Đồ án: Điều khiển tự động

Đồ án Điều khiển tự động có kết cấu nội dung gồm 6 chương, nội dung đồ án trình bày tổng quan hệ thống chiếu rót và đóng nắp chai, tổng quan về PLC S7-300, lựa chọn thiết bị và phương án cho dây chuyền,... Đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn chuyên ngành Kỹ thuật - Công nghệ.

Chương 1

TỔNG QUAN HỆ TH

1.1 Khái niệm

Hệ thống chiết rót và đóng

thể thiếu trong quá trình sản xu

thống sẽ giúp việc chiết rót và đóng n

sản phẩm sẽ được tạo ra nhanh

tế, giảm sức lao động của con ngư

Hình 1.1: Mô hình 1.2 Phân loại dây chuyền

- Theo qui mô:

 Các công đoạn riêng lẻ

 Các công đoạn gọp chung 1 mô hình ( 3 trong 1)

THỐNG CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮ

t rót và đóng nắp chai là một trong những khâu quan tr

n xuất của các công ty sản xuất dung dịch lỏng đóng chai H

1.3.Mô tả dây chuyền thực hi

Yêu cầu công ngh

- Dây chuyền th

sử dụng chai PET đ

- Loại chất lỏng: có khí gaz ( khí CO

- Áp suất nước trong h

- Điện áp sử dụng: 1 pha 220V, 3 pha 380 V có t

- Các biện pháp an toàn đi

phát hiện có chai 

rót  băng tải chạy

đóng nút chai  sau 2 giây

chai  dừng băng t

khâu khác tiếp theo……

c hiện đồ án:

u công nghệ:

n thực hiện đồ án là dây chuyền chiết rót chất l

ng chai PET để chiết rót

ng: có khí gaz ( khí CO2)

c trong hệ thống: có áp suất trung bình không quá 10kgf/cmng: 1 pha 220V, 3 pha 380 V có tần số 50Hz

n pháp an toàn điện: hệ thống phải được thiết kế

ng và có nút khẩn cấp khi gặp sự cố xảy ra

n thiết bị: được thiết kế bằng thép không g

u được lực rung lớn

c: chịu áp lực cao bằng PVC hoặc bằng thép không g

o yêu cầu vệ sinh, không có gỉ sét hay nấm mốc,…

t quá trình hoạt động của dây chuyền này:

Sau quá trình tẩy rửa và chuẩn bị chai xong và kiểm tra chai khuy

n, chai bị mốp,…)  đưa chai lên băng tải 

 Dừng băng tải và chai sẽ được chiết rót 

y  Khi cảm biến 2 phát hiện có chai  Dsau 2 giây  băng tải chạy  khi cảm biến 3 phát hi

ng băng tải và đóng dấu  sau 2 giây  băng tải ch

m tra chai khuyết tật ( Khi cảm biến 1 sau 5 giây chiết Dừng băng tải và

n 3 phát hiện có

ạy đưa chai qua

1.4.Sơ đồ khối hệ thống

Quá trình tẩy r

và vệ sinh chai hoàn tất

Quá trình đóng nắp cho chai khi CB2 tác động

Quá trình dán nhãn lên nắp chai khi CB3 tác đ

y rửa sinh chai Đưa chai lên trên băng tải b

chu trình

Quá trình chichất lỏng vào chai khi CB1 tác đ

Chai đưa đtrình tiếp theo

Đưa chai lên trên

i bắt đầu chu trình

Quá trình chiết rót

ng vào chai khi CB1 tác động

Chai đưa đến quá

p theo

Chương 2

TỔ2.1 Giới thiệu chung

Để đáp ứng yêu cầu tự

có nhiều thay đổi về thiết bị

phát minh ra bộ điều khiển lập

Sự phát triển của PLC

nên nhanh nhạy, dễ dàng và tin

phương pháp điều khiển truyền

trong môi trường công nghiệp

nổi bật của S7-300 đó là ngôn

yêu cầu chuyên biệt Hoặc ta

riêng cho ứng dụng mà ta cần

Ngoài ra S7-300 còn xây

300 sẽ có những modul tích hợp

ỔNG QUAN VỀ PLC S7-300

ự động hóa ngày càng tăng đòi hỏi kỹ thuật

ị cũng như về phương pháp điều khiển Vì

trường có các loại PLC của các hãng sản xuất như:

Siemens, ABB, Allen Bradley

xin trình bày về Simatic S7-300 của Siemens

phẩm cao cấp, được dùng cho những ứngthời gian đáp ứng nhanh, yêu cầu kết nối m

dạng cho phép người sử dụng có quyền chọn ngữ lập trình cung cấp những hàm toán đa d

ta có thể sử dụng ngôn ngữ chuyên biệt để

xây dựng phần cứng theo cấu trúc modul, nghĩa

ợp cho những ứng dụng đặc biệt Ứng dụng trong sản xuất

điều khiển phải

Vì vậy người ta

thao tác máy trở hoàn toàn cho các việt và thích hợp

nâng cấp

quan trọng để

như: Omron,

ứng dụng lớn với mạng và có khả

ọn lựa Đặc điểm dạng cho những

ể xây dựng hàm

ĩa là đối với

S7-ệt Ứng dụng trong sản xuất

và dân dụng như:

– Điều khiển robot công nghiệp

– Hệ thống xử lý nước sạch

– Điều khiển trong các cẩu trục

– Điều khiển dây chuyền băng tải

– Máy chế tạo công cụ

– Máy dệt may v.v

2.2.Các hệ thống modul của S7

Hình 2.1 Mô hình h

Để tăng tính mềm dẻo trong ứng

khiển có số tín hiệu đầu vào,

các bộ điều khiển PLC được

dụng theo kiểu các modul, số

tối thiểu bao giờ cũng có một

hiệu với các đối tượng điều

khiển động cơ, van thuỷ khí

ều khiển robot công nghiệp

ớc sạch

ều khiển trong các cẩu trục

ều khiển dây chuyền băng tải

ợc thiết kế không bị cứng hoá về cấu hình

ố lượng modul nhiều hay ít tuỳ vào yêu cầu

ột modul chính là CPU, các modul còn lại khiển, các modul chức năng chuyên dụng …Chúng gọi chung là modul mở rộng Cấu

đối tượng điều vào/ra khác nhau mà Chúng được sử

ầu thực tế, xong nhận truyền tín ụng như PID, điều

ấu hình của một

trạm PLC S7-300 như hình 2.1

Modul CPU là loại modul

gian, bộ đếm, cổng truyền thông

cổng vào ra số có trên modul

nhiều loại modul CPU khác nhau

modul CPU312, modul CPU314,

bộ vi xử lý, nhưng khác nhau

biệt được tích hợp sẵn trong

vào/ra onboard này sẽ được phân

(Intergrated Function Module)

Ngoài ra còn có các loại module

thông thứ hai có chức năng chính

này phân biệt với các loại

modul khác bằng cụm từ DP (Distributed

Hình 2.2 Các khối chức năng bên ngoài CPU S7-300

nhớ, các bộ thời ổng vào ra số Các Onboard PLC S7_300 có

có trong nó như

sử dụng 1 loại các khối hàm đặc

ử dụng các cổng thêm cụm chữ IFM modul CPU314 IFM

đó cổng truyền Các loại modul (Distributed Port) như là

300

2.3.Các modul mở rộng

Thiết bị điều khiển SIMATIC S7

này sử dụng trong nhiều ứng d

cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ v

được sử dụng nhiều hay ít phụ thuộc v

cũng phải có một modul chính

tín hiệu với đối tượng điều khiển b

relay, van điện từ,…Chúng đư

ra tùy từng loại modul

- AI (analog input): Modul m

vào tương tự đư

- AO (analog output): Modul m

tương tự được mở rộng l

- AI/AO (analog input/analog output):

tương tự…Số các cổng vhoặc 4 vào/ 4 ra tùy t

ết bị điều khiển SIMATIC S7-300 được thiết kế theo kiểu modul Các modul

dụng khác nhau Việc xây dựng cấu trúc modul rất thuận lợi

ệc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mở rộng hệ thống Số modul

ợc sử dụng nhiều hay ít phụ thuộc vào ứng dụng khác nhau nhưng tối thiểu bao giờ

ũng phải có một modul chính là CPU, các modul còn lại là những modul truyền v

ợng điều khiển bên ngoài như động cơ, các đèn báo, nút nhChúng được gọi chung là các modul mở rộng

ở rộng của PLC S7-300 chia làm 5 loại:

ower Supply (PS): module nguồn nuôi, có 3 loại là 2A, 5A và 10A

Signal Module (SM): module tín hiệu vào ra số, tương tự

ở rộng tín hiệu vào/ra gồm có:

digital input): Modul mở rộng các cổng vào số Số l

ợc mở rộng là 8,16,32 tùy từng loại modul

digital output): Modul mở rộng các cổng ra số Số lượng các cổng ra

ợc mở rộng là 8,16,32 tùy từng loại modul

DI/DO (digital input/ digital output): modul mở rộng các cổng vố…Số các cổng vào/số số mở rộng có thể là 8 vào/ 8 ra ho

ừng loại modul

analog input): Modul mở rộng các cổng vào tương t

được mở rộng là 2,4,8 tùy từng loại modul

AO (analog output): Modul mở rộng các cổng ra tương tự Số các cổng ra

ợc mở rộng là 2,4 tùy từng loại modul

AI/AO (analog input/analog output): modul mở rộng các cổng v

ự…Số các cổng vào/số tương tự mở rộng có thể lào/ 4 ra tùy từng loại modul

ợc thiết kế theo kiểu modul Các modul ụng khác nhau Việc xây dựng cấu trúc modul rất thuận lợi

 Các CPU của S7-300 ch

phải được chuyển đổi th

dụng cũng có thể thiết lập các thông số cho các modul analog

c Interface Module (IM)

với nhau Một CPU có thể làm vi

mở rộng và các rack được nối với nhau bằng Module IM

- IM 360: là modul ghép n

trên đó với khoảng cách tối đa l

- IM 361: là modul ghép n

chứa 8 modul trmột nguồn 24VDC cho mỗi tầng

300 chỉ xử lý được tín hiệu số, vì vậy các tín hiệu analog đều

ợc chuyển đổi thành các tín hiệu số Cũng như các modul sụng cũng có thể thiết lập các thông số cho các modul analog

Interface Module (IM): module ghép nối, ghép nối các thành ph

àm việc trực tiếp nhiều nhất 4 rack, mỗi rack tối đa 8 Module

ợc nối với nhau bằng Module IM

IM 360: là modul ghép nối có thể mở rộng thêm một tầng chứa 8 modul

ới khoảng cách tối đa là 10 m lấy nguồn từ CPU

IM 361: là modul ghép nối có thể mở rộng thêm bat tầng với một tầng

ứa 8 modul trên đó với khoảng cách tối đa là 10 m đòi h

ột nguồn 24VDC cho mỗi tầng

IM 365: là modul ghép nối có thể mở rộng thêm một tầng chứa 8 modul

ới khoảng cách tối đa là 10 m lấy nguồn từ CPU

Function Module (FM): module chức năng điều khiển riêng Ví d

ớc, module điều khiển PID Communication Processor (CP): Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa

ặc giữa PLC với máy tính

êng Ví dụ module điều

ục vụ truyền thông trong mạng giữa

2.4 Kết nối

PlC S7-300 có thể kết nối với nhiều chuẩn mạng khác nhau nh

CAN, DeviceNet, ASi

Profibus là một tiêu chu

Âu EN 50170 và EN 50254 Trong s

nghiệp và tự động hóa tòa nhà, các m

động như hệ thống truyền thông, trao đổi thông tin giữa các hệ thống tự động

thiết bị hiện trường phân tán Chuẩn n

cấp khác nhau giao tiếp với nhau m

với truyền tải dữ kiện trên 2 dây d

cao Các hệ thống điện đã được nối với nhau bởi mạng CAN 2 dây n

DeviceNet là một hệ thố

của CAN, dùng để nối mạng cho các thiết bị đ

ể kết nối với nhiều chuẩn mạng khác nhau nh

êu chuẩn mạng trường mở quốc tế theo chuẩn mạng

Âu EN 50170 và EN 50254 Trong sản xuất, các ứng dụng tự động hóa quá tr

òa nhà, các mạng trường nối tiếp (serial fieldbus) có thể hoạt

ệ thống truyền thông, trao đổi thông tin giữa các hệ thống tự động

ờng phân tán Chuẩn này cũng cho phép các thiết bị của nhiều nh

ấp khác nhau giao tiếp với nhau mà không cần điều chỉnh giao diện đặc biệt

ương tiện truyền tin xoắn đôi và RS485 chuẩn công nghiệp trongứng dụng sản xuất hoặc IEC 1158-2 trong điều khiển quá trình Profibus c

Hình 2.4 Ví dụ kết nối Profibus S7-300

ết tắt của Controller Area Network và được tạm dịch là Mạng Điều Khiển

ời gần như đáp ứng nhiều vấn đề cho các hệ thống điện trong xe,

ên 2 dây dẫn, tốc độ truyền tải cao, độ sai số rất thấp, độ tin cậy

ợc nối với nhau bởi mạng CAN 2 dây này

ột hệ thống bus được hãng Allen-Bradley phát triển dựa tr

ể nối mạng cho các thiết bị đơn giản ở cấp chấp hành Sau này, chu

ể kết nối với nhiều chuẩn mạng khác nhau như PROFIBUS,

ờng mở quốc tế theo chuẩn mạng trường châu

ản xuất, các ứng dụng tự động hóa quá trình công

ờng nối tiếp (serial fieldbus) có thể hoạt

ệ thống truyền thông, trao đổi thông tin giữa các hệ thống tự động hóa và các

ũng cho phép các thiết bị của nhiều nhà cung

ần điều chỉnh giao diện đặc biệt

ẩn công nghiệp trong ình Profibus cũng có thể

ạng Điều Khiển ứng nhiều vấn đề cho các hệ thống điện trong xe,

ẫn, tốc độ truyền tải cao, độ sai số rất thấp, độ tin cậy

ển dựa trên cơ sở ành Sau này, chuẩn

DeviceNet được chuyển sang dạng mở d

DeviceNet Vendor Asscociation) và đư

Hệ thống AS-I (Actuator Sensor Interface) là h

thống tự động hóa Các cơ cấu chấp h

động qua bus giao tiếp AS (AS

xuất thiết bị cảm biến và cơ c

SIEMENS AG, Festo KG, Peppert & Fuchs GmbH

máy tính Mỗi một chương trình

chung gồm “tên lệnh + toán hạng”

– Dạng FBD: Phương pháp h

thói quen thiết kế mạch điều khiển số

– Dạng SCL: Có cấu trúc gần giống với ngôn ngữ dạng STL nh

nhiều hơn Nó gần giống với các ngôn ngữ bậc cao nh

tác

Hình 2.5 Ví dụ về ngôn ngữ LAD

ợc chuyển sang dạng mở dưới sự quản lý của hiệp hội ODVA (Open DeviceNet Vendor Asscociation) và được dữ thảo chuẩn hóa IEC 62026-3

(Actuator Sensor Interface) là hệ thống kết nối cho cấp thấp nhất trong hệ

ấu chấp hành và cảm biến được nối với trạm hệ thống tự ộng qua bus giao tiếp AS (AS-I bus) AS-I là kết quả phát triển hợp tác của 11 h

à cơ cấu chấp hành có tên tuổi trong công nghiệp, trong đó có SIEMENS AG, Festo KG, Peppert & Fuchs GmbH

ình qua các ngôn ngữ như: Step 7 (LAD/FBD/STL), SCL,

ương pháp hình thang, thích hợp với những người quen thiết kế

ương pháp liệt kê Là dạng ngôn ngữ lập trình thông th

ình được ghép bởi nhiều câu lệnh, mỗi câu lệnh có cấu trúc ệnh + toán hạng”

