Bài taapjl lớn PLC phan loại và đóng gói hạt cà phê

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được khả trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập tr

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

_KHOA ĐIỆN_

BÀI TẬP LỚN MÔN: ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC

ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG PLC S7-1200 TRONG VIỆC PHÂN LOẠI VÀ ĐÓNG

GÓI HẠT CÀ PHÊ

Giáo viên hướng dẫn : Tống Thị Lý

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Nhật

: Vương Bá Quang

Hà Nội - 2017

2

Mục lục

Contents

Lời nói đầu 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ YÊU CẦU CÔNG NGHỆ 4

1.1 Mô hình phân loại và đóng gói hạt cà phê trong thực tiễn 4

1.1.1 Mục đích của việc phân loại hạt cà phê 4

1.1.2 Sơ đồ công nghệ phân loại hạt cà phê 4

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG 7

2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 7

2.1.1 Panel điều khiển 7

2.1.2 PLC 7

2.1.3 Các khối cách ly 11

2.1.4 Các khối động cơ 11

2.2 Tính chọn các thiết bị trong mô hình 11

2.2.1 Lựa chọn động cơ 11

2.2.2 Lựa chọn khối cách ly 12

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH 23

3.1 Lưu đồ thuật toán 23

3

Lời nói đầu

Ngày nay quá trình công nghiệp hó hiện đại hóa đất nước đâng ngày càng diễn

ra mạnh mẽ Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật máy móc vào sản xuất và phục vụ đời sống con người ngày càng nhiều, góp phần làm tăng năng suất lao động Việc sản xuất giờ đây đã được đơn giản hóa đi rất nhiều với sự trợ giúp của PLC Qua việc được học môn PLC trên lớp chúng em đã phần nào lắm được cách thức hoạt động của PLC Với đề tài xây dựng hệ thống phân loại và đóng gói hạt cà phê sử dụng PLC siemens S7-1200 chúng em đã thiết kế lên hệ thống Tuy nhiên trong quá trình làm việc vấn không tránh khỏi những sai sót do kiến thức và thời gian có hạn Chúng em xin cảm ơn cô Tống Thị Lý đã giúp đỡ chúng em rất nhiều để hoàn thành bài tập lớn này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ YÊU CẦU CÔNG NGHỆ

1.1 Mô hình phân loại và đóng gói hạt cà phê trong thực tiễn

1.1.1 Mục đích của việc phân loại hạt cà phê

Hạt cà phê sau khi thu hoạch sẽ có các kích thước khác nhau và còn lẫn nhiều tạp chất Nếu như cứ như vậy đóng gói thì chất lượng sản phẩm sẽ không cao Chính

vì vậy ta phải phân loại hạt cà phê ra các kích thước khác nhau và phải loại bỏ các tạp chất Hạt cà phê sẽ được phân ra làm 2 loại:

Loại 1: Khoảng 90% hạt sàn 18 (7,2mm), tạp chất 0,5%, không bị mốc không

có mùi lạ

Loại 2: Khoảng 90% hạt sàn 16 (6,3mm), độ ẩm 12,5%, không bị mốc khoog

có mùi lạ

Viêc phân loại ra như vậy sẽ dễ dàng trong việc đóng gói sản phẩm

1.1.2 Sơ đồ công nghệ phân loại hạt cà phê

❖ Yêu cầu công nghệ

✓ Quá trình phân loại

Hạt cà phê sau khi thu hoạch sẽ được đưa qua hệ thống phân loại Hệ thống này gồm có các tấm lưới (sàng) với các kích thước lỗ khác nhau Hệ thống gồm có

ba sàng Sàng đầu tiên với các lỗ to tương ứng với loại 1 Tất cả các hạt cà phê không lọt qua sàng một sẽ được đưa qua hệ thống băng tải và được đưa ra đóng gói Tất cả các hạt còn lại sẽ đi tiếp sang sàng tiếp theo tương ứng với loại 2 Tất cả các hạt cà phê không lọt qua sàng sẽ được đưa qua một hệ thống băng tải và được đưa

ra đóng gói Các hạt còn lại sẽ là những hạt khôn gdur tiêu chuẩn và sẽ bị loại bỏ

