do an tot nghiep dung plc 1200

Trên đây là đề tài “Nghiên Cứu Các Tính Năng Của Plc S7 – 1200 Siemens, Ứng Dụng Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Phân Loại Sản Phẩm Của Chi Tiết Cơ Khí Với Chiều Cao Tương Ứng 5cm, 10cm, 15

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN - -

Giáo viên hướng dẫn : Th.S TRẦN THỊ HỒNG THẮM

Sinh viên thực hiện : Trần Văn Chung 1041040600

Nguyễn Hữu Cường 1041040526

Lớp : ĐH Điện 6 –K10

Hà Nội, 2019

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 3

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 4

LỜI CẢM ƠN 5

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG PHÂM LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO 7

1.1Đặt vấn đề 7

1.2Các băng truyền phân loại sản phẩm hiện nay 7

1.2.1Các loại băng tải 7

1.2.2Các loại băng truyền phân loại sản phẩm hiện nay 12

1.3Dây truyền phân loại sản phẩm theo chiều cao 13

1.3.1Giới thiệu chung 13

1.3.2Cấu tạo dây truyền phân loại sản phẩm theo chiều cao 13

1.3.3Nguyên lí hoạt động 14

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7 – 1200, CẢM BIẾN, CƠ CẤU CHẤP HÀNH 16

2.1Giới thiệu chung về bộ điều khiển PLC 16

2.1.1Lịch sử phát triển 16

2.1.2 Khái niệm PLC 18

2.1.3Phân loại 18

2.1.4Ứng dụng 18

2.1.5Ưu điểm, nhược điểm 19

2.1.6Cấu trúc PLC 20

2.2Tìm hiểu về PLC SIEMENS S7 – 1200 24

2.2.1 Cấu hình và điều hành SIEMENS S7 – 1200 24

2.2.2Đặc điểm và thông số một số loại CPU S7 – 1200 25

2.2.3Nguyên lý hoạt động 26

2.3Cảm biến 27

2.3.1Khái niệm 27

2.3.2Phân loại cảm biến 27

2.3.3Ứng dụng của cảm biến 28

2.4Động cơ điện một chiều 29

2.4.1Khái niệm 29

2.4.2Cấu tạo động cơ điện một chiều 30

2.4.3Nguyên lí hoạt động 33

2.5Băng tải 33

2.6Rơle 33

2.6.1Khái niệm 33

2.6.2Phân loại 34

2.6.3Rơle trung gian 35

2.7Các thiết bị điều khiển khí nén 35

2.7.1Van đảo chiều 35

2.7.2Van tiết lưu 37

2.7.3Xy lanh 39

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO TƯƠNG ỨNG 41

3.1Phần mềm lập trình TIA – PORTAL V13 41

3.1.1Trình tự các bước thiết kế chương trình điều khiển 41

3.1.2Kết nối và lựa chọn CPU 41

3.1.3Nạp chương trình xuống PLC 44

3.1.4Giao tiếp giữa máy tính và PLC 46

3.1.5Khởi tạo bảng tag mới 46

3.1.6Giám sát và thực hiện chương trình 48

3.2Sơ đồ khối của hệ thống 48

3.3Nguyên lí hoạt động của hệ thống 49

3.4Lưu đồ thuật toán 51

3.5Viết chương trình 52

3.6Xây dựng mạch lực 59

3.6.1Mạch đấu nối PLC 59

3.6.2Mạch khí nén điều khiển xylanh 59

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 61

4.1 Yêu cầu, mục đích đối với mô hình thực nghiệm 61

4.1.1 Yêu cầu đối với mô hình 61

4.1.2Mục đích 61

4.2Thiết kế và lựa chọn các thiết bị 61

4.2.1Lựa chọn PLC 61

4.2.2Cảm biến quang 62

4.2.3 Rơ le 63

4.2.4Van khí nén 63

4.2.5Động cơ và bộ giảm tốc 64

4.2.6 Băng tải 65

4.2.7Nguồn một chiều 66

4.3Mô hình mô phỏng trên phầm mềm TIA PORTAL V13 67

4.4 Đánh giá kết quả 68

KẾT LUẬN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cấu tạo chung của băng truyền 8

Hình 1.2: Băng tải dạng xích 10

Hình 1.3: Băng tải con lăn 10

Hình 1.4: Băng tải dạng cào 11

Hình 1.5: Băng tải dạng xoắn 11

Hình 2.1: PLC đầu tiên ra năm 1968 tại Hoa Kì 16

Hình 2.2: Một số loại PLC của SIEMENS 18

Hình 2.3: Cấu trúc của PLC 20

Hình 2.4: Sơ đồ khối PLC 23

Hình 2.5: Bảng tín hiệu 24

Hình 2.6: Môdun tín hiệu 24

Hình 2.7: Môdun truyền thông 24

Hình 2.8: Một số loại mođun 26

Hình 2.9: Cảm biến quang thu phát rời 28

Hình 2.10: Cảm biến quang thu phát chung 29

Hình 2.11: Một số loại động cơ thực tế 30

Hình 2.12: Kích thước dọc ngang của máy điện một chiều 30

Hình 2.13: Cấu tạo các cực 31

Hình 2.14: Một số loại băng tải gân và cao su 33

Hình 2.15: Một số loại rơ le 35

Hình 2.16: Rơle trung gian Omron 35

Hình 2.17: Nguyên lí hoạt động của van đảo chiều 36

Hình 2.18: Kí hiệu van 2/2 36

Hình 2.19: Kí hiệu van 3/2 37

Hình 2.20: Kí hiệu van 5/2 37

Hình 2.21: Cấu tạo van tiết lưu 38

Hình 2.22: Xylanh nén khí 39

Hình 2.23: Cấu tạo xylanh 39

Hình 3.1: Các bước thiết kế một chương trình điều khiển 41

Hình 3.2: Giao diện soạn thảo chính 42

Hình 3.3: Sau khi IP đã chọn đúng 45

Hình 3.4: Thiết lập ID 45

Hình 3.5: Tạm dừng PLC 46

Hình 3.6: Nạp chương trình xuống PLC 46

Hình 3.7: Kết nối PLC với máy tính 46

Hình 3.8: Giao diện chính để giám sát chương trình 48

Hình 3.9: Cửa sổ làm việc HMI 48

Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ thống 49

Hình 3.11: Lưu đồ của bài toán 51

Hình 3.12: Sơ đồ đấu nối PLC 59

Hình 3.13: Mạch khí nén 59

Hình 4.1: Loại CPU 1214C AC/DC/RLY 62

Hình 4.2: Cảm biến quang ORMON E3F2 62

Hình 4.3: Rơ le trung gian OMRON 63

Hình 4.4: Van đảo chiều 5/2 64

Hình 4.5: Động cơ giảm tốc 64

Hình 4.6: Băng tải loại PVC 66

Hình 4.7: Nguồn một chiều 24V 66

Hình 4.8: Giao diện khi OFF 67

Hình 4.9: Giao diện khi ON 67

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Một số loại băng tải 9 Bảng 2.1: Đặc điểm và thông số một số loại CPU S7-1200 25 Bảng 3.1: Bảng địa chỉ chương trình 52

CPU Central Processing Unit

EPROM Erasable Programmable Read-Only Memory

PID Proportional Intergral

PVC Polyvinyl clorua

VDC Volts Direct Current

EEPROM Erasable Erasable Programmable Read OnlyMemory

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Trần Thị Hồng Thắm

người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo nhóm em trong suốt quá trình làm khoá luận

Nhóm cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội nói chung, các thầy cô trong Bộ môn nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp nhóm có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ

em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên nhóm trong suốt quá trình học tập

và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay trong công nghiệp hiện đại hoá đất nước, yêu cầu ứng dụng tự động hoá ngày càng cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất (yêu cầu điều khiển tự động, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ…) Mặt khác nhờ công nghệ thông tin, công nghệ điện tử đã phát triển nhanh chóng làm xuất hiện một loại thiết

bị điều khiển khả trình PLC

Để thực hiện công việc một cách khoa học nhằm đạt được số lượng sản phẩm lớn, nhanh mà lại tiện lợi về kinh tế Dây chuyền sản xuất tự động PLC giảm sức lao động của công nhân mà sản xuất lại đạt hiệu quả cao đáp ứng kịp thời cho đời sống xã hội

Trên đây là đề tài “Nghiên Cứu Các Tính Năng Của Plc S7 – 1200 Siemens, Ứng Dụng Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Phân Loại Sản Phẩm Của Chi Tiết Cơ Khí Với Chiều Cao Tương Ứng 5cm, 10cm, 15 cm” do ThS TRẦN THỊ HỒNG THẮM hướng dẫn thực hiện

Đề tài gồm những nội dung sau:

Chương I: Sơ lược về hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước

Chương II: Giới thiệu về bộ điều khiển PLC S7 – 1200, cảm biến, cơ cấu chấp hành

Chương III: Thiết kế hệ thống điều khiển phân loại sản phẩm theo chiều cao tương ứng

Chương IV: Xây dựng mô hình thực nghiệm và đánh giá kết quả

Em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy cô trong bộ môn tự động hóa và đặc biệt là sự định hướng, chỉ bảo tận tình của cô giáo hướng dẫn đã giúp em hoàn thành đề tài một cách tốt nhất

