Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đạihóa sử dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sảnxuất, gia công, chế biến sản p
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ
NỘI VIỆN CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO VÀ HÌNH DẠNG
Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Sỹ Tuấn
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Duy Minh
Hà Nội, 2021
Trang 2Tiểu Luận Pro(123docz.net)
LỜI MỞ ĐẦU
Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu vật chất và tinh thần của con người ngày càngcao, vì thế bài toán về cung – cầu đang được các nhà sản xuất tìm cách giải quyết Tựđộng hóa trong dây chuyền sản xuất là một phương án tối ưu, nó đòi hỏi sự nhanh chóng,chính xác và giảm thiểu được nhân công lao động Quá trình sản xuất càng được tự độnghóa cao càng nâng cao năng suất sản xuất giảm chi phí tăng tính cạnh tranh cho cácdoanh nghiệp Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đạihóa sử dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sảnxuất, gia công, chế biến sản phẩm…Điều này dẫn tới việc hình thành các hệ thống sảnxuất linh hoạt, cho phép tự động hóa ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loạt nhỏ và loạtvừa trên cơ sở sử dụng các máy CNC, robot công nghiệp Trong đó có một khâu quan
trọng ảnh hưởng đếnchất lượng hàng hóa bán ra là hệ thống phận loại sản phẩm
Đồ án Thiết kế hệ thống Cơ điện tử với đề tài “Thiết kế hệ thống phân loại sản
phẩm theo chiều cao” được nghiên cứu nhằm củng cố kiến thức cho sinh viên, đồng thời
giúp cho học sinh sinh viên thấy được mối liên hệ giữa những kiến thức đã học ở trườngvới những ứng dụng bên ngoài thực tế Đề tài có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiềulĩnh vực như vận chuyển sản phẩm, đếm sản phẩm và phân loại sản phẩm Với hệ thống
tự động hóa này chúng ta có thể giảm thiểu nhân công đi kèm với giảm chi phí sản xuất
Do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không nhiều nên trong quá trìnhthực hiện sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Đề tài rất mong được sự góp ý của quý
thầy cô
Em xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Sỹ Tuấn đã hướng dẫn tận tình, tạo nhiều
điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng 03 năm 2021Sinh viên thực hiện
Nguyễn Duy Minh
Trang 3Tiểu Luận Pro(123docz.net)
Mục Lục
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Error! Bookmark not defined.
1.1 Khái niệm và ứng dụng Error! Bookmark not defined 1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao Error! Bookmark not defined.
CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG Error! Bookmark not defined.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Error! Bookmark not defined.
3.2 Tính các thông số hình, động học băng tải Error! Bookmark not defined.
3.4 Tính trục tang chủ, bị động/ con lăn Error! Bookmark not defined.
3.6 Tính toán chọn bộ truyền ngoài Error! Bookmark not defined.
3.9 Tính toán chọn kết cấu khung băng tải Error! Bookmark not defined.
3.9 Bộ phận phân loại phôi Error! Bookmark not defined.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM CATIA Error! Bookmark not defined.
Trang 4Tiểu Luận Pro(123docz.net)
4.1 Giới thiệu tổng quan phần mềm Catia Error! Bookmark not defined 4.2 Mô hình các thành phần cơ bản của hệ thống Error! Bookmark not defined 4.2.1 Hệ thống giá đỡ xy lanh và cảm biến Error! Bookmark not defined.
4.3 Tổng quan hệ thống phân loại sản phẩm Error! Bookmark not defined.
5.1.2 Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình PLC 65.1.3 Ưu, nhược điểm khi lập trình hệ thống điều khiển PLC 9
5.2.1 PLC Siemens S7 1200, CPU 1214C DC/DC/DC 6ES7214-1AG40-0XB0 11
Trang 5Tiểu Luận Pro(123docz.net)
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Error! Bookmark not defined.
