THIẾT kế hệ THỐNG PHA sơn tự ĐỘNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHA SƠN TỰ ĐỘNG Hiện nay đất nước chúng ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa, và hội nhập với nền kinh tế toàn cầu. Để quá trình này phát triển nhanh và bền vững, chúng ta cần tập trung đầu tư vào các dây chuyền sản xuất tự động hóa, nhằm mục đích giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất lao động và cho ra sản phẩm có chất lượng cao. Một trong những phương án đầu tư vào tự động hóa là việc ứng dụng PLC vào các dây chuyền sản xuất. Đối với những tiện ích của hệ thống PLC nên hiện nay bộ điều khiển này đang được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Một trong những ngành đang phát triển mạnh mẽ hiện nay là ngành xây dựng và việc ứng dụng PLC vào trong ngành xây dựng là một việc làm đem lại hiệu quả kinh tế cao và rất phù hợp, đặc biệt là công đoạn pha chế sơn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN LOGIC

CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG PHA SƠN

TỰ ĐỘNG 1.1 Đặt vấn đề:

Hiện nay đất nước chúng ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa,

và hội nhập với nền kinh tế toàn cầu Để quá trình này phát triển nhanh và bền vững,

chúng ta cần tập trung đầu tư vào các dây chuyền sản xuất tự động hóa, nhằm mục đích

giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất lao động và cho ra sản phẩm có chất lượng cao

Một trong những phương án đầu tư vào tự động hóa là việc ứng dụng PLC vào các dây

chuyền sản xuất

Đối với những tiện ích của hệ thống PLC nên hiện nay bộ điều khiển này đang

được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau Một trong những ngành đang phát triển

mạnh mẽ hiện nay là ngành xây dựng và việc ứng dụng PLC vào trong ngành xây dựng là

một việc làm đem lại hiệu quả kinh tế cao và rất phù hợp, đặc biệt là công đoạn pha chế

sơn

1.2 Hướng thực hiện đề tài:

Nghiên cứu mô hình máy pha màu từ các bồn chứa vật liệu cơ bản (các màu cơ

bản và thành phần tổng hợp nên màu cơ bản) Ấn định sản xuất một số màu (cam, xanh

rêu, màu nho) từ các màu cơ bản (đỏ, vàng, xanh) được người sử dụng nhập từ giao diện

Sử dụng giao diện để người sử dụng chọn sản phẩm và tỉ lệ theo các thành phần màu để

có một màu theo mong muốn Sử dụng các bộ timer để tính thời gian trộn và xả sản phẩm

thông qua PLC để tác động đóng mở các van cấp nguyên vật liệu và điều khiển động cơ

khuấy trộn Vì vậy ta có các yêu cầu sau:

- Hỗn hợp sơn phải được khuấy đều đặn

- Màu sơn đạt đúng yêu cầu

Hình 1.0 Ví dụ một số thành phần các màu cơ bản theo tỷ lệ phần trăm

1.3 Sơ đồ công nghệ

Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ pha sơn tự động

Động cơ phụ: truyền động thông qua trục, làm quay cánh quạt trộn phụ trong mỗi thùng sơn nguyên liệu, có chức năng trộn đều sơn nguyên liệu, giúp sơn không bị đông đặc làm khó pha trộn

Động cơ chính: làm quay cánh quạt trộn chính trong buồng trộn, là khâu quan trọng trong quá trình pha trộn màu, giúp trộn từ ba màu sơn nguyên liệu thành màu sơn thành phẩm

Quạt trộn: trộn hỗn hợp 3 màu sơn nguyên liệu thành sơn thành phẩm và trộn đều màu sơn nguyên liệu giúp sơn nguyên liệu tránh bị đông đặc trước khi pha trộn

Van 1: Van điện đóng ngắt, xả nước thải vào thùng chứa nước xảv sau khi xúc rửa bồn trộn

Van 2: Van điện đóng ngắt, đưa sơn thành phẩm ra khỏi buồng trộn

Van 3: Van điện đóng ngắt, đưa nước vào bồn sau mỗi mẻ trộn

Van 4,5,6: Van điện đóng ngắt, đưa sơn vào buồng trộn theo đúng tỉ lệ thành phần phần trăm khối lượng đã đưa ra dựa trên tín hiệu điều khiển của PLC

Van 7,8,9: Van điện đóng ngắt, đưa sơn vào bồn chứa sơn

Load cell: Cảm biến tải trọng, có chức năng để cân, đo khối lượng sơn nguyên liệu, dùng để cho biết khối lượng sơn được thêm vào buồng trộn

Thùng chứa: chứa sơn nguyên liệu, sơn thành phẩm và nước sau khi xúc rửa bồn trộn

CB 1,2,3: Cảm biến siêu âm mức đo độ cao mực chất lỏng trong thùng chứa

CB 4: Cảm biến hồng ngoại, phát hiện thùng đựng sơn

M4

1.4 Nguyên lý làm việc

 Giả sử ta cần sơn thành phẩm màu cam, cho thùng chứa sơn thành phẩm là 10kg

 Ban đầu, trước khi tiến hành pha sơn, hệ thống sẽ kiểm tra lượng sơn chứa trong các thùng chứa thông qua các cảm biến CB1, CB2, CB3 đặt ở miệng các bồn chứa, nếu lượng sơn trong bồn chứa còn thấp so với mực đã cài sẵn trên cảm biến, lập tức van ứng với cảm biến đó sẽ mở (van 7 ứng với CB1, van 8 ứng với CB2, van 9 ứng với CB3) cho đến khi mức sơn đạt tới mức max đã đặt sẵn trên cảm biến thì van sẽ đóng lại

 Sau khi các van 7, 8, 9 đóng lại, động cơ trộn M1, M2, M3 sẽ bắt đầu quay trộn sơn nguyên liệu lên để tránh hiện tượng sơn bị cô đặc Sau thời gian T1 đã cài sẵn

ở chương trình, theo tỉ lệ pha sơn cam là: 0.5kg sơn xanh, 5kg sơn đỏ và 4.5 kg sơn vàng, van 6 bắt đầu mở cho sơn màu đỏ chảy xuống bồn trộn chính Ở phía dưới bồn trộn chính ta đặt một cảm biến khối lượng Loadcell để cân khối lượng các sơn thành phần Van 6 đóng khi loadcell cân được 5 kg sơn đỏ đồng thời dừng động cơ phụ M1, sau khi van 6 đóng, van 5 mở để sơn nguyên liệu màu xanh chảy xuống, khi loadcell cân được 5.5kg, lập tức van 5 đóng lại, dừng động cơ phụ M2, van 4 mở cho sơn màu vàng chảy xuống, loadcell cân được 10kg, lập tức van 4 đóng lại, dừng động cơ phụ M3 Khi van 4 đóng lại, động cơ trộn ở bồn trộn chính M4 quay để trộn đều sơn nguyên liệu thành thành phẩm trong một khoảng thời gian T2 đã cài sẵn ở chương trình để đảm bảo sơn đã trộn đều Sau thời gian T2 thì động cơ trộn chính M4 ngừng quay Khi cảm biến tiệm cận CB4 được đặt ở đế bộ phận đặt thùng sơn thành phẩm phát hiện có thùng đựng sơn, lập tức van 2 sẽ mở

để sơn thành phẩm chảy vào thùng đựng Khi loadcell cân được trong bồn chứa chính về mức 0kg, van 2 vẫn sẽ được mở thêm 1 khoảng thời gian T3 để đảm bảo sơn trong bồn trộn chính được chảy xuống hết Sau đó van 2 sẽ được đóng lại, ta hoàn thành 1 mẻ trộn Khi hoàn thành đủ số lượng sơn đã cài đặt ban đầu, hoặc nhấn nút xúc bồn, van 3 mở ra để cho nước từ thùng đựng nước chảy xuống nhằm

vệ sinh buồng trộn chính Khi loadcell cân được khối lượng nước đạt mức đã cài sẵn, lập tức van 3 đóng lại, động cơ M4 sẽ quay để vệ sinh bồn trộn Sau khoảng

thời gian T4 đã cài sẵn, van 1 mở, M4 ngừng quay, nước sẽ chảy về thùng đựng nước thải Khi loadcell cân được trong bồn chứa chính về mức 0kg, van 1 vẫn sẽ được mở thêm 1 khoảng thời gian T5 để đảm bảo nước trong bồn trộn chính được chảy xuống hết Van 1 đóng sau khoảng thời gian T5 đã cài đặt sẵn Kết thúc quy trình trộn Hệ thống sẽ ngừng hoạt động khi đủ số lượng thùng sơn cài đặt hoặc nhấn nút stop

 Trường hợp van 7 ( hoặc 8,9 ) không mở được, cảm biến CB1 ( CB2, CB3) sẽ báo khi mức sơn chảy ra không đủ đèn báo sẽ sáng kèm âm thanh để chúng ta tiến hành kiểm tra van tại vị trí bị hỏng ( được báo trên màn hình hiển thị)

1.5 Mô hình ngoài thực tế:

Hình 1.2.Máy pha màu sơn thực tế

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CHÍNH DÙNG TRONG

HỆ THỐNG PHA TRỘN MÀU SƠN 2.1 Các loại cảm biến

Các cảm biến sử dụng trong chương này được tính chọn gần như phù hợp với hệ

thống, để hiểu rõ về chúng ta đi lần lượt từng cảm biến

2.1.1 Cảm biến siêu âm

Hình 2.1 Cảm biến đo mức liên tục ULM53-02

 Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo mức liên tục: là sẽ phóng một tia siêu âm từ đầu cảm biến xuống chất lỏng Khi sóng siêu âm chạm mặt chất lỏng sẽ phẩn hồi lại Cảm biến sẽ xác định được khoảng cách từ đầu cảm biến mực nước Cảm biến sẽ đưa

ra tín hiệu analog về PLC hoặc đồng hồ hiển thị Cảm biến đo mức liên tục được đặt ở miệng các bồn chứa sơn tạm thời

 Thông số kỹ thuật của cảm biến đo mức nước – khoảng cách ULM53-02

o Nguồn cấp cho cảm biến: 18 – 36 VDC

o Khoảng cách đo: 0,2 – 2 mét

o Tín hiệu ngõ ra: 4-20mA hoặc 0-10V

o Sai số của cảm biến: 0.5 giây

o Áp suất chịu được Max: 1bar

o Kết nối Ren G1

 Cách đo cảm biến siêu âm đo mức nước – khoảng cách:

o Với cách đo này có độ chính xác cao nhất theo độ cao của chất lỏng bên trong bình chứa Đầu tiên ta sẽ set giá trị zero khi chưa điền chất lỏng vào bình chứa tương đương với 0% bằng cách cho cảm biến bắn một tia từ cảm biến xuống đáy bình chứa

o Sau đó ta điền đầy mức chất lỏng cần đo vào bình chứa, ta cho cảm biến

đo mức bằng sóng siêu âm đo giá trị này là khoảng cách bao nhiêu từ cảm biến đến bề mặt chất lỏng (chất rắn) Giá trị này ta gán cho mức max

o Sau đó có hai giá trị Min và Max ta có thể cài đặt kiểu đo theo độ cao hay theo thể tích Lúc này cảm biến đo mức bằng sóng siêu âm sẽ tự chuyển đổi tuyến tính theo giá trị Min, Max vừa cài đặt ở trên

 Cách đấu dây cảm biến với PLC, bộ hiển thị có input 4-20mA Active:

o Bộ Hiển Thị là từ PLC sẽ phát một nguồn điện áp từ 18 đến 36VDC tùy theo thiết bị tới cảm biến siêu âm đo mức Chân Dương của cảm biến nhận tín hiệu điện áp này và truyền tín hiệu dòng 4-20mA về bằng chân Âm Chính chân âm này chính là chân truyền tín hiệu về PLC

o Trong trường hợp này chân Âm của PLC chính là chân nhận tín hiệu chứ không phải là chân Dương

 Công dụng: dùng để phát hiện có thùng đựng sơn

 Cảm biến hồng ngoại nói chung và cảm biến hồng ngoại SN-E18-B03N1 nói riêng hoạt động bằng cách sử dụng tia hồng ngoại phản chiếu tín hiệu hồng ngoại, tín hiệu này là sự phản hồi của tia hồng ngoại với những vật thể ở gần hay ở xa Cường độ ánh sáng hồng ngoại giữa tín hiệu thu và phát có thể điều chỉnh được để phù hợp với từng ứng dụng Tín hiệu phát tia hồng ngoại gặp vật thể cản sẽ phản chiếu lại đầu thu, đầu thu hồng ngoại như là một transistor NPN khi có tia hồng ngoại phản về thì sẽ mở transistor

Thông số kĩ thuật:

o Nguồn cấp từ 6V-36V

o Dòng tiêu thụ dưới 300mA

o Khoảng cách phát hiện vật lên tới 30cm, có thể điều chỉnh được

o Độ chính xác cao, không thấm nước, chống ăn mòn

Hình 2.4 Sơ đồ mạch cầu Wheatstone

 Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên loadcell làm cho loadcell bị biến dạng dẫn đến biến dạng các điện trở dán trên thân loadcell làm cho các điện trở này thay đổi giá trị

Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi điện áp đầu ra nếu có một điện áp cung cấp cho ngõ vào loadcell, nói cách khác loadcell đã chuyển đổi lực tác động thành tín hiệu điện

 Kết hợp với yêu cầu đề tài thì ta nên chọn loại loadcell CBCL 30kg

Thông số kỹ thuật:

o Dải đo đầu vào: 0 – 30kg tương ứng với tín hiệu điện áp ngõ ra 0 - 10V

o Model cảm biến loadcell: CBCL 30kg

o Điện áp tối đa: 10V

o Dây tín hiệu: lõi 5 dây, cable PVC

o Chiều dài dây tín hiệu: 1,5 m

o Vật liệu nhôm anodized

o Tiêu chuẩn bảo vệ IP65

o Kích thước lỗ răng M6

Thực hiện chuyển đổi thang đo:

Loadcell có dãy do 0-30kg tương ứng với tín hiệu 0-10V thì giá trị 0V tương ứng với khối lượng là 0kg tại giá trị 30kg sẽ đưa tín hiệu 10V

Giả sử ta quy đổi tuyến tính

Ta cần thực hiện quy đổi 6kg xem tương ứng với bao nhiêu V ở tín hiệu đầu ra

30: 10 = 6: x (V)  6* 10= x*30

 Điện áp điều khiển: 380VAC/220VAC/110VAC/24VAC

 Vật liệu làm thân van là đồng thau

 Nhiệt độ môi trường làm việc: 5 ~ 80o

C

 Áp suất chịu được tối đa: 1Mpa

 Kiểu hoạt động: tác động trực tiếp, NC (thường đóng)

2.2.2 Bộ nguồn 24 VDC:

 Ta dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ 1 pha

 Đây là thiết bị dùng để trộn đều các thành phần màu trong hỗn hợp để có được một màu sơn chuẩn

Thông số kĩ thuật

o Điện áp cung cấp : 220 VAC/5A

o Cường độ dòng điện định mức: 5A/240VAC

2.2.4 Relay trung gian:

Hình 2.7 Rơ-le trung gian Omron LY2N DC24

 Ta sử dụng rơ le trung gian để đóng, ngắt động cơ trộn hay các van

 Relay trung gian là một khí cụ điện được dùng trong lĩnh vực điều khiển tự động Đây

là một loại relay điện áp, nguyên lý hoạt động tương tự như contactor, nhưng khác biệt giữa contactor và relay trung gian như sau:

o Relay trung gian chỉ có một loại tiếp điểm cho các dòng điện có cường độ nhỏ

đi qua, không có tiếp điểm chính và tiếp điểm phụ

o Trong relay trung gian có những tiếp điểm thường đóng và tiếp điểm thường

mở nhưng không có bộ phận dập hồ quang

 Trong mô hình này sử dụng 13 relay trung gian Omron LY2N DC24 loại dẹp 8 chân

o 9 relay trung gian loại 24 VDC/5A để cấp nguồn 24 VDC cho 9 cuộn coli của valve solenoid

o 4 relay trung gian loại 24 VDC/5A để cấp nguồn 220VAC cho:1 động cơ trộn chính và 3 động cơ phụ hoạt động

 Nhằm bảo vệ cho CPU tránh những rủi ro từ nguồn điện 220 VAC làm hư hỏng PLC, nên tránh cung cấp nguồn 220 VAC trực tiếp vào các tiếp điểm của PLC và dùng relay trung gian 24 VDC để đóng cắt các tiếp điểm của van solenoid

Thông số kỹ thuật:

o Loại 02 tiếp điểm thường đóng 02 tiếp điểm thường hở

o Điện áp cuộn dây: 24 VDC

2.2.6 Biến tần

 Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động

cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí Biến tần sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay

làm quay động cơ Các bộ phận chính của biến tần bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc,

bộ nghịch lưu IGBT, mạch điều khiển Ngoài ra biến tần được tích hợp thêm một

số bộ phận khác như: bộ điện kháng xoay chiều, bộ điện kháng 1 chiều, điện trở hãm, bàn phím, màn hình hiển thị, module truyền thông,

Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện của biến tần

 Nguyên lý hoạt động của biến tần:

o Đầu tiên, nguồn điện 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn

1 chiều bằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện Điện đầu vào có thể là một pha hoặc 3 pha, nhưng nó sẽ

ở mức điện áp và tần số cố định (ví dụ 380V 50Hz)

o Điện áp 1 chiều ở trên sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng Mới đầu, điện áp một chiều được tạo ra sẽ được lưu trữ trong giàn tụ điện Tiếp theo, thông qua quá trình tự kích hoạt thích

hợp, bộ biến đổi IGBT (viết tắt của tranzito lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giống như một công tắc bật và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần) sẽ tạo ra một điện áp xoay chiều 3 pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

 Các thiết bị điều khiển tốc độ động cơ đều phải sử dụng các bộ điều khiển lập trình PLC và kết nối với biến tần để có thể hoạt động

Hình 2.10 Mitsubishi D700

2.3 Kết luận

Chương này giúp ta có thể hiểu rõ hơn về trang thiết bị, các loại cảm biến được sử dụng trong hệ thống, cách chọn, cách sử dụng và kết nối các thiết bị vào PLC Những thiết bị này được lựa chọn theo đúng tiêu chuẩn và yêu cầu mà hệ thống cần, ta có thể dựa vào đó để tùy ý chọn cho mình thiết bị phù hợp để hệ thống vận hành một cách tốt nhấ

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU PLC MITSUBISHI

3.1 Giới thiệu PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được 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 được sự kiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch relay trong thực 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, STL hay FBD Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Mitsubishi Electric, Omron, General,…

Về cơ bản, hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/ra (Input/Output) (còn gọi là các Module xuất/nhập) dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU (như các sensor, contact, tín hiệu từ động cơ …) Sau khi nhận được tín hiệu ở đầu vào thì CPU sẽ xử lý nhờ vào chương trình mà người lập trình đã nạp vào bộ nhớ của PLC và đưa các tín hiệu điều khiển qua Module xuất ra các thiết bị được điều khiển Vì vậy, muốn mở rộng hay thay đổi chức năng của PLC, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC mà không cần thay đổi bộ nối dây hay thay đổi

hệ thống Relay

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 Modul mở rộng