Đồ án môn học điều khiển lập trình: Điều khiển hệ thống tự động đóng nắp chai bằng PLC

Sản phẩm sản xuất được bảo quản trong chai lọ, ngoài sự bảo quản của các hóa chất (nếu có) thì rõ ràng phải được đóng nắp cẩn thận để nhằm bảo quản một cách tốt nhất cho sản phẩm, và hiện nay các sản phẩm đóng chai được sản xuất ngày càng nhiều phục vụ nhu cầu ngày càng cao của xã hội, một phần do các sản phẩm đóng chai nói chung được bảo quản tốt hơn và có thể để được lâu hơn so với khi bảo quản trong hộp, túi nilong…và tất nhiên một phần nữa đó là về mặt thẩm mỹ của sản phẩm (ở đây chưa nói về nhãn mác của sản phẩm) nên các sản phẩm đóng trong chai, lọ ngày càng được sản xuất nhiều hơn. Và tất nhiên song song với nó là công nghệ đóng nắp chai điều khiển bằng hệ thống PLC, khâu không thể thiếu trong dây chuyền sản xuất các sản phẩm đóng chai .

Nhận xét của giáo viên phản biện

Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG

ĐÓNG NẮP CHAI BẰNG PLC

Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Anh Tuấn

Sinh viên thực hiện : Hồ Đình Hưng

Mã số sinh viên: 0211040293

Lớp : Đại học Điện A_K2

Sinh viên thực hiện : Hồ Đình Hưng

Mã số sinh viên: 0211040293

Lớp : Đại học Điện A_K2

Nội dung các phần thuyết minh:

1 Giới thiệu chi tiết nội dung đề tài

2 Giới thiệu thiết bị điều khiển và áp dụng viết chương trình cho hệ thống điều khiển

tự động đóng nắp chai bằng PLC

3 Lập các sơ đồ mạch động lực và điều khiển cho hệ thống

4 Lập hồ sơ trang bị điện cho hệ thống điều khiển tự động đóng nắp chai bằng PLC

5 Kết luận

Các bản vẽ : (trong thuyết minh)

1 Bản vẽ mô tả hệ thống điều khiển tự động đóng nắp chai bằng PLC

2 Bản vẽ lưu đồ giải thuật mô tả (bằng lời)

3 Bản vẽ lưu đồ giải thuật mã hoá (bằng lôigic)

4 Bản vẽ mạch kết nối của thiết bị điều khiển

MỤC LỤC

Lời nói đầu 5

Chư ơng I : Chi tiết nội dung đề tài và giới thiệu về công nghệ 1.1 - Đặt vấn đề 6

1.2 - Yêu cầu công nghệ 6

1.3 - Mô tả hoạt động hệ thống 11

1.4 - Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống Tự động đóng nắp chai 12

Ch ương II : Giới thiệu tập lệnh cơ bản , thiết bị điều khiển lập trình và chương trình điều khiển hệ thống Tự động đóng nắp chai trên S7 -200

2.1 - Giới thiệu thiết bị điều khiển lập trình 13

2.2 - Tập lệnh cơ bản dùng trong thiết bị điều khiển khả trình PLC S7 – 200 19

2.3 - Sơ đồ kết nối vào ra của thiết bị PLC S7 – 200 29

Chương III: Sơ đồ mạch động lực và điều khiển tự động đóng nắp chai bằng PLC S7 – 200 3.1 - Sơ đồ mạch điều khiển 30

?????? Chương IV: Trang bị điện hệ thống tự động đóng nắp chai PLC S7 – 200 4.1 - Thiết bị dùng trong hệ thống 37

4.2 - Những chú ý khi vận hàmh và thay thế, sửa chữa 37

Chương V: Kết luận Tài liệu tham khảo 37

phù hợp với người tiêu dùng Mặt khác, để đảm bảo tính chính xác cao hơn trong sảnxuất các nhà máy sản xuất bắt buộc phải sử dụng đến máy móc thiết bị tự động, mặc

dù có thể chi phí đầu tư cho máy móc thiết bị là lớn, thậm chí rất lớn nhưng do nhucầu của thị trường và tính cạnh tranh khốc liệt trên thị trường thì việc đưa máy mócthiết bị tự động vào sản xuất là điều tất yếu của các nhà máy Thực tế, đã từ lâu và hiệnnay cũng vậy việc sản xuất những sản phẩm được bảo quản trong chai, lọ,lon là rấtnhiều, chúng đóng góp một phần sản phẩm rất lớn cho xã hội Trong phạm vi đồ ánmôn học này tôi dùng thiết bị lập trình PLC để viết chương trình cho hệ thống điềukhiển tự động đóng nắp chai

Trong thực tế có rất nhiều loại PLC của nhiều hãng sản xuất như : Hãng Siemens Đức, Omron - Nhật, Goldstar - Hàn quốc…trên thị trường Việt Nam PLC là thiết bịmới đang được ứng dụng rộng rãi cũng như thế chỗ tất cả thiết bị cũ trong tương lai Thiết bị khả trình PLC mà tôi sử dụng để viết chương trình điều khiển đóng nắpchai trong đồ án này là PLC S7 -200 của hãng Siemens - Đức Trong quá trình làm đồ

-án còn gặp nhiều khó khăn, nhưng được sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Anh Tuấn em

đã hoàn thành xong đồ án này

Mặc dù đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi một số sai sót Rất mong sựđóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, cũng như các bạn đồng nghiệp để đồ án đượchoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

Hồ Đình Hưng

Chương I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÓNG NẮP CHAI

1.1- Đặt vấn đề:

Sản phẩm sản xuất được bảo quản trong chai lọ, ngoài sự bảo quản của các hóachất (nếu có) thì rõ ràng phải được đóng nắp cẩn thận để nhằm bảo quản một cách tốtnhất cho sản phẩm, và hiện nay các sản phẩm đóng chai được sản xuất ngày càngnhiều phục vụ nhu cầu ngày càng cao của xã hội, một phần do các sản phẩm đóng chainói chung được bảo quản tốt hơn và có thể để được lâu hơn so với khi bảo quản tronghộp, túi nilong…và tất nhiên một phần nữa đó là về mặt thẩm mỹ của sản phẩm (ở đâychưa nói về nhãn mác của sản phẩm) nên các sản phẩm đóng trong chai, lọ ngày càngđược sản xuất nhiều hơn Và tất nhiên song song với nó là công nghệ đóng nắp chaiđiều khiển bằng hệ thống PLC, khâu không thể thiếu trong dây chuyền sản xuất cácsản phẩm đóng chai

1.2 – Yêu cầu công nghệ

+ Hai băng tải :

- Băng tải 1 : chuyền chai

- Băng tải 2 : chuyền nắp chai

+ Có 5 cảm biến lần lượt là :

- Cảm biến siêu âm phát hiện chai bị nứt

- Cảm biến quang kiểm tra chai không có nước hoặc chưa đầy

- Cảm biến tiệm cận kiểm tra chai thành phẩm

- Cảm biến quang kiểm tra nắp chai hỏng

- Cảm biến quang kiểm tra nắp chai tốt

+ Các Cylinder được sử dụng như sau :

- Cylinder đẩy chai nứt vào ngăn chứa phế phẩm

- Cylinder kẹp chai

1.2.1 Một số loại cảm biến siêu âm

Cảm biến siên âm có nhiều loại, tùy theo công dụng như để nhận biết vật trong khoảngcách gần hay xa, nhận biết các vật có tính chất khác nhau và trong những điều kiện hoạt động khác nhau mà người ta chế tạo các loại cảm biến siêu âm cũng khác nhau

* Tầm quét của cảm biến siêu âm :

Cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn các điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm ở đâu đó

* Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF

*: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở 1 / 2 cảm biến

*: Số vang ghi lại bởi cảm biến Đây là những tiếng vọng ghi từ đọc gần đây nhất, và được ghi đè mới bằng mỗi lần khác nhau

A: Những cảm biến nhỏ hơn điển hình (SRF 05/04 / 08) kích thước

B: Phạm vi thời gian có thể được điều chỉnh xuống bằng cách điều chỉnh được

C: cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánh sáng D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn

1.2.2 Một số loại cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận là giải pháp đủ khả năng và chung nhất để phát hiện đối tượng mà không cần chạm vào Cảm biến tiệm cận được sử dụng phổ biến nhất là loại cảm ứng

từ, nó phát ra một trường điện từ để phát hiện đối tượng kim loại đi qua gần bề mặt của nó Đây là cách thông thường dễ nhất mà kỹ thuật cảm biến áp dụng cho những ứng dụng phát hiện đối tượng kim loại trong phạm vi một hoặc hai inch của bề mặt cảm biến Cảm biến tiệm cận của Autonics có 12 chủng loại gồm 6 loại khác nhau, cảm ứng từ và điện dung, và duy trì vị trí số 1 thị trường Hàn Quốc hơn 10 năm qua,

và vẫn nỗ lực để cải tiến chất lượng sản phẩm và độ tin cậy cảm biến lên mức cao nhấtcủa thị trường toàn cầu Nếu bạn đang tìm kiếm loại cảm biến tiệm cận đáng tin cậy vàgiá cả hợp lý, Autonics là câu trả lời

* CR Serie : Cảm biến tiệm cận loại điện dung

* PT Series : Hộp mối nối

1.2.3 Một số loại cảm biến quang

Các thiết bị chuyển mạch quang điện có thể vận hành theo kiểu truyền phát, vật thể cần phát hiện sẽ chắn chùm sáng không cho chúng chiếu tới thiết bị dò hoặc theo kiểu phát xạ vật thể cần phát hiện sẽ phản chiếu chùm sáng lên thiết bị dò

Trong cả hai kiểu, cực phát bức xạ thông thường gọi là điốt phát quang (LED) thiết bị

dò bức xạ có thể là các transistor quang thường là một cặp transistor Cặp transistor này làm tăng độ nhạy của thiết bị tuỳ theo mạch được sử dụng đầu ra có thể được chế tạo để chuyển mạch đến mức cao hoặc mức thấp sau khi ánh sáng truyền đến

transistor Các bộ cảm biến được cung cấp dưới dạng các hộp cảm nhận sự có mặt của vật thể ở khoảng cách ngắn

VËt thÓ Diode ph¸t quang

ThiÕt bÞ dß quang häc

VËt thÓ nguån s¸ng

ThiÕt bÞ dß quang häc

C¸c ch©n kÕt nèi ®iÖn

1.2.4 Cylinder

Cylinder là một thiết bị giống như trục lăn , dùng để làm những băng chuyền dể di chuyển những vật đặt trên nó Thiết bị này đặc biệt phù hợp với những nhà máy sản xuất ở Việt Nam chúng ta.

*Ta có một số hình ảnh của cylinder như sau:

Các chai đảm bảo chất lượng tiếp tục được băng tải chuyển đi, Khi chai đi đếnchỗ đóng nắp sẽ có một cảm biến tiệm cận phát hiện, và sẽ có một cylinder kẹp chailại, cùng lúc đó sẽ có một cylinder tịnh tiến xuống đóng nắp chai Về nắp chai, khi cótín hiệu của cảm biến kiểm tra nắp nguyên thì van sẽ nhả nắp xuống Cylinder dập nắpchai.

1.4– Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống đóng nắp chai

Nứt

Chưa đầy

Tốt

HỏngHỏng

TốtĐẩy nắp hỏng

Chai

Chaihỏng START

kẹp chai

Nắp

không được

Chương II Giới thiệu tập lệnh cơ bản , thiết bị điều khiển lập trình và chương trình điều

khiển hệ thống Tự động đóng nắp chai trên S7 -200

END

Đưa vào Cylinder đóng nắp

Đóng nắp

Cylinder đẩy chai

phế phẩm phế phẩm

kẹp được

Bộ điều khiển lập trình PLC được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơle và thiết bị cồng kềnh, nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trển việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản PLC cònthực hiện các tác vụ định thì và đếm làm tăng khả năng điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình và đưa ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài tương ứng.

Cơ sở của việc sử dụng PLC: Trong công nghiệp trước đây, các hệ thống điều khiển số thường được cấu tạo trên cơ sở các rơle và các mạch logic điện tử kết nối với nhau theo nguyên lý làm việc của hệ thống Điều đó có nghĩa là: Quan hệ giữa các biến vào và các biến ra tuân theo một hàm số, mà hàm số này chính được xác định bởi luật kết nối giữa các phần tử logic

(y1, y2, yn ) = f (x1, x2, xn )

Như vậy đối với mục đích điều khiển xác định thì hàm f cố định Đối với các hệthống làm việc đơn giản và làm việc độc lập thì việc sử dụng các phần tử có sẵn liên kết cứng với nhau có nhiều ưu điểm về giá thành Tuy nhiên trong các hệ thống điều khiển phức tạp nhiều chức năng thì những cấu trúc theo kiểu cứng có nhiều nhược điểm như:

- Hệ thống cồng kềnh, đầu nối phức tạp dẫn đến độ tin cậy kém

- Trường hợp cần thay đổi chức năng của hệ thống hoặc sửa chữa các hư hỏng thì phải dừng cả hệ thống để đấu nối

Hiện nay với sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử đã cho phép chế tạo các hệ vi xử lý liên tiếp, dựa trên cơ sở của bộ vi xử lý, các bộ điêu khiển logic có khả nẳng lập trình được (PLC) đã ra đời, cho phép khắc phục được rất nhiều nhược điểm của các hệ điều khiển liên kết cứng trước đây, việc dùng PLC đã trở nên rất phổ biến

trong công nghiệp tự động hoá Có thể liệt kế các ưu điểm chính của việc sử dụng PLCgồm:

- Giảm bớt việc đấu nối dây khi thiết kế hệ thống, giá trị logic của nhiệm vụ điều khiển được thực hiện trong chương trình thay cho việc đấu nối dây

- Tính mềm dẻo cao trong hệ thống

- Bộ nhớ:

- Bộ nhớ vào ra

Cổng ngắt và đếm tốc độ cao

Khối vi xử lýtrung tâm+ Hệ điều hành

Bộ đếm

vào-ra

Bộ định thời

Bộ đếmBit cơ

Cổng vào ra Onboard

Quản lý ghép nối

Bus của PLC

hệ thống ROM

Bộ nhớ

dữ liệu RAM

Khối vào ra

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc phần cứng của bộ lập trình PLC

Dựa vào sơ đồ khối ta thấy PLC gồm có 4 khối chính đó là: Khối nguồn, khối

bởi một tần số đồng bộ do tinh thể thạch anh bên ngoài hay một bộ giao động RC Mạch dao động này có nhiệm vụ tạo ra tần số dao động từ 118 MHZ Tuỳ thuộc vào

bộ vi xử lý đã được sử dụng và phạm vi sử dụng Một CPU bao gồm 3 thành phần riêng biệt sau:

+ Bộ điều khiển (CU – Control Unit) gồm khối soạn lệnh và ngăn xếp có nhiệm

* Bộ nhớ: Bao gồm bộ nhớ chứa chương trình và bộ nhớ dữ liệu.Đơn vị nhỏ

nhất của bộ nhớ là bít có giá trị “1” (hoặc “0”) Nhiều bít hợp theo hàng và cột tạo thành một khối bộ nhớ Nội dung bộ nhớ có thể đọc ra hoặc ghi vào Mỗi bít được địnhnghĩa một địa chỉ riêng để bộ nhớ dễ quản lý

Có hai loại bộ nhớ như sau:

- Bộ nhớ RAM (Random Access Memory): Ram là bộ nhớ chính trong mọi máy tính Kể cả PLC Bộ nhớ RAM có lợi là dung lượng lớn nhưng giá rẻ Ram là loại

bộ nhớ có thể đọc ghi chương trình một cách dễ dàng Tuy nhiên dữ liệu trong Ram sẽ

bị xoá sạch khi có sự cố về điện Vì vậy muốn lưu trữ chương trình điều khiển tron bộ nhớ Ram thì người ta dùng phương pháp nuôi bộ nhớ Ram bằng 1 nguồn pin Nếu cần lưu trữ dài thì ta dùng loại pin có chất lượng cao

- Bộ nhớ ROM (Read Only Memory): Rom là bộ nhớ chỉ đọc Bộ nhớ này có đặc tính trái ngược với bộ nhớ Ram là rất khó xoá, nên khi có sự cố về điện thì nội dung chương trình vẫn còn trong bộ nhớ Nhưng hiện này người ta có thể thay đổi nội dung của nó Tuỳ thuộc vào cách tạo nội dung, cách xoá nội dung, cách nập nội dung

mới vào nó mà ta có các loại bộ nhớ Rom khác nhau như: PROM, EPROM, RPROM, EEPROM, EAROM.

Điển hình ở đây ta xét 2 loại bộ nhớ ROM được dùng rộng rãi trong các PLC là EPROM và EEPROM

+ EPROM (Erasable Programmable Read – Only Memory): Bộ nhớ Rom có thểxoá nội dung chương trình Nó được xoá bằng tia cực tím, sau khi nội dung cũ đã xoá thì người ta dùng một thiết bị đặc biệt để ghi nội dung chương trình mới vào trong Rom Loại này rất phức tạp vì phải dùng thiết bị đắt tiền

+ EEPROM (Electrically Erasable Programmble Read – Only Memory):

Bộ nhớ loại này cũng giống như bộ nhớ EPROM nhưng phương thức xoá nội dung chương trình đơn giản hơn Tức là nó được xoá bằng điện và việc nạp một

chương trình mới cho nó cũng đơn giản Ngoài hai loại trên trong các PLC người ta còn thường dùng FLASH EROM Đối với những bộ điều khiển logic theo chương trình thuộc loại lớn có thể có nhiều Module CPU nhằm tăng tốc độ xử lý

c Mô đun nhập: (Input Module)

Tín hiệu vào: Các tín hiệu đầu vào nhận các thông tin điều khiển bên ngoài dạng tín hiệu Logic hoặc tín hiệu tương tự Các tín hiệu Lôgic có thể từ các nút ấn điềukhiển các công tắc hành trình, tín hiệu báo động, các tín hiệu của các quy trình công nghệ,… Các tín hiệu tương tự đưa vào của PLC có thể là tín hiệu điện áp từ các căn nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ cho mọt lò nào đó hoặc tín hiệu từ máy phát tốc, cảm biến

Các cảm biến (Sensors) được nối với Module ngõ vào của PLC Thông thường một Module nhập có 8 ngõ vào hoặc 16 ngõ vào hoặc có thể hơn nữa tuỳ thuộc vào yêu cầu của người sử dụng mà chọn cho phù hợp Đối với những ứng dụng nhỏ thì cầnkhoảng 16 ngõ vào, ứng dụng trung bình thì cần khoảng 80 ngõ vào, ứng dụng cỡ dùng các cuộn dây Rơle cho ngõ vào Điện áp hoạt động đưa vào các cuộn dây này thường vào khoảng 24 VDC với dòng vào vài mA (6mA), rất bé so với dòng tiêu thụ qua cuộn dây trong rơle thực tế Cũng có PLC hoạt động với điện áp 220V AC Mặc dù điện áp cao như vậy nhưng vẫn đảm bảo an toàn cho mạch điện tử của PLC vì người ta sử dụng các linh kiện cách ly (Optocoupler) Theo tiêu chuẩn công nghiệp với điện áp 24 VDC, người ta quy định:

điện áp cấp nguồn từ 12V ữ 28V.

2.1.2- PLC thực hiện chương trình:

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (scan) Bắt đầu mỗi vòng quét là việc quét các tín hiệu vào Trong quá trình quét này trạng thái hiện thời của mỗi tín hiệu vào được chứa trong bảng ảnh Việc quét các đầu vào này rất nhanh, việc quét phụ thuộc vào các module vào, xung nhịp cũng như các đặc tính riêng của mỗi loại CPU thực hiện chương trình sử dụng Công việc này thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng của chương trình (lệnh MEND) Như vậythời gian thực hiện chương trình sẽ phụ thuộc vào độ dài chương trình, độ phức tạp của các lệnh, và đặc tính kỹ thuật của từng loại CPU

Chuyển dữ liệu từ đầu ra Q tới cổng ra

Chuyển dữ liệu từ đầu cổng vào tới đầu vào I

Truyền thông và kiểm tra bộ nhớ

Thực hiện chương trình

Hình 2.4: Chu kỳ thực hiện vòng quét của CPU trong bộ PLC

Trong quá trình thực hiện chương trình CPU luôn làm việc với bảng ảnh ra Tiếp theo của việc quét chương trình là truyền thông nội bộ và tự kiểm tra lỗi Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi Những trường hợp cần thiết phải cập nhật module ra ngay trong quá trình thực hiện chương trình Các PLC hiện đại sẽ có sẵn các lệnh để thực hiện điều này Tập lệnh của PLC chứa các lệnh ra trực tiếp đặc biệt, lệnh này sẽ tạm thời dừng hoạt động bình thường của chương trình để cập nhật module ra, sau đó sẽ quay lại thực hiện chương trình Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũngđược thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình đượcthực hiện, vào khối lượng dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó Một vòng quét chiếm thời gian quét ngắn thì chương trình điều khiển được thực hiện càng nhanh

Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếpvới cổng vào ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 4 do CPU quản lý Khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức thì hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cảchương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào/ra

- Cách lập trình cho S7-200 nói riêng và cho các PLC của SIEMENS nói chungdựa trên 2 phương pháp cơ bản :

+ Phương pháp hình thang (Lades logic:viết tắt là LAD)

+ Phương pháp liệt kê lệnh (Stalementlis: Viết tắt là STL)

Nếu chương trình viết tắt theo kiểu LAD thiết bị lập trình sẽ tự tạo ra 1 chương trình theo kiểu STL tương ứng Ngược lại không phải mọi chương trình được viết theokiểu STL cũng có thể chuyển sang dạng LAD được Bộ lệnh của phương pháp STL có

Thực hiện khi đượcchương trình chính

Thực hiện khi có tínhiệu báo ngắt