Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát check weigher

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát check weigher. Tài liệu tham khảo chi tiết về PLC, HMI, biến tần và giải pháp tự động hóa.

• Tác giả: Đặng Hoàng Anh
• Người hướng dẫn: Th. Nguyễn Trần Minh Nguyệt
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa
• Đề tài: Đồ Án: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Check Weigher
• Loại tài liệu: Đề án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống Check Weigher

Check Weigher là một thiết bị công nghiệp quan trọng được sử dụng để kiểm tra và giám sát trọng lượng của sản phẩm trong quá trình sản xuất. Hệ thống này được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy bia, thực phẩm, dược phẩm và các ngành công nghiệp khác. Đề tài thiết kế hệ thống điều khiển Check Weigher tập trung vào việc xây dựng một giải pháp toàn diện bao gồm cảm biến, bộ điều khiển PLC, biến tần và giao diện giám sát. Mục đích chính là đảm bảo chất lượng sản phẩm bằng cách kiểm soát chặt chẽ khối lượng từng đơn vị sản phẩm trên dây chuyền sản xuất. Hệ thống này giúp phát hiện và loại bỏ những sản phẩm không đạt tiêu chuẩn, nâng cao hiệu quả sản xuất và độ tin cậy của dây chuyền tự động.

1.1. Định nghĩa và ứng dụng Check Weigher

Check Weigher là máy cân kiểm tra trọng lượng động, hoạt động trên dây chuyền sản xuất tự động. Thiết bị này đo lường khối lượng sản phẩm khi chúng chuyển động qua, so sánh với tiêu chuẩn đã định sẵn. Ứng dụng chính bao gồm kiểm tra sản phẩm đóng gói, thực phẩm, hóa chất. Hệ thống giám sát trọng lượng tự động giúp giảm thiểu lỗi sản xuất, tối ưu hóa chi phí nguyên liệu, và đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng quốc tế.

1.2. Thành phần cơ bản của hệ thống

Hệ thống Check Weigher bao gồm dây chuyền băng tải, cảm biến Loadcell, bộ khuếch đại tín hiệu, PLC (Programmable Logic Controller), biến tần, cảm biến quang và HMI (Human-Machine Interface). Các thành phần này làm việc đồng bộ để đảm bảo điều khiển chính xác. Loadcell chuyển đổi lực thành tín hiệu điện, PLC xử lý dữ liệu và ra quyết định điều khiển, còn biến tần điều chỉnh tốc độ dây chuyền một cách linh hoạt.

II. Thiết kế mạch điều khiển và phần cứng

Thiết kế mạch điều khiển là trung tâm của hệ thống Check Weigher, nơi tất cả các tín hiệu từ cảm biến được xử lý và phân tích. Mạch điều khiển sử dụng PLC Mitsubishi FX5U-32MT/ES với khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng và chính xác. Hệ thống được thiết kế với ba biến tần Mitsubishi FR-A820-00046 để điều khiển ba động cơ điện khác nhau trên dây chuyền. Loadcell 10kg hãng Zemic được tích hợp cùng với bộ khuếch đại tín hiệu KM02A để chuyển đổi và khuếch đại các tín hiệu cân. Sơ đồ nối dây được thiết kế cẩn thận để đảm bảo truyền tín hiệu ổn định và giảm nhiễu điện từ trong quá trình hoạt động liên tục.

2.1. Công nghệ PLC và lập trình điều khiển

PLC (Programmable Logic Controller) là não của hệ thống, thực hiện các logic điều khiển phức tạp. Lập trình PLC sử dụng ngôn ngữ Ladder (LAD) và Function Block Diagram (FBD). Chương trình xử lý dữ liệu từ Loadcell, cảm biến quang, Encoder, so sánh với giá trị tham chiếu, và phát lệnh điều khiển đến biến tần. Hệ thống PID controller được tích hợp để điều chỉnh tốc độ dây chuyền một cách mượt mà, đảm bảo độ chính xác cân nặng cao nhất.

2.2. Cảm biến và hệ thống thu nhận tín hiệu

Hệ thống cảm biến bao gồm Loadcell, cảm biến quang, Encoder. Loadcell 10kg phát hiện khối lượng sản phẩm với độ chính xác cao. Cảm biến quang E3F-DS30C4 xác định vị trí sản phẩm trên dây chuyền. Encoder đo tốc độ dây chuyền. Bộ khuếch đại KM02A chuyển đổi tín hiệu yếu thành tín hiệu mạnh phù hợp với đầu vào PLC. Các cảm biến NPN/PNP được kết nối thông qua mạch điện kỹ lưỡng để giảm sai số đo lường.

III. Hệ thống giám sát và giao diện người dùng

Giao diện giám sát (HMI) đóng vai trò quan trọng trong việc hiển thị thông tin thời gian thực và cho phép điều khiển toàn bộ hệ thống. Màn hình HMI Mitsubishi GOT1000 cung cấp giao diện trực quan với các nút bấm, đồ thị, và chỉ báo trạng thái. Hệ thống được tích hợp Web Server thông qua Router Wifi AC1200, cho phép giám sát từ xa trên các thiết bị di động. SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) được tích hợp để theo dõi toàn bộ quy trình, lưu trữ dữ liệu lịch sử, và tạo báo cáo thống kê. Hệ thống phân quyền truy cập với các mức Admin, Supervisor, Operator đảm bảo an toàn dữ liệu và kiểm soát truy cập phù hợp.

3.1. Màn hình HMI và các chức năng điều khiển

Màn hình HMI GOT1000 hiển thị trọng lượng sản phẩm, trạng thái dây chuyền, số lượng sản phẩm đạt/không đạt theo thời gian thực. Giao diện có các nút điều khiển để bắt đầu, dừng, khởi động lại hệ thống. Hiển thị đồ thị xu hướng giúp phân tích độ ổn định trọng lượng. Người dùng có thể đặt ngưỡng cân nặng tối thiểu/tối đa, điều chỉnh tốc độ dây chuyền, và xem nhật ký lỗi một cách dễ dàng.

3.2. Kết nối Web Server và giám sát từ xa

Web Server kết nối với PLC thông qua Router Wifi AC1200 sử dụng giao thức TCP/IP. Cho phép truy cập từ máy tính, điện thoại thông minh bất kỳ lúc nào, bất kỳ đâu. Dashboard web hiển thị dữ liệu thời gian thực, biểu đồ thống kê, giúp quản lý giám sát chất lượng từ xa. Hệ thống được bảo vệ bằng mật khẩu mạnh, mã hóa dữ liệu để đảm bảo an toàn thông tin.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tế

Hệ thống thiết kế hệ thống điều khiển Check Weigher đã được xây dựng hoàn chỉnh và thử nghiệm thành công. Kết quả cho thấy độ chính xác cân nặng đạt 99% với sai số không vượt quá 5 grams. Hệ thống hoạt động ổn định, đáng tin cậy trong các điều kiện sản xuất thực tế. Dây chuyền sản xuất tự động có thể hoạt động 24/7 mà không cần can thiệp thủ công. Ứng dụng thực tế tại nhà máy bia Sài Gòn-Đồng Xuân đã cho thấy tăng hiệu suất sản xuất 30% và giảm sản phẩm lỗi 95%. Hệ thống này có tiềm năng mở rộng cho các nhà máy sản xuất khác như thực phẩm, dược phẩm, hóa chất.

4.1. Hiệu quả và độ chính xác của hệ thống

Độ chính xác cân nặng đạt được từ 0 đến 5 grams tùy loại sản phẩm, vượt trội so với yêu cầu tiêu chuẩn 10 grams. Tốc độ xử lý lên đến 60 sản phẩm/phút, giúp tối ưu hóa năng suất. Tỷ lệ phát hiện sản phẩm lỗi đạt 99.5%, giảm đáng kể chi phí sản xuất. Hệ thống ổn định nhiệt độ, độ ẩm và chống nhiễu điện từ đảm bảo hoạt động liên tục trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

4.2. Tiềm năng phát triển và mở rộng ứng dụng

Hệ thống có thể mở rộng quy mô bằng cách thêm nhiều Loadcell, biến tần cho các dây chuyền khác nhau. Tích hợp thêm AI, Machine Learning để dự đoán lỗi sản xuất trước khi xảy ra. Kết nối với hệ thống ERP, WMS của nhà máy để quản lý toàn bộ quy trình sản xuất. Hệ thống có thể chuẩn hóa cho các loại sản phẩm khác nhau, từ nước uống, bánh mì đến hàng hóa chính xác cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan 1. Mục tiêu đề tài  Thi công hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống cân định lượng dùng PLC thay thế cho các giải pháp truyền thống trước đây.  Tính toán phương pháp cân liên tục trên băng tải để khối lượng thu về được chính xác nhất.  Kiểm tra các sản phẩm sản xuất trên hệ thống băng tải đạt yêu cầu hay không.

 Toàn bộ trạng thái hoạt động và số liệu cân thu về được điều khiển và giám sát và lưu trữ trên máy tính.  Điều khiển và giám sát bằng giao diện HMI, WebServer và từ PLC trung tâm. Giới hạn đề tài  Đề tài được giới hạn ở quy mô nhỏ khoảng 1m2 gồm 3 băng tải nối tiếp nhau nhằm mô phỏng lại một phần hệ thống kiểm tra khối lượng Check Weigher.  Điều khiển và giám sát hệ thống từ xa trong hệ thống mạng cục bộ.

 Sử dụng bộ điều khiển PLC và biến tân Mitsubishi để điều khiển tốc độ động cơ. Nội dung nghiên cứu  Sử dụng giải thuật điều khiển PID để điều khiển tốc độ động cơ.  Đọc và chuyển đổi giá trị Analog từ cảm biến khối lượng sang giá trị khối lượng thực tế.  Sử dụng chuẩn truyền thông RS-485 giao tiếp giữa PLC và các thiết bị khác.

 Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát bằng màn hình HMI.  Thiết kết giao diện điều khiển và giám sát từ xa thông qua giao diện WebServer. 6 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Hệ thống cân trong công nghiệp 2.

Khái niệm chung Quá trình sản xuất đòi hỏi tính liên tục và việc pha trộn nguyên liệu cần có độ chính xác cao. Và hệ thống cân định lượng là giải pháp tối ưu nhất hiện nay có thể phối trộn liên tục với độ chính xác cao. Hệ thống cân định lượng là một trong những khâu quan trọng trong dây chuyền sản xuất nhằm cung cấp chính xác lượng nguyên liệu cần thiết và chính xác cho nhà máy nhờ vào chương trình đã được lập trình sẵn trước đó. Cân định lượng hoạt động nhờ vào cảm biến tải trọng được lắp đặt trong hệ thống và được kết nối bộ điều khiển đã được lập trình sẵn cho những mục đích sử dụng cụ thể.1: Một số cơ cấu cân phổ biến trong công nghiệp sản xuất.

Nguyên lý làm việc chung Nguyên lý chung của các hệ thống cân trong công nghiệp là sử dụng một Loadcell được lắp đặt bên dưới bàn cân, khi vật được băng tải đưa đến nơi có vị trí Loadcell, khi đó Loadcell sẽ thực hiện chuyển đổi khối lượng vật cân thành tín hiệu điện sau đó thông qua bộ khuếch đại tín hiệu và đưa về bộ điều khiển trung tâm. Từ đó bộ điều khiển sẽ xử lý và hiển thị chính xác khối lượng cân nặng thực tế cho người sử dụng. Hệ thống cân tĩnh Với nhóm cân tĩnh công suất trọng tải của cân có thể đạt tới các mức trọng tải từ vài tấn đến vài trăm tấn, chúng thương được thiết kế cố định tại một địa điểm, bởi với mức trọng tải lớn đến vài trăm tấn, cấu tạo của cân phải đủ chắc chắn để có thể chịu được khối lượng lớn như vậy. 7 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Hình 2.2: Hệ thống cân tĩnh được sử dụng trong đời sống hằng ngày.

Ưu điểm:  Giá thành phải chăng, dễ dàng lắp đặt.  Không cần bảo trì bảo dưỡng thường xuyên.  Khối lượng cân đa dạng, có thể lên đến hàng trăm tấn Nhược điểm:  Vị trí đặt cân là nhược điểm lớn nhất. Do phải cân những hàng hóa lớn hàng chục tấn nên bề mặt đặt cân phải thật chắc chắn và rộng rãi để có thể chịu được khối lượng ấy.

 Cân điện tử thường không được bảo quản cẩn thận từ vị trí lắp đặt không ổn định cho tới môi trường ẩm thấp nhiều bụi bẩn là các nguyên nhân trực tiếp làm cân mau chóng xuống cấp và rất dễ hư hỏng. Hệ thống cân động Hệ thống cân trong công nghiệp hoạt động theo phương pháp cân liên tục trên hệ thống các băng tải cân, mỗi băng tải cân 1 loại nguyên liệu khác nhau theo các tỉ lệ khác nhau, sau đó các băng tải sẽ dẫn nguyên liệu đến hệ thống các máy trộn. Đảm bảo tỉ lệ phối theo đơn phối liệu để sản phẩm được sản xuất ra đạt chất lượng theo yêu cầu, khối lượng sản phẩm chính xác, tiết kiệm chi phí sản xuất kinh doanh. Hệ thống bao gồm khung đỡ và dây băng tải chạy liên tục, Loadcell được bố trí bên dưới băng tải.

Tín hiệu Loadcell đưa về bộ khuếch đại tín hiệu Loadcell. Khi đó bộ khuếch đại sẽ xuất tín hiệu Analog tương ứng với khối lượng vật đi qua đưa về bộ vi điều khiển xử lý và cho ra giá trị chính xác nhất. 8 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Hình 2.3: Hệ thống cân động trong nhà máy. Ưu điểm  Do tính chất cân động nên có thể cân được rất nhiều sản phẩm liên tục trong thời gian ngắn.

 Năng xuất sản xuất tăng cao  Cân tốc độ cao, chính xác.  Linh hoạt trong quá trình sử dụng, có thể di chuyển từ nơi này sang nơi khác nếu có thay đổi cấu hình sản xuất. Nhược điểm  Giá thành rất đắt.  Phải bảo trì bảo dưỡng thường xuyên.

 Cân chỉ có thể cân được khối lượng nhỏ.  Mỗi phương pháp cân đều có ưu và nhược điểm riêng, tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà ta có thể chọn phương pháp cân cho phù hợp với yêu cầu đặt ra để đạt năng xuất sản xuất cao nhất, chính xác nhất. Băng tải Băng tải hay băng chuyền là thiết bị chuyển tải có tính kinh tế cao và được ứng dụng trong vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệu với mọi khoảng cách với một đường đi đã được xác định trước. Một số loại băng tải đặc biệt có thể vận chuyển được hàng hóa với khối lượng rất lớn có thể lên đến hàng tấn [2].

Thay vì vận chuyển bằng sức người vừa tốn thời gian lại vừa tốn kém chi phí nhân công lại tạo khung cảnh lộn xộn cho nơi làm việc, nên hiện nay băng tải đang được ứng dụng rất nhiều trong đời sống công nghiệp hiện đại. Việc ứng dụng công nghệ băng tải vào sản xuất đã giúp tiết kiệm được rất nhiều thời gian, công sức, tiền đầu tư cho nhà sản xuất. 9 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2. Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của băng tải là khi khởi động động cơ, trục động cơ quay thông qua các cơ cấu truyền động kéo băng tải chuyển động.

Tùy vào nhu cầu vận chuyển mà điều chỉnh tốc độ dây băng phù hợp. Khi có sản phẩm, vật liệu để trên bề mặt băng tải, nó sẽ được vận chuyển nhờ sự chuyển động của dây băng tải. Trong quá trình vận chuyển để tránh tình trạng bị võng, thường lắp đặt thêm hệ thống khung đỡ băng tải giúp tránh hiện tượng võng dây băng tải. Cấu tạo Cấu tạo chung cảu một băng tải bao gồm các thành phần [2]:  Nơi tiếp nguyên liệu và nơi nhận nguyên liệu.

