Đồ Án thiết kế hệ thống cơ Điện tử thiết kế hệ thống Điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm

Giới thiệu chung về các hệ thống phân loại sản phảm và ứng dụng trong thục tế, làm rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao 1.1.. Tổng quan về hệ thống  Khá

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ

ĐIỆN TỬ ĐẶNG MINH HOÀNG Hoang.dm207819@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn

TS Nguyễn Hữu Quang

I Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm

II 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=10cm, h2=5cm, h3=4cm

d1=4cm, d2=4cm, d3=4cm

6 Trọng lượng phôi: Qmin =5,5 kg; Qmax = 7 kg

7 Năng suất làm việc : N = 20 sp/ph

III Nội dung thực hiện:

1 Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật

- Xác định các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển và thông số/yêu cầu kỹ thuật

của hệ thống

2 Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển

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

- Lựa chọn phương án điều khiển

- Thành lập sơ đồ điều khiển

- Diễn giải sơ đồ điều khiển

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

- Giao tiếp hệ thống với người sử dụng

- 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)

1.3.4 Thiết bị điều khiển PLC

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

2.5 Giao tiếp hệ thống với người sử dụng

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BẢN VẼ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN

3.1 Thiết kế mạch điện hệ thống điều khiển

Đồ án Thiết kế hệ thống Cơ khí với đề tài là “Thiết kế hệ thống phân loại sảnphẩm” được nghiên cứu nhằm củng cố 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 nhưvận chuyển sản phẩm, đếm sản phẩm và phân loại sản phẩm Với hệ thống tự động hóanày 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 trìnhthực hiện sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót Đề tài của em rất mong nhận được sựgóp ý của quý thầy cô

Em xin chân thành cám ơn thầy Nguyễn Hữu Quang đã hướng dẫn tận tình, tạonhiều điều kiện thuận lợi cho chúng em tìm hiểu, nghiên cứu cũng như phát triển và hoànthiện đề tài này

Em xin chân thành cám ơn!

Giới thiệu chung về các hệ thống phân loại sản phảm và ứng dụng trong thục tế, làm rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao

1.1 Tổng quan về hệ thống

 Khái niệm chung

Hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống điều khiển tự động hoặc bán tựđộng nhằm chia sản phẩm ra các nhóm có cùng thuộc tính với nhau để thực hiệnđóng gói hay loại bỏ sản phẩm hỏng

Hình 1-2.Hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước

 Phân loại sản phẩm theo màu sắc: Phương pháp này dựa vào màu sắc sản phẩm

mà phân loại Phương pháp này được ứng dụng hiều trong các dây chuyền chếbiến nông sản, vật liệu xây dựng nhằm phân loại chính xác màu sắc của sản phẩm

 Hình 1-3 Hệ thống phân loại cam theo màu sắc

 Phân loại sản phẩm theo khối lượng: Phương pháp này dựa vào khối lượng của sảnphẩm mà phân loại, thường gặp nhiều trong chế biến thủy, hải sản

Hình 1-4 Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng

 Phân loại sản phẩm theo vật liệu: Phương pháp này dựa vào loại vật liệu của sảnphẩm để phân loại Phương pháp này thường ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện

từ để nhận dạng sản phẩm có lẫn kim loại, ứng dụng trong các dây chuyền sảnxuất thực phẩm

Phân loại sản phẩm theo mã vạch: Mã vạch được tạo riêng cho từng loại sản phẩm về số lượng, mặt hàng, thông tin khách hàng ngay trực tiếp trên sản phẩm Phương pháp này sửdụng công nghệ laser hoặc công nghệ chụp ảnh tuyến tính cho phép phát ra các tia sáng thẳng quét ngang mã vạch hoặc các chùm tia sáng bao trùm mã vạch

Hình 1-5 Phân loại sản phẩm theo mã vạch

trong sản xuất tự động hàng hóa với số lượng lớn, giúp phân loại nhanhnhững sản phẩm đạt yêu cầu và những sản phẩm bị lỗi (phế phẩm) cũng như phânloại thành những nhóm có đặc điểm khác nhau phục vụ cho những công đoạn sảnxuất sau này

Trong các nhà máy sản xuất hàng thực phẩm, nhà máy sản xuất gạch ốp látcho ngành xây dựng hay sản xuất các chi tiết cơ khí, linh kiện điện tử …, dòng sảnphẩm được tạo ra sau hàng loạt những qui trình công nghệ cần được kiểm tra đểđảm bảo loại bỏ được những phế phẩm cùng với đó phân loại những sản phẩm đạtchất lượng thành những nhóm cùng loại khác khau, tạo điều khiện thuận lợi choquá trình lưu kho để phân phối ra thị trường hay phục vụ tốt hơn cho những công

đoạn sản xuất tiếp theo Hơn nữa, nó còn có thể tích hợp thêm chức năng dánnhãn, đếm và quản lý sản phẩm , giúp nâng chất lượng của sản phẩm và nâng caohiệu quả hoạt động của dây chuyền sản xuất.

1.2 Nguyên lý hoạt động

Hệ thống phân loại sản phẩm dựa trên nguyên lý dùng cảm biến để xác định yếu tốmang tính chất phân loại sản phẩm Chuyển động của bộ băng chuyền đưa sản phẩmcủa bộ phận tiếp nhận đến bộ phận điều khiển để tiến hành phân loại Các sản phẩmsau khi phân loại sẽ được chuyển đến thùng hàng để đóng gói Chu trình này sẽ lặplại cho đến khi hết sản phẩm

Yêu cầu kĩ thuật cơ bản của các cụm chức năng trong hệ thống: chuyển động tịnhtiến đưa sản phẩm đến bộ phận phân loại, hầu hết trong hệ thống phân loại sản phẩmdùng băng chuyền để tạo ra chuyển động này Để truyền động quay cho trục củabăng chuyền người ta dùng động cơ điện thông qua các bộ truyền ngoài như xíchhoăc đai Ngoài chuyển động đưa sản phẩm vào của băng chuyền máy còn chuyểnđộng cần thiết nữa đó là hai chuyển động tịnh tiến để đẩy sản phẩm không đạt kíchthước hoặc phân loại sản phẩm của piston, xilanh hoặc khí nén Chuyển động củapiston, xilanh được điều khiển bởi hệ thống khí nén

Hoạt động của hệ thống: Cảm biến báo có phôi hay không để hệ thống hoạt động.Động cơ chạy khi có phôi trong ống cấp làm băng tải di chuyển Các cảm biến xácđịnh các loại sản phẩm theo chiều cao( gồm 3 loại sản phẩm là 12cm, 15cm và18cm ) Sau đó các xy lanh sẽ đẩy các sản phẩm vào trong cách rãnh trượt đưa sảnphẩm vào thùng hàng

1.3 Xác định các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển và

thông số/yêu cầu kỹ thuật của hệ thống

Tìm hiểu về các thành phần của hệ thống phân loại sản phẩm và tính toán hệ thống

cơ khí, lựa chọn động cơ phù hợp

Hình 1-6 Mô Hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao

(7),(9) Piston phân loại (20) Piston cấp sản phẩm

(10),(11),(12) Van đảo chiều 5/2

Trong công nghệ máy tính: Động cơ điện được sử dụng trong các ổ cứng, ổquang (chúng là các động cơ bước rất nhỏ)

Nguyên tắc hoạt động:

Phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyểnđộng (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu Khi cuộndây trên rotor và stato được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các từ trường,

sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanhtrục hay 1 mômen.

Phân loại:

Các loại động cơ điện:

- Động cơ điện một chiều: Và hệ thống động cơ – máy phát cho phép thay đổimômen và vận tốc góc trong phạm vi rộng, đảm bảo khởi động êm, hãm và đảochiều dễ dàng

 Nhược điểm của chúng là đắt, riêng loại động cơ điện 1 chiều lại khó kiếm và phảităng thêm vốn đầu tư để đặt các thiết bị chỉnh lưu

- Động cơ bước, động cơ servo : nguyên lí hoạt động là nhận các sung tín hiệu đểđiều chỉnh quay theo góc

 Ưu điểm: có độ nhạy và độ chính xác cao,khả năng hãm tốt

 Nhược điểm : giá thành cao

Trong mô hình, vì sử dụng truyền động băng tải dây đai và không yêu cầu tảitrọng lớn nên không cần động cơ có công suất lớn Với yêu cầu khá đôn giản củabăng tải như là:

 Băng tải chạy liên tục, có thể dừng khi cần

 Không đòi hỏi độ chính xác, tải trọng băng tải nhẹ

 Dễ điều khiển, giá thành rẻ

Vì vậy chỉ cần sử dụng loại động cơ 1 chiều có công suất nhỏ, khoảng 20 –40W, điện áp vào là 24V

Hình 1-7 Một số loại động cơ điện

Động cơ điện 1 chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện 1 chiều Động

cơ điện 1 chiều được dùng rất phổ biến trong công nghiệp và ở những thiết bị cầnđiều chỉnh tốc độ quay liên tục trong 1 phạm vi hoạt động Động cơ điện 1 chiềutrong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng vớinhững tải nhỏ Trong công nghiệp, động cơ điện 1 chiều được sử dụng ở những nơiyêu cầu momen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và trongphạm vi rộng

1.3.2 Piston/ Van khí nén

Theo thiết kế, cơ cấu phân loại sản phẩm được thực hiện bằng piston khí nén Pistonkhí nén (xi lanh khí nén) là thiết bị cơ học, hoạt động được nhờ khí nén giúp chuyểnnăng lượng tiềm năng thành động năng (nhờ sự chênh áp bởi khí nén nên áp suất lớnhơn áp suất khí quyển), piston của xi lanh chuyển động làm cho sản phẩm đượcphân loại

- Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất hiệu quả.

 Nhược điểm:

-Công suất truyền động không lớn Ở nhu cầu công suất truyền động lớn, chiphí cho truyền động khí nén sẽ cao hơn 10-15 lần so với truyền động điện cùng côngsuất, tuy nhiên kích thước và trọng lượng lại chỉ bằng 30% so với truyền động điện; -Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền động luôn có xu hướng thay đổi dokhả năng đàn hồi của khí nén khá lớn, vì vậy khả năng duy trì chuyển động thẳngđều hoặc quay đều thường khó thực hiện

-Dòng khí nén được giải phóng ra môi trường có thể gây tiếng ồn

Cấu trúc của hệ thống khí nén thường bao gồm các khối thiết bị sau:

-Trạm nguồn: Máy nén khí, bình tích áp, các thiết bị an toàn, các thiết bị xử lý khínén (lọc bụi, lọc hơi nước, sấy khô) …

-Khối điều khiển: các phần tử xử lý tín hiệu điều khiển và các phần tử điều khiểnđảo chiều cơ cấu chấp hành

-Khối các thiết bị chấp hành: Xi lanh, động cơ khí nén, giác hút

Các phần tử của hệ thống khí nén:

+ Nguồn khí nén: Trong công nghiệp, theo quy mô sản xuất, người ta thườngxây dựng một vài trạm khí nén phục vụ sản xuất với các mục đích khác nhau Hệ

thống khí nén muốn làm việc bền vững, liên tục, tin cậy thì nguồn khí nén phải đượctăng cường ổn định về áp suất, phun dầu bôi trơn cho các phần tử điều khiển, cơ cấuchấp hành…, do đó cần được trang bị một loạt phần tử nối tiếp nhau như máy nénkhí có thể tích hành trình không đổi, bình tích áp, bộ lọc hơi nước, bộ tra dầu, vanđiều chỉnh áp suất có cửa tràn, …

+ Thiết bị xử lý khí nén: Thiết bị sấy khô bằng quá trình hóa học, bộ lọc vàthiết bị sấy khô bằng quá trình vật lý, bộ điều hòa phục vụ

+ Phân phối khí nén: Thường gồm một hệ thống các ống dẫn để phân phốikhí nén tới nơi yêu cầu

+ Các cơ cấu chấp hành: Có chức năng biến đổi năng lượng tích lũy trong khínén thành động năng

 Piston xilanh đẩy sản phẩm

Piston xylanh bao gồm piston xylanh thủy lực và khí nén, thực chất là một loạiđộng cơ thủy lực (khí nén) dùng để biến đổi thế năng của dầu (khí nén) thành cơnăng, thực hiện chuyển thẳng hoặc chuyển động vòng không liên tục Piston xylanhđược dùng rất phổ biến trên các thiết bị có cơ cấu chấp hành chuyển động thẳng đi

về, xylanh khí nén có kết cấu đơn giản, nhưng có khả năng thực hiện một công suấtlớn, làm việc ổn định và giải quyết vấn đề chắn khít tương đối đơn giản So với hệthống thủy lực, hệ thống khí nén có công suất nhỏ hơn nhưng có nhiều ưu điểm hơnnhư:

- Có khả năng truyền năng lượng đi xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén

nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn nhỏ

- Do có khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí nên có thể trích chứa

khí nén rất thuận lợi, không khí dùng để nén hầu như có số lượng không giới hạn và

có thể thải ra ngược trở lại bầu khí quyển

- Hệ thống khí nén sạch sẽ, dù cho có sự rò rỉ không khí nén ở hệ thống ống

dẫn, do đó không tồn tại mối đe dọa bị nhiễm bẩn

- Chi phí nhỏ để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, bởi vì phần

lớn trong các xí nghiệp, nhà máy đã có sẵn đường dẫn khí nén

- Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo, nên tính nguy

hiểm của quá trình sử dụng hệ thống truyền động bằng khí nén thấp

- Phân loại piston xylanh:

Có thể chia ra làm 2 loại: xylanh tác động đơn và xylanh tác động kép

Hình 1-8 Các loại piston xylanh thông dụng

a, xylanh tác động đơn b, xylanh tác động kép

- Xylanh tác động đơn (xylanh tác động một chiều) Áp lực khí nén chỉ tác dụng vàomột phía của xylanh, phía còn lại là do ngoại lực hay do lò xo tác dụng

- Xylanh tác dụng kép (xylanh tác dụng hai chiều) Áp suất khí nén được dẫn vàohai phía của xylanh do yêu cầu điều khiển mà xylanh sẽ đi vào hay đi ra tùy thuộcvào áp lực

Lựa chọn piston xylanh dùng trong hệ thống

Do đặc điểm của xy lanh tác động nhanh, hành trình không lớn, cố định nên

ta chọn xy lanh tác động hai chiều sử dụng trong hệ thống Xylanh tác động haichiều giúp hệ thống được điều khiển một cách hoàn toàn tự động và chính xác

 Van đảo chiều

Van đảo chiều khí nén là phần tử dùng để đóng, ngắt, đảo chiều dòng khínén, thông qua đó mà thay đổi được hướng tác động của cơ cấu chấp hành khí nén

Hình 1-9 Van đảo chiều

Van 2/2: Có hai cổng, vào (1) và ra (2), hai trạng thái, van 2/2 có thể sử dụnglàm khóa ON/OFF đóng mở nguồn khí nén hoặc rẽ mạch khí nén

Van 3/2: Có cổng làm việc vào (1) ra (2), cổng xả (3) và hai trạng thái

Van 4/2: Có 4 cổng làm việc, vào (1) và ra (2,4), chung một cổng xả (3), haitrạng thái Van 4/2 được ghép bởi van 3/2 trong một vỏ: một thường đóng, mộtthường mở

Van 5/2: Có 5 cổng làm việc, vào (1), ra (2,4), hai cửa xả riêng cho mỗi trạngthái (3,5), có hai trạng thái Van 5/2 dùng làm van đảo chiều điều khiển xy-lanh tácđộng kép vào động cơ

Van 5/3: Có 3 trạng thái, trong đó trạng thái trung gian (mind-position) là trạngthái ổn định và luôn được thiết lập bởi các lò xo hồi khi không có bất kỳ một tínhiệu điều khiển nào Người ta thường gọi đó là trạng thái không Hai trạng thái cònlại được thiết lập và cùng tồn tại bởi hai tín hiệu điều khiển tương ứng như đối vớivan 5/2 điều khiển một phía

Hình 1-10 Các loại van đảo chiều

1.3.3 Cảm biến

Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý, hóahọc hay sinh học của môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thuthập thông tin về trạng thái hay quá trình đó Sau đó được chuyển thành dạng thôngtin mã hóa và xuất về màn hình hoặc máy tính, hệ thống PLC để có thể điều khiểncác thiết bị khác từ xa

Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường,phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là

đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin, hay trong điều khiển các quá trìnhkhác

Hình 1-11.Một số loại cảm biến

Phân loại:

Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra ba nhóm chính:

- Cảm biến vật lý: song điện từ, ánh sáng, tử ngoại, …

- Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, khói, …

- Cảm biến sinh học: đường glucose huyết, vi khuẩn, vi rút, …

Các đặc trưng của cảm biến:

Một cảm biến được sử dụng khi đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật xác định

- Độ nhạy: Gia số nhỏ nhất có thể phát hiện

- Mức tuyến tính: Khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cố định

- Dải biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi sử dụng được

- Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường

- Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác lên kết quả

- Sai số xác định: Phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu

- Độ trôi: Sự thay đổi tham số theo thời gian phục vụ hoặc thời gian tồn tại (date)

- Độ trễ: Mức độ đáp ứng với thay đổi của quá trình

- Độ tin cậy: Khả năng làm việc ổn định, chịu những biến động lớn của môi trườngnhư sốc các loại

- Điều kiện môi trường: Dải nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, làm việc được

Lựa chọn cảm biến: Cảm biến quang Omron E3F3S

Hình 1-12 Cảm biến quang

1.3.4 Thiết bị điều khiển PLC

Hình 1-13 PLC S7 1200

 Khái niềm 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 điều khiểntùy biến do người sử dụng viết thông qua một ngôn ngữ lập trình Do vậy, nó chophép thực hiện linh hoạt tất cả các bài toán điều khiển

 Ưu điểm, nhược điểm của PLC

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

- Tốn ít không gian: Một PLC cần ít không gian hơn một máy tính tiêuchuẩn 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 cảcác máy tính thông thường

- Giá thành thấp: Một PLC giá tương đương cỡ 5 đến 10 rơ le, nhưng nó

có thể thay thế hàng trăm rơ le

- Khả năng thích ứng với môi trường công nghiệp: Các vỏ của PLC đượclàm từ các vật liệu cứng, có khả năng chống chịu được bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm, rungđộng 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 phứctạp để có thể giao tiếp với môi trường công nghiệp Trong khi đó các PLC có thểgiao tiếp trực tiếp nhờ các mô đun vào ra I/O

- Lập trình dễ dàng: Phần lớn các PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình là sơ đồhình 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 đổinhanh chóng và dễ dàng bằng cách nạp lại chương trình điều khiển mới vào PLCbằng 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 cácngôn 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 đắthơn khi sử dụng bằng phương pháp rơle

 Ứng dụng của PLC

Cùng với sự phất triển của phần cứng lẫn phần mềm, PLC ngày càng phát huyđược các tính năng cũng như lợi ích trong hoạt động công nghiệp Kích thước củaPLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O nhiều hơn, các ứng dụngcủa PLC càng mạnh hơn giúp người sử dụng giải quyết được nhiều vấn đề phức tạptrong 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, côngnghiệp thực phẩm, công nghiệp cơ khí, nhà máy hạt nhân, trong công nghiệp giaothông 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 hoạtđộng, các PLC này có có tính năng tương tự nhau, nhưng về lập trình sử dụng thìchúng hoàn toàn khác nhau do thiết kế khác nhau của mỗi nhà sản xuất PLC khácvới máy tính là không có hệ điều hành Khi được bật lên thì PLC chỉ chạy chươngtrình điều khiển ghi trong bộ nhớ của nó, chứ không thể chạy được hoạt động nàokhác 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 PLCtrên thế giới

 Rơ le

Khái niệm chung về Rơ le

Rơ le là loại khí cụ điện hạ áp tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khítín hiệu đầu vào đặt những giá trị xác định Rơ le được sử dụng rất rộng rãi trongmọi lĩnh vực khoa học công nghê và đời sống hằng ngày Rơ le có nhiều chủng loạivới nguyên lý làm việc, chức năng khác nhau như rơ le điện tử, rơ le phân cực, rơ lecảm ứng, rơ le nhiệt, rơ le điện tử tương tự, rơ le điện tử số, điện tử tương tự… Đặc tính cơ bản của rơ le: là đặc tính vào ra Khi đại lượng đầu vào X1 tăngđến một giá trị tác động X2, đại lượng đầu ra Y thay đổi nhảy cấp từ 0 (Ymin) đến 1(Ymax) Theo chiều giảm của X, đến giá trị số nhả X1 thì đại lượng đầu ra sẽ nhảycấp từ 1 xuống 0 Đây là quá trình nhả của rơ le

Rơ le trung gian

Rơ le trung gian được sử dụng rộng rãi trong các sơ đồ bảo vệ hệ thống điện và các

sơ đồ điều khiển tự động Đặc điểm của rơ le trung gian là số lượng tiếp điểm lớn(thường đóng và thường mở) với khả năng chuyển mạch lớn và công suất nuôi cuộndây bé nên nó được dùng để truyền và khuếch đại tín hiệu, hoặc chia tín hiệu của rơ

le chính đến nhiều bộ phận khác nhau của mạch điêu khiển và bảo vệ

Hình 1-14 Rơ le trung gian

Nguyên lý hoạt động:

Nếu cuộn dây của rơ le được cấp điện áp định mức (qua tiếp điểm của rơ lechính) sức từ động do dòng điện trong cuộn dây sinh ra sẽ tạo ra trong mạch từthông, hút nắp làm các tiếp điểm thường mở đóng lại và các tiếp điểm thường đóng

mở ra Khi cắt điện của cuộn dây, lò xo sẽ nhả dưa nắp và các tiếp điểm về vị trí banđầu Do dòng điện qua tiếp điểm có giá trị nhỏ nên hồ quang khi chuyển mạchkhông đáng kể nên không cần buồng dập hồ quang Rơ le trung gian có kích thướcnhỏ gọn, số lượng tiếp điểm đến 4 cặp thường đóng và thường mở liên động, côngsuât tiếp điểm cỡ 5A, 250 VAC, 28 VDC, hệ số nhả của rơ le nhỏ hơn 0,4; thời giantác động dưới 0,005s

Trong mô hình hệ thống phân loại sản phẩm đã sử dụng rơ le trung gian

MY2NJ của OMRON.

 Các thông số của MY2NJ:

+ Điện áp cuộn dây: 24 VDC có LED báo hiển thị

+ Thông số của tiếp điểm: 5A – 24 VDC

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Đưa ra được ý tưởng điều khiển, tính toán lực chọn các linh kiện cho hệ thống điều khiển, lập trình điều khiển cho hệ thống động lực và lập trình điều khiển cho giao diện điều khiển

2.1 Ý TƯỞNG ĐIỀU KHIỂN, TÍNH NĂNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO TIẾP

Hình 2-1 Bản vẽ lắp

 Yêu cầu cơ bản của hệ thống:

Hệ điều khiển phải đảm bảo được những yêu cầu cơ bản sau:

- Tự động và chính xác từ khâu cấp sản phẩm, vận chuyển đến khâu phân loại sản phẩm.

- Băng chuyền hoạt động nhịp nhàng

- Độ an toàn lao động được đảm bảo tuyệt đối

+ MAN/AUTO: Chuyển đổi giữa điều khiển bằng tay và điều khiển tự động

+ Cảm biến nhận biết có phôi trong ống cấp phôi

+ Cảm biến nhận biết có phôi cao

+ Cảm biến nhận biết có phôi trung bình

+ Cảm biến nhận biết có phôi thấp

+ Cảm biến phát hiện điểm đầu xy lanh cấp phôi

+ Cảm biến phát hiện điểm cuối xy lanh cấp phôi

+ Cảm biến phát hiện điểm đầu xy lanh phân loại phôi cao

+ Cảm biến phát hiện điểm cuối xy lanh phân loại phôi cao

+ Cảm biến phát hiện điểm đầu xy lanh phân loại phôi trung bình

+ Cảm biến phát hiện điểm cuối xy lanh phân loại phôi trung bình

- Đầu ra:

+ Động cơ băng tải

+ Xilanh đẩy phôi của hệ thống cấp phôi

+ Xilanh đẩy phôi cao

+ Xilanh đẩy phôi trung bình

+ Đèn báo hệ thống hoạt động

+ Đèn báo đầy thùng chứa phôi cao

+ Đèn báo đầy thùng chứa phôi trung bình

+ Đèn báo đầy thùng chứa phôi thấp

2.2 Lựa chọn phương án điều khiển

 Cần loại PLC có tối thiểu 14 đầu vào INPUT và 8 đầu ra OUTPUT

 Lựa chọn PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/RLY

Với tích hợp sẵn ngõ vào ra I/O: 14 ngõ vào DI 24VDC, 10 ngõ ra DO 24VDC, 2 ngõ Analog AI tín hiệu 0-10V DC

Nguồn cấp một chiều: 20.4 – 28.8V DC

 Quy trình hoạt động của hệ thống:

Quy trình hoạt động theo chế độ AUTO:

- Nhấn nút Start, đèn xanh sáng báo hệ thống hoạt động, động cơ điện hoạt độngkéo băng tải chạy

- Nếu cảm biến phát hiện phôi trong ống cấp phôi không có tín hiệu thì sau 1 thờigian động cơ dừng hoạt động

- Trường hợp có phôi trong ống cấp phôi, sau 1 thời gian chạy ổn định động cơ vàhết phôi trên băng tải thì xylanh cấp phôi hoạt động đẩy sản phẩm lên băng tải

- Phôi được đưa đến các xy lanh phân loại

- Khi cảm biến phát hiện phôi cao có tín hiệu, xylanh phân loại 1 sẽ đẩy sản phẩmxuống máng trượt và vào thùng, bộ đếm số lượng sản phẩm trong thung phôi cao

sẽ tăng thêm 1

- Khi cảm biến phát hiện phôi trung bình có tín hiệu, xylanh phân loại 2 sẽ đẩy sảnphẩm xuống máng trượt và vào thùng, bộ đếm số lượng sản phẩm trong thungphôi trung bình sẽ tăng thêm 1

- Khi sản phẩm đi về phía cuối băng tải và cảm biến phát hiện phôi thấp có tín hiệu,sản phẩm sẽ tiếp tục di chuyển và rơi xuống thùng đựng sản phẩm thấp Bộ đếm sốlượng sản phẩm trong thùng phôi thấp sẽ tăng thêm 1

- Đến khi số lượng sản phẩm tròng thùng 1 hoặc thùng 2 hoặc thùng 3 đầy, đèn màu

đỏ tương ứng với các thùng ấy sẽ sáng lên báo hiệu cho người dùng để đóng gói

và thay thùng mới, băng tải sẽ dừng hoạt động để chờ thùng mới

- Nhấn nút Stop hệ thống đứng yên tại thời điểm dừng

- Nhấn nút Reset hệ thống trở về vị trí làm việc ban đầu

Quy trình hoạt động theo chế độ MANUAL:

- Nhấn nút Start đèn xanh sáng báo hệ thống hoạt động, động cơ chạy kéo băng tải

- Nếu cảm biến nhận biết phôi trong ống cấp phôi không có tín hiệu thì động cơ sẽchạy trong 1 khoảng thời gian rồi dừng hẳn

- Nếu cảm biến nhận biết phôi trong ống cấp phôi có tín hiệu, sau 1 thời gian động

cơ chạy ổn định nhấn nút Start xylanh cấp phôi hoạt động đẩy sản phẩm xuốngbăng tải

- Băng tải đưa sản phẩm đến các xylanh phân loại

- Nếu cảm biến phát hiện phôi cao có tín hiệu thì băng tải dừng, nhấn nút Startxylanh phân loại 1 hoạt động đẩy sản phẩm xuống thùng phôi cao, bộ đếm số phôicao tăng thêm 1

- Nếu cảm biến phát hiện phôi trung bình có tín hiệu thì băng tải dừng, nhấn nútStart xylanh phân loại 1 hoạt động đẩy sản phẩm xuống thùng phôi trung bình, bộđếm số phôi trung bình tăng thêm 1

- Nếu cảm biến phát hiện phôi thấp có tín hiệu thì băng tải tiếp tục chạy đưa sảnphẩm xuống thùng phôi thấp và dừng lại, bộ đếm số phôi thấp tang thêm 1

- Tiếp tục lại chu trình trên

2.3 Thành lập sơ đồ điều khiển

 Sơ đồ nguyên lý hoạt động khí nén

 Bảng chi tiết thiết bị khí nén

Điềuchỉnh ápsuất và lọckhí

1

3 Van đảo

chiều 5/2

Quyếtđịnh chiều

đi của khínén

3

4 Van tiết

lưu môtchiều

Điềuchỉnh lưulượng khí

6

5 Xilanh khí

dụng khínén

3

6 Cảm biến

tiệm cậnđiện tử

Phát hiện

vị trí củapittongtrongxylanh

6

 Hệ thống giao diện và kết nối, xử lý tín hiệu:

Phần mềm Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) được phát triển lầnđầu vào năm 1996 bởi các kỹ sư của hãng Siemens Đây là một đột phá lớn khi tíchhợp tất cả công cụ vào trong 1 bộ phần mềm duy nhất Từ thiết kế, thử nghiệm,vận hành và duy trì nâng cấp hệ thống tự động hóa, phần mềm TIA sẽ giúp tiếtkiệm thời gian, chi phí và công sức cho các kỹ sư

Hình 2-3 Giao diện làm việc TIA Portal

Phiên bản TIA Portal V16 là phiên bản mới được Siemens tung ra thị trườngvào cuối năm 2019 Các ngôn ngữ lập trình LAD, FBD, SCL, STL, GRAPH được hỗ trợđầy đủ giúp kỹ sư lập trình có thể linh hoạt lựa chọn ngôn ngữ lập trình cho bộ điềukhiển của hệ thống

Hình 2-4 Giao diện làm việc TIA portal

+ Lập trình basic các dòng S7-1200/1500…

+ Thiết lập giao diện HMI, Giao diện giám sát WinCC: gồm phần mềm thiết kế vàchạy runtime.

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

 Bộ chuyển đổi nguồn

- Thông số kỹ thuật nguồn 24V, 5A

- Chuyển điện từ 110V/220V sang 24 VDC

- Dạng nguồn: Tổ ong

- Vỏ: Kim loại

- Công suất: 5A, 120W

Hình 2-5 Bộ chuyển đổi nguồn

- Nút ấn nhả thông dụng dùng cho tủ điện công nghiệp và dân dụng

- Tiếp điểm: 1NO + 1NC

Hình 2- 6 Nút ấn

Hình 2-7 Nút dừng khẩn cấp

 Công tắc chuyển đổi mạch AUTO/MAN