KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNGBÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO KHỐI LƯỢNG SỬ DỤNG PLC S7 - 1200 ThS... KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNGBÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ
Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
- Điều khiển, phân loại được các sản phẩm hoàn toàn tự động.
Trong quá trình thiết kế mô phỏng, hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng đóng vai trò quan trọng để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả Việc xác định và phân loại sản phẩm dựa trên các khối lượng đã được lập trình trước giúp tối ưu hóa quá trình xử lý dữ liệu Hệ thống này cho phép chia nhỏ sản phẩm thành các nhóm theo từng khối lượng cụ thể, từ đó nâng cao khả năng kiểm soát và phân tích trong mô phỏng kỹ thuật Việc áp dụng hệ thống phân loại theo khối lượng là bước không thể thiếu để đảm bảo mô phỏng phản ánh đúng đặc tính của sản phẩm trong thực tế.
- Sử dụng được PLC S7 - 1200 để điều khiển, lập trình.
- Sử dụng được cảm biến cân trọng lượng để phân loại sản phẩm theo yêu cầu
Mô phỏng và thiết kế phân loại các sản phẩm có khối lượng nhỏ giới hạn dựa trên mức cân, gồm ba mức hạn định là nhẹ, trung bình và nặng, giúp đảm bảo chính xác và hiệu quả trong quá trình xử lý Việc lưu trữ thông tin của hệ thống một cách có tổ chức giúp dễ dàng tra cứu và bảo trì, đồng thời giám sát hoạt động của mô hình để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả Áp dụng các kỹ thuật phân loại này góp phần nâng cao khả năng kiểm soát và tối ưu hóa quy trình xử lý sản phẩm nhỏ, phù hợp với các yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy cao.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ứng dụng PLC tích hợp cảm biến trọng lượng để điều khiển động cơ trong hệ thống phân loại sản phẩm Hệ thống hoạt động tự động theo các chương trình đã được cài đặt sẵn, giúp tối ưu hoá quá trình phân loại Ngoài ra, khối lượng sản phẩm có thể dễ dàng điều chỉnh theo nhu cầu, nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả vận hành Đảm bảo việc phân loại chính xác, nhanh chóng và phù hợp với các yêu cầu sản xuất của doanh nghiệp.
Mạch mô phỏng đảm bảo phân loại đúng khối lượng yêu cầu đặt ra.
Bố cục đề tài
Chương I: Tổng quan về phân loại sản phẩm theo khối lượng
Chương II: Cơ sở lý thuyết
Chương III: Thiết kế phân loại sản phẩm theo khối lượng
Chương IV: Kết luận và Kiến nghị
QUAN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO KHỐI LƯỢNG
Tính cấp thiết của đề tài
Trong bối cảnh ngày nay, sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật như điện-điện tử và điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực như khoa học, quản lý, công nghiệp tự động hóa và cung cấp thông tin Việc nắm bắt và vận dụng các công nghệ này một cách hiệu quả là cần thiết để góp phần thúc đẩy sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật toàn cầu, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển tự động.
Trong các nhà xưởng và xí nghiệp hiện nay, việc tiết kiệm điện năng và giảm nhân công là yếu tố cấp thiết để nâng cao hiệu quả sản xuất Ngành công nghiệp ngày càng phát triển, dẫn đến việc các công ty áp dụng tự động hóa trong sản xuất nhằm quản lý dây chuyền và sản phẩm một cách hợp lý, tiện lợi hơn Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn dễ dàng trong công tác quản lý toàn hệ thống.
Hiện nay, các công ty trong nước đang gặp phải nhu cầu phân loại size của nhiều loại sản phẩm có trọng lượng khác nhau, trước đây dựa vào nhân công cân thủ công bằng cân điện tử Quá trình này tốn nhiều nhân lực, gây tăng chi phí sản xuất, mất nhiều thời gian và độ chính xác không cao Để đáp ứng yêu cầu về năng suất, thời gian và độ chính xác, các hệ thống băng tải phân loại size theo trọng lượng đã ra đời Đề tài thiết kế và thi công mô hình băng tải phân loại sản phẩm dựa trên trọng lượng nhằm phục vụ nghiên cứu và đáp ứng nhu cầu phân loại sản phẩm trong sản xuất một cách hiệu quả.
Khái niệm hệ thống phân loại sản phẩm
Hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống điều khiển tự động hoặc bán tự động giúp phân chia sản phẩm thành các nhóm có cùng thuộc tính Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong quá trình đóng gói và loại bỏ những sản phẩm hỏng, nâng cao hiệu quả sản xuất Việc sử dụng hệ thống phân loại tự động giúp tối ưu hóa quy trình kiểm tra chất lượng và giảm thiểu sai sót trong quá trình xử lý sản phẩm.
- Dựa trên phương thức điều khiển chia ra hệ thống tự động hay bán tự động, có sự tham gia của con người hay không.
- Theo màu sắc: màu sắc sẽ được cảm biến màu nhận biết chuyển sang tính hiệu số rồi qua bộ chuyển đổi ADC về bộ xử lí.
- Theo hình dáng kích thước bên ngoài.
Ngoài ra còn nhiều cách phân loại khác tùy vào yêu cầu và sự khác biệt của từng loại sản phẩm với nhau.
