Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng mô hình điều khiển và giám sát hệ thống băng chuyền

Tài liệu đồ án điều khiển và giám sát hệ thống băng chuyền bằng PLC Omron, HMI. Báo cáo chi tiết, đầy đủ, tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên.

• Tác giả: Lê Bá Linh
• Người hướng dẫn: GVC ThS. Lưu Văn Quang
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa
• Đề tài: Xây dựng mô hình điều khiển và giám sát hệ thống băng chuyền tại Công ty Trách nhiệm hữu hạn Công nghệ Sơn Hoàn Hảo
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Đồ Án Điều Khiển Băng Chuyền PLC Omron HMI

Đồ án điều khiển băng chuyền PLC Omron & HMI là một dự án toàn diện nhằm xây dựng mô hình điều khiển và giám sát hệ thống băng chuyền tự động hoá hiện đại. Dự án này được thực hiện tại Công ty TNHH Công Nghệ Sơn Hoàn Hảo, sử dụng các thiết bị PLC Omron tiên tiến cùng với giao diện HMI (Human Machine Interface) để tối ưu hoá quy trình sản xuất. Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, việc áp dụng tự động hoá trong các dây chuyền sản xuất đã trở thành yêu cầu bắt buộc. Đồ án này cung cấp giải pháp toàn diện, từ thiết kế cho đến triển khai thực tế, giúp nâng cao hiệu suất lao động và độ chính xác trong quá trình vận hành. Sự kết hợp giữa PLC Omron và HMI tạo ra một hệ thống điều khiển vô cùng hiệu quả và dễ sử dụng.

1.1. Mục Đích Và Ý Nghĩa Của Đồ Án

Mục đích chính của đồ án là xây dựng mô hình điều khiển băng chuyền sử dụng công nghệ PLC Omron hiện đại. Dự án nhằm giải quyết các thách thức trong quản lý hệ thống tự động hoá, đặc biệt là trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Thông qua HMI, người điều hành có thể theo dõi và kiểm soát toàn bộ quá trình vận hành trên màn hình máy tính, giúp giảm thiểu lỗi con người và tăng năng suất. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc hiện đại hoá các dây chuyền sản xuất tại Việt Nam.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Trong Công Nghiệp

Điều khiển băng chuyền PLC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như sơn, dệt, lương thực, hóa chất. Hệ thống HMI cho phép người điều hành theo dõi trạng thái hoạt động của máy móc từ một vị trí tập trung. Công nghệ PLC Omron đảm bảo độ tin cậy cao, tốc độ xử lý nhanh, và khả năng lập trình dễ dàng. Những ưu điểm này giúp các doanh nghiệp giảm chi phí vận hành và nâng cao chất lượng sản phẩm đáng kể.

II. Các Thiết Bị Và Phần Mềm Sử Dụng Trong Đồ Án

Hệ thống điều khiển băng chuyền sử dụng các thiết bị chuyên nghiệp từ Omron, bao gồm PLC (Programmable Logic Controller) và HMI (Human Machine Interface). Phần mềm CX-Programmer được sử dụng để lập trình logic điều khiển trên PLC, cho phép người dùng tạo các chương trình điều khiển phức tạp một cách dễ dàng. Phần mềm NB-Designer dùng để thiết kế giao diện HMI, giúp tạo ra các màn hình giám sát trực quan và thân thiện với người dùng. Ngoài ra, đồ án còn sử dụng các giao thức truyền thông như RS232, RS422/485 để kết nối các thiết bị trong hệ thống. Các công nghệ này đảm bảo tính tương thích cao, độ ổn định tốt và khả năng mở rộng hệ thống trong tương lai.

2.1. Thiết Bị PLC Omron Và HMI

PLC Omron là bộ điều khiển lập trình được thiết kế cho các ứng dụng công nghiệp phức tạp. Nó có khả năng xử lý nhiều tín hiệu đầu vào/đầu ra đồng thời với tốc độ cao và độ chính xác tuyệt đối. HMI NB7W-TW01B cung cấp giao diện màn hình cảm ứng cho phép người dùng giám sát thời gian thực các thông số hoạt động của hệ thống. Sự kết hợp giữa PLC và HMI tạo nên một giải pháp điều khiển toàn diện và hiệu quả.

2.2. Phần Mềm CX Programmer Và NB Designer

CX-Programmer là phần mềm lập trình PLC chuyên biệt với giao diện trực quan, hỗ trợ ngôn ngữ lập trình tiêu chuẩn như Ladder Diagram. NB-Designer được dùng để thiết kế giao diện HMI, cho phép tạo các widget như nút bấm, biểu đồ, cảnh báo lỗi. Cả hai phần mềm đều có khả năng mô phỏng trước khi triển khai thực tế, giúp giảm rủi ro và tiết kiệm thời gian trong quá trình phát triển.

III. Thiết Kế Và Thi Công Mô Hình Điều Khiển Băng Chuyền

Thiết kế mô hình điều khiển băng chuyền bao gồm nhiều giai đoạn từ phân tích yêu cầu cho đến thi công lắp ráp. Trước tiên, nhóm thực hiện đã phân tích quy trình vận hành hiện tại tại Công ty TNHH CN Sơn Hoàn Hảo để hiểu rõ các yêu cầu điều khiển cụ thể. Sau đó, họ thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ logic và sơ đồ lắp ráp điện phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật. Phần thi công bao gồm lắp ráp các thiết bị, cáp nối, thiết lập kết nối truyền thông. Cuối cùng, kiểm tra chức năng và hiệu chỉnh để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và an toàn. Quá trình này đòi hỏi kiến thức kỹ thuật sâu và kỹ năng thực hành vô cùng quan trọng.

3.1. Phân Tích Yêu Cầu Và Thiết Kế Sơ Đồ

Phân tích yêu cầu là bước rất quan trọng trong quá trình thiết kế. Nhóm thực hiện đã ghi nhận chi tiết tất cả các chuyển động cần thiết của băng chuyền, như chạy/dừng, tốc độ điều khiển, cảnh báo lỗi. Sơ đồ khối được vẽ để thể hiện mối quan hệ giữa các thành phần hệ thống. Sơ đồ logic biểu diễn các quy tắc điều khiển dưới dạng bảng sự thật hoặc biểu đồ trạng thái. Những bản vẽ này hướng dẫn cho các công nhân lắp ráp và lập trình trong các bước tiếp theo.

3.2. Lắp Ráp Kiểm Tra Và Hiệu Chỉnh Hệ Thống

Thi công lắp ráp bao gồm cài đặt PLC, nối dây điều khiển, lắp máy cảm biến, lắp HMI vào vị trí phù hợp. Kiểm tra điện áp và điện trở được thực hiện để đảm bảo an toàn điện. Lập trình PLC bằng CX-Programmer theo sơ đồ logic đã thiết kế. Thiết kế giao diện HMI trên NB-Designer và kiểm tra kết nối truyền thông. Cuối cùng, chạy thử toàn bộ hệ thống, hiệu chỉnh các thông số PID, độ trễ, v.v. để đạt hiệu suất tối ưu.

IV. Kết Quả Và Những Ứng Dụng Mở Rộng Của Đồ Án

Đồ án điều khiển băng chuyền PLC Omron & HMI đã hoàn thành thành công với kết quả vượt mong đợi. Hệ thống hoạt động ổn định, đảm bảo độ tin cậy cao trong môi trường sản xuất công nghiệp thực tế. HMI cung cấp giao diện thân thiện, cho phép người điều hành giám sát toàn bộ quy trình một cách rõ ràng và dễ dàng. Chi phí vận hành được giảm đáng kể nhờ tối ưu hoá tự động, giảm sai sót con người. Những kinh nghiệm và kỹ năng thu được từ dự án này có thể áp dụng cho các dây chuyền khác như sản xuất đồ gia dụng, lương thực thực phẩm, hóa chất. Đồ án cũng mở ra hướng phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hoá năng lượng và bảo dưỡng phòng chống.

4.1. Kết Quả Đạt Được Và Hiệu Suất Hệ Thống

Kết quả cuối cùng cho thấy hệ thống hoạt động với độ chính xác 99%, thời gian đáp ứng dưới 500ms, độ ổn định cao trong điều kiện hoạt động liên tục. Lỗi được phát hiện kịp thời thông qua cảnh báo HMI, giúp giảm thiểu thiệt hại. Thông lượng sản phẩm tăng 25-30% so với điều khiển thủ công cũ. Tiêu thụ năng lượng giảm 15-20% nhờ kiểm soát tốc độ động. Những con số này chứng minh hiệu quả vượt trội của tự động hoá PLC.

4.2. Hướng Phát Triển Và Ứng Dụng Trong Tương Lai

Các công nghệ được sử dụng trong đồ án này có thể mở rộng áp dụng cho các ngành công nghiệp khác, như luyện kim, dệu nhuộm, giấy. Tích hợp AI và Machine Learning để dự báo bảo trì và tối ưu hoá quy trình là hướng phát triển tiếp theo đầy tiềm năng. Kết nối IoT giúp theo dõi từ xa và phân tích dữ liệu thực thời. Những nâng cấp này sẽ giúp các doanh nghiệp cạnh tranh trong thời đại số hoá.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ CTY TNHH CN SƠN HOÀN HẢO 1.1 Sơ lược về công ty Công ty TNHH Công Nghệ Sơn Hoàn Hảo là công ty 100% vốn nước ngoài, chuyên cung cấp dây chuyền sơn tĩnh điện bột và ướt. Công ty TNHH Công Nghệ Sơn Hoàn Hảo bắt đầu hoạt động từ năm 2003 như một người khai phá trong lĩnh vực tư vấn, thiết kế, chế tạo lắp đặt các hệ thống sơn ướt, sơn tĩnh điện bột và đồng thời phát triển cung cấp các dịch vụ liên quan.1: băng tải sàn của công ty TNHH CN SƠN HOÀN HẢO SVTH: LÊ BÁ LINH 14 NGUYỄN KHOA LƯỢNG MSSV: 12151110 MSSV :12142344 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: GVC.2 Vị trí địa lý và quy mô của công ty Nhà máy :PAINT FINISHING TECHNOLOGY & SYSTEM CO.,LTD,địa chỉ đường 2B, KCN Đồng An, Thị xã Thuận An, tỉnh Bình Dương, Việt Nam. Văn phòng đại diện ở Việt Nam: 29 Thụy Khuê, quận Tây Hồ, TP. Tổng diện tích khu đất: 30000 feet vuông.

Diện tích nhà xưởng: 14000 feet vuông. Diện tích văn phòng: 2000 feet vuông. Nhân sự : 150 lao động.3 Mô hình kinh doanh Khi nhận thấy tại việt Nam có tiềm năng phát triển công nghệ sơn chuyên nghiệp, PFT bắt đầu thâm nhập và hoạt động tại thị trường này. Thị trường nội địa và xuất khẩu Việt Nam và Châu Á: thiết bị nhà xưởng (máy chấn, máy cắt, may cuốn ống), thiết bị hàn (máy hàn TIG,MIG; máy cắt PLASMA), sơn ướt/sơn bột, thiết bị ứng dụng, lò sấy sơn ướt/sơn bột, buồng phun sơn ướt/phun sơn bột.

CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ SỬ DỤNG 2.1 PLC CP1L –M-30DR-A CỦA OMRON: Hình 2.1: PLC CP1L –M-30DR-A. SVTH: LÊ BÁ LINH 15 NGUYỄN KHOA LƯỢNG MSSV: 12151110 MSSV :12142344 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: GVC.1 Tổng quan về PLC CP1L: (PLC là viết tắt của Programmable logic Controller). Trạm điều khiển tự động là đầu não của toàn bộ hệ thống. Tại đây toàn bộ các thông tin đo lường từ các thiết bị đo, cơ cấu chấp hành, trạng thái hệ thống được kiểm soát chặt chẽ, xử lý, tính toán và ra các lệnh điều khiển kịp thời, trực tiếp tới từng đối tượng điều khiển.

Trạm điều khiển tự động được xây dựng trên cơ sở bộ khả trình PLC CP1L của hãng OMRON cho phép đáp ứng các yêu cầu lựa chọn công nghệ đã nêu trên đồng thời giá thành phải chăng và có khả năng mở rộng, nâng cấp thành hệ điều khiển dự phòng một cách dễ dàng. Bộ điều khiển khả trình CP1L của Omron là một giải pháp có thể mở rộng cấp độ, tiết kiệm chi phí cho công tác tự động hóa các máy móc nhỏ với chỉ 14 điểm I/O nhưng với độ linh hoạt có thể mở rộng tới 160 điểm I/O. Bộ điều khiển này có 14, 20, 30, hoặc 40 modun I/O được cài đặt sẵn. CP1L sử dụng cổng USB tiêu chuẩn để lập trình và giám sát đồng thời cung cấp tới 2 cổng truyền thông RS-232C và RS-422A/485 serial.

Lập trình IEC 61131-3 cho CP1L được hỗ trợ thông qua phần mềm CX-One có các thư viện điều khiển và khối chức năng tiết kiệm thời gian của Omron, điều này sẽ đơn giản hóa việc phát triển chương trình cũng như chỉnh sửa trực tuyến logic lập trình. Phần mềm mô phỏng trong CX-One cho phép thử nghiệm trước các chương trình mà không cần bất kỳ phần cứng nào, đồng thời rút ngắn được thời gian đưa vào hoạt động.2: Kích thước của PLC CP1L 30I/O SVTH: LÊ BÁ LINH 16 NGUYỄN KHOA LƯỢNG MSSV: 12151110 MSSV :12142344 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: GVC.2 Các đặc điểm và tính năng của PLC CP1L: 2.1 Đặc điểm PLC CP1L - Sử dụng dòng PLC mới của OMRON là CP1L-M30DR-A. - Chế độ mô phỏng với 18 đầu vào số và 12 đầu ra rơ le. - Mô phỏng ngay trên bộ tự học bằng bộ công tắc và đèn báo (chế độ INTERNAL).

- Mô phỏng với thiết bị ngoại vi bên ngoài thông qua giắc đấu nối dây (chế độ EXTERNAL). - Tích hợp 1 đầu vào analog 0-10V (8 bit) ngay trên PLC. - Tích hợp 1 núm xoay giá trị analog (8 bit) ngay trên PLC. - Có khả năng lắp thêm mô đun truyền thông RS-232 hoặc RS-422/RS485 (đặt hàng riêng).

- Sử dụng nguồn điện xoay chiều 100-240VAC. - Kích thước nhỏ gọn: 240 x 180 x 90 mm. - Lập trình thông qua cổng USB (sử dụng phần mềm CX-Programmer).2 Tính năng PLC CP1L –M-30DR-A: - PLC CP1L có tính năng đơn giản, nó thay thế cho dòng sản phẩm CPM1A và CPM2A - Số lượng I/O và dung lượng bộ nhớ nhiều - Nhiều ngôn ngữ lập trình  Sơ đồ thang ( LD)  Ngôn ngữ cấu trúc ( ST)  Giảm thời gian lập trình và khắc phục sự cố - Điều khiển truyền động với độ chính xác cao  Ngõ ra phát xung: CP1L hỗ trợ điều khiển ngõ ra phát xung 2 trục với tốc độ tối đa 100 kHz. SVTH: LÊ BÁ LINH 17 NGUYỄN KHOA LƯỢNG MSSV: 12151110 MSSV :12142344 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: GVC.S LƯU VĂN QUANG  Bộ đếm tốc độ cao: Xung từ encoder.

Ngõ vào interrupt nhanh 5kHz  Modbus-RTU: Truyền thông Modbus-RTU không cần lập trình. Ứng dụng truyền thông với biến tần. - Truyền thông nối tiếp: Serial PLC Link chia sẻ dữ liệu giữa các PLC qua RS-485/RS-422. - Giao tiếp qua cổng USB: Thích hợp cho laptop không có cổng COM.3: Đọc xung tốc độ cao.

SVTH: LÊ BÁ LINH 18 NGUYỄN KHOA LƯỢNG MSSV: 12151110 MSSV :12142344 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: GVC.1: Tính năng PLC CP1L –M-30DR-A. Mục CP1L-M30DR-A (30I/O) Bộ nhớ flash: chương trình của người dùng, các tham số (như PLC Setup), phần dữ liệu chú thích, và toàn bộ vùng nhớ DM có thể được lưu vào bộ Bộ nhớ backup nhớ flash như là các giá trị ban đầu. Pin: dùng để duy trì bộ đếm (counter values), vùng nhớ dữ liệu (DM area), vùng nhớ lưu giữ (Holding area) Đầu vào/ra 30( 18 đầu vào, 12 đầu ra) Số lượng mô đun mở rộng 3 ( CP-nối tiếp) có thế kết nối Số lượng tối đa I/O 150 Đầu vào ngắt 6 đầu vào ( thời gian đáp ứng: 0.3ms) 6 đầu vào ( tần số đáp ứng 5kHz tối đa), 16 bit đếm Đầu vào ngắt chế độ đếm tiến\lùi Đầu vào đáp ứng nhanh 6 đầu vào ( độ rộng xung tối thiểu 50µs) Ngắt lập lịch 1 4 bộ đếm, 2 trục ( 24 VDC) 4 đầu vào: Lệch pha Đếm tốc độ cao (4x) 50kHz hoặc đơn pha 100kHz Đầu vào tương tự 1 ( độ phân giải 1/256, dải đầu vào : 0 đến 10VDC) 2 đầu ra 1Hz đến 100kHz Đầu ra Đầu ra xung xung ( chỉ với các model đầu ra Đầu ra 2 đầu ra 0.3 Hz hay 1 đến 32,800 Hz. transitor) PWM Hệ số tỉ lệ: 0% đến 100% SVTH: LÊ BÁ LINH 19 NGUYỄN KHOA LƯỢNG MSSV: 12151110 MSSV :12142344 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: GVC.2: Đặc tính PLC1 CP1L –M-30DR-A Mục Loại nguồn cấp AC Nguồn cấp 100 – 240 VAC 50/60Hz.

Giải điện áp hoạt động 85 – 264 VAC. Công suất tiêu thụ tối đa 50VA. 300mA với điện áp 24VDC. Nguồn cấp ra ngoài 200mA với điện áp 24VDC.

tối thiểu 20 MΩ (ở500VDC) giữa đầu nối AC với Điện trở cách điện đầu nối GR 2300 VAC ở tần số 50/60Hz trong một phút giữa Khả năng cách điện chân AC và chân GR. Dòng dò tối đa là 5mA. Khả năng kháng nhiễu Tuân theo chuẩn IEC 61000-4-4. 10 tới 57Hz, cường độ 0.075mm, 57-150Hz, gia tốc Khả năng chịu rung : 9.

Khả năng chịu sốc 147m/s2 , 3 lần theo mỗi chiều X,Y và Z. Dải nhiệt độ hoạt động 0 tới 55 độ C. Độ ẩm cho phép 10% tới 90% (không ngưng tụ). Môi trường hoạt động Không có chất khí ăn mòn.

Nhiệt độ bảo quản -20 tới 75 độC (Phải gỡ pin ra). Thời gian lưu nguồn tối thiểu 10ms. Trọng lượng tối đa 645g Phương pháp điều khiển Theo chương trình chứa trong PLC Cách điều khiển I/O Quét vòng kết hợp với tác động tức thì. Các khối chức năng có sẵn: 128 Các khối chức năng Ngôn ngữ lập trình có thể sử dụng trong khối chức năng: dạng Ladder hoặc Structure text Độ dài mã lệnh 1 tới 7 bước trên một lệnh Số mã lệnh khoảng 500 (mã chức năng: 3 con số) Thời gian thi hành lệnh Lệnh cơ bản: 0.

Lệnh đặc biệt: 4.1µs Thời gian xử lý chung 0.4ms Dung lượng chương trình 10 Ksteps Tuổi thọ của pin 5 năm ở nhiệt độ 25 độ C 2. SVTH: LÊ BÁ LINH 20 NGUYỄN KHOA LƯỢNG MSSV: 12151110 MSSV :12142344 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: GVC.3 Cách xác định địa chỉ đầu vào ra trên từng CPU của PLC họ CP1L Các đầu vào ra (I/O) trên PLC đều được định một địa chỉ bộ nhớ xác định trong vùng nhớ CIO để tham chiếu trong chương trình. Các đầu nối vào ra này được đánh số sẵn và được định địa chỉ theo bảng dưới đây: Bảng 2.3: Bảng địa chỉ bộ nhớ các đầu vào ra PLC CP1L (14, 20, 30, 40 I/O) Số 0 lượng Đầu nối trên module CPU Đầu vào ra mở rộng Model N I/O 8 đầu vào CP1L-L14DR- 0.00 đến CP1L-L14DR- 100.05 D 12 đầu vào: CP1L-L20DR- 8 đầu ra 0.00 đến M số lượng CP1L-L20DR- 100.07 đầu vào: m đầu ra: D 18 đầu vào ( m=8 or (m=8 or 24 CP1L-M30DR- 12 đầu ra 0.05 tùy module) CP1L-M30DR- 30 100.00 đến Word(k+1) CP1L-M30DT- 101.03 D 24 đầu vào: CP1L-M40DR- 16 đầu ra: 0.00 đến CP1L-M30DT- 101.07 D SVTH: LÊ BÁ LINH 21 NGUYỄN KHOA LƯỢNG MSSV: 12151110 MSSV :12142344 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: GVC.S LƯU VĂN QUANG - Trong đó: k = word input cuối của CPU hoặc word đã được phân cho Expansion kế trước, nếu như Expansion này đã nối. - i = word output cuối của CPU hoặc word đã được phân cho Expansion kế trước nếu như Expansion này đã nối.3 Khối mở rộng cho phép và số lượng I/O tối đa của các Unit PLC: Bảng 2.4: Bảng các khối mở rộng của PLC CP1L.

Word Số lượng khối mở rộng CPU Unit Input area Output area ( I/O) cho phép 14 I/O Word 0 Word 100 1 khối (54 I/O) 20 I/O Word 0 Word 100 1 khối (60 I/O) Word 100, 30 I/O Word 0, Word 1 3 khối (150 I/O) Word 101 Word 100, 40 I/O (add 10060I/O) Word 0, Word 1 3 khối (160 I/O) Word 101 2.4 Chức năng các vùng nhớ trong PLC CP1L: Bảng 2.5: Bảng chức năng các vùng nhớ của PLC CP1L. Vùng nhớ Words Bits Chức năng CIO 0 ÷ CIO CIO 0.15 area Các bit này dùng để gán (1000 bits) cho các đầu dây vào ra I/O CIO 100 ÷ CIO 100.00 ÷ Output CIO 199 (100 CIO 199.15 area word) (1600 bits) CIO CIO 300 ÷ CIO 300.00 ÷ Được dung để kết nối 1:1 Area Link area CIO 3063 CIO 3063.15 Master, Slave (64 word) (1024 bits) Serial CIO 310 ÷ CIO CIO 310.00 ÷ Dùng để kết nối nhiều PLC 3189 CIO 3189.