Đồ án chiết rót-Đại học công nhiệp Hà Nội

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy giáo, cô giáo trong khoaCông nghệ kỹ thuật Điện –Điện Tử đã dạy bảo, truyền đạt những kiến thức vàkinh nghiệm quý báu cho chúng em trong s

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiệp, chúng em đãhọc hỏi được rất nhiều điều bổ ích từ các thầy cô trong khoa Công nghệ kỹ thuậtĐiện - Điện Tử và các bạn

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy giáo, cô giáo trong khoaCông nghệ kỹ thuật Điện –Điện Tử đã dạy bảo, truyền đạt những kiến thức vàkinh nghiệm quý báu cho chúng em trong suốt những năm học tập tại trường.Đặc biệt, nhóm sinh viên chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới

Th.S Võ Thị Cẩm Thùy, người đã trực tiếp hướng dẫn, cung cấp những tài liệu,

kiến thức quý giá và tạo mọi điều kiện về trang thiết bị trong suốt quá trình làm

đồ án để chúng em có thể hoàn thành đồ án này một cách tốt nhất

Sau cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và nhữngngười bạn trong lớp ĐH Điện 4 - K8 cùng toàn thể các bạn sinh viên trong khoaCông nghệ kỹ thuật Điện - Điện Tử đã luôn bên cạnh giúp đỡ, động viên vàđóng góp ý kiến cho chúng em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoànthành đồ án tốt nghiệp

Hà Nội, ngày 20, tháng 03, năm 2017 Nhóm sinh viên thực hiện

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay tự động hóa các dây chuyền sản xuất trong công nghiệp là hết sứcquan trọng đối với sự phát triển của một quốc gia Với các quốc gia phát triểnnhư Mỹ, Nhật…thì tự động hóa không còn xa lạ và đã trở nên quen thuộc Ở cácnước này máy móc hầu như đã thay thế con người, số lượng công nhân trong

tính Việt Nam là nước đang phát triển thì nhu cầu hiện đại hóa công nghiệp làđiều hết sức quan trọng đối với sự phát triển kinh tế.

Một trong những ứng dụng giám sát đó là WinCC (Windows ControlCentre), nó giúp ta điều khiển và giám sát toàn bộ quá trình sản xuất thông quamáy tính mà không phải trực tiếp xuống nơi sản xuất để quan sát Những điềutrên chứng tỏ tầm quan trọng của tự động hóa và việc ứng dụng WinCC tronglĩnh vực tự điều khiển động hóa

Ngày nay, do nhu cầu của người tiêu dùng, ngành sản xuất đồ uống đóngchai đang phát triển cực kỳ mạnh mẽ Trong khi đó ở Việt Nam có rất ít các dâychuyền sản xuất hiện đại, đảm bảo vệ sinh Việc nhập ngoại các dây chuyền sảnxuất là rất tốn kém

Với những lý do trên kết hợp với yêu cầu của đề tài được giao là: “Nghiên cứu, xây dựng mô hình trong phòng thí nghiệm từ các bài toán thực tế có sư dụng PLC S7-1200 và WinCC” Chúng em xin áp dụng vào đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế một dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai sư dụng PLC S7-

1200 và giám sát bằng WinCC”.

Hà Nội, ngày 20, tháng 03, năm 2017 Nhóm sinh viên thực hiện

CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ

ĐÓNG NẮP CHAI TỰ ĐÔNG1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, với sự ứng dụng của khoa học kỹ thuật, thế giới đã có nhữngchuyển biến rõ rệt và ngày càng tiên tiến hơn, hiện đại hơn Sự phát triển củacông nghệ, đặc biệt là công nghệ tự động đã tạo ra hàng loạt dây chuyền sảnxuất, thiết bị máy móc hiện đại với những đặc điểm vượt trội nhờ sự chính xáccao, tốc độ nhanh, khả năng thích ứng, sự chuyên môn hóa…đã và đang đượcứng dụng rộng rãi trong nền công nghiệp hiện đại

Công nghệ tự động hoá đang trở thành một nghành kỹ thuật đa nhiệm

vụ,nó đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các nghành khác nhưtrong công nghiệp, xây dựng, y tế… kể cả trong nông lâm nghiệp và ngày càngđược ứng dụng nhiều trong thực tế đời sống hàngngày.

Nhờ công nghệ thông tin, công nghệ điện tử đã phát triển nhanh chóng làmxuất hiện một loại thiết bị điều khiển khả trình PLC

Để thực hiện công việc một cách khoa học nhằm đạt được số lượng sảnphẩm lớn, nhanh mà lại tiện lợi về kinh tế Các công ty, xí nghiệp sản xuấtthường sử dụng công nghệ lập trình PLC Dây chuyền sản xuất tự động PLCgiảm sức lao động của công nhân mà sản xuất lại đạt hiệu quả cao đáp ứng kịpthời cho đời sống xã hội

Trong công nghiệp, trong những nhà máy sản xuất nước uống đóng chaithì dây chuyền chiết rót đóng nắp là một khâu không thể thiếu và rất quantrọng

Với ý nghĩa đó em chọn đề tài: “Thiết kế điều khiển giám sát cho hệ thống chiết rót, đóng nắp chai sư dụng PLC S7-1200 và WinCC”.

