Báo cáo đồ án tốt nghiệp đề tài thư viện tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA TỰ ĐỘNG HÓA BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI THƯ VIỆN TỰ ĐỘNG Giáo viên hướng dẫn Đỗ Trọng Hiếu Sinh viên Chữ ký giáo viên Hà Nội 3 2023 Lời cảm ơn Trong suốt quá t[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHOA TỰ ĐỘNG HÓA

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: THƯ VIỆN TỰ ĐỘNGGiáo viên hướng dẫn: Đỗ Trọng Hiếu

Sinh viên:

Chữ ký giáo viên

Hà Nội : 3-2023

 Xin cảm ơn công ty (tên công ty) nơi em thực tập đã giúp em có được những kiến thức thực tế

vô cùng bổ ích giúp bài đồ án trở nên hoàn thiện hơn

 Xin cảm ơn bố mẹ, anh chị, vợ/ chồng (nếu có) đã luôn ở bên động viên và giúp đỡ việc họctập của con để ngày hôm nay hoàn thành được đồ án quan trọng trong cuộc đời sinh viên

Mục lục:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1Vai trò và ứng dụng của hệ thống thư viện tự động.1

1.2 Mục đích lựa chọn và ứng dụng của đề tài1

1.3 Mục tiêu nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 2

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Bố cục về nội dung của đề tài3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC THIẾT BỊ 4

2.1 Giới thiệu hệ thống thư viện tự động 4

2.1.1 Cấu trúc của hệ thống thư viện tự động 7

2.2 Giới thiệu PLC S7-1200 8

2.2.1 Đặc điểm của bộ điều khiển lập trình 8

2.2.2 Sơ lược lịch sử phát triển 11

2.2.3 Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC 122.2.4 Các ưu điểm khi sử dụng hệ thống điều khiển với PLC 162.2.5 Ứng dụng của PLC trong sản xuất17

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH.34

3.1 Yêu cầu của hệ thống 34

3.2 Sơ đồ khối của hệ thống 34

3.3 Thiết kế và thi công phần cơ khí35

3.4 Thiết kế và thi công phần điện 44

3.4.1 Thiết bị điều khiển PLC S7-1200 44

3.7 Lưu đồ giải thuật của hệ thống lưu kho hàng hóa 62

3.7.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống bằng tay (Manual) 633.7.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển tự động (AUTO) 65

CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 66

4.1 Yêu cầu điều khiển và giám sát trên máy tính 66

4.2 Giới thiệu phần mềm WinCC 66

4.2.1 Chức năng của WinCC 68

4.2.2 Ưu điểm của WinCC 69

4.3 Thiết kế giao diện cụ thể 71

5.2 Hướng phát triển của đề tài76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1Vai trò và ứng dụng của hệ thống thư viện tự động.1

Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 với xu hướng phát triển dựa trên nền tảng tích hợp cao

độ của hệ thống kết nối số hóa – vật lý – sinh học với sự đột phá của Internet vạn vật và trí tuệ nhân tạo đang làm thay đổi căn bản nền sản xuất của thế giới Thư viện, với vai trò như một trung tâm văn hóa, trung tâm khoa học giáo dục và công nghệ, trung tâm tri thức, đương nhiên đang đóng một vai trò quan trọng và là một trong các đầu mối cung cấp thông tin, cung cấp dữ liệu trong thành phần “dữ liệu lớn – big data” của cuộc cách mạng công nghiệp lần này Trên thực tế, hệ thống thư viện nói chung trên cả nước đã và đang có những bước chuyển mình thay đổi, đang đứng trước nhiều cơ hội nhưng cũng phải đối mặt với không ít thách thức Một trong những thách thức cần vượt qua đối với những người làm công tác quản lý và làm chuyên môn thư viện đó là cần phải tiếp cận được với các công nghệ mới để qua đó có tư duy áp dụngvào thiết kế mô hình và vận hành các hoạt động của thư viện mình

Phần mềm quản lý thư viện là một thành phần rất quan trọng trong mọi hoạt động của thư viện Chính vì thế việc lựa chọn được một phần mềm tốt, phù hợp với thư viện và phù hợp với xu thếphát triển của công nghệ sẽ là một quyết định vô cùng quan trọng mà các thư viện cần cân nhắc kỹ càng

1.2 Mục đích lựa chọn và ứng dụng của đề tài

Mục đích trước hết của đề tài này là hoàn tất chương trình môn học để đủ điều kiện ra trường Cụ thể là khi thực hiện đề tài này chúng em muốn phát huy những thành quả ứng dụng của PLC nhằm tạo ra những sản phẩm, thiết bị tiên tiến hơn và đạt được hiệu quả cao hơn trong quá trình sử dụng

Mặt khác đồ án này cũng có thể giúp những sinh viên khóa sau phát triển mô hinh cao hơn chúng em thực hiện

Ngoài ra quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài, là để ứng dụng vào đời sống sản xuất của xã hội

Và đây cũng là cơ hội để chúng em tự kiểm tra lại những kiến thức đã học tại trường, nâng cao trình độ chuyên môn trong quá trình nghiên cứu, thi công mô hình, đồng thời phát huy tính sáng tạo, khả năng làm việc nhóm, cũng như khả năng giải quyết vần đề theo yêu cầu đặt ra Đây cũng là dịp chúng em khẳng định mình trước khi ra trường tham gia các hoạt động xã hội

1.3 Mục tiêu nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu:

1.3.1       Mục tiêu nghiên cứu:

Đây là một đề tài nghiên cứu mang tính thực tiễn trong việc vận dụng các kiến thức đã đượchọc dưới mái trường vào trong thực tế

Về mặt khoa học, đề tài sẽ giúp cho nhóm sinh viên thực hiện hiểu rõ thêm về cơ cấu và nguyên lý làm việc thực tiễn cũng như phương hướng phát triển việc quét mã Barcode nhận diện sách vở trong thư viện

Về mặt thực tiễn, đề tài này có thể áp dụng vào thực tế để tạo ra một thư viện thật sự với nguyên tắc làm việc giống nhau hoặc tương tự.

Vậy nên đề tài “ Điều khiển và giám sát hệ thống thư viện tự động ” bao gồm những mục tiêu sau:

 Thiết kế và thi công mô hình hệ thống thư viện tự động

 Sử dụng PLC để lập trình cho mô hình

 Điều khiển giám sát hệ thống bằng phần mềm

 Điều khiển hệ thống bằng tủ điều khiển

.3.2 Phạm vi nghiên cứu:

Với thời gian tám tuần thực hiện đề tài, cũng như trình độ chuyên môn có hạn, nhóm đã cố hết sức thực hiện đề tài này và đã giải quyết được một số vấn đề sau:

 Thiết kế hoàn chỉnh mô hình thư viện tự động bao gồm:

-  Mô hình thư viện

-  Cơ cấu chuyển động lên xuống

-  Cơ cấu chuyển động tịnh tiến

-  Cơ cấu nâng hàng

- Quét mã Barcode nhận diện sách

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và thiết bị chấp hành

2.1 Giới thiệu hệ thống thư viện tự động

Thư viện này sử dụng Barcode để mượn hoặc trả sách Nó giúp mọi người xác định Được thời gian mượn và trả sách bằng cách gửi mail tự động về gmail người dùng Mô hình thư viện này sẽ tự động lưu dữ liệu sách được mượn nhiều nhất và ít nhất trong từng tháng.

2.1.2 Cấu trúc của hệ thống lưu kho hàng hóa:

Cấu trúc của một hệ thống thư viện tự động gồm có 2 phần:

Hiện nay PLC đã được nhiều hãng khác nhau sản xuất như: Siemens, Omron, Mitsubishi, Festo, Alan Bradley, Schneider, Hitachi v.v…Mặt khác ngoài PLC cũng đã bổ sung thêm các thiết bị mở rộng khác như: Các cổng mở rộng AI (Analog Input), DI (Digital Input), các thiết bịhiển thị, các bộ nhớ Cartridge thêm vào.

2.2.1 Đặc điểm của bộ điều khiển lập trình:

Nhu cầu về một bộ điều khiển dễ sử dụng, linh hoặc và có giá thành thấp đã thúc đẩy sự phát triển những hệ thống điều khiển lập trình (programmable-control systems) – hệ thống

sử dụng CPU và bộ nhớ để điều khiển máy móc hay quá trình hoặc động Trong bối cảnh đó,

bộ điều khiển lập trình (PLC – Programmable Logic Controller) được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơ-le và thiết bị rời cồng kềnh, và nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoặc dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic

cơ bản Ngoài ra, PLC còn có thể thực hiện những tác vụ khác như định thì, đếm v.v… làm tăng khả năng điều khiển cho những hoặc động phức tạp, ngay cả với loại PLC nhỏ nhất.Hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả các trạng thái tín hiệu ở ngõ vào, được đưa về từ quá trình điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình và kích ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài tương ứng Với các mạch giao tiếp chuẩn ở khối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp đến những cơ cấu tác động (actuators) có công suất nhỏ

ở ngõ ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu (transducers) ở ngõ vào, mà không cần có các mạch giao tiếp hay rơ-le trung gian Tuy nhiên, cần phải có mạch điện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển những thiết bị có công suất lớn

Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà không cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối dây; sự thay đổi chỉ là thay đổi chương trình điều khiển trong bộ nhớ thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng Hơn nữa, chúng còn có ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào hoặc động nhanh hơn so với những hệ thống điều khiển truyền thống màđòi hỏi cần phải thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời

Về phần cứng, PLC tương tự như máy tính “truyền thống”, và chúng có các đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển trong công nghiệp

 Khả năng kháng nhiễu tốt

 Cấu trúc dạng modul cho phép dễ dàng thay thế, tăng khả năng (nối thêm modul mở rộng vào/ra) và thêm chức năng (nối thêm modul chuyên dùng)

 Việc kết nối dây và mức điện áp tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra được chuẩn hóa

 Ngôn ngữ lập trình chuyên dùng – ladder, instruction và function chart – dễ hiểu và

dễ sử dụng

 Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng

Những đặc điểm trên làm cho PLC được sử dụng nhiều trong việc điều khiển

2.2.2 Sơ lược lịch sử phát triển:

Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable Controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (công ty General Motor Mỹ) Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản

và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống làm cho hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành,

nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vi hổ trợ cho công việc lập trình.

Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable

Controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969 Điều này đã tạo ra được một sự pháttriển thực sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển Qua quá trình vận hành, các nhà thiết 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 (The Diagram Format) Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hỗ trợ (arithmetic), “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (data manipulation) Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận 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 hơn với các chức năng mở rộng: Hệ thống ngõ vào/ra có thể tăng lên đến 8000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128000 từ bộ nhớ (word of memory) có thể gắn thêm nhiều Module bộ nhớ để có thểtăng thêm kích thước chương trình Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẽ thành một hệ thống PLC chung, kết nối với các hệ thống máy tính, tăng khả năng điều khiển của từng hệ thống riêng lẽ Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳquét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp, số lượng cổng ra/vào lớn Một số thuật toán cơ bản dùng cho điều khiển cũng được tích hợp vào phần cứng như điều khiển PID (cho điều khiển nhiệt độ, cho điều khiển tốc độ động cơ, cho điều khiển vị trí), điều khiển mờ, lọc nhiễu ở tín hiệu đầu vào vv

Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer Integrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam, … Ngoài

ra các nhà thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển “thông minh” (intelligence) còn gọi là các siêu PLC (super PLC) cho tương lai

2.2.3 Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC:

 Input, Output các cổng nối phía đầu vào ra của PLC hay các của các Module mở rộng

 Cơ cấu chấp hành: gồm các thiết bị được điều khiển như: chuông, đèn, contactor, động cơ, van khí nén, heater, máy bơm, LED hiển thị vv

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc bên trong của PLC

Chương trình điều khiển: định ra quy luật thay đổi tín hiệu Output đầu ra theo tín hiệu Input đầu vào như mong muốn Các chương trình điều khiển được tạo ra bằng cách sử dụng bộ lập trình chuyên dụng cầm tay (Hand-hold programmer PG).

 Khối điều khiển trung tâm (CPU: Central Processing Unit) gồm ba phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp

Hình 2.6: Sơ đồ khối tổng quát CPU

vHoạt động của một PLC:

Về cơ bản hoặc động của một PLC cũng khá đơn giản Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/ra (Input/Output) (còn gọi là các Module xuất/nhập) dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU (như các sensor, contact, tín hiệu từ động cơ …) Sau khi nhận được tín hiệu ở ngõ vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua Module xuất ra các thiết

bị được điều khiển

Trong suốt quá trình hoặc động, CPU đọc hoặc quét (scan) dữ liệu hoặc trạng thái của các thiết bị ngoại vi thông qua ngõ vào, sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau: một bộ đếm chương trình sẽ nhận lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh đểthi hành Chương trình ở dạng STL (Statement List – Dạng lệnh liệt kê) hay ở dạng LADDER (dạng hình thang) sẽ được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình Sau khi thực hiện xong chương trình,sau đó là truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi sau đó CPU sẽ gởi hoặc cập nhật (update) tín hiệu tới các thiết bị, được điều khiển thông qua Module xuất Mộtchu kỳ gồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình,truyền thông nội và tự kiểm tra lỗivà gởi cập nhật tín hiệu ở ngõ ra được gọi là một chu kỳ quét (Scanning)

Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thì lệnh không xử lý trực tiếp với cổng vào ra mà

sẽ xử lý thông qua bộ nhớ đệm Nếu có sử dụng ngắt thì chương trình con tương ứng với từng tín hiệu ngắt sẽ được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận chương trình Chương trình ngắt chỉ thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu ngắt và có thể xảy ra ở bất kì điểm nào trong vòng quét Trên đây chỉ là mô tả hoặc động đơn giản của một PLC, với hoặc động này sẽ giúp cho người thiết kế nắm được nguyên tắc của một PLC Nhằm cụ thể hóa hoặc động của một PLC, sơ đồ hoạt động của một PLC là một vòng quét (scan) như sau:Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi

Truyền thông và kiểm tra lỗi

Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi

Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi

hiệu ở ngõ ra “thật” (tức tín hiệu được đưa ra tại Module out) vẫn chưa được đưa ra Khi xử

lý kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi các mức logic (của các tiếp điểm) đã hoàn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở ngõ ra mới thực sự tác động lên ngõ ra để điều khiển các thiết bị ở ngõ ra

Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện một vòng quét từ 1ms tới 100ms Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi (màn hình hiển thị…) Vi xử lý chỉ có đọc được tín hiệu ở ngõ vàochỉ khi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét Nếu thời gian tác động ở ngõ vào nhỏ hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý xem như không có tín hiệu này.Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thường các hệ thống chấp hành là các hệ thống cơ khí nêntốc độ quét như trên có thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyền sản xuất Để khắcphục khoảng thời gian quét dài, ảnh hưởng đến chu trình sản xuất, các nhà thiết kế còn thiết

kế hệ thống PLC cập nhật tức thời, dùng bộ đếm tốc độ cao (High Speed Counter) các hệ thống này thường được áp dụng cho các PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn

2.2.3.1 Cổng truyền thông:

S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp có 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết

bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác Tốc độ truyền tự do của PLC là 300 đến 38400 được set trong thanh ghi đặc biệt SM 30.2 đến SM 30.4

6 Nối với nguồn 5VDC có điện trở trong là 100Ω

2 và 7Nối với nguồn 24VDC dòng tối đa là 120mA

2.2.4 Các ưu điểm khi sử dụng hệ thống điều khiển với PLC:

Cùng với sự phát triển của phần cứng và phần mềm, PLC ngày càng tăng được các tính năng cũng như lợi ích của PLC trong hoạt động công nghiệp Kích thước của PLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O càng nhiều hơn, các ứng dụng của PLC càng mạnh hơn giúp người sử dụng giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống Ưu điểm đầu tiên của PLC là hệ thống điều khiển chỉ cần lắp dặt một lần (đối với sơ

đồ hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngõ vào/ra …), mà không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tự điều khiển (đối với hệ thống điều khiển Relay), khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC để truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống được điều khiển linh hoạt hơn

PLC được thiết kế đặc biệt để hoặc động trong môi trường công nghiệp Một PLC có thể được lắp đặt ở những nơi có độ nhiễu điện cao (Electrical Noise), vùng có từ truờng mạnh,

có các chấn động cơ khí, nhiệt độ và độ ẩm môi trường cao … Không như các hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng lắp đặt do chiếm một khoảng không gian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống khác Điều này càng tỏ ra thuận lợi hơn đối với các hệ thống điều khiển lớn, phức tạp, và quá trình lắp đặt hệ thống PLC ít tốn thời gian hơn các hệ thống khác Cuối cùng là người sử dụng có thể nhận biết các trục trặc hệ thống của PLC nhờ giao diện qua màn hình máy tính (một số PLC thế hệ sau có khả năng nhận biết các hỏng hóc (trouble shoding) của hệ thống và báo cho người sử dụng), điều này làm cho việc sửa chữa thuận lợi hơn

2.2.5 Ứng dụng của PLC trong sản xuất:

Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong công nghiệp và dân dụng Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có chức năng đóng/mở (ON/OFF) thông thường đến các úng dụng cho các lĩnh vực phức tạp,đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm:

 Hóa học và dầu khí: Định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống ống dẫn, cân đong trong ngành hóa …

 Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hóa trong chế tạo máy, cân đong, quá trình lắp đặtmáy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại,…

 Bột giấy, giấy, xử lý giấy: điều khiển máy băm, quá trình ủ bột, quá trình cán, gia nhiệt,