Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công dây chuyền kiểm tra sản phẩm dùng S7-200

Tài liệu đồ án thiết kế và thi công dây chuyền kiểm tra sản phẩm dùng PLC S7-200. Bao gồm sơ đồ, lập trình HMI và lưu đồ giải thuật chi tiết.

• Tác giả: Huỳnh Văn Biển
• Người hướng dẫn: TS. Võ Đình Tùng
• Trường học: Đại học công nghệ thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế và thi công dây chuyền kiểm tra hoàn thiện sản phẩm dùng S7-200
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Dây Chuyền Kiểm Tra Sản Phẩm Dùng PLC S7 200

Đồ án dây chuyền kiểm tra sản phẩm dùng PLC S7-200 là một giải pháp tự động hóa hiện đại được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất hiện nay. Hệ thống này được thiết kế nhằm nâng cao chất lượng kiểm tra sản phẩm, đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, nhu cầu sử dụng các thiết bị kiểm tra tự động ngày càng tăng cao. PLC S7-200 là một thiết bị điều khiển lập trình được sử dụng để điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động của dây chuyền. Đồ án này tập trung vào thiết kế, thi công và vận hành một máy kiểm tra sản phẩm có khả năng phát hiện các khuyết tật trên sản phẩm như chai có dán màng nhôm hay không, từ đó nâng cao độ tin cậy của khách hàng.

1.1. Khái Niệm Về Hệ Thống Điều Khiển PLC S7 200

PLC S7-200 hay Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình được sản xuất bởi Siemens. Đây là một bộ xử lý trung tâm có khả năng nhận tín hiệu từ các cảm biến và đưa ra lệnh điều khiển cho các thiết bị thực thi. Với CPU 224, hệ thống có thể xử lý các tác vụ phức tạp một cách nhanh chóng và hiệu quả. PLC S7-200 được lập trình bằng phần mềm STEP 7 – Micro/WIN, cho phép lập trình các logic điều khiển một cách linh hoạt và dễ dàng.

1.2. Mục Đích Và Ứng Dụng Thực Tế

Mục đích chính của đồ án dây chuyền kiểm tra sản phẩm là tự động hóa quá trình kiểm tra chất lượng sản phẩm trong các nhà máy sản xuất. Hệ thống giúp phát hiện các khuyết tật như chai không có màng nhôm bảo vệ, vỡ chai, hay các vấn đề khác trên bề mặt sản phẩm. Ứng dụng thực tế của hệ thống này rất rộng trong ngành sản xuất đồ uống, sữa, dầu ăn và nhiều sản phẩm khác, giúp nâng cao hiệu suất sản xuất lên 60-80% so với kiểm tra thủ công.

II. Thành Phần Chính Của Dây Chuyền Kiểm Tra Sản Phẩm

Dây chuyền kiểm tra sản phẩm dùng PLC S7-200 bao gồm nhiều thành phần thiết bị điện và cơ khí được kết nối với nhau một cách hợp lý. Các thành phần này phối hợp hoạt động để tạo nên một hệ thống tự động hoàn chỉnh. Bộ điều khiển trung tâm (PLC S7-200) là trái tim của hệ thống, nhận dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị thực thi. Giao diện màn hình HMI (Human-Machine-Interface) cho phép người vận hành theo dõi và điều khiển quá trình làm việc của máy. Các cảm biến điện dung, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận từ được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của sản phẩm. Hệ thống khí nén cung cấp lực để đẩy các sản phẩm lỗi ra khỏi dây chuyền.

2.1. Phần Cứng Điện PLC HMI Nguồn Điện

PLC S7-200 CPU 224 là bộ xử lý trung tâm với khả năng xử lý 14 đầu vào/10 đầu ra. Màn hình HMI OP320-A-S có màn hình 3.5 inch cung cấp giao diện trực quan cho người vận hành. Bộ nguồn cấp điện 24V DC đảm bảo cung cấp năng lượng ổn định cho toàn bộ hệ thống. Cáp kết nối RS485 được sử dụng để truyền dữ liệu giữa PLC và HMI. Đèn ba tầng (đỏ-xanh-vàng) báo hiệu trạng thái hoạt động của máy.

2.2. Các Cảm Biến Và Thiết Bị Thực Thi

Cảm biến điện dung phát hiện sự hiện diện của sản phẩm trên băng tải một cách chính xác. Cảm biến quang kiểm tra xem màng nhôm có được dán đầy đủ hay không. Cảm biến tiệm cận từ xác định vị trí của sản phẩm trên dây chuyền. Mô tơ DC 24V và van điều khiển hoạt động như các thiết bị thực thi, điều khiển chuyển động của băng tải và hệ thống loại sản phẩm lỗi. Tất cả các thiết bị này được điều khiển bởi PLC S7-200 thông qua các lệnh lập trình.

III. Quy Trình Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống

Quá trình thiết kế và thi công dây chuyền kiểm tra sản phẩm dùng PLC S7-200 bao gồm nhiều bước quan trọng từ khâu lập kế hoạch đến lắp đặt thực tế. Trước tiên, cần phân tích yêu cầu kỹ thuật và thiết kế sơ đồ khối hệ thống. Tiếp theo, tiến hành lựa chọn các linh kiện phù hợp như PLC S7-200, HMI, cảm biến, mô tơ và các thiết bị khác. Sau đó, lắp đặt tủ điều khiển chứa tất cả các thành phần điện, lắp đặt băng tải để chuyển động sản phẩm, lắp đặt cảm biến tại các vị trí quan trọng, và lắp đặt hệ thống khí nén để loại các sản phẩm lỗi. Cuối cùng, lập trình PLC bằng STEP 7 và lập trình HMI để tạo giao diện điều khiển.

3.1. Các Bước Lắp Đặt Phần Cơ Khí

Lắp đặt tủ điều khiển là bước đầu tiên, cần đảm bảo vị trí lắp đặt an toàn và dễ bảo trì. Lắp đặt băng tải với động cơ 24V DC để chuyển động sản phẩm liên tục. Lắp đặt cảm biến tại các vị trí kiểm tra: đầu, giữa và cuối dây chuyền để phát hiện sản phẩm lỗi. Lắp đặt hệ thống khí nén với van điều khiển để đẩy các sản phẩm không đạt chuẩn ra khỏi dây chuyền. Mỗi bước cần được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo chính xác.

3.2. Lập Trình PLC Và Chạy Thử Nghiệm

Lập trình PLC S7-200 bằng phần mềm STEP 7 – Micro/WIN theo sơ đồ logic đã thiết kế. Chương trình cần xử lý các tín hiệu từ cảm biến, đưa ra lệnh điều khiển cho các thiết bị thực thi. Lập trình HMI OP320-A-S để tạo giao diện hiển thị trạng thái máy, cho phép người vận hành khởi động/dừng máy. Chạy thử nghiệm toàn bộ hệ thống để kiểm tra tính chính xác, xử lý các lỗi phát sinh và tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.

IV. Kết Quả Đạt Được Và Ứng Dụng Thực Tế

Đồ án dây chuyền kiểm tra sản phẩm dùng PLC S7-200 đã đạt được những kết quả đáng kể sau khi hoàn thành. Hệ thống hoạt động ổn định với độ chính xác cao trong việc phát hiện các khuyết tật sản phẩm như chai không dán màng nhôm, vỡ chai hay các lỗi khác. Khả năng kiểm tra tự động giúp giảm chi phí nhân công, nâng cao năng suất lao động lên 60-80% so với kiểm tra thủ công. Hệ thống này có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất như đồ uống, sữa, dầu ăn, nước chấm và các sản phẩm khác yêu cầu kiểm tra chất lượng. Giao diện HMI thân thiện cho phép bất kỳ người vận hành nào cũng có thể dễ dàng sử dụng. Điều quan trọng là hệ thống đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, nâng cao độ tin cậy và uy tín của sản phẩm trên thị trường.

4.1. Hiệu Suất Và Độ Chính Xác Của Hệ Thống

Hệ thống dây chuyền kiểm tra sản phẩm dùng PLC S7-200 đạt được độ chính xác lên tới 95-98% trong việc phát hiện các sản phẩm lỗi. Tốc độ kiểm tra có thể đạt 30-50 sản phẩm/phút tùy vào thiết kế cụ thể, cao hơn nhiều so với kiểm tra thủ công. Hệ thống hoạt động 24/7 mà không cần nghỉ ngơi, giúp tối ưu hóa sản lượng. Khả năng phát hiện lỗi bao gồm: màng nhôm không dán đầy đủ, chai bị vỡ, nhãn dán lệch, và các khuyết tật khác trên bề mặt.

4.2. Triển Khai Và Bảo Trì Hệ Thống

Sau khi hoàn thành, hệ thống được triển khai tại các nhà máy sản xuất với sự hỗ trợ của đội ngũ kỹ thuật. Bảo trì định kỳ bao gồm kiểm tra cảm biến, thay thế linh kiện hỏng, cập nhật chương trình PLC. Hệ thống được trang bị giao diện HMI dễ sử dụng cho phép người vận hành tự theo dõi và báo cáo sự cố. Với thiết kế modular, hệ thống có thể dễ dàng nâng cấp hoặc tích hợp thêm các chức năng mới theo yêu cầu của nhà máy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: GIỚI THIỆU LINH KIỆN 1. Khái niệm về PLC Hình 1.1: PLC S7-200 PLC là chữ viết tắt của Programable logic control, là thiết bị điều khiển logic lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán , điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình. Kỹ thuật PLC có vào thập niên 60, nó được dùng chủ yếu cho công nghệ dây chuyền sản xuất. PLC là một máy tính công nghiệp đặc trưng của PLC là việc sử dụng các vi mạch xử lý thông tin và ta có thể thay đổi công nghệ cải tạo dựa trên công nghệ và phần mở rộng của PLC.

Khả năng của PLC Hiện nay kỹ thuật PLC được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền công nghệ có điều khiển.  Điều khiển chuyên cho hệ thống giám sát SVTH: Huỳnh Văn Biển 7 GVHD: TS.Võ Đình Tùng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Thay cho điều khiển rơ le  Thời gian đếm  Thay cho các panel điều khiển mạch in.  Dùng trong các máy tù động như chiết rót, siết nắp.  Điều khiển theo dãy  Cung cấp thông tin  Điều khiển động cơ chấp hành, động cơ bước.

 Điều khiển liên tục (nhiệt độ, áp suát.)  Điều khiển mềm  Điều khiển quá trình và báo động  Phát hiện lỗi và báo động  Nối mạng tự động hóa trong công nghiệp. Ưu điểm của PLC Thời gian lắp đặt nhanh, chi phí vừa phải, có thể nâng cấp dây chuyền bằng cách mở rộng , phần mềm ứng dụng linh hoạt, có thể làm việc độc lập hoặc kết nối giữa các máy tính và màn hình điêu khiển. Chỉnh sửa bằng cách chỉnh phần mềm. Thông số và cách đấu dây cho PLC PLC S7-200 là thiết bị của hãng Siemens, cấu trúc theo kiểu modul có các modul mở, rộng.Thành phấn cơ bản của PLC S7-200 là khối CPU224, CPU 224XP, CPU226 … Thông thường PLC S7-200 được chia ra làm 2 loại chính:  Loại PLC S7-200 cấp điện áp 220VAC : Ngõ vào: tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC ( 15VDC – 30VDC) SVTH: Huỳnh Văn Biển 8 GVHD: TS.Võ Đình Tùng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngõ ra rơ le Ưu điểm của loại này là ngõ ra rơ le, do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp (có thể sử dụng ngõ ra 0V,24V,220V….

) Tuy nhiên, nhược điểm của nó : do ngõ ra rơ le nên thời gian đáp ứng của rơ le không được nhanh cho ứng dụng điều rộng xung , hoặc output tốc độ cao  Loại PLC S7-200 dùng nguồn 24VDC : Ngõ vào: tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC ( 15VDC – 30VDC) Ngõ ra : Ngõ ra transistor Ưu điểm của loại này là ngõ ra Transistor, do đó có thể sử dụng ngõ ra này để điều rộng xung, hoặc output0V,24V,220V…. ) Tuy nhiên, nhược điểm của nó : do ngõ ra transistor nên ngõ ra chỉ có một cấp điện duy nhất là +24VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng có cấp điện áp ra la 0VDC, Trong trường hợp này buộc ta phải thông qua 1 rơ le 24Vdc đệm.2 : Loại CPU 224 của PLC Trong đồ án tốt nghiệp máy kiểm tra sản phẩm PLC S 7 200 được sử dụng là loại CPU 224. Sau đây là thông số kỹ thuật. SVTH: Huỳnh Văn Biển 9 GVHD: TS.Võ Đình Tùng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Có 14 cổng vào và 10 cổng ra logic trên board, 2 đầu vào digital, 1 đầu ra anolog  Có nối thêm 7 module mở rộng  Bộ nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng 100 giờ khi bị mất nguồn  Timer có 2 loại -TON: T32÷T96(1ms), T33÷T36 và T97÷T100(1ms), T37÷T64 và T101÷T225(100ms).

 Bộ đếm Counter: Nguyên lý hoạt động Counter thực hiện chức năng đếm tại các sườn lên của các xung đầu vào. S7-300 có tối đa là 256 bộ đếm phụ thuộc vào từng loại CPU, ký hiệu bởi Cx. Trong đó x là số nguyên trong khoảng từ 0 đến 255. Trong S7-300 có 3 loại bộ đếm thường sử dụng nhất đó là : Bộ đếm tiến lùi (CUD), bộ đếm tiến (CU) và bộ đếm lùi (CD).

Một bộ đếm tổng quát có thể được mô tả như sau: Trong đó: CU : BOOL là tín hiệu kích đếm tiến SVTH: Huỳnh Văn Biển 10 GVHD: TS.Võ Đình Tùng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CD : BOOL là tín hiệu kích đếm lùi S : BOOL là tín hiệu đặt PV : WORD là giá trị đặt trước R : BOOL là tín hiệu xoá CV : WORD Là giá trị đếm ở hệ đếm 16 CV_BCD: WORD là giá trị đếm ở hệ đếm BCD Q : BOOL Là tín hiệu ra. Quá trình làm việc của bộ đếm được mô tả như sau: Số sườn xung đếm được, được ghi vào thanh ghi 2 Byte của bộ đếm, gọi là thanh ghi C-Word. Nội dung của thanh ghi C-Word được gọi là giá trị đếm tức thời của bộ đếm và ký hiệu bằng CV và CV_BCD. Bộ đếm báo trạng thái của C-Word ra ngoài C-bit qua chân Q của nó.

Nếu CV <> 0, C-bit có giá trị "1". Ngược lại khi CV = 0, C- bit nhận giá trị 0. CV luôn là giá trị không âm. Bộ đếm sẽ không đếm lùi khi CV = 0.

Đối với Counter, giá trị đặt trước PV chỉ được chuyển vào C-Word tại thời điểm xuất hiện sườn lên của tín hiệu đặt tới chân S. Bộ đếm sẽ được xoá tức thời bằng tín hiệu xoá R (Reset). Khi bộ đếm được xóa cả C-Word và C- bit đều nhận giá trị 0. Khai báo sử dụng Việc khai báo sử dụng một Counter bao gồm các bước sau: - Khai báo tín hiệu Enable nếu muốn sử dụng tín hiệu chủ động kích đếm (S): dạng dữ liệu BOOL - Khai báo tín hiệu đầu vào đếm tiến CU : dạng dữ liệu BOOL - Khai báo tín hiệu đầu vào đếm lùi CD : dạng dữ liệu BOOL - Khai báo giá trị đặt trước PV: dạng dữ liệu WORD SVTH: Huỳnh Văn Biển 11 GVHD: TS.Võ Đình Tùng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Khai báo tín hiệu xoá: dạng dữ liệu BOOL - Khai báo tín hiệu ra CV (hệ 16): dạng dữ liệu WORD.

- Khai báo tín hiệu ra CV-BCD nếu muốn lấy giá trị đếm tức thời ở hệ BCD dạng dữ liệu WORD. - Khai báo đầu ra Q nếu muốn lấy tín hiệu tác động của bộ đếm. dạng dữ liệu BOOL. Trong đó cần chú ý các tín hiệu sau bắt buộc phải khai báo: Tên của bộ đếm cần sử dụng, tín hiệu kích đếm CU hoặc CD.

Bộ đếm tiến/lùi: Khai báo Nguyên lý hoạt động Khi tín hiệu I0.2 chuyển từ 0 lên 1bộ đếm được đặt giá trị là 55. Giá trị đầu ra Q4. Bộ đếm sẽ thực hiên đếm tiến tại các sườn lên của tín hiệu tại chân CU khi tín hiệu I0.0 chuyển giá trị từ "0" lên "1" Bộ đếm sẽ đếm lùi tại các sườn lên của tín hiệu tại chân I0.1 khi tín hiệu chuyển từ "0" lên "1". Giá trị của bộ đếm sẽ trở về 0 khi có tín hiệu tai sườn lên của chân R ( I0.3) Bộ đếm tiến CU: Khai báo Nguyên lý hoạt động Khi tín hiệu I0.2 chuyển từ "0" lên "1" bộ đếm được đặt giá trị là 55.

Giá trị đầu ra Q4. Bộ đếm sẽ thực hiên đếm tiến tại các sườn lên của tín hiệu tại chân CU khi tín hiệu I0.0 chuyển giá trị từ "0" lên "1" .Giá trị của bộ đếm sẽ trở về 0 khi có tín hiệu tai sườn lên của chân R (I0. Bộ đếm sẽ chỉ đếm đến giá trị <= 999. SVTH: Huỳnh Văn Biển 12 GVHD: TS.Võ Đình Tùng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bộ đếm lùi CD: Khai báo Nguyên lý hoạt động  Khi tín hiệu I0.2 chuyển từ "0" lên "1" bộ đếm được đặt giá trị là 55.

Giá trị đầu ra Q4.  Bộ đếm sẽ thực hiên đếm lùi tại các sườn lên của tín hiệu tại chân CD khi tín hiệu I0.0 chuyển giá trị từ "0" lên"1".  Giá trị của bộ đếm sẽ trở về 0 khi có tín hiệu tai sườn lên của chân R(I0. Bộ đếm sẽ chỉ đếm đến giá trị >= 0.

 Bộ đếm tốc độ cao: Đếm xung tốc độ cao trong PLC S7-200 - Đối với CPU 224, CPU 226 và CPU 226XM thì hổ trợ đến 6 bộ phát xung từ HSC0-HSC5. Mỗi 1 bộ HSC có 12 chế độ hoạt động khác nhau. Cấu hình và hoạt động của HSC trong PLC S7-200 dựa trên các bit nhớ đặc biệt SM. Và chú ý rằng HSC thì hoạt động độc lập với scan time có nghĩa là nó chỉ thực hiện các lệnh đếm xung chứ không chờ cho PLC đếm xung xong mới thực hiện các network tiếp theo.

Trong 12 chế độ hoạt động của bộ đếm sẽ chia ra làm 4 nhóm đếm cơ bản (basic types) - Đơn phase điều khiển hướng đếm được quyết định bởi chính PLC (1 chân nhận xung) - Đơn phase điều khiển hướng đếm bằng tín hiệu bên ngoài (1 chân nhận xung ) - 2 phase (2 chân nhận xung) - Phase một phần tư (2 chân nhận xung) SVTH: Huỳnh Văn Biển 13 GVHD: TS.Võ Đình Tùng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ta thử đặt ra trường hợp cụ thể là có 1 encoder loại tương đối A,B,Z gắn vào trục của động cơ. Giả sử trục động cơ gắn vào 1 bánh răng có bán kính là 500mm.Vậy ta hiểu rằng khi 1 xung Z thì encoder quay được 1 vòng, điều này cũng có nghĩa rằng 1 xung Z băng chuyền chuyển động được 1 chu vi của bánh răng tương đương với 2x3. Và giả sử encoder của chúng ta có độ phân giải 10 bits thì có nghĩa nếu bộ đếm đếm được 1024 thì ta hiểu băng chuyền chuyển động được 3,14m. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ ĐẾM XUNG: - Khi kích hoạt tín hiệu reset input bộ đếm sẽ xóa giá trị hiện tại và giữ nguyên giá trị cho đến khi tín hiệu reset không kích hoạt nữa - Khi start input kích hoạt bộ đếm sẽ bắt đầu đếm và khi start không kích hoạt nữa nó sẽ giữ nguyên giá trị.

Nếu trong lúc này chân xung vẫn có tín hiệu xung thì các tín hiệu đó sẽ được bỏ qua. - Khi chân reset kích hoạt trong khi chân không kích hoạt thì giá trị bộ đếm không thay đổi. Nếu reset kích hoạt trong lúc start kích hoạt thì giá trị hiện tại của bộ đếm bị xóa Hình sau cho ta thấy các ngỏ vào input tương ứng với 12 chế độ hoạt động của 6 bộ đếm xung tốc độ cao từ HSC0-HSC5 trong PLC S7-200: Theo như hình trên ta phân tích 2 trường hợp cụ thể nhé: Nếu ta dùng bộ đếm xung HSC0 chọn chế độ hoạt động là 7 thì quy luật như sau: - Chân I0.2 của PLC sẽ là chân reset (khi chân này kích hoạt giá trị bộ đếm về 0) - Chân I0.