✓ Quá trình đóng gói

Hạt cà phê sẽ được đóng gói theo khối lượng Mỗi túi khoảng 1kg

❖ Sơ đồ công nghệ

Cho tất cả qua sàng 1

Lọt qua sàng1

Cho tất cả qua sàng 2

Lọt qua sàng2

Gạt sang băng tải

và đóng gói loại1

Gạt sang băng tải

và đóng gói loại2

6 Loại bỏ hạt không

đạt tiêu chuẩn

7

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

2.1.1 Panel điều khiển

Panel điều khiển là một bảng gồm các nút nhấn dùng để điều khiển cho hệ thống

2.1.2 PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực

PLC

động cơ băng tải

Động cơ băng tải

Tay gạt hạt cà phê

Trạm cân

khối lượng

Khối cách ly động cơ tay gạt

Khối cách ly động cơ đóng gói

Động cơ đóng gói

8

tế PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi

có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Delta, Mishubishi, Omron…

Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục "lặp" trong chương trình do "người sử dụng lập ra" chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu

ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các môi Modul mở rộng

- Giá cả cá thể cạnh tranh được

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các Logic thời gian Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả … Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch … sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn … Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I / O nhiều hơn

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với sử dụng các

bộ dây nối hay Relay

❖ Cấu trúc

9

Tất cả các PLC đều có thành phần chính là: Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM) Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC Các Modul vào /ra

Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM

để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lập trình

là đơn vị xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS485, …

Nguyên lý hoạt động của PLC

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ

Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:

• Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau

• Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu

• Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC

Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông qua Data Bus Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song

Nếu một module đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ chuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data bus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế

Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1¸8 MHZ Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống

10

Bộ nhớ

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp: Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay

Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý Bộ

vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này được gọi là quá trình đọc

Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng chứa 2.000 - 16.000 dòng lệnh, tùy theo loại vi mạch Trong PLC các bộ nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng

• RAM (Random Access Memory) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa

bỏ nội dung bất kỳ lúc nào Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi

bị mất Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình Khuynh hướng hiện nay dùng CMOS-RAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn

• EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵn trong máy, đã được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC Trên PG (Programer) có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM

• EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) liên kết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định Nội dung của nó

có thể được xóa và lập trình lại, tuy nhiên số lần lưu sửa nội dung là có giới hạn

• Môi trường ghi dữ liệu thứ tư là đĩa cứng hoặc đĩa mềm, được sử dụng trong máy lập trình Đĩa cứng hoặc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài

Kích thước bộ nhớ:

• Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 -1.000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo

Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện việc đóng hay ngắt mạch ở đầu ra

2.1.3 Các khối cách ly

Điện áp đầu ra chuẩn của PLC là điện áp 1 chiều 24V Điện áp này quá nhỏ

để có thể điề khiển được động cơ Vậy để dùng PLC điều khiển cho động cơ nhất thiết phải sử dụng các khối cách ly Bản chất của khối cách ly là sử dụng các role trung gian để điều khiển PLC sẽ điều khiển cuộn hút của role trung gian cuộn hút của role trung gian sẽ đóng mở các tiếp điểm của nó Tiếp điểm này sẽ dùng để cấp điện cho cuộn hút của contactor Contactor sẽ đóng cắt cấp điện cho động cơ

Tốc độ băng tải là 1m/s, tải trọng có ích 𝐹𝑡 =5000N

Công suất của bộ phận công tác:

𝑃𝑐𝑡 = 𝐹𝑡 𝑣 = 5000.1 = 5000 𝑊 = 5𝑘𝑊 Hiệu suất chung của hệ thống đạt vào khoản 0,83 Như vậy công suất cần thiết của động cơ:

12

𝑃𝑑𝑐 = 𝑃𝑐𝑡

0,83 =

50,83 = 6,02 𝑘𝑊 Chọn loại động cơ không động bộ ba pha có công suất 7,5 kW Hệ số công suất 0.85

