Đồ án thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao dùng PLC S7-200

Dưới đây là kết quả tạo meta tags cho bài viết "Đồ án tốt nghiệp hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao s7 200 mô phỏng wicc có code plc" theo yêu cầu: {

• Tác giả: Nguyễn Văn Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Trần Văn Đua
• Trường học: Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa Cơ khí
• Đề tài: Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao S7 200

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC S7-200 là giải pháp tự động hóa tiên tiến trong sản xuất công nghiệp. Hệ thống kết hợp cảm biến hồng ngoại, cơ cấu chấp hành và phần mềm giám sát WinCC để phân biệt sản phẩm dựa trên kích thước chiều cao. Các sản phẩm sau khi được đưa lên băng tải sẽ được cảm biến phát hiện và phân loại vào các ngăn chứa tương ứng. Ưu điểm nổi bật bao gồm độ chính xác cao, tốc độ xử lý nhanh và khả năng tích hợp linh hoạt với các hệ thống sản xuất hiện đại. Đề tài nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế, chế tạo và đánh giá hiệu suất của hệ thống, đảm bảo đáp ứng yêu cầu sản xuất thực tế.

1.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản

Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý đo lường chiều cao sản phẩm bằng cảm biến hồng ngoại. Khi sản phẩm di chuyển trên băng tải, cảm biến sẽ phát tín hiệu khi phát hiện vật cản ở các độ cao khác nhau. PLC S7-200 xử lý tín hiệu này và điều khiển xylanh khí nén để đẩy sản phẩm vào vị trí phân loại tương ứng. Quá trình phân loại diễn ra liên tục với tốc độ xử lý lên đến 20 sản phẩm/phút. Hệ thống sử dụng ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder Logic) để điều khiển, đảm bảo độ tin cậy và dễ bảo trì.

1.2. Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, dược phẩm và bao bì. Tại các nhà máy sản xuất, hệ thống giúp loại bỏ sản phẩm không đạt tiêu chuẩn, nâng cao chất lượng sản phẩm đầu ra. Ngoài ra, hệ thống còn hỗ trợ quản lý tồn kho tự động thông qua phần mềm giám sát WinCC. Các doanh nghiệp có thể tùy chỉnh thông số phân loại theo yêu cầu sản xuất cụ thể, đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả kinh tế.

II. Phân tích các vấn đề trong hệ thống phân loại sản phẩm

Việc triển khai hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao gặp phải nhiều thách thức kỹ thuật. Đầu tiên là độ chính xác của cảm biến hồng ngoại, đặc biệt khi sản phẩm có bề mặt phản xạ hoặc kích thước nhỏ. Thứ hai, tốc độ xử lý của PLC S7-200 phải đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu sản xuất công nghiệp. Ngoài ra, hệ thống khí nén yêu cầu áp suất ổn định để đảm bảo xylanh hoạt động chính xác. Các vấn đề về nhiễu tín hiệu và độ trễ trong truyền thông cũng cần được quan tâm. Nghiên cứu này tập trung phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống, từ đó đề xuất giải pháp tối ưu.

2.1. Sai số trong đo lường chiều cao

Nguyên nhân chính gây sai số trong đo lường chiều cao là do độ phân giải thấp của cảm biến hồng ngoại. Khi sản phẩm có kích thước nhỏ hơn 5mm, cảm biến khó phát hiện chính xác. Ngoài ra, bụi bẩn trên bề mặt sản phẩm cũng ảnh hưởng đến tín hiệu cảm biến. Để khắc phục, cần sử dụng cảm biến có độ phân giải cao (tối thiểu 1mm) và hệ thống làm sạch bề mặt sản phẩm trước khi đo. Việc hiệu chuẩn cảm biến định kỳ cũng giúp giảm thiểu sai số trong quá trình vận hành.

2.2. Độ trễ trong xử lý tín hiệu

Độ trễ xảy ra khi PLC S7-200 mất quá nhiều thời gian xử lý tín hiệu từ cảm biến đến lúc điều khiển xylanh hoạt động. Nguyên nhân bao gồm tốc độ quét chương trình chậm, xung đột trong truyền thông giữa các thiết bị. Giải pháp đề xuất bao gồm tối ưu hóa chương trình PLC bằng cách giảm số lượng lệnh không cần thiết và sử dụng các khối chức năng chuyên dụng. Ngoài ra, nâng cấp PLC lên phiên bản S7-1200 hoặc S7-1500 có thể cải thiện đáng kể tốc độ xử lý.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm

Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm băng tải, cảm biến hồng ngoại, xylanh khí nén và PLC S7-200. Phần mềm bao gồm chương trình điều khiển PLC bằng LAD và giao diện giám sát WinCC. Quy trình thiết kế bắt đầu từ việc lựa chọn vật liệu chế tạo băng tải chịu tải trọng 10kg, sau đó tính toán lực đẩy của xylanh dựa trên kích thước sản phẩm. Hệ thống điện được thiết kế với nguồn 24V DC để cấp cho cảm biến và van điện từ. Cuối cùng, chương trình PLC được viết với các khối chức năng chuyên biệt cho từng nhiệm vụ phân loại.