Trang 6Tiểu Luận Pro(123docz.net)
CHƯƠNG 5 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 5.1 Tổng quan về PLC
5.1.1 Giới thiệu chung
- Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên đã được thiết kế lần đầu tiên cho ra đời năm
1968 (Công ty General Motor -Mỹ) Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồngkềnh, người dùng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống Vì vậy các nhàthiết kế
từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệthống còn gặp nhiều khó khăn, lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vi hỗ trợ chocông việc lập trình
- Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiến lập trình cầm tay đầu tiênđược ra đời năm 1969 Điều này đã tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điềukhiển lập
trình Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình PLC chỉ đơn giản nhằm thaythế hệ thống rơ-le và dây nối trong hệ thống cổ điển Qua quá trình vận hành, các nhàthiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là:Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang Trong những năm đầu tiên của thập niên 1970,những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hỗ trợ, “vậnhành với các dữ liệu cập nhật” Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính,nên việc giao tiếp giữa người điều khiển và lập trình cho hệ thống ngày càng trở nênthuận tiện hơn
- Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay
đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệ
thống ngõ vào/ra có thể tăng thêm 800 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trìnhtăng lên hơn
128.000 từ bộ nhớ Ngoài ra còn có kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ Tốc
độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kì quét nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lýtốt hơn với những chức năng phức tạp, số lượng cổng vào/ra lớn
-Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM
để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam và các loại PLC với các chức năng điềukhiển “thông minh” còn gọi là các siêu PLC
5.1.2 Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình PLC
- Khái niệm về PLC
PLC là các chữ được viết tắt từ “ Programmable Logic Controller “ Theo hiệp hội quốcgia về sản xuất điện Hoa Kỳ thì PLC là một thiết bị điều khiển mà được trang bị cácchức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung và tính toán cho phép điều
khiển nhiều loại máy móc và các bộ xử lý Các chức năng đó được đặt trong bộ nhớ mà
Trang 7Tiểu Luận Pro(123docz.net)tạo lập sắp xếp theo chương trình Khái niệm ngắn gọn hơn, PLC là một máy tính côngnghiệp để thực hiện một dãy quá trình.
Trang 8Tiểu Luận Pro(123docz.net)
- Giới thiệu về PLC
PLC được sử dụng để điều khiển dây chuyền, thiết bị công nghiệp riêng lẻ (Rơ-le, timer,contactor ) hoặc kết hợp với nhau tuỳ theo mức độ yêu cầu thành một hệ thống điệnđiều khiển đáp ứng được bài toán công nghệ đặt ra
- Công việc này diễn ra khá phức tạp trong thi công vì phải thao tác chủ yếu trongviệc đấu nối, lắp đặt mất khá nhiều thời gian mà hiệu quả lại không cao vì một thiết bị
có thể cần được lấy tín hiệu nhiều lần mà số lượng lại rất hạn chế, bởi vậy lượng vật tư
là rất
nhiều đặc biệt trong quá trình sửa chữa bảo trì, hay cần thay đối quy trình sản xuất gặp rấtnhiều khó khăn và mất rất nhiều thời gian trong việc tìm kiếm hư hỏng và đi lại dây bởivậy năng suất lao động giảm đi rõ rệt
- Với những nhược điểm trên các nhà khoa học, nhà nghiên cứu đã nỗ lực để tìm ramột giải pháp điều khiển tối ưu nhất đáp ứng mong mỏi của ngành công nghiệp hiện đại
đó là tự động hoá quá trình sản xuất làm tăng sức lao động, giúp người lao động khôngphải
làm việc ở những khu vực nguy hiểm, độc hại mà năng suất lao động lại tăng cao gấpnhiều lần
