BÁO cáo đồ án 3 đề tài mô PHỎNG hệ THỐNG PHÂN LOẠI sản PHẨM THEO KHỐI LƯỢNG BẰNG PHẦN mềm FACTORY IO

Với những ưu điểm nổi trội được nêu ra ở trên nên đề tài này được thực hiện thông qua hệ thống điều khiển bằng PLC.. PLC Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình, đ

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

……… ………

………

………

………

………

……… ………

………

Em xin cảm ơn thầy đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi đề cho nhóm em hoàn thành tốt đề tài này Ngoài ra, nhóm em cũng xin cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM đã tạo điều kiện tốt nhất để nhóm em học tập và nghiên cứu Bên cạnh đó, thầy cô cùng các anh chị ở khoa Điện – Điện tử và các bạn sinh viên trong lớp đã đóng góp ý kiến, cho nhóm em những lời khuyên bổ ích để nhóm em hoàn thành tốt đề tài này.

Mặc dù rất cố gắng trong quá trình thực hiện nhưng kiến thức vẫn còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong quý thầy cô góp ý và chỉ dẫn để nhóm em hoàn thiện hơn trong thời gian sắp tới.

Em xin chân thành cảm ơn.

Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 01 năm 2021

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài Nguyễn Thị Ngọc Thi Nguyễn Trường Tài

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Đặt vấn đề 2

1.2 Giới thiệu về PLC 3

1.3 Sơ lược về lịch sử của PLC 4

1.4 Phân loại PLC 6

1.5 Cấu trúc của PLC 7

1.6 Hoạt động của PLC 8

CHƯƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ TRONG MÔ HÌNH 9

2.1 PLC S7-1200 CPU 1214C ( 6ES7214-1AG40-0XB0) 9

2.2 Cảm biến tiệm cận 12

2.3 Cảm biến quang phản xạ gương 15

2.4 Biến tần Siemens G120 16

2.5 Cảm biến LoadCell và bộ khuếch đại tín hiệu KM02A 18

2.6 Động cơ 3 pha không đồng bộ 21

2.7 Một số thiết bị khác 22

CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ TỔNG QUÁT VÀ LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 23

3.1 Sơ đồ nguyên lý tổng quát 23

3.2 Sơ đồ kết nối PLC với các thiết bị 24

CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM FACTORY IO 25

4.1 Giới thiệu 25

4.2 Kết nối Factory IO với Tia Portal V15 25

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 26

5.1 Kết luận 26

5.2 Hướng phát triển 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

PHỤ LỤC 28

HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Giao tiếp của PLC với thiết bị ngoại vi Hình 1.2 Hình ảnh thực tế của PLC đầu tiên năm 1969 Hình 1.3 Cấu trúc của PLC

Hình 1.4 Hoạt động của PLC Hình 2.1 PLC SIEMENS S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC Hình 2.2 Cấu hình chi tiết của PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC Hình 2.3 Cảm biến tiệm cận

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến Hình 2.5 Cảm biến ngõ ra loại NPN

Hình 2.6 Cảm biến ngõ ra loại PNP Hình 2.7 Cảm biến quang phản xạ gương OMRon E3Z-R61 2M

Hình 2.8 Biến tần G120 Hình 2.9 Cảm biến cân nặng LoadCell 20Kg Hình 2.10 Bộ khuếch đại tín hiệu KM02A Hình 2.11 Sơ đồ nối dây của Loadcell với bộ khuếch đại tín hiệu Hình 2.12 Động cơ 3 pha không đồng bộ 4K80-4 (1.1kw)

Hình 2.13 Băng tải PVC Hình 2.14 Nút nhấn nhả phẳng Ø22 1NO 1NC đèn LED 220V AC/DC Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát

Hình 3.2 Mạch động lực của hệ thống Hình 3.3 Sơ đồ đấu dây PLC

Hình 4.1 Giao diện mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng Hình 4.2 Kết nối Factory với Tia Portal V15

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Cảm biến quang Bảng 2.2 Bảng thông số kỹ thuật của biến tần G120 Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của cảm biến LoadCell 20Kg

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi tín hiệu KM02A Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của động cơ 3 pha không đồng bộ 4K80-4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Trong thời kỳ của cách mạng công nghiệp 4.0 thì trí tuệ nhân tạo hay các hệ thống tự động hóa đóng vai trò rất quan trọng không chỉ trong sản xuất mà cả trong đời sống hằng ngày Với mục đích làm cho đời sống con ngươi ngày càng tiện lợi hơn, rất nhiều thiết bị tự động hóa đã được tạo ra và việc nghiên cứu, phát triển về các thiết bị này ngày càng được đề cao và phát triển mạnh.

Hệ thống có thể được điều khiển bằng nhiều phương pháp khác nhau như : Dùng hệ thống relay, PLC,…Ngày nay các hệ thống điều khiển bằng PLC đang dần thay thế những hệ thống điều khiển thông qua relay do hệ thống điều khiển bằng PLC có nhiều ưu điểm hơn hệ thống điều khiển thông thường (Hệ thống điều khiển dùng relay).

Ở hệ thống thông thường ta thường gặp những vấn đề như hệ thống thường phức tạp, khó sửa chữa Ngoài ra còn tốn khá nhiều thời gian trong việc lắp đặt và thiết kế, tốc độ hoạt động chậm, mỗi lần muốn thay đổi chương trình ta phải bố trí lại toàn bộ hệ thống.

Ở hệ thống dùng PLC, ta có một hệ thống được tích hợp nhiều chức năng trong một khối, giúp ta giảm thiểu tối đa lượng dây nối so với hệ thống điều khiển thống thường Bên cạnh đó, sự thay đổi các ngõ vào, ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ phần mềm điều khiển bằng máy tính Tốc độ đáp ứng của hệ thống nhanh hơn, cùng với độ bề và độ tin cậy cao hơn so với hệ thống thông thường Ngoài ra hệ thống có thiết bị chống nhiễu, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ dàng cho việc lập trình thực hiện các lệnh tuần tự Có thể liên kết với nhiều module rời mở rộng chức năng khi cần thiết.

Với những ưu điểm nổi trội được nêu ra ở trên nên đề tài này được thực hiện thông qua hệ thống điều khiển bằng PLC Đề tài thực hiện việc thiết kế, mô phỏng

Mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng sử dụng PLC S7 - 1200 có thể nói

là một trong những hệ thống quan trọng trong nhà máy, xí nghiệm Khi ngày nay hầu như các nhà máy, xí nghiệp đều sử dụng mô hình này để gia tăng năng suất sản xuất,

và sản xuất ra nhiều sản phẩm chất lượng.

1.2 Giới thiệu về PLC

Kỹ thuật điều khiển đã phát triển trong thời gian rất lâu Trước kia việc điều khiển hệ thống chủ yêu do con người thực hiện Gần đây, việc điều khiển được thực hiện nhờ các ứng dụng của ngành điện, thực hiện bằng việc đóng ngắt tiếp điểm Relay Các Relay sẽ cho phép đóng ngắt công suất không cần dùng công tắc cơ khí

Ta thường sử dụng Relay để tạo nên các thao tác điều khiển đóng ngắt logic đơn giản Sự xuất hiện của máy tính đã tạo một bước tiến mới trong điều khiển – Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC PLC xuất hiện vào những năm 1970 và nhanh chóng trở thành sự lựa chọn cho việc điều khiển sản xuất.

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình, được thiết kế chuyên dùng trong công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lý từ đơn giản đến phức tạp, tuỳ thuộc vào người điều khiển mà nó có thể thực hiện một loạt các chương trình hoặc sự kiện, sự kiện này được kích hoạt bởi các tác nhân kích thích (hay còn gọi là đầu vào) tác động vào PLC hoặc qua các bộ định thời (Timer) hay các sự kiện được đếm qua bộ đếm Khi một sự kiện được kích hoạt nó sẽ bật

ON, OFF hoặc phát một chuỗi xung ra các thiết bị bên ngoài được gắn vào đầu ra của PLC Như vậy nếu ta thay đổi các chương trình được cài đặt trong PLC là ta có thể thực hiện các chức năng khác nhau, trong các môi trường điều khiển khác nhau.

Hình 1.1 Giao tiếp của PLC với thiết bị ngoại vi

1.3 Sơ lược về lịch sử của PLC

Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable controller) được hình thành từ nhóm các kỹ sư thuộc hãng General Motor vào năm 1968, với ý tưởng ban đầu là thiết kế một bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu sau:

 Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu.

 Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sữa chữa.

 Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường công nghiệp.

 Giá cả cạnh tranh

Hình 1.2 Hình ảnh thực tế của PLC đầu tiên năm 1969

Tuy nhiên, thiết bị 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 thiết bị làm cho thiết bị 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, thiết bị 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 phát triển thực sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình Trong giai đoạn này các thiết bị 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 đầu thập niên 1970, với sự phát triển của phần mềm, bộ lập trình PLC không chỉ thực hiện các lệnh Logic đơn giản mà còn có thêm các lệnh về định thì, đếm sự kiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung, xử lý thời gian thực…

Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng :

 Số lượng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào, ngõ ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông.

Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ Tốc độ của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn Bên cạnh đó, PLC được chế tạo

có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC được

mở rộng hơn.

PLC Siemens có các họ như Logo, S7-200, S7-300, S7-400,

S7-1200,S7-1500 Logo: Là dòng sản phẩm cho các ứng dụng nhỏ khoảng 16-24 I/O S7-200: Là dòng sản phẩm trung bình có ứng dụng cho các dự án với I/O khoảng 128 S7-300 và S7-400: Là dòng sản phẩm cao cấp cho các dự án lớn, có số lượng I/O lớn, viết bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau, thời gian đáp ứng nhanh.

S7-1200: Là dòng sản phẩm nâng cấp của S7-200, truyền thông qua cổng Ethernet có thể kết nối PC-PLCs, PLCs-HMI, PLCs-PLCs.Tốc độ truyền thông profinet

10/100Mbits/s, tích hợp tính năng đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình.

S7-1500: Là dòng sản phẩm nâng cấp của S7300, S7-400 vừa được ra mắt trong thời gian gần đây với những ưu điểm vượt trội.

 Theo số lượng các đầu vào/ra

Căn cứ vào số lượng các đầu vào/ ra, ta có thể phân PLC thành 4 loại sau:

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

 PLC trung bình có đến 1024 kênh vào/ ra

 PLC cỡ lớn có trên 1024 kênh vào/ra.

1.5 Cấu trúc của PLC

Hình 1.3 Cấu trúc của PLC

 Phần đầu vào / đầu ra: Phần đầu vào hoặc mô-đun đầu vào bao gồm các

thiết bị như cảm biến, công tắc và nhiều nguồn đầu vào thế giới thực khác Đầu vào

từ các nguồn được kết nối với PLC thông qua đường ray đầu nối đầu vào Phần đầu

ra hoặc mô-đun đầu ra có thể là một động cơ hoặc một solenoid hoặc một đèn hoặc một lò sưởi, có chức năng được điều khiển bằng cách thay đổi các tín hiệu đầu vào.

 CPU: (Central Processing Unit) là đơn vị xử lý trung tâm Nó là một bộ vi

xử lý mà có thể kết hợp với các hoạt động của hệ thống PLC CPU thi hành chương trình xử lý các tín hiệu I/O và được nối trực tiếp đến các thiết bị I/O thông qua các tuyến đường dây thích hợp bên trong PLC.

 Thiết bị lập trình: Đây là nền tảng mà chương trình hoặc logic điều khiển

được viết Nó có thể là một thiết bị cầm tay hoặc một máy tính xách tay hoặc một máy tính chuyên dụng.

 Nguồn cung cấp: Nó thường hoạt động trên một nguồn cung cấp điện

khoảng 24 V, được sử dụng để cung cấp năng lượng đầu vào và các đầu ra.

 Bộ nhớ: Bộ nhớ được chia thành hai phần – Bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ

chương trình Thông tin chương trình hoặc logic điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ người dùng hoặc bộ nhớ chương trình từ nơi CPU tìm nạp các lệnh chương trình Tín hiệu đầu vào và đầu ra và tín hiệu bộ định thời và bộ đếm được lưu trữ trong bộ nhớ hình ảnh đầu vào và đầu ra tương ứng.

1.6 Hoạt động của PLC

Về cơ bản, hoạt 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 đầu vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua môđun xuất ra các thiết bị được điều khiển.

Hình 1.4 Hoạt động của PLC

 Các nguồn đầu vào chuyển đổi tín hiệu điện tương tự thời gian thực sang tín hiệu điện kỹ thuật số phù hợp và các tín hiệu này được đưa đến PLC thông qua đường ray kết nối.

 Các tín hiệu đầu vào này được lưu trữ trong bộ nhớ hình ảnh bên ngoài PLC

ở các vị trí được gọi là bit Điều này được thực hiện bởi CPU.

 Logic điều khiển hoặc các lệnh chương trình được ghi lên thiết bị lập trình thông qua các ký hiệu hoặc thông qua các phép nhớ và được lưu trữ trong bộ nhớ người dùng.

 CPU lấy các lệnh này từ bộ nhớ người dùng và thực thi các tín hiệu đầu vào bằng cách thao tác, tính toán, xử lý chúng để điều khiển các thiết bị đầu ra.

 Kết quả thực hiện sau đó được lưu trữ trong bộ nhớ hình ảnh bên ngoài để điều khiển các thiết bị đầu ra.

 CPU cũng giữ một kiểm tra trên các tín hiệu đầu ra và tiếp tục cập nhật nội dung của bộ nhớ hình ảnh đầu vào theo những thay đổi trong bộ nhớ đầu ra.

 CPU cũng thực hiện chức năng lập trình nội bộ như cài đặt và đặt lại bộ hẹn giờ, kiểm tra bộ nhớ của người dùng.

CHƯƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ TRONG MÔ HÌNH 2.1 PLC S7-1200 CPU 1214C ( 6ES7214-1AG40-0XB0)

Đây là PLC Siemens có xuất xứ từ Đức

Hình 2.1 PLC SIEMENS S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC

 Các tính năng nổi bật của PLC S7-1200

Bộ điều khiển mở rộng từ S7 với phương án mở rộng linh hoạt:

 1 bo mạch tín hiệu (SB) và 1 bo mạch truyền thông (CB)

 8 mô đun tín hiệu (SM)

 Có thể có lớn nhất 3 modun truyền thông (CM)

 Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn

 Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC

 Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở

 Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo

 Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s

 Hỗ trợ 16 kết nối Ethernet

 TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol

 Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình

 6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và

đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz.

 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ lái

servo (servo drive).

 Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển nhiệt độ…

 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển (auto- tune functionality).

 Thiết kế linh hoạt

 Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắn trực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà không thay đổi kích thước hệ điều khiển

 Mỗi CPU có thể kết nối 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra

 Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU

 3 module truyền thông có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyền thông, vd module RS232 hay RS485

trình ứng dụng hay khi cập nhật firmware

 Chẩn đoán lỗi online / offline.

 Cấu hình chi tiết

+ 10 DO 24 V DC + AI 0 – 10V DC

Hình 2.2 Cấu hình chi tiết của PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC

2.2 Cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận (còn được gọi là “Công tắc tiệm cận” hoặc đơn giản là

“PROX” tên tiếng anh là Proximity Sensors) phản ứng khi có vật ở gần cảm biến.

Trong hầu hết các trường hợp, khoảng cách này chỉ là vài mm Cảm biến tiệm cận thường phát hiện vị trí cuối của chi tiết máy và tín hiệu đầu ra của cảm biến khởi động một chức năng khác của máy Đặc biệt cảm biến này hoạt động tốt ngay cả trong những môi trường khắc nghiệt.

Hình 2.3 Cảm biến tiệm cận

 Đặc điểm

 Phát hiện vật thể không cần tiếp xúc, không tác động lên vật, khoảng cách

xa nhất tới 30mm.

 Hoạt động ổn định, chống rung động và chống shock tốt.

 Tốc độ đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao so với công tắc giới hạn (limit switch).

 Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi.

 Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.

 Nguyên lí hoạt động

Cảm biến tiệm cận hoạt động theo nguyên lý trường điện từ phát ra xung quanh cảm biến với khoảng cách tối đa 30mm và gặp vật thể thì nó sẽ phát tín hiệu truyền về bộ xử lý.

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến

 Phân loại

Có hai loại cảm biến tiệm cận chính có thể kể đến Đó là loại cảm ứng từ và loại điện dung.

 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ

Cảm ứng từ loại có bảo vệ (Shielded): Từ trường được tập trung trước mặt sensor nên ít bị nhiễu bởi kim loại xung quanh, tuy nhiên khoảng cách đo ngắn đi.

Cảm ứng từ loại không có bảo vệ (Un-Shielded): Không có bảo vệ từ trường xung quanh mặt sensor nên khoảng cách đo dài hơn, tuy nhiên dễ bị nhiễu của kim loại xung quanh.

 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng điện dung

Cảm ứng này phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện (sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor), có thể phát hiện tất cả vật thể.

 Ứng dung của cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận ứng dụng phổ biến trong công nghiệp nhà máy như gắn trên các dây truyền sản xuất, gắn trên các điện thoại cảm ứng, các loại xe ô tô,…

Một số ứng dụng dễ thấy như:

 Kiểm soát chất lỏng trong bể chứa

 Kiển soát chất lỏng trong hộp giấy

 Kiểm soát kim loại

 Kiểm soát số lượng

➡ Trong mô hình phân loại sản phẩm theo cân nặng, cảm biến tiệm cận dùng để

kiểm soát số lượng sản phẩm được phân loại theo số cân nặng đã đặt trước.