LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, trước những sự phát triển đa dạng của khoa học kỹ thuật Việc áp dụng công nghệ vào trong sản xuất đang được phát triển rộng rãi cả về quy mô lẫn chất lượng Trong đó
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ CẤU TRÚC HỌ PHẦN CỨNG PLC S7-200
CẤU TRÚC HỌ PHẦN CỨNG PLC S7-200
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là một thiết bị điều khiển được lập trình lại nhằm thực thi các thuật toán điều khiển một cách linh hoạt và ổn định Nhờ khả năng lập trình, PLC có thể điều khiển máy móc và các quy trình tự động hóa sản xuất bằng các logic ứng dụng có thể thay đổi dễ dàng khi hệ thống cần cấu hình lại Đây là công cụ phổ biến trong công nghiệp, giúp tối ưu hóa hiệu suất, nâng cao tính linh hoạt của dây chuyền và giảm thiểu chi phí vận hành.
Lịch sử hình thành và phát triển của bộ điều khiển lập trình (PLC) bắt đầu từ nhu cầu nâng cao hiệu suất và tự động hóa trong sản xuất Bộ điều khiển lập trình đầu tiên do các kỹ sư của General Motors, Hoa Kỳ, sáng chế vào năm 1968, đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong công nghiệp Sự kiện này mở ra kỷ nguyên điều khiển bằng điện tử và phần mềm, cho phép các dây chuyền sản xuất được lập trình và điều chỉnh một cách linh hoạt, từ đó tăng năng suất và tính linh hoạt của hệ thống tự động hóa.
- Với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu điều khiển:
Thiết kế này cho phép lập trình viên dễ dàng phát triển và thay đổi chương trình, tối ưu hóa quy trình làm việc và rút ngắn thời gian triển khai Cấu trúc theo mô-đun mở rộng cho phép bổ sung và sửa chữa một cách linh hoạt, đồng thời giữ cho hệ thống dễ bảo trì và chi phí bảo trì thấp Nhờ tính modular và độ ổn định của hệ thống, sản phẩm đảm bảo độ tin cậy cao trong môi trường sản xuất, giảm thiểu sự cố và downtime và nâng cao hiệu quả vận hành.
Hình 1 PLC đầu tiên ra đời năm 1968 tại Hoa kỳ
Từ những hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, người dùng gặp nhiều khó khăn trong vận hành và lập trình, vì vậy các nhà thiết kế đã cải tiến từng bước để làm cho hệ thống trở nên đơn giản, gọn nhẹ và dễ vận hành hơn Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển cầm tay (Programmable controller) được ra đời vào năm 1969, mở ra một bước tiến thuận lợi và mang lại sự phát triển thực sự cho kỹ thuật lập trình điều khiển.
Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn các chức năng mở rộng:
+ Số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông
+ Bộ lưu trữ dữ liệu nhiều hơn + Nhiều loại module chuyên dùng hơn
Trong những năm 1970, khi công nghệ phần mềm phát triển mạnh, lập trình PLC không chỉ thực hiện các câu lệnh đơn giản mà còn mở rộng với các lệnh định thời, đếm sự kiện, xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung và xử lý thời gian thực Sự bổ sung này nâng cao khả năng tự động hóa và điều khiển hệ thống công nghiệp, đáp ứng tốt hơn các yêu cầu vận hành phức tạp trong sản xuất và máy móc công nghiệp.
Kể từ năm 1970 đến nay, bộ điều khiển lập trình PLC đã trở thành một thiết bị thiết yếu trong ngành công nghiệp tự động Các nhà thiết kế đã phát triển kỹ thuật ghép nối các PLC riêng lẻ thành một hệ thống chung, từ đó nâng cao hiệu suất của từng đơn vị và làm cho hệ thống chạy nhanh hơn với chu kỳ quét ngắn hơn Bên cạnh đó, PLC được chế tạo để có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi, giúp mở rộng đáng kể khả năng ứng dụng của PLC trong các quá trình tự động hóa.
Hình 2 PLC sản xuất năm 1969 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - ĐỖ MINH DƯƠNG - LỚP dcl2401 14
Hình 3 Những hãng PLC phổ biến hiện nay: Misubishi, simen,
PLC thực chất là một hệ vi xử lý có các ưu điểm riêng biệt so với các hệ vi xử lý khác, được cài đặt sẵn hệ điều hành và có chức năng điều khiển lập trình được Nhờ đó PLC trở thành giải pháp tối ưu cho tự động hóa: cho phép thiết kế, triển khai và sửa đổi các chương trình điều khiển một cách linh hoạt, đồng thời đảm bảo độ tin cậy cao và khả năng vận hành trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt Với khả năng làm việc liên tục và dễ bảo trì, PLC đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển máy móc và các quá trình sản xuất bằng các ngôn ngữ lập trình đặc thù cho tự động hóa.
Hệ điều hành là tập hợp các chương trình hệ thống có nhiệm vụ xác định cách thức thực thi các chương trình của người dùng, đồng thời quản lý các thiết bị đầu vào/đầu ra và phân chia bộ nhớ RAM nhằm tối ưu hóa quá trình xử lý dữ liệu và hiệu suất của hệ thống.
Bộ nhớ chương trình: Lưu giữ chương trình điều khiển, khi PLC hoạt động nó sẽ đọc và thực hiện chương trình được ghi trong bộ nhớ này
Bộ đếm đầu và ra (Buffer): Là vùng nhớ đệm cho các đầu vào ra, các vùng này chiếm một phần của RAM
Bộ định thời (Timer), Bộ đếm (Counter):
Trong CPU có các bộ định thời, các bộ đếm có chức năng khác nhau từ vài chục đến vài trăm
Timer: TON, TOFF, TOR Counter: CT, CU, CD, CUD
Vùng nhớ dữ liệu: Không giống như bộ nhớ chương trình, vùng nhớ nàyđược sử dụng để lưu kết quả của người sử dụng
Vùng nhớ Bit, hay còn gọi là vùng nhớ cờ (Internal Relay), thường được ký hiệu là M và dùng để lưu dữ liệu logic trong thiết kế chương trình tự động hóa Đây là khu vực lưu trữ trạng thái nhị phân, hỗ trợ điều khiển các tín hiệu và rơ-le trong hệ thống, từ đó cho phép quản lý các điều kiện logic và luồng vận hành của quá trình sản xuất một cách hiệu quả.
- Vùng nhớ Byte các vùng nhớ này có thể đọc, ngoài ra còn có các vùng nhớ đặc biệt thường được ký hiệu S (Special)
Bộ xử lý CPU: Bộ xử lý gọi các lệnh trong bộ nhớ chương trình để thực hiện một cách tuần tự theo chương trình
Bus vào/ra trong PLC là phương tiện trao đổi dữ liệu giữa bộ vi xử lý và các module vào ra thông qua đường truyền bus Hệ thống bus được chia thành ba loại chính: bus địa chỉ để xác định thiết bị và vị trí dữ liệu, bus điều khiển để gửi tín hiệu điều khiển và đồng bộ hóa, và bus dữ liệu để truyền tải thông tin giữa các thành phần Mỗi loại có vai trò riêng biệt trong quá trình giao tiếp giữa bộ vi xử lý, module vào ra và các phần khác của PLC, giúp tăng hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
Hình 4 Thành phần hệ thống PLC
12 loại Micro PLC có cấu trúc onboard, được thiết kế cho các ứng dụng nhỏ như chiếu sáng, mở cửa và điều khiển trong máy phát điện tự động Tuy kích thước nhỏ, Micro PLC vẫn mang lại khả năng tự động hóa và kiểm soát hiệu quả, cho phép tích hợp dễ dàng vào các hệ thống nhỏ gọn Nhờ tính linh hoạt và độ tin cậy cao, Micro PLC được ứng dụng rộng rãi và đa dạng trong nhiều ngành công nghiệp cũng như các ứng dụng dân dụng.
Siemens Logo and Omron ZEN mini PLCs employ an on-board architecture, meaning the CPU integrates all core functions—power supply module, input/output interfaces, high-speed counter (HSC), timer/counter, and memory modules—into a single compact unit.
NGUỒN ĐIỆN CPU BỘ NHỚ
RELAY, TIRISTOR, CUỘN DÂY, ĐÈN, HIỂN THỊ THIẾT BỊ ĐẦU VÀO:
CẢM BIẾN, CÔNG TẮC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - ĐỖ MINH DƯƠNG - LỚP dcl2401 16
Ví dụ các loại PLC phổ biến gồm S5-900, S7/200 hoặc Micro Smart IDEC, CPM1 Omron; ở mức trung bình có cấu trúc module với các dòng như S7-300, A1SHCPU Mitsubishi, FA IDEC, được sử dụng trong các hệ thống vừa và nhỏ và có thể mở rộng bằng các module mở rộng tương tự PLC cỡ lớn Các hệ thống lớn hơn được gọi là Great PLC, với các dòng như S7-400, PCS và DCS.
Có cấu trúc dạng module, có khả năng sử dụng các ngôn ngữ bậc cao trong lập trình máy tính
+ Module vào/ra (A/D): AI, AO, DI, DI/DO, AI/AO, hoặc AI/DO, DI/AO + Module truyền thông: Mạng Mobus, AS-I, Profilebus, Devinet, CC-Link
+ Các module đặc biệt: PID, điều khiển động cơ, bộ đếm tốc độ cao
13 chế độ làm việc và vòng quét của PLC gồm các chế độ sau: Chế độ nghỉ (Stop mode): ở chế độ này người dùng không xử lý các chương trình điều khiển và người lập trình có thể cài đặt chương trình điều khiển từ máy tính sang PLC hoặc ngược lại Chế độ chạy (Runner mode): PLC sẽ thực hiện chế độ điều khiển và làm việc theo chu trình vòng quét Chế độ làm việc trung gian: giữa chế độ chạy và nghỉ, ở chế độ này ta có thể chuyển sang chế độ Run hoặc Stop bằng phần mềm (nhấp chuột trên thanh công cụ trên màn hình PC) Chế độ lỗi (Error): là một chế độ làm việc đặc biệt để thông báo lỗi chương trình truyền thông hoặc phần cứng vật lý của hệ thống.
14 CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ là tập hợp các thành phần cấu thành phần cứng và phần mềm giúp PLC giao tiếp với con người, với đối tượng được điều khiển và với các thiết bị điều khiển khác Trong nhóm này, phần cứng đóng vai trò nền tảng với các thiết bị như module I/O mở rộng, bộ chuyển đổi tín hiệu, gateway và cảm biến, nhằm mở rộng khả năng thu thập dữ liệu và điều khiển quá trình Phần mềm đi kèm cung cấp giao diện người dùng (HMI), công cụ lập trình và các giao thức giao tiếp để PLC có thể tương tác hiệu quả, trực quan và an toàn với người vận hành và với các thiết bị trong hệ thống tự động hóa.
+ Máy tính (PC) + Cáp truyền thông giữa PC và PLC + Card truyền thông
+ Máy quét Scanner + Cảm biến Sensor b Phần mềm:
Dữ liệu từ DI/AI vào vùng đệm đầu vào
Thông tin nội bộ và kiểm tra lỗi
Dưa dữ liệu từ bộ đệm
THIẾT KẾ XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 39
TIẾP ĐIỂM CÁC LỆNH TOÁN HỌC
Số nguyên Số thực ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - ĐỖ MINH DƯƠNG - LỚP dcl2401 33
21 GIỚI THIỆU TÓM TẮT VỀ ĐỀ TÀI Nguyên lý làm việc:
Máy phân loại sản phẩm hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng cảm biến để đo chiều cao của từng sản phẩm Sau đó, xi-lanh sẽ loại bỏ các sản phẩm có kích thước không đạt yêu cầu Những sản phẩm đạt kích thước yêu cầu sẽ được đếm bằng cảm biến cho đến khi đủ số lượng theo yêu cầu, rồi chuyển đến các thùng hàng để đóng gói.
Nguyên lý làm việc của hệ thống cho thấy máy hoạt động dựa trên một số chuyển động thiết yếu: chuyển động tịnh tiến để đưa sản phẩm lên băng chuyền và phân loại; chuyển động quay của trục băng được truyền từ động cơ điện một chiều thông qua bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng trung gian; ngoài chức năng đưa sản phẩm, máy còn hai chuyển động tịnh tiến để đẩy các sản phẩm không đạt kích thước của xi-lanh ra khỏi quá trình xử lý; chuyển động của xi-lanh được điều khiển bởi hệ thống thủy lực.
Chu trình làm việc máy :
Khi nhấn nút Start, máy hoạt động và đưa sản phẩm lên băng chuyền Trên băng chuyền, các sản phẩm được phân loại theo kích thước lớn nhỏ Phế phẩm được loại bỏ Sau khi phân loại, các sản phẩm được đếm và chuyển đến thùng hàng để đóng gói Quy trình tiếp tục cho đến khi toàn bộ sản phẩm được phân loại xong.
Loại sản phẩm được phân loại:
Phân loại và đếm sản phẩm là công việc lặp đi lặp lại, dễ khiến nhân viên cảm thấy nhàm chán và dễ mắc sai sót Các mặt hàng như gạch men, trái cây (dừa, bưởi) và các thùng hàng được phân loại theo kích thước tốn nhiều thời gian và dễ gây nhầm lẫn Để nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng và đảm bảo sự ổn định của sản phẩm, nhiều doanh nghiệp đã ứng dụng thiết bị sản xuất cùng hệ thống điều khiển tự động cho từng phần hoặc cho toàn bộ quá trình sản xuất.
Việc ứng dụng ngày càng rộng rãi các hệ thống sản xuất tự động đã cải thiện điều kiện lao động bằng cách giảm nhẹ sức lao động, ngăn ngừa sự nhàm chán trong công việc và mở ra cơ hội tiếp cận với tiến bộ của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật, từ đó người lao động được làm việc trong môi trường ngày càng văn minh hơn.
Trong nền kinh tế thị trường và hội nhập toàn cầu ngày càng sâu, cạnh tranh trở nên khốc liệt ở nhiều lĩnh vực, từ chất lượng mẫu mã đến chi phí sản xuất Việc ứng dụng tự động hóa trong quy trình sản xuất không chỉ tăng năng suất mà còn tạo đà cho việc giảm giá thành sản phẩm, đồng thời cho phép điều chỉnh mẫu mã một cách nhanh chóng để phù hợp với yêu cầu thị trường.
22 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG THỰC TẾ VÀ LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Tự động hoá là một quá trình cho phép giảm giá thành sản phẩm, giảm sức lao động của con người, nâng cao năng xuất lao động Trong mọi thời đại, một sản phẩm làm ra vấn đề giá thành sản phẩm là một trong những vấn đề rất được quan tâm bởi lẽ nếu cùng một loại sản ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - ĐỖ MINH DƯƠNG - LỚP dcl2401 34 phẩm của hai nhà sản xuất đưa ra nếu giá thành sản phẩm nào rẻ hơn nhưng với chất lượng như nhau thì dĩ nhiên người ta sẽ lựa chọn sản phẩm rẻ hơn Chính vì lẽ đó mà con người luôn tìm tòi mọi phương pháp để giảm giá thành sản phẩm và đó là cơ sở cho ngành tự động hoá ra đời Một trong những động lực cho sự phát triển của tự động hoá đó là giảm sức lao động của con người, nâng cao chất lượng sản phẩm và năng xuất lao động Người ta từ lâu đã nhận ra rằng lao động của con người đặc biệt là các loại máy móc tự động Vì vậy việc ra đời của ngành tự động hoá không những giảm bớt lao động của con người mà còn nâng cao được năng suất và chất lượng sản phẩm
Quá trình tự động hoá đã làm cho việc quản lí 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 Ngoài ra tự động hoá còn cải thiện được điều kiện làm việc của công nhân, tránh cho công nhân những công việc nhàm chán, lặp đi lặp lại, có thể thay cho con người lao động ở những nơi có điều kiện làm việc nguy hiểm, độc hại
Tự động hoá có thể áp dụng cho nhiều hình thức sản xuất, từ hàng loạt đến đơn chiếc, với trình độ chuyên môn hoá cao, nhờ đó năng suất và chất lượng sản phẩm được nâng cao Ngày nay, để đánh giá mức độ của một nền sản xuất, người ta xem xét mức độ tự động hoá của hệ thống sản xuất đó.
Ngày nay, nhờ trình độ chuyên môn hoá cao, một sản phẩm có thể được lắp ráp từ nhiều chi tiết của các nhà sản xuất khác nhau trên thế giới Vì vậy, tiêu chuẩn hoá các chi tiết và các sản phẩm chế tạo ra trở nên bắt buộc để đảm bảo tính tương thích và chất lượng đồng nhất trên toàn cầu Trong bối cảnh này, tự động hoá là giải pháp tối ưu cho ngành sản xuất theo tiêu chuẩn, giúp nâng cao năng suất, giảm thiểu sai lệch và tối ưu hoá quy trình sản xuất.
Ngành tự động hoá đóng vai trò then chốt của nền sản xuất và được các quốc gia trên thế giới đặc biệt quan tâm Trong thời đại kinh tế thị trường, sự cạnh tranh gay gắt trên thị trường hàng hóa đòi hỏi sản phẩm không chỉ có chất lượng cao mà còn có giá thành hợp lý Vì vậy, tự động hoá góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, cải thiện chất lượng và tối ưu chi phí, giúp doanh nghiệp duy trì và mở rộng thị phần trong môi trường cạnh tranh.
Chúng em chọn đề tài phân loại sản phẩm vì nó có nhiều ứng dụng thực tế như đã trình bày ở trên, giúp liên kết giữa lý thuyết và thực hành Việc vận dụng các kiến thức đã học vào thiết kế và chế tạo một mô hình phân loại cho thấy tính khả thi và sự đơn giản trong quá trình triển khai Bài viết nhấn mạnh quá trình phân tích đặc tính sản phẩm, xây dựng hệ thống phân loại và đánh giá kết quả nhằm tối ưu hóa quy trình làm việc và nâng cao hiểu biết thực tiễn Nhờ đó, chúng em làm rõ tác động của phân loại sản phẩm đối với các ứng dụng trong công nghiệp và thương mại, đồng thời phát triển kỹ năng thiết kế chế tạo mô hình của bản thân.
23 PHÂN TÍCH CÁC HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
231 Hoạt động phân loại thủ công
Khi sản phẩm được sản xuất, công nhân sử dụng thiết bị đo kiểm để xác định loại sản phẩm và đánh giá chất lượng trước khi đóng gói Sau đó, sản phẩm được xếp vào hộp, đếm đủ số lượng và dán băng keo lên miệng hộp để niêm phong Quy trình này phụ thuộc nhiều vào trình độ và kỹ năng của công nhân, và ngay cả người làm việc lâu năm cũng không tránh khỏi những sai sót dẫn đến chất lượng sản phẩm không đồng đều.
232 Hoạt động phân loại tự động
Quá trình sản xuất được bố trí trên băng chuyền tự động: sản phẩm được sắp xếp đều và di chuyển tới các hộp chứa Bên cạnh băng chuyền lắp đặt các công tắc hành trình, căn cứ vào kích thước sản phẩm để tác động lên công tắc và đẩy sản phẩm vào hộp nằm trên các băng chuyền khác Các sản phẩm còn lại tiếp tục di chuyển tới thùng hàng qua hệ thống đếm tự động; khi đạt đúng số lượng quy định, hệ thống tự động dừng trong một khoảng thời gian để đóng gói sản phẩm Hệ thống vận hành tuần tự cho tới khi có lệnh dừng, và người công nhân chỉ cần tới lấy hộp, xếp lên xe đẩy và đưa vào kho hàng.
24 CÁC YÊU CẦU KHI THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Trong hệ thống phân loại, chuyển động của băng chuyền chính đảm nhận nhiệm vụ đưa sản phẩm tới khu vực phân loại, duy trì nhịp luồng hàng và đảm bảo sự liên tục của quá trình Sau đó, chuyển động tịnh tiến của piston sẽ đẩy sản phẩm từ băng chuyền chính vào hộp trên băng chuyền phân loại, giúp xác định và xếp sản phẩm vào hộp đúng vị trí trên hệ thống Sự phối hợp giữa băng chuyền chính và piston tạo nên quy trình phân loại và đóng gói hiệu quả, tăng năng suất và độ chính xác trong xử lý sản phẩm.
242 Các yêu cầu khi thiết kế
Nhìn chung, khi xây dựng phương án bố trí cho các hệ thống tự động cần phải đảm bảo các điều kiện như sau:
- Hệ thống đơn giản, dễ điều khiển và đáng tin cậy
- Công nhân làm việc được thoải mái, không phải chịu áp lực lao động
- Ngoài ra phải đảm bảo được tính an toàn và tính kinh tế
25 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ + Phương án 1