Ý nghĩa của hệ thống phân loại sản phẩm đối với con người
Hệ thống phân loại sản phẩm ra đời và phát triển đã góp phần thúc đẩy tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong nền kinh tế toàn cầu cũng như của đất nước Việt Nam Đây là bước ngoặt quan trọng giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, phân phối và quản lý sản phẩm, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của nền công nghiệp Việt Nam Việc phân loại sản phẩm có vai trò ảnh hưởng lớn đến các ngành công nghiệp, làm tăng các lợi ích cho đời sống người dân và thúc đẩy sự phát triển kinh tế toàn diện của đất nước Nhờ đó, nền kinh tế Việt Nam hứa hẹn sẽ có một sự phát triển vững mạnh và ổn định lâu dài trong tương lai.
Sản phẩm đóng vai trò quan trọng trong hoạt động phát triển và phân phối, nâng cao đời sống con người Sự thay đổi đáng kể về số lượng và chất lượng sản phẩm thể hiện rõ sự đa dạng về mẫu mã và chủng loại, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về sức khỏe Chất lượng sản phẩm ngày càng được nâng cao, đảm bảo tiêu chuẩn và phù hợp với yêu cầu của người tiêu dùng.
Sự thay thế của máy móc và thiết bị hiện đại đã giảm thiểu đáng kể thời gian lao động trực tiếp trong quá trình sản xuất và các công đoạn liên quan, nâng cao hiệu quả làm việc Các công việc khó khăn và phức tạp được tự động hóa, giúp nhân công chủ yếu điều khiển hệ thống từ một phòng điều khiển riêng biệt, giảm bớt áp lực lao động Nhờ đó, sức khỏe và đời sống vật chất, tinh thần của người lao động được cải thiện rõ rệt, thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp.
Các loại hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay
Hệ thống phân loại sản phẩm ra đời nhằm mục đích phục vụ nhiệm vụ hiện đại hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả công việc Một hệ thống hoàn chỉnh có khả năng phân loại chính xác, hoạt động liên tục và giảm thiểu thời gian trì hoãn, từ đó tối ưu hóa năng suất Đối với các công việc đòi hỏi sự tập trung cao và tính lặp lại, việc tự động hóa giúp đảm bảo độ chính xác và ổn định trong quá trình phân loại Điều này trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất, chính vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời để đáp ứng những yêu cầu này.
Trong các nhà máy và xí nghiệp hiện nay, hệ thống phân loại sản phẩm đóng vai trò quan trọng trong tối ưu hóa quy trình sản xuất Các phương pháp phân loại phổ biến bao gồm phân loại theo màu sắc nhằm dễ dàng nhận diện và phân chia các loại sản phẩm khác nhau Ngoài ra, phân loại theo chiều cao giúp tổ chức và sắp xếp hàng hóa một cách hợp lý, thúc đẩy hiệu quả vận chuyển và lưu kho Phân loại theo hình dạng cũng rất phổ biến, giúp xác định các đặc điểm nổi bật của sản phẩm để phù hợp với các yêu cầu sản xuất và tiêu chuẩn chất lượng.
Phân loại sản phẩm theo màu sắc
Hình 1 1 Các công nghệ then chốt đóng góp vào sự phát triển hệ thống
Hệ thống phân loại gạo bằng màu sắc do Viện IMI phát triển giúp tự động nhận dạng và xử lý phân loại gạo chính xác, nâng cao hiệu quả chế biến phục vụ xuất khẩu Công nghệ quang-cơ điện tử (opto-mechatronic technology) đang được ứng dụng để tối ưu hóa quá trình phân loại gạo dựa trên đặc điểm màu sắc, đảm bảo chất lượng sản phẩm và tăng năng suất sản xuất Việc sử dụng hệ thống tự động này không chỉ giảm thiểu lỗi human error mà còn cải thiện tính nhất quán trong quá trình phân loại, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thị trường xuất khẩu gạo quốc tế.
“hệ máy nhìn” là đề tài được đánh giá cao tại VICA 6.
Trong những năm gần đây, công nghệ quang học đã nhanh chóng gắn kết với các hệ thống cơ điện tử, tạo ra nhiều sản phẩm thông minh với các bộ phận quang học tích hợp Công nghệ quang học ngày càng thể hiện rõ vai trò trong việc nâng cao giá trị và hiệu suất của hệ thống nhờ sự kết hợp giữa các phần tử quang học và cơ điện tử nhúng, giải quyết các vấn đề kỹ thuật phức tạp Ví dụ, nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật quang-cơ điện tử trong máy phân loại gạo theo màu sắc của Viện IMI đã đem lại các giải pháp tiên tiến trong lĩnh vực này.
Hình 1 2 Sơ đồ nguyên lý-cấu trúc hệ thống phân loại gạo theo màu sắc
Các hệ thống phân loại hạt theo màu sắc nói chung, phân loại gạo theo màu sắc nói riêng có sơ đồ nguyên lý, cấu trúc như Hình 1.2.
Hệ thống cấp liệu gạo sử dụng bộ cấp liệu rung để đưa nguyên liệu xuống máng dẫn, đảm bảo quỹ đạo ổn định và vượt qua vùng nhận dạng của camera CCD hoặc CMOS Màu sắc của hạt gạo được nhận biết tức thời trong xử lý thời gian thực, giúp máy tính công nghiệp (IPC) quyết định xem hạt có đạt chất lượng hay không dựa trên màu sắc Nếu hạt không đạt yêu cầu, hệ thống sẽ phát tín hiệu để súng phun khí nén loại bỏ hạt khỏi quỹ đạo; nếu đạt, sẽ không có tín hiệu bắn ra Gạo chính phẩm và chế phẩm sau đó được phân tách và chứa trong hai khoang riêng biệt, nhằm chuẩn bị vào kho hoặc qua máy đóng bao Quá trình xử lý và ra quyết định phải hoàn thành trong vòng dưới 0,13 mili giây, đòi hỏi hệ thống chiếu sáng phù hợp và cấu trúc buồng nhận dạng chính xác để tối ưu phân tách các ngưỡng màu.
Hệ thống camera ghi nhận hình ảnh gần như tức thời với tốc độ chuyển đổi tín hiệu và tính toán rất cao, đảm bảo độ chính xác trong quá trình giám sát Độ chính xác của kết cấu cơ khí đóng vai trò quan trọng trong ổn định dòng số liệu, giúp giảm thiểu sai số hệ thống trong xử lý dữ liệu Nhiệm vụ của hệ thống tích hợp nhiều yếu tố như cơ khí chính xác, kỹ thuật quang điện, điện quang, hệ thống điện tử điều khiển, phần mềm xử lý và điện động lực các cơ cấu tác nhanh để đảm bảo hoạt động hiệu quả Các cơ cấu cơ khí được gia công chính xác trên máy CNC đạt độ chính xác đến 10-3mm, sử dụng nguồn sáng cao cấp như đèn fluorescence tần số 100kHz Camera CCD quét dòng được lựa chọn phù hợp dựa trên tốc độ, độ phân giải và độ nhạy để tối ưu hóa hiệu suất Các van điện khí chuyên dụng có đặc tính trễ dưới 0,7 mili giây, đảm bảo phản hồi nhanh Hệ thống điều khiển điện tử do Viện IMI thiết kế và chế tạo trong nước, đảm bảo chất lượng và phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật cao.
Cơ sở ánh sáng và vấn đề nhận dạng, phân loại hạt (nông sản) theo màu sắc
Hình 1.3 cho thấy ảnh chụp hạt gạo đầu vào và đầu ra, trong đó gạo đầu vào đã qua các công đoạn xử lý như xay xát, sàng sảy và đánh bóng Công đoạn phân loại gạo đòi hỏi phải nhận dạng chính xác các hạt ngoại lai như hạt đỏ, vàng, bạc bụng và tạp chất dựa trên màu sắc, để loại bỏ chúng kịp thời và hiệu quả Việc nhận dạng đúng yêu cầu nguồn sáng phù hợp, giúp camera ghi nhận màu sắc chuẩn xác, đóng vai trò then chốt trong việc duy trì chất lượng phân loại gạo Đảm bảo quá trình xử lý chính xác màu sắc của các hạt ngoại lai là yếu tố cốt lõi để nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Hệ thống phân loại gạo theo màu sắc đạt độ chính xác cao nhờ vào cấu hình quang-điện tối ưu và thiết kế kết cấu đảm bảo nguồn sáng ổn định, cùng với các thuật toán thu thập và xử lý dữ liệu theo thời gian thực, nhận dạng hạt chính xác Tuy nhiên, hệ thống này còn phức tạp đối với người sử dụng và gặp khó khăn trong việc sửa chữa khi gặp sự cố.
Phân loại sản phẩm theo chiều cao
Hình 1 4 Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao
- Hai động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền.
- Ba cảm biến nhận biết chiều cao.
- Hai xylanh piston để phân loại sản phẩm.
- Bộ PLC dùng để xử lý tín hiệu.
- Các rơ le trung gian.
- Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn bộ hệ thống.
Khi nhấn nút Start, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện một chiều hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai để bắt đầu quá trình phân loại sản phẩm Hệ thống sử dụng cảm biến nhận biết chiều cao sản phẩm để xác định loại sản phẩm cần phân loại, gửi tín hiệu về PLC xử lý để điều khiển van đảo chiều và piston đẩy sản phẩm vào khay chứa phù hợp hoặc phân loại vào hộp chứa trên băng chuyền thứ hai Động cơ một chiều thứ hai tiếp tục truyền chuyển động để đưa hộp chứa sản phẩm thấp về vị trí phù hợp, đảm bảo quy trình phân loại tự động chính xác và hiệu quả.
Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp:
- Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói.
- Ứng dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm như bánh kẹo, hoa quả
- Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất bia, nước giải khát.
Phân loại sản phẩm theo hình dạng
Hình 1 5 Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng
- Một động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền.
- Hai động cơ bước gạt sản phẩm để phân loại.
- Cảm biến thị giác Camera (Nhận dạng vật thể qua Camera).
- Bộ PLC dùng để xử lý tín hiệu.
- Các rơ le trung gian.
- Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn bộ hệ thống.
Khi nhấn nút Start, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện một chiều hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền qua dây đai Trên băng chuyền được lắp đặt cảm biến thị giác Camera để nhận dạng sản phẩm khi chúng đi qua Cảm biến thị giác gửi tín hiệu về bộ PLC để xử lý và điều khiển động cơ bước, giúp gạt từng sản phẩm có hình dạng khác nhau vào các nơi chứa riêng biệt Ứng dụng của hệ thống này giúp tự động hóa quá trình phân loại, nâng cao năng suất và chính xác trong sản xuất.
Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng được ứng dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp:
- Ứng dụng trong công nghiệp kiểm tra và phân loại sản phẩm có hình dáng khác nhau như: Gạch, Ngói, thực phẩm tiêu dùng…
- Ứng dụng trong kiểm tra và phân loại Nông Sản.
- Ứng dụng kết hợp với Robot thông minh.
Ngoài ba hệ thống phân loại sản phẩm chính, còn có hệ thống phân loại dựa trên đặc tính của sản phẩm như trọng lượng hay kích thước Các hệ thống này đều có cấu tạo và nguyên lý hoạt động khá tương tự nhau, chỉ khác ở bộ phận đẩy sản phẩm (xylanh piston hoặc động cơ bước) và bộ phận nhận dạng (cảm biến màu sắc, cảm biến quang, cảm biến kim loại hoặc camera phát hiện hình dạng).