1.2 Mục tiêu của đề tài

- Chế tạo thành công mô hình chiết rót và đóng nắp chai

- Sử dụng PLC S7-1200 để xây dựng chương trình điều khiển

- Thiết kế giao diện giám sát, điều khiển trên WinCC

- Mô hình hoạt động ổn định, linh hoạt

1.3 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu

Do chúng em chưa có kinh nghiệm chế tạo mô hình thật nên gặp nhiều khókhăn trong việc thiết kế, chế tạo vào kết nối sản phẩm với bộ PLC S7- 1200.Nhóm thực hiện đề tài sử dụng các phương pháp chủ yếu:

- Phương pháp mô phỏng bằng mô hình nhỏ, thiết kế trên lý thuyết: Chúng

em đã thực hiện thiết kế và chế tạo sản phẩm

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH TRONG

PHÒNG THÍ NGHIỆM2.1 Tổng quan về mô hình

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của mô hình

Hình 2.1 Bản vẽ của mô hình

Mô hình dây chuyền công nghệ thực hiện hai khâu chính chiết rót và đóngnắp chai:

- Khi ấn nút Start hệ thống được khởi động, vỏ chai Nutri được đưavàobăng tải bắt đầu quá trình chiết rót và đóng nắp Nguồn nước tinh khiết từ bểchứa được nối vào hệ thống (Hệ thống thực tế)

- Băng tải hoạt động đưa chai rỗng di chuyển Chai Nutri sẽ được cảm biếnphát hiện vật phát hiện, nó sẽ được chặn lại tại vị trí chiết rót bằng Xylanh chặn

máy bơm nước hoạt động, thể tích nước được kiểm soát thông qua cảm biến lưulượng (thể tích nước có thể điều chỉnh được) Khi nước đã bơm đủ, bơm tắt xilanh bơm đưa bơm lên Khi vòi nước được đưa lên xi lanh chặn sẽ về vị trí 0chai được đưa sang khâu đóng nắp.

- Nắp chai Nutri được lấp đầy trong máng chứa và được đưa vào ngay đầuchai khi chai chạy qua

- Sau đó chai được đưa vào vị trí đóng nắp chai Chai được cảm biến vậtphát hiện Cảm biến đưa tín hiệu về PLC điều khiển xi lanh chặn số 2 tác độngchặn chai lại.Sau thời gian trễ 1s động cơ vặn nắp hoạt động và xi lanh vặn nắpđưa động cơ vặn nắp xuống Khi nắp chai được vặn chặt (Điều khiển thời gianvặn qua Timer) thì động cơ vặn nắp dừng và xi lanh vặn đi lên Khi xi lanh vặn

đi lên hết hành trình thì xi lanh chặn về vị trí 0, băng tải đưa chai sang khâu tiếptheo

- Hệ thống sử dụng PLC của Siemens làm khối điều khiển trung tâm, điềukhiển xuyên suốt hệ thống Và toàn bộ quá trình sẽ được giám sát, điều khiểntrên máy tính sử dụng phần mềm WinCC

2.1.3 Yêu cầu thiết kế

- Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống chiết rót, đóng nắp chai hoạt động ổn địnhtin cậy

- Giám sát bằng WinCC đủ các quá trình trong hệ thống

- Khung sườn thiết bị: được thiết kế bằng thép không gỉ và gỗ, chắc chắnchịu được lực rung trong quá trình vận chuyển

- Ống dẫn nước: ống chịu áp lực cao bằng PVC, đảm bảo an toàn vệ sinh,không đóng cặn, gỉ sét và gây ra các nấm mốc vi sinh

2.1.4 Các chức năng chính của mô hình.

- Mô hình kết hợp2 khâu: chiết rót và đóng nắp chai thành 1 đoạn dâychuyền

- Mạch điều khiển trung tâm PLC S7-1200 của Siemens: điều khiển xuyênsuốt hệ thống chiết rót, đóng nắp Hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống trênphần mêm mô phỏng và giám sát WinCC Khi có sự cố xảy ra, hệ thống dừngkhẩn cấp, khi nhấn nút stop hệ thống Reset lại, nhấn Stat để khởi động lại hệthống

2.1.5 Các công nghệ chiết rót và đóng nắp chai

a, Chiết nước vào chai

Hiện nay có khá nhiều công nghệ chiết nước vào chai, tùy loại chất lỏng sẽ

có cách chiết khác nhau như: nước có gaz, nước không gaz, chất lỏng cô đặc.Định lương sản phẩm lỏng là chiết một thể tích nhất định sản phẩm lỏng và rótvào chai, bình, lọ … Định lượng sản phẩm lỏng bằng máy được sử dụng rộngrãi trong nhiều nghành sản xuất thực phẩm.khi định lượng bằng máy thì cảithiện được điều kiện vệ sinh, đảm bảo được năng suất cao, định lượng một cáchchính xác

• Các phương pháp định lương chủ yếu có:

- Định lượng bằng định mức: chất lỏng được định lượng chính xác nhờbình định mức trước ki rót vào chai

chai; khi đó mức lỏng trong chai sẽ sụt xuống một khoảng như nhau bất

kể thể tích của các chai có bằng nhau hay không Ngoài ra còn sử dụngống thông hơi, chất lỏng được chiết tới khi ngập miệng ống thông hơi sẽdừng lại Phương pháp này có độ chính xác không cao, tùy thuộc vào độđồng đều của chai

- Định lượng bằng cách chiết theo thời gian: cho chất lỏng chảy vào trongchai trong khoảng thời gian xác định, có thể xem như thể tích chất lỏngchảy là không đổi Phương pháp này chỉ sử dụng cho các sảm phẩm cógiá trị thấp, không yêu cầu chính xác về định lượng

• Các phương pháp chiết rót gồm có:

- Phương pháp rót áp suất thường: chất lỏng tự chảy vào trong chai dochênh lêch về độ cao thủy tĩnh Tốc độ chảy chậm nên chỉ thích hợp vớicác chất lỏng ít nhớt

- Phương pháp rót chân không: Nối chai với một hệ thống hút chân khôngchất lỏng sẽ chảy vào trong chai do chênh lệch áp suất giữa thùng chứa

và áp suất trong chai Lượng chất lỏng chảy vào trong chai thông thườngcũng được áp dụng phương pháp bù trừ hoặc chiết đầy chai

- Phương pháp rót đẳng áp: Phương pháp này được áp dụng cho các sảnphẩm có gaz như bia, nước ngọt Trong khi rót, áp suất trong chai lớnhơn áp suất khí quyển nhằm tránh không cho gaz thoát khỏi chất lỏng.với phương pháp rót đẳng áp thông thường, người ta nạp khí CO2 vàotrong chai cho đến khi áp suất trong chai bằng áp suất trong bình chứa,sau đó cho sản phẩm từ bình chứa chảy vào trong chai nhờ sự chênh lệch

độ cao

- Một số hình ảnh chiết rót như sau:

Hình 2.2 Công đoạn chiết nước vào chai

Hình 2.3.Công đoạn chiết nước vào chai

b, Đóng nắp chai.

Máy đóng nắp chai được ứng dụng rộng rãi trong nghành sản xuất đồ uống,thực phẩm, mỹ phẩm, hóa chất công nghiệp Máy có tác dụng đóng bao kín cácloại chai thủy tinh, nhựa đảm bảo việc niêm phong kín, không rò rỉ chất lỏng ra

Nắp chai được dẫn từ thùng chứa xuống đường dẫn đồng thời được sắp xếpđúng chiều, chai nước được đưa vào vị trí dập nắp và cố định để hệ thống dậpnắp hoạt động Sau khi dập nắp chai sẽ được đưa tới bộ phận vặn nắp để chắcchắn rằng tất cả các nắp phải được đóng kín.

Hình 2.4 Công đoạn vặn nắp chai 2.2 Giải thích thiết bị trong mô hình

2.2.1 Băng tải

Một hệ thống đang được sử dụng nhiều trong các nhà máy cơ sở sản xuấttiết kiệm sức lao động, nhân công, thời gian và tăng hiệu quả rõ rệt đó chính làbăng tải, băng chuyền

Hiểu một cách đơn giản nhất thì có thể hiểu băng tải là một cơ chế hoặcmáy có thể vận chuyển một tải đơn (thùng carton, hộp, túi …) hoặc số lượng lớnvật liệu (đất, bột, thực phẩm …) từ một điểm A đến điểm B

Định nghĩa chuyên nghiệp hơn thì hệ thống băng tải là thiết bị chuyển tải

có tính kinh tế cao nhất trong ứng dụng vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệutrong sản xuất với mọi khoảng cách

Vậy hệ thống băng chuyền là một trong những bộ phận quan trọng trongdây chuyền sản xuất, lắp ráp của các doanh nghiệp, nhà máy Góp phần tạo nênmột môi trường sản xuất năng động, khoa học và giải phóng sức lao động manglại hiệu quả kinh tế cao

a Cấu tạo của băng tải

• Thành phần cấu tạo

- Một động cơ giảm tốc trục vít và bộ điều khiển kiểm soát tốc độ

- Bộ con lăn, truyền lực chủ động

- Hệ thống khung đỡ con lăn

- Hệ thống dây băng hoặc con lăn

b Vật liệu làm băng tải

Có thể làm từ những vật liệu sau :

- Lưới: chịu được nhiệt, ít bị ăn mòn, ít chịu ảnh hưởng của môi trường,nhẹ nhàng, bền

- Dạng thảm: bên trong phía tiếp xúc với trục truyền chuyển chiếm 3/4 bềdầy băng tải là vật liệu làm bằng lớp in được tết với nhau bên ngoài có phủ lớpsilicol dầy 1/4 bề dầy băng tải, giá thành cao được nhập ngoại được sử dụngtrong máy móc đòi hỏi độ chính xác cao và yêu cầu công nghệ cao

- Ngoài ra còn làm bằng vật liệu khác như: Da, sợi kết thành, vải, …

- Kích thước băng tải: Bề dầy từ 2mm – 15mm, thông thường khi tháo lắphoặc thay thế thì các máy móc, thiết bị thường đi kèm các thiết bị gas lắp riêng.Tất cả các băng tải khi dường máy đều có động cơ để kéo trùng băng tải để bảo

vệ băng tải không bị giãn, không bị nứt hoặc căng bề mặt

c Phân loại và quy mô sử dụng

• Từ cầu tạo và chức năng của băng tải được phân thành các loại chính sau:

- Băng tải dạng thảm: lắp đặt dễ dàng

Hình 2.5 Băng tải dạng thảm

- Băng tải xích : dùng để vận chuyển các vận liệu nặng

Hình 2.6 Băng tải xích

- Băng tải con lăn bao gồm : băng tải con lăn nhựa, băng tải con lăn nhựaPVC, băng tải con lăn thép mạ kẽm, băng tải con lăn truyền động bằngmotor

Hình 2.7 Băng tải con lăn.

- Băng tải đứng: dùng để vận chuyển hàng hóa ở những độ cao khác nhau.

Hình 2.8 Băng tải đứng.

- Băng tải xoắn ốc:

Hình 2.9 Băng tải xoắn ốc.

- Băng tải linh hoạt:

- Băng tải rung:

Hình 2.11 Băng tải rung.

• Kết luận: Để đáp ứng được yêu cầu của đề tài đưa ra chúng em chọn băng tảithẳng dạng thảm

2.2.2 Động cơ

a Động cơ điện xoay chiều

Hình 2.12 Động cơ xoay chiều.

• Ưu điểm của động cơ xoay chiều:

- Ít phải bảo dưỡng do không có cổ góp

- Kết cấu bền vững

- Khả năng điểu khiển tốc độ quay đa dạng

- Dùng nguồn trực tiếp từ lưới, sử dụng dễ dàng

- Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ

• Nhược điểm của động cơ xoay chiều:

- Khi dùng trọng tải lớn thì chịu quá tải kém.

- Luôn vận hành gắn với hệ thống xoay chiều có sẵn

- Cấu trúc điều khiển phức tạp khó mô tả toán học

b Động cơ một chiều

Hình 2.13 Động cơ một chiều

• Ưu điểm của động cơ điện một chiều:

- Điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà không ảnh hưởng tới điện áp cung cấp.Dễdàng điều chỉnh tốc độ hơn động cơ xoay chiều

- Có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiệnlàm việc khác nhau

-Có momen khởi động và làm việc lớn ổn định khi thay đổi

- Chịu quá tải tốt momen khởi động lớn ổn định khi tải thay đổi

• Nhược điểm của động cơ một chiều:

- Là phức tạp về phần điều khiển và khó khăn khi bảo trì bảo dưỡng

- Cấu tạo động cơ điện một chiều cũng phức tạp

Kết luận: Trong mô hình chúng em chọn động cơ điện một chiều kích từ

độc lập bằng nam châm vĩnh cửu để sử dụng để làm động cơ vặn nắp chai vàđộng cơ kéo băng tảivì tính thuận tiện và công suất nhỏ dễ kiếm trên thị trường

2.2.3.Lựa chọn hệ thống khí nén.

• Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng khí nén

Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển khí nén.

a.Xy lanh

Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành nănglượng cơ học Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng (xilanh)hoặc chuyển động quay (động cơ khí nén)

Bảng 2.1 Các loại xilanh thường gặp

b.Van khí

• Van 2/2

- Van 2/2 có hai cổng vào (1) và ra (2), hai trạng thái

- Van 2/2 có thể sử dụng làm khóa ON/OFF đóng mở

- Van 2/2 được chế tạo điều khiển bằng tay, bằng tiếp xúc cơ khí, bằng khínén hay điện- khí nén.

• Van 3/2

- Van 3/2 có 3 cổng làm việc vào(1), ra(2) và cổng xả(3)và

hai trạng thái

- Các van 3/2 được chế tạo rất đa dạng và ứng dụng cũng

rất phong phú Dạng tác động có thể bằng tay, bằng tiếp

xúc cơ khí, bằng khí nén hay bằng điện từ ở một phía hoặc cả hai phía.Các van điều khiển bằng khí nén hay bằng điện từ cả hai phía có đặc tínhnhư một phần tử chuyển mạch có nhớ trạng thái ( Flip-Flop) hay còn gọi

là van xung

• Van 4/2

- Van 4/2 có 4 cổng làm viêc vào(1), ra (2,4) và chung

một cổng xả (3), hai trạng thái Van 4/2 được ghép bởi

hai van 3/2 trong một vỏ, một thường đóng, một thường

mở

- Van 4/2 cũng có thể điều khiển bằng cơ khí, bằng khí nén hay điện mộtphía hoặc cả hai phía Các van điều khiển bằng khí nén hay điện cả haiphía cũng có đặc điểm như một phần tử nhớ hai trạng thái

- Van 4/2 được sử dụng làm van đảo chiều xilanh kép hoặc động cơ

• Van 5/2

- Van 5/2 có 5 cổng làm việc vào(1), ra (2, 4) và hai cửa xả riêng cho mỗitrạng thái (3,5), có hai trạng thái

- Van 5/2 cũng có thể điều khiển bằng cơ khí, bằng khí nén

hay điện một phía hoặc cả hai phía Các van điều khiển

bằng khí nén hay điện cả hai phía có đặc điểm như các van

đã giới thiệu là một phần tử nhớ hai trạng thái

- Van 5/2 dùng làm van đảo chiều điều khiển xilanh tác dụng kép, động cơ

• Van 5/3

- Van 5/3 có 3 trạng thái, trong đó trạng thái trung

gian, là trạng thái ổn định và luôn được thiết lập bởi

các lò xo hồi khi không có bất kỳ một tín hiệu điều khiển nào Người tathường gọi đó là trạng thái không Hai trạng thái còn lại sẽ được thiết lập

và cùng tồn tại bởi hai tín hiệu điều khiển tương ứng như đối với van 5/2điều khiển một phía

- Ngoài chức năng đảo chiều cơ cấu chấp hành, các van 5/3 khác nhau bởitrạng thái không và vì vậy được lựa chọn vì những mục đích sử dụng khácnhau: Van 5/3 trạng thái không của van thích hợp với yêu cầu hãm dừngcần piston của xilanh ở bất kỳ vị trí nào trên đoạn tác dụng của nó Tuynhiên, điểm dừng chính xác còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như tải trọng,

áp suất, tính nén được của khí nén…

c.Van điều khiển lưu lượng

• Van một chiều

- Chỉ cho dòng khí nén chảy theo một hướng khi lực do khí

nén gây ra lớn hơn lực lò xo

• Van xả nhanh

- Tốc độ của piston của xilanh có thể được tăng đến cực

đại có thể khi làm giảm thiểu sự cản trở dòng chảy của

dòng khí xả Khi có van xả nhanh, khí xả trong buồng

xilanh không chảy qua van đảo chiều mà xả ra môi

trường dễ dàng hơn qua van “xả nhanh”

- Nguyên lý làm việc của van xả nhanh

 Khi dẫn nguồn, áp suất P1 > P2 nên cửa 3 bị đóng lại và khí nén cung cấpcho tải qua cửa 2

 Khi áp suất P1 < P2 van xả nhanh sẽ tự động đóng cửa 1 và mở cửa 3 tạonên đường xả gần nhất và quá trình xả nhanh hơn

• Van tiết lưu

- Van tiết lưu được sử dụng với mục đích điều chỉnh tốc độ của cơ cấu chấphành Trong thực tế, thường có yêu cầu khác nhau về tốc độ đối với cáchành trình của cơ cấu chấp hành nhằm đáp ứng về công nghệ và năng

- Vì vậy van tiết lưu hai chiều ít được sử dụng độc lập mà thường được sửdụng kèm theo với van một chiều hoặc được chế tạo tích hợp trong cùngmột vỏ để có một tiết lưu một chiều.

Van tiết lưu 2 chiều Van tiết lưu 1 chiều

- Khô và Không lẫn bụi bẩn

• Các tiêu chuẩn này mới chỉ đáp ứng các yêu cầu chung và được dùng trongcác công việc như làm sạch môi trường, sản phẩm, bơm hơi…

• Để một hệ thống khí nén làm việc bền vững, liên tục và tin cậy, nguồn khí néncần phải được tăng cường ổn định về áp suất, phun dầu bôi trơn cho các phần tửđiều khiển, cơ cấu chấp hành…

Kết luận: Nhóm chúng em chọn cơ cấu sinh lực bằng xylanh khí nén để tạo

ra lực đẩy các cơ cấu chặn chai và dẫn động cơ vặn nắp sử dụng cơ cấu xylanh tác động hai chiều (tác đông kép) Dùng van tiết lưu 2 chiều để điều khiểnlực tác động và tốc độ của các xi lanh hợp lý Chúng em chọn van 5/2 để điềukhiển xilanh tác động kép và dùng van 2/2 để khóa nguồn khí bởi vì nó có ưuđiểm là:

 Thực tế trong công nghiệp

 Giá thành hợp lý

 Sử dụng đơn giản dễ tìm mua, thông dụng trên thị trường.

Chúng em sử dụng máy nén khí để cấp khí cho xi lanh khí nén

Hình 2.15 Máy nén khí

2.2.4 Cảm biến.

a Định nghĩa.

Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trìnhvật lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệuđiện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó

b Phân loại.

• Theo tín hiệu đầu ra:

- Cảm biến ON/OFF:

- Cảm biến tương tự:

• Theo bản chất và cấu tạo:

- Cảm biến quang điện

- Cảm biến tiệm cận điện dung

- Cảm biến siêu âm

- Cảm biến nhiệt

- Cảm biến lazer

- Cảm biến điện cảm

c Một số loại cảm biến.

• Cảm biến tiệm cận

- Đặc điểm cảm biến tiệm cận:

 Phát hiện vật không cần tiếp xúc

 Tốc độ đáp ứng cao.

 Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi

 Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

- Cảm biến tiệm cận cảm ứng phát hiện các vật bằng cách tạo ra trườngđiện từ Dĩ nhiên, thiết bị chỉ phát hiện được vật kim loại

- Cảm biến từ tiệm cận phát hiện các vật có từ trường

- Cảm biến tiệm cận điện dung phát hiện các vật bằng cách tạo ra trườngđiện dung tĩnh điện Do đó, thiết bị này có thể phát hiện mọi loại vật

Hình 2.16 a Cảm biến tiệm cận cảm ứng và điện dung.

b Công tắc từ tiệm cận.

• Cảm biến quang

- Cảm biến quang ứng dụng gồm 2 loại chính là cảm biến quang thu phát vàcảm biến quang gương phản xa

- Cảm biến quang thu phát chung được cấu tạo gồm một led hồng ngoại thu

và một led hồng ngoại phát Khi có vật thể tác động vào vùng phát tia sẽlàm phản xa lại ánh sáng tác động vào led thu Lúc này led thu sẽ tác độngvào transistor cho tín hiệu ra

- Cảm biến quang gương phản xạ cũng gồm led hồng ngoại thu và phát nhưquang thu phát nhưng hoạt động thì ngược lại Khi có vật thể tác động vàovùng phát sẽ làm chắn ánh sáng từ led hồng ngoại phát không cho đi quagương phía đối điện để đến led hồng ngoại thu thường dùng cho nhữngvật có màu tối, đen có tính chất hấp thu ánh sáng nhiều

Hình 2.17 Cảm biến thu phát quang.

• Cảm biến lưu lượng

Hình 2.18 Cảm biến lưu lượng nước.

- Chất liệu bằng nhưa, bên trong có cánh quạt và cảm biến hall Khi nướcchảy qua van cảm biến làm cho động cơ quay dẫn đến sự thay đổi trạngthái đầu ra của cảm biến hall, tín hiệu ra dạng xung

- Điện áp sử dụng 5V ÷ 24V

- Dòng điện 150 mA

- Tần số tín hiệu đầu ra : F = 9,8x Q (L/Phut)

Trong đó: Q - lưu lượng nước

F - tần số tín hiệu đầu ra(Hz)

d Đầu ra của cảm biến.

Ngày nay, hầu hết cảm biến cảm ứng đều có đặc điểm đầu ra transistor cólogic NPN hoặc PNP Những loại này còn được gọi là kiểu DC-3 dây

Hình 2.19 Đầu ra của cảm biến kiểu DC-3 dây.

Cảm biến được chia theo chế độ hoạt động thường mở (NO) và thườngđóng (NC) mô tả tình trạng có tín hiệu đầu ra của cảm biến sau khi có hoặckhông phát hiện được vật

• Với đầu ra transistor có logic NPN:

- Thường mở: Tín hiệu điện áp thấp khi phát hiện ra vật Tín hiệu điện ápcao khi không có vật

- Thường đóng: Tín hiệu thấp khi không có vật Tín hiệu cao khi phát hiện

ra vật

• Với đầu ra transistor có logic PNP:

- Thường mở: Tín hiệu điện áp cao khi phát hiện ra vật Tín hiệu điện ápthấp khi không có vật

- Thường đóng: Tín hiệu cao khi không có vật Tín hiệu thấp khi phát hiện

ra vật

- Trong một số trường hợp cài đặt, người ta sử dụng cảm biến tiệm cận có 2kết nối (âm và dương) Chúng được gọi là kiểu DC-2 dây theo kiểu côngtắc tiệm cận

Hình 2.20 Đầu ra của cảm biến kiểu DC – 2 dây.

2.2.5 Relay trung gian

Hình 2.21 Relay trung gian thường thấy.

Đây là loại relay đơn giản và được dùng rộng rãi nhất Relay làm việc trênnguyên tắc điện từ, nó được cấu tạo giống như công tắc tơ nhưng chỉ dùng đểđóng cắt mạch điều khiển, không dùng trong mạch động lực

Hình 2.22 Sơ đồ relay 8 chân và 14 chân trên thị trường.

2.2.6 Tổng quan về PLC S7 – 1200

a Khái quát về PLC S7 –1200

Hinh 2.23 Hình dạng bên ngoai của S7 – 1200 và các module mở rộng

PLC S7-1200 (Promamable Logic Controller), bao gồm 9 module, các bộcấp nguồn cả VAC hoặc VDC - các bộ nguồn với sự kết hợp I/O DC hoặcRelay Các module tín hiệu để mở rộng I/O và các module giao tiếp dễ dàng kếtnối với các mặt của bộ điều khiển Tất cả các phần cứng Simatic S7-1200 có thểđược gắn trên DIN rail tiêu chuẩn hay trực tiếp trên bảng điều khiển, giảm đượckhông gian và chí phí lắp đặt.

Các module tín hiệu có trong các model đầu vào, đầu ra và kết hợp loại 8,

16, và 32 điểm hỗ trợ các tín hiệu I/O DC, relay và analog Bên cạnh đó, bảngtín hiệu tiên tiến có trong I/O số 4 kênh hay I/O analog 1 kênh gắn đằng trước

bộ điều khiển S7-1200 cho phép nâng cấp I/O mà không cần thêm không gian.Thiết kế có thể mở rộng này giúp điều chỉnh các ứng dụng từ 10 I/O đến tối đa

284 I/O, với khả năng tương thích chương trình người sử dụng nhằm tránh phảilập trình lại khi chuyển đổi sang một bộ điều khiển lớn hơn

Các đặc điểm khác: bộ nhớ 50 KB với giới hạn giữa dữ liệu người sử dụng

và dữ liệu chương trình, một đồng hồ thời gian thực, 16 vòng lặp PID với khảnăng điều chỉnh tự động, cho phép bộ điều khiển xác định thông số vòng lặp gầntối ưu cho hầu hết các ứng dụng điều khiển quá trình thông dụng Simatic S7-

1200 cũng có một cổng giao tiếp Ethernet 10/100Mbit tích hợp với hỗ trợ giaothức Profinet cho lập trình, kết nối HMI /SCADA hay nối mạng PLC với PLC

- Tuy nhiên, nhược điểm của nó là do ngõ ra Relay nên thời gian đápứng không nhanh cho ứng dụng biến điệu độ rộng xung, hoặcOutput tốc độ cao…

- Tuy nhiên, nhược điểm của loại này là do ngõ ra transistor nên chỉ

có thể sử dụng một cấp điện áp duy nhất là 24VDC, do vậy sẽ gặprắc rối trong những ứng dụng có cấp điện áp khác nhau Trongtrường hợp này, phải thông qua một Relay 24VDC đệm

Bảng 2.2 Các đặc điểm cơ bản của S7-1200

c Hình dạng bên ngoài.(CPU1212C)

Hình 2.24.Hình dạng bên ngoài của S7 – 1200.

1.Chế độ hoạt động của các ngõ I/O

2.Chế độ hoạt động của PLC

3.Cổng kết nối

4.Khe cắm thẻ nhớ

5.Nơi gắn dây nối

CPU 1214C gồm 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, có khả năng mở rộng thêm 8module tín hiệu (SM), 1 mạch tín hiệu (SB) và 3 module giao tiếp (CM)

Các đèn báo trên CPU 1214C:

• STOP / RUN (cam / xanh): CPU ngừng / đang thực hiện chương trình đã nạpvào bộ nhớ

• ERROR (màu đỏ): màu đỏ ERROR báo hiệu việc thực hiện chương trình đã xảy

• Ix.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Ix.x.đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị của công tắc.

• Qx.x(đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qx.x.Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng

d Cấu trúc bên trong

Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7-1200 gồm 4 bộ phận cơbản: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất / nhập

- Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biêndịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chươngtrình được lưu trong bộ nhớ của PLC Truyền các quyết định dưới dạng tínhiệu hoạt động đến các thiết bị xuất

- Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24V) cầnthiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập vàxuất hoạtđộng

- Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điềukhiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý

- Các thành phần nhập và xuất (input / output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin

từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển Tínhiệu nhập có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến,… Các thiết bị xuất cóthể là các cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van solenoid,…

- Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lậptrình hay bằng máy vitính

Hình 2.25 Cấu trúc bên trong

e.Đấudây

Ở đây ta chọn CPU 1212C, để trình bày đấu dây tiêu biểu:

Chúng ta có thể cung cấp nguồn 24VDC hay 100 – 230VAC cho PLC vàcác thông số điện áp được thể hiện ở (Hinh 5)

Hình 2.26 Sơ đồ đấu dây s7-1200/ CPU 1212

Nguồn cung cấp cho PLC là 100 – 230VAC với tần số từ 47Hz – 63Hz.Điện áp có thể thay đổi trong khoảng từ 85V – 264V Ở 264V dòng điện tiêuthụ là 20A

Nguồn cung cấp là 24VDC.Điện áp có thể thay đổi trong khoảng

20.4V - 28.8V Ở 28.8V dòng điện tiêu thụ là 12A

Các ngõ vào được tác động ở mức điện thế tiêu biểu là 24VDC Các ngõ

ra của PLC ở mức 0 khi công tắc hở hay điện áp <= 5VDC Ngõ vào ở mức 1khi công tắc đóng hay điện áp =>15VDC Thời gian đổi trạng thái từ “0” lên

“1” và từ “1” xuống “0” tối thiểu là 0.1us để PLC nhận biết được

Các ngõ ra có thể là 5VDC – 30VDC hay 5VAC – 250VAC Tùy theo yêucầu thực tế mà ta có thể nối nguồn khác nhau để phù hợp với ứng dụng của nó

f Module mở rộng

Hình 2.27 Hình dạng cácmôđun

Họ PLC S7-1200 cung cấp nhiều nhất 8 module tín hiệu đa dạng và 1mạch tín hiệu cho bộ xử lý có khả năng mở rộng Ngoài ra bạn cũng có thểcài đặt thêm 3 module giao tiếp nhờ vào các giao thức truyền thông

Module

tín hiệu (SM)

Digital

Analog

board tín

hiệu (SB)

Digital

Analog

Analog

Module giao tiếp (CM)

- RS485

 RS232

Bảng 2.3.Thông số cácmôđun

Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển có lậptrình, cấu trúc bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình.

Chương trình định nghĩa hoạt động điều khiển được viết nhờ sự giúp đỡ củamột máy vi tính

Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần một thay đổi nội dung bộ nhớ điềukhiển, chứ không cần thay đổi cách nối dây bên ngoài Qua đó, ta thấy được ưuđiểm của phương pháp điều khiển lập trình so với phương pháp điều khiển cứng

Do đó, phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển vì

nó rất mềm dẻo

Phương pháp lập trình điều khiển được thực hiện theo các bước sau:

Hình 2.28 Phương pháp lập trình điều khiển

h Các ngôn ngữ lậptrình

Ngôn ngữ lập trình Lad (Ladder Logic):

Hình 2.29 Ví dụ chương trình Lad

Chương trình LAD bao gồm cột dọc biểu diễn nguồn điện logic cùng với các

kí hiệu công tắc logic tạo thành một nhánh mạch điện logicnằm ngang Ở hìnhtrên, logic điều khiển được biểu diễn bằng hai công tắc thường hở, một công tắcthường đóng và một ngõ ra relay logic

Các kí hiệu công tắc trên được dùng để xây dựng nên bất kì mạch logic nào:

sự kết hợp nhiều mạch logic có thể biểu diễn mạch điều khiển cho một ứng dụng

có logic điều khiển phức tạp Điều cần thiết cho công việc thiết kế chương trìnhladder là lập tài liệu về hệ thống và mô tả hoạt động của chúng để người sử dụnghiểu được mạch ladder một cách nhanh chóng và chính xác

Các quy ước của ngôn ngữ lập trình LAD:

• Các đường dọc trên sơ đồ biểu diễn đường công suất, các mạch được kết nối vớiđường này

• Mỗi nấc thang (thanh ngang) xác định một hoạt động trong quá trình điều khiển

• Sơ đồ thang được đọc từ trái sang phải và từ trên xuống Nấc ở đỉnh thang đượcđọc từ trái sang phải, nấc thứ hai tính từ trên xuống cũng đọc tương tự Khi ởchế độ hoạt động, PLC sẽ đi từ đầu đến cuối chương trình thang sau đó lặp đilặp lại nhiều lần Quá trình lần lượt đi qua tất cả các nấc thang gọi là chu kỳquét

• Mỗi nấc thang bắt đầu với một hoặc nhiều ngõ vào và kết thúc với ít nhất mộtngõ ra

• Các thiết bị điện được trình bày ở điều kiện chuẩn của chúng Vì vậy, công tắcthường hở được trình bày ở sơ đồ thang ở trạng thái hở Công tắc thường đóngđược trình bày ở trạng thái đóng

• Thiết bị bất kỳ có thể xuất hiện trên nhiều nấc thang Có thể có một rơle đóngmột hoặc nhiều thiết bị

• Các ngõ vào và ra được nhận biết theo địa chỉ của chúng, kí hiệu tùy theo nhàsản xuất qui định