Đồ án mô hình xi lanh thuỷ lực phân loại sản phẩm dùng PLC S7-200

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu mô hình sản xuất dùng xi lanh thủy lực để phân loại sản phẩm. Chi tiết nguyên lý, thiết kế hệ thống và đánh giá hiệu quả.

• Tác giả: Đỗ Minh Dương
• Người hướng dẫn: ThS. Đỗ Anh Dũng
• Trường học: Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện tự động công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu mô hình sản xuất dùng xi lanh thuỷ lực để phân loại sản phẩm
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án tốt nghiệp mô hình sản xuất dùng xi lanh thủy lực

Đồ án nghiên cứu mô hình sản xuất ứng dụng xi lanh thủy lực nhằm mục đích phân loại sản phẩm tự động. Hệ thống này kết hợp cơ cấu cơ khí với điều khiển điện tử, sử dụng xi lanh thủy lực làm cơ cấu chấp hành để di chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại dựa trên kích thước hoặc trọng lượng. Xi lanh thủy lực được lựa chọn do khả năng chịu tải cao, độ chính xác trong điều khiển và hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Hệ thống bao gồm băng chuyền cấp sản phẩm, cảm biến nhận dạng, bộ điều khiển PLC và khối chấp hành bằng xi lanh thủy lực. Mô hình này hướng tới tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu sự can thiệp của con người và nâng cao năng suất phân loại sản phẩm.

1.1. Vai trò của xi lanh thủy lực trong hệ thống phân loại

Xi lanh thủy lực đóng vai trò then chốt trong cơ cấu chấp hành của hệ thống phân loại. Nó chuyển đổi năng lượng thủy lực thành chuyển động tuyến tính chính xác, giúp di chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại theo yêu cầu. Khả năng điều khiển lực và tốc độ của xi lanh thủy lực cho phép hệ thống hoạt động linh hoạt với nhiều loại sản phẩm có kích thước khác nhau. Ngoài ra, xi lanh thủy lực có độ bền cao, khả năng chống nhiễu tốt trong môi trường sản xuất công nghiệp. Việc sử dụng xi lanh thủy lực còn giúp giảm chi phí bảo trì so với các hệ thống cơ khí truyền thống.

1.2. Ứng dụng của hệ thống phân loại sản phẩm

Hệ thống phân loại sản phẩm dùng xi lanh thủy lực được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như chế biến thực phẩm, dược phẩm, sản xuất linh kiện điện tử. Nó giúp phân loại sản phẩm theