Đồ án điều khiển Logic & PLC : Thiết kế hệ thống điều khiển logic sử dụng PLC cho dây chuyền tự động cắt thép xả cuộn

I. Nội dung thuyết minh 1. Phân tích yêu cầu và chọn phương án thực hiện 2. Phân tích xác định biến vào/ra, mô tả hệ thống, thiết kế hàm logic 3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý, chọn thiết bị 4. Lập trình điều khiển 5. Thuyết minh nguyên lý, chạy thử và đánh giá. II. Nội dung bản vẽ 6. Mô tả hệ thống, thuật toán điều khiển 7. Sơ đồ nguyên lý 8. Chương trình điều khiển Yêu cầu: Mô tả hệ thống và thiết kế hàm bằng đồ hình trạng thái, chọn mỗi biến mã hóa một trạng thái.

PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ VÀ PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN

Đặt vấn đề

Trong ngành công nghiệp sản xuất và chế biến thép, xả cuộn và cắt thép là khâu quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất, hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm Cuộn thép lớn được lưu trữ và vận chuyển dưới dạng cuộn tròn, và việc cắt thành các đoạn thép theo kích thước yêu cầu là một phần không thể thiếu trong quy trình sản xuất Dây chuyền tự động cắt thép xả cuộn không chỉ tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu lãng phí và tăng cường an toàn lao động.

Việc thiết lập một hệ thống điều khiển logic dựa trên PLC cho quy trình này cho phép giám sát và điều khiển thiết bị máy móc một cách tự động và chính xác Hệ thống sẽ đảm bảo các tham số kỹ thuật như độ dài cắt, tốc độ di chuyển và áp lực cắt được điều chỉnh linh hoạt và kịp thời, từ đó nâng cao năng suất và giảm thiểu rủi ro trong quá trình sản xuất.

Sự phát triển của công nghệ tự động hóa đã mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp thép, và việc áp dụng hệ thống điều khiển PLC cho dây chuyền cắt thép xả cuộn là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và sự cạnh tranh của doanh nghiệp

Với những lý do trên, đề tài “ Thiết kế hệ thống điều khiển logic sử dụng

PLC cho dây chuyền tự động cắt thép xả cuộn ” được lựa chọn nhằm nghiên cứu và phát triển một giải pháp tự động hóa hiệu quả, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất trong ngành công nghiệp sản xuất thép.

Phân tích yêu cầu công nghệ

1.2.1 Giả thiết đặt bài toán công nghệ Để thiết lập hệ thống điều khiển cho dây chuyền tự động cắt thép xả cuộn, cần xác định các giả thiết cơ bản như sau:

Mục tiêu chính của dự án là thiết kế một hệ thống tự động hóa để cắt thép xả cuộn với độ chính xác cao, nhằm đảm bảo sản phẩm đạt chuẩn chất lượng và giảm thiểu lãng phí vật tư Hệ thống này sẽ tích hợp cảm biến đo lường chính xác, điều khiển tự động và hệ thống kiểm tra chất lượng ngay trong quá trình cắt để tối ưu hóa quy trình sản xuất, tăng hiệu suất và đồng nhất sản phẩm Kết quả là giảm thiểu sai lệch, tiết kiệm chi phí vận hành và đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất và cạnh tranh trên thị trường.

• Phạm vi hoạt động: Hệ thống sẽ bao gồm các thiết bị như:

- Máy cắt thép xả cuộn

- Thiết bị điều khiển PLC

- Hệ thống truyền động và điều khiển cho các thiết bị máy móc

- Độ chính xác cắt: Đảm bảo độ dài cắt chính xác theo yêu cầu kỹ thuật, với sai số cho phép tối thiểu

- Tốc độ sản xuất: Tối ưu hóa tốc độ cắt để đạt năng suất cao mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm

- An toàn: Đảm bảo an toàn cho người lao động và thiết bị trong quá trình vận hành

Tính linh hoạt là yếu tố then chốt của hệ thống, cho phép thay đổi độ dài cắt và chế độ hoạt động để đáp ứng các yêu cầu sản xuất khác nhau Hệ thống có thể điều chỉnh độ dài cắt theo từng sản phẩm và chuyển đổi dễ dàng giữa các chế độ vận hành, giúp tối ưu quy trình sản xuất và nâng cao hiệu suất Khả năng thích nghi này giảm thời gian dừng máy và đảm bảo chất lượng sản phẩm ở nhiều tình huống, từ dòng sản phẩm ngắn đến các lô hàng quy mô lớn.

• Giả thiết về môi trường hoạt động:

- Hệ thống sẽ hoạt động trong môi trường công nghiệp, nơi có bụi và tiếng ồn cao

- Các thiết bị cần được thiết kế để chịu được điều kiện khắc nghiệt và dễ dàng bảo trì

- Đánh giá khả năng tích hợp công nghệ hiện đại (như cảm biến, PLC) vào dây chuyền sản xuất hiện có

- Xem xét các yếu tố kinh tế và chi phí đầu tư cho hệ thống tự động hóa

1.2.2 Phân tích yêu cầu công nghệ

Hình 1 : Mô tả hệ thống

Mô tả công nghệ: Cuộn thép được cố định trên trục động cơ Nhấn Ready 'i' để khởi tạo hệ thống, rồi nhấn Start 'm' để động cơ D0, D1, D2, D3 bắt đầu chạy Đầu cuộn thép đi qua cơ cấu ép phẳng và tới cảm biến C1; xy lanh 1 tác động hạ xuống, ép đầu cuộn thép phẳng và tiếp tục đi qua cơ cấu kẹp và cơ cấu cắt tới cảm biến C2 báo hiệu đã đạt chiều dài cần cắt Lúc này xy lanh 2 đẩy ra để kẹp chặt tấm thép, sau đó xy lanh 3 đẩy ra để cắt và thu về; xy lanh 2 sau đó cũng thu về để tấm thép đã được cắt di chuyển qua bộ phận ép phẳng rồi vào động cơ D3 đưa tấm thép vào khay đựng sản phẩm Trong quá trình chạy, ấn nút Stop 'd' để tạm dừng hệ thống, và ấn Start 'm' để hệ thống chạy tiếp.

Lựa chọn phương án thực hiện

Hệ thống hoạt động bằng cách kết hợp các Piston xylanh, thiết bị cảm biến, nút ấn với nhau theo yêu cầu công nghệ Ta có 2 phương án:

Phương án 1: Sử dụng hệ thống Piston xy lanh thuỷ lực

Piston xy lanh thủy lực là thiết bị chuyển đổi nguồn năng lượng từ dầu hoặc chất lỏng thủy lực thành động năng để tạo ra lực tại đầu cần, nhằm tác động lên các chi tiết máy và thực hiện các nhiệm vụ như kéo, đẩy, ép, nén hay nghiền Nhờ áp suất thủy lực được sinh ra bởi hệ thống bơm và van điều khiển, xy lanh có thể tạo lực mạnh mẽ và kiểm soát được độ chính xác cần thiết cho quá trình gia công và tự động hóa Nguyên lý hoạt động dựa trên sự truyền tải lực qua hệ piston-xy lanh, giúp lực lên cần ở mức ổn định và đồng bộ, phù hợp với ứng dụng trong công nghiệp, xây dựng, máy móc và thiết bị tự động.

Phương án 2: Sử dụng hệ thống Piston Xy lanh khí nén

Hệ thống khí nén sử dụng khí nén để vận hành và di chuyển các bộ phận hoặc cơ cấu chấp hành trên máy móc Những hệ thống này, điển hình là van khí nén, bao gồm từ các piston dẫn động bằng khí ở mức đơn giản đến các ứng dụng truyền động phức tạp phục vụ cho hoạt động của thiết bị.

❖ So sánh hai phương án

➢ Kích thước: Hệ thống khí nén có kích thước lớn hơn hệ thống thuỷ lực có cùng công suất

➢ Môi chất năng lượng: Hệ thống thuỷ lực mối chất là chất lỏng, còn khí nén môi chất là không khí

Bộ phận tạo nguồn năng lượng của hai hệ thống được phân thành hệ thống thủy lực và hệ thống khí nén Trong hệ thủy lực, nguồn năng lượng được sinh ra bởi bơm thủy lực, truyền động qua xy lanh thủy lực và motor thủy lực để tạo ra lực và chuyển động Trong hệ thống khí nén, năng lượng được sinh ra bởi máy nén khí và truyền qua xy lanh khí để tạo ra lực và chuyển động nhanh, đáp ứng yêu cầu vận hành linh hoạt Việc lựa chọn đúng các thành phần này giúp tối ưu hiệu suất và hiệu quả hoạt động của thiết bị công nghiệp.

Áp suất làm việc là yếu tố căn bản phân biệt giữa hệ thống thủy lực và hệ thống khí nén Hệ thống thủy lực vận hành ở áp suất rất cao, có thể lên tới 40 MPa, cho khả năng truyền lực mạnh và điều khiển chính xác Ngược lại, hệ thống khí nén hoạt động ở mức áp suất thấp hơn nhiều, thường từ 4 đến 6 bar Do sự khác biệt về áp suất, thủy lực thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi lực lớn và sự ổn định cao, trong khi khí nén phù hợp với các ứng dụng nhẹ hơn, đơn giản và tiết kiệm chi phí.

Tính an toàn và tin cậy của hệ thống khí ném được đảm bảo nhờ vận hành ở áp suất thấp và sử dụng môi chất là khí Điều này giúp hệ thống có độ an toàn cao hơn trong các môi trường dễ cháy nổ và có thể làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt như phóng xạ hoặc hóa chất Đồng thời, độ tin cậy làm việc của hệ thống cũng ở mức cao, giảm thiểu rủi ro và tăng hiệu suất vận hành.

Độ chính xác của vị trí hành trình được cải thiện đáng kể ở hệ thống thủy lực so với khí nén, vì dầu có độ đàn hồi rất thấp nên biến dạng dưới áp lực ít, trong khi khí nén có độ đàn hồi khiến vị trí dễ bị biến thiên và sai số lớn hơn Do đó, hệ thống thủy lực cho độ chính xác cao hơn trong kiểm soát vị trí và hành trình, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu sự ổn định và chính xác cao.

Khả năng điều khiển và điều chỉnh của hệ thống thuỷ lực và khí nén cho thấy sự dễ dàng vận hành, trong đó hệ thống thuỷ lực cho phép điều chỉnh linh hoạt hơn nhờ các van và bơm điều chỉnh lưu lượng, và cơ cấu servo kết hợp tốt với điện tử-điện từ để tối ưu hóa quá trình điều khiển.

Ứng dụng: Hệ thống thủy lực được ứng dụng rộng rãi để điều khiển chuyển động thẳng trong các thiết bị sản xuất, mang lại lực tác động ổn định và độ chính xác cao Trong khi đó, hệ thống khí nén được sử dụng phổ biến trong các hệ thống lọc bụi túi và các dây chuyền lắp ráp tự động, nhờ tính linh hoạt và chi phí vận hành thấp.

➢ Giá thành: Hệ thống thuỷ lực có giá thành cao hơn hệ thống khí nén

Từ yêu cầu công nghệ ta chọn phương án sử dụng hệ thống Piston Xy lanh khí nén.

Lựa chọn thiết bị

Băng tải con lăn là một giải pháp phổ biến trong các hệ thống tự động hóa, đặc biệt trong các dây chuyền sản xuất liên tục như cắt thép xả cuộn Tuy nhiên, để đánh giá toàn diện hiệu quả của loại băng tải này, cần xem xét cả ưu điểm và nhược điểm của nó Ưu điểm của băng tải con lăn gồm cấu tạo đơn giản, chi phí vận hành thấp, khả năng vận chuyển liên tục và phù hợp với tải trọng trung bình, dễ tích hợp với cảm biến và hệ thống điều khiển để tối ưu hóa quy trình Nhược điểm có thể là giới hạn về tải trọng và kích thước sản phẩm, phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận hành và cần bảo trì định kỳ để tránh kẹt, mòn con lăn và lệch giữa băng và bánh răng dẫn tới giảm hiệu suất.

Vận hành ổn định và trơn tru được đảm bảo nhờ các con lăn, giúp giảm ma sát và cho phép vật liệu di chuyển một cách mượt mà Điều này đặc biệt quan trọng đối với các vật liệu có bề mặt nhẵn như thép, nơi sự giảm ma sát tối ưu không chỉ tăng hiệu suất sản xuất mà còn kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

• Tốc độ điều chỉnh linh hoạt: Tốc độ của băng tải có thể dễ dàng điều chỉnh để phù hợp với yêu cầu sản xuất

• Dễ dàng lắp đặt và bảo trì: Cấu trúc đơn giản, các bộ phận thay thế dễ tìm kiếm và thay thế

• Chi phí đầu tư tương đối thấp: So với các loại băng tải khác, băng tải con lăn thường có chi phí đầu tư thấp hơn

• Ứng dụng đa dạng: Có thể sử dụng trong nhiều môi trường làm việc khác nhau và vận chuyển nhiều loại vật liệu

Khả năng chịu tải hạn chế của băng tải con lăn so với các loại băng tải khác như băng tải xích Trong các ứng dụng vận chuyển vật liệu có trọng lượng lớn hoặc kích thước quá khổ, băng tải con lăn thường cho thấy mức chịu tải thấp hơn, đòi hỏi cân nhắc kỹ về thiết kế hệ thống và phân bổ tải để đảm bảo hiệu suất và độ bền của cả dây chuyền.

Băng tải dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố ngoại cảnh như bụi bẩn và mảnh vụn, khiến hệ thống hoạt động không ổn định và dễ hao mòn theo thời gian Các tác nhân này có thể làm giảm hiệu suất vận hành, gia tăng tiêu thụ năng lượng và gây hỏng hóc ở các bộ phận chủ chốt như con lăn, băng và guide rails Vì vậy, việc bảo vệ băng tải khỏi bụi bẩn và mảnh vụn, vệ sinh định kỳ và thiết kế hệ thống lọc, chắn bụi phù hợp đóng vai trò quan trọng trong tối ưu hóa hiệu suất, giảm thời gian dừng máy, kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí bảo trì.

• Không thích hợp với vật liệu dễ biến dạng: Đối với các vật liệu mềm, dễ biến dạng, băng tải con lăn có thể gây ra hư hỏng

Tiếng ồn là một yếu tố quan trọng khi vận hành băng tải con lăn, vì hệ thống này thường phát ra âm thanh ở mức nhất định trong quá trình làm việc Để lựa chọn băng tải con lăn phù hợp, cần xem xét các yếu tố sau: mức độ tiếng ồn và rung động dự kiến, tải trọng và tốc độ vận hành, thiết kế khung và kiểu con lăn, chất liệu và điều kiện bề mặt tiếp xúc, hiệu quả năng lượng và yêu cầu bảo trì, cũng như điều kiện môi trường làm việc (nhiệt độ, bụi, độ ẩm) và chi phí đầu tư Việc đánh giá toàn diện các yếu tố này giúp đảm bảo vận hành êm ái, an toàn và tối ưu chi phí, đồng thời kéo dài tuổi thọ hệ thống và tăng hiệu suất làm việc của băng tải con lăn.

• Kích thước và trọng lượng của tấm thép: Để xác định khả năng chịu tải của băng tải

• Tốc độ cắt: Để lựa chọn động cơ và điều chỉnh tốc độ băng tải phù hợp

• Môi trường làm việc: Nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn để lựa chọn vật liệu cho băng tải và con lăn

Trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, nên chọn băng tải có hệ thống điều khiển tốc độ và định vị chính xác Việc này giúp kiểm soát nhịp vận chuyển, giảm sai lệch vị trí sản phẩm và tối ưu hóa quy trình sản xuất cũng như quản lý tồn kho Đầu tư vào băng tải có điều khiển chính xác sẽ nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng hiệu quả vận hành và đảm bảo tính đồng bộ của toàn bộ chu trình logistics.

1.4.2 Lựa chọn động cơ truyền động cho băng tải

Các phương án chọn loại động cơ truyền động cho băng tải:

- Động cơ điện xoay chiều:

+ Động cơ KĐB roto lồng sóc

+ Động cơ KĐB roto dây quấn

Động cơ một chiều kích từ độc lập là một trong những loại động cơ điện cơ bản và có lịch sử ra đời từ rất sớm Động cơ một chiều này có cơ sở lý thuyết đáng tin cậy đã được hoàn thiện từ lâu, giúp tối ưu hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống truyền động Hiện nay, động cơ một chiều chiếm tới khoảng 70% trong các hệ truyền động từ công suất nhỏ đến công suất lớn, cho thấy vai trò quan trọng của loại động cơ này trong công nghiệp và dân dụng.

Phân loại động cơ điện một chiều:

+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

+Động cơ điện một chiều kích từ song song

+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- Dải điều chỉnh tốc độ rộng và điều chỉnh chính xác

- Khả năng quá tải lớn

- Cấu trúc mạch lực đơn giản, chất lượng đầu ra cao

- Dùng nguồn điện một chiều nên cần có bộ biến đổi đi kèm

Có thể không an toàn và kém tin cậy trong các môi trường rung chấn do hệ thống cổ góp chổi than, dễ gây cháy nổ; động cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ở các mức công suất từ nhỏ đến trung bình và chiếm tỷ lệ lớn so với các loại động cơ khác Đây là động cơ biến điện xoay chiều trực tiếp thành động cơ quay, với rotor quay ở tốc độ khác với từ trường quay của stator; sở dĩ như vậy là do cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và vận hành an toàn, đồng thời được cấp nguồn trực tiếp từ lưới điện xoay chiều 3 pha và có chi phí thấp hơn so với động cơ một chiều Động cơ không đồng bộ có hai loại chính là động cơ cảm ứng lồng sóc và động cơ cảm ứng có roto dây quấn.

+ Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc

+ Động cơ không đồng bộ roto dây quấn

- Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc:

Là động cơ mà phía roto gồm các thanh Al hoặc Cu được nối ngắn mạch hai đầu bởi các vòng ngắn mạch

- Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ

- Vận hành đơn giản, tin cậy, bảo quản thuận tiện

- Dùng rộng rãi trong phạm vi công suất vừa và nhỏ

- Hệ số công suất thấp

- Không sử dụng được lúc không tải hoặc non tải

- Khó điều chỉnh tốc độ

- Đặc tính mở máy không tốt, dòng mở máy lớn, momen mở máy nhỏ

- Động cơ không đồng bộ roto dây quấn:

- Kết cấu đơn giản giá thành nhỏ

- Vận hành dễ dàng tin cậy, bảo quản thuận tiện

- Có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ

- Cho phép nâng cao độ chính xác khi dừng

- Hệ số công suất cosφ thấp

Với yêu cầu công nghệ truyền động để thực hiện quá trình kéo và truyền động cho băng tải, ta chọn động cơ điện không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc để đảm bảo khởi động mạnh, kiểm soát moment và vận hành ổn định, đồng thời đáp ứng tốt tải trọng kéo và điều kiện làm việc của hệ thống băng tải.

+ Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ

+ Vận hành đơn giản, tin cậy, bảo quản thuận tiện

+ Dùng rộng rãi trong phạm vi công suất vừa và nhỏ

1.4.3 Lựa chọn xy lanh khí nén

Xylanh là dạng cơ cấu vận hành có chức năng biến đổi năng lượng tích lũy trong khí nén thành động năng cung cấp cho các chuyển động

Xi lanh khí nén là thiết bị cơ khí tạo ra lực và chuyển động, được cấp năng lượng bởi khí nén từ máy nén khí thông thường Chức năng của xi lanh khí nén là chuyển đổi năng lượng tiềm năng của khí nén thành động năng bằng cách khí nén giãn nở và tự động xảy ra do áp suất khí nén lớn hơn áp suất khí quyển Quá trình giãn nở này khiến piston di chuyển theo hướng mong muốn; khi xi lanh được kích hoạt, khí nén được cấp vào khoang ở một đầu piston, truyền tải lực lên piston và làm nó di chuyển Xi lanh khí nén do đó tạo ra lực và chuyển động cho các cơ cấu liên kết, phù hợp cho tự động hóa và các ứng dụng sản xuất.

Xylanh khí nén có nhiều loại thiết kế khác nhau để phù hợp với yêu cầu chế tạo máy và các yêu cầu về kỹ thuật trong các hệ thống công nghiệp Các loại phổ biến gồm xylanh vuông, xylanh tròn, xylanh kẹp, xylanh compact, xylanh xoay và xylanh trượt, đồng thời có xylanh tác động đơn (xylanh 1 chiều) và xylanh tác động kép (xylanh 2 chiều); mỗi loại mang đặc điểm cấu hình riêng phù hợp với các ứng dụng chuyển động, lực tác động và không gian lắp đặt khác nhau.

Xilanh hoạt động đơn (SAC) sử dụng lực từ khí nén để đẩy piston theo một hướng (thường là ra ngoài) và một lò xo để trả piston về vị trí ban đầu Với loại xilanh này, khí nén được dùng để sinh công từ một phía của piston, sau đó piston lùi về nhờ lò xo đẩy hoặc tác động từ bên ngoài Thông thường xilanh khí nén tác động đơn có một lỗ cấp nguồn khí nén và một lỗ thoát khí nén Để điều chỉnh dòng khí nén cho xilanh đơn, người ta thường dùng van điện từ khí nén 3/2.

Xylanh hoạt động kép (DAC) là loại xylanh dùng khí nén cho hai hành trình: đi ra và lùi về Xylanh khí nén hai chiều sinh lực đẩy piston từ hai phía nhờ hai cửa cấp khí nén Lưu lượng khí nén cấp cho van điều khiển được sử dụng với các kiểu van điện từ 4/2, 5/2 hoặc 5/3, và xylanh này có thể kết nối với 1 đầu coil hoặc 2 đầu coil.

Từ yêu cầu công nghệ ta chọn xylanh là xylanh tác động kép

1.4.4 Lựa chọn van điều hướng

Van khí nén (pneumatic valve) được dùng để tạo dòng chảy tự động thông qua quá trình mở và đóng van, hoạt động dựa trên khí nén được nén hoặc giải phóng Việc van mở hay đóng phụ thuộc vào thiết kế cơ khí của từng loại van trong ứng dụng cụ thể Ngoài ra, van khí nén có thể được điều khiển bằng tay bằng các công tắc hoặc nút bấm gắn trên thiết bị, cho phép người vận hành kiểm soát thời gian van được mở hoặc đóng.

Van điều khiển hướng bằng khí nén có sẵn ở nhiều kích cỡ, kiểu dáng và cấu hình khác nhau Ở phần cuối của danh mục này là van kiểm tra đơn giản, cho phép dòng chảy đi theo một hướng và ngăn chặn dòng chảy ngược lại, mang lại an toàn và hiệu quả cho hệ thống Những thiết bị này có thể được lắp đặt bất cứ ở vị trí nào ngay sau bộ thu nhận bên trong một van điều khiển luồng, giúp tối ưu luồng khí và cải thiện hiệu suất vận hành.

Phân loại van khí nén:

Lựa chọn thiết bị điều khiển

Căn cứ vào tổng số đầu vào và ra Lựa chọn PLC SIEMENS S7-1200 1215C

Lựa chọn thiết bị bảo vệ

Khi thiết bị điện quá tải trong một thời gian nhất định, nhiệt sinh ra có thể làm hỏng thiết bị đo lường và các vật liệu không chịu được nhiệt Để bảo vệ hệ thống điện, người ta thường sử dụng rơ-le nhiệt và rơ-le quá tải (rơ-le dòng cực đại) nhằm nhận diện sự quá tải và ngăn chặn thiệt hại Đối với động cơ, hệ thống bảo vệ quá tải được xác định bằng rơ-le nhiệt, gửi tín hiệu về trung tâm điều khiển để ra quyết định kích hoạt bảo vệ động cơ kịp thời.

Để bảo vệ quá tải cho động cơ, hệ thống sử dụng rơle nhiệt nhằm xác định khi hệ thống bị quá tải và gửi tín hiệu về điều khiển trung tâm để ra quyết định bảo vệ động cơ.

Để bảo vệ ngắn mạch và ngăn chặn sự cố lan rộng trong hệ thống điện, khi có sự cố ở một bộ phận gây tăng dòng điện qua các phần còn lại nối tiếp từ bộ phận đó, hệ thống sẽ được ngắt bằng các thiết bị bảo vệ như cầu chì, rơ-le dòng điện phối hợp với aptomat (cầu dao tự động) có cơ cấu cắt điện từ và các tiếp điểm chính của aptomat để ngắt nguồn điện nhanh chóng Cuộn dây rơ-le dòng điện được mắc với nguồn, khi dòng điện vượt ngưỡng, rơ-le kích hoạt và công tắc tơ đóng nguồn cho bộ phận bảo vệ, từ đó ngắt toàn bộ tải và bảo vệ cả nguồn điện và các thiết bị khí cụ điện.

→ Kết luận: Do vậy ta chọn Aptomat bảo vệ cho động cơ.

Lựa chọn nguồn 1 chiều 24V

Để giữ ổn định và tăng độ bền cho PLC ta sử dụng nguồn nuôi các công tắc Ta chọn bộ nguồn tổ ong tạo điện áp 1 chiều 24V.

THIẾT KẾ HÀM LOGIC

Phân tích xác định biến vào/ra

SƠ ĐỒ MÔ TẢ HỆ THỐNG :

Từ sơ đồ, ta phân tích xác định các biến vào/ra như sau :

+ i: Nút ấn khởi tạo (Cấp nguồn cho hệ thống) (Thường mở) i = 1, nút khởi tạo được ấn i = 0, nút khởi tạo không được ấn

+ m: Nút ấn start (Thường mở) m = 1, nút start được ấn m = 0, nút start không được ấn

+ d: Nút ấn Stop (Thường mở) d = 1, nút Stop được ấn d = 0, nút Stop không được ấn

+ Cảm biến X11 là cảm biến đầu hành trình của piston Xy lanh 1

X11 = 1, cảm biến được tác động

X11 = 0, cảm biến không được tác động

+ Cảm biến X12 là cảm biến cuối hành trình của piston Xy lanh X1

+ Cảm biến X21 là cảm biến đầu hành trình của piston Xy lanh X2

+ Cảm biến X31 là cảm biến đầu hành trình của piston Xy lanh X3

C1 = 1, cảm biến được tác động

C1 = 0, cảm biến không được tác động

C2 = 1, cảm biến được tác động

C2 = 0, cảm biến không được tác động

- Từ yêu cầu công nghệ ta rút ra được biến vào và địa chỉ của các biến đầu vào của PLC như bảng sau:

- STT Tên Địa chỉ trên PLC

Bảng 2.1: Bảng tên và địa chỉ của các biến đầu vào của PLC

+ Y12: Van khí nén điều khiển piston Xy lanh X1 đi ra

Y12 = 1, Piston Xy lanh X1 đi ra

Y12 = 0, Piston Xy lanh X1 không đi ra

+ Y11: Van khí nén điều khiển piston Xy lanh X1 đi về

Y11 = 1, Piston Xy lanh X1 đi về

Y11 = 0, Piston Xy lanh X1 không đi về

- Từ yêu cầu công nghệ ta rút ra được biến vào và địa chỉ của các biến đầu vào của PLC như bảng sau:

STT Tên Kí hiệu Địa chỉ trên PLC

5 Điều khiển piston Xylanh 1 đi ra Y12 Q0.4

6 Điều khiển piston Xylanh 1 đi vào Y11 Q0.5

Mô tả hệ thống và thiết kế làm logic

2.2.1 Các phương pháp mô tả hệ thống

2.2.1.1 Mô t ả b ằ ng b ả ng chuy ể n tr ạ ng thái:

Phương pháp này mô tả quá trình chuyển đổi trạng thái dưới hình thức bảng

+ Các cột của bảng ghi các biến vào và biến ra

+Các hàng của bảng ghi các trạng thái trong của mạch (M0, M1, M2, M3,

…) Số hàng của bảng chỉ rõ số trạng thái trong cần có của hệ

Các ô giao nhau giữa cột biến vào và các hàng trạng thái ghi nhận trạng thái của mạch Nếu trạng thái mạch trùng với tên của hàng trạng thái, mạch được xem là ở trạng thái ổn định; ngược lại, khi trạng thái mạch không trùng với tên hàng thì mạch nằm ở trạng thái không ổn định.

+ Các ô giao nhau của cột tín hiệu ra và các hàng trạng thái sẽ ghi giá trị tín hiệu ra tương ứng

2.2.1.2 Mô t ả b ằng đồ hình tr ạ ng thái Đồ hình trạng thái là hình vẽ mô tả các trạng thái chuyển của một mạch logic trình tự, đồ hình gồm các đỉnh và các cung định hướng biểu thị sự chuyển trạng thái dưới tác động của biến vào Trong nội dung môn học điều khiển logic và PLC có 2 loại đồ hình được học đó là đồ hình Moore và đồ hình Mealy

Đồ hình Moore gồm các đỉnh biểu diễn các trạng thái bên trong và đầu ra của hệ, còn các cung có hướng ghi nhận biến vào (biến tác động) gây ra các sự chuyển trạng thái Mỗi trạng thái trong đồ hình Moore đi kèm với một đầu ra cố định, không phụ thuộc vào thời điểm nhận đầu vào tại thời điểm đó Hình 2.1 minh họa cách các trạng thái được liên kết với đầu ra và các đường chuyển giữa chúng dựa trên biến tác động.

Đồ thị Mealy là một đồ thị gồm các đỉnh biểu diễn trạng thái của hệ và các cung có hướng ghi nhận biến vào và biến ra khi chịu tác động của biến đầu vào Đầu ra của hệ thống phụ thuộc trực tiếp vào biến đầu vào tại thời điểm chuyển trạng thái, nên đồ thị này mô tả chính xác các hệ có đáp ứng đầu ra ngay sau khi nhận được đầu vào Hình 2.2 minh họa cách các trạng thái và các cạnh có hướng phản ánh sự biến đổi của hệ thống dựa trên biến đầu vào và biến đầu ra tương ứng.

Grafcet là một đồ hình chức năng được dùng để mô tả các trạng thái làm việc của hệ thống và biểu diễn quá trình điều khiển thông qua các trạng thái chuyển biến từ trạng thái này sang trạng thái khác Đây là công cụ chuẩn trong thiết kế tự động hóa, cho phép xác định luồng điều khiển, các sự kiện kích hoạt và các bước điều khiển, từ đó giúp phân tích và tối ưu hóa quá trình vận hành của hệ thống.

Grafcet cho 1 quá trình liên tục là 1 đồ hình khép kín từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối và từ trạng thái cuối đến trạng thái đầu

Một trạng thái được biểu diễn bằng một hình vuông có đánh số, bên cạnh đó là một hình chữ nhật ghi lại hành vi của trạng thái đó Tại một thời điểm, trạng thái đang hoạt động được ghi nhận bằng giá trị 1, trong khi các trạng thái khác được hiểu là không hoạt động (giá trị 0) Các biến vào được dùng để xác định trạng thái và hành vi tương ứng của hệ thống.

(tác động) được ký hiệu là các nét gạch, trạng thái khởi đầu được ký hiệu là 2 hình vuông lồng vào nhau Hình 2.4

Các ký hiệu phân nhánh:

Các ký hiệu thực hiện bước nhảy:

2.2.1.4 Mô t ả b ằng lưu đồ thu ậ t toán tr ạ ng thái (ASM)

Biểu đồ ASM là một cấu trúc đồ họa để mô tả hệ điều khiển logic trình tự dưới dạng một thuật toán gồm nhiều bước

Các khối chính của lưu đồ:

- Khối bắt đầu: khối bắt đầu đặt giá trị ban đầu

- Khối trạng thái (khối thực hiện): biểu diễn trạng thái tương ứng với đỉnh

- Khối điều kiện: điều kiện luôn có các nhánh đúng (1) và sai (0), biểu thức thực hiện được đặt trong khối

- Khối kết thúc: khối kết thúc 1 quá trình

Hình 2.6: Ký hiệu các khối lưu đồ

2.2.1.5 Mô t ả b ằng lưu đồ hành trình bướ c

Lưu đồ hành trình bước mô tả chuyển động của các xy lanh khí nén:

Trong lưu đồ hành trình, mỗi phần tử di chuyển được giới hạn và thể hiện giữa hai đường thẳng nằm ngang, từ đó làm nổi bật mối liên hệ giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch giữa chúng Lưu đồ này giúp hình dung quy trình một cách trực quan và tối ưu hóa quá trình thực thi bằng cách làm rõ điều kiện, trạng thái và thứ tự các bước cần thực hiện.

Trục tọa độ thẳng đứng biểu diễn trạng thái của hệ thống, bao gồm hành trình chuyển động tịnh tiến và góc quay, trong khi trục tọa độ nằm ngang biểu diễn hành trình làm việc được chia thành các bước Sự thay đổi trạng thái giữa các bước được thể hiện bằng nét liền đậm, và liên kết giữa các tín hiệu cùng chiều tác động được mô tả bằng các mũi tên, cho phép hình dung luồng tác động và mối quan hệ giữa các yếu tố trong quá trình làm việc một cách trực quan, từ đó hỗ trợ tối ưu hóa hệ thống.

Trong mỗi cơ cấu chấp hành dấu cộng + thể hiện piston đi ra, quay thuận, hoặc kẹp dấu trừ - thể hiện piston đi vào, quay ngược, hoặc nhả

Mô tả hệ thống và thiết kế làm logic

2.3.1 Các trạng thái hoạt động của hệ

Từ yêu cầu công nghệ em rút ra được các trạng thái hoạt động của hệ như bảng sau đây:

STT Tên trạng thái Mô tả hoạt động

1 Trạng thái 0 Khởi tạo hệ thống sẵn sàng làm việc

2 Trạng thái 1 Động cơ D0, D1, D2, D3 bắt đầu chạy

3 Trạng thái 2 Piston xylanh 1 thu về, Động cơ D0, D1, D2, D3 chạy

4 Trạng thái 3 Piston xylanh 2 đẩy ra, Động cơ D0, D1, D2, D3 chạy

5 Trạng thái 4 Piston xylanh 1 thu về, piston xylanh 2 và 3 đẩy ra, Động cơ D0, D1, D2, D3 chạy

6 Trạng thái 5 Piston xylanh 1 và 3 thu về, piston xylanh 2 đẩy ra, Động cơ D0, D1, D2, D3 chạy

7 Trạng thái 6 Piston xylanh 1 và 2 thu về, Động cơ D0, D1, D2,

8 Trạng thái 7 Piston xylanh 1 thu về, Động cơ D0, D1, D2, D3 chạy

9 Trạng thái 8 Động cơ D0, D1, D2, D3 dừng, Piston xylanh 1 đẩy ra

10 Trạng thái 9 Hệ thống dừng hoạt động tạm thời tại trạng thái S1

2.3.2 Các điều kiện chuyển trạng thái

STT TT trước TT sau Điều kiện chuyển trạng thái

1 TT 0 TT 1 Ấn nút start(m), cảm biến X11 tác động

2 TT 1 TT 2 Cảm biến C1 tác động

3 TT 2 TT 3 Cảm biến C2,X21 tác động

4 TT 3 TT 4 Cảm biến X22, X32 tác động

5 TT 4 TT 5 Cảm biến X31 tác động

8 TT 7 TT 8 Timer T0 tác động, cảm biến C1,C2 chưa tác động

9 TT 9 TT 1 Khi ấn start (m)

10 TT 1 TT 9 Khi ấn stop (d)

24 TT8 TT16 Khi ấn stop (d)

25 TT7 TT2 Cảm biến C1, C2 tác động

Theo yêu cầu đề tài, ta lựa chọn phương pháp mô tả hệ thống bằng đồ hình Moore để thể hiện rõ các trạng thái hoạt động và chu trình chuyển tiếp của hệ thống Từ trạng thái hoạt động hiện tại, đồ hình Moore cho phép mô tả đầu ra phụ thuộc trực tiếp vào trạng thái và mô hình hóa luồng xử lý một cách trực quan, giúp phân tích sự biến đổi trạng thái theo tín hiệu đầu vào Đồ hình dưới đây minh họa các trạng thái, các đường chuyển tiếp và các giá trị đầu ra tương ứng, hỗ trợ kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế hệ thống và tạo điều kiện viết tài liệu mô hình hóa rõ ràng cho người đọc.

Hình 2.8 Mô tả bằng đồ hình Moore cho hệ thống

2.3.4 Lưu đồ hành trình bước

Hình 2.9 Lưu đồ hành trình bước

Từ đồ hình Moore và sử dụng phương pháp chọn mỗi biến mã hóa 1 trạng thái(ONE HOT), ta rút ra được hàm logic như sau:

STT Các trạng thái Hàm logic

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ, TÍNH CHỌN THIẾT BỊ

Chọn thiết bị

3.1.1.Sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống

+ CPU PLC là thiết bị xử lí các tín hiệu đầu vào và đưa ra các tín hiệu đến đối trượng điều khiển bằng các câu lệnh được lập trình sẵn

Trong hệ thống điều khiển tự động, đối tượng điều khiển là các thiết bị chấp hành như động cơ và xi lanh, trong khi cảm biến (sensor) gửi phản hồi từ các cơ cấu chấp hành về PLC để xử lý và điều khiển quá trình.

Hiện nay băng tải được sử dụng rộng rãi để vận chuyển sản phẩm, chi tiết trong ngành công nghiệp khai thác, chế biến và phân loại theo phương ngang hoặc phương nghiêng Trong các dây chuyền sản xuất, băng tải là phương tiện di chuyển từ công đoạn này sang công đoạn khác, giúp rút ngắn thời gian di chuyển và giảm sức lao động của con người Có nhiều loại băng tải phổ biến như băng tải con lăn, băng tải PVC, băng tải lòng máng, băng tải cao su và băng tải xích, mỗi loại phù hợp với yêu cầu vận chuyển khác nhau về tải trọng và điều kiện làm việc.

Kết luận : Ta sử dụng băng tải con lăn làm băng tải vận chuyển tấm thép

+ Ưu điểm băng tải con lăn :

1 Vận hành đơn giản, dễ dàng bảo trì

2 Linh hoạt trong vận chuyển

• Ngành công nghiệp: Vận chuyển linh kiện, sản phẩm trong các dây chuyền sản xuất

• Kho hàng: Vận chuyển hàng hóa từ kho đến khu vực đóng gói hoặc lên xe

• Sân bay: Vận chuyển hành lý, hàng hóa

• Siêu thị: Vận chuyển hàng hóa từ khu vực tiếp nhận đến các kệ hàng

• Giảm thiểu tai nạn lao động: Việc vận hành băng tải con lăn khá đơn giản, giảm nguy cơ xảy ra tai nạn

• Bảo vệ hàng hóa: Hàng hóa được vận chuyển một cách an toàn, hạn chế tối đa hư hỏng https://bangtaithanhcong.com/bang-tai-con-lan/

3.1.3 Chọn động cơ kéo băng tải

+Giả sử thông số cho băng tải cắt thép xả cuộn :

-Trọng lượng cuộn thép(G) : 3000Kg

-Lực ma sát giữa băng tải và thép(F) : 0.2

-Tốc độ xả băng : 60m/phút

Tính trọng lượng trên 1 mét băng tải:

• Lực tác dụng lên điểm tiếp xúc:

• Tốc độ tuyến tính: 60m/phút = 1m/s

• Tốc độ góc (ω): Tốc độ tuyến tính / Bán kính = 1m/s / 0.75m = 1.33 rad/s Tính công suất động cơ:

• Công suất (P): (Mô-men xoắn * Tốc độ góc) / Hiệu suất = (220.725 Nm *

• Kết luận: Dựa trên các yêu cầu kỹ thuật đặt ra trong đồ án này ta chọn 4 động cơ điện không đồng bộ 3 pha Roto lồng sóc

Xi lanh khí nén là gì?

Xy lanh là dạng cơ cấu vận hành có chức năng biến đổi năng lượng tích lũy trong khí nén thành động năng cung cấp cho các chuyển động

Xy lanh khí nén là thiết bị cơ khí tạo lực, thường kết hợp với chuyển động và được cấp nguồn từ khí nén từ máy nén khí thông thường Để thực hiện chức năng, xy lanh khí nén chuyển đổi năng lượng tiềm năng của khí nén thành động năng và lực tác động lên piston Quá trình này dựa trên sự giãn nở của khí nén ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển, không cần nguồn năng lượng bên ngoài, mà nhờ áp suất khí nén được duy trì Sự giãn nở của khí đẩy piston di chuyển theo hướng mong muốn, từ đó tạo ra lực và chuyển động cho các ứng dụng cơ khí.

Xy lanh khí nén có nhiều loại thiết kế khác nhau nhằm đáp ứng yêu cầu chế tạo máy và các tiêu chuẩn kỹ thuật Các loại phổ biến gồm xy lanh vuông, xy lanh tròn, xy lanh kẹp, xy lanh compact, xy lanh xoay, xy lanh trượt, xy lanh tác động đơn (xy lanh 1 chiều) và xy lanh tác động kép (xy lanh 2 chiều) Mỗi loại được thiết kế để phù hợp với vị trí lắp đặt, phạm vi hành trình, lực tác động và điều kiện làm việc, giúp tối ưu hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống truyền động khí nén Việc lựa chọn loại xy lanh phù hợp dựa trên yêu cầu thiết kế máy, tải trọng, tần suất hoạt động, mức độ điều khiển và bảo trì, cũng như kích thước gắn kết và tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan.

Xi lanh khí nén tác động đơn (SAC) hoạt động bằng cách cấp khí nén vào một phía của piston để đẩy piston ra ngoài, còn lực trả về do lò xo hoặc lực tác động từ bên ngoài Trên xi lanh tác động đơn thường có 1 lỗ cấp nguồn khí nén và 1 lỗ thoát khí nén để điều tiết dòng khí Để điều chỉnh lưu lượng khí cho xi lanh đơn, người ta thường sử dụng van điện từ khí nén 3/2, cho phép kiểm soát sự cấp và thoát khí một cách nhanh chóng và ổn định.

Xy lanh hoạt động kép (DAC) là loại xy lanh khí nén hai chiều, sử dụng lực khí để đẩy ra và rút lại piston Nó có hai cổng khí để cho phép không khí, một cho hành trình đi ra và một cho hành trình lùi về Xy lanh khí nén hai chiều được dùng để sinh ra lực đẩy piston từ hai phía; loại xy lanh này có hai lỗ cấp nguồn khí nén và lưu lượng khí cấp cho van được sử dụng với các kiểu van điện từ chia khí 4/2, 5/2 hoặc 5/3, và có thể áp dụng một hoặc hai đầu cuộn coil để điều khiển.

Từ yêu cầu công nghệ ta chọn xy lanh tác động kép (xy lanh 2 chiều )

Xylanh 2 tác động là loại xi lanh hoạt động hai chiều (DAC) sử dụng lực không khí để di chuyển đẩy ra và rút lại Chúng có hai cổng để cho phép không khí; một cho hành trình đi ra và một cho hành trình lùi về

3.1.5 Van điều hướng khí nén

Van điều hướng khí nén (Pneumatic valve) là thiết bị then chốt trong hệ thống khí nén, chịu trách nhiệm kiểm soát áp suất, tốc độ và lưu lượng để điều khiển dòng khí nén một cách chính xác Các loại van được phân thành nhiều nhóm dựa trên cấu tạo và nguyên lý vận hành, mỗi nhóm có đặc điểm riêng biệt nhằm đáp ứng từng yêu cầu của hệ thống như điều chỉnh lưu lượng, định hướng dòng khí và đóng mở lưu thông hiệu quả.

*Một số loại van điều hướng khí nén:

Phân loại van điều hướng theo phương pháp tác động:

+ Tác động bằng tay/ chân

+ Tác động bằng cơ khí

+ Tác động bằng điện từ: van điện từ tác động trực tiếp, van điện từ tác động gián tiếp

+ Tác động bằng khí nén

Phân loại van điều hướng theo số cổng:

+ Van 5 cổng: van 5/2, van 5/3 khóa giữa, 5/3 xả giữa, 5/3 cấp giữa

Van điện từ 5 cổng là loại phổ biến nhất được sử dụng cho các hoạt động của xy lanh tác động kép và là loại van điều khiển hướng đa dạng nhất trên thị trường Hầu hết các van điện từ 5 cổng là van 2 vị trí, và các van 3 vị trí cũng có sẵn để đáp ứng các yêu cầu điều khiển phức tạp hơn.

Van điện từ 2 vị trí 5 cổng được chia thành loại 1 solenoid và loại 2 solenoid Van

Van solenoid một cuộn sẽ trở về vị trí bình thường khi ngắt điện; nếu xảy ra mất điện, piston của xy lanh cũng sẽ quay về vị trí bình thường Điều này không xảy ra với van 2 solenoid, vì van 2 solenoid giữ được vị trí và do đó an toàn hơn Van điện từ 3 vị trí 5 cổng thường có 2 solenoid; khi cả hai solenoid đều không được cấp điện, van ở vị trí trung tâm, và khi chỉ một trong hai solenoid được cấp điện, van sẽ chuyển sang vị trí tương ứng.

=> Từ yêu cầu công nghệ ta chọn van điều hướng 5 cổng 5/2

Hình 3.7 Kí hiệu JIS van 5/2

Van tiết lưu là loại van điều khiển dòng chảy được dùng để giảm tốc độ dòng chảy trong một phần của mạch lưu chất, từ đó làm cho tốc độ của bộ truyền động chậm lại Vai trò của van tiết lưu là điều chỉnh lưu lượng dòng chảy, có nghĩa là chúng có thể thay đổi tốc độ hoặc thời gian chạy của cơ cấu vận hành, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và kiểm soát chính xác quá trình làm việc của hệ thống.

Nguyên lý hoạt động và ứng dụng của van tiết lưu của van tiết lưu khí nén

Van tiết lưu khí nén là một thiết bị không thể thiếu trong các ngành công nghiệp, đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh áp suất và bảo vệ hệ thống Khi dòng chất môi chất đi qua van và qua các chỗ nghẽn như lưu lượng kế, ống mao dẫn hoặc van tiết lưu trong hệ thống lạnh, quá trình tiết lưu được thực hiện và áp suất chất môi giới giảm xuống do các dòng xoáy và ma sát mạnh gây ra Mức giảm áp suất này phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của chất môi giới, độ co hẹp của ống và tốc độ của dòng khí Việc kiểm soát áp suất qua van tiết lưu khí nén giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống và nâng cao hiệu quả vận hành trong các ứng dụng công nghiệp và lạnh công nghiệp.

Quá trình tiết lưu thường làm giảm hiệu suất của chất môi giới và điều này là có hại Tuy nhiên, đôi khi người ta cần tiến hành tiết lưu để điều chỉnh công suất của các thiết bị sử dụng hơi nước, đo lưu lượng và giảm áp trong các hệ thống làm lạnh Khi khí đi qua lỗ tiết lưu, tốc độ dòng khí tăng lên; sau khi vượt qua lỗ, vận tốc khí giảm và áp suất tăng lên nhưng không trở về mức ban đầu Sự thay đổi vận tốc này dẫn đến khối lượng riêng của khí tăng lên do áp suất giảm.

-Các loại van tiết lưu:

Van tiết lưu khí nén có tiết diện cố định, có nghĩa là khe hở của van có diện tích không thay đổi Do đó, lưu lượng khí đi qua khe hở bị giới hạn bởi tiết diện cố định này, và lưu lượng này không thể điều chỉnh bằng cách thay đổi diện tích mở của van Đặc tính tiết diện không đổi khiến van tiết lưu phù hợp với các ứng dụng yêu cầu sự ổn định và định mức của lưu lượng khí, giúp kiểm soát dòng chảy một cách nhất quán.

Phân tích chọn PLC

Giới thiệu chung về PLC:

Bộ điều khiển logic khả trình (tiếng Anh: Programmable Logic Controller, viết tắt PLC) là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình PLC để thực hiện một chuỗi trình tự các sự kiện, các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) hoặc qua các chức năng có độ trễ như thời gian định trước hoặc các sự kiện được đếm PLC thường được dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế.

PLC hoạt động bằng phương thức quét các trạng thái ở đầu vào và đầu ra; khi có sự biến đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ được cập nhật theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder Logic hoặc State Logic Hiện nay có nhiều hãng sản xuất PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron và Honeywell.

PLC (Programmable Logic Controller) là một thiết bị có thể lập trình được thiết kế chuyên dụng cho công nghiệp nhằm điều khiển các tiến trình xử lý từ đơn giản đến phức tạp Tùy từng người điều khiển, PLC có thể thực hiện một loạt chương trình hoặc sự kiện được kích hoạt bởi các tác nhân kích thích (ngõ vào), tác động qua bộ định thời hoặc được đếm bởi bộ đếm Khi một sự kiện được kích hoạt, PLC sẽ bật ON, tắt OFF và phát ra một chuỗi xung điều khiển tới các thiết bị ở ngõ ra Nhờ thay đổi các chương trình được cài đặt, PLC có thể thực hiện các chức năng khác nhau trong các môi trường điều khiển khác nhau Hiện nay PLC được sản xuất bởi nhiều hãng như Siemens, Omron, Mitsubishi, Allen-Bradley, Schneider Electric, Hitachi, và các hãng khác; ngoài PLC, hệ thống còn có thêm các thiết bị mở rộng như cổng AI (Analog Input), DI (Digital Input), màn hình hiển thị và các bộ vào/ra mở rộng.

Nhu cầu về một bộ điều khiển dễ sử dụng, linh hoạt và có chi phí thấp đã thúc đẩy sự phát triển của các hệ thống điều khiển lập trình được, hay còn gọi là PLC (Programmable Logic Controller), sử dụng CPU và bộ nhớ để điều khiển máy móc hoặc quá trình hoạt động PLC được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống bằng rơ-le và các thiết bị rời cồng kềnh, mang lại khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt thông qua lập trình trên các lệnh logic cơ bản Ngoài ra, PLC còn có thể thực hiện các tác vụ như định thời, đếm và nhiều chức năng khác, làm tăng khả năng điều khiển cho các hoạt động phức tạp, ngay cả với những PLC nhỏ nhất Hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả trạng thái tín hiệu ngõ vào từ quá trình điều khiển và thực hiện các thao tác logic được lập trình để quyết định trạng thái đầu ra.

Trong chương trình điều khiển PLC và tín hiệu điều khiển cho thiết bị, các mạch giao tiếp chuẩn ở khối vào và khối ra cho phép PLC kết nối trực tiếp với các cơ cấu tác động có công suất nhỏ ở ngõ ra và với các mạch chuyển đổi tín hiệu ở ngõ vào, mà không cần tới các mạc giao tiếp hay rơ-le trung gian Tuy nhiên, khi PLC được dùng để điều khiển các thiết bị có công suất lớn, cần có một mạch điện tử công suất ở giai đoạn trung gian, tuy nhiên sự thay đổi chỉ là ở chương trình điều khiển lưu trữ trong bộ nhớ bằng thiết bị lập trình chuyên dụng, không đòi hỏi thay đổi kết nối dây Thêm vào đó, một lợi thế lớn là thời gian lắp đặt và vận hành nhanh hơn so với các hệ thống truyền thông yêu cầu nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời.

+ Khả năng kháng nhiễu tốt

+ Cấu trúc dạng Modul cho phép dễ dàng thay thế, tăng khả năng (nối thêm Modul mở rộng vào/ ra) và thêm chức năng (nối thêm Modul chuyên dùng)

+ Việc kết nối dây và mức điện áp tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra được chuẩn hoá

+ Ngôn ngữ lập trình chuyên dùng – Ladder, Instruction và Funtion Chart, dễ hiểu và dể sử dụng

Việc thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng cùng với các đặc điểm nổi bật của PLC đã giúp công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong điều khiển máy móc công nghiệp và quản lý các quá trình sản xuất (Process – control) PLC cho phép lập trình linh hoạt, cập nhật nhanh và vận hành ổn định, mang lại hiệu quả cho các hệ thống tự động từ dây chuyền sản xuất đến các quy trình công nghiệp phức tạp, đồng thời tăng tính linh hoạt cho nhà máy.

- Cấu trúc PLC, một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có 2 phần:

+ Khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) + Hệ thống giao tiếp vào/ ra (I/O)

+ Thiết bị đầu vào gồm các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển như nhấn, cảm biến, công tắc hành trình

+ Input, Output các cổng nối phía đầu vào/ ra của PLC hay của các Modul mởrộng

+ Cơ cấu chấp hành: gồm các thiết bị được điều khiển như: chuông, đèn, contactor, động cơ, van khí nén, mày bơm, Led hiển thị, …v.v a.Gi ớ i thi ệ u v ề PLC Siemens S7-1200

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7–1200 dùng để thay thế dần cho S7– 200

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

S7-1200 là dòng bộ điều khiển logic lập trình PLC được thiết kế để kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa, mang lại giải pháp tối ưu cho các hệ thống công nghiệp nhờ thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và tập lệnh mạnh mẽ Với khả năng điều khiển linh hoạt và hiệu suất ổn định, S7-1200 phù hợp cho các dự án từ quy mô nhỏ đến vừa, giúp triển khai nhanh chóng, tối ưu hóa chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả sản xuất.

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

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

+ Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC

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

S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET và hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP, đồng thời có thể mở rộng với các module truyền thông kết nối qua RS485 hoặc RS232; nhờ đó PLC này đáp ứng nhu cầu giao tiếp trong hệ thống tự động hóa và dễ tích hợp với mạng công nghiệp Khi đưa ra kết luận về việc chọn PLC, S7-1200 được xem là lựa chọn phù hợp nhờ khả năng giao tiếp linh hoạt, mở rộng dễ dàng và tương thích với các chuẩn truyền thông phổ biến.

Xuất phát từ yêu cầu công nghệ của hệ thống piston khí nén và tổng số các biến vào, các biến ra=> Ta chọn PLC Siemens S7 – 1200

1: Bộ phận kết nối nguồn

2: Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các nắp che)

3: Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp

4: Bộ Phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU)

Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic, cho phép lập trình viên làm việc với ba ngôn ngữ FBD, LAD và SCL Step7 Basic được tích hợp trong môi trường TIA Portal của Siemens, giúp viết, biên dịch và triển khai các chương trình điều khiển trên S7-1200 một cách thuận tiện và đồng bộ.

Để triển khai một dự án với S7-1200, chỉ cần cài đặt TIA Portal vì phần mềm này đã tích hợp đầy đủ môi trường lập trình PLC và công cụ thiết kế giao diện HMI trong cùng một nền tảng Việc sử dụng TIA Portal giúp rút ngắn thời gian thiết kế và triển khai hệ thống tự động, đồng thời cho phép lập trình PLC và thiết kế HMI cho S7-1200 trong một môi trường làm việc thống nhất và dễ quản lý.

Các loại CPU khác nhau mang lại sự đa dạng về tính năng và dung lượng xử lý, cho phép người dùng xây dựng các giải pháp tối ưu cho nhiều ứng dụng khác nhau Mỗi dòng CPU có tập hợp đặc trưng như hiệu suất xử lý, khả năng đa luồng, tiêu thụ năng lượng và độ bền hệ thống, giúp người dùng chọn đúng công cụ phù hợp với yêu cầu công việc Việc hiểu rõ nhu cầu ứng dụng và ngân sách sẽ hỗ trợ tối ưu hóa hiệu suất, tiết kiệm nguồn lực và nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống Trong bối cảnh công nghệ ngày nay, lựa chọn CPU phù hợp là yếu tố quyết định cho tốc độ, khả năng mở rộng và tính bền vững của hệ thống.

Bảng phân loại chức năng của các dòng PLC S7-1200

• Loại: CPU SIMATIC S7-1200, CPU 1215C, COMPACT

• I/O tích hợp: 14 DI, 10 DO, 2 AI, 2 AO

• Điện áp cung cấp: 20.4 - 28.8 V DC

• Bộ nhớ: 125 KB chương trình/dữ liệu, 4 MB bộ nhớ tải

• Thời gian xử lý: 0.085 às cho phộp toỏn bit

• Nhiệt độ hoạt động: -20 °C đến 60 °C

• Kích thước: 130 x 100 x 75 mm, trọng lượng 500 g

PLC S7-1200 cung cấp một loạt module tín hiệu và bảng tín hiệu nhằm mở rộng dung lượng của CPU và tăng khả năng giám sát, điều khiển quá trình Người dùng có thể lắp đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông khác nhau, tăng khả năng kết nối và tích hợp với các thiết bị trong hệ thống tự động Với khả năng mở rộng linh hoạt, S7-1200 phù hợp cho các ứng dụng điều khiển quy mô vừa và nhỏ, đảm bảo hiệu suất làm việc và tính linh động cao.

Bảng các module hỗ trợ S7-1200 c Các bảng tín hiệu

Bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng mở rộng I/O cho CPU bằng cách thêm một SB mới Người dùng có thể thêm SB có I/O kiểu số hoặc các loại I/O tương tự để phù hợp với nhu cầu kết nối thiết bị SB kết nối vào phía trước của CPU, giúp tăng khả năng mở rộng và linh hoạt cho hệ thống.

- SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC)

- SB với một ngõ ra kiểu tương tự

Bảng tín hiệu của PLC S7-1200

2: Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra

1: Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu

2: Bộ phận kết nối đường dẫn

3: Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra e Các module truyền thông

Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng bổ sung vào hệ thống Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485

- CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông

- Mỗi Cm kết nối vào phía bên trái của CPU (hay về phía bên trái của một

Các module truyền thông PLC S7-1200

1: Các LED trạng thái dành cho module truyền thông

2: Bộ phận kết nối truyền thông

Thiết kế sơ đồ nguyên lý

Hình 3.12 Sơ đồ đấu nối PLC

Hình 3.13 Sơ đồ cung cấp khí

LẬP TRÌNH PLC

ĐÁNH GIÁ VÀ NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH

Tiêu đề	Thiết kế hệ thống điều khiển logic sử dụng PLC cho dây chuyền tự động cắt thép xả cuộn
Tác giả	Chu Hoàng Đạt
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Thị Thanh Nga
Trường học	Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Chuyên ngành	Điện - Tự động hoá
Thể loại	Đồ án môn học
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thái Nguyên

Định dạng
Số trang	103
Dung lượng	3,45 MB