Đồ án tốt nghiệp: Phân loại sản phẩm theo khối lượng bằng PLC S7-1200 - Trịnh Văn Linh

Đồ án tốt nghiệp phân loại sản phẩm theo khối lượng, ứng dụng PLC S7-1200. Tài liệu gồm cơ sở lý thuyết, thiết kế, thi công và chương trình.

• Tác giả: Trịnh Văn Linh
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Hội
• Trường học: Đại học Kinh doanh và Công nghệ Hà Nội
• Chuyên ngành: Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng dùng PLC S7 1200
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Phân loại sản phẩm theo khối lượng dùng PLC S7 1200

Đồ án phân loại sản phẩm theo khối lượng dùng PLC S7-1200 là một công trình nghiên cứu khoa học được thực hiện tại Trường Đại học Kinh doanh và Công nghệ Hà Nội, khoa Điện - Điện tử. Đây là một đề tài tốt nghiệp đại học nhằm nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình tự động hóa phân loại sản phẩm dựa trên khối lượng. Hệ thống sử dụng PLC S7-1200 - một bộ điều khiển lập trình lôgic hiện đại của Siemens để quản lý quy trình phân loại. Mô hình này được áp dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất tự động hóa và nhà máy hiện đại. Đồ án được hoàn thành vào tháng 12 năm 2022 dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Văn Hội. Nó kết hợp các kiến thức về điều khiển tự động, cảm biến công nghiệp và lập trình PLC để tạo ra một giải pháp thực tiễn cho ngành công nghiệp.

1.1. Mục đích và ý nghĩa của đồ án

Mục đích chính của đồ án này là nghiên cứu và phát triển một mô hình phân loại sản phẩm tự động theo khối lượng trên băng tải. Hệ thống sử dụng cảm biến cân điện tử để phát hiện khối lượng sản phẩm, sau đó PLC S7-1200 xử lý tín hiệu và điều khiển các xi lanh khí nén để gạt sản phẩm vào các thùng chứa tương ứng. Ý nghĩa thực tiễn là nâng cao hiệu suất sản xuất, giảm nhân lực và tăng độ chính xác trong phân loại sản phẩm cho các doanh nghiệp sản xuất.

1.2. Nội dung chính của đồ án

Đồ án bao gồm 5 chương chính: Chương 1 - Tổng quan về sự ra đời và ứng dụng; Chương 2 - Cơ sở lý thuyết về phương pháp phân loại, băng tải và các thành phần phần cứng; Chương 3 - Tính chọn thiết bị và thiết kế hệ thống; Chương 4 - Thi công lắp đặt; Chương 5 - Kết luận. Các bản vẽ kỹ thuật A0 bao gồm lưu đồ thuật toán và chương trình LAD cho PLC S7-1200.

II. Cơ sở lý thuyết về Hệ thống Phân loại sản phẩm

Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng dựa trên nguyên lý sử dụng các thiết bị cảm biến để phát hiện và đo lường khối lượng của sản phẩm đang di chuyển trên băng tải. Khi sản phẩm đi qua cảm biến cân nặng, dữ liệu khối lượng được gửi đến PLC S7-1200 thông qua module truyền thông RS422/485. PLC sẽ so sánh khối lượng với các giới hạn đã lập trình và gửi tín hiệu điều khiển đến van điện từ để kích hoạt xi lanh khí nén, từ đó gạt sản phẩm vào khoang phù hợp. Hệ thống này đảm bảo độ chính xác cao và hiệu suất làm việc ổn định, phù hợp với yêu cầu của các dây chuyền sản xuất tự động hóa hiện đại.

2.1. Nguyên lý hoạt động của Băng tải

Băng tải là một thiết bị vận chuyển liên tục dùng để di chuyển sản phẩm từ vị trí này đến vị trí khác. Nó bao gồm một dây đai cao su được căng qua các con lăn (roller) được lái bởi động cơ DC. Khi sản phẩm được đặt lên băng tải, nó sẽ được kéo đến cảm biến cân nặng để đo khối lượng. Ưu điểm của băng tải là hoạt động liên tục, độ bền cao, giảm thiểu tổn hao năng lượng và dễ bảo trì.

2.2. Vai trò của Cảm biến cân nặng và PLC S7 1200

Cảm biến cân điện tử là thiết bị đo lường khối lượng sản phẩm với độ chính xác cao. PLC S7-1200 của Siemens là một bộ điều khiển lập trình thế hệ mới, có khả năng xử lý tín hiệu nhanh chóng từ các cảm biến, thực hiện logic điều khiển phức tạp và truyền thông với các thiết bị ngoại vi. Sự kết hợp giữa cảm biến cân và PLC S7-1200 cho phép tạo ra một hệ thống phân loại tự động hóa hiệu quả và đáng tin cậy.