Em rất mong nhận được sự góp ý chân thành của thầy cô và các bạn để hoàn thiện đề tài của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1:

SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG PHÂM LOẠI SẢN PHẨM

THEO CHIỀU CAO 1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, kĩ thuật điện tử

mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kĩ thuật, quản lí, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin…do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển của khoa học kĩ thuật thế giới nói chung và sự phát triển điều khiển tự động nó riêng Xuất phát từ những đợt đi thực tập ở nhà máy, cũng như đi tham quan thực tế tại các xí nghiệp, chúng em đã thấy được nhiều khâu tự động hóa trong quá trình sản xuất Một trong những khâu tự động trong dây truyền sản xuất tự động hóa đó là số lượng sản phẩm sản xuất

ra được các băng tải vận chuyển và hệ thống nâng gắp phân loại sản phẩm Đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc này vẫn chưa hoàn toàn được tự động vẫn phải sử dụng nhân công, chính vì vậy nhiều khi cho ra năng xuất thấp chưa đạt hiệu quả Từ những điều đã nhìn thấy trong thực tế cuộc sống và những kiến thức đã được học ở trường và muốn tạo ra hiệu xuất gấp nhiều lần mà vẫn đảm bảo độ chính xác về kích thước Nên chúng em đã quyết định và thi công mô hình để phân loại sản phẩm theo chiều cao vì nó gần gũi với thực tế, vì thực tế nhiều sản phẩm sản xuất ra đòi hỏi có sự chính xác về kích thước và nó thật sự có ý nghĩa với chúng em, góp phần làm cho

xã hội ngày càng phát triển

1.2 Các băng truyền phân loại sản phẩm hiện nay

1.2.1 Các loại băng tải

1.2.1.1 Giới thiệu chung về băng tải

Băng tải thường được dùng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệu rời theo phương ngang và phương nghiêng Trong các dây chuyền sản xuất, các thiết bị này được sử dụng rộng rãi như những phương tiện để vận chuyển

các cơ cấu nhẹ, trong các xưởng luyện kim dùng để vận chuyển quặng, than

đá, các loại xỉ lò trên các trạm thủy điện thì dùng vận chuyển nhiên liệu Trên các kho bãi thì dùng để vận chuyển các loại hàng bưu kiện, vật liệu hạt hoặc một số sản phẩm khác Trong một số ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, hóa chất thì dùng để vận chuyển các sản phẩm đã hoàn thành và chưa hoàn thành giữa các công đoạn, các phân xưởng, đồng thời cũng dùng

để loại bỏ các sản phẩm không dùng được

Với các ưu điểm như:

 Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo các hướng nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp giữa nằm ngang với nằm nghiêng

 Vốn đầu tư không lớn lắm, có thể tự động được, vận hành đơn giản, bảo dưỡng dễ dàng, làm việc tin cậy, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển khác không lớn lắm

1.2.1.2 Cấu tạo chung của băng tải

Hình 1.1: Cấu tạo chung của băng truyền

1_ Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật

2_Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo

3_Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo

4_Hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ, ) làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu tố làm việc

1.2.1.3 Các loại băng tải trên thị trường hiện nay

Khi thiết kế hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại

có thể lựa chọn một số loại băng tải sau:

Bảng 1.1: Một số loại băng tải

Băng tải dây đai <50kg

Vận chuyển từng chi tiết giữa các công đoạn hoặc thùng chứa trong gia công cơ và lắp ráp

Băng tải lá 25 ÷ 125 kg

Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh trong gia công chuẩn bị phôi

và trong lắp ráp

Băng tải thanh đẩy 50 ÷ 250 kg

Vận chuyển các chi tiết lớn giữa các bộ phận trên khoảng cách > 50m

Băng tải con lăn 30 ÷ 500 kg Vận chuyển chi tiết giữa các

bộ phận với khoảng cách <50m

Các lại băng tải xích, băng tải con lăn có ưu điểm là độ ổn định cao khi vận chuyển Tuy nhiên chúng đòi hỏi kết cấu cơ khí phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, giá thành khá đắt

Ứng dụng băng tải xích: Vận chuyển sản phẩm cần độ vững chắc như

tấm nâng hàng, dùng nhiều vào trong ngành thực phẩm, đặc biệt là trong sản xuất đồ uống và nông sản và trong các ngành công nghiệp lắp ráp và thiết bị điện tử: Ti vi, tủ lạnh, điều hoà, xe đạp điện, xe máy, ô tô,

Ứng dụng băng tải con lăn: trong các nhà máy sản xuất, sân bay, khu

công nghiệp…vận chuyển sản phẩm có đáy cứng như thùng hàng, khung pallet, thùng carton, sản xuất, chế tạo đến in ấn, vận chuyển…

 Băng tải dạng cào: sử dụng để thu dọn phoi vụn năng suất của băng tải loại này có thể đạt 1,5 tấn/h và tốc độ chuyển động là 0,2m/s Chiều dài của băng tải là không hạn chế trong phạm vi kéo là 10kN

Ứng dụng: sử dụng chủ yếu trong việc khải thác quặng, xi măng, than

đá…

Hình 1.2: Băng tải dạng xích

Hình 1.3: Băng tải con lăn

 Băng tải xoắn vít có 2 kiểu cấu tạo:

 Băng tải 1 buồng xoắn: Băng tải một buồng xoắn được dùng để thu dọn phoi vụn Năng suất băng tải loại này đạt 4 tấn/h với chiều dài 80cm

 Băng tải 2 buồng xoắn: có 2 buồng xoắn song song với nhau, 1 có chiều xoắn phải, 1 có chiều xoắn trái Chuyển động xoay vào nhau của các buồng xoắn được thực hiện nhờ một tốc độ phân phối chuyển động

Cả 2 loại băng tải buồng xoắn đều được đặt dưới máng bằng thép hoặc bằng xi măng

Ứng dụng: thường được dùng để nhào trộn, hoặc làm cho liệu được tời

rời ra cũng như trong ngành chế biến thức ăn gia súc (chuyên chở vật liệu dạng bột, dạng hạt)…

Hình 1.4: Băng tải dạng cào

1.2.2 Các loại băng truyền phân loại sản phẩm hiện nay

Phân loại sản phẩm là một bài toán đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong thực tế hiện nay Dùng sức người, công việc này đòi hỏi sự tập trung cao và có tính lặp lại, nên các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc Chưa kể đến có những phân loại dựa trên các chi tiết kĩ thuật rất nhỏ mà mắt thường khó có thể nhận ra Điều đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời là một sự phát triển tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này Tùy vào mức độ phức tạp trong yêu cầu phân loại, các hệ thống phân loại tự động có những quy mô lớn, nhỏ khác nhau

Theo yêu cầu sản xuất trong thực tế mà người ta có thể phân loại sản phẩm như sau:

 Phân loại theo kích thước( cao thấp, dài- ngắn)

 Phân loại theo khối lượng sản phẩm

 Phân loại theo màu sắc của sản phẩm

 Phân loại theo hình ảnh của sản phẩm

 Phân loại theo mã vạch của sản phẩm

Trong bất cứ hình thức phân loại nào thì đều phải sử dụng PLC Sau đây

ta sẽ tìm hiểu sơ qua về từng kiểu phân loại đó:

- Phân loại theo kích thước: kiểu phân loại này sử dụng các cảm biến quang hay hồng ngoại, để phát hiện và so sánh kích thước của sản phẩm, sau đó đưa tín hiệu về PLC và PLC thực hiện chức năng phân loại sản phẩm theo yêu cầu Kiểu phân loại này được sử dụng nhiều trong các nhà máy đóng chai,lọ, Ưu điểm lớn nhất của kiểu phân loại này đó là chi phí cho cảm biến khá thấp, lắp đặt đơn giản và dễ vận hành

- Phân loại theo khối lượng sản phẩm:kiểu phân loại này sử dụng cảm biến trọng lượng để phân biệt sản phẩm nặng nhẹ, đủ khối lượng yêu cầu hay chưa Cách hoạt động cũng giống như kiểu phân loại theo kích thước Và ta

có thế thấy hình thức phân loại này ở các nhà máy sản xuất xi măng, phân bón

hay nói chung là các nhà máy sản xuất sản phẩm dưới dạng đóng gói bao bì cần khối lượng chính xác

- Phân loại theo màu sắc của sản phẩm: sử dụng các cảm biến màu( mỗi cảm biến sẽ nhận biết một màu riêng biệt như xanh, đỏ, vàng, ) Cách thức hoạt động cũng giống như hai hình thức phân loại trên Ứng dụng của phân loại theo màu sắc chủ yếu trong công nghiệp vải lụa, sản xuất màu,

- Phân loại theo hình ảnh sản phẩm điều khác biệt trong hình thức này đó

là không sử dụng cảm biến mà người ta dùng camera để chụp ảnh của sản phẩm cần phân loại, sau đó đưa ảnh đó so sánh với ảnh gốc chuẩn xem sản phẩm đó thuộc loại nào Hiện nay thì hình thức phân loại này đang được ứng dụng để phân loại gạch granit

