Text 96

Hình 3.61 Ảnh minh họa thêm đối tượng “Switch” vào màn hình 96

Hình 3.62 Ảnh minh họa điều chỉnh thuộc tính của Switch 97

Hình 3.63 Ảnh minh họa thêm đối tượng “I/O Filed” vào màn hình 97

Hình 3.64 Ảnh minh họa thay đổi thuộc tính của đối tượng I/O Filed 97

Hình 3.65 Ảnh minh họa thêm đối tượng Bar vào màn hình 98

Hình 3.66 Ảnh minh họa thay đổi thuộc tính của đối tượng Bar 98

Hình 3.67 Ảnh minh họa thêm đối tượng Gauge vào màn hình 98

Hình 3.68 Ảnh minh họa thay đổi thuộc tính của đối tượng Gauge 99

Hình 3.69 Ảnh minh họa tạo đối tượng đèn báo vào màn hình 99

Hình 3.70 Ảnh minh họa thay đổi thuộc tính của đối tượng đèn báo 99

Hình 3.71 Ảnh minh họa tạo đối tượng nút nhấn vào màn hình 100

Hình 3.72 Ảnh minh họa thay đổi thuộc tính của đối tượng nút nhấn 100

Hình 3.73 Gắn bit điều khiển cho nút nhấn 100

Hình 3.74 Ảnh minh họa thêm đối tượng Trend view vào màn hình 101

Hình 3.75 Ảnh minh họa thay đổi thuộc tính của đối tượng Trend view 101

Hình 3.76 Ảnh minh họa thêm đối tượng Alarm view vào màn hình 101

Hình 3.77 Ảnh minh họa thay đổi thuộc tính Alarm View 101

Hình 3.78 Ảnh minh họa các tạo và thiết kế Slide-in Screen Bottom cho hệ thống 102

Hình 3.79 Ảnh minh họa các thiết lập Slide-in Screen Bottom cho hệ thống 102

Hình 3.80 Các màn hình của hệ thống HMI 103

Hình 3.81 Các màn hình khác 103

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Module S7-1200 28

Bảng 3.1 Bảng phân phối tỷsốtruyền 55

Bảng 3.3 Bảng thống sốđộng cơ của nhà sản xuất 58

Bảng 3.4 Bảng tóm tắt một sốthông sốđộng cơ băng tải 58

Bảng 3.5 Bảng tóm tắt thông sốkỹthuật của đọng cơ bơm rửa 60

Bảng 3.12 Bảng tra cứu thông sốcủa động cơ bơm lọc 61

Bảng 3.13 Bảng tóm tắt thông sốkĩ thuậtđộng cơ 62

Bảng 3.14 Bảng thông sốđộng cơ quạt hút hơi sương 63

Bảng 3.15 Bảng tóm tắt thông sốđộng cơ Oil-Skimmer 64

Bảng 3.16 Bảng tóm tắt thông sốđộng cơ quạt ly tâm 65

Bảng 3.17 Bảng tóm tắt thông sốgia nhiệt 66

Bảng 3.18 Bảng tóm tắt thông sốký thuật cảm biến hồng ngoại 67

Bảng 3.19 Bảng tóm tắt thông sốkỹthuật của cảm biến PH 68

Bảng 3.20 Bảng tóm tắt thông sốcủa van đóng mởnước 68

Bảng 3.21 Bảng tóm tắt thông sốkỹthuật của van điện tử 69

Bảng 3.22 Bảng tóm tắt thông sốkỹthuật của công tắc áp suất nước 70

Bảng 3.23 Bảng tóm tắt thông sốkỹthuật của công tắc áp suất khí 70

Bảng 3.24 Lựa chọn thông sốP, PI, PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 74

Bảng 3.25 Tính toán AC và chọn Contactor, rơ le nhiệt 79

Bảng 3.26 Lựa chọn thiết bịđóng cắt theo công suất AC tính toán 80

Bảng 3.27 Cấu hình đầu vào và ra của PLC theo yêu cầu của hệthống 80

Bảng 3.28 Cấu hình lực chọn PLC theo yêu cầu của hệthống 80

Bảng 3.29 Bảng tóm tắt thông sốkỹthuật của CPU s7-1215C DC/DC/DC 80

Bảng 3.30 Bảng tóm tắt thông sốmodule mởrộng SM 1223 16DI/16DQ DC/DC 81

Bảng 3.31 Bảng tóm tắtthông số kỹthuật Module nguồn PM240-2 84

Bảng 3.32 Bảng tóm tắt thông sốkĩ thuật CU 250S-2PN 85

Bảng 3.33 Bảng tóm tắt thông sốkĩ thuật của bộđiều khiển nhiệt độE5CC 86

Bảng 3.34 Bảng tóm tắt thông sốkĩ thuật của Switch Lan 87

Bảng 3.35 Bảng tóm tắt thông sốkĩ thuật của SIMATIC HMI TP700 Comfort 88

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Các vấn đề đặt ra

Từ những năm 60 của TK XIX, Cách mạng công nghiệp diễn ra đầu tiên ở Anh với sự mở đầu từ sự cơ giới hóa ngành dệt may, sau đó lan ra các nước khác như Pháp, Đức mang đến sự phát triển những nhà máy có quy mô sản xuất lớn Ban đầu, các nhà máy sử dụng năng lượng hơi nước rồi chuyển sang sử dụng năng lượng điện khi lưới điện hình thành

Từ cuối thế kỷ XIX, kéo dài đến đầu thế kỷ XX Một trong những đặc điểm đáng lưu ý trong nền đại công nghiệp là dây chuyền sản xuất hàng loạt máy móc dựa vào năng lượng điện Các nhà khoa học đã có những phát minh lớn về những công cụ sản xuất mới: máy tính, máy tự động và hệ thống máy tự động, người máy, hệ điều khiển tự động

và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp

Hình 1.1 Sản xuất cơ khí những năm đầu cuộc cách mạng công nghiệp

Năm 1968 đánh dấu sự ra đời của bộ PLC đầu tiên trên thế giới Trong suốt những năm sau đó, PLC không ngừng được cải tiến về chức năng và dần thay thế dần cho các thiết bị điều khiển cứng như các rơ le, cuộn hút và tiếp điểm

Hình 1.2 Bộ PLC đầu tiên được phát triển

Không bị bỏ lại trong đà phát triền của cách mạng công nghiệp, ngành công nghiệp

cơ khí cũng được ứng dụng tự động hóa sản xuất nhằm đáp ứng các nhu cầu của con người ngày càng cao hơn Công nghiệp cơ khí chế tạo đã có những phát triển vượt bậc

là ngành đi đầu trong công cuộc phát triển của mỗi quốc gia Từ những năm đầu của việc áp dụng những hệ thống điều khiển tự động vào sản xuất, ngành chế tạo cơ khí đã

có những thành tựu lớn, nổi bật nhất là các hệ thống máy CNC từ những năm 1940 đến

1950 của John T Parsons trong điều kiện cần gia công chính xác cho các chi tiết cơ khí Cho đến ngày nay, ngành cơ khí chế tạo vẫn luôn là ngành đi đầu trong lĩnh vực sản xuất Rất nhiều hệ thống máy móc được ra đời một trong số đó là hệ thống máy sấy rửa kim loại với việc tận dụng tối đa thời gian để hoàn thiện một sản phẩm cơ khí Trong sản xuất thực tế, khi hệ thống máy gia công chi tiết như máy phay, máy tiện, máy CNC đang rất phổ biến và trở nên không thể thiếu trong ngành cơ khí chế tạo, việc đưa ra một hệ thống tự động để xử lý các chi tiết sau khi gia công là điều hết sức cần thiết Sau khi gia công, các chi tiết kim loại sẽ dính nhiều dầu làm mát, bavia và bụi gia công, việc sử dụng một hệ thống làm sạch các chi tiết trước khi lắp ráp hoặc đóng gói là cần thiết Vì vậy hệ thống máy sấy rửa kim loại được ra đời đáp ứng nhu cầu cần thiết

đó Hệ thống có nhiều đặc điểm nổi bật về điều khiển tự động, sự tiện lợi, tối ưu hóa thời gian, công sức lao động Hệ thống máy sấy rửa kim loại đang ngày càng phát triển và có những bước tiến lớn dựa vào sự phát triển của điều khiển PLC, nhờ đó hệ

thống ngày càng hiện đại, tối ưu và đáp ứng được nhu cầu về độ chính xác, thời tối

ưu hóa thời gian để gia tăng sản lượng trong quá trình sản xuất

Hình 1.3 Máy gia công CNC điều khiển PLC

Do những yêu cầu khắt khe về độ chính xác trong gia công và lắp ghép các chi tiết kim loại, việc đảm bảo cho chi tiết kim loại sau gia công và trước khi đưa vào lắp đặp

là rất cần thiết để tránh những bụi bẩn, dầu mỡ hoặc các loại bavia của chi tiết làm lệch mối ghép

Hình 1.4 Làm sạch chi tiết kim loại thủ công

Từ những năm trước đây việc vệ sinh các chi tiết kim loại thường được làm thủ công bằng việc mài nhắn, cọ rửa bằng dung dịch chuyên dụng Cách làm như vậy thường mất thời gian, không loại bỏ được hết chất bụi bẩn, hao tốn nguyên liệu, tiêu tốn lượng nhân công lớn và có độ chính xác không cao, dễ xảy ra sai xót Những năm trở lại đây, ngành chế tạo cơ khí đã có những bước tiến mới trong chế tạo, gia công Cách vệ sinh trước gia công và sau lắp ráp cũng dần cải tiến với nhiều cách khác nhau như: ngâm chi

tiết trong dung dịch tẩy rửa, phương pháp phun xịt bằng vòi áp lực cao, phương pháp điện phân… Các phương pháp này đều đảm bảo được độ chính xác cao, vệ sinh sạch Tuy nhiên, các phương pháp đều được làm thủ công hoặc có sự hỗ trợ của một số loại máy móc và vẫn cần sự vận hành của nhiều nhân công Các phương pháp này vẫn chỉ là các phương pháp tách rời nhau, không tạo thành một hệ thống dây chuyền để tối ưu hóa thời gian Vậy vấn đề đặt ra là làm cách nào để tối ưu được thời gian, sức lao động mà vẫn đảm bảo độ chính xác và vệ sinh

Hình 1.5 Phương pháp rửa kim loại bằng chất điện dung

Đây là một bài toán đã được rất nhiều đơn vị công ty nghĩ tới như hệ thống máy rửa của

hãng sản xuất Trans – Potent

Hình 1.6 Máy rửa kim loại PTU – 2400 của hãng sản xuất Trans – Potent

Ưu điểm của hệ thống máy là nhỏ gọn độ chính xác cao, có thể điều khiển tự động Tuy nhiên, kích thước nhỏ gọn lại là nhược điểm của loại máy này Máy chỉ phù hợp cho những xưởng gia công vừa và nhỏ, đối với những xưởng gia công lớn thì hệ thống này không đủ để đáp ứng với khối lượng sản phẩm lớn lên đến hàng nghìn chi tiết Máy chỉ làm sạch chi tiết và không được trang bị hệ thống sấy khô sản phẩm sau rửa Một hệ thống máy rửa khác cũng gặp các vấn đề tương tự như của hãng Trans – Potent là hãng DOK

Hình 1.7 Máy rửa chi tiết máy móc DP – 102 của hàng sản xuất DOK

Từ những điểm trên, sau khi thảo luận và thống nhất, nhóm đồ án đã quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống sấy rửa chi tiết kim loại điều khiển bằng PLC” để khắc phục những vấn đề tồn tại của những sản phẩm trước đó và phát triển lên một hệ thống máy hoàn thiện hơn về cấu trúc chức năng, hệ thống điều khiển

1.2 Tổng quan đề tài

1.2.1 Các vấn đề tồn tại

Như đã đề cập đến ở phần trước, trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại máy rửa đến từ các hãng sản xuất khác nhau Tuy nhiên các hệ thống máy đó chưa đủ hoặc không đáp ứng được với nhu cầu sản xuất ở các nhà máy, công xưởng có quy mô lớn Vậy Hệ thống máy sấy rửa chi tiết kim loại nhóm đồ án thực hiện sẽ giải quyết những tồn đọng của các hệ thống máy trước đây, phát triển thêm những tính năng mới đề phù hợp nhất với những mô hình sản xuất lớn như nhà máy, xưởng gia công quy mô lớn

Trong các nhà máy, phân xưởng lớn, khối lượng hàng hóa sản xuất nhiều cụ thể là các chi tiết kim loại, chi tiết gia công cơ khí, sản lượng một ngày có thể lên tới hàng nghìn đến chục nghìn sản phẩm Theo báo cáo năm 2020 của Công ty TNHH TDB Hà Nội, đơn vị chuyên gia công các sản phẩm cơ khí chính xác phay CNC, tiện CNC, sản lượng dao động từ 10,000 ~ 100,000 chiếc mỗi tháng Với sản lượng lớn như vậy thì việc sử dụng những hệ thống máy rửa trên thị trường đều không đủ khả năng đáp ứng Các máy hiện có trên thị trường là những máy có công suất nhỏ phù hợp với các xưởng sản xuất vừa và nhỏ Vấn đề đặt ra là cần có một hệ thống máy có đủ khả năng, đủ công suất để đảm bảo về sản lượng gia công

Đối với những ngành đặc thù như ngành cơ khí chế tạo việc đảm bảo độ chính xác

về gia công là điều được đặt lên hàng đầu Hơn thế nữa, đảm bảo về nhiệt độ gia công,

độ ẩm môi trường cũng là yếu tố được quan tâm để tránh xảy ra hiện tượng làm biến đổi tính chất và kết cấu của vật liệu Nhất là đối với sản phẩm ở quá trình hậu gia công và tiền lắp ráp Việc đảm bảo nhiệt độ khi thực hiện sấy rửa là điều rất cần thiết Vấn đề tiếp theo được đặt ra đó là việc đảm bảo về nhiệt độ và chất lượng sản phẩm sau quá trình xử lý

Hình 1.8 Gia công CNC đạt độ chính xác cao

Một yếu tố cần đề cập đến đó là vấn đề điện năng trong quá trình vận hành máy Đối với hệ thống máy có công suất lớn, việc tiêu tốn nhiều điện năng là điều không tránh khỏi Theo báo cáo ngành điện năm 2021, lượng điện năng tiêu thụ tại các nhà máy sản xuất lớn lên đến 2,7-3 triệu kWh/tháng, việc điện năng tiêu thụ lớn như vậy là do các hệ thống máy với công suất lớn và điện năng tiêu hao Vậy vấn đề đặt ra tiếp theo đó là việc xử lý lượng điện năng tiêu hao trên mỗi máy sản xuất để tiết kiệm chi phí sản xuất

tiến đến giảm giá thành sản phẩm

Hình 1.9 Xưởng sản xuất CNC tiêu thụ điện năng trong quá trình hoạt động

Từ những vấn đề nếu trên, cần một hệ thống máy đảm bảo về công xuất làm việc,

độ chính xác về nhiệt độ, tiết kiệm điện năng Nhóm đồ án sẽ đưa ra những giải pháp, phương án để tối ưu nhất những vấn đề đã nêu ra trước đó

Hệ thống máy chi tiết sấy rửa kim loại gồm nhiều tính năng mới, đáp ứng nhu cầu

sử dụng của nhiều đối tượng đặc biệt tập trung vào các nhà máy, các xưởng gia công có quy mô lớn Hệ thống được phát triển thêm những tính năng mới như điều khiển hai chế

độ bằng tay và tự động, hệ thống lọc cặn bẩn, lọc váng dầu, điều chỉnh nhiệt độ nước, điều khiển van cấp nước tự động

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống máy sấy rửa chi tiết kim loại điều khiển bằng PLC”’ sẽ giải quyết các vấn đề tồn đọng ở những đời máy trước đây và phát triển

những tính năng mới nêu trên

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

thống máy trong chuỗi dây chuyền sản xuất ở các nhà máy, xưởng sản xuất có quy mô lớn nhận thấy đề tài mang tính thiết thực cao Một hệ thống máy đảm bảo sự liền mạch trong quá trình sản xuất

Đưa những hệ thống lập trình mới vào tự động hóa sản xuất như PLC, giúp các nhà máy công xưởng phát triển theo hướng tự động

1.4 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

- Nghiên cứu và xây dựng hệ thống hệ thống rửa sạch dầu mỡ bụi bẩn và sấy khô các chi tiết sau khi gia công cơ khí một các tự động hóa

- Nghiên cứu, thiết kế hệ thống lọc cặn và lọc váng dầu thải từ quá trình rửa sinh ra

- Điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống thông qua bộ điều khiển PLC, kiểm soát, giám sát quá trình hoạt động của hệ thống thông qua HMI

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu

- Trong các ngành công nghiệp, từ lâu tự động hóa đã được ứng dụng và không còn xa

lạ đối với chúng ta Đặc biệt là trong ngành công nghiệp sản xuất chi tiết máy, một ngành công nghiệp sản xuất đòi hỏi các sản phẩm sản xuất cần phải có độ chính xác cao, tối