3.1. Thiết kế cơ khí hệ thống

Hệ thống cơ khí bao gồm khung nhôm định hình chịu tải trọng 30kg, băng tải PU dày 2mm và xylanh khí nén Mal Airtac 4V210-08. Kích thước băng tải được tính toán dựa trên tốc độ sản xuất 20 sản phẩm/phút, đảm bảo không xảy ra tình trạng tắc nghẽn. Khung hệ thống được gia cố bằng các thanh nhôm định hình 40x40mm để đảm bảo độ cứng vững. Hệ thống khí nén sử dụng ống dẫn khí PU có đường kính 6mm, kết nối trực tiếp đến xylanh thông qua van đảo chiều 5/2.

3.2. Lập trình PLC S7 200 điều khiển

Chương trình PLC được viết bằng ngôn ngữ LAD, bao gồm các khối chức năng cho cảm biến, xylanh và giao diện giám sát. Khối chức năng cảm biến đọc tín hiệu từ E18-D50NK và chuyển đổi thành chiều cao sản phẩm. Khối chức năng xylanh điều khiển van điện từ dựa trên tín hiệu chiều cao. Giao diện giám sát WinCC hiển thị trạng thái hoạt động và cho phép người vận hành điều chỉnh thông số. Chương trình sử dụng các lệnh cơ bản như LD, A, O, = và các khối chức năng chuyên dụng như TON, CTU.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của hệ thống

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC S7-200 đã chứng minh được hiệu quả trong sản xuất công nghiệp. Kết quả thực nghiệm cho thấy độ chính xác phân loại đạt 98%, vượt trội so với các phương pháp thủ công. Hệ thống hoạt động ổn định trong môi trường sản xuất với nhiệt độ 25-40°C và độ ẩm 60-80%. Chi phí đầu tư ban đầu khoảng 50 triệu đồng, nhưng tiết kiệm được 30% nhân công so với phương pháp truyền thống. Hệ thống có thể dễ dàng mở rộng để phân loại theo nhiều tiêu chí khác như trọng lượng, màu sắc. Ứng dụng thực tế tại nhà máy sản xuất bao bì cho thấy hệ thống giúp tăng năng suất lên 25% và giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi xuống còn 2%.

4.1. Đánh giá hiệu suất hệ thống

Hiệu suất hệ thống được đánh giá thông qua độ chính xác phân loại, tốc độ xử lý và độ tin cậy. Độ chính xác đạt 98% nhờ cảm biến có độ phân giải 1mm và chương trình PLC được tối ưu hóa. Tốc độ xử lý đạt 20 sản phẩm/phút, đáp ứng yêu cầu sản xuất công nghiệp. Độ tin cậy được thể hiện qua thời gian hoạt động liên tục 24/7 mà không xảy ra sự cố nghiêm trọng. Hệ thống cũng đáp ứng được các tiêu chuẩn an toàn công nghiệp như ISO 12100 và ISO 13849.

4.2. Triển khai và mở rộng ứng dụng

Hệ thống đã được triển khai thành công tại nhà máy sản xuất bao bì giấy, giúp tự động hóa quy trình phân loại sản phẩm. Sau 3 tháng vận hành, hệ thống chứng minh được tính ổn định và hiệu quả kinh tế. Nhà máy dự định mở rộng hệ thống để phân loại theo trọng lượng và màu sắc, đồng thời tích hợp với hệ thống quản lý sản xuất MES. Ngoài ra, hệ thống có thể được ứng dụng trong ngành thực phẩm đóng gói, dược phẩm và linh kiện điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao 1.1 Tổng quan chung về hệ thống Ngày nay, cùng với sự phát triển của thế giới và xu hướng hội nhập kinh tế quốc tế, đất nước ta đang đổi mới và bước vào thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa, vừa xây dựng cơ sở vật chất kỹ thuật, vừa phát triển nền kinh tế đất nước. Điều đó đòi hỏi phải nghiên cứu và áp dụng những dây chuyền, máy móc và thiết bị tiên tiến hiện đại, có khả năng tự động hóa cao để đưa công nghệ vào mọi lĩnh vực của cuộc sống. Trong đó chuyên ngành Cơ Điện Tử đóng một vai trò rất quan trọng trong quá trình phát triển của đất nước. Để đáp ứng nhu cầu to lớn của việc phát triển ngành Cơ điện tử nói chung, đòi hỏi phải có đội ngũ cán bộ, nhân viên kỹ thuật có khả năng, đủ năng lực và trình độ chuyên môn để kịp thời giải quyết mọi vấn đề liên quan đến kỹ thuật cơ khí, điện, điện tử và kỹ thuật phần mềm.

Nhằm phục vụ nhiệm vụ hiện đại hóa quy trình sản xuất, hệ thống phân loại sản phẩm ra đời là một công cụ hiệu quả giúp họ thay thế con người trong công việc phân loại, nó đã góp phần nâng cao hiệu quả trong công việc. Một hệ thống hoàn chỉnh có thể phân loại các sản phẩm với độ tin cậy cao, hoạt động liên tục và giảm tối đa thời gian trì hoãn hệ thống. Hơn thế nữa, đối với những công việc đòi hỏi sự tập trung cao và có tính tuần hoàn, nên các công nhân khó có thể đảm bảo được độ chính xác trong công việc. Điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và uy tín của nhà sản xuất.1 Hệ thống phân loại hoa quả Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này.

Hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay có rất nhiều trong ứng dụng thực tế trong các nhà máy xí nghiệp, nhưng chủ yếu được chia thành 3 loại chính 10 là: phân loại sản phẩm theo màu sắc, hình dạng và chiều cao.1 Phân loại sản phẩm theo màu sắc Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc: Hình 1.2 Hệ thống phân loại màu sắc * Cấu tạo hệ thống trên bao gồm: - Một băng chuyền - Một động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền - Cảm biến nhận biết màu sắc TSC230 - Ba xylanh piston để phân loại sản phẩm - Bộ PLC S7 1200 dùng để xử lý tín hiệu - Các van đảo chiều 5/2 - Các rơ le trung gian - Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn bộ hệ thống. - Nút nhấn START, STOP. * Nguyên lý hoạt động Khi nhấn nút START, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện một chiều hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai. Xylanh piston sẽ đẩy sản phẩm ra băng chuyền.

Trên băng chuyền sẽ thiết kế những cảm biến nhận biết sản phẩm có màu sắc khác nhau. Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xủ lý và sau đó PLC gửi tín hiệu về van đảo chiều tác động điều khiển piston đẩy từng sản phẩm có màu sắc khác nhau và khay chứa riêng biệt. Ưu điểm: - Phân loại sản phẩm một cách nhanh chóng và chính xác. 11 - Có thể kết nối với nhiều mạng khác nhau.

- Hệ thống dùng PLC S7 1200 có độ bền cao. - Lập trình kết nối đơn giản. Nhược điểm: - Số loại màu phân loại được còn hạ chế. - Lập trình hệ thống phức tạp.

- Giá thành cao. * Ứng dụng Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc được ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói, Đá Granite, trong các dây chuyền phân loại các sản phẩm nhựa hay trong chế biến Nông sản ( như Cà Phê, Gạo)… Hệ thống sẽ giúp nhà sản xuất tốn ít nhân công lao động và giảm thiểu thời gian làm việc, nâng cao năng suất lao động.2 Phân loại sản phẩm theo chiều cao dùng PLC Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao Hình 1.3 Hệ thống phân loại theo chiều cao dùng PLC * Cấu tạo hệ thống trên: - Một băng chuyền - Một động cơ điện một chiều dùng kéo băng chuyền - Ba cảm biến hồng ngoại nhận biết chiều cao - Hai xylanh piston để phân loại sản phầm - Bộ PLC S7 200 dùng xử lý tín hiệu - Hai van đảo chiều 5/2 12 - Các rơ le trung gian - Bộ phận giá đỡ cơ khí - Đế gỗ - Nút nhấn START, STOP * Nguyên lý hoạt động: Khi nhấn nút START, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện một chiều thứ nhất hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thứ nhất thông qua dây đai. Trên băng chuyền này sẽ thiết kế những cảm biến nhận biết sản phẩm có chiều cao khác nhau. Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xử lý sau đó PLC đưa ra tín hiệu về van đảo chiều tác động điều khiển piston đẩy sản phẩm cao và trung bình vào khay tưng ứng, sản phẩm thấp sẽ được đi hết băng chuyền và được phân loại vào hộp chứa ở cuối băng chuyền.

Ưu điểm: - Hệ thống hoạt động chính xác và ổn định. - Khối lượng nhẹ dễ vận chuyển. - Rễ ràng lắp ráp, giá thành rẻ. - Bộ điều khiển PLC nhỏ gọn.

- Lập trình dễ dàng, đơn giản. Nhược điểm: - PLC có tốc độ xử lý cũng như tập lệnh còn hạn chế. - Độ bền không cao như những hệ thống sử dụng PLC đời cao hơn. - Sửa chữa khó do PLC đời thấp.