- Phân loại theo mã vạch của sản phẩm: đây là kiểu phân loại khá hiện đại sử dụng tới máy đọc mã vạch Nó chủ yếu được sử dụng với các sản phẩm

là linh kiện máy

1.3 Dây truyền phân loại sản phẩm theo chiều cao

1.3.1 Giới thiệu chung

Dây truyền phân loại sản phẩm theo chiều cao là kiểu phân loại theo kích thước của sản phẩm, mà cụ thể ở đây là phân loại theo chiều cao của sản phẩm mà phân ra các loại sản phẩm khác nhau (loại sản phẩm cao, thấy hay trung bình….)

Như đã nói ở trên thì dây truyền phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng nhiều trong việc phân loại các sản phẩm chai, lọ….như bia, rượu, nước đóng chai….Và đây là công đoạn cuối trong dây truyền sản xuất, có chức năng phân loại sản phẩm và đưa vào các thùng chứa tương ứng

1.3.2 Cấu tạo dây truyền phân loại sản phẩm theo chiều cao

- Hệ thống giá đỡ hay bộ khung

- Băng tải

- Con lăn

- Hệ thống động lực gồm ( động cơ, rơle, cơ cấu bánh răng và dây đai truyền động )

 Giai đoạn 1: Nhận biết mức chiều cao của sản phẩm: Đầu tiên, khi cấp nguồn cho động cơ thì băng tải bắt đầu chuyển động; đồng thời nếu có sản phẩm đi vào thì nó sẽ di chuyển theo chiều của băng tải Các cảm biến sẽ do người quản lí bố trí sao cho phù hợp với các mức chiều cao của sản phẩm cần phân loại Các cảm biến này có thể là cảm biến quang hay hồng ngoại, có nhiệm vụ phân biệt sản phẩm đi qua là ở mức chiều cao nào ( cao hay thấp…), sau đó đưa tín hiệu về PLC để xử lý PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến truyền về, sẽ căn cứ vào chương trình đã được lập trình sẵn bên trong mà sẽ nhận biết được mức chiều cao của sản phẩm đó và ra lệnh điều khiển đến các tay đẩy tương ứng

 Giai đoạn 2: Đẩy sản phẩm vào thùng chứa tương ứng: Sau khi sản phẩm đi qua khu vực phân loại đặt các cảm biến thì tiếp tục di chuyển trên băng tải đến khu vực đặt các tay đẩy Tại đây, các tay đẩy sẽ căn

cứ vào sự điều khiển của PLC mà thực hiện đẩy vật vào thùng chứa đặt

ở dưới 1 cách chính xác

Trên đây chỉ trình bày chức năng cơ bản nhất, quan trọng nhất của dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao Trên thực tế dây chuyền còn thực hiện thêm nhiều chức năng khác nữa như: đếm sản phẩm, hiển thị số,

Kết luận: Qua Chương 1 này đã nêu ra vấn đề cũng như tính cấp thiết

của hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao trong các nhà máy xí nghiệp Cấu tạo các loại băng tải và ứng dụng của của các băng tải vào trong dây truyền sản xuất Các loại dây truyền, cấu tạo và nguyên lí hoạt động của băng

tải mà dùng trong mô hình Tuy nhiên vẫn còn những thiếu sót do kiến thức

có hạn Sang Chương 2 này chúng em tìm hiểu để hiểu rõ hơn về cấu tạo và các loại CPU của PLC, cảm biến và cơ cấu chấp hành trong việc phân loại sản phẩm theo chiều cao

CHƯƠNG 2:

GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7 – 1200,

CẢM BIẾN, CƠ CẤU CHẤP HÀNH 2.1 Giới thiệu chung về bộ điều khiển PLC

2.1.1 Lịch sử phát triển

Ngày nay tự động hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng đời sống và công nghiệp, tự động hóa đã phát triển vượt bậc nhờ những tiến bộ của lý thuyết điều khiển tự động, tiến bộ của ngành điện - điện tử, Công nghệ thông tin…Chính vì vậy mà nhiều hệ thống điều khiển tự động ra đời, nhưng phát triển mạnh và có khả năng ứng dụng rộng rãi là Bộ điều khiển lập trình PLC

Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable controller) đã được những kỹ sư Công ty General Motor – Hoa Kỳ đã sáng chế và cho ra đời năm

1968

Với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng các yêu cầu điều khiển:

 Dễ lập trình và thay đổi chương trình

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

 Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất

Hình 2.1: PLC đầu tiên ra năm 1968 tại Hoa Kì

Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống Vì vậy các nhà thiết

kế - chế tạo từng bước cải tiến hệ thống trở nên đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành hơn

Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969 Điều này đã tạo ra sự thuận lợi và phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình điều khiển Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển thời

kỳ đầu Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống

Đó là tiêu chuẩn: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang

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

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

 Bộ lưu trữ dữ liệu nhiều hơn

 Nhiều loại Module chuyên dùng hơn

Trong những năm đầu thập niên 1970, với sự phát triển của công nghệ phần mềm, bộ lập trình điều khiển PLC không chỉ thực hiện các lệnh Logic đơn giản mà còn có thêm các lệnh về định thì, đếm sự kiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung, xử lý thời gian thực

Từ năm 1970 cho đến nay, bộ điều khiển lập trình PLC đã trở thành một thiết bị không thể thiếu trong công nghiệp tự động

Các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ Tốc độ của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn Bên cạnh đó, PLC được chế tạo có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC được mở rộng hơn

2.1.2 Khái niệm PLC

Bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, xử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ

các lệnh và thực hiện các chức năng I/O, timer, counter PLC có thể coi là một máy tính thu nhỏ, nhưng PLC được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp

2.1.3 Phân loại

PLC được phân loại theo một trong 2 cách sau:

 Phân loại theo hãng sản xuất: Siemen, Omron, Mitshubishi, Alenbratlay…

 Phân loại theo phiên bản: PLC của Siemem có các phiên bản

 Thủy tinh và phim ảnh: quá trình đóng gói, thí nghiệm vật liệu, cân đong, các khâu hoàn tất sản phẩm, do cắt giấy

 Bột giấy, giấy, xử lý giấy: Điều khiển máy băm, quá trình ủ boat, quá trình cáng, quá trình gia nhiệt

 Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: Phân loại sản phẩm, đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm, kiểm soát quá trình sản xuất, bơm (bia, nước trái cây ) cân đong, đóng gói, hòa trộn

 Kim loại: Điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), quy trình sản xuất, kiểm tra chất lượng

 Năng lượng: điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý các tuabin ) các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than,

gỗ, dầu mỏ)

2.1.5 Ưu điểm, nhược điểm

2.1.5.1 Ưu điểm

Từ thực tế sử dụng người ta thấy rằng PLC có những điểm mạnh như sau:

 Giảm đến 80% số lượng dây nối

 Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp

 Khả năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho việc sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng

 Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình, khi không có các yêu cầu thay đổi các đầu vào ra thì không cần phải nâng cấp phần cứng

 Giảm thiểu số lượng rơle và timer so với hệ điều khiển cổ điển

 Không hạn chế số lượng tiếp điểm sử dụng trong chương trình

 Thời gian để một chu trình điều khiển hoàn thành chỉ mất vài ms, điều này làm tăng tốc độ và năng suất PLC

 Chương trình điều khiển có thể được in ra giấy chỉ trong thời gian ngắn giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống

 Chức năng lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học

 Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

 Dung lượng chương trình lớn để có thể chứa được nhiều chương trình phức tạp

 Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

 Dễ dàng kết nối được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, kết nối mạng Internet, các Modul mở rộng

 Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ

 Giá bán cạnh tranh

2.1.5.2 Nhược điểm

Do chưa tiêu chuẩn hoá nên mỗi công ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngôn ngữ lập trình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất toàn cục về hợp thức hoá

Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá của một bộ PLC đắt hơn khi sử dụng bằng phương pháp rơle

Bộ xử lí Giao

diện nhập

Nguồn công xuất

Hình 2.3: Cấu trúc của PLC

a Bộ xử lí PLC

Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử

lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu động trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất

Bộ nguồn

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp DC (5V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện có trong các module giao diện nhập và xuất

b Bộ nhớ

Bộ nhớ là nơi lưu chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển, dưới sự kiểm tra của bộ vi xử lý Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ:

 Bộ nhớ chỉ để đọc ROM (Read Only Memory) cung cấp dung lượng lưu trữ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định được CPU sử dụng

 Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM (Ramden Accept Memory) dành cho chương trình của người dùng

 Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM dành cho dữ liệu Đây là nơi lưu trữ thông tin theo trạng thái của các thiết bị nhập, xuất, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn các bộ đếm và các thiết bị nội vi khác

RAM dữ liệu đôi khi được xem là bảng dữ liệu hoặc bảng ghi

Một phần của bộ nhớ này, khối địa chỉ, dành cho các địa chỉ ngõ vào, ngõ ra, cùng với trạng thái của ngõ vào và ngõ ra đó Một phần dành cho dữ liệu được cài đặt trước, và một phần khác dành để lưu trữ các giá trị của bộ đếm, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn, vv… Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được (EPROM): Là các ROM có thể được lập trình, sau đó các chương trình này được thường trú trong ROM