- Một hệ thống điều khiển ưu việt mà phải chọn để điều khiển cho ngành côngnghiệp hiện đại cần phải hội tụ đủ các yếu tố sau: Tính tự động cao, kích thước vàkhối lượng nhỏ gọn, giá thành hạ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn địnhlinh hoạt
- Từ đó, hệ thống PLC ra đời đầu tiên năm 1968 Tuy nhiên hệ thống còn khá đơngiản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống, vìvậy qua nhiều năm cải tiến và phát triển không ngừng khắc phục những nhược điểm còntồn tại để có được bộ điều khiển PLC như ngày nay Từ đó đã giải quyết được các vấn đềnêu trên với các ưu việt như sau:
+ Là bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán điều khiển
+ Có khả năng mở rộng các module vào ra khi cần thiết
+ Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu thích hợp với nhiều đối tượng lập trình
+ Có khả năng chống nhiễu với độ tin cậy cao và có rất nhiều ưu điểm khác
+ Có khả năng truyền thông đó là trao đổi thông tin với môi trường xung quanhnhư với máy tính, các PLC khác, các thiết bị giám sát, điều khiển
- Hiện nay trên thế giới có nhiều hãng PLC khác nhau cùng phát triển như hãngOmron, Misubishi, Hitachi, ABB, Siemens, đều có chung một nguyên lý cơ bản, tuynhiên có vài điểm khác biệt phù hợp với từng ngành
- Lợi ích của việc sử dụng PLC
Cùng với sự phát triển của phần cứng lẫn phần mềm, PLC ngày càng tăng được các tínhnăng cũng như lợi ích trong hoạt động công nghiệp Kích thước của PLC hiện nay đượcthu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O nhiều hơn, các ứng dụng của PLC mạnh hơnnâng cao khả năng giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống.Lợi ích đầu tiên của PLC là hệ thống điều khiển chỉ cần lắp đặt một lần (đối với sơ đồ
Trang 9Tiểu Luận Pro(123docz.net)
hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngõ vào/ra ), mà không phải thay đổi kếtcấu
của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tự điềukhiển (đối với hệ thống điều khiển rơ-le ) khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn
Trang 10Tiểu Luận Pro(123docz.net)
(như giao tiếp giữa các PLC để luôn truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống điềukhiển linh hoạt hơn
Không như các hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng lắp đặt do chiếm một khoảng khônggian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống khác Điều này thuận lợihơn đối với các hệ thống điều khiển lớn, phức tạp, và quá trình lắp đặt hệ thống PLC íttốn thời gian hơn các hệ thống khác Có thể nhận biết các vấn đề trong hệ thống của PLCnhờ giao diện qua màn hình máy tính (một số PLC thế hệ sau có thể nhận biết và thôngbáo trực tiếp cho người sử dụng)
Tiêu chuẩn hoá các chức năng chính của PLC trong các hệ điều khiển gồm :
- Điều khiển chuyên gia giám sát:
+ Thay thế cho điều khiển rơ-le
+ Thay thế cho các Panel điều khiển, mạch in
+ Điều khiển tự động, bán tự động bằng tay, các máy và các quá trình
+ Có các khối điều khiển thông dụng (thời gian, bộ đếm)
- Điều khiển dãy:
+ Các phép toán số học
+ Cung cấp thông tin
+ Điều khiển liên tục các quá trình (nhiệt độ, áp suất )
+ Điều khiển động cơ chấp hành
+ Điều khiển động cơ bước
- Điều khiển mềm dẻo:
+ Điều hành quá trình báo động
+ Phát hiện lỗi khi chạy chương trình
+ Ghép nối với máy tính (RS232/ RS485)
+ Thực hiện mạng tự động hoá xí nghiệp
+ Hóa học và dầu khí: định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiến hệ thống dẫn
+ Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hóa trong chế tạo máy, đo đạc, quá trình lắpđặt máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại
+ Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: Phân loại sản phấm, đếm sản phẩm, kiểm tra sảnphẩm
Trang 11Tiểu Luận Pro(123docz.net)+ Kim loại: Điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), quy trình sản xuất, kiểm trachất lượng.
+ Năng lượng: Điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý các tuabin ) cáctrạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ)
Trang 12Tiểu Luận Pro(123docz.net)
5.1.3 Ưu, nhược điểm khi lập trình hệ thống điều khiển PLC
-Ưu điểm của PLC:
Từ thực tế sử dụng thấy rằng PLC có những điểm mạnh như sau:
+ Chương trình PLC dễ thay đổi và sửa chữa: Chương trình tác động đến bêntrong bộ PLC có thể được lập trình thay đổi bằng xem xét việc thực hiện và giải quyết tạichỗ những vấn đề liên quan đến sản xuất Người lập trình PLC được trang bị các công cụphần mềm hỗ trợ để tìm ra lỗi, từ đó sửa chữa thay thế hay theo dõi được cả phần cứng vàphần mềm dễ dàng hơn Chỉ cần thay đổi phần mềm sẽ có thể tạo nên hệ thống tối ưu màcác hệ điều chỉnh trước không có được
+ Dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống: Với chi phí rất lớn cho việc hàn mạchhay nối mạch trong cấp điều khiển rơ-le, thì ở PLC những công việc đó đơn giản đượcthực hiện bởi chương trình
+ Các tín hiệu đưa ra từ bộ PLC có độ tin cậy cao hơn so với các tín hiệu được cấp
từ bộ điều khiển bằng rơ-le
+ Với hệ thống điều khiển dùng PLC vừa có thể tiến hành hiệu chỉnh sửa chữa mà
hệ thống vẫn làm việc, tức là vẫn đảm bảo dây chuyền công nghệ không bị dừng, vì vậycho phép hiệu chỉnh để đạt được kết quả hiệu chỉnh là tối ưu
- Nhược điểm của PLC:
+ Do chưa tiêu chuẩn hoá nên mỗi công ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngônngữ lập trình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất về hợp thức hoá
+ Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá của một bộ PLC đắt hơn khi sửdụng bằng phương pháp rơ-le
+ Dòng đầu ra của PLC thường nhỏ hơn 500 mA Nên khi đấu nối với các thiết bịcông suất lớn thường phải sử dụng thiết bị trung gian là rơ-le
+ Để thực hiện lập trình được chương trình điều khiển bắt buộc phải có máy tínhhoặc máy lập trình đi kèm với cáp chuẩn hóa
Trang 13Tiểu Luận Pro(123docz.net)tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu động
Trang 14trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết
bị xuất
- Bộ nguồn
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp DC (5V) cần thiết cho
bộ xử lý và các mạch điện có trong các module giao diện nhập và xuất
- Bộ nhớ
Bộ nhớ là nơi lưu chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển, dưới sự kiểmtra của bộ vi xử lý.Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ : Bộ nhớ chỉ để đọc ROMcung cấp dung lượng lưu trữ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định được CPU sử dụng, bộnhớ truy cập ngẫu nhiên RAM dành cho chương trình của người dùng Bộ nhớ chỉ đọc cóthể xoá và lập trình được là các ROM có thể được lập trình, sau đó các chương trình nàyđược thường trú trong ROM Toàn bộ chương trình điều khiển được nhớ trong bộ nhớcủa PLC dưới dạng các khối chương trình và được thực hiện theo chu kỳ vòng quét.Như vậy, PLC thực chất hoạt động như một máy tính cá nhân nghĩa là phải có bộ vi xử
lý, hệ điều hành, bộ nhớ để lưu giữ chương trình điều khiển, dữ liệu, có cổng vào ra đếgiao tiếp với các thiết bị bên ngoài Bên cạnh đó PLC còn có các bộ Counter, Timer đểphục vụ bài toán điều khiển
5.1.5 Cấu trúc bên trong cơ bản của PLC
Cấu trúc cơ bản bên trong của PLC bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU) chứa bộ vi xử lý
hệ thống, bộ nhớ, và mạch nhập/ xuất CPU điều khiển và xử lý mọi hoạt động bên trongcủa PLC Bộ xử lý trung tâm được trang bị đồng hồ có tần số trong khoảng từ 1 đến 8MHz Tần số này quyết định tốc độ vận hành của PLC, cung cấp chuẩn thời gian và đồng
bộ hóa tất cả các thành phần của hệ thống Thông tin trong PLC được truyền dưới dạngcác tín hiệu digital
Cấu hình CPU tùy thuộc vào bộ vi xử lý Nói chung CPU có:
- Bộ thuật toán và logic (ALU) chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu, thực hiện các phéptoán số học (cộng, trừ, nhân, chia) và các phép toán logic AND, OR, NOT, EXCLUSIVE– OR
- Bộ nhớ còn gọi là các thanh ghi, bên trong bộ vi xử lý, được sử dụng để lưu trữthông tin liên quan đến sự thực thi của chương trình
- Bộ điều khiển được sử dụng để điều khiển chuẩn thời gian của các phép toán Bộnhớ: Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ như: Bộ nhớ chỉ để đọc (ROM), bộ nhớtruy cập ngẫu nhiên (RAM), bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được (EPROM).Các loại bộ nhớ này đã được trình bày ở trên
Trang 155.2 Bộ điều khiển input
5.2.1 PLC Siemens S7 1200, CPU 1214C DC/DC/DC 6ES7214-1AG40-0XB0
- PLC S7 – 1200 là một dòng PLC mới của hãng SIEMENS, với tính năng
nổi bật là đơn giản nhưng có độ chính xác cao PLC S7-1200 ra đời năm
2009 nhằm thay thế S7-200 Nó được giới tự động hóa đánh giá cao và yêuthích
Trang 16bởi vì S7-1200 đã khắc phục những nhược điểm của S7-200 một cáchhoàn hảo.
- Dòng PLC Siemens S7 1200 là thiết bị tự động hóa đơn giản nhưng có độ
chính xác cao và tốc độ xử lý nhanh Nó được thiết kế dạng module nhỏ gọn,linh hoạt, phù hợp cho một loạt các ứng dụng
- PLC S7 1200 của hãng Siemens có một giao diện truyền thông mạnh mẽ
đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất của truyền thông công nghiệp và đầy đủ các tínhnăng công nghệ mạnh mẽ tích hợp sẵn làm cho nó trở thành một giải pháp tựđộng hóa hoàn chỉnh và toàn diện
- Các thông số kỹ thuật cơ bản :
+ Tích hợp Web Server hỗ trợ các ứng dụng vừa và nhỏ cho các giải
pháp IoT thêm hoàn hảo
+ Thích hợp cho các ứng dụng như hệ thống băng tải, thang máy và
thang cuốn, vật liệu, thiết bị giao thông vận tải, cơ khí máy móc,máy đóng gói,…
+ Kết nối Module truyền thông rời, tăng khả năng giao tiếp với
nhiều thiết bị khác nhau
+ Bộ điều khiển PLC tích hợp giao diện điều khiển PROFINET IO để
truyền thông giữa bộ điều khiển SIMATIC, HMI, thiết bị lập trình,các thành phần tự động khác
+ Có thể mở rộng bộ điều khiển bằng các module tín hiệu I/O.
Trang 175.2.2 Cảm biến quang tiệm cận
Cảm biến quang tiệm cận E3F-DS30C4
Các thông số kĩ thuật cơ bản:
Có 2 loại cảm biến tiệm cận công nghiệp chính là:
- Cảm biến tiệm cận từ: Phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điện từ và
chỉ phát hiện được vật kim loại
- Cảm biến tiệm cận điện dung: Phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điệndung tĩnh điện, có thể phát hiện được nhiều vật liệu khác nhau.Mặc dù cảm biếntiệm
cận từ chỉ phát hiện được các vật kim loại nhưng được ứng dụng rộng rãi trongcông nghiệp với đặc điểm ít bị nhiễu do tác động bên ngoài hơn và giá thành củanhững cảm biến này rẻ hơn cảm biến điện dung
- E3F-DS30C4 là một bộ truyền và nhận bằng bộ cảm biến quang điện Cảm biến cóchức năng phát hiện khoảng cách do sự phản quang ánh sáng hồng ngoại, khoảngcách phát hiện có thể được điều chỉnh theo yêu cầu Thiết bị giá rẻ, dễ lắp ráp, tínhnăng dễ sử dụng, có thể được sử dụng trong robot tránh chướng ngại vật, nhậndiện vật chuyển động và nhiều sản phẩm tự động hóa khác