ương pháp hình khối Là kiểu ngôn ngữ đồ họa dành cho ngư

ết kế mạch điều khiển số

ạng SCL: Có cấu trúc gần giống với ngôn ngữ dạng STL nhưng đư

ần giống với các ngôn ngữ bậc cao như Pascal để người lập tr

ời quen thiết kế

ình thông thường của ệnh, mỗi câu lệnh có cấu trúc

ành cho người có

ưng được phát triển

ời lập trình dễ thao

3.1.1 Động cơ 3 pha kéo băng t

- Động cơ điện 3 pha Hem 4k90L4

Hoạt động của van 5/2:

Khi chưa cấp khí vào c

hoạt động ở vị trí bên phải, lúc đó c

T BỊ VÀ PHƯƠNG ÁN CHO DÂY CHUYống hoạt động thật chính xác,hiệu quả,an toàn,

u đó là sự lựa chọn các thiết bị trong hệ thống nhằm giúp tăng tính thống

pha kéo băng tải:

Hem 4k90L4-2.2KW 2.2(kW) (3HP)

p khí vào cửa điều khiển R-mô đun, dưới tác dụng củ

i, lúc đó cửa sổ 3 bị chặn khi ta cấp khí vào cử

VÀ PHƯƠNG ÁN CHO DÂY CHUYỀN

R-mô đun van 5/2 đảo trạng thái làm c

– Áp suất chịu đựng: 1Mpa

– Áp suất chịu đựng tối đa: 0.7Mpa

– Áp suất hoạt động tối thi

– Nhiệt độ làm việc 10 –

– Tốc độ piston 50 – 750 mm/s

3.1.4.Van điện từ - Van xả

– Điện áp điều khiển 380/220/110/24 VAC (tùy

Nước：0~0.7Mpa, Dầu

– Áp suất chịu được tối đa 1Mpa

– Nhiệt độ môi trường làm

ng thái làm cửa 1 thông với cửa 4, cửa 2 thông với c

ựa trên nguyên lý ổn định kép Van 5/2 cũng có th

ng khí nén hay bằng điện một phía hay cả hai phía

Hình 3.3 Xilanh khí nén SMC

Hình 3.4 Van điện từ

Nguyên lý hoạt động:

– Van điện từ là van hoạ

qua tác dụng của lực điện từ Đ

thay phiên nhau (nghĩa là cửa vào đóng th

– Van có 1 cuộn điện, trong đó có 1 l

tỳ vào đầu 1 giăng cao su Như v

đóng van khi đưa điện vào, cu

thắng được lò so, khi đó van m

Ứng dụng: Van điện từ đư

– Dòng tải làm việc: Load current: 200 mA max

– Thời gian đáp ứng: 10 ms max

– Nhiệt độ chịu đựng: -25°C to 55°C

– Mạch thu phát

ạt động điện cơ Van được điều khiển bởi dòng Đối với loại van 2 cửa, cửa ra và cửa vào sẽ

a vào đóng thì cửa ra mở và ngược lại)

n, trong đó có 1 lõi sắt và 1 lò xo nén vào lõi sắt đó, lăng cao su Như vậy, bình thường không có điện thì lò so ép vào lõi s

n vào, cuộn dây sinh từ trường hút lõi sắt ra, từ trường này đ

đó van mở ra (Loại Van điện từ thường đóng - NC)

được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực công nghi

ng rãi nhất là trong các lĩnh vực liên quan đến khí nén và ch

a chúng là đóng, mở, phân chia, trộn lẫn khí nén từ máy nén khí ho

ảm biến quang

Ø100mm + Điện áp: 12 – 24 – 48V DC ;

ng bụi & nước: IP66 + 5 màu: đỏ

p nháy: 110fpm ±10%

n tải ánh sáng đi xa ngay cả trong

m chiếu sáng ban đêm lên tới 492 feet

3.1.9.SSR 3 pha G3PE - 515B

G3PE-515B-3N DC12-24 SSR, 3

– Dòng tải 15A

– Điện áp điều khiển: 9.6

– Điện áp tải: 200 – 400 VAC

Ưu điểm của SSR:

- Đóng ngắt bằng bán d

hơn so với dùng tiế

- Giảm thiểu ảnh hưở

- Thời gian đáp ứng nhanh

- Chống Shock và nhi

- Không tạo ra tiếng

- Độ tin cậy cao

3.2 Lựa chọn phương pháp chi

Hiện nay có rất nhiều công ngh

từng loại chất lỏng sẽ có cách chi

lỏng cô đặc Định lượng sản ph

và rót vào trong chai, bình, lọ,…Đ

rãi trong nhiều ngành sản xuấ

điều kiện vệ sinh, đảm bảo đư

u công nghệ chiết rót nước ( chất lỏng) vào chai, tùy thu

có cách chiết rót khác nhau như: nước có gaz, nước không gaz, ch

n phẩm chất lỏng là chiết một thể tích nhất định s,…Định lượng sản phẩm lỏng bằng máy đượ

ất thực phẩm Khi định lượng bằng máy thì c

o được năng suất cao và định hướng sản phẩm m

nh lượng chủ yếu gồm có:

ng bình định mức: Chất lỏng được định lượng chính xác nh

ớc khi rót vào chai

ng cách chiết tới mức cố định: chất lỏng được chiằng cách chiết đầy,sau đó lấy khối thể tích bù tr

trong khoảng thời gian xác đ

không thay đổi Phương pháp này ch

- Phương pháp rót chân không: n

lỏng sẽ chảy vào trong chai do chênh l

chai Lượng chất lỏ

bù trừ hoặc chiết đầ

- Phương pháp rót đ

bia, nước ngọt,…trong khi rót áp su

nên không cho khí gaz thoát kh

nạp khí CO2 vào chai cho đ

bình chứa, sau đó cho s

lệch độ cao

 Với yêu cầu công ngh

chọn hệ thống định lượng là theo th

timer để tính thời gian trong chương tr

ỏng trong chai sẽ sụt xuống một khoảng như nhau bằng nhau hay không Ngoài ra còn sử dụng

c chiết tới khi ngập miệng ống thông hơi sẽ dừchính xác không cao,tùy thuộc độ đồng đều chai

ng cách chiết theo thời gian: cho chất lỏng chảy vào trong c

i gian xác định,có thể xem như thể tích ch

i Phương pháp này chỉ áp dụng cho các sản ph

ầu độ chính xác định lượng

t rót chủ yếu gồm có:

Phương pháp rót áp suất thường: chất lỏng tự chảy vào trong chai do chênh

ủy tĩnh Tốc độ chảy chậm nên chỉ thích hợ

Phương pháp rót chân không: nối chai với các hệ thống hút chân không, ch

y vào trong chai do chênh lệch áp giữa thùng chứa và áp su

ỏng vào chai thông thường cũng được áp dụng phương pháp

ầy chai

Phương pháp rót đẳng áp: phương pháp này dùng cho sản phẩ

t,…trong khi rót áp suất trong chai lớn hơn áp sunên không cho khí gaz thoát khỏi chất lỏng Với phương pháp này ngư

vào chai cho đến khi nào áp suất trong chai bằng áp su

a, sau đó cho sản phẩm từ bình chứa chảy vào trong chai nh

u công nghệ như ban đầu của đồ án đã đưa ra th

ng là theo thời gian ( dùng kích thước van, vòi rót

i gian trong chương trình ) và phương pháp chiết rót đẳng áp

ng như nhau bất kể thể

ng ống thông hơi, ừng lại Phương

n hơn áp suất bên ngoài

i phương pháp này người ta

3.3.Lựa chọn phương pháp đóng nút chai

Máy đóng nút chai đư

phẩm, mỹ phẩm và hóa chấ

tinh,nhựa đảm bảo việc niêm phong kín, không rò r

Nắp chai được dẫn từ

chiều,chai nước được đưa vào v

Sauk hi dập nắp chai xong sẽ đư

Hình

n phương pháp đóng nút chai

Máy đóng nút chai được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuấ

ất công nghiệp Máy có tác dụng bao kín các chai th

c niêm phong kín, không rò rỉ chất lỏng ra ngoài

ừ thùng chứa xuống đường dẫn đồng thời đư

Chương 4

K4.1.Sơ đồ kết nối phần cứng

Hình 4Hình 4.2 Mạch động lực cho động cơ kéo băng tkéo băng tải

4.2.Lưu đồ giải thuật

Hình 4Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật