Đồ án thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm

Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa sử dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sảnxuất, gia công, chế biến sản

LỜI NÓI ĐẦU

Tự động 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 sảnxuất càng được tự động hóa cao càng nâng cao năng suất sản xuất giảm chi phítăng tính cạnh tranh cho các doanh nghiệp

Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa

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 thốngsản xuất linh hoạt, cho phép tự động hóa ở mức độ cao Trong đó có một khâu quantrọng ảnh hưởng đến chất lượng hàng hóa bán ra là hệ thống phân loại sản phẩm

Đồ án “Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm” nhằm củng cố kiến thức cho

sinh viên, đồng thời giúp cho sinh viên thấy được mối liên hệ giữa những kiến thức

đã học ở trường với những ứng dụng bên ngoài thực tế Đề tài có nhiều ứng dụngquan trọng trong nhiều lĩnh vực như vận chuyển sản phẩm, đếm sản phẩm và phânloại 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

Với một khối lượng kiến thức tổng hợp lớn và có nhiều phần em chưa nắm

vững dù đã tham khảo nhiều tài liệu Khi thực hiện đồ án “THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ”, trong tính toán không thể tránh được những thiếu sót,

hạn chế Kính mong nhận được sự chỉ bảo góp ý giúp đỡ của thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Bộ môn Cơ khí chính xác và quang học và đặc biệt là thầy Vũ Thanh Tùng đã hướng dẫn tận tình, tạo

điều kiện thuận lợi và cho chúng em nhiều kiến thức quý báu cho việc hoàn thành

đồ án môn học này

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 ĐỀ BÀI: 4

Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ PLC 6

2.1 Sơ lược lịch sử hình thành và quá trình phát triển 6

2.2 Khái niệm về PLC 9

2.3 Phân loại 9

2.4 Cấu trúc của PLC 10

2.5 Ưu điểm, nhược điểm PLC 14

2.6 Ứng dụng của PLC 15

CHƯƠNG 3: CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG 17

3.1 Băng tải 17

3.2 Hệ thống cấp phôi tự động 18

3.3 Piston/ Van khí nén 19

3.4 Cảm biến quang Omron E3F3 22

3.5 Rơ le 22

3.6 Động cơ 24

3.7 Công tắc ON OFF 25

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 26

4.1 Lựa chọn PLC 26

4.2 Lập trình điều khiển vs TIA PORTAL V15.1 26

4.3 Sơ đồ kết nối (autocad) 30

4.4 Lập trình PLC 30

Chương 5 KẾT LUẬN 32

Hình 2 1 Bộ điều khiển lập trình đầu tiên năm 1968 7

Hình 2 2 Hệ thống điều khiển lập trình cầm tay đầu tiên 7

Hình 2 3 PLC năm 1970 8

Hình 2 4 PLC hiện nay 8

Hình 2 5 S7-1500, CP1E, FX3U 9

Hình 2 6 PLC S5-100, CQM1 10

Hình 2 7.Cấu trúc 10

Hình 2 8 Bộ xử lý trung tâm 11

Hình 2 9 Bộ nhớ 12

Hình 2 10 Khối đầu vào 13

Hình 2 11 Khối đầu ra 13

Hình 3 1 Băng tải 18

Hình 3 2 Hệ thống cấp phôi tự động 18

Hình 3 3 Xylanh khí nén 19

Hình 3 4 Cấu tạo Pít tông 20

Hình 3 5 Sơ đồ pít tông khí nén tác động đơn 20

Hình 3 6 Van điện từ khí nén 3 cửa 2 vị trí 21

Hình 3 7 Cảm biến quang 22

Hình 3 8 Rơ le trung gian 23

Hình 4 1 PLC S7-1200 CPU 1212C AC/DC/Rly 27

Hình 4 2 Giao diện TIA Portal V15.1 29

Hình 4 3 Màn hình làm việc 29

Chương 1 ĐỀ BÀI:

 Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm

 Số liệu cho trước:

1 Hệ thống cấp phôi tự động

2 Nguồn lực cấp phôi và đẩy phôi: Khí nén

3 Nguồn lực quay băng tải: Động cơ điện

4 Bộ truyền ngoài: Xích

5 Thông số hình học phôi:

Hình trụ : h1= 8 cm, h2= 7 cm, h3= 5 cm

d1= 5 cm, d2= 5 cm, d3= 5 cm

6 Trọng lượng phôi: Qmin = 0.4 kg; Qmax = 6 kg

7 Năng suất làm việc : N = 30 sp/ph

 Nội dung thực hiện:

1 Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật

2 Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển

2.1 Ý tưởng điều khiển, tính năng điều khiển và giao tiếp

2.2 Lựa chọn phương án điều khiển

2.3 Thành lập sơ đồ điều khiển

2.4 Diễn giải sơ đồ điều khiển

2.5 Tính toán chi tiết, lựa chọn thành phần, linh kiện

2.7 Mô phỏng hệ thống điều khiển

3 Xây dựng bản vẽ thiết kế mạch điện điều khiển

- Xây dựng bản vẽ thiết kế mạch điện điều khiển (1 Bản A1 hoặc A2)

4 Mô phỏng nguyên lý hoạt động (điều khiển)

Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ PLC

2.1 Sơ lược lịch sử hình thành và quá trình phát triển

Từ khi ngành công nghiệp sản xuất bắt đầu phát triển, để điều khiển một dâychuyền, một thiết bị máy móc công nghiệp, người ta thường thực hiện kết nối các linh kiện điều khiển riêng lẻ (Rơle, timer, contactor…) lại với nhau tuỳ theo mức

độ yêu cầu thành một hệ thống điện điều khiển đáp ứng nhu cầu mà bài toán công nghệ đặt ra Công việc này diễn ra khá phức tạp trong thi công vì phải thao tác chủ yếu trong việc 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 Quá trình sửa chữa, bảo trì hay cần thay đổi quy trình sản xuất gặp rất nhiều khó khăn và mất rất nhiều thời gian trong việc tìm kiếm hư hỏng và đi lại dây Bởi vậy, 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 ra một 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 giảm sức lao động, giúp người lao động không phải làm việc ở những khu vực nguy hiểm, độc hại… mà năng suất lao động lại tăng cao gấp nhiều lần Một hệ thống điều khiển ưu việtđược chọn để điều khiển cho ngành công nghiệp hiện đại cần phải hội tụ đủ các yếu tố sau: Tính tự động cao, kích thước và khối lượng nhỏ gọn, giá thành phù hợp, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt…

Bộ điều khiển lập trình đầu tiên đã được những kỹ sư Công ty General

Motor – Hoa Kỳ sáng chế và cho ra đời vào năm 1968, với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu điều khiển:

- Dễ lập trình và thay đổi chương trình

- Cấu trúc dạng Module mở rộng dễ bảo trì và sửa chữa

- Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất

Hình 2 1 Bộ điều khiển lập trình đầu tiên năm 1968

Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người dùng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thốngcòn 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 khiển lập trình cầm tay đầu tiên được ra đời năm 1969 Điều này đã tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình

Hình 2 2 Hệ thống điều khiển lập trình cầm tay đầu tiên

Trong giai đoạn này, các hệ thống điều khiển lập trình chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống 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

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, vận hành với các dữ liệu cập nhật Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính, nên việc giao tiếp giữangười điều khiển và lập trình cho hệ thống ngày càng trở nên thuận tiện hơn.

- Bộ lưu trữ dữ liệu nhiều hơn

- Nhiều loại Module chuyên dùng hơn

Hình 2 4 PLC hiện nay

Trong các tương lai, hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ

thống: Robot, Cad/Cam… Ngoài ra, các thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển thông minh còn gọi là các siêu PLC cho tương lai.

2.2 Khái niệm về PLC

PLC là từ viết tắt của Programmable Logic Controller (Tiếng Việt: Bộ điềukhiển Logic có thể lập trình được) Khác với các bộ điều khiển thông thường chỉ cómột thuật toán điều khiển nhất định, PLC có khả năng thay đổi thuật toán điềukhiển tùy biến do người sử dụng viết thông qua một ngôn ngữ lập trình Do vậy, nócho phép thực hiện linh hoạt tất cả các bài toán điều khiển

2.3 Phân loại

 Phân loại theo hãng sản xuất

 Mỹ: Allen Bradley, General Electric, Texas Instruments, Hammer…

 Đức: Siemens, Boost, Festo…

 Hàn: LG

 Nhật: Mitsubishi, Omron, Parasonci, Fanuc…

Hình 2 5 S7-1500, CP1E, FX3U

 Phân Loại theo số lượng đầu ra/vào

 Micro PLC là loại có dưới 32 kênh vào/ra

 PLC nhỏ có đến 256 kênh vào/ra

 PLC trung bình có đến 1024 kênh vào/ra

 PLC cỡ lớn có trên 1024 kênh vào/ra

Hình 2 8 Bộ xử lý trung tâm

Đây là bộ phận xử lý trung tâm hay CPU của PLC Bộ xử lý tín hiệu có thể bao gồm một hay nhiều bộ vi xử lý tiêu chuẩn hoặc các bộ vi xử lý hổ trợ cùng với các mạch tích hợp khác để thực hiện các phép tính lô gíc, điều khiển và ghi nhớ các chức năng của PLC Bộ xử lý thu thập các tín hiệu vào, thực hiện các phép tínhlogic theo chương trình, các phép tính đại số và điều khiển các đầu ra số hay tươngứng Phần lớn các PLC sử dụng các mạch logic chuyên dụng trên cơ sở bộ vi xử lý

và các mạch tích hợp tạo nên đơn vị xử lý trung tâm CPU

Khi thực hiện quét các đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu từ các thiết bị vào nhưcác công tắc, cảm biến Trạng thái của các tín hiệu vào được lưu tạm thời vào bảngảnh đầu vào hoặc vào một mảng nhớ Trong thời gian quét chương trình, bộ xử lý quét lần lượt các lệnh của chương trình điều khiển, sử dụng các trạng thái của tín hiệu vào trong mãng nhớ để xác định các đầu ra sẽ được nạp năng lượng hay

không Kết quả là các trạng thái của đầu ra được ghi vào mảng nhớ Từ dữ liệu của mảng nhớ tín hiệu ra, PLC sẽ cấp hoặc ngắt điện năng cho các mạch ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi Chu kỳ quét của PLC có thể kéo dài từ vài trăm nano giây đến vài trăm mi li giây Thời gian quét đầu vào và đầu ra thường rất ngắn so với chu kỳ quét của PLC

 Bộ nhớ

Hình 2 9 Bộ nhớ

Bộ nhớ của PLC có vai trò rất quan trọng, bởi vì nó được sử dụng để chứa toàn bộ chương trình điều khiển, các trạng thái của các thiết bị phụ trợ Thông thường các bộ nhớ được bố trí trong cùng một khối với CPU Thông tin chứa trong

bộ nhớ sẽ xác định việc các đầu vào, đầu ra được xử lý như thế nào

Các loại bộ nhớ hay sử dụng trong PLC gồm :

- ROM (Read Only Memory)

- RAM (Random Access Memory)

- PROM (Programable Read Only Memory)

- EPROM (Erasable Programable Read Only Memory)

- EAPROM (Electronically Alterable Programable Read Only Memory)

- Bộ nhớ FlashNgười sử dụng có thể truy cập vào hai vùng nhớ của PLC là vùng nhớ

chương trình và vùng nhớ dữ liệu Bộ xử lý tín hiệu còn có bộ nhớ hệ thống dùng

để ghi các dữ liệu trung gian trong quá trình thực hiện các phép tính, các lệnh của chương trình và phối hợp giữa chúng; quét các dữ liệu vào và gửi cá dữ liệu ra mớiđến mô đun ra Bộ nhớ hệ thống do nhà sản xuất lập trình từ khi xuất xưởng nên không thể thay đổi được và người sử dụng cũng không thể truy cập được

 Khối đầu vào

Hình 2 10 Khối đầu vào

Khối vào số (DI: Digital Input):Các ngõ vào của khối này được kết nối với

bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu nhị phân như nút nhấn, công tắc, cảm biến tạo tín hiệu

nhị phân.Do tín hiệu tại ngõ vào có thể ở mức logic tương ứng với các điện áp khác nhau, do đó khi sử dụng cẩn phải chú ý đến điện áp cần thiết cung cấp, khối vào phải phù hợp với điện áp tương ứng mà bộ chuyển đổi tín hiệu nhị phân tạo ra.

Khối vào tương tự (AI: Analog Input)Khối vào này có nhiện vụ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Các ngõ vào của khối này được kết nối với các bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu analog như cảm biến nhiệt độ, cảm biến lưu lượng, ngõ

ra analog của biến tần.Khi sử dụng các khối vào analog cần phải chú ý đến loại tín hiệu analog được tạo ra từ các bộ chuyển đổi

 Khối đầu ra

Hình 2 11 Khối đầu ra

Khối ra số (DO: Digital Output) Các ngõ ra của khối này được kết nối với đối tượng điều khiển nhận tín hiệu nhị phân Vì đối tượng điều khiển nhận tín hiệu nhị phân sử dụng nhiều cấp điện áp khác nhau nên khi sử dụng các khối ra số cần phải chú ý đến điện áp cung cấp cho nó phù hợp với điện áp cung cấp cho đối tượng điều khiển hay không.Theo loại điện áp sử dụng, ngõ ra số được phân thành hai loại: Điện áp một chiều gồm có hai loại ngõ ra là Transistor và Relay Thông thường trong công nghiệp điện áp một chiều được sử dụng là 24V.Điệp áp xoay chiều gồm có hai loại ngõ ra là Relay và Triac

Khối ra tương tự (AO: Analog Output) Khối này có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số được gửi từ CPU đến đối tượng điều khiển thành tín hiệu tương tự Các ngõ ra của khối này được kết nối với các đối tượng điều khiển nhận tín hiệu tương

tự Khi sử dụng các ngõ ra tương tự cần chú ý đến loại tín hiệu tương tự cung cấp

cho đối tượng điều khiển có phù hợp với tín hiệu tương tự mà đối tượng điều khiểncần nhận hay không.

 Nguồn

Thường nguồn cấp cho PLC là nguồn điện lưới xoay chiều AC để tạo ra nguồn một chiều DC cho các mạch bên trong của PLC Nguồn của PLC có yêu cầu tính cách ly và tính ổn định cao để loại trừ tác động của nhiễu lên nguồn cũng như tác động của nhiễu lên tín hiệu điều khiển Các mạch cách

ly thường sự dụng hiệu ứng quang điện để đảm bảo tính ổn định và loại bỏ tác động của nhiễu Đối với các thiết bị đầu vào, đầu ra sử dụng mức điện ápkhác mức điện áp 24 VDC tiêu chuẩn thì phải sử dụng nguồn bên ngoài nhưng được kết nối vào cực tiếp đất và cực cấp nguồn có trên các mô đun này

2.5 Ưu điểm, nhược điểm PLC

PLC là sự lựa chọn tốt hơn các hệ thống rơ le hay máy tính tiêu chuẩn bởi các lý do sau đây:

- Tốn ít không gian: Một PLC cần ít không gian hơn một máy tính tiêu chuẩn hay tủ điều khiển rơ le để thực hiện cùng một chức năng

- Tiết kiệm năng lượng: PLC tiêu thụ năng lượng ở mức rất thấp, ít hơn cả các máy tính thông thường

- Giá thành thấp: Một PLC giá tương đương cỡ 5 đến 10 rơ le, nhưng nó có thể thay thế hang trăm rơ le - Khả năng thích ứng với môi trường công nghiệp: Các vỏ của PLC được làm từ các vật liệu cứng, có khả năng chống chịu được bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm, rung động và nhiễu Các máy tính tiêu chuẩn không có khả năng này

- Giao diện trực tiếp: Các máy tính tiêu chuẩn cần có một hệ thống phức tạp

để có thể giao tiếp với môi trường công nghiệp Trong khi đó các PLC có thể giao

- Lập trình dễ dàng: Phần lớn các PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình là sơ đồ hình thang, tương tự như sơ đồ đấu của các hệ thống điều khiển rơ le thông thường.

- Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển của PLC có thể thay đổi nhanhchóng và dễ dàng bằng cách nạp lại chương trình điều khiển mới vào PLC bằng bộ lập trình, bằng thẻ nhớ, truyền tải qua mạng Nhược điểm của PLC:

- Do chưa tiêu chuẩn hoá nên mỗi công ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngôn ngữ lập trình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất

- Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá của một bộ PLC đắt hơn khi sử dụng bằng phương pháp rơle

2.6 Ứng dụng của PLC

Cùng với sự phất triển của phần cứng lẫn phần mềm, PLC ngày càng phát huy được các tính năng cũng như lợi ích trong hoạt động công nghiệp Kích thước của PLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O 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

Ngày nay, PLC được nhìn thấy trong hang nghìn ứng dụng công nghiệp Chúng được sử dụng trong công nghiệp hóa chất, công nghiệp chế biến dầu, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp cơ khí, nhà máy hạt nhân, trong công nghiệp giao thông vận tải, trong các hệ thống vận chuyển tự động, điều khiển rô bốt, điều khiểnmáy công cụ CNC… Các PLC có thể được kết nối với máy tính để truyền, thu thập

và lưu trữ số lượng, chuẩn đoán sự cố trực tuyến, thay đổi chương trình điều khiển

từ xa Ngoài ra, PLC còn được dùng trong hệ thống quản lý năng lượng nhằm giảmgiá thành và cải thiện môi trường điều khiển trong các hệ thống phục vụ sản xuất, trong các dịch vụ và các văn phòng công sở

PLC được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau trên thế giới Về nguyên lý

khác với máy tính là không có hệ điều hành Khi được bật lên thì PLC chỉ chạy chương trình điều khiển ghi trong bộ nhớ của nó, chứ không thể chạy được hoạt động nào khác Một số hãng sản xuất PLC lớn có tên tuổi như Siemens, Toshiba, Mishubisi, Omron, Allan Bradley, Rocwell, Fanuc là các hãng chiếm phần lớn thị phần PLC trên thế giới.

CHƯƠNG 3: CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG

3.1 Băng tải

a Băng tải là gì?

Băng tải là thành phần không thể thiếu của hệ thống phân loại sản phẩm Nó

là một cơ chế hoặc máy có thể vận chuyển một tải đơn (thùng carton, hộp, túi ,…)hoặc số lượng lớn vật liệu (đất, bột, thực phẩm …) từ một điểm A đến điểm B giúptiết kiệm sức lao động, nhân công, thời gian, tăng năng suất lao động