III. Thiết kế và Tính chọn Thiết bị cho Hệ thống

Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng yêu cầu tính toán kỹ lưỡng các thông số kỹ thuật của từng thành phần. Hệ thống bao gồm: động cơ DC để lái băng tải, cảm biến cân nặng để đo khối lượng, PLC S7-1200 làm bộ điều khiển chính, van điện từ solenoid để điều khiển luồng khí, xi lanh khí nén để thực hiện chuyển động gạt sản phẩm, và module truyền thông RS422/485 để giao tiếp giữa các thiết bị. Mỗi thành phần được chọn dựa trên công suất cần thiết, độ chính xác yêu cầu và khả năng tương thích với hệ thống. Sơ đồ nguyên lí toàn mạch được thiết kế để đảm bảo an toàn điện và hoạt động ổn định.

3.1. Lựa chọn và tính toán Động cơ DC

Động cơ DC được chọn có công suất phù hợp với tải trọng của băng tải và sản phẩm. Tốc độ quay của động cơ được điều chỉnh để đảm bảo sản phẩm di chuyển với vận tốc tối ưu qua cảm biến. Các thông số như momen xoắn, công suất và hiệu suất được tính toán dựa trên khối lượng sản phẩm tối đa và độ dốc của băng tải.

3.2. Tính chọn Xi lanh khí nén và Van điện từ

Xi lanh khí nén được lựa chọn dựa trên lực cần thiết để gạt sản phẩm ra khỏi băng tải. Van điện từ solenoid điều khiển cấp khí cho xi lanh, nhận tín hiệu từ PLC S7-1200. Tính toán áp suất khí, hành trình xi lanh và thời gian kích hoạt đảm bảo hệ thống phân loại hoạt động chính xác và an toàn.

IV. Thi công Lắp đặt và Ứng dụng thực tiễn

Thi công lắp đặt hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng là giai đoạn quan trọng để chuyển thiết kế thành một mô hình hoạt động thực tế. Quá trình này bao gồm lắp ráp băng tải, gắn cảm biến cân nặng, cài đặt PLC S7-1200, đấu nối xi lanh khí nén, van điện từ và các thiết bị điều khiển. Toàn bộ hệ dây dẫn điện, khí và giao tiếp được bố trí theo sơ đồ nguyên lí để đảm bảo an toàn và hiệu quả. Sau đó, chương trình điều khiển được nạp vào PLC, các thông số phân loại được cấu hình, và hệ thống được kiểm tra, chỉnh sửa cho đến khi hoạt động ổn định. Mô hình này có thể được áp dụng trong các dây chuyền sản xuất tự động hóa, nhà máy thực phẩm, dệt may, điện tử và nhiều ngành công nghiệp khác.

4.1. Quy trình Thi công và Lắp đặt hệ thống

Quá trình thi công bắt đầu bằng chuẩn bị khung cơ khí, lắp băng tải và các con lăn. Tiếp theo, cảm biến cân nặng được gắn ở vị trí chính xác trên băng tải. PLC S7-1200 được đặt trong tủ điều khiển với các thiết bị bảo vệ. Các kết nối điện, khí nén và giao tiếp dữ liệu được thực hiện cẩn thận theo sơ đồ nguyên lí. Cuối cùng, toàn bộ hệ thống được kiểm tra điện áp, áp suất khí và giao tiếp dữ liệu.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong Dây chuyền sản xuất

Hệ thống phân loại sản phẩm được thiết kế có thể áp dụng trong các dây chuyền sản xuất tự động hóa để phân loại sản phẩm theo khối lượng một cách chính xác và nhanh chóng. Nó giúp giảm lỗi phân loại, tăng hiệu suất sản xuất, tiết kiệm nhân công và nâng cao chất lượng sản phẩm. Hệ thống có thể được mở rộng với nhiều cảm biến và xi lanh để phân loại thành nhiều khoảng khối lượng khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết. - Chương 3: Thiết kế và tính toán. - Chương 4: Thi công hệ thống.

- Chương 5: Kết luận. SVTH: Trịnh Văn Linh 3 MSV: 18115941 Mô hình, phân loại sản phẩm theo khối lượng dùng PLC S7 1200 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Phương pháp phân loại theo khối lượng. Ở đề tài này hướng tới cơ sở phân loại về khối lượng.

Mỗi sản phẩm sẽ được kiểm tra cân nặng thông qua một loadcell. Dữ liệu về cân nặng có được sẽ được kiểm tra xem có nằm trong các giới hạn cân nặng mà đã đặt sẵn từ cân điện tử. Từ cơ sở phân loại về cân nặng, hệ thống sẽ có khả năng phân loại một nhóm khối lượng thành 3 loại với các đặc trưng cân nặng khác nhau. Ví dụ: - Loại 1: 0,1 kg đến 0,5 kg.

- Loại 2: 0,5 kg đến 1 kg. - Loại 3: 1 kg trở lên. Phương pháp chọn hệ thống: + Phương án 1. Sử dụng 1 băng tải để vận chuyển sản phẩm, khối lượng được cân lên và xi lanh đẩy sản phẩm vào băng tải, các cảm biến nhận biết có vật đi đến xi lanh thì đẩy sản phẩm ra khỏi ngoài băng tải vào khu vực phân loại.

Sử dụng van điện từ để điều khiển thời gian hành trình của xi lanh. Ưu điểm: Vận chuyển được sản phẩm nhanh hơn do đó năng suất cao hơn, sử dụng ít thiết bị, ít băng tải nên giá thành chế tạo thấp, dễ dàng cho việc điều khiển. Nhược điểm: Chỉ phân loại các sản phẩm có khối lượng khác nhau, chưa có tính linh hoạt trong khâu phân loại và đóng gói. Sử dụng nhiều băng tải, băng tải 1 để vận chuyển sản phẩm đến khu vực cân, khi cân xong đẩy sang băng tải 2, các xi lanh ở băng tải 2 đẩy sản phẩm phân loại theo khối lượng, phân loại 1 đẩy sang băng tải 3, băng tải 3 này di chuyển vật đến khu vực đóng gói.

Phân loại 2 xi lanh đẩy sản phẩm lên băng tải 4, băng tải này di chuyển đến khu vực đóng gói. Ưu điểm : phân loại sản phẩm năng suất cao hơn, vận chuyển sản phẩm đến nơi phân loại thuận tiện. Nhược điểm: sử dụng nhiều xi lanh và băng tải hơn nên tốn kém trong việc chế tạo, sử dụng nhiều cảm biến nên khó trong việc điều khiển. Tốn nhiều thời gian hơn do đó năng suất sẽ giảm.

SVTH: Trịnh Văn Linh 4 MSV: 18115941 Mô hình, phân loại sản phẩm theo khối lượng dùng PLC S7 1200 Dựa trên các phân tích trên nhóm chúng em lựa chọn phương án 1 để thiết kế và chế tạo mô hình. Giới thiệu chung về băng tải. Băng tải thường được dùng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệu rời theo phương ngang và phương nghiêng. Trong các dây chuyền sản xuất, các thiết bị này được sử dụng rộng rãi như những phương tiện để vận chuyển các cơ cấu nhẹ, trong các xưởng luyện kim dùng để vận chuyển quặng, than đá.

Trên các kho bãi thì dùng để vận chuyển các loại hàng bưu kiện, vật liệu hạt hoặc 1 số sản phẩm khác. Trong 1 số ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, hóa chất thì dùng để vận chuyển các sản phẩm đã hoàn thành và chưa hoàn thành giữa các công đoạn, các phân xưởng, đồng thời cũng dùng để loại bỏ các sản phẩm không dùng được. Ưu điểm của băng tải. Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo các hướng nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp giữa nằm ngang với nằm nghiêng.

Vốn đầu tư không lớn lắm, có thể tự động được, vận hành đơn giản, bảo dưỡng dễ dàng, làm việc tin cậy, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển khác không lớn lắm. Cấu tạo băng tải. Cấu tạo chung của băng tải. - Trục của con lăn băng tải.

- Con lăn có khớp nối gắn động cơ kéo dây băng tải. - Dây băng tải. SVTH: Trịnh Văn Linh 5 MSV: 18115941 Mô hình, phân loại sản phẩm theo khối lượng dùng PLC S7 1200 - Con lăn dẫn băng tải chuyển động. Các loại băng tải trên thị trường hiện nay.

Băng tải dạng cào: sử dụng để thu dọn phôi vụn, năng suất của băng tải loại này có thể đạt 1,5 tấn/h và tốc độ chuyển động là 0,2 m/s. Chiều dài của băng tải là không hạn chế trong phạm vi kéo là 10 kN. Băng tải xoắn vít, có 2 kiểu cấu tạo: - Băng tải 1 buồng xoắn: Băng tải 1 buồng xoắn được dùng để thu dọn phôi vụn. Năng suất băng tải loại này đạt 4 tấn/h với chiều dài 80 cm.

- Băng tải 2 buồng xoắn: có 2 buồng xoắn song song với nhau, 1 có chiều xoắn phải, 1 có chiều xoắn trái. Chuyển động xoay vào nhau của các buồng xoắn được thực hiện nhờ 1 tốc độ phân phối chuyển động. - Cả 2 loại băng tải buồng xoắn đều được đặt dưới máng bằng thép. Lựa chọn loại băng tải : - Khi thiết kế hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại có thể lựa chọn một số loại băng tải.

- Tuy nhiên khi chọn loại băng tải nên quan tâm đến trạng thái và mục đích sử dụng của nó theo bảng sau: Bảng 2. Các trạng thái và mục đích sử dụng của băng tải. Loại băng tải Tải trọng Phạm vi ứng dụng Vận chuyển từng chi tiết giữa các Băng tải dây đai < 50 kg nguyên công hoặc vận chuyển thùng chứa trong gia công cơ và lắp ráp. Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh Băng tải lá 25 ÷ 125 kg trong gia công chuẩn bị phôi và trong lắp ráp Vận chuyển các chi tiết lớn giữa các Băng tải thanh đẩy 50 ÷ 250 kg bộ phận trên khoảng cách > 50 m.

Vận chuyển chi tiết trên các vệ tinh Băng tải con lăn 30 ÷ 500 kg giữa các nguyên cộng với khoảng cách < 50 m. Các loại băng tải xích, băng tải con lăn có ưu điểm là độ ổn định cao khi vận chuyển. Tuy nhiên chúng đòi hỏi kết cấu cơ khí phức tạp, giá thành khá đắt, độ chính xác cao. Do băng tải dùng trong hệ thống làm nhiệm vụ vận chuyển sản phẩm nên trong SVTH: Trịnh Văn Linh 6 MSV: 18115941 Mô hình, phân loại sản phẩm theo khối lượng dùng PLC S7 1200 mô hình đồ án đã lựa chọn loại băng tải dây đai để mô phỏng cho hệ thống dây chuyền trong nhà máy với những lý do sau đây: - Tải trọng băng tải không quá lớn.

- Kết cấu cơ khí không quá phức tạp. - Dễ dàng thiết kế chế tạo. - Có thể dễ dàng hiệu chỉnh băng tải. Tuy nhiên loại băng tải này cũng có một vài nhược điểm như độ chính xác khi vận chuyển không cao, đôi lúc băng tải hoạt động không ổn định do nhiều yếu tố nhiệt độ môi trường ảnh hưởng tới con lăn, độ ma sát của dây đai giảm qua thời gian.

Băng tải mô hình thực tế. Giới thiệu phần cứng. Giới thiệu chung về PLC S7 - 1200. Khái niệm chung về PLC S7 - 1200.

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic, thông qua một ngôn ngữ lập trình người sử dụng có thể lập trình để thực hiện môt loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào SVTH: Trịnh Văn Linh 7 MSV: 18115941 Mô hình, phân loại sản phẩm theo khối lượng dùng PLC S7 1200 PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định kì hay thời gian được đếm. Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF các thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình.

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối, người ta đã chế tao bộ điều khiển PLC nhằm thoả mãn các yêu cầu sau: - Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học. - Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa. - Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp. - Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.

- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, các module mở rộng. Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay cho các phần cứng Relay dây nối và các logic thời gian. Tuy nhiên bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí cũng như giá cả. Chính điều này đã tạo ra quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp.

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7 - 1200 dùng để thay thế dần cho S7 - 200. So với S7 - 200 thì S7 - 1200 có những tính năng nổi trội: S7 - 1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa. Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển: Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC. Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình S7 - 1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.

Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232. Phần mềm dùng để lập trình cho S7 - 1200 là Step7 Basic. Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal.

SVTH: Trịnh Văn Linh 8 MSV: 18115941 Mô hình, phân loại sản phẩm theo khối lượng dùng PLC S7 1200 b. Giới thiệu module PLC S7 - 1200 CPU 1214C AC/DC/RLY 6ES7214 -1BG40 - 0XB0. Module 6RS7214 - 1BG40 - 0XB0. Thông số kỹ thuật: - Ngõ vào DI: 14 DI, 24V-DC, 2 AI 0 - 10V DC.

- Ngõ ra DO: 10 DO, Relay 2A. - Power supply: AC 85 - 264 VAC. Các tính năng cơ bản như: - Các chức năng cơ bản như logic nhị phân, phân bố kết quả, lưu, đếm, tạo thời gian, tải, truyền, so sánh, dịch chuyển, xoay, tạo phần bổ sung, gọi chương trình con (với các biến cục bộ). - Các lệnh giao tiếp tích hợp (ví dụ: giao thức USS, Modbus RTU, giao tiếp hoặc Freeport).