ưu nhất về mặt thời gian và chi phí để đạt được lợi nhuận cao nhất trong kinh doanh Để làm được điều đó thì việc áp dụng máy móc, tự động hóa vào trong quá trình sản xuất

là không thể thiếu và chỉ có máy móc mới có thể đáp ứng được các yêu cầu thiết yếu để

có thể đạt được năng suất tốt nhất trong sản xuất

- Trong đề tài này chúng em nghiên cứu và phát triển một hệ thống rửa, sấy các chi tiết kim loại tự động Sau khi gia công, các chi tiết máy có thể còn dính ba via, bụi bẩn nên

nhiệm vụ của hệ thống là tự động làm sạch các ba via, bụi bẩn trên chi tiết máy đó

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu

- Về phạm vi không gian nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện thông qua khảo sát tình hình thực tế hiện nay rất cần một sản phẩm có thể làm sạch các chi tiết máy sau khi gia công một cách nhanh nhất, tiết kiệm chi phí nhất để mang lại lợi nhuận lớn nhất cho nhà sản xuất

- Phạm vi thời gian nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 8 tuần theo thời gian của môn học đồ án tốt nghiệp chuyên ngành cơ điện tử của trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

1.6 Phương pháp thực hiện đề tài

1.6.1 Cơ sở lý thuyết

- Tham khảo, tổng hợp kiến thức từ nhiều nguồn khác nhau như sách báo, trên internet và các tài liệu tham khảo

- Chọn lọc những giải pháp khả thi, hữu ích với đề tài

- Đưa ra ý tưởng xây dựng hệ thống máy sấy rửa chi tiết kim loại theo phương pháp thiết kế

hệ thống cơ điện tử

1.6.2 Phương pháp thực nghiệm

- Quan sát, phân tích các hệ thống sấy, rửa chi tiết kim loại đã được sử dụng trong thực tế

- Nghiên cứu giải bài toán tự động hóa cho dây chuyền

- Xây dựng lưu đồ thuật toán

- Thiết kế, mô hình hóa và mô phỏng quá trình hoạt động của hệ thống trên phần mềm PTC Elements, tối ưu hóa hệ thống trước khi chế tạo

- Xử lý số liệu, tính toán và viết báo cáo

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MÁY RỬA CHI TIẾT CƠ KHÍ

2.1 Ứng dụng của hệ thống trong sản xuất công nghiệp

Trong công nghiệp nói chung và công nghiệp cơ khí chế tạo nói riêng việc đảm bảo chất lượng trong sản xuất là điều luôn được đặt lên hàng đầu Tuy nhiên một doanh nghiệp chỉ đảm bảo về chất lượng thì không đủ để đáp ứng với điều kiện phát triển, hơn thế nữa doanh nghiệp phải quan tâm đến vấn đề sản lượng cũng như tốc độ sản xuất để đáp ứng được những điều kiện cạnh tranh trên thị trường

Như đã phân tích ở chương 1, việc thiết kế chế tạo một hệ thống máy sấy rửa cho các doanh nghiệp, nhà máy lớn là điều hết sức cần thiết Một hệ thống máy sấy rửa đảm bảo sự liền mạch liên tục giữa các khâu sản xuất đặc biệt là gia công

và lắp ráp Khi một chi tiết được gia công xong phải được xử lý bề mặt để đảm bảo tính chính xác, tính nguyên vẹn và tính thẩm mĩ

Hệ thống sẽ giải quyết hàng loạt vấn đề của mỗi nhà máy đang quan tâm nhất

là về chất lượng Hệ thống sẽ tăng khả năng chính xác, đảm bảo về chất lượng bề mặt của sản phẩm, đảm bảo tính thẳm mĩ và các thông số của mỗi chi tiết Khi xử

lý sản phẩm bằng cách truyền thống như ngâm trong dung dịch tẩy rửa, có thể sẽ làm biến đổi thành phần và tính chất của sản phẩm Hay sử dụng phương pháp mài để loại bỏ bavia sau gia công, công nhân phải được đào tạo chuyên nghiệp và lành nghề, chỉ một sơ xuất nhỏ cũng có thể hỏng bề mặt của sản phẩm Nhưng với

hệ thống máy sấy rửa thì việc sử dụng vòi phun nước áp lực cao vừa loại bỏ được bụi bẩn dầu mỡ, vừa loại bỏ được bavia gia công và đảm bảo sản phẩm được an toàn, chính xác, thẩm mĩ

Hệ thống giải quyết vấn đề về tốc độ và nhân lực cho các doanh nghiệp Theo điều tra từ các doanh nghiệp, thời gian xử lý một sản phẩm cơ khí sau gia công thường kéo dài trung bình 30s một sản phẩm Nhưng với hệ thống máy sấy rửa, cũng với thời gian đó nhưng sản lượng sẽ tăng gấp 20 lần tức là chỉ khoảng hơn 1s/ sản phẩm Nếu doanh nghiệp chỉ sản xuất số lượng ít thì việc tăng 20 lần sản lượng cũng không đáng kể nhưng với những doanh nghiệp lớn thì 20 lần là một

con số khổng lồ Tiếp theo nữa, để xử lý được một sản phẩm theo cách truyền thống thì phải cần số lượng công nhân lớn, ví dụ một doanh nghiệp có sản lượng

là 1000 sản phẩm/ ngày, thời gian là 30s/sản phẩm thì một ca làm việc không thể

xử lý hết lượng sản phẩm đó Nhưng với con số nhanh gấp 20 lần thì sẽ chỉ mất chưa đến 1 giờ để hệ thống máy rửa xử lý Như vậy sản lượng tăng mà vẫn đảm bảo được chất lượng sản phẩm

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thông sấy rửa

2.2.1 Nguyên lý làm việc chung

Công nhân sau khi hoàn thiện công đoạn cà via sẽ bỏ vào băng tải của máy rửa., van mở, sản phẩm được rửa sạch trong khoang rửa rồi chuyển qua khoang xì khí để làm sạch phoi Sau công đoạn rửa, gear ra đến đầu Output Công nhân tại vị trí đầu ra của máy lấy gear để check

Hệ thống rửa: gồm khoang chứa nước, thùng lọc, oil skimer Sau khi rửa, nước bẩn

sẽ được hồi về thùng bẩn, qua oil skimer vớt máng dầu Sau đó bơm hút lên thùng lọc, lọc xuống thùng sạch, bơm sẽ bơm lên khoang rửa để rửa Kết thúc một chu trình rửa hàng trăm sản phẩm trong khoảng 25s

Các chu trình còn lại

+ Sản phẩm được đưa qua buồng thổi để loại bỏ nước bám trên bề mặt sản phẩm + Sau đó sản phẩm được đưa vào buồng sấy để sấy khô sản phẩm

+ Cuối cùng sản được băng tải xích đưa ra ngoài đầu ra kết thúc chu trình

2.2.2 Lưu đồ nguyên lý làm việc của hệ thống

2.3 Đặc tính của hệ thống

2.3.1 Thông số của hệ thống

Với phương pháp tẩy rửa chi tiết cơ khí bánh răng, gear thông thường, sẽ cần rất nhiều nhân công để thao tác với lượng sản phẩm lớn Kéo theo thời gian và nhân lực phục vụ cho công đoạn làm sạch trước lắp ráp tăng lên Năng suất của cả dây chuyền sẽ

bị ảnh hưởng Với hệ thống rửa tự động, rửa chi tiết bánh răng công nghiệp do nhóm đồ

án thiết kế Năng suất và lợi nhuận của khách hàng sẽ tăng lên nhanh chóng Hơn nữa,

hệ thống rửa tự động được tích hợp các cụm tách dầu và lọc cặn đảm bảo máy vận hành

ổn định Và an toàn cho người vận hành

Sản phẩm rửa là các chi tiết kim loại có dạng trụ như bánh răng

Hình 2.1 Sản phẩm rửa

- Thông số kỹ thuật của máy rửa chi tiết bánh răng

• Vật liệu chế tạo máy: SUS201

• Kích thước máy: 2600(W) x 4700(L) x 2400(H)

• Chiều cao vận hành của máy: 1000 mm tính từ mặt sàn

• Điện điều khiển: DC 24V

• Yêu cầu nguồn khí: 0.4-0.6 MPa

2.3.2 Tính năng nổi bật của hệ thống

- Máy rửa được thiết kế chuyên dụng dùng để rửa các loại bánh răng với 3 chu trình rửa

và chu trình xì khô sử dụng dung dịch nước và dầu rửa

- Máy rửa chi tiết bánh răng có hai chế độ thao tác tự động và bằng tay Các nút hiển thị, hệ thống công tắc, đèn báo giúp người điều khiển dễ dàng nhận biết được các hoạt động của máy nhanh chóng, kịp thời

- Hệ thống bơm lọc, túi lọc, bộ vớt váng dầu (Oil skimmer) giúp tuần hoàn dung dịch rửa tiết kiệm tối đa dung dịch rửa

- Bộ hút hơi dầu (Mist collector) đảm bảo sức khỏe cho người lao động và môi trường xung quanh

2.3.3 Hóa chất tẩy rửa

- Hóa chất tẩy rửa là một phần không thể thiếu trong công nghiệp nhất là đối với ngành công nghiệp cơ khí chế tạo Hóa chất tẩy rửa có vai trò làm sạch bề mặt của sản phẩm, tẩy rửa dầu mỡ Cũng chính vì lý do đó hóa chất tẩy rửa với mỗi loại vật liệu khác nhau lại có những yêu cầu nghiêm ngặt để tránh làm ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm Thông thường trong sấy rửa kim loại người ta thường sử dụng các loại hóa chất có tính kiềm cao không gây ảnh hưởng đến bề mặt của kim loại cần vệ sinh Mức độ kiềm được khuyến cáo dùng có độ pH trong khoảng 8 đến 9.5

- Đối với hệ thống máy sấy rửa, việc sử dụng một loại hóa chất có tính chất tốt, đảm bảo

về chất lượng sản phẩm là hết sức cần thiết Với các vật liệu chế tạo sản phẩm thường

là thép, gang không gỉ thì mức pH của dung dịch rửa được yêu cầu là 8 đến 9

- Trên thị trường hiện nay cũng có rất nhiều những loại hóa chất tẩy rửa khác nhau như tẩy rửa kim loại, tẩy rửa xi măng và cũng có rất nhiều những sản phẩm tẩy rửa pha chế thô không qua kiểm định trôi nổi trên thị trường Với yêu cầu khắt khe về chất lượng việc tìm một dung dịch chính hãng để theo dõi các thông số là điều được quan tâm

- Sau khi nghiên cứu và tìm hiểu nhóm đồ án quyết định lựa chọn dung dịch tẩy rửa ECOK LEEN PLUS đến từ hãng MOLYGRAPH

Hình 2.2 Dung dịch rửa Eco Kleen Plus

- Dung dịch rửa có các thông số phù hợp với yêu cầu của máy rửa như:

+ Giá trị pH duy trì từ 8 đến 9.5

+ Có khả năng loại bỏ thông thường và đặc biệt tùy theo nồng phương pháp pha loãng Với làm sạch thông thường tỉ lệ dung dịch rửa với nước là 1: 25 đến 50 Với làm sạch đặc biệt tỉ lệ là 1:10

+ Loại bỏ được các tạp chất như mỡ, dầu, bụi bẩn, cặn hydrocacbon, sáp, bồ hóng, chất lỏng dập, vẽ và cắt, mỡ động vật, chất bôi trơn, carbon nhẹ, hắc ín, vết bẩn thực phẩm

và những thứ khác

2.3.4 Hệ thống điều khiển giảm sát

2.3.4.1 Hệ thống Scada

Hình 2.3 Ảnh minh họa hệ thống SCADA

SCADA (Supervisory control and data acquisition) là một hệ thống phần mềm và phần cứng cho phép các tổ chức công nghiệp:

- Kiểm soát các quy tình công nghiệp tại chỗ hoặc 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 và hơn thế nữa thông qua các phần mềm giao diện người – máy (HMI)

- Ghi lại sự kiện vào tệp nhật ký (log file)

Hệ thống SCADA có vai trò hết sức quan trọng đối với các tổ chức công nghiệp

vì chúng giúp duy trì hiệu quả, xử lý dữ liệu cho các quyết định thông minh hơn và truyền đạt các vấn đề hệ thống để giúp giảm thiểu thời gian chết

2.3.4.2 Thành phần của một hệ thống SCADA

Hình 2.4 Ảnh minh họa thành phần của một hệ thống SCADA

Cấu trúc một hệ SCADA có các thành phần cơ bản sau:

- Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm (central host computer server)

- Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…)

- Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết 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

- Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống

2.3.4.3 Ứng dụng của hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA được sử dụng bởi các tổ chức công nghiệp và các công ty trong khu vực công và tư nhân để kiểm soát và duy trì hiệu quả, phân phối dữ liệu cho các quyết định thông minh hơn, và truyền đạt các vấn đề hệ thống để giúp giảm thiểu thời

gian chết

Hệ thống SCADA hoạt động tốt ở nhiều loại hình doanh nghiệp khác nhau vì chúng

có thể từ các cấu hình đơn giản đến các cài đặt lớn, phức tạp Hệ thống SCADA là xương sống của nhiều ngành công nghiệp hiện đại, bao gồm ngành năng lượng, giao thông, thực phẩm, chế tạo, khí dầu,…

Hầu như bất cứ nơi nào bạn nhìn thấy trong thế giới ngày nay đều có một số loại

hệ thống SCADA chạy phía sau, ví dụ như: duy trì hệ thống làm lạnh của siêu thị, đảm bảo an toàn sản xuất tại nhà máy lọc dầu, tiêu chuẩn chất lượng tại nhà máy xử lý nước thải hoặc thậm chí theo dõi sử dụng năng lượng tại nhà của bạn

Các hệ thống SCADA hiệu quả có thể giúp tiết kiệm đáng kể thời gian và tiền bạc Nhiều nghiên cứu điển hình đã được công bố nêu bật những lợi ích và tiết kiệm của việc

sử dụng giải pháp phần mềm SCADA hiện đại như Radiflow

2.3.5 Bộ điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller, PLC

2.3.5.1 Khái niệm

Hình 2.5 Ảnh minh họa PLC của hãng Siemen

Bộ điều khiển logic khả trình (tiếng Anh: Programmable Logic Controller, viết tắt: PLC) hay còn gọi là bộ điều khiển lập trình, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình 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 sự kiện được đếm PLC

dùng để thay thế các mạch relay trong thực tế PLC hoạt động 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 Ladder hay 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 khiển bên 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

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng 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

• Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

• Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

• Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các môi Modul mở rộng

• Giá cả cá thể cạnh tranh được

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các Logic thời gian Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính

dễ dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả… Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch… sau

đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn… Sự phát triển các máy tính dẫn đến các

bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng

mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với sử dụng các bộ dây nối hay Relay

2.3.6 PLC Siemen S7-1200

Bộ điều khiển S7-1200 cung cấp sự linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều loại thiết bị để hỗ trợ nhu cầu tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, cấu hình linh hoạt và tập hợp lệnh mạnh mẽ kết hợp để làm cho S7-1200 trở thành giải pháp hoàn hảo để điều khiển nhiều loại ứng dụng

CPU kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch đầu vào và đầu ra, PROFINET tích hợp, I / O điều khiển chuyển động tốc độ cao và các đầu vào tương tự trên bo mạch trong một thiết bị nhỏ gọn để tạo ra một bộ điều khiển mạnh mẽ Sau khi tải xuống chương trình, CPU sẽ chứa logic cần thiết để giám sát và điều khiển các thiết

bị trong ứng dụng Giám sát CPU đầu vào và thay đổi đầu ra theo logic của chương trình người dùng, điều này có thể bao gồm logic Boolean, đếm, định thời gian, các phép toán phức tạp và giao tiếp với các thiết bị thông minh khác

CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếp qua mạng PROFINET Các đun bổ sung có sẵn để giao tiếp qua PROFIBUS, GPRS, RS485 hoặc mạng RS232

mô-1 Đấu nối nguồn

2 Khe cắm thẻ nhớ dưới cửa trên

3 Đầu nối dây người dùng có thể tháo rời (sau cánh cửa)

4 Đèn LED trạng thái cho I/ O trên

1.Mô-đun giao tiếp (CM), bộ xử lý giao tiếp (CP) hoặc Bộ điều hợp TS

kết nối dây

(SM)chức năng bổ sung cho

trạng thái

CPU.SM kết nối với phía bên

phải của CPU

- I / O kỹ thuật số

- I / O tương tự

- RTD và cặp nhiệt điện

2 Kết nối Bus

kết nối dây

Mô-đun giao tiếp (CM) và

bộ xử lý truyền thông (CP)

thêm các tùy chọn giao tiếp

cho CPU, chẳng hạn như cho

PROFIBUS hoặc RS232 /

RS485

kết nối (cho PtP, Modbus

master CP cung cấp khả

năng cho các loại khác giao

tiếp,chẳng hạn nhưkết nối

CPU qua GPRS mạng

-CPU hỗ trợ tối đa 3 CM

hoặc CP

- Mỗi CM hoặc CP kết nối

vớibên trái của CPU (hoặc

bên trái của CM hoặc CP

khác)

trạng thái

2 Tháo kết nối dây

2.3.7 Biến tần

Biến tần là một thiết bị điện biến đổi tần số dòng điện đầu vào từ tần số này

(50Hz, 60Hz) sang tần số khác ở đầu ra (phổ biến là từ 0 đến 400 hz), biến tần chủ yếu

sử dụng để điều khiển tăng giảm vận tốc động cơ xoay chiều bằng cách tăng giảm tần

số

Ngoài ra thì biến tần còn có các chức năng sau

Bảo vệ động cơ điện: Biến tần bảo vệ chạm chập cháy động cơ, bảo vệ mất pha cấp cho động cơ, bảo vệ rò điện động cơ…

Chống sụt áp hệ thống: Sử dụng biến tần sẽ giúp động cơ khởi động tăng tốc từ từ theo thời gian cài đặt, qua đó làm giảm dòng khởi động, thường là gấp 5-7 lần dòng định mức và gây ra hiện tượng sụt áp lưới điện

Bảo vệ hệ thống đường dây điện: Giảm dòng khởi động qua đó gián tiếp giúp hệ thống dây dẫn điện chịu dòng điện đi qua nhỏ hơn và do đó sử dụng sẽ bền hơn

Hỗ trợ động cơ dừng nhanh: Khi ngắt điện cấp cho động cơ, động cơ vẫn quay theo quán tính và sau một thời gian mới dừng hẳn, sử dụng biến tần có thể giúp động cơ dừng ngay bằng cách hãm điện trở, hãm động năng, hãm tái sinh Qua việc đó làm tăng năng suất, hiệu quả hoạt động của máy móc

Điều khiển momen, giữ lực căng ổn định: Một số ứng dụng ví dụ trong ngành bao

bì cần giữ momen ổn định và một số biến tần cao cấp có khả năng làm điều đó

Tiết kiệm điện năng: Trường hợp động cơ có mô mem tải thay đổi liên tục như điều hòa trung tâm, bơm cấp nước, bơm quạt mát, máy nén khí …hoặc động cơ lắp dư công suất, tốc độ quay nhanh phải giảm tốc bằng các cơ cấu cơ khí như hộp số, hộp ly hợp (Động cơ VS) thì nên lắp biến tần, sẽ tiết kiệm được nhiều điện năng

có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

Hình 2.8 Ảnh minh họa nguyên lý làm việc cơ bản của biến tần

2.3.8 Khởi động từ (Contactor)

Khởi động từ là một loại thiết bị điện dùng để điều khiển đóng cắt từ xa, đảo chiều quay và bảo vệ quá tải (nếu mắc thêm rơ le nhiệt) cho các động cơ 3 pha rôto lồng sóc Loại khởi động từ có một công tắc tơ gọi là khởi động từ đơn thường dùng để điều khiển cắt động động cơ điện Khởi động từ có 2 công tắc tơ gọi là khởi động từ kép dùng đề khởi động và điều khiển đảo chiều động cơ điện Muốn khởi động từ bảo vệ ngắn mạch phải mắc thêm cầu chì

Hình 2.9 Ảnh minh họa bộ khởi động tử lắp cùng rơ le nhiệt

Cấu tạo contactor

Một khởi động từ sẽ được phân chia thành 3 phần, đó là:

+ Nam châm điện: Chức năng của nó đó là tạo ra từ trường Nó gồm: 1 lõi sắt, 1

lò xo để đẩy lõi nắp dịch chuyển về vị trí ban đầu, cuộn dây để tạo ra lực hút nam châm + Hệ thống tiếp điểm: Được phân chia thành tiếp điểm chính và các tiếp điểm phụ Nếu tiếp điểm chính lắp ở mạch điện động lực thì tiếp điểm phụ được lắp trong mạch điều khiển của công tắc tơ

Tiếp điểm chính sẽ cho các dòng mạch lớn, chính đi qua Thông thường tiếp điểm chính là tiếp điểm thường hở Điều này có nghĩa là khi cấp nguồn điện vào mạch của khởi động từ, mạch sẽ bị hút lại và nó đóng lại

Tiếp điểm phụ sẽ cho dòng mạch nhỏ hơn 5A đi qua Người ta phân chia tiếp điểm phụ thành 2 loại: tiếp điểm thường hở và tiếp điểm thường đóng

Tiếp điểm thường hở là khi ở trạng thái bình thường, cuộn dây nam châm trong trạng thái nghỉ, không làm việc, nó sẽ bị hở Khi contactor có điện và làm việc, tiếp điểm này sẽ chuyển sang trạng thái đóng Và hoạt động sẽ ngược lại đối với tiếp điểm thường

đóng

+ Hệ thống dập hồ quang: Do đóng ngắt liên tục, chuyển mạch thường xuyên làm xuất hiện các hồ quang gây mài mòn tiếp điểm hoặc thậm chí cháy Hệ thống này sẽ làm dập tắt các hồ quang gây hại cho hệ thống

Nguyên lý hoạt động của contactor

Các khởi động từ 1 pha, 2 pha hay khởi động từ 3 pha đều hoạt động theo 1 nguyên

lý duy nhất:

+ Khi cấp nguồn điện vào mạch điện điều khiển bằng với giá trị điện áp định mức của công tắc tơ Dòng điện sẽ đến 2 đầu cuộn dây quấn cố định trên lõi từ Từ trường được sinh ra, lực từ xuất hiện hút lõi dịch chuyển Mạch sẽ đóng lại và trở thành 1 mạch kín Lực từ sẽ phải lớn hơn lực lò xo để có thể hút lõi Và lúc này, khởi động từ làm việc

Nhờ vào cơ giữa lõi và các tiếp điểm mà tiếp điểm chính đóng, tiếp điểm phụ chuyển trạng thái từ đóng sang mở hoặc từ mở sang đóng Trạng thái này sẽ duy trì + Khi ngắt dòng điện vào mạch, từ trường và lực từ không được sinh ra Lúc này, công tắc tơ sẽ ở trạng thái nghỉ, các tiếp điểm sẽ trở về vị trí như ban đầu

2.3.9 Rơ le nhiệt

Rơle nhiệt dùng để bảo vệ động cơ điện và mạch điện khỏi bị quá tải Rơle nhiệt không tác động tức thời theo trị số dòng điện, vì cẩn có thời gian để phát nóng Thời gian làm việc khoảng vài giây đến vài phút

Rơle nhiệt có nguyên lý làm việc dựa vào tác dụng nhiệt của dòng điện Loại rơle nhiệt thường có gắn phần tử cơ bản là phiến kim loại kép, cấu tạo từ 2 tấm kim loại, một tấm có hệ số giãn nở bé và một tấm có hệ số giãn nở lớn Khi đốt nóng do dòng điện I,

có thể dùng trực tiếp cho dòng điện đi qua, hoặc dây điện trở bao quanh

Hình 2.10 Rơ le nhiệt và sơ đồ cấu tạo rơ le nhiệt

Bộ phận đốt nóng 1 đấu nối trực tiếp với mạch điện chính của thiết bị cần bảo vệ (tự động cắt điện) Khi dòng điện chạy trong mạch điện tăng lên quá mức quy định (động

cơ điện bị quá tải) thì nhệt lượng tỏa ra làm cho kim loại 3 cong lên phía trên (về phía kim loại có hệ số giản nở nhỏ) Nhờ lực kéo của lò xo 5, đòn bẩy 4 sẽ quay và mở tiếp điểm 2, làm cho mạch điện tự động cắt điện Khi bộ phận đốt nóng nguội đi, thanh kim loại kép hết cong, ấn nút 6 là có thể đưa rơle nhiệt về vị trí cũ, tiếp điểm 2 đóng

2.3.10 Rơ le trung gian

Hình 2.11 Ảnh minh họa Rơ le trung gian

Rơ le trung gian là một khí cụ điện dùng trong lĩnh vực điều khiển tự động, cơ cấu kiểu điện từ Một kiểu nam châm điện có tích hợp thêm hệ thống tiếp điểm Rơle trung gian còn gọi là rơ le kiếng là một công tắc chuyển đổi hoạt động bằng điện Gọi là một công tắc vì rơ le có hai trạng thái ON và OFF Rơ le ở trạng thái ON hay OFF phụ thuộc vào có dòng điện chạy qua rơ le hay không Rơle trung gian đóng vai trò điều khiển trung gian giữa các thiết bị điều khiển (Contactor, Rơle thời gian…)

Thiết bị nam châm điện này có thiết kế gồm lõi thép động, lõi thép tĩnh và cuộn dây Cuộn dây bên trong có thể là cuộn cường độ, cuộn điện áp, hoặc cả

cuộn điện áp và cuộn cường độ Lõi thép động được găng bởi lò xo cùng định vị bằng một vít điều chỉnh Cơ chế tiếp điểm bao gồm tiếp điểm nghịch và tiếp điểm nghịch

Hình 2.12 Cấu tạo chung của Rơ le trung gian

Khi có dòng điện chạy qua rơ le, dòng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên trong và tạo ra một từ trường hút Từ trường hút này tác động lên một đòn bẩy bên trong làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện và như thế sẽ làm thay đổi trạng thái của rơ le Số tiếp điểm điện bị thay đổi có thể là 1 hoặc nhiều, tùy vào thiết kế

Rơ le có 2 mạch độc lập nhau họạt động Một mạch là để điều khiển cuộn dây của

rơ le: Cho dòng chạy qua cuộn dây hay không, hay có nghĩa là điều khiển rơ le ở trạng thái ON hay OFF Một mạch điều khiển dòng điện ta cần kiểm soát có qua được rơ le hay không dựa vào trạng thái ON hay OFF của rơ le

6 của Aptomat được mở ra do lực của lo xò 7, mạch điện bị cắt

Hình 2.13 Cấu tạo chung của Aptomat

2.3.12 Màn hình HMI

HMI là từ viết tắt của Human – Machine – Interface, nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành và máy móc thiết bị Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao tiếp” với một máy móc qua 1 màn hình giao diện đều được gọi là HMI Màn hình HMI hiện nay đã quá quen thuộc với con người Đặc biệt trong ngành công nghiệp Nó đóng vai trò vô cùng quan trọng trong phần giao tiếp giữa người và máy

Hình 2.14 Ảnh minh họa HMI

+ Các phím bấm

+ Chip: chính là CPU của màn hình

+ Bộ nhớ chương trình: ROM, RAM, EPROM/Flash…

2.3.12.2 Phần mềm

Các hàm và lệnh

Phần mềm phát triển

Các công cụ xây dựng HMI

Các công cụ kết nối, nạp chương trình và gỡ rối

Các công cụ mô phỏng

2.3.12.3 Truyền thông

- Các giao thức truyền thông: Modbus, CANbus, PPI, MPI, PROFIBUS…

- Các cổng truyền thông: RS232, RS485, Ethernet, USB…

2.3.12.4 Ưu điểm của HMI

-Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ sung thông tin cần thiết

-Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa

-Tính “Mở”: có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại giao thức

-Khả năng lưu trữ cao

-Tính đầy đủ, kịp thời và chính xác của thông tin

- Dây tín hiệu của Pt100: Dây tín hiệu được kết nối với đầu dò cảm biến với ngõ ra dạng

2 dây, 3 dây hoặc 4 dây Vật liệu của dây tín hiệu được sử dụng tuỳ theo từng loại đầu

- Vỏ bảo vệ: Vỏ bảo vệ là thành phần tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt cần đo Nó bảo

vệ đầu dò cảm biến và dây tín hiệu của cảm biến Vỏ bảo vệ cần được làm bằng đúng