Đồ án môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao

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 sản xuất, gia công, chế biến sản

TRƯỜNG CƠ KHÍ ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao

Hà Nội, 6/2022

MỤC LỤC

Lời Mở Đầu 4

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển 6

1.1 Tìm hiểu về hệ thống điều khiển của hệ thống phân loại sản phẩm 6

1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển 8

1.3 Phân tích thông số và yêu cầu kỹ thuật để xác định các thành phần điều khiển 8

Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển 12

2.1 Lựa chọn các thành phần cơ bản 12

2.1.1 Bộ điều khiển PLC 12

2.1.2 Module mở rộng SM1221 17

2.1.3 Màn hình HMI TP1200 COMFORT 18

2.1.4 Cảm biến 19

2.1.4.1 Công tắc từ (CS-1-G) 19

2.1.4.2 Cảm biến quang (E3F-DS30C4) 20

2.1.5 Cơ cấu chấp hành 20

2.1.5.1 Động cơ (68KTYZ) 20

2.1.5.2 Xylanh DSNU-12-200-P-A 21

2.1.6 Các thiết bị khác 21

2.1.6.1 Bộ nguồn tổ ong 21

2.1.6.2 Relay trung gian 22

2.1.6.3 Van điện từ 23

2.1.6.5 Bộ lọc khí đơn TW3000-03 25

2.1.6.6 Bộ bôi trơn khí nén TL3000-03 26

2.1.6.7 Van tiết lưu 27

2.2 Xây dựng bản vẽ mạch điện 28

2.3 Hệ thống khí nén 29

Chương 3: Lập trình điều khiển và thiết kế giao diện điều khiển 30

3.1 Bảng I/O và Lưu đồ Grafcet 30

3.1.1 Bảng I/O 30

3.1.2 Xây dựng lưu đồ Grafcet 33

3.1.3 Nguyên lý hệ thống 34

3.2 Chương trình điều khiển PLC 36

3.3 Thiết kế giao diện điều khiển / giám sát 51

Chương 4: Mô phỏng hoạt động hệ thống điều khiển 52

Chương 5: Kết luận 53

Tài liệu tham khảo 54

Mục lục hình ảnh

Hình 1 1 Sơ đồ hệ thống 6

Hình 2 1 PLC S7 – 1200 (CPU 1214C DC/DC/DC) 12

Hình 2 2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PLC 15

Hình 2 3 Chu trình quét PLC 16

Hình 2 4 Bộ lọc khí đơn TW3000-03 26

Hình 2 5 Bộ bôi trơn khí nén TL3000-03 .27

Hình 2 6 Bản vẽ đấu nối các phần tử hệ thống điều khiển 28

Hình 2 7 Sơ đồ hệ thống khí nén 29

Hình 3 1 Lưu đồ Grafcet 33

Hình 3 2 Chương trình điều khiển PLC 50

Hình 3 3 Giao diện điều khiển/ giám sát HMI 51

Mục lục bảng

Bảng 1 1 Các phương án điều khiển 10

Bảng 1 2 Thống kê sơ bộ các thiết bị kết nối Input và Output với PLC 11

Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật PLC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC) 14

Bảng 2 2 Thông số module mở rộng SM1221 17

Bảng 2 3 Thông số màn hình HMI TP1200 Comfort 18

Bảng 2 4 Thông số kỹ thuật của công tắc từ (CS-1-G) 19

Bảng 2 5 Thông số kỹ thuật cảm biến E3F-DS30C4 20

Bảng 2 6 Thông số kỹ thuật động cơ 68KTYZ 20

Bảng 2 7 Thông số kỹ thuật xylanh DSNU-12-200-P-A 21

Bảng 2 8 Thông số kỹ thuật của bộ nguồn tổ ong 22

Bảng 2 9 Thông số kỹ thuật relay trung gian 23

Bảng 2 10 Thông số kỹ thuật van điện từ 5/3 24

Bảng 2 11 Thông số kỹ thuật các nút bấm 25

Bảng 2 12 Thông số van tiết lưu 27

Bảng 2 13 Bảng biến I/O 32

Lời Mở Đầu

Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu vật chất và tinh thần của con người ngày càng cao, vì thế bài toán về cung – cầu đang được các nhà sản xuất tìm cách giải quyết 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 sản xuất càng được tự động hóa cao càng nâng cao năng suất sản xuất giảm chi phí tăng 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 sản xuất, gia công, chế biến sản phẩm…Điều này dẫn tới việc hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt, cho phép tự động hóa ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loạt nhỏ và loạt vừa trên cơ sở sử dụng các máy CNC, robot công nghiệp Trong đó có một khâu quan trọng ảnh hưởng đến chất 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 trường với những ứng dụng bên ngoài thực tế Đề tài có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh 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 trình thực hiện sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Đề tài rất mong được sự góp ý

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 21 tháng 06 năm 2022

Sinh viên thực hiện

Trần Trọng Đông

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển

1.1 Tìm hiểu về hệ thống điều khiển của hệ thống phân loại sản phẩm

Hình 1 1 Sơ đồ hệ thống

Hệ thống điều khiển của hệ thống phân loại sản phẩm bao gồm 3 thành phần chính:

• Cảm biến: Là thiết bị điện tử biến đổi tín hiệu từ tín hiệu vật lý sang đại

lượng mang tính chất điện Cảm biến được phân loại theo đại lượng cần

đo(vị trí, gia tốc, nhiệt độ, dòng điện,… ), theo nguyên lý chuyển đổi giữa

đáp ứng và kích thích (nhiệt điện, quang điện, quang đàn hồi, biến đổi hóa học, biến đổi sinh hóa,…) và phân theo nguồn năng lượng tiêu thụ: cảm

biến chủ động và cảm biến bị đông

- Ở hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao, cảm biến sẽ được sử dụng để phát hiện vật và dựa vào vị trí lắp cảm biến thì có thể biết được chiều cao tương đối của vật cần phân loại

• Cơ cấu chấp hành:

- Cơ cấu chấp hành là phần “cơ bắp” trong hệ thống cơ điện tử Cơ cấu này nhận lệnh điều khiển (chủ yếu là tín hiệu điện) và tạo ra sự thay đổi (theo yêu cầu) trong hệ vật lý bằng cách tạo ra các lực, chuyển động, nhiệt dòng chảy …v v

- Cơ cấu chấp hành thường được sử dụng kết hợp một nguồn cung cấp năng lượng phụ trợ (điện, cơ) với cơ cấu chuyển đổi năng lượng, cơ cấu biến đổi chuyển động

- Cơ cấu chấp hành thường được bố trí giữa thiết bị điều khiển và cảm biến

- Cơ cấu chấp hành có thể là các hệ thống dẫn động cơ điện, thủy lực hoặc khí nén, các hệ thống khuyếch đại điện tử

• Thiết bị điều khiển:

- Là thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển, nhằm tác động lên cơ cấu chấp hành để đạt được sự thay đổi mong muốn

- Thiết bị điều khiển bao gồm:

➢ Thiết bị điều khiển tương tự: ON/OFF, P, PI, PD, PID

➢ Thiết bị điều khiển số: Vi điều khiển, Máy tính, PLC

➢ Thiết bị điều khiển logic: Vi điều khiển, Máy tính, PLC

1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển

Lựa chọn điều khiển hệ thống qua 2 chế độ: Chế độ tự động (AUTO) và điều khiển bầng tay (MANUAL), được chuyển đổi qua công tắc chuyển đổi

Chế độ AUTO:Khi hệ thống sẵn sàng hoạt động, cảm biến S1 nhận biết có

phôi cần phân loại, hệ thống bật động cơ truyền chuyển động băng tải đưa phôi từ đầu băng tải đến vị trí các xylanh để phân loại Cảm biến phát hiện phôi cao được đặt trước ở vị trí cao nhằm phát hiện phôi cao, các phôi trung bình và thấp sẽ đi qua đến vị trí kiểm tra tiếp theo Khi có tín hiệu phôi, bộ xử lý phát tín hiệu điều khiển để xylanh ở hành trình đi ra đẩy phôi vào máng cấp phôi, khi đi hết hành trình xylanh sẽ quay trở lại vị trí đầu hành trình và chờ tín hiệu tiếp theo Phôi thấp

sẽ đưa đền cuối băng tải và đi vào máng chứa phôi Sau 1 khoảng thời gian cảm biến không phát hiện phôi được cấp, hệ thống sẽ tắt động cơ để dừng băng tải và chờ phôi được cấp

Chế độ MANUAL: Người điều khiển sẽ sử dụng các nút bấm cứng trên

bảng điều khiển, cũng như trên màn hình giám sát để điều khiển độc lập từng các

cơ cấu chấp hành để kiểm tra tình trạng hoạt động các thiết bị có hoạt động bình thường hay không

1.3 Phân tích thông số và yêu cầu kỹ thuật để xác định các thành phần điều khiển

Hệ thống phân loại sản phẩm có 3 chiều cao khác nhau: 10 cm, 5cm và 3cm nên sẽ lựa chọn các thành phần điều khiển như sau:

➢ Cảm biến:

- Hệ thống sẽ 4 cảm biến quang trong đó 3 cảm biến được sử dụng cho mục đích phát hiện chiều cao của phôi thông qua việc bố trí cảm biến

theo chiều cao phôi để tiến hành phân loại phôi, 1 cảm biến quang được đặt tại đầu băng tải để nhận biết có phôi được cấp vào để phân loai

- Sử dụng 4 công tắc từ sử dụng để phát hiện vị trí hành trình piston của xylanh ở đầu và cuối hành trình

Các phương án điều khiển

1 Sử dụng các thiết bị logic cứng (relay, timer, ) đóng ngắt thiết lập mạch logic điều khiển tuần tự hệ thống

2 Sử dụng thiết bị điều khiển logic khả trình PLC để điều khiển cho cả hệ thống

3 Sử dụng vi điều khiển để điều khiển hệ thống

Phân tích ưu nhược điểm từng phương án

Phương

án 1

- Chi phí thấp, dễ dàng thay thế Relay bị hỏng

- Khả năng tùy biến thấp

- Khá phức tạp vì sử dụng nhiều phần tử logic

- Phù hợp với môi trường làm việc công nghiệp

- Chi phí cao

- Đòi hỏi người sử dụng cần có trình độ chuyên môn cao

Bảng 1 1 Các phương án điều khiển Vậy ta sẽ lựa chọn sử dụng PLC để nhận tín hiệu điều khiển từ cảm biến và các nút bấm, qua đó xử lý tín hiệu nhận được, qua chương trình điều khiển

để phát tín hiệu điều khiển cho các thiết bị trung gian để điều khiển cơ cấu chấp hành hoặc điều khiển trực tiếp cơ cấu chấp hành

- Bộ điều khiển PLC có thế đáp ứng được nhiều yêu cầu:

▪ Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ dễ sử dụng

▪ Gọn nhẹ, dễ bảo quản

▪ Dung lượng lớn có thể chứa các chương trình phức tạp

▪ Giao tiếp được các thiết bị thông minh khác như: máy tính, module nối mạng, các module mở rộng,

▪ Có thể mở rộng, nâng cấp khi cần thiết cải thiện hệ thống

Bật 4 cuộn hút van đảo chiều

hoạt động Bảng 1 2 Thống kê sơ bộ các thiết bị kết nối Input và Output với PLC

Vậy tổng thiết bị đầu vào (Input) = 18, tổng thiết bị đầu ra (Output) =7

Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển

Kết hợp một bộ vi xử lý, bộ nguồn tích hợp, mạch ngõ vào và ra trong một kết cấu thu gọn Sau khi người dùng tải chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị CPU của PLC giám sát ngõ vào và làm thay đổi tín hiệu ngõ ra theo logic của chương trình bao gồm các hoạt động logic boolean, việc đếm, các phép toán phức hợp và việc truyền thông các

thiết bị thông minh khác

Thông tin chung

Nguồn cung cấp

Dòng điện ngõ vào cung cấp

rộng

Cấu hình phần cứng

board, 8 module tín hiệu

Điện áp vào

Số lượng ngõ ra số 10

Điện áp ngõ ra

Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật PLC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC)

Nguyên lý hoạt động của PLC

Hình 2 2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PLC

Bộ xử lý trung tâm (CPU): đảm nhận vai trò như một bộ não của hệ thống

Nó chịu trách nhiệm tiếp nhận thông tin từ người dùng nạp vào và tín hiệu tiếp nhận từ khối mô – đun đầu vào, sau đó tính toán và đưa ra các lệnh điều khiển thích hợp đến mô – đun đầu ra

Bộ nhớ (Memory): Có tác dụng lưu trữ tất cả dữ liệu, cũng như chương trình điều khiển

Thiết bị lập trình (Programming device): Đó là thiết bị mà chương trình hoặc lệnh được viết sau đó nạp vào PLC

Mô – đun đầu vào (input): Để giao tiếp giữa bộ xử lý trung tâm với thiết bị đầu vào, thiết bị đầu vào có thể là nút nhấn thường đóng, thường mở, công tắc hành trình, cảm biến,…

Mô – đun đầu ra (output): Để giao tiếp giữa CPU với thiết bị đầu ra (bóng đèn, động cơ, van,…)

Bộ nguồn (Power supply): Dùng để cấp nguồn cho thiết bị đầu vào, thiết bị đầu ra PLC

Bộ cách ly quang (Optisal insolation): Nhằm đảm bảo an toàn cho hệ thống,

bộ cách ly quang được đặt giữa bộ xử lý với các thiết bị vào và ra trên nguyên lý cách ly nguồn hoàn toàn bộ xử lý với thiết bị đầu ra

Chu trình quét của PLC

Hình 2 3 Chu trình quét PLC

Giai đoạn 1: Quét đầu vào (Input scan) Ở giai đoạn này trị số và trạng thái của các chân trên mô – đun đầu vào sẽ được quét và dưa vào bảng bằng ảnh đầu vào (input image table)

Giai đoạn 2: Nạp chương trình vào PLC (User-program Execution) Trong phần này PLC sẽ thực hiện tuần tự từ câu lệnh đầu tiên đến câu lệnh cuối cùng Trong quá trình thực hiện nếu trị số và giá trị của các chân đầu ra thay đổi sẽ được lưu ở bảng đầu ra (Output image table)

Giai đoạn 3: Quét đầu ra (Output scan) Trong giai đoạn này, bảng ảnh đầu

ra sẽ được lưu trong bộ nhớ sẽ được đưa đến mô -đun đầu ra để thay đổi trạng thái các chân đầu ra tương ứng

2.1.4.2 Cảm biến quang (E3F-DS30C4)

Bảng 2 8 Thông số kỹ thuật của bộ nguồn tổ ong

2.1.6.2 Relay trung gian

6 Sơ đồ đấu nối

-Tiếp điểm NO

-Nguồn max:600v

- Dòng max:10A

Ký hiệu trên bản vẽ:

2.2 Xây dựng bản vẽ mạch điện

Hình 2 6 Bản vẽ đấu nối các phần tử hệ thống điều khiển

2.3 Hệ thống khí nén

Hình 2 7 Sơ đồ hệ thống khí nén

Chương 3: Lập trình điều khiển và thiết kế giao diện điều khiển

3.1 Bảng I/O và Lưu đồ Grafcet

3.1.1 Bảng I/O

LIỆU

ĐỊA CHỈ

MÔ TẢ

RESET TRẠNG THÁI CƠ CẤU CHẤP HÀNH

25

ĐÈN BÁO HỆ THỐNG Ở TRẠNG THÁI ĐANG VÀ SẴN SÀNG HOẠT ĐỘNG Bảng 2 13 Bảng biến I/O

3.1.2 Xây dựng lưu đồ Grafcet

Hình 3 1 Lưu đồ Grafcet

3.1.3 Nguyên lý hệ thống

Chế độ MANUAL (C=0) : Điều khiển thủ công bằng tay ( kiểm tra trạng

thái hoạt động của các cơ cấu chấp hành ), Đèn L2 sáng (Báo hệ thống sẵn sàng hoạt động)

• Nhấn nút M_ON, băng tải hoạt động

• Nhấn nút M_OFF, băng tải dừng hoạt động

• Nhấn nút B1, xylanh đẩy phôi cao đi ra đẩy phôi

• Nhấn nút B2, xylanh đẩy phôi cao thu về

• Nhấn nút B3, xylanh đẩy phôi trung bình đi ra đẩy phôi

• Nhấn nút B4, xylanh đẩy phôi trung bình thu về

Chế độ AUTO (C=1): Chế độ điều khiển tự động

• Khi công tắc chuyển qua chế độ auto,đèn đỏ (L1) sáng,đèn xanh(L2) tắt, sau đó hệ thống sẽ kiểm tra trạng thái các cơ cấu chấp hành Nếu cả 2

xylanh đều ở vị trí đầu hành trình (nhận biết bằng công tắc từ được lắp ở đầu hành trình xylanh) thì hệ thống sẽ chuyển sang chế độ sẵn sàng hoạt động Nếu 1 hoặc cả 2 xylanh đều chưa về vị trí đầu hành trình thì người vận hành sẽ tiến hành ấn nút RESET để đưa trạng thái các xylanh về đầu hành trình và chuyển sang chế độ sẵn sàng ( đèn L1 tắt, đèn L2 sáng)

• Khi hệ thống đã sẵn sàng hoạt động, người vận hành ấn nút START để hệ thống hoạt động Ở bước này, hệ thống sẽ chờ nhận biết có phôi được cấp thông qua cảm biến phát hiện phôi ở đầu băng tải Lúc này, hệ thống sẽ bật động cơ chạy, truyền chuyển động cho băng tải đưa phôi đến các vị trí phân loại

• Cảm biến phát hiện phôi cao được đặt trước để phát hiện những phôi có chiều cao là cao nhất kết hợp với xylanh đẩy phôi vào máng chứa phôi,

tiếp đến là phát hiện phôi trung bình và phôi có chiều cao thấp nhất sẽ được đưa đến vị trí cuối băng tải

• Khi cảm biến phát hiện phôi cao có tín hiệu, thì sau khoảng thời gian t bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu điều khiển van điện từ cấp khí vào xylanh,

piston đi ra và đẩy phôi vào máng chứa phôi, khi piston đền cuối hành trình, bộ điều khiển phát tín hiệu điều khiển van cấp khí đưa piston về đầu hành trình

• Quá trình xảy ra tương tự đối với phân loại phôi trung bình, phôi thấp nhất

sẽ đi đến cuối băng tải và vào máng chưa phôi

• Sau khoảng 1 thời gian T nếu hệ thống không phát hiện có phôi được cấp,

hệ thống sẽ tắt động cơ và dừng băng tải Chờ có phôi và tiếp tục chu

trình

• Khi hệ thống đang hoạt động có sự cố hoặc cần dừng hệ thống, ấn nút STOP để dừng hệ thống Hoặc nhấn nút EMERGENCY để ngắt toàn bộ điện ra khỏi hệ thống(đèn EMER_LIGHT) sáng lên