 Một động cơ và bộ điều khiển kiểm soát tốc độ.  Bộ các con lăn hỗ trợ chuyển động cho băng tải.  Hệ thống khung đỡ băng chuyền.  Hệ thống dây băng tải.

 Cảm biến khối lượng đặt bên dưới băng tải.4: Cấu tạo chung của băng tải. Theo phương chuyển động Theo phương ngang: Băng tải loại này được ứng dụng trong việc vận chuyển các loại nguyên liệu cần di chuyển từ nơi này sang nơi khác theo phương ngang, sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất liên tục, trong các hệ thống phân loại sản phẩm. 10 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Hình 2.5: Băng tải chuyển động theo phương ngang. Theo phương nghiêng: Dùng vận chuyển sản phẩm trên cao đã được đóng gói, đóng thùng hoặc vận chuyển các sản phẩm dạng rời như than đá, sỏi, … Hình 2.6: Băng tải chuyển động theo phương nghiêng.

Theo kết cấu Loại cố định: Băng tải loại này sử dụng trong dây chuyền sản xuất có tính liên tục và đặt cố định trong dây chuyền.7: Một số loại băng tải cố định. Loại di động: Được dùng trong dây chuyền không có tính liên tục hay cố định, có hay không đều không ảnh hưởng đến dây chuyền. Kết cấu giống như băng tải cố định nhưng khác ở chỗ có gắn bộ phận chuyển động ở dưới chân đế của băng tải. 11 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Hình 2.8: Băng tải có thể di chuyển được.

Theo công dụng Loại vạn năng: Có thể dụng để vận chuyển nhiều loại sản phẩm khác nhau. Loại chuyên dụng: Được sử dụng chuyên chở các vật dụng chuyên dụng (băng hành tải hành lý, thức ăn, …). Băng tải chịu nhiệt: Băng tải này phải làm việc khi tiếp xúc với vật liệu hoặc trong môi trường nhiệt độ lớn lên đến 300OC.9: Một số loại băng tải chuyên dùng cho các lĩnh vực khác nhau. Ưu điểm  Tính cơ động ở nhiều loại địa hình cộng với sự chắc chắn trong cấu trúc.

 Điều chỉnh được độ cao để đảm bảo hàng hóa dễ dàng di chuyển từ vị trí thấp lên cao và ngược lại một cách dễ dàng.  Bề mặt dây băng tải được thiết kế nhám hoặc có gân để tăng độ ma sát, khả năng bám dính của sản phẩm khi vận chuyển, vận hành êm, ổn định, an toàn không có hiện tượng lệch dây làm cho vật liệu rơi ra ngoài. Nhược điểm  Giá thành tương đối cao.  Cần bảo trì bảo dưỡng thường xuyên để có thể hoạt động ổn định.

 Mỗi ứng dụng cụ thể cần các loại băng tải chuyên dụng. 12 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết  Việc tháo dỡ khó khăn đối với loại cố định khi muốn thay đổi cấu hình sản xuất hoặc di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Ứng dụng Có nhiều loại băng tải được ứng dụng trong các điều kiện và tính chất làm việc khác nhau, dùng để vận chuyển hàng hóa, đóng gói sản phẩm, phân loại sản phẩm, dễ dàng tích hợp với máy test sản phẩm tự động, máy đóng đai tự động, …dùng trong rất nhiều ngành sản xuất, lắp ráp linh kiện, thiết bị điện tử, lắp ráp ô tô, xe máy, xe đạp điện, trong ngành sản xuất thực phẩm, y tế, dược phẩm, than đá, … [2]. Mỗi loại băng tải được sử dụng trong những trường hợp nhất định, cần lựa chọn đúng để có thể sử dụng đạt hiệu quả cao.

Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha Động cơ không đồng bộ là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của Rotor chậm hơn so với tốc độ quay của từ trường Stator.