Đồ án: Thiết kế hệ thống điều khiển phân loại sản phẩm theo chiều cao

Tài liệu đồ án cơ điện tử về hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao. Báo cáo gồm sơ đồ nguyên lý, chương trình PLC S7-1200, HMI và thuyết minh.

• Tác giả: Trần Trọng Đông
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Sỹ Tuấn
• Trường học: Trường Cơ Khí Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Cho Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Theo Chiều Cao
• Loại tài liệu: Đồ Án Môn Học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Theo Chiều Cao

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao là một giải pháp tự động hóa quan trọng trong dây chuyền sản xuất hiện đại. Hệ thống này sử dụng công nghệ cơ điện tử để phân biệt và phân loại các sản phẩm dựa trên kích thước chiều cao của chúng. Với nhu cầu tăng cao trong sản xuất công nghiệp, hệ thống phân loại tự động giúp nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí nhân công và tăng tính cạnh tranh của doanh nghiệp. Ứng dụng của hệ thống này rất đa dạng từ vận chuyển sản phẩm, đếm sản phẩm cho đến phân loại hàng hóa trong các ngành công nghiệp chế biến, sản xuất. Công nghệ điều khiển PLC kết hợp với các thiết bị cảm biến hiện đại cho phép hệ thống hoạt động với độ chính xác cao và tính ổn định vượt trội.

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Hệ Thống

Nguyên lý hoạt động của hệ thống dựa trên việc sử dụng cảm biến quang để phát hiện sản phẩm khi chúng đi qua. Khi sản phẩm được phát hiện, bộ điều khiển PLC sẽ nhận tín hiệu và so sánh chiều cao với các thông số được lập trình sẵn. Dựa trên kết quả so sánh, hệ thống sẽ kích hoạt các van điện từ và xylanh khí nén để đẩy sản phẩm vào đúng hạng mục phân loại. Quá trình này diễn ra tự động và liên tục, đảm bảo tính chính xác và hiệu suất cao.

1.2. Các Thành Phần Chính Của Hệ Thống

Hệ thống bao gồm ba thành phần chính: cảm biến quang (phát hiện sản phẩm), bộ điều khiển PLC (xử lý tín hiệu), và cơ cấu chấp hành (xylanh khí nén, van điện từ). Màn hình HMI cung cấp giao diện giám sát và điều khiển cho người vận hành. Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng công tắc từ, relay trung gian, bộ nguồn và các thiết bị khí nén hỗ trợ như bộ lọc khí và bộ bôi trơn để đảm bảo hoạt động ổn định.

II. Thiết Kế Và Lựa Chọn Thành Phần Điều Khiển

Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao đòi hỏi lựa chọn cẩn thận các thành phần điều khiển phù hợp. Bộ điều khiển PLC S7-1200 được chọn vì khả năng xử lý tín hiệu nhanh, độ tin cậy cao và dễ lập trình. Module mở rộng SM1221 cung cấp thêm các cổng vào/ra cần thiết cho hệ thống. Màn hình HMI TP1200 COMFORT cho phép giám sát và điều khiển thực thời từ xa. Cảm biến quang E3F-DS30C4 phát hiện sản phẩm với độ chính xác cao. Cơ cấu chấp hành bao gồm xylanh DSNU-12-200-P-A có công suất phù hợp để thực hiện chuyển động phân loại. Lựa chọn đúng các thành phần cơ điện tử đảm bảo hiệu suất tối ưu và độ bền của hệ thống.

2.1. Bộ Điều Khiển PLC Và Các Module Mở Rộng

PLC S7-1200 là bộ điều khiển lập trình được sử dụng để quản lý toàn bộ quy trình phân loại. Nó nhận tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển các van điện từ, xylanh thông qua các relay trung gian. Module SM1221 mở rộng số lượng cơng vào/ra, cho phép kết nối thêm nhiều thiết bị. Chu trình quét của PLC đảm bảo xử lý tín hiệu liên tục và chính xác, giúp hệ thống phản ứng nhanh chóng với các sản phẩm.

2.2. Cảm Biến Và Cơ Cấu Chấp Hành

Cảm biến quang E3F-DS30C4 được lắp đặt để phát hiện sự hiện diện của sản phẩm với khoảng cách hoạt động phù hợp. Xylanh DSNU-12-200-P-A được kích hoạt bởi van điện từ 5/3 để thực hiện chuyển động đẩy sản phẩm. Công tắc từ CS-1-G được sử dụng để phát hiện vị trí của xylanh. Bộ lọc khí TW3000-03 và bộ bôi trơn TL3000-03 đảm bảo chất lượng khí nén cung cấp cho các thiết bị.

III. Lập Trình Điều Khiển Và Giao Diện Giám Sát

Lập trình điều khiển cho hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được thực hiện dựa trên lưu đồ Grafcet chi tiết. Bảng I/O được xây dựng để xác định rõ các tín hiệu vào từ cảm biến và tín hiệu ra điều khiển các thiết bị. Chương trình PLC được viết theo logic tuần tự, đảm bảo các bước phân loại thực hiện đúng thứ tự và chính xác. Giao diện điều khiển HMI được thiết kế với tính năng giám sát thực thời, hiển thị trạng thái của các thiết bị và cho phép người vận hành tương tác với hệ thống. Hệ thống khí nén được sơ đồ hóa rõ ràng, bao gồm các nút điều khiển, van tiết lưu và các linh kiện bảo vệ đảm bảo an toàn hoạt động.

3.1. Thiết Kế Lưu Đồ Grafcet Và Bảng I O

Lưu đồ Grafcet mô tả chi tiết các trạng thái và chuyển tiếp của hệ thống từ khi sản phẩm được phát hiện cho đến khi phân loại xong. Bảng I/O liệt kê tất cả các cảm biến đầu vào (sensors) và các thiết bị đầu ra (actuators) kết nối với PLC. Mỗi tín hiệu được gán địa chỉ memory cụ thể trong bộ điều khiển, cho phép lập trình dễ dàng và quản lý hiệu quả.

3.2. Chương Trình PLC Và Giao Diện HMI

Chương trình PLC được lập trình sử dụng ngôn ngữ Structured Text hoặc Ladder Diagram, thực hiện logic điều khiển theo lưu đồ Grafcet. Giao diện HMI TP1200 hiển thị các thông tin như: số sản phẩm phân loại, trạng thái các van, vị trí xylanh, và cảnh báo lỗi. Người vận hành có thể bắt đầu/dừng hệ thống, điều chỉnh các thông số kỹ thuật trực tiếp từ màn hình cảm ứng.

IV. Mô Phỏng Kiểm Thử Và Ứng Dụng Thực Tế

Mô phỏng hoạt động hệ thống là bước quan trọng để xác minh tính đúng đắn của thiết kế điều khiển trước khi triển khai thực tế. Sử dụng phần mềm mô phỏng, các kỹ sư có thể kiểm tra xem chương trình PLC có hoạt động đúng theo lưu đồ Grafcet hay không. Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao có nhiều ứng dụng thực tế trong ngành công nghiệp như phân loại hàng hóa trong kho, xếp hàng tự động, phân loại sản phẩm may mặc, phân loại hộp carton và các ứng dụng khác. Hệ thống tự động hóa này giúp giảm thiểu nhân công, tăng năng suất sản xuất và nâng cao chất lượng kiểm soát hàng hóa. Với sự phát triển của công nghệ cơ điện tử, hệ thống có thể được mở rộng để phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau.

4.1. Quy Trình Mô Phỏng Và Kiểm Thử Hệ Thống

Mô phỏng hệ thống được thực hiện bằng cách chạy chương trình PLC với các tín hiệu input mô phỏng từ cảm biến. Kỹ sư có thể quan sát các tín hiệu output và so sánh với kỳ vọng. Kiểm thử bao gồm kiểm tra các tình huống khác nhau: sản phẩm cao, thấp, các lỗi cảm biến. Các kết quả mô phỏng giúp phát hiện và sửa chữa lỗi trước khi lắp ráp hệ thống thực tế.

4.2. Ứng Dụng Và Triển Khai Trong Công Nghiệp

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được triển khai thành công trong nhiều nhà máy sản xuất, kho bãi và trung tâm phân phối hàng hóa. Ứng dụng thực tế bao gồm phân loại các sản phẩm công nghiệp, vật dụng tiêu dùng, hàng may mặc và hàng hoá tổng hợp. Hệ thống tự động hóa này đã chứng minh hiệu quả trong việc nâng cao năng suất, giảm chi phí vận hành và cải thiện chất lượng kiểm soát hàng hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển 1.1 Tìm hiểu về hệ thống điều khiển của hệ thống phân loại sản phẩm Hình 1. 1 Sơ đồ hệ thống Hệ thống điều khiển của hệ thống phân loại sản phẩm bao gồm 3 thành phần chính: · Cảm biến: Là thiết bị điện tử biến đổi tín hiệu từ tín hiệu vật lý sang đại lượng mang tính chất điện. Cảm biến được phân loại theo đại lượng cần đo(vị trí, gia tốc, nhiệt độ, dòng điện,… ), theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích (nhiệt điện, quang điện, quang đàn hồi, biến đổi hóa học, biến đổi sinh hóa,…) và phân theo nguồn năng lượng tiêu thụ: cảm biến chủ động và cảm biến bị đông SVTH: Trần Trọng Đông 6 MSSV:20184385 Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển ` GVHD: TS.Hoàng Sỹ Tuấn - Ở hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao, cảm biến sẽ được sử dụng để phát hiện vật và dựa vào vị trí lắp cảm biến thì có thể biết được chiều cao tương đối của vật cần phân loại. · Cơ cấu chấp hành: - Cơ cấu chấp hành là phần “cơ bắp” trong hệ thống cơ điện tử.

Cơ cấu này nhận lệnh điều khiển (chủ yếu là tín hiệu điện) và tạo ra sự thay đổi (theo yêu cầu) trong hệ vật lý bằng cách tạo ra các lực, chuyển động, nhiệt dòng chảy …v. - Cơ cấu chấp hành thường được sử dụng kết hợp một nguồn cung cấp năng lượng phụ trợ (điện, cơ) với cơ cấu chuyển đổi năng lượng, cơ cấu biến đổi chuyển động - Cơ cấu chấp hành thường được bố trí giữa thiết bị điều khiển và cảm biến - Cơ cấu chấp hành có thể là các hệ thống dẫn động cơ điện, thủy lực hoặc khí nén, các hệ thống khuyếch đại điện tử · Thiết bị điều khiển: - Là thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển, nhằm tác động lên cơ cấu chấp hành để đạt được sự thay đổi mong muốn. - Thiết bị điều khiển bao gồm: Ø Thiết bị điều khiển tương tự: ON/OFF, P, PI, PD, PID Ø Thiết bị điều khiển số: Vi điều khiển, Máy tính, PLC. Ø Thiết bị điều khiển logic: Vi điều khiển, Máy tính, PLC.

SVTH: Trần Trọng Đông 7 MSSV:20184385 Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển ` GVHD: TS.Hoàng Sỹ Tuấn 1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển Lựa chọn điều khiển hệ thống qua 2 chế độ: Chế độ tự động (AUTO) và điều khiển bầng tay (MANUAL), được chuyển đổi qua công tắc chuyển đổi. Chế độ AUTO:Khi hệ thống sẵn sàng hoạt động, cảm biến S1 nhận biết có phôi cần phân loại, hệ thống bật động cơ truyền chuyển động băng tải đưa phôi từ đầu băng tải đến vị trí các xylanh để phân loại. Cảm biến phát hiện phôi cao được đặt trước ở vị trí cao nhằm phát hiện phôi cao, các phôi trung bình và thấp sẽ đi qua đến vị trí kiểm tra tiếp theo. Khi có tín hiệu phôi, bộ xử lý phát tín hiệu điều khiển để xylanh ở hành trình đi ra đẩy phôi vào máng cấp phôi, khi đi hết hành trình xylanh sẽ quay trở lại vị trí đầu hành trình và chờ tín hiệu tiếp theo.

Phôi thấp sẽ đưa đền cuối băng tải và đi vào máng chứa phôi. Sau 1 khoảng thời gian cảm biến không phát hiện phôi được cấp, hệ thống sẽ tắt động cơ để dừng băng tải và chờ phôi được cấp. Chế độ MANUAL: Người điều khiển sẽ sử dụng các nút bấm cứng trên bảng điều khiển, cũng như trên màn hình giám sát để điều khiển độc lập từng các cơ cấu chấp hành để kiểm tra tình trạng hoạt động các thiết bị có hoạt động bình thường hay không.3 Phân tích thông số và yêu cầu kỹ thuật để xác định các thành phần điều khiển Hệ thống phân loại sản phẩm có 3 chiều cao khác nhau: 10 cm, 5cm và 3cm nên sẽ lựa chọn các thành phần điều khiển như sau: Ø Cảm biến: - Hệ thống sẽ 4 cảm biến quang trong đó 3 cảm biến được sử dụng cho mục đích phát hiện chiều cao của phôi thông qua việc bố trí cảm biến SVTH: Trần Trọng Đông 8 MSSV:20184385 Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển ` GVHD: TS.Hoàng Sỹ Tuấn theo chiều cao phôi để tiến hành phân loại phôi, 1 cảm biến quang được đặt tại đầu băng tải để nhận biết có phôi được cấp vào để phân loai. - Sử dụng 4 công tắc từ sử dụng để phát hiện vị trí hành trình piston của xylanh ở đầu và cuối hành trình.

Ø Cơ cấu chấp hành: - Sử dụng động cơ xoay chiều 1 pha để truyền chuyển động cho băng tải, đưa phôi được cấp đến các vị trí phân loại phôi. - Sử dụng 2 xylanh khí nén tác động kép (hay xylanh 2 chiều) có vòng từ để có thể xác định vị trí piston. Ø Bộ điều khiển: Các phương án điều khiển 1. Sử dụng các thiết bị logic cứng (relay, timer,.) đóng ngắt thiết lập mạch logic điều khiển tuần tự hệ thống.

Sử dụng thiết bị điều khiển logic khả trình PLC để điều khiển cho cả hệ thống. Sử dụng vi điều khiển để điều khiển hệ thống. Phân tích ưu nhược điểm từng phương án Ưu điểm Nhược điểm Phương - Chi phí thấp, dễ dàng thay thế - Khả năng tùy biến án 1 Relay bị hỏng thấp - Khá phức tạp vì sử dụng nhiều phần tử logic SVTH: Trần Trọng Đông 9 MSSV:20184385 Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển ` GVHD: TS.Hoàng Sỹ Tuấn Phương - Công nghệ hiện đại, khả năng - Chi phí cao án 2 phát triển tích hợp tốt - Đòi hỏi người sử - Có thể dễ dàng thiết kế kèm hệ dụng cần có trình độ thống giám sát chuyên môn cao - Phù hợp với môi trường làm việc công nghiệp Phương - Phù hợp với hệ thống nhỏ - Dễ sinh nhiễu trong án 3 - Chi phí thấp môi trường nhà máy, bụi bẩn, nhiệt độ cao ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống Bảng 1. 1 Các phương án điều khiển Vậy ta sẽ lựa chọn sử dụng PLC để nhận tín hiệu điều khiển từ cảm biến và các nút bấm, qua đó xử lý tín hiệu nhận được, qua chương trình điều khiển để phát tín hiệu điều khiển cho các thiết bị trung gian để điều khiển cơ cấu chấp hành hoặc điều khiển trực tiếp cơ cấu chấp hành.

- Bộ điều khiển PLC có thế đáp ứng được nhiều yêu cầu: ▪ Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ dễ sử dụng ▪ Gọn nhẹ, dễ bảo quản ▪ Dung lượng lớn có thể chứa các chương trình phức tạp ▪ Giao tiếp được các thiết bị thông minh khác như: máy tính, module nối mạng, các module mở rộng,. ▪ Có thể mở rộng, nâng cấp khi cần thiết cải thiện hệ thống. SVTH: Trần Trọng Đông 10 MSSV:20184385 Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển ` GVHD: TS.Hoàng Sỹ Tuấn STT Thiết bị Số Mục đích lượng 1 Cảm biến 4 Phát hiện phôi cấp và xác định chiều cao phôi quang 2 Công tắc 4 Phát hiện hành trình xylanh từ 3 Công tắc 1 Chuyển chế độ AUTO và MAN 4 Nút bấm 9 Start,Stop,Reset Bật băng tải, Tắt băng tải Điều khiển xylanh cao đi ra, Điều khiển xylanh cao đi về, Điều khiển xylanh trung bình đi ra, Điều khiển xylanh trung bình đi về 5 Relay 5 Bật động cơ băng tải Bật 4 cuộn hút van đảo chiều 6 Đèn 2 Báo trạng thái hoạt động và không sẵn sàng hoạt động Bảng 1. 2 Thống kê sơ bộ các thiết bị kết nối Input và Output với PLC Vậy tổng thiết bị đầu vào (Input) = 18, tổng thiết bị đầu ra (Output) =7.

SVTH: Trần Trọng Đông 11 MSSV:20184385 Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển ` GVHD: TS.Hoàng Sỹ Tuấn Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển 2.1 Lựa chọn các thành phần cơ bản 2.1 Bộ điều khiển PLC Hình 2. 1 PLC S7 – 1200 (CPU 1214C DC/DC/DC) Bộ điều khiển PLC mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động. Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ khiến cho PLC trở thành một giải pháp hoàn hảo cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau Kết hợp một bộ vi xử lý, bộ nguồn tích hợp, mạch ngõ vào và ra trong một kết cấu thu gọn. Sau khi người dùng tải chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị.

CPU của PLC giám sát ngõ vào và làm thay đổi tín hiệu ngõ ra theo logic của chương trình bao gồm các hoạt động logic boolean, việc đếm, các phép toán phức hợp và việc truyền thông các thiết bị thông minh khác. SVTH: Trần Trọng Đông 12 MSSV:20184385 Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển ` GVHD: TS.Hoàng Sỹ Tuấn Thông tin chung. Dòng sản phẩm. CPU 1214C DC/DC/DC.

Nguồn cung cấp. Giới hạn dưới cho phép. Giới hạn trên cho phép. Bảo vệ nguồn cung cấp ngược.

Dòng điện ngõ vào cung cấp. Dòng tiêu thụ. 500 mA cho duy nhất CPU. Dòng tiêu thụ tối đa.

1500 mA cho CPU và mudule mở rộng. Dòng điện khởi động. Cấu hình phần cứng. 3 module truyền thông, 1 singal Số lượng module mở rộng.

board, 8 module tín hiệu. Cho tín hiệu định mức “0”. +5VDC tại 1mA. Cho tín hiệu định mức “1”.

Dòng điện vào. Chỉ tín hiệu mức “1”. Ngõ vào số. Số lượng ngõ vào số.

Ngõ ra số. SVTH: Trần Trọng Đông 13 MSSV:20184385 Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển ` GVHD: TS.Hoàng Sỹ Tuấn Số lượng ngõ ra số. Với tải thuần trở, tối đa. Với tải thuần đèn, tối đa.

Điện áp ngõ ra Cho mức tín hiệu “0”. Với tại 1KOhm. Cho mức tín hiệu “1” tối thiểu. Ngõ vào tương tự.

Số lượng ngõ vào tương tự. Kiểu ngõ vào. Giá trị điện áp ngõ vào. Điện trở ngõ vào (0 đến 10VDC).

1 Thông số kỹ thuật PLC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC) SVTH: Trần Trọng Đông 14 MSSV:20184385 Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển ` GVHD: TS.Hoàng Sỹ Tuấn Nguyên lý hoạt động của PLC Hình 2. 2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PLC Bộ xử lý trung tâm (CPU): đảm nhận vai trò như một bộ não của hệ thống. Nó chịu trách nhiệm tiếp nhận thông tin từ người dùng nạp vào và tín hiệu tiếp nhận từ khối mô – đun đầu vào, sau đó tính toán và đưa ra các lệnh điều khiển thích hợp đến mô – đun đầu ra.