2.2.2 Lựa chọn khối cách ly

❖ Lựa chọn Role trung gian

Khối các ly sử dụng role trung gian Role này được mắc trực tiêp vào PLC Điện áp đầu ra của PLC là 24V Vậy chọn loại role trung gian có điên áp của cuộn dây là 24V Dòng điện chịu đựng của tiếp điểm vào khoảng 5A

❖ Lựa chọn cảm biến khối lượng

Hệ thống cần đóng gói sản phẩm là cà phê với mỗi túi là 1Kg nên chúng ta cần sử dụng đến cảm biến khối lượng Cảm biến khối lượng sử dụng trong hệ thống là loại cảm biến với đầu ra là tín hiệu analog Khối lượng tỷ lệ thuận với điện áp đầu ra

✓ Cấu tạo của cảm biến khối lượng (Loadcell)

Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt của thân loadcell

13

✓ Nguyên lý hoạt động của Loadcell

Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác

Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị

Đó là lý do tại sao cầu điện trở Wheatstone còn được gọi là một mạch cầu cân bằng

14

Khi có tải trọng đặt trên Loadcell thì Loadcell bị biến dạng dẫn đến sự thay đổi về điện trở của các Strain Gauge làm cho mạch không còn ở trạng thái cân bằng nữa dẫn đến điện áp đầu ra thay đổi Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ chính vì vậy ta cần một bộ khuếch đại tín hiệu lên cao hơn Trong công nghiệp thì chuẩn analog là tín hiệu áp từ 0-10V hoặc tín hiệu dòng 4-20mA

Ở đây ta sử dụng tín hiệu điện áp từ 0-10V

❖ Lựa chọn PLC

Trong hệ thống có 3 tay gạt, 3 động cơ đóng gói, 5 nút nhấn, 3 trạm cân, 1 đèn báo hệ thống, 3 động cơ băng tải Như vậy chúng ta sử dụng tất cả là 8 đầu vào DI, 10 đầu ra DQ Như vậy ta chọn loại PLC S7-1200 AC/DC/Rly 6ES7 214-1BG40-0XB0 version 4.1 với số lượng đầu vào DIx14 đầu ra relay DQx10 Rly

✓ Giới thiệu về PLC S7-1200 AC/DC/Rly

S7-1200 ra đời năm 2009 dùng để thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội hơn

S7-1200 được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200

S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP SIMATIC S7 1200 PLC là một đề nghị mới của SIEMENS cho các nhiệm vụ

tự động hóa đơn giản nhưng chính xác cao SIMATIC S7 1200 PLC được thiết kế dạng module nhỏ gọn, linh hoạt, một sự đầu tư an toàn mạnh mẽ phù hợp cho một loạt các ứng dụng S7 1200 PLC có một giao diện truyền thông đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất của truyền thông công nghiệp và đầy đủ các tính năng công nghệ mạnh mẽ (Technology Fnction) tích hợp sẵng làm cho nó trở thành một giải pháp tự động hóa hoàn chỉnh và toàn diện

S7 1200 PLC bao gồm 4 phiên bản với nhiều tùy chọn cho người dùng, Tất cảc ác dòng CPU của Serial S71200 đều tíchh ợp giao tiếp Ethernet và cũng

có thể mở rộng giao diện truyền thông khác như RS232, RS485, Profibus,

AS-I

Màn hình SIMATIC HMI Basic được thiết kế tương thích hoàn toàn với

S7-1200 đảm bảo tích hợp và xây dựng ứng dụng tối ưu và nhanh chóng

• Các thành phần của PLC S7-1200 bao gồm:

- 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như điều khiển AC hoặc DC phạm vi rộng

15

- 2 mạch tương tự và số mở rộng điều khiển module trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản phẩm

- 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau

- 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP

- Điều khiển đèn chiếu sáng

- Điều khiển bơm cao áp

- Máy đóng gói

- Máy in

- Máy dệt

- Máy trộn v.v…