Đồ án: Thiết kế hệ thống trộn sơn tự động sử dụng PLC S7-1200 chi tiết

Tài liệu đồ án hệ thống trộn sơn tự động sử dụng PLC S7-1200 chi tiết. Bao gồm lý thuyết, tính toán, lập trình PLC và mô phỏng giao diện Scada.

• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Hệ thống trộn sơn tự động dùng PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ án

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Trộn Sơn Tự Động

Hệ thống trộn sơn tự động là một dây chuyền sản xuất hiện đại được thiết kế để giải quyết những hạn chế của phương pháp trộn sơn thủ công. Trong ngành xây dựng và sản xuất, chất lượng màu sắc sơn là yếu tố then chốt quyết định sự thành công của sản phẩm. Phương pháp truyền thống dựa vào kinh nghiệm con người không đảm bảo độ chính xác cao và năng suất thấp. Với sự phát triển của công nghệ PLC S7-1200, các nhà máy sơn hiện nay đã có thể tự động hóa toàn bộ quá trình pha trộn màu sơn, giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất lao động đến 300%, và đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Hệ Thống Trộn Sơn

Hệ thống trộn sơn đã trải qua quá trình phát triển dài từ phương pháp thủ công hoàn toàn đến tự động hóa hoàn toàn. Ban đầu, các công nhân thủ công sử dụng dụng cụ đơn giản để trộn sơn, dẫn đến kết quả không đồng nhất. Các nhà máy sơn lớn như Petrolimex, Dulux Bình Dương đã áp dụng công nghệ tự động hóa để cải thiện hiệu suất. Hiện nay, PLC S7-1200 trở thành giải pháp tiêu chuẩn trong ngành, cho phép điều khiển chính xác quá trình pha trộn sơn với độ lặp lại cao.

1.2. Các Vấn Đề Đặt Ra Và Giải Pháp

Ngành sản xuất sơn hiện nay đối mặt với thách thức giữ được độ chính xác màu sơn ổn định trên quy mô công nghiệp. Hệ thống trộn sơn tự động dùng PLC giải quyết vấn đề này bằng cách tích hợp các cảm biến mức, van điện từ, và xylanh khí nén. Nhờ vào lập trình PLC S7-1200, quá trình trộn sơn được kiểm soát tự động, loại bỏ sai sót con người, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Hệ Thống Trộn Sơn

Cơ sở lý thuyết của hệ thống trộn sơn tự động bao gồm các nguyên lý về công nghệ sơn, quy luật pha màu, và các thành phần cơ khí-điện tử. Quy trình sản xuất sơn bắt đầu từ việc lựa chọn nguyên liệu thô chất lượng cao, sau đó là pha trộn màu theo tỷ lệ chính xác dựa trên bánh xe màu và hệ màu RGB/CMYK. PLC S7-1200 được lập trình để điều khiển các thiết bị cơ khí như bơm màng, xylanh khí nén, van điện từ, và cảm biến để đảm bảo độ chính xác trong từng bước của quá trình trộn sơn.

2.1. Quy Luật Pha Màu Và Công Nghệ Sơn

Quy luật pha màu sơn tuân theo các nguyên tắc của hệ màu RGB (cộng màu) và CMYK (trừ màu). Ba màu cơ bản là Đỏ (Red), Vàng (Yellow), Lam (Blue) có thể kết hợp tạo thành vô số màu sắc sơn khác nhau. Công nghệ pha trừ màu cho phép người thợ hoặc PLC tính toán chính xác lượng sơn cần thiết từ mỗi màu cơ bản để đạt được mục tiêu màu mong muốn, dựa trên bánh xe màu và thang màu.

2.2. Các Thành Phần Cơ Khí Và Điều Khiển

Hệ thống cơ khí bao gồm bơm màng DP-555 để cung cấp sơn, xylanh khí nén để điều khiển van điện từ, và động cơ điện để vận hành băng tải. Hệ thống cảm biến sử dụng cảm biến mức điện dung CLS-23 để phát hiện mức sơn, cảm biến hồng ngoại để phát hiện vật cản. Relay trung gian và PLC S7-1200 tạo thành mạch điều khiển chính để tự động hóa toàn bộ quá trình.

III. Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống

Thiết kế hệ thống trộn sơn tự động đòi hỏi tính toán kỹ lưỡng về công suất động cơ, áp suất xylanh, và dòng điện để đảm bảo hoạt động ổn định. PLC S7-1200 được cấu hình với các đầu vào/đầu ra phù hợp để kết nối với các thiết bị ngoại vi. Sơ đồ đấu nối PLC phải tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo an toàn điện. Bảng địa chỉ sơ đồ đấu dây cung cấp thông tin chi tiết về từng kết nối điều khiển và tín hiệu cảm biến. Quá trình lập trình PLC S7-1200 sử dụng phần mềm TIA-Portal V15 để tạo ra thuật toán điều khiển hiệu quả.

3.1. Tính Toán Và Lựa Chọn Thiết Bị

Tính toán động cơ bao gồm tính công suất động cơ bơm, động cơ trộn, và động cơ băng tải dựa trên lưu lượng sơn cần thiết và tải trọng hệ thống. Lựa chọn xylanh khí nén phải đảm bảo áp suất và lực cơ khí đủ để vận hành van điện từ và ép nắp lon. Cảm biến mức điện dung CLS-23 được lựa chọn vì độ chính xác cao và độ bền tốt trong môi trường công nghiệp.

3.2. Lập Trình PLC S7 1200 Và Thiết Kế SCADA

Phần mềm TIA-Portal V15 được sử dụng để lập trình PLC S7-1200, tạo ra sơ đồ khối chế độ tự động điều khiển toàn bộ quá trình. Giao diện SCADA cung cấp giám sát thời gian thực, cho phép người vận hành theo dõi trạng thái hệ thống và tùy chỉnh thông số. Tải chương trình xuống PLC và chạy runtime SCADA hoàn thành việc đưa hệ thống vào hoạt động thực tế.

IV. Ứng Dụng Và Hiệu Quả Của Hệ Thống

Hệ thống trộn sơn tự động dùng PLC S7-1200 mang lại nhiều lợi ích kinh tế-xã hội cho ngành xây dựng và sản xuất. Với độ chính xác cao trong pha trộn màu sơn, hệ thống giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi đến 95% so với phương pháp thủ công. Năng suất lao động tăng gấp 3 lần, chi phí sản xuất giảm 40%, và chất lượng sơn ổn định đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế. Thời gian đào tạo công nhân được rút ngắn vì không cần kỹ năng cao độc. Hệ thống này đã được áp dụng thành công tại các nhà máy sơn lớn như Petrolimex, Dulux, góp phần hiện đại hóa ngành công nghiệp và nâng cao năng lực cạnh tranh quốc tế của Việt Nam.

4.1. Lợi Ích Kinh Tế Và Kỹ Thuật

PLC S7-1200 cung cấp giá thành hạ, dễ thi công lắp đặt, và sửa chữa linh hoạt so với các hệ thống điều khiển truyền thống. Chất lượng làm việc ổn định của hệ thống tự động đảm bảo tính nhất quán trong mỗi lô sơn sản xuất. Giảm lãng phí nguyên liệu nhờ đo lường chính xác từ cảm biến mức, tiết kiệm điện năng từ tối ưu hóa quy trình.

4.2. Tác Động Xã Hội Và Phát Triển Bền Vững

Tự động hóa hệ thống trộn sơn giảm nguy hiểm lao động từ hóa chất độc hại cho công nhân. Bảo vệ môi trường nhờ giảm chất thải sơn từ lỗi trộn. Góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm xây dựng của Việt Nam, tăng cường khả năng cạnh tranh với các nước trong khu vực Đông Nam Á.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRỘN SƠN 1.1 Lịch sử phát triển 1. Lịch sử phát triển hệ thống trộn sơn Lịch sử phát triển hệ thống trộn sơn bắt đầu từ khi con người đã bắt đầu sử dụng sơn để bảo vệ và trang trí vật dụng của họ. Trong quá trình phát triển, các hệ thống trộn sơn đã không ngừng được cải tiến và nâng cấp để trộn ra các hợp chất sơn có chất lượng tốt hơn và có khả năng trình bày màu sắc tốt hơn. Trong thời kỳ đầu tiên, con người đã sử dụng các hợp chất sơn tự nhiên như có sẵn, cây chất lỏng, và các khoáng chất khác để bảo vệ và trang trí vật dụng.

Kể từ đó, người ta đã bắt đầu sử dụng các hợp chất sơn hóa học để tạo ra các màu sắc khác nhau và có khả năng chống cháy tốt hơn.1 Hệ thống trộn sơn thủ công đời cũ 1. Sự phát triển hệ thống trộn sơn tự động ngày nay Trong những năm gần đây, các hệ thống trộn sơn đã không ngừng được cải tiến với sự xuất hiện của các hệ thống trộn tự động và công nghệ điều chỉnh màu sắc điện tử. Ngày nay, với sự cạnh tranh ngày càng cao của thị trường sơn nước, các hãng sơn lớn nhỏ trong và ngoài nước ngoài cải thiện chất lượng sản phẩm còn phải liên tục cho ra các bộ sưu tập màu và bổ sung những màu sắc mới trong bộ sưu tập. Do đó, việc pha màu bằng máy vi tính là yếu tố bắt buộc để các đại lý có thể linh động trong việc phân phối sơn theo đúng màu sơn khách yêu cầu mà không cần phải thông qua nhà sản xuất.

Cơ điện tử đang trở thành một ngành kỹ thuật đa nhiệm vụ, nó đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành khác như trong công nghiệp, xây dựng, y tế, nông 2 nghệp. Nhờ công nghệ thông tin, công nghệ điện tử đã phát triển nhanh chóng làm xuất hiện một loại thiết bị khả trình PLC. Để thực hiện công việc một cách khoa học nhằm đạt số lượng sản phẩm lớn, nhanh mà lại tiết kiệm chi phí. Các công ty, xí nghiệp thường sử dụng công nghệ lập trình PLC trong các hệ thống sản xuất.

Việc phát triển hệ thống máy pha màu giúp các đại lý chủ động hơn về màu sắc, họ chỉ cần nhập hàng với các base màu cơ bản từ nhà sản xuất sau đó tiến hành pha màu theo công thức mà các hãng đã cung cấp trên máy pha màu. Màu sắc sản phẩm sau khi pha sẽ đảm bảo theo đúng màu như trên cây màu do hãng cung cấp. Tuy nhiên, không phải đại lý nào cũng có máy pha màu, các thương hiệu lớn như sơn Dulux, Jotun, Toa, Nippon. đều có những quy định trong việc cung cấp máy pha màu cho các đại lý.

Các đại lý được cấp máy pha màu sơn chính hãng phải đạt những yêu cầu về kỹ thuật, doanh số, cũng như mật độ máy pha tại khu vực đó. và phải được nhân viên kỹ thuật hướng dẫn kỹ lưỡng. Do đó, việc sở hữu máy pha màu cũng là một trong những yếu tố đánh giá mức độ uy tín của đại lý.2 Nhà máy Sơn Petrolimex được xây dựng tại KCN Việt Nam - Singapore II 3 Hình 1.3 Nhà máy sản xuất sơn Dulux Bình Dương 1. Các vấn đề đặt ra - Nghiên cứu, thiết kế thành công mô hình hệ thống trộn sơn tự động - Hệ thống pha mà và trộn sơn chính xác - Hệ thống chiết rót chính xác dung tích và đóng nắp chắc chắn - Hệ thống có thể vận hành ở hai chế độ tự động và thủ công.

- Điều khiển dễ dàng thông qua các nút nhấn và có sự giám sát quy trình trên thiết bị truyền thông cho nhận như máy tính hoặc màn hình hiển thị HMI. - Hệ thống hoạt động ổn định trong thời gian dài và đảm bảo an toàn bằng một cơ chế cảnh báo khi có lỗi xảy ra. - Lập trình và mô phỏng được hoạt động của hệ thống, tính toán các kết cấu cơ khí và điều khiển trên các phần mềm mô phỏng chuyên dụng - Hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách sử dụng một số loại cảm biến và xy lanh. Phương pháp nghiên cứu Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa lý thuyết và thực nghiệm thông qua mô phỏng hệ thống.

- Nghiên cứu lý thuyết: + Tìm hiểu tài liệu về các hệ thống trộn sơn hiện có và các phương pháp chiết rót đang được sử dụng trên các hệ thống này để học hỏi cách thiết kế chi tiết, cấu tạo tối ưu nhất có thể. + Tìm hiểu phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển và chương trình điều khiển. 4 + Tìm hiểu các phần mền lập trình và phần mềm mô phỏng để hỗ trợ như: Tia Portal, WinCC, … + Tìm hiểu thông tin về các dòng cảm biến sử dụng trong hệ thống và dây chuyền trộn sơn hiện nay thông qua sách, báo, các diễn đàn và website trên Internet. - Nghiên cứu thực nghiệm: + Thực hiện hoàn thiện từng thành phần của hệ thống: bộ phận cảm biến, bộ phận hiển thị số liệu đo được, bộ phận điều chỉnh tốc độ phù hợp, bộ phận vi điều khiển.

+ Mô hình hóa, tính toán thiết kế cho hệ thống đảm bảo độ chính xác và độ bền cần thiết đáp ứng nhu cầu hệ thống. + Thiết lập code chương trình điều khiển. + Kiểm tra chương trình code cho hệ thống điều khiển. + Chạy mô phỏng hoạt động của hệ thống và chỉnh sửa những chi tiết chưa phù hợp.

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu Đề tài được thực hiện trong phạm vi: - Tính toán hệ thống cơ khí, thiết kế hệ thống điện, điện tử và lập trình trên phần mềm. - Thiết kế sơ đồ hệ thống, lưu đồ thuật toán điều khiển. - Mô phỏng được hoạt động của hệ thống thông qua phần mềm mô phỏng. - Thiết kế bản vẽ mô hình hệ thống.

5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống 2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống Nguyên lý hoạt động của hệ thống trộn sơn tự động sử dụng các khâu: Khâu cấp sơn, khâu trộn sơn, khâu cấp lon,khâu chuyền lon, khâu chiết rót, khâu rửa bễ, khâu dập nắp, khâu kiểm tra và đóng gói - Khâu cấp sơn: Sau khi xác nhận màu cần pha thì hệ thống sẽ mở van điện từ và bơm sơn theo tỷ lệ đã chọn sau khi bơm xong hệ thống sẽ dừng động cơ bơm và đồng thời đóng van điện từ, có cảm biến mức để phát hiện bể chứa còn sơn không - Khâu trộn sơn: Sau khi được bơm sơn hệ thống sẽ tiền hành khuấy sơn theo quy trình cài đặt, hệ thống cơ cảm biến mức để phát hiện sơn - Khâu cấp lon: Sau khi khuấy sơn xong hệ thống sẽ sử dụng cảm biến tiệm cận và xylanh để đưa lon sơn vào băng chuyền - Khâu chuyền lon : sử dụng cảm biến tiệm cận khi phát hiện có lon hệ thống sẽ đếm đồng thời đưa lon tới vị trí chiết rót - Khâu chiết rót: Sử dụng cảm biến tiệm cận để dừng băng chuyền sau khi sơn được khuấy xong van điện từ mở để tiến hành chiết rót sơn từ bể khuấy vào lon sơn cảm biến mức nhận biết sơn đã được xả hết - Khâu rửa bể: Sau khi sơn được xả hết van điện từ sẽ đóng lại và van điện từ và động cơ bể chứa nước sẽ cấp nước vào bể khuấy và khuấy theo quy trình cài đặt - Khâu dập nắp: Sau khi sơn được xả hết vào lon băng chuyền hoạt động đưa lon sơn tới vị trí dập nắp, cảm biến tiệm cận phát hiện và dừng băng tải sau đó xilanh nắp hoạt động để nắp lon trượt xuống miệng lon và xilanh nắp đóng lại tiếp đến xilanh dập nắp đi xuống tiến hành dập nắp sau khi hoàn thành xylanh sẽ thu lại - Khâu kiểm tra và đóng gói: Sau khi dập nắp xong băng chuyền sẽ hoạt động đưa lon sơn tới vị trí cuối băng chuyền và dừng lại để đếm đủ sản phẩm cấp vào sau đó tiến hành đóng gói 6 2. Sơ đồ khối của hệ thống Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống Chức năng các khối: ➢ Khối nguồn cung cấp: Khối nguồn sẽ cung cấp 2 loại nguồn điện chính cho hệ thống.

Bao gồm nguồn điện một pha xoay chiều 220V cấp nguồn vào tủ điện và nguồn điện 24V một chiều giúp cung cấp điện áp nuôi cho PLC chính, module mở rộng, các cảm biến, các đèn báo, buzzer, các van khí nén, động cơ DC. ➢ Khối xử lý trung tâm và các module mở rộng: Là khối xử lý chính các tín hiệu của hệ thống. Giúp giao tiếp với cảm biến, thu thập và xử lý tất cả các tín hiện thu về từ cảm biến. Tính toán xử lý xuất tín hiệu ra các chân Output để điều khiển các động cơ, van khí nén, đèn tín hiệu,.

Ngoài ra tạo kết nối với SCADA để giám sát hệ thống.  Khối cảm biến: xử lý và gửi tín hiệu cho PLC.  Nguồn cấp khí: cung cấp khí cho các van khí nén  Van khí nén: điều khiển các xylanh.  Khối động cơ, van điện từ: Động cơ cho các băng tải,động cơ bơm và động cơ khuấy cho bồn chính.

Van điện từ đảm nhiệm việc chiết rót sơn.  Xylanh: Tạo ra các chuyển động, đảm nhận việc cấp lon, cố định lon đúng vị trí, hút nắp, đóng nắp, đẩy lon ra. 7  Khối SCADA giám sát hệ thống: Khối này có chứng năng chính là giao tiếp giữa con người với hệ thống, giúp vận hành, giám sát quá trình hoạt động của hệ thống, thông báo các lỗi xảy ra để nhanh chóng khắc phục. Khái quát chung về hệ thống và nguyên liệu 2.Tổng quan về sơn Sơn là một hỗn hợp lỏng đồng nhất, hoặc có thể hóa lỏng được, hoặc thành phần mastic, để khi quét lên bề mặt một lớp mỏng, nó sẽ chuyển thành một màng rắn, trong đó chất tạo màng liên kết với các chất màu tạo màng liên tục bám trên bề mặt vật chất.

Hỗn hợp được điều chỉnh với một lượng phụ gia và dung môi tùy theo theo tính chất của mỗi loại sản phẩm. Sơn thường được sử dụng rộng rãi để:  Bảo vệ  Trang trí  Cung cấp kết cấu cho các đối tượng Sơn hiện nay trên thị trƣờng được bán dưới dạng sơn nƣớc, có nhiều màu sắc phong phú và đa dạng, có tính che phủ bám dính được nhiều bề mặt khác nhau.2 Hình ảnh sơn Các thành phần chính của sơn: - Nhựa (40%- 60%): Alkyd, Acrylic, Epoxy, Polyurethane, Fluorocarbon. 8  Tạo liên kết các thành phần của sơn.  Tạo độ kết dính cho sơn.

 Tạo độ bền cho màn sơn.