Đồ án tự động hóa: Thiết kế hệ thống gia công sản phẩm - ĐH Thủy Lợi

Báo cáo đồ án tự động hóa 1 về thiết kế hệ thống gia công sản phẩm. Tổng hợp chi tiết sơ đồ nguyên lý, cấu tạo cơ khí và quy trình vận hành tự động.

• Tác giả: Ngô Ngọc Tùng
• Người hướng dẫn: Nguyễn Tiến Minh
• Trường học: Trường Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế hệ thống gia công sản phẩm
• Loại tài liệu: Báo cáo môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống gia công sản phẩm tự động hóa

Thiết kế hệ thống gia công sản phẩm tự động hóa là nhiệm vụ quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Hệ thống này sử dụng các thiết bị điều khiển logic lập trình (PLC) để điều khiển hoạt động của các cơ cấu chấp hành như xi lanh khí nén, tay máy công nghiệp và các cảm biến. Mục tiêu chính là tối ưu hóa quá trình sản xuất, giảm thiểu sai sót và nâng cao năng suất. Hệ thống gia công sản phẩm bao gồm nhiều thành phần như PLC Siemens S7-300, cảm biến phát hiện trạng thái ON/OFF, xi lanh khí nén và giao diện điều khiển HMI. Các thành phần này hoạt động phối hợp theo chương trình lập trình sẵn, đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra liên tục và chính xác.

1.1. Vai trò của PLC trong hệ thống gia công sản phẩm

PLC (Programmable Logic Controller) đóng vai trò trung tâm trong hệ thống gia công sản phẩm tự động hóa. PLC được sử dụng để điều khiển các hoạt động của hệ thống thông qua các chương trình lập trình sẵn. Trong đề tài này, PLC Siemens S7-300 được lựa chọn nhờ khả năng xử lý linh hoạt, độ tin cậy cao và khả năng mở rộng. PLC nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý dữ liệu và điều khiển các cơ cấu chấp hành như xi lanh khí nén. Việc sử dụng PLC giúp hệ thống hoạt động ổn định, dễ dàng bảo trì và nâng cấp.

1.2. Cơ cấu chấp hành trong hệ thống gia công sản phẩm

Cơ cấu chấp hành là thành phần quan trọng trong hệ thống gia công sản phẩm, bao gồm xi lanh khí nén, tay máy công nghiệp và các thiết bị điều khiển khác. Xi lanh khí nén được sử dụng để tạo lực đẩy và kéo theo yêu cầu sản xuất. Tay máy công nghiệp có cấu trúc khớp nối, cho phép thực hiện các chuyển động linh hoạt. Cảm biến đóng vai trò phát hiện trạng thái của hệ thống, cung cấp tín hiệu phản hồi cho PLC. Sự phối hợp giữa các cơ cấu chấp hành đảm bảo quá trình gia công diễn ra chính xác và hiệu quả.

II. Phân tích vấn đề trong thiết kế hệ thống gia công sản phẩm

Thiết kế hệ thống gia công sản phẩm tự động hóa đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật. Một trong những vấn đề chính là lựa chọn và tích hợp các thành phần hệ thống như PLC, cảm biến và cơ cấu chấp hành. Việc xác định đúng loại cảm biến (ON/OFF, quang học, từ tính) ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của hệ thống. Ngoài ra, quá trình lập trình PLC đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về điều khiển logic và giao diện người máy (HMI). Vấn đề an toàn cũng cần được quan tâm, đặc biệt trong môi trường sản xuất công nghiệp nơi các thiết bị hoạt động liên tục.

2.1. Khó khăn trong lựa chọn cảm biến

Việc lựa chọn cảm biến phù hợp là thách thức quan trọng trong thiết kế hệ thống. Cảm biến phải đáp ứng yêu cầu phát hiện vật thể, khoảng cách và môi trường làm việc. Ví dụ, cảm biến phát hiện sắt từ thích hợp cho môi trường có vật liệu kim loại, trong khi cảm biến quang học phù hợp hơn cho môi trường không có bụi bẩn. Sai lầm trong lựa chọn có thể dẫn đến hệ thống hoạt động không ổn định hoặc gây ra lỗi sản phẩm. Do đó, việc nghiên cứu kỹ lưỡng các loại cảm biến và điều kiện môi trường là cần thiết.

2.2. Thách thức trong lập trình PLC

Lập trình PLC đòi hỏi kỹ năng chuyên môn cao về điều khiển logic và ngôn ngữ lập trình LAD. Người lập trình phải xây dựng các khối chức năng (FC) và chương trình chính (OB1) để điều khiển hệ thống. Việc quản lý các biến đầu vào/đầu ra (tag) và xử lý tín hiệu phản hồi từ cảm biến là yếu tố quan trọng. Ngoài ra, lập trình PLC còn liên quan đến việc thiết kế giao diện HMI, đảm bảo người vận hành có thể theo dõi và điều khiển hệ thống một cách dễ dàng.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống gia công sản phẩm tự động hóa

Giải pháp thiết kế hệ thống gia công sản phẩm tự động hóa tập trung vào tích hợp các thành phần phần cứng và phần mềm. PLC Siemens S7-300 được sử dụng làm bộ điều khiển trung tâm, kết nối với các cảm biến và cơ cấu chấp hành. Hệ thống được lập trình theo chuẩn IEC 61131-3, đảm bảo tính tương thích và dễ dàng bảo trì. Giải pháp bao gồm thiết kế sơ đồ logic bậc thang (LAD), cấu hình phần cứng và lập trình giao diện HMI. Ngoài ra, hệ thống được mô phỏng và kiểm tra trước khi triển khai thực tế, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn.

3.1. Tích hợp PLC Siemens S7 300

PLC Siemens S7-300 được lựa chọn do khả năng xử lý mạnh mẽ, độ tin cậy cao và khả năng mở rộng. Hệ thống sử dụng CPU 1212C DC/DC/DC, kết nối với các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông qua các module đầu vào/đầu ra. PLC nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý dữ liệu và điều khiển các xi lanh khí nén theo chương trình lập trình sẵn. Việc tích hợp PLC đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục, ổn định và dễ dàng nâng cấp.

3.2. Thiết kế giao diện HMI

Giao diện điều khiển HMI được thiết kế để cung cấp khả năng theo dõi và điều khiển hệ thống cho người vận hành. Giao diện hiển thị trạng thái của các thiết bị, cảnh báo lỗi và cho phép điều chỉnh chế độ hoạt động. HMI được lập trình bằng phần mềm TIA Portal, kết nối với PLC thông qua mạng Profibus hoặc Ethernet. Việc thiết kế HMI tập trung vào tính thân thiện người dùng, đảm bảo dễ dàng vận hành và giám sát hệ thống.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của hệ thống gia công sản phẩm

Thiết kế hệ thống gia công sản phẩm tự động hóa mang lại nhiều lợi ích cho sản xuất công nghiệp. Hệ thống giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu sai sót và nâng cao năng suất. Việc sử dụng PLC Siemens S7-300 và các cảm biến tiên tiến đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác. Hệ thống có thể ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như sản xuất ô tô, điện tử và chế biến thực phẩm. Ngoài ra, hệ thống còn có khả năng mở rộng, dễ dàng nâng cấp để đáp ứng nhu cầu sản xuất ngày càng cao.

4.1. Đánh giá hiệu quả của hệ thống

Hệ thống gia công sản phẩm tự động hóa mang lại hiệu quả vượt trội so với phương pháp sản xuất thủ công. Việc tự động hóa giúp giảm thiểu lỗi sản phẩm, tiết kiệm thời gian và chi phí sản xuất. PLC và cảm biến đảm bảo hoạt động ổn định, giảm thiểu sự can thiệp của con người. Ngoài ra, hệ thống còn cho phép theo dõi và điều khiển từ xa, nâng cao tính linh hoạt trong sản xuất.

4.2. Triển vọng ứng dụng trong tương lai

Hệ thống gia công sản phẩm tự động hóa có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong tương lai. Với sự phát triển của công nghệ IoT và trí tuệ nhân tạo, hệ thống có thể được nâng cấp để tích hợp các tính năng thông minh như học máy và phân tích dữ liệu. Điều này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, dự đoán sự cố và nâng cao hiệu quả hoạt động. Ngoài ra, hệ thống còn có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp mới nổi như sản xuất thông minh (Industry 4.0).

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 – GIỚI THIỆU CHUNG 1. Tay máy công nghiệp Tay máy ( Manipulator ) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp. Chúng hình cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay ( End Effector ) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. - Kết cấu của tay máy.

Các tay máy có điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu được nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ phần công tác. Các khớp phổ biến là khớp trượt và khớp quay. Tùy theo số lượng và cách bố trí các khớp mà người ta có thể tạo ra tay máy kiểu tọa độ đề các , tọa độ trụ, tọa độ cầu, SCARA, và kiểu tay người ( Anthropomorpnic ). Cảm biến Để điều khiển chuyển động của các xy lanh khí nén hay các loại cơ cấu chấp hành khác cần có sự phát hiện sự dịch chuyển, hay nói cách khác là có sự thay đổi về vị trí hoặc thay đổi các thông số của quá trình trong hệ thống điều khiển.

Trong phần này, chúng ta đề cập chủ yếu đến các loại cảm biến phát hiện hai trạng thái ON - OFF. Tiếp điểm của cảm biến chia ra làm 2 loại: thường đóng (Normal Closed – NC) và thường mở (Normal Open – NO). Công tắc hành trình thường có cả 2 loại tiếp điểm NO và NC nhưng với một cực chung. Khi có tín hiệu tác động thì sẽ chuyển đổi trạng thái của 2 tiếp điểm này: tiếp điểm thường mở đóng lại và tiếp điểm thường đóng mở ra.

24V 24V 24V Fe 0V 0V 0V Caûm bieán quang Caûm bieán ñieän dung Caûm bieán caûm öùng töø Hình 1 – Một số cảm biến thông dụng 1. Cảm biến phát hiện sắt từ  Dùng để phát hiện các vật thể bằng kim loại, thường dùng để khống chế các hành trình. Khoảng cách phát hiện của cảm biến loại này phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu của vật cảm biến, các vật liệu có từ tính hoặc kim loại có chứa sắt sẽ có khoảng cách phát hiện xa hơn các vật liệu không có từ tính.  Đa chức năng, khoảng cách phát hiện tới 30mm  Vỏ bọc đồng thau hoặc thép không gỉ cho độ bền cao  Các model DC 2 dây, 3 dây và 4 dây (NO + NC).

Hình 2 – Cảm biến từ 1. Cảm biến quang. Ánh sáng từ nguồn sáng được tập trung bởi thấu kính hội tụ và chiếu thẳng vào vật. Tia sáng phản xạ từ vật được tập trung lên dụng cụ cảm biến vị trí (PSD: position sensing device) bằng thấu kính thu.

Nếu vị trí vật ( khoảng cách đến thiết bị đo) thay đổi, hình ảnh vị trí vật hình thành trên PSD sẻ khác đi và nếu ở trạng thái cân bằng của hai ngõ ra PSD thay đổi Hình 3 – Cảm biến quang ảnh vị trí vật hình thành trên PSD sẽ khác đi và trạng thái cân bằng của 2 PSD cũng thay đổi. Công tắc hành trình Công tắt hành trình trước tiên là cái công tắc tức là làm chức năng đóng mở mạch điện, và nó được đặt trên đường hoạt động của một cơ cấu nào đó, sao cho khi cơ cấu đến 1 vị trí nào đó sẽ tác động lên công tắc. Hành trình có thể là tịnh tiến hoặc quay. Khi công tắc hành trình được tác động thì nó sẽ làm đóng hoặc ngắt một mạch điện do đó có thể ngắt hoặc khởi động cho một thiết bị khác.

Người ta có thể dùng công tắc hành trình vào các mục đích như: Giới hạn hành trình ( khi cơ cấu đến vị trí dới hạn tác động vào công tắc sẽ làm ngắt nguồn cung cấp cho cơ cấu -> nó không thể vượt qua vị trí giới hạn) Hành trình tự động: Kết hợp với các role, PLC hay VDK để khi cơ cấu đến vị trí định trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động (hoặc chính cơ cấu đó). Công tắc hành trình được dùng nhiều trong các dây chuyền tự động. Các công tắc hành trình có thể là các nhút nhấn (button) thường đóng, thường mở, công tắc 2 tiếp điểm, và cả công tắc quang. Hình 4 – Cấu tạo của công tắc hành trình 1.

Công tắc Trong kỹ thuật điều khiển, công tắc, nút ấn thuộc phần tử đưa tín hiệu. Có hai loại công tắc thông dụng: công tắc đóng – mở và công tắc chuyển mạch quay. Hình 5 – Công tắc và ký hiệu của công tắc 1. Nút nhấn - Nút ấn đóng - mở: Khi chưa tác động thì chưa có dòng điện chạy qua (mở), khi tác động thì dòng điện sẽ đi qua - Nút ấn chuyển mạch sẽ chuyển trạng thái của mạch Hình 6 – Nút nhấn và ký hiệu nút nhấn 1.

Rơ le trung gian 1. Khái niệm chung về rơ le Rơ le (Hình dưới) là loại khí cụ điện hạ áp tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định. Rơ le được sử dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực khoa học công nghệ và đời sống hàng ngày. Rơ le có nhiều chủng loại với nguyên lý làm việc, chức năng khác nhau như rơ le điện tử, rơ le phân cực, rơ le cảm ứng, rơ le nhiệt, rơ le điện từ tương tự, rơ le điện tử… Hình 7 - Rơ le trung gian.

Đặc tính cơ bản của rơ le: là đặc tính vào ra. Khi đại lượng đầu vào X tăng đến một giá trị tác động X2, đại lượng đầu ra Y thay đổi nhảy cấp từ 0 (Y min) đến 1 (Ymax). Theo chiều giảm của X, đến giá trị số nhả X1 thì đại lượng đầu ra sẽ nhảy cấp từ 1 xuống 0. Đây là quá trình nhả của rơ le.

Phân loại rơ le Có nhiều loại rơ le với nguyên lý và chức năng làm việc rất khác nhau. Do vậy có nhiều cách để phân loại rơ le:  Phân loại nguyên lý làm việc theo nhóm: - Rơ le điện cơ.  Phân loại theo nguyên lý tác động của cơ cấu chấp hành: - Rơ le có tiếp điểm: loại này tác động lên mạch bằng cách đóng mở các tiếp điểm. - Rơ le không tiếp điểm (rơ le tĩnh): loại này tác động bằng cách thay đổi đột ngột các tham số cảu cơ cấu chấp hành mắc trong mạch điều khiển như: điện cảm, điện dung, điện trở,…  Phân loại theo đặc tính tham số vào: - Rơ le dòng điện.

- Rơ le công suất. - Rơ le tổng trở…  Phân loại theo cách mắc cơ cấu: - Rơ le sơ cấp: loại này được mắc trực tiếp vào mạch điện cần bảo vệ. - Rơ le thứ cấp: loại này mắc vào mạch thông qua biến áp đo lường hay biến dòng điện.  Phân loại theo giá trị và chiều các đại lượng đi vào rơ le: - Rơ le cực đại.

- Rơ le cực tiểu. - Rơ le cực đại-cực tiểu. - Rơ le so lệch. Rơ le trung gian Rơ le trung gian được sử dụng rộng rãi trong các sơ đồ bảo vệ hệ thống điện và các sơ đồ điều khiển tự động, đặc điểm của rơ le trung gian là số lượng tiếp điểm khá lớn (thường đóng và thường mở) với khả năng chuyển mạch lớn và công suất nuôi cuộn dây bé nên nó được dùng để truyền và khuếch đại tín hiệu, hoặc chia tín hiệu của rơ le chính đến nhiều bộ phận khác nhau của mạch điều khiển và bảo vệ.

 Cấu tạo của rơ le trung gian Hình 8 - Cấu tạo của rơ le trung gian.  Nguyên lý hoạt động của rơ le trung gian: Nếu cuộn dây của rơ le được cấp điện áp định mức (qua tiếp điểm của rơ le chính) sức từ động do dòng điện trong cuộn dây sinh ra sẽ tạo ra trong mạch từ thông, hút nắp làm các tiếp điểm thường mở đóng lại và các tiếp điểm thường đóng mở ra. Khi cắt điện của cuộn dây, lò xo sẽ nhả đưa nắp và các tiếp điểm về vị trí ban đầu. Do dòng điện qua tiếp điểm có giá trị nhỏ nên hồ quang khi chuyển mạch không đáng kể nên không cần buồng dập hồ quang.

Rơ le trung gian có kích thước nhỏ gọn, số lượng tiếp điểm đến bốn cặp thường đóng và thường mở liên động, công suất tiếp điểm cỡ 5A, 250VAC, 28VDC, hệ số nhả của rơ le nhỏ hơn 0.4, thời gian tác động dưới 0.05s, cho phép tần số thao tác dưới 1200 lần/giờ. Hình 9 - Rơ le OMRON MY4N-J DC24. Trong hệ thống sử dụng rơ le OMRON MY4N-J DC24 với các thông số kỹ thuật: - Số chân: 14 chân dẹt. - Có đèn led hiển thị.

- Điện áp cuộn dây: 24VDC - Tiếp điểm: 5A, 250VAC/28VDC - Thời gian tác động: 20ms Max. - Tần số hoạt động: Điện: 1800 lần/giờ, Cơ: 18000 lần/giờ. - Tuổi thọ: AC: 50. - Tần số: 1800 lần/giờ.

- Nhiệt độ làm việc: -55°C - 70°C 1. Máy nén khí Máy nén khí là thiết bị tạo ra áp suất khí, ở đó năng lượng cơ học của động cơ điện hoặc động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng. Phân làm 2 loại : Phân loại theo áp suất.  Máy nén khí áp suất thấp p <= 15 bar  Máy nén khí áp suất cao p>= 15 bar  Máy nén khí áp suất rất cao p>= 300 bar - Phân loại theo nguyên lý hoạt động.

 Máy nén khí theo nguyên lý trao đổi thể tích: Máy nén khí kiểu pittong, máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít.  Máy nén khí tuabin: Máy nén khi ly tâm và máy nén khí theo chiều trục. Bình trích chứa khí nén: Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và được xử lý thì cần phải có một bộ phận lưu trữ để sử dụng. Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén từ máy nén khí chuyển đến trích chứa, ngưng tụ và tách nước.

Kích thước bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và công suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng, ngoài ra kích thước này còn phụ thuộc vào phương pháp sử dụng: ví dụ sử dụng liên tục hay gián đoạn. Mạng đường ống dẫn khí nén: Mạng đường ống dẫn khí nén là thiết bị truyền dẫn khí nén từ máy nén khí đến bình trích chứa rồi đến các phần tử trong hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành. Van đảo chiều Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng mở hay thay đổi vị trí các cửa van để thay đổi hướng của dòng khí nén. Hình 10 - Trạng thái khi OFF và ON của van đảo chiều.