Giới thiệu cân định lượng
1.5.1 Các hệ thống cân định lượng hiện nay
Việc đo lường và kiểm soát khối lượng nguyên vật liệu trong các nhà máy là yếu tố then chốt để đảm bảo hoạt động liên tục và nâng cao năng suất Trong quá trình sản xuất, đo lường chính xác giúp tạo ra sản phẩm chất lượng cao và tối ưu hóa quy trình vận hành Trước đây, các phương pháp đo lường như đo thể tích, đo mức, đo lưu lượng hay cân cơ học thường gây cồng kềnh và có độ chính xác chưa cao, ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất.
Trong bối cảnh các hệ thống hiện đại ngày nay đòi hỏi độ chính xác cao và năng suất lớn, việc sử dụng hệ thống cân điện tử đo lường bằng loadcell đã trở thành giải pháp tối ưu Công nghệ này giúp tiết kiệm chi phí nguyên liệu, nâng cao hiệu quả sản xuất và quản lý chi phí một cách hiệu quả Các hệ thống cân điện tử kết nối linh hoạt với các thiết bị khác trong dây chuyền sản xuất để tối ưu hóa quá trình vận hành và nâng cao năng suất tổng thể.
Các hệ thống cân sử dụng loadcell thường dùng như: Cân bồn, cân phễu, cân băng tải, cân dạng cơ,
Hình 1 6 Một số hệ thống cân
1.5.2 Băng tải cân định lượng
Cân băng tải định lượng là hệ thống kết hợp giữa băng tải và cân điện tử, cho phép cân định lượng nguyên liệu ngay trên dây chuyền sản xuất Hệ thống này giúp quá trình sản xuất diễn ra liên tục và đảm bảo khối lượng nguyên liệu đạt chuẩn, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm đầu ra Việc sử dụng cân băng tải định lượng đảm bảo tiêu chuẩn cao, tối ưu hóa hiệu quả sản xuất và tăng giá trị sản phẩm cho doanh nghiệp.
Cấu tạo: cân băng tải định lượng gồm các phần:
Khung cơ khí phần giá đỡ toàn bộ hệ thống đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ và giữ vững các bộ phận chính như phễu chứa, hệ thống con lăn băng tải và băng tải vận chuyển nguyên liệu Hệ thống này còn bao gồm các linh kiện và phụ kiện hỗ trợ khác nhằm đảm bảo hoạt động liên tục, ổn định và hiệu quả của toàn bộ quá trình vận chuyển và xử lý nguyên liệu trong dây chuyền sản xuất Việc thiết kế chắc chắn, chính xác của khung cơ khí giúp tăng độ bền, giảm thiểu sự cố và nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống tự động.
Hệ thống cảm biến và điều khiển gồm có cảm biến lực (loadcell cân băng định lượng), cảm biến tốc độ, bộ chỉ thị điều khiển, biến tần và động cơ truyền động giúp tối ưu hóa quá trình vận hành Các cảm biến lực và tốc độ cung cấp dữ liệu chính xác, giúp bộ điều khiển điều chỉnh hoạt động của hệ thống một cách chính xác và hiệu quả Việc tích hợp biến tần và động cơ truyền động đảm bảo quá trình làm việc ổn định, tiết kiệm năng lượng, nâng cao hiệu quả sản xuất Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
Hệ thống điều khiển tự động hóa: Hệ thống tủ điện điều khiển trung tâm, phần mềm điều khiển cân băng định lượng.
Trong quy trình vận hành, bước đầu là cấp liệu vào phiễu chứa, sau đó chuyển tiếp lên băng tải để thực hiện xác định khối lượng và tốc độ chạy của hệ thống Tiếp theo, quá trình phân tích các thông số thô giúp xác định khối lượng chuẩn nhằm đảm bảo chính xác trong sản xuất Hệ thống sau đó tiến hành điều khiển định mức chuẩn, duy trì hoạt động ổn định của toàn bộ quá trình thông qua hệ thống hoạt động vòng lặp, đảm bảo hiệu quả và tự động hóa trong vận hành.
Bộ phận cơ khí của hệ thống bao gồm phễu chứa, cửa cấp liệu, băng tải, con lăn lớn và con lăn nhỏ, đảm nhiệm vai trò cung cấp nguyên liệu đầu vào Liệu được đổ vào phễu chứa và bắt đầu quy trình cân băng qua cửa cấp liệu như vít tải hoặc cửa xả, giúp liệu chảy xuống băng tải Toàn bộ băng tải được gắn trên khung cân băng, trong đó con lăn lớn chịu nhiệm vụ tải băng, còn con lăn nhỏ giúp băng tải chạy ổn định Trong hệ thống còn có bộ phận cảm biến trọng lượng (loadcell) lắp trên các băng tải nhỏ để kiểm tra và đong đếm chính xác khối lượng liệu chảy qua, nâng cao hiệu quả quá trình cân đo tự động.
Bộ phận cảm biến, gồm loadcell cảm biến trọng lượng và encoder cảm biến tốc độ, được lắp đặt trên các con lăn nhỏ, giúp đo lường trọng lực tác dụng trực tiếp lên chúng Dữ liệu từ các cảm biến này được gửi về bộ điều khiển để xử lý Encoder cảm biến tốc độ có chức năng kiểm tra tốc độ chạy của băng tải, từ đó cung cấp thông số chính xác về tốc độ vận hành Khi kết hợp dữ liệu về trọng lượng và tốc độ, hệ thống có thể tính toán khối lượng hàng hóa trên giờ một cách chính xác để tối ưu hóa quá trình sản xuất.
Bộ phận điều khiển, gồm đầu cân hiển thị điều khiển, tủ điện điều khiển cân băng và phần mềm cân băng, chịu trách nhiệm xử lý các thông số kỹ thuật truyền từ cảm biến tốc độ và cảm biến lực Thông tin từ đầu cân điều khiển sẽ được gửi về phần mềm trên máy tính để xử lý dữ liệu thô và phản hồi ngược lại tủ điện trung tâm Tại tủ điện điều khiển trung tâm, các quyết định về thời gian chạy trên băng và kiểm soát khối lượng cần thiết sẽ được xác định dựa trên các thông số đã xử lý, đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả của hệ thống cân băng.
Các vấn đề cần nghiên cứu bổ sung
Các nghiên cứu trước đây đã được ứng dụng từ lâu, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế về mặt khó sử dụng và giá thành cao Do đó, nhiều doanh nghiệp nhỏ gặp khó khăn khi áp dụng các thiết bị phân loại tự động trên thị trường Nhóm chúng tôi đã thực hiện mô phỏng hệ thống phân loại sản phẩm theo trọng lượng bằng PLC, nhằm tạo ra giải pháp đơn giản, dễ vận hành và phù hợp để tích hợp vào dây chuyền sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp nhỏ và vừa Hệ thống này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả phân loại mà còn giảm thiểu chi phí, phù hợp với khả năng tài chính của các đơn vị sản xuất quy mô nhỏ.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lịch sử hình thành
Thiết bị điều khiển khả trình (PLC, programmable logic controller) là một loại máy tính chuyên dụng cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình Được nhà sáng lập người Mỹ Richard Morley đề xuất lần đầu vào năm 1968, PLC ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của nhà sản xuất ô tô General Motors về một thiết bị lập trình linh hoạt thay thế mạch điều khiển logic cứng Các công ty như Allen Bradley và Bedford Associate (Modicon) đã trình bày và phát triển ý tưởng này, ban đầu gọi là Programmable Controller (PC) Tuy nhiên, khi máy tính cá nhân (PC) trở nên phổ biến, thuật ngữ PLC được sử dụng phổ biến hơn nhằm tránh nhầm lẫn.
Các loại PLC thông dụng
Bảng 2 1 Một số loại PLC thông dụng
Hãng Siemens S7 – 300: CPU 313, CPU 314, CPU 315…
S7 – 400: CPU 412, CPU 413, CPU 414, CPU 416… S7 – 1200: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C…
Dòng CPM1A, CPM2A, CPM2C Dòng CQM1
Dòng FX: FX1N, FX1S, FX2N, FX3G…
Hãng Mitsubishi Dòng A PLC: A large CPU, QnAS CPU, AnS CPU
Hãng Delta Dòng DVP – SA
Dòng DVP – SC Dòng DVP – SX Dòng DVP –
Ngôn ngữ lập trình
Các ngôn ngữ lập trình PLC được quy định trong chuẩn IEC 61131 – 3 bao gồm:
- Ngôn ngữ lập trình cơ bản:
- Instruction List (IL): dạng hợp ngữ.
- Structured Text (ST): giống Pascal Các ngôn ngữ đồ họa:
- Ladder Diagram (LD): giống mạch rơ le.
- Function Block Diagram (FBD): giống mạch nguyên lý.
- Sequential Function Charts (SFC): xuất xứ từ mạng Petri/Grafcet.
Cấu trúc và phương thức thực hiện chương trình PLC
Bộ xử lý trung tâm (CPU): Bao gồm một hay nhiều bộ vi xử lý điều hành hoạt động của toàn hệ thống.
Các kênh truyền, hay còn gọi là các bus, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống máy tính Bus dữ liệu thường có độ rộng 8 bit và truyền các thông tin dữ liệu dưới dạng số nhị phân một bit mỗi dây Bus địa chỉ có chiều dài 8 hoặc 16 bit, dùng để tải địa chỉ vị trí trong bộ nhớ, giúp truy xuất dữ liệu chính xác Bus điều khiển truyền các tín hiệu điều khiển từ CPU đến các bộ phận khác trong hệ thống, đảm bảo điều phối hoạt động phù hợp Cuối cùng, bus hệ thống liên lạc giữa các cổng nhập/xuất và thiết bị nhập/xuất, giúp trao đổi thông tin hiệu quả trong toàn bộ hệ thống máy tính.
Bộ nguồn: cung cấp nguồn một chiều (5V) ổn định cho CPU và các thành phần chức năng khác từ một nguồn xoay chiều (110, 220V…) hoặc nguồn một chiều (12,24V…).
Hình 2 1 Sơ đồ khối PLC
Các thành phần vào/ra đóng vai trò là giao diện giữa CPU và các quá trình kỹ thuật, chịu trách nhiệm chuyển đổi, thích ứng tín hiệu và cách ly giữa thiết bị ngoại vi như cảm biến, cơ cấu chấp hành và CPU Đầu vào số (DI) nhận tín hiệu nhị phân từ các bộ chuyển đổi như nút ấn, công tắc hoặc cảm biến với dải điện áp rộng từ 5 VDC đến 240 VAC Đầu vào tương tự (AI) biến đổi tín hiệu analog từ các cảm biến nhiệt độ, lưu lượng hoặc biến tần thành tín hiệu số, thường sử dụng chuẩn 4-20mA, 0-5V hoặc 0-10V Đầu ra tương tự (AO) gửi tín hiệu số từ CPU để điều khiển các thiết bị như biến tần hoặc van điện từ, chuyển đổi thành tín hiệu analog phù hợp Đầu ra số (DO) cung cấp tín hiệu nhị phân cho các thiết bị như đèn báo hoặc relay, gồm các loại như Trans, Triac hoặc relay, hoạt động với điện áp 5 VDC hoặc cao hơn tùy theo yêu cầu điều khiển.
24 VDC, 12 – 48VDC/VAC, 120 VAC, 230 VDC.
Phương thức thực hiện chương trình.
PLC hoạt động theo chu trình lặp, gọi là vòng quét (Scan), giúp tự động hóa quá trình điều khiển Trong mỗi vòng quét, PLC bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo ngõ vào để xử lý, tiếp theo là thực hiện chương trình điều khiển dựa trên dữ liệu đã thu thập Quá trình này đảm bảo tính liên tục và chính xác trong kiểm soát tự động của PLC.
Trong mỗi vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc Sau giai đoạn thực thi, dữ liệu trong bộ đệm ảo ngõ ra được chuyển tới các cổng ra số, kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi Thời gian để PLC hoàn thành một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (scan time), và thời gian này không cố định, có thể dài hoặc ngắn tùy thuộc vào số lượng lệnh trong chương trình và khối lượng dữ liệu truyền thông trong kỳ quét đó.
Ứng dụng PLC
- Điều khiển các dây truyền đóng gói bao bì, tự động mạ tráng kẽm, sản xuất bia, sản xuất xi măng…
- Hệ thống rửa ô tô tự động.
- Điều khiển máy sấy, máy ép nhựa…
Giới thiệu về PLC S7 - 1200
S7-1200 là dòng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) phù hợp với nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau Thiết kế nhỏ gọn và chi phí hợp lý giúp tối ưu hóa không gian lắp đặt và ngân sách cho các dự án tự động hóa Với tập lệnh mạnh mẽ, S7-1200 mang lại các giải pháp hiệu quả và linh hoạt hơn cho các hệ thống tự động hóa công nghiệp.
S7 - 1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào vào/ra (DI/DO).
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển.
S7-1200 được trang bị một cổng PROFINET, hỗ trợ tiêu chuẩn Ethernet và TCP/IP, đảm bảo kết nối mạng ổn định và nhanh chóng cho hệ thống tự động hóa Bên cạnh đó, người dùng có thể mở rộng khả năng truyền thông của PLC bằng cách sử dụng các module mở rộng kết nối RS485 hoặc RS232, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong tự động hóa công nghiệp.
Step 7 Basic là phần mềm lập trình cho bộ điều khiển S7-1200 của Siemens, hỗ trợ các ngôn ngữ lập trình phổ biến như FBD, LAD và SCL để người dùng dễ dàng thiết kế và tối ưu hóa hệ thống tự động hóa Phần mềm này được tích hợp sẵn trong nền tảng TIA Portal của Siemens, giúp quá trình lập trình, cấu hình và điều khiển trở nên thuận tiện và hiệu quả hơn.
Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ chương trình khác nhau PLC S7 - 1200 có các loại sau:
Work 30 Kbytes 50 Kbytes 75 Kbytes 100 Kbytes
Load 1 Mbyte 1 Mbyte 4 Mbyte 4 Mbyte người dùng
Inputs 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes thước bộ đệm Outputs 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes
Bit nhớ (M) 4096 bytes 4096 bytes 4096 bytes 4096 bytes
Module mở rộng vào none 2 8 8 ra (SM)
3 at 100kHz 3 at 100kHz 3 at 100kHz SB: 2 at
1 at 30kHz 3 at 30kHz 3 at 30kHz
Bộ đếm phase 30kHz tốc độ
Card nhớ SIMATIC Memory Card (optional)
Lưu trữ thời gian đồng Chuẩn là 20 ngày, nhỏ nhất là 12 ngày ở nhiệt độ 400
C hồ thời gian thực (duy trì bằng tụ điện có điện dung lớn)
1 cổng truyền thông 2 cổng truyền thông
Tốc độ thực thi phép
Tốc độ thực thi logic
PLC có 3 loại bộ nhớ sử dụng là Load memory, Work memory và Retentive Memory:
- Load memory chứa bộ nhớ của chương trình khi down xuống.
- Work memory là bộ nhớ lúc làm việc.
- System memory thì có thể setup vùng này trong Hardware config, chỉ cần chứa các dữ liệu cần lưu vào đây.
Bảng 2 3 Phân vùng bộ nhớ
Bộ nhớ CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
Tiếp điểm thường hở sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ là n bằng 1.
Tiếp điểm thường đóng sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ n là 0.
Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 và ngược lại.
Chỉ sử dụng một lệnh out cho 1 địa chỉ.
Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 0 và ngược lại.
Chỉ sử dụng một lệnh out not cho 1 địa chỉ.
Giá trị của các bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1, giúp thiết lập các bit phù hợp theo yêu cầu Khi đầu vào của lệnh bằng 0, bit này vẫn giữ nguyên trạng thái ban đầu, đảm bảo tính ổn định của dữ liệu Việc kiểm soát chính xác giá trị của các bit này là quan trọng trong lập trình và xử lý dữ liệu nhị phân.
Giá trị của các bit có địa chỉ là n sẽ bằng 0 khi đầu vào của lệnh này là 1, giúp thực hiện các thao tác xóa hoặc tắt các bit cụ thể trong bộ nhớ Khi đầu vào của lệnh bằng 0, các bit này vẫn giữ nguyên trạng thái ban đầu, đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu Điều này cho phép kiểm soát chính xác các biến đổi bits trong quá trình lập trình, phù hợp với các yêu cầu về tối ưu hóa và xử lý dữ liệu.
Bảng 2 5 Tập lệnh Timer, Counter
Timer trễ không nhớ - TON hoạt động khi ngõ vào IN được kích hoạt, và khi ngõ vào này ngừng tác động, Timer sẽ tự reset và dừng hoạt động, giúp đảm bảo quá trình điều chỉnh thời gian chính xác Việc thay đổi giá trị PT trong quá trình Timer vận hành không ảnh hưởng đến hoạt động của Timer, mang lại tính linh hoạt và ổn định trong quá trình sử dụng.
Giá trị bộ đếm CV được tăng lên 1 Khi tín hiệu ngõ vào CU chuyển từ 0 lên 1 Ngõ ra Q được tác động lên 1 khi CV >= PV.
Nếu trạng thái R = Reset được tác động thì bộ đếm CV = 0.
Bảng 2 6 Tập lệnh toán học
Lệnh so sánh dùng để so sánh hai giá trị IN1 và IN2 bao gồm IN1= IN2, IN1>= IN2, IN1 IN2, IN1 IN2.
So sánh 2 kiểu dữ liệu giống nhau, nếu lệnh so sánh thỏa mãn thì ngõ ra sẽ là mức 1 = TRUE( tác động mức cao) và ngược lại.
Kiểu dữ liệu so sánh là: SInt, Int, Dint, USInt, UDInt, Real,Lreal, String, Time, DTL, Constant.
Lệnh cộng ADD: OUT = IN1 + IN2 Lệnh trừ SUB : OUT IN1 - IN2.
Tham số IN1, IN2 phải cùng kiểu dữ liệu: Sint, Int, Dint, USInt, Uint, UDInt, Real, Lreal, Constant.
Tham số OUT có kiểu dữ liệu: Sint, Int, Dint, USInt, Uint, UDInt, Real, Lreal.
Trong quá trình thực thi, tham số ENO được sử dụng để kiểm tra trạng thái của lệnh Nếu không có lỗi xảy ra, ENO sẽ bằng 1, thể hiện quá trình vận hành thành công Ngược lại, khi gặp lỗi trong quá trình thực thi, ENO sẽ bằng 0, cho biết có sự cố xảy ra Một số lỗi phổ biến có thể xảy ra khi thực thi lệnh này, gây ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng Việc kiểm tra tham số ENO giúp người dùng xác định chính xác trạng thái của quá trình thực thi và xử lý các lỗi kịp thời để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.
Kết quả toán học nằm ngoài phạm vi của kiểu dữ liệu
Real/Lreal: Nếu một trong những giá trị đầu vào là NaN sau đó được trả về NaN.
ADD Real/Lreal: Nếu cả hai giá trị IN là INF có dấu khác nhau, đây là một khai báo không hợp lệ và được trả về NaN
2.2.3.4 Di chuyển và chuyển đổi dữ liệu
Bảng 2 7 Tập lệnh di chuyển
Lệnh Move di chuyển nội dung ngõ vào IN đến ngõ ra OUT mà không làm thay đổi giá trị ngõ IN.
EN: cho phép ngõ vào.
ENO: cho phép ngõ ra.
IN: nguồn giá trị đến.
Hình 2 2 Sơ đồ đấu dây CPU 1214C AC/DC/Relay
Hình 2 3 Sơ đồ đấu dây CPU 1214C DC/DC/Relay
Phần mềm Tia - Portal v16
2.3.1 Giới thiệu SIMATIC STEP 7 Basic
Step 7 Basic hệ thống kỹ thuật đồng bộ đảm bảo hoạt động liên tục hoàn hảo. Thông minh và trực quan cấu hình phần cứng kỹ thuật và cấu hình mạng, lập trình, chuẩn đoán và nhiều hơn nữa Trực quan dễ dàng để tìm hiểu và dễ dàng để hoạt động.
2.3.2 Các bước tạo một project
Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng TIA Portal V15
Bước 2: click chuột vào “Create new project” để tạo dự án.
Bước 3: Nhập tên dự án “Project name” sau đó nhấn “Create”.
Bước 5: Chọn “add new device”.
Bước 6: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn “add”.
Hình 2 5 Giao diện của Tia – Portal v16
THIẾT KẾ MÔ PHỎNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO KHỐI LƯỢNG
Xây dựng thuật toán điều khiển
3.1.1 Sơ đồ khối chung của toàn bộ hệ thống
Hệ thống phân loại sản phẩm dựa trên khối lượng vận hành, hoạt động ở hai chế độ chính là tự động và thủ công Trong chế độ tự động, các thiết bị sẽ tự động vận hành sau khi chương trình được nạp, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất Ngược lại, chế độ điều khiển bằng tay yêu cầu người vận hành điều khiển thủ công sau khi nạp chương trình, phù hợp cho các tình huống cần tinh chỉnh thủ công hoặc kiểm tra Kết hợp hai chế độ này giúp nâng cao hiệu quả và linh hoạt trong quá trình vận hành hệ thống phân loại sản phẩm.
3.1.2 Sơ đồ chế độ bằng tay
Trong chế độ điều khiển thủ công, người vận hành phải nhấn nút chạy để khởi động hệ thống băng tải, đảm bảo động cơ hoạt động liên tục Để dừng băng tải, người điều khiển cần nhấn nút dừng, khi đó hệ thống mới ngừng hoạt động; nếu không, băng tải vẫn tiếp tục chạy Quá trình vận hành diễn ra theo chu kỳ nhấn nút chạy hoặc dừng, giúp người điều khiển kiểm soát dễ dàng và linh hoạt cho đến khi đạt yêu cầu mong muốn.
3.1.3 Sơ đồ khối chế độ tự động
Các thông số cài đặt:
Sản phẩm có trọng lượng nhẹ và trung bình đều được phân loại tự động bằng hệ thống cảm biến vị trí cân Để vận hành chính xác, cần cài đặt hai thông số trọng lượng của sản phẩm nhẹ và trung bình Khi đã cấu hình xong, cảm biến tự động phát hiện và cân trọng lượng của từng sản phẩm, sau đó hệ thống sẽ tự động phân loại dựa trên các thông số đã thiết lập từ trước.
Khi trọng lượng thực tế của sản phẩm lớn hơn trọng lượng cài đặt của sản phẩm nhẹ nhưng nhỏ hơn trọng lượng cài đặt của sản phẩm trung bình, cảm biến vị trí xilanh trung bình sẽ kích hoạt để đẩy sản phẩm vào thùng chứa phù hợp Quá trình này giúp tăng bộ đếm cho các sản phẩm thuộc loại trung bình lên một đơn vị Sau khoảng 3 giây, xilanh trung bình sẽ tự động thu hồi, sẵn sàng cho chu trình tiếp theo.
Khi trọng lượng thực tế của sản phẩm nhẹ nhỏ hơn trọng lượng cài đặt, cảm biến vị trí của xilanh sẽ nhận tín hiệu và tác động lên sản phẩm nhẹ Hệ thống cũng tự động tăng bộ đếm sản phẩm nhẹ lên một đơn vị để theo dõi quá trình sản xuất Sau 3 giây, xilanh sản phẩm nhẹ sẽ được thu hồi để chuẩn bị cho chuỗi quy trình tiếp theo.
Khi trọng lượng thực tế của sản phẩm vượt quá mức trọng lượng cài đặt trung bình, cảm biến vị trí xi lanh sẽ phát hiện và kích hoạt, đẩy sản phẩm nặng vào thùng chứa phù hợp Quá trình này giúp đảm bảo kiểm soát chất lượng và tự động hóa trong quy trình sản xuất Đồng thời, bộ đếm sẽ tăng lên một giá trị để ghi nhận số lượng sản phẩm vượt trọng lượng, nâng cao hiệu quả theo dõi và quản lý hàng tồn kho.
Quá trình phân loại sản phẩm diễn ra liên tục với các thông số cài đặt sẵn, đảm bảo hiệu quả và chính xác trong quá trình xử lý Quá trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi tất cả các sản phẩm được phân loại hoàn tất và hệ thống tự động dừng lại, tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Lập trình điều khiển PLC S7 - 1200
3.2.1 Xác định đầu vào - ra
TT Name Adress Type Giải thích
1 I_Mode I0.0 Bool Switch chế độ 1 auto, 0 manu
2 I_CB_Can I0.1 Bool Cảm biến vị trí cân
3 Cảm biến vị trí xi lanh đẩy sản phẩm
4 I_CB_Trung_Binh I0.3 Bool Cảm biến vị trí xi lanh đẩy sản
TT Name Adress Type Giải thích phẩm trung bình
5 I_CB_Nang I0.4 Bool Cảm biến sản phẩm nặng
6 I_BT I0.5 Bool Chạy/Dừng động cơ băng tải
7 I_Xylanh_Nhe I0.6 Bool Đóng/mở xi lanh sản phẩm nhẹ
8 I_Xylanh_TB I0.7 Bool Đóng/mở xi lanh sản phẩm trung bình
9 IW_Loadcell IW64 Word Cảm biến cân trọng lượng
TT Name Adress Type Giải thích
1 Q_lamp_Auto Q0.0 Bool Đèn chế độ auto
2 Q_lamp_Manu Q0.1 Bool Đèn chế độ manu
3 Q_BT Q0.2 Bool Băng tải phân loại
4 Q_Xylanh_Nhe Q0.3 Bool Xi lanh đẩy sản phẩm nhẹ
5 Q_Xylanh_TB Q0.4 Bool Xi lanh đẩy sản phẩm trung bình
Chương trình sử dụng khối OB1 làm chương trình chính và các khối chương trình con dùng hàm chức năng FC.
Hàm chức năng FC là khối logic chứa các biến In, Out, In/Out được cung cấp bởi chương trình gọi, cùng với biến Temp dùng nội bộ nhưng không bắt buộc sử dụng hết FC không có bộ nhớ nội tại, do đó dữ liệu mất đi khi thoát khỏi khối, và không có khối dữ liệu Instance DB như trong khối hàm chức năng FB.
Chương trình con chế độ tự động (FC2)
Chương trình con chế độ bằng tay (FC1)
Chương trình con đầu ra Output (FC5)
Chương trình đọc về cảm biến loadcell (FC4)
Chương trình con mô phỏng (FC3)
Thiết kế giao diện điều khiển giám sát Scada
Hình 3 2 Kết nối PLC với Scada
3.3.2 Thiết kế giao diện Scada
Kết quả mô phỏng
3.4.1 Tải chương trình xuống PLC
Bước 1: Nhấn vào nút Simulation để chạy PLC SIM
Bước 2: Nhấn nút “Load” để tải chương trình PLC
Bước 3: Nhấn chọn “Start module” sau đó nhấn “Finish”
Bước 4: Vào khối chương trình nào đó muốn giám sát thực hiện nhấn biểu tượng đeo kính để online chương trình PLC
Bước 1: Vào màn hình thiết kế giao diện chính nhấn nút “RT”
Bước 2: Giám sát chương trình ở chế độ tự động
Bước 3: Giám sát chương trình ở chế độ bằng tay