Người dùng có thể thay đổi chương trình và dữ liệu trong RAM Tất cả các PLC đều có một lượng RAM nhất định để lưu chương trình do người

dùng cài đặt và dữ liệu chương trình Tuy nhiên để tránh mất mát chương trình khi nguồn công suất bị ngắt, PLC sử dụng ác quy để duy trì nội dung RAM trong một thời gian Sau khi được cài đặt vào RAM chương trình có thể được tải vào vi mạch của bộ nhớ EPROM, thường là module có khoá nối với PLC, do đó chương trình trở thành vĩnh cửu Ngoài ra còn có các bộ đệm tạm thời lưu trữ các kênh nhập/xuất (I/O)

Dung lượng lưu trữ của bộ nhớ được xác định bằng số lượng từ nhị phân

có thể lưu trữ được Như vậy nếu dung lượng bộ nhớ là 256 từ, bộ nhớ có thể lưu trữ 256x8 = 2048 bit, nếu sử dụng các từ 8 bit và 256x16 = 4096 bit nếu

sử dụng các từ 16 bit

c Thiết bị lập trình

Thiết bị lập trình được sử dụng để nhập chương trình vào bộ nhớ của bộ

xử lý Chương trình được viết trên thiết bị này sau đó được chuyển đến bộ

nhớ của PLC

d Các phần nhập và xuất

Là nơi bộ xử lý nhận các thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài Tín hiệu nhập có thể đến từ các công tắc hoặc từ các bộ cảm biến… v…v… Các thiết bị xuất có thể đến các cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van solenoid vv…

Thiết bị Logic khả trình PLC là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển, thông qua một ngôn ngữ lập trình riêng thay cho việc phải thiết kế và thể hiện thuật toán đó bằng mạch số Như vậy với chương trình điều khiển của nó PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ trao đổi thông tin với môi trường bên ngoài (Với PLC khác, với các thiết bị, với máy tính cá nhân) Toàn bộ chương trình điều khiển được nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và được thực hiện theo chu kỳ vòng quét (SCAN)

Có rất nhiều loại PLC của các hãng khác nhau nhưng chúng đều có một nguyên lý chung như hình vẽ dưới đây:

 INPUT: Khối đầu vào

 OUTPUT: Khối đầu ra

 COM: Cổng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi (Máy tính, bộ lập trình)

 CPU: Bộ vi sử lý trung tâm

Như vậy PLC thực chất hoạt động như một máy tính cá nhân nghĩa là phải có bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ để lưu giữ chương trình điều khiển,

dữ liệu, có cổng vào ra để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài Bên cạnh đó

PLC còn có các bộ Counter, Time để phục vụ bài toán điều khiển

2.2.2 Đặc điểm và thông số một số loại CPU S7 – 1200

Hiện nay, PLC S7-1200 có nhiều dòng CPU khác nhau như: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C và đồng thời người dùng có nhiều sự lựa chọn với các nguồn điện áp AC/DC, tín hiệu đầu vào/ra relay/DC Tuy nhiên, tùy ứng dụng và chương trình mà người dùng lựa chọn CPU cho phù hợp với cấu hình hệ thống và giá thành để làm cho hệ thống hoạt động tốt nhưng kinh tế nhất

Bảng 2.1: Đặc điểm và thông số một số loại CPU S7-1200

1211C

CPU 1212C

CPU 1214C

CPU 1215C

Digital 6DI/4DO 8DI/DO 14DI/10DO

I0.0 – I0.5 I0.0 – I0.5

30/¹ 20 KHz

- I0.6 – I0.7 I0.6 – I1.5

tới các thiết bị liên kết để thực thi và toàn bộ các hoat 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 tới các module khác nhau

+ Data bus:bus dùng để truyền dữ liệu

+ Control bus:bus điều khiển dung để truyen các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC

Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bên cạnh 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

có khả năng thay đổi một cách uyển chuyển theo môi trường hoạt động

2.3.2 Phân loại cảm biến

Theo nguyên lý của cảm biến:

 Cảm biến điện trở

 Cảm biến điện từ

 Cảm biến tĩnh điện

 Cảm biến hóa điện

 Cảm biến nhiệt điện

 Cảm biến điện tử và ion

Theo tính chất nguồn điện:

 Cảm biến phát điện

 Cảm biến thông số

Theo phương pháp đo:

 Cảm biến biến đổi trực tiếp

 Cảm biến bù

2.3.3 Ứng dụng của cảm biến

Phạm vi ứng dụng của cảm biến:

 Công nghiệp, nông nghiệp

 Nghiên cứu khoa học

 Môi trường, khí tượng

 Thông tin viễn thông, quân sự

 Dân dụng, giao thông, vũ trụ

2.3.4 Cảm biến quang điện

Cảm biến quang là cảm biến hoạt động dựa trên nguyên tắc phát và thu tín hiệu ánh sáng Có 2 dạng cảm biến quang:

- Cảm biến quang dạng thu và phát rời:

Là cảm biến gồm hai bộ phát và thu tách rời ra riêng biệt Các thiết bị chuyển mạch quang điện vận hành theo kiểu truyền phát, vật thể cần phát hiện

sẽ chắn chùm ánh sáng( thường là bức xạ hồng ngoại) không cho chúng chiếu tơi thiêt bị dò

Hình 2.9: Cảm biến quang thu phát rời

- Cảm biến quang dạng thu và phát chung:

Là cảm biến gồm hai phần phát và thu được gộp chung thành một khối Các thiết bị chuyển mạch quang vận hành theo kiểu phản xạ, vật thể cần phát hiện sẽ phản chiểu chùm ánh sáng lên thiết bị dò

Trong cả hai loại trên, cực phát xạ thông thường là Diode phát quang (LED)

Thiết bị dò bức xạ có thể là Transitor quang, thường là hai Transitor được gọi là cặp Darlingon Cặp Darlington làm tăng độ nhạy của thiết bị Tùy theo mạch được sử dụng đầu ra có thể được chế tạo để chuyển mạch đến mức thấp khi ánh sáng đến Transitor

Khoảng cách phát hiện vật thể tùy thuộc vào từng chủng loại Có những loại chỉ phát hiện được vật thế trong phạm vi nhỏ từ 20mm-160mm như series E3Z-LS của OMRON Nhưng cũng có những series phát hiện vật thể từ khoảng cách 30m như E3Z-T62, E3Z -T82 của OMRON,

2.4 Động cơ điện một chiều

Hình 2.11: Một số loại động cơ thực tế

Hình 2.12: Kích thước dọc ngang của máy điện một chiều

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

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

 Tải trọng băng tải nhẹ

 Dễ điều khiển, giá thành rẻ

2.4.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Giống như những máy điện quay khác nó cũng gồm phần đứng im (stato)

và phần quay (rô to) Về chức năng máy điện một chiều cũng được chia thành phần cảm (kích từ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng) Khác với máy điện đồng bộ ở máy điện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng là ở rôto Trên hình 2.10 biểu diễn cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm các bộ phận chính

1- Thép 6- Cuộn phần ứng

2- Cực chính với cuộn kích từ 7- Thiết bị chổi

3- Cực phụ với cuộn dây 8- Cổ góp

4- Hộp ổ bi 9- Trục

5- Lõi thép 10- Nắp hộp đấu dây

Stato máy điện một chiều là phần cảm, nơi tạo ra từ thông chính của máy Stato gồm các chi tiết sau:

a)Cực chính b)Cực phụ

 Cực chính

Trên hình 3.3 biểu diễn một cực chính gồm: Lõi cực 2 được làm bằng các lá thép điện kỹ thuật ghép lại, mặt cực 4 có nhiệm vụ làm cho từ thông dễ

đi qua khe khí

Cuộn dây kích từ 3 đặt trên lõi cực cách điện với thân cực bằng một khuôn cuộn dây cách điện Cuộn dây kích từ làm bằng dây đồng có tiết diện tròn, cuộn dây được tẩm sơn cách điện nhằm chống thấm nước và tăng độ dẫn nhiệt Để tản nhiệt tốt cuộn dây được tách ra thành những lớp, đặt cách nhau một rãnh làm mát

 Cực phụ

Cực phụ nằm giữa các cực chính, thông thường số cực phụ bằng ½ số cực chính số cực chính Lõi thép cực phụ (2) thường là bột thép ghép lại, ở những máy có tải thay đổi thì lõi thép cực phụ cũng được ghép bằng các lá

Hình 2.13: Cấu tạo các cực

thép cuộn dây 3 đặt trên lõi thép 2 Khe khí ở cực phụ lớn hơn khe khí ở cực chính

 Thân máy

Thân máy làm bằng gang hoặc thép, cực chính và cực phụ được gắn vào thân máy Tuỳ thuộc vào công suất của máy mà thân máy có chứa hộp ổ bi hoặc không Máy có công suất lớn thì hộp ổ bi làm rời khỏi thân máy Thân máy được gắn với chân máy Ở vỏ máy có gắn bảng định mức với các thông