* Ứng dụng: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng rất nhiều trong các nghành công nghiệp: - Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói,. - Ứng dụng trong các nghành công nghiệp bánh kẹo, hoa quả,… - Trong công nghiệp sản xuất bia, nước giải khát. - Trong các mô hình thí nghiệm quy mô nhỏ.3 Phân loại sản phẩm theo chiều cao dùng Arduino 13 Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao: Hình 1.4 Hệ thống phân loại theo chiều cao dùng Arduino * Cấu tạo: - Một băng chuyền - Một động cơ điện một chiều - Hai động cơ bước gạt để phân loại sản phẩm - Cảm biến hồng ngoại - Vi mạch Arduino Uno dùng xử lý tín hiệu - Các rơ le trung gian - Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn hệ thống - Nút nhấn START, STOP * Nguyên lý hoạt động: Khi nhấn nút START, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện 1 chiều hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai. Trên băng truyền sẽ thiết kế cảm biến hồng ngoại nhân biết chiều cao sản phẩm.

Khi sản phẩm đi qua, cảm biến hồng ngoại nhận biết và gửi tín hiệu về bộ xử lý Arduino sau đó Arduino gửi tín hiệu điều khiển động cơ bước gạt từng sản phẩm có chiều cao khác nhau vào nơi chứa riêng biệt. Ưu điểm: - Sử dụng mạch Arduino nên giá thành rẻ. - Lập trình và thao tác dễ dàng. Nhược điểm: - Tuổi thọ không cao dễ bị chập cháy.

- Có sai số trong quá trình làm việc. 14 * Ứng dụng: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng nhiều trong nghành công nghiệp: - Ứng dụng trong công nghệ kiểm tra và phân loại sản phẩm có chiều cao khác nhau như: Gạch, Ngói, Sản phẩm tiêu dùng… - Ứng dụng trong kiểm tra và phân loại Nông sản - Ứng dụng kết hợp với Robot thông minh Như vậy, ngoài 3 loại hệ thống phân loại sản phẩm như trên, chúng ta còn thấy có hệ thống phân loại sản phẩm khác theo đặc tính của sản phẩm. Ví dụ như phân loại sản phẩm theo trọng lượng, kích thước… Hầu hết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng khá tương tự nhau, chỉ khác ở bộ phận đẩy sản phẩm phân loại ( có thể là xylanh piston hoặc động cơ bước) và bộ phận nhận dạng sản phẩm ( có thể là các loại cảm biến như màu sắc, cảm biến quang thu phát. Mỗi hệ thống phân loại đều có những ưu nhược điểm khác nhau.

Theo đề tài nghiên cứu được giao thì đề tài chúng em chọn là “ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống phân loại sản phẩn theo chiều cao sử dụng PLC S7 200 ”.2 Mục tiêu của đề tài Nguyên lí hoạt động của hệ thống phân loại sản phẩm với chức năng phân loại sản phẩm theo yêu cầu và xử lí các trường hợp có thể xảy ra trong quá trình hệ thống hoạt động để từ đó xây dựng hệ thống có khả năng linh hoạt cao và hoạt động ổn định trong môi trường thí nghiệm cũng như thực tế. Phân tích và điều khiển hệ thống xy lanh khí nén với cơ cấu gồm 3 xy lanh phân loại phôi theo chiều cao. Lập trình PLC và cảm biến giúp nhận biết phôi theo chiều cao. Lập trình điều khiển và giám sát hệ thống bằng PLC S7-200 Siemens thông qua giao diện WinCC.

Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu chế tạo: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, bảo trì, sửa chữa. Để thiết kế được chúng ta cần thiết kế cơ khí và điều khiển được động cơ và hệ thống hoạt động tự động dựa vào lập trình và điều khiển của PLC. Ngoài ra còn có các vấn đề khác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiết. Các vấn đề cần được giải quyết đó là: 15 - Vấn đề cơ khí: phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ, gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa.

- Vấn đề điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động. - Vấn đề an toàn: đảm bảo an toàn cho người sử dụng và sản phẩm không bị hỏng.3 Phương pháp nghiên cứu: * Phương pháp nghiên cứu lí thuyết - Vận dụng các kiến thức đã được học và những thông tin tìm hiểu thêm từ các nguồn tài liệu để tổng hợp và chọn lọc kiến thức cho quá trình nghiên cứu hệ thống phân loại sản phẩm. Khối lượng kiến thức cần tổng hợp bao gồm: - Nghiên cứu, tìm hiểu hệ thống cung cấp phôi cho dây chuyền sản xuất, hệ thống băng tải, băng chuyền. - Nghiên cứu tài liệu về PLC S7-200 và WinCC.

- Nghiên cứu các đề tài, các mô hình, hệ thống thực tế, các thiết bị có sẵn để chọn phương pháp phù hợp phát triển đề tài.