Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng plc s7 1200 đồ án tốt nghiệp

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện đề tài tốt nghiệp “Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC S7-1200”, bản thân em đã học hỏi được rất nhiều kiến thức, kinh nghiệm q

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÔNG Á

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO

CHIỀU CAO SỬ DỤNG PLC S7-1200

Giảng viên hướng dẫn : Th.S Nguyễn Hữu Nguyện

Sinh viên thực hiện : Trần Công Hùng

Ngày sinh : 02/07/2000

Lớp : DCTĐH9.10

Ngành : CNKT Điều khiển và Tự động hoá

Khoa : Điện – Điện tử

Khóa : 9

Mã sinh viên : 187510303110

Bắc Ninh, năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÔNG Á

LỜI CẢM ƠN

Ngày nay, nước ta đang đẩy mạnh Công nghiệp hóa - hiện đại hóa, hội nhập kinh tế Quốc tế nhằm đưa đất nước phát triển, mục tiêu đến năm 2025 cơ bản trở thành một nước công nghiệp theo hướng hiện đại Song song với việc chú trọng phát triển các ngành kinh

tế thì việc cập nhật, nắm bắt được công nghệ hiện đại đang ngày càng phát triển của toàn thể nhân loại là cực kì quan trọng Đối với một sinh viên Trường Đại học Công Nghệ Đông Á, đồ án tốt nghiệp là một minh chứng cho những kiến thức đã có được sau bốn năm học tập, đây là kết quả tích lũy trong quá trình học tâp, vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế, giúp cho sinh viên hiện thực hóa khả năng sáng tạo của bản thân, tự tin

hơn sau khi ra trường Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện đề tài tốt nghiệp “Mô

hình phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC S7-1200”, bản thân em đã học

hỏi được rất nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong khi thực hiện đề tài với sự giúp

đỡ nhiệt tình từ phía nhà trường và các thầy trong khoa Tự Động Hóa.

Em xin chân thành cảm ơn đặc biệt đến PGS.TS Nguyễn Quang Hùng và Th.S.

Nguyễn Hữu Nguyện đã luôn quan tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất giúp em

có thể hoàn thành đề tài này đúng thời hạn được giao.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô khoa Tự Động Hóa và những người đã dìu dắt em, cho em kiến thức chuyên ngành và những kinh nghiệm quý báu, và cùng với sự nổ lực của bản thân em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp ngày hôm nay.

Trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu, em đã cố gắng nổ lực, vì lượng kiến thức về chuyên ngành cũng như kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên không tránh khỏi được những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý, đánh giá của Thầy Cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn.

Bắc Ninh, ngày … tháng … năm 2022 SINH VIÊN THỰC HIỆN

Trần Công Hùng

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan rằng đề tài: “Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dựng PLC S7-1200”, được tiến hành một cách minh bạch, công khai Mọi

thứ được dựa trên sự cố gắng cũng như sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡkhông nhỏ từ phía nhà trường, cán bộ giảng viên khoa CNKT Điều khiển – Tựđộng hoá và đặc biệt là Th.S Nguyễn Hữu Nguyện

Các số liệu và kết quả nghiên cứu được đưa ra trong đồ án là trung thực vàkhông sao chép hay sử dụng kết quả của bất kỳ đề tài nghiên cứu nào tương tự.Nếu như phát hiện rằng có sự sao chép kết quả nghiên cứu từ những đề tài khácbản thân tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Bắc Ninh, ngày … tháng … năm 2022 SINH VIÊN THỰC HIỆN

Trần Công Hùng

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I LỜI CAM ĐOAN II DANH MỤC HÌNH ẢNH VI DANH MỤC BẢNG BIỂU VIII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IX

MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.3 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu 2

1.3.1 Mục đích nghiên cứu 2

1.3.2 Nội dung nghiên cứu 2

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 3

1.4 Cấu trúc của đề tài 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO 4

1.1 Khái quát một số mô hình phân loại sản phẩm hiện nay 4

1.1.1 Phân loại sản phẩm theo màu sắc 5

1.1.2 Phân loại sản phẩm theo chiều cao 6

1.1.3 Phân loại sản phẩm theo hình dạng 8

1.2 Khái quát mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao 9

1.2.1 Mục tiêu đặt ra của mô hình 9

1.2.2 Mô tả nguyên lý hoạt động của mô hình 10

1.2.3 Phạm vi giới hạn của mô hình 11

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1: 12

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO 13

2.1 Phương án chọn bộ điều khiển cho mô hình 13

2.1.1 Điều khiển phân loại sản phẩm bằng IC số 13

2.1.2 Điều khiển phân loại sản phẩm bằng vi điều khiển 13

2.1.3 Điều khiển phân loại sản phẩm bằng PLC 13

2.2 Cấu trúc lập trình 15

2.3 LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHẦN CỨNG 16

2.3.1 PLC 16

2.3.2 Màn hình HMI 22

2.3.3 Áp tô mát 23

2.3.4 Nguồn tổ ong 25

2.3.5 Băng tải 26

2.3.6 Động cơ DC 28

2.3.7 Cảm biến quang 30

2.3.8 Relay trung gian 31

2.3.9 Xylanh khí nén 33

2.3.10 Máy nén khí 34

2.3.11 Van điện từ điều khiển piston khí nén 36

2.3.12 Van điều áp 37

2.3.13 Nút nhất và đèn báo 38

2.4 LỰA CHỌN PHẦN MỀM 39

2.4.1 Giao diện SCADA 39

2.4.2 Phần mềm Tia Portal V15.1 43

2.4.3 Giao diện WinCC và HMI 46

2.5 BẢN THIẾT KẾ MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẢM THEO CHIỀU CAO 47

2.5.1 Bản vẽ các mặt chiếu của mô hình 47

2.5.2 Bản vẽ đấu nối các thiết bị 50

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 54

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CỦA MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO 55

3.1 Xây dựng chương trình điều khiển 55

3.1.1 Lưu đồ thuật toán cho mô hình 55

3.2 Mô phỏng mô hình trên phần mềm 57

3.2.1 Thiết kế giao diện mô phỏng trên Wincc 57

3.2.2 Thiết kế giao diện trên HMI 59

3.3 THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH 61

3.4 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ HÌNH 62

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 62

KẾT LUẬN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc 5

Hình 1.2: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao 6

Hình 1.3: Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng 8

Hình 2.1: Hình ảnh PLC S7-1200 CPU 1214 DC/DC/DC 22

Hình 2.2: Màn hình HMI sử dụng cho mô hình 23

Hình 2.3: Áp tô mát 24

Hình 2.4: Cấu tạo của Áp tô mát 24

Hình 2.5: Nguồn tổ ong 24VDC 5A 25

Hình 2.6: Hình ảnh băng tải trong hệ thống 27

Hình 2.7: Động cơ DC 24VDC 28

Hình 2.8: Cảm biến quang 30

Hình 2.9: Relay trung gian 31

Hình 2.10: Sơ đồ chân relay trung gian 8 chân 32

Hình 2.11: Xylanh khí nén 2 chiều 33

Hình 2.12: Máy nén khí 34

Hình 2.13: Van điện từ 36

Hình 2.14: Cấu tạo van điện từ 36

Hình 2.15: Van điều áp TPC PR2 37

Hình 2.16: Nút nhấn và đèn báo 38

Hình 2.17: Mô hình phân cấp cuả hệ thống SCADA 41

Hình 2.18: Phần mềm TIA PORTAL V15.1 43

Hình 2.19: Tạo Project mới trên TIA Portal V15.1 43

Hình 2.20: Chọn configure a device 44

Hình 2.21: Chọn add new device 44

Hình 2.22: Thêm thiết bị trên Tia Portal V15.1 44

Hình 2.23: Kết nối PLC với PC-System và HMI 45

Hình 2.24: Giao diện lập trình 45

Hình 2.25: Tag lưu các biến trong PLC 45

Hình 2.26: Giao diện thiết kế giám sát HMI 46

Hình 2.27: Bản vẽ mặt chiếu đứng của mô hình 48

Hình 2.28: Bản vẽ mặt chiếu bằng của mô hình 49

Hình 2.29: Sơ đồ đấu nối mạch nguồn cho hệ thống 50

Hình 2.30: Sơ đồ đấu nối các thiết bị với PLC 51

Hình 2.31: Sơ đồ đấu nối các cảm biến 52

Hình 2.32: Sơ đồ mạch điều khiển băng tải và van điện khí nén 53

Hình 3.1: Lưu đồ thuật toán cho hệ thống 55

Hình 3.2: Các kí hiệu dùng trong lưu đồ thuật toán 57

Hình 3.3: Các kí hiệu dùng trong lưu đồ thuật toán 57

Hình 3.4: Giao diện thiết kế trên Wincc 58

Hình 3.5: Gắn tag vào các thiết bị trong Wincc 58

Hình 3.6: Giao diện khi mô phỏng 59

Hình 3.7: Giao diện kết nối HMI TP1500 Comfort 59

Hình 3.8: Gắn tag vào các thiết bị trong HMI 60

Hình 3.9: Giao diện thiết kế trên HMI 60

Hình 3.10: Giao diện trên màn hình HMI 61

Hình 3.11: Mô hình thực tế 61

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Phân loại PLC S7-1200 theo khối chức năng 19Bảng 2.2: Danh sách các loại băng tải 27Bảng 2.3: Thống số kỹ thuật động cơ DC 24V 29

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

4 SCADA Hệ điều khiển thu thập và giám sát dữ liệu

hoặc ngõ ra của PLC

MỞ ĐẦU1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, việc tập trung hóa – Tự động hóa công tác quản lý, giám sát và điềukhiển hệ thống tự động nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình sản xuất, tránh rủi rotiết kiệm được chi phí Và hạn chế là một hướng tất yếu của quá trình sản xuất nàocũng không thể tránh khỏi, do thời gian cùng với sự phát triển mạnh mẽ của côngnghệ như hiện nay Cùng với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật vi điện tử, kỹthuật truyền thông và công nghệ phần mềm trong thời gian qua Và lĩnh vực điềukhiển tự động đã ra đời, phát triển ngày càng đa dạng đáp ứng được các yêu cầutrong cuộc sống, đòi hỏi quá trình tự động trong các lĩnh vực công nghiệp Chính

vì vậy phải lựa chọn quá trình điều khiển nào cho phù hợp với yêu cầu thực tế đặt

ra cho ngành Đảm bảo điều kiện cơ sở vật chất cho phép, tiết kiệm chi phí vậnhành, nâng cao hiệu quả sản xuất, dễ dàng bảo trì sửa chữa hệ thống khi có sự cố Thực tiễn đó đã đặt ra làm sao để quản lí các nhà máy sản xuất một cách linhhoạt ổn định và phù hợp nhất, tiết kiệm nhất và phải an toàn Trước thời cơ vàthách thức của thời đại, do đó sự nhận biết nắm bắt và vận dụng các thành tựu mộtcách hiệu quả nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và kỹ thuật điều khiển tựđộng nói riêng Sự áp dụng kỹ thuật điều khiển tự động đã được áp dụng rộng rãi ởcác ngành sản xuất lớn, doanh nghiệp lớn một cách nhanh chóng bên cạnh đónhững doanh nghiệp vừa và nhỏ quy mô sản xuất ngược lại hoàn toàn chưa được

áp dụng, đặc biệt ở khâu xác định kích thước chiều cao sản phẩm và đóng gói bao

bì thì vẫn còn sử dụng sức người, chính vì vậy cho năng suất chưa hiệu quả Trên

cơ sở thực tế, khách quan, yêu cầu của xã hội của thế giới cũng như trong nước, đềtài này có nhiều tiềm năng nghiên cứu ứng dụng và khai thác một cách khả thi nhất

có thể Việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển vào “Quá trình phân loại sản phẩm” làmột trong những thành tựu đáng kể làm thay đổi một nền sản xuất cũ mang nhiềuhạn chế, làm thay đổi cục diện của nền công nghiệp mạnh mẽ Chính vì vậy nó trở

thành một vấn đề hứng thú đầy tiềm năng cho nhóm em tìm hiểu đề tài “Mô hình

hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dựng PLC S7-1200”, nhằm cải

tiến góp phần vào sự phát triển hoàn thiện và phát triển sâu, rộng hơn nữa trongđời sống sản xuất của con người

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thời kỳ phát triển công nghiệp như hiện nay, việc ứng dụng khoa họccông nghệ trong quân sự, trong sản xuất công nghiệp cũng như trong sinh hoạtđang được đặt lên hàng đầu Trong đó, việc xây dựng và phát triển các modul điềukhiển, các thuật toán điều khiển mới trong các thiết bị quân sự, dây truyền sản xuất

và các hệ thống điều khiển tự động hóa ngày càng được chú trọng và phát triển Cóthể nói phân loại sản phẩm là một công đoạn hết sức quan trọng trong quá trình sảnxuất ra sản phẩm vì nó quyết định trực tiếp đến chất lượng sản phẩm đầu ra Điều

đó đặt ra những yêu cầu mới cấp thiết cho các nhà nghiên cứu và kĩ sư làm sao đểtạo ra dây truyền phân loại sản phẩm vừa hiệu quả, dễ sử dụng và ứng dụng rộngrãi trên nhiều lĩnh vực trong cuộc sống

1.3 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu khảo sát mô hình phân loại sản phẩm trong công nghiệp Từ đó

đề xuất phương án chọn bộ điều khiển cho mô hình nhằm nâng cao chất lượng điềukhiển, độ ổn định mô hình, nhất là đối với những ứng dụng đòi hỏi chất lượng và

độ chính xác cao

1.3.2 Nội dung nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là dây truyền phân loại sản phẩm theo chiều cao.Phạm vi nghiên cứu của đồ án được giới hạn trong nhiệm vụ điều khiển băng tải sửdụng cảm biến để phát hiện vật và tác động đến xilanh đẩy sản phẩm vào thùng

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu

 Nêu lên vấn đề của đối tượng nghiên cứu

 Phân tích và xây dựng mô hình động lực học, các vấn đề đối tượng nghiêncứu

 Tìm hiểu các nghiên cứu về mô hình phân loại sản phẩm

 Xây dựng thuật toán điều khiển

 Chứng minh tính đúng đắn của thuật toán điều khiển

 Kiểm tra tính đúng đắn của thuật toán điều khiển bằng phần mềm mô phỏngWinCC và HMI

1.4 Cấu trúc của đề tài

Đề tài của nhóm em bao gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về mô hình phân loại sản phẩm.

Chương 2: Thiết kế mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao.

Chương 3: Mô phỏng, thực nghiệm và đánh giá kết quả mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN

PHẨM THEO CHIỀU CAO1.1 Khái quát một số mô hình phân loại sản phẩm hiện nay

Phân loại sản phẩm là một bài toán đã và đang được ứng dụng rất nhiều trongthực tế hiện nay Dùng sức người, công việc này đòi hỏi sự tập trung cao và có tínhlặp lại, nên các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc Chưa

kể đến có những phân loại dựa trên các chi tiết kĩ thuật rất nhỏ mà mắt thường khó

có thể nhận ra Điều đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm và uy tíncủa nhà sản xuất

Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời là một sựphát triển tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này Tùy vào mức độ phức tạptrong yêu cầu phân loại, các hệ thống phân loại tự động có những quy mô lớn, nhỏkhác nhau Tuy nhiên có một đặc điểm chung là chi phí cho các hệ thống này khálớn, đặc biệt đối với điều kiện của Việt Nam Vì vậy hiện nay đa số các hệ thốngphân loại tự động đa phần mới chỉ được áp dụng trong các hệ thống có yêu cầuphân loại phức tạp, còn một lượng rất lớn các doanh nghiệp Việt Nam vẫn sử dụngtrực tiếp sức lực con người để làm việc

Bên cạnh các băng chuyền để vận chuyển sản phẩm thì một yêu cầu cao hơnđược đặt ra đó là phải có hệ thống phân loại sản phẩm Còn có rất nhiều dạng phânloại sản phẩm tùy theo yêu cầu của nhà sản xuất như: Phân loại sản phẩm theo kíchthước, Phân loại sản phẩm theo màu sắc, Phân loại sản phẩm theo khối lượng,Phân loại sản phẩm theo mã vạch, Phân loại sản phẩm theo hình ảnh… vv Vì cónhiều phương pháp phân loại khác nhau nên có nhiều thuật toán, hướng giải quyếtkhác nhau cho từng sản phẩm, đồng thời các thuật toán này có thể đan xen, hỗ trợlẫn nhau Ví dụ như muốn phân loại vải thì cần phân loại về kích thước, màu sắc

Về nước uống đóng chai (như bia, nước ngọt…) cần phân loại theo chiều cao, khối

lượng… Sau đây em sẽ liệt kê ra một số mô hình phân loại sản phẩm, đồng thời sẽchỉ ra cấu tạo, nguyên lí hoạt động và ứng dụng từng mô hình vào công nghiệp.

1.1.1 Phân loại sản phẩm theo màu sắc

Hình 1.1: Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

 Cấu tạo:

- Một băng chuyền

- Một động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền

- Cảm biến nhận biết màu sắc

- Hai xylanh piston để phân loại sản phẩm, xylanh còn lại dùng để đẩy sảnphẩm ra băng chuyền

- Bộ vi điều khiển dụng để xử lý tín hiệu và điều khiển động cơ

- Các van đảo chiều

- Các rơ le trung gian

- Nút nhấn

- Bộ phận giá đỡ

 Nguyên lý hoạt động

Khi nhấn nút Start, điện áp một chiều cấp vào động cơ điện một chiều hoạtđộng, truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai Xylanh piston sẽđẩy sản phẩm ra băng chuyền Trên băng chuyền sẽ thiết kế những cảm biết nhậnbiết màu sắc khác nhau Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu

về bộ vi điều khiển xử lý và sau đó sẽ đưa tín hiệu về van đảo chiều tác động điềukhiển piston đẩy từng sản phẩm có màu sắc khác nhau vào nơi chứ riêng biệt

 Ứng dụng

Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc được ứng dụng nhiều trong dây

chuyền sản xuất gạch, ngói, đá Grantite, trong các dây chuyền phân loại các sảnphẩm nhựa…Hệ thống sẽ giúp nhà sản xuất tốn ít nhân công lao động và giảmthiểu thời gian làm việc, nâng cao năng suất lao động

1.1.2 Phân loại sản phẩm theo chiều cao

Hình 1.2: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao

 Cấu tạo:

- Băng chuyền

- Động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền

- Ba cảm biến nhận biết chiều cao

- Ba xylanh piston để phân loại sản phẩm

- Bộ PLC dùng để xử lý tín hiệu

- Ba van đảo chiều

- Các rơ le trung gian

 Ứng dụng

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng rất nhiều trongcác ngành công nghiệp:

- Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất Gạch, ngói

- Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm như bánh kẹo, hoa quả

- Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất bia, nước giải khát…

1.1.3 Phân loại sản phẩm theo hình dạng

Hình 1.3: Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng

 Cấu tạo:

- Một băng chuyền

- Một động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền

- Hai cánh gạt sản phẩm để phân loại

- Cảm biến thị giác Camera (Nhận dạng vật thể qua Camera)

- Nút nhấn

- Các rơ le trung gian

- Bộ vi điều khiển dùng xử lý tín hiệu và điều khiển động cơ

- Bộ phận giá đỡ

 Nguyên lý hoạt động

Khi nhấn nút Start, điện áp một chiều cấp vào động cơ điện một chiều hoạt

động, truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai Xylanh piston sẽ

đẩy sản phẩm ra băng chuyền Trên băng chuyền thiết kế các cảm biến thị giácCamera nhận dạng sản phẩm Khi sản phẩm đi qua, cảm biến thị giác nhận biết vàgửi tín hiệu về bộ vi điều khiển xử lý sau đó đưa tín hiệu điều khiển động cơ bướcgạt từng sản phẩm có hình dạng khác nhau vào nơi chứa riêng biệt

 Ứng dụng

- Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng được ứng dụng rất nhiều trongcông nghiệp như: kiểm tra, phân loại sản phẩm có hình dạng khác nhau như:

Gạch, ngói, thực phẩm tiêu dùng…vv

- Ứng dụng trong kiểm tra và phân loại nông sản

- Ứng dụng kết hợp với Robot thông minh.

 Như vậy ngoài ba loại hệ thống phân loại sản phẩm trên, chúng ta còn thấy có

hệ thống phân loại theo đặc tính của sản phẩm như: Phân loại sản phẩm theo trọnglượng, kích thước… Hầu hết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng khá tương

tự nhau, chỉ khác nhau ở bộ phận đẩy sản phẩm phân loại (có thể là xylanh pistonhoặc động cơ bước) và bộ phận nhận dạng sản phẩm (có thể là các loại cảm biếnnhư màu sắc, cảm biến quang thu phát, cảm biến phát hiện kim loại hay cảm biếncamera phát hiện hình dạng vật thể)

Mỗi loại hệ thống đều có những ưu nhược điểm khác nhau và được ứng dụngrất nhiều trong công nghiệp nên nhóm em quyết định làm về đề tài nghiên cứu,thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao

1.2 Khái quát mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao

1.2.1 Mục tiêu đặt ra của mô hình

Mục tiêu đặt ra là thiết kế: Hệ thống phân loại theo chiều cao có kiểu dángnhỏ gọn, dễ lắp đặt, bảo trì, sửa chữa

Để đạt được nhưng mục tiêu này chúng ta cần thiết kế một mô hình cơ khí,điều khiển được động cơ và hệ thống hoạt động tự động Ngoài ra còn có các vấn

đề khác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiết

Các vấn đề được giải quyết đó là:

- Vấn đề về cơ khí: Phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thống số kỹ thuậtcủa các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ gọn, nhẹ bền, cótính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa

- Vấn đề điều khiển: Điều khiển hoàn toàn tự động

- Vấn đề an toàn: Đảm bảo an toàn cho người sử dụng và sản phẩm không bịhỏng

1.2.2 Mô tả nguyên lý hoạt động của mô hình

- Hệ thống phân loại sản phẩm sẽ phân loại sản phẩm theo 3 mức chiều cao:vật cao, vật cao trung bình, vật thấp

- Hệ thống gồm một băng tải để vận chuyển sản phẩm, trên băng tải có gắn 3cảm biến tiệm cận đặt ở 3 vị trí khác nhau để xác định vật đi qua

- Hệ thống sử dụng 3 xylanh để đẩy sản phẩm (vật cao, trung bình, thấp) Nếu

là sản phẩm cao thì khi vật đi qua cảm biến tiệm cận 1 thì xylanh 1 sẽ đẩysản phẩm cao xuống thùng 1 Nếu là sản phẩm trung bình thì khi vật đi quacảm biến tiệm cận 2 thì xylanh 2 sẽ đẩy sản phẩm trung bình xuống thùng 2.Nếu là sản phẩm thấp thì khi vật đi qua cảm biến tiệm cận 3 thì xylanh 3 sẽđẩy sản phẩm thấp xuống thùng

- Số lượng của từng loại sản phẩm sẽ hiện lên màn hình HMI

- Có nút START để cho hệ thống hoạt động, nút STOP để dừng hệ thống, nútdừng khẩn cấp và nút RESET để reset các bộ đếm số lượng sản phẩm trên hệthống

Từ nguyên lý làm việc trên ta thấy muốn hệ thống hoạt động được cần nhữngchuyển động cần thiết:

- Chuyển động của băng chuyền, để truyền chuyển động quay trục của băngchuyền ta dùng động cơ điện một chiều và thông qua bộ nguồn 24V

- Chuyển động tịnh tiến của xylanh để phân loại sản phẩm có chiều cao vậtkhác nhau Chuyển động của xylanh được điều khiển bởi hệ thống khí nén

Chu trình làm việc của hệ thống: Khi nhấn Start, điện áp một chiều cấp chođộng cơ điện một chiều hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền hoạtđộng Trên băng chuyền này sẽ thiết kế những cảm biến nhận biết sản phẩm cóchiều cao khác nhau Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về

bộ PLC xử lý sau đó PLC đưa ra tín hiệu về van đảo chiều tác động điều khiểnpiston đẩy sản phẩm cao và trung bình và thấp vào khay chứa tương ứng, đồng thờitrên bộ PLC những bộ counter được người lập trình, lập trình sẵn sẽ tự động đếmsản phẩm khi một trong các cảm biến đưa tín hiệu về PLC

1.2.3 Phạm vi giới hạn của mô hình

Hệ thống phân loại sản phẩm là một đề tài đã được nghiên cứu và phát triển

từ lâu Hiện nay trong nhà máy xí nghiệp có rất nhiều hệ thống hoàn thiện cả vềchất lượng và thẩm mỹ Tuy nhiên, trong phạm vi một đề tài nghiên cứu, vớinhững giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài giới hạn bởi những tínhnăng sau:

 Hệ thống xác định được kích thước chiều cao sản phẩm dao động từ 6cmđến 9cm

 Cơ cấu đẩy sản phẩm: Xylanh piston.

 Động cơ truyền chuyển động: Động cơ điện một chiều

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

THEO CHIỀU CAO 2.1 Phương án chọn bộ điều khiển cho mô hình

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật để điều khiển có nhiều cách khác nhaunhư: Dùng IC số, vi điều khiển, các bộ điều khiển PLC

2.1.1 Điều khiển phân loại sản phẩm bằng IC số

mà nhiều khi yêu cầu đó không thực hiện được nhờ phương pháp này

2.1.2 Điều khiển phân loại sản phẩm bằng vi điều khiển

 Ưu điểm:

- Có thể thay đổi phần mềm mà phần cứng không thay đổi

- Mạch đơn giản hơn IC số và ít linh kiện hơn

- Có sử dụng bộ timer, các hệ thống ngắt, câu lệnh đơn giản nên việc lậptrình trở nên đơn giản hơn

 Nhược điểm:

- Tốc độ tác động còn chậm

- Độ ổn định không cao vì hay bị ảnh hưởng của nhiễu

2.1.3 Điều khiển phân loại sản phẩm bằng PLC

 Ưu điểm:

- Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính,màn hình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêmbớt các thiết bị nhập xuất

- Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu

- Những dây kết nối trong hệ thống ít nên nhỏ gọn hơn

- Tốc độ tác động của hệ thống nhanh hơn, bão trì dễ dàng

- Đồ bền và sự tin cậy trong vận hành hệ thống cao

- Được thiết kế theo tiêu chuẩn công nghiệp

- Các module mở rộng cho phép thay thế hoặc thêm khi cần thiết

- Dễ dàng thay đổi chương trình bằng máy lập trình hoặc máy tính

- Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ gọn

Vì vậy đồ án này em ưu tiên lựa chọn phương pháp điều khiển bằng PLC, cụthể là PLC S7-1200, CPU 1214 DC/DC/DC của hãng Siemen.

2.2 Cấu trúc lập trình

 Ladder Diagram (ở VN có tên gọi là sơ đồ hình thang, viết tắt là LAD): đây

là ngôn ngữ phổ biến nhất hiện nay, đặc biệt ở Mỹ Nó dựa trên sự trình bày

đồ họa của Relay Ladder Logic Đa số các PLC hiện nay dù tuân thủ haykhông tuân thủ theo tiêu chuẩn IEC61131-3 đều sẽ có hỗ trợ ngôn ngữ laddernày

 Instruction List (ở VN có tên gọi là ngôn ngữ kiểu liệt kê, Siemens biến thể

ngôn ngữ này và viết tắt là STL): đây giống như là phiên bản của ngôn ngữladder nhưng dưới dạng chữ viết (text) Nó có cấu trúc giống như ngôn ngữmáy Assembly

 Function Block Diagram (ở VN được gọi dưới tên là ngôn ngữ khối Viết

tắt là FBD): diễn tả kết nối của các chức năng, khối chức năng và chươngtrình dưới dạng một tập hợp các khối đồ họa được kết nối với nhau Nótrông giống như trong sơ đồ mạch điện tử mà chúng ta thường thấy

 Structured Text (ở VN được gọi với tên là ngôn ngữ kiểu cấu trúc Siemens

viết tắt ngôn ngữ này là SCL): đây là một ngôn ngữ cấp cao rất mạnh mẽdùng cho PLC, có nguồn gốc từ Pascal và “C” Nó có thể được sử dụng đểđịnh nghĩa các khối chức năng phức tạp, có thể được sử dụng lồng ghép

trong các ngôn ngữ khác Vì là ngôn ngữ cấp cao nên SCL rất trực quan và

dễ hiểu

 Sequential Function Chart (ở VN gọi là kiểu lập trình lưu đồ tuần tự.

Siemens gọi là ngôn ngữ SFC hoặc Graph): đây là một kiểu lập trình dạng

đồ họa mạnh mẽ để mô tả các trạng thái tuần tự của một chương trình điềukhiển

 Kiểu chúng ta đang lập trình:

- Ladder, Instruction List, và FBD nó sẽ tốt cho kiểu logic bit

- SFC là tuyệt vời nhất cho các kiểu lập trình hoạt động tuần tự

- SCL là hoàn hảo cho các hàm toán học phức tạp, hoạt động mảng và hoạtđộng chuỗi

- Instruction List rất phù hợp cho các lệnh của bộ xử lý cấp thấp và truycập bộ nhớ/thanh ghi của PLC

Từ những dữ liệu trên chúng em sẽ sử dụng ngôn ngữ Ladder để lập trình vì:

- Hình dạng giống với các kí hiệu của các mạch điện công nghiệp theochuẩn IEC

- LAD với cấu trúc bậc thang dễ sắp xếp, tổ chức và tiện theo dõi

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm 1200 dùng để thay thế dần cho

S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:

- PLC S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thểkiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, vàmột tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn choứng dụng khi sử dụng với S7-1200

- S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợpsẵn, các đầu vào/ra (DI/DO)

- S7-1200 còn có các chân đọc và xuất tín hiệu Analog tích hợp trên CPUhoặc qua các module mở rộng AI/AQ

- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào CPU và chươngtrình điều khiển:

- Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vàoPLC

- Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình

- S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.Ngoài ra ta có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằngRS485 hoặc RS232

- Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 chúng em sử dụng TIA PORTALV15.1 để lập trình và thiết kế Phần mềm này đã có môi trường lập trìnhPLC và thiết kế điều khiển giám sát trên Wincc và HMI

2.3.1.1 Phân loại các dòng PLC S7-1200

 Phân loại theo cách đấu nguồn

Được chia thành 3 loại:

 DC/DC/DC

 DC/DC/RLY

 AC/DC/RLY.

Ý nghĩa của các ký hiệu trên:

- Ký hiệu ở đầu (AC và DC) là nguồn điện áp cấp cho PLC AC là 240VAC, DC là 24VDC

120 Ký hiệu ở giữa là DC là nguồn cấp cho ngõ vào gồm 0 Volt hoặc +24VDC

- Ký hiệu cuối là DC và RLY là nguồn cung cấp cho ngõ ra PLC với DC là+24VDC, RLY là tiếp điểm rơ le

Ngõ vào: Là điện áp một chiều 0 Volt hoặc +24 Volt

Ngõ ra: Có 2 loại

- DC là loại ngõ ra sử dụng Transistor:

 Ưu điểm: tần số đóng cắt nhanh (max 100kHz)

 Nhược điểm: điện áp ngõ ra mặc định là 24VDC

- Rly: là loại ngõ ra sử dụng Rơ le

 Ưu điểm: vì ở dạng tiếp điểm nên có thể sử dụng nguồn DC hoặc AC

 Nhược điểm: tần số đóng cắt chậm (max 10Hz)

 Phân loại theo năng lực của CPU

Chú thích: Trong mã CPU xuất hiện các chữ C và FC

 Chữ “C” là viết tắt của Compact (nghĩa là họ CPU nhỏ gọn và được tích hợpsẵn các vào/ra số, tương tự)

 Chữ “FC” viết tắt của Fails Safe (là họ CPU đặc biệt, dùng trong các môitrường thích hợp đòi hỏi tính an toàn cao như trong ngành dầu khí, nănglượng…)

Bảng 2.1: Phân loại PLC S7-1200 theo khối chức năng

Loại CPU Được tích hợp

sẵn

Khả năng mở rộng Bộ nhớ

CPU-1211C

6DI/4DO2AI

1 port Ethernet

Không hỗ trợ mở rộng SM

3 CM (module truyền thông)

1 SB, CB, BB (board tín hiệutruyền thông, hoặc bin

50KB-WM1MB-LM10KB-Retentive

CPU-1212C

8DI/6DO2AI

1 port Ethernet

3 SM (3 module tín hiệu)

3 CM (module truyền thông)

1 SB, CB, BB (board tín hiệutruyền thông, hoặc bin

75KB-WM2MB-LM10KB-Retentive

CPU-1214C

14DI/10DO2AI

1 port Ethernet

8 SM (3 module tín hiệu)

3 CM (module truyền thông)

1 SB, CB, BB (board tín hiệutruyền thông , hoặc bin

100KB-WM4MB-LM10KB-Retentive

CPU-1215C

14DI/10DO2AI/2AO

8 SM (3 module tín hiệu)

3 CM (module truyền thông)

125KB-WM4MB-LM

2 port Ethernet 1 SB, CB, BB (board tín hiệu

truyền thông , hoặc bin

Retentive

10KB-CPU-1217C

14DI/10DO2AI/2AO

2 port Ethernet

8 SM (3 module tín hiệu)

3 CM (module truyền thông)

1 SB, CB, BB (board tín hiệutruyền thông, hoặc bin

150KB-WM4MB-LM10KB-Retentive

 Chú thích:

- SM: Single Module –là module mở rộng đầu vào/ra số, tương tự

- CM: Communication Module: module truyền thông giao tiếp

- SB: Single Board: board gắn trên CPU

- CB: Communication Board truyền thông như Modbus…

- BB: Battery Board: pin để cung cấp nguồn điện

Các vùng nhớ của PLC:

+ LOAD MEMORY (LM): là vùng nhớ dạng non-volatile (loại bộ nhớ mà thôngtin đã lưu trữ trên nó sẽ không bị mất khi PLC bị ngắt nguồn)

 Ý nghĩa: Sử dụng để lưu trữ

- Chương trình người dùng (Program blocks)

- Cấu hình phần cứng (Device configuration)

- Tên biến do người dùng định nghĩa (PLC tags)

Load memory giống như ổ đĩa cứng của máy tính Vùng nhớ này được tích hợpsẵn trong CPU

+ WORK MEMORY (WM): là vùng nhớ dạng non-retentive (loại bộ nhớ màthông tin lưu trữ trên nó không được nhớ)

 Ý nghĩa:

- Khác với Load memory là vùng nhớ để chứa chương trình người dùng thìWork memory là vùng nhớ để thực hiện chương trình khi PLC ở chế độRun

Work memory giống như RAM của máy tính Vùng nhớ này được tích hợp sẵntrong CPU S7-1200

+ SYSTEM MEMORY (SM): là vùng nhớ mà PLC quy định cho người lậptrình bao gồm:

2.3.1.2 Lựa chọn CPU điều khiển

Từ các phân tích dữ liệu cũng như chức năng của các dòng CPU trên,chúng em quyết định lựa chọn CPU 1214 DC/DC/DC:

Hình 2.5: Màn hình HMI sử dụng cho mô hình

- Cổng truyền thông: RS232, RS485, Ethernet, UBS…

 Ưu điểm của HMI

- Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin

- Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ xung thông tin cần thiết

- Tính đơn giản của hệ thống, dể mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa

- Tính “Mở” có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiềuloại giao thức

- Khả năng lưu trữ cao

2.3.3 Áp tô mát

Aptomat hay còn gọi là áp tô mát và là cầu dao tự động dùng để đóng ngắt

thiết bị điện, trong tiếng anh còn có tên gọi viết tắt là CB (Circuit Breaker)

Có một số dòng Aptomat có thêm chức năng bảo vệ chống rò rỉ điện nên có khả năng chống giật Ngoài ra áp tô mát còn có tên gọi khác nữa là Át

Kí hiệu Aptomat:

Hình 2.6: Áp tô mát

 Cấu tạo Aptomat:

Gồm các bộ phận chính như: Tiếp điểm, hồ quang dập tắt, bộ phận truyền động, móc bảo vệ…

Hình 2.7: Cấu tạo của Áp tô mát

 Chức năng Aptomat

Aptomat là thiết bị có chức năng bảo vệ tình trạng quá tải và ngắn mạch trong hệ thống điện cụ thể như:

- Tự động ngắt điện khi phát hiện dòng điện tăng cao đột ngột

- Bảo vệ dòng điện tránh các trường hợp quá tải, vị ngắn mạch, sụt áp

- Ngăn chặn tình trạng rò điện xuống đất và mất đi cân bằng giữa dòng điện đi

và về trong mạch điện gia đình

 Nguyên lý làm việc của Aptomat

Aptopmat sẻ hoạt động dựa trên 2 nguyên lí làm việc: Dòng điện cực đại và điện áp thấp

 Lựa chọn Aptomat với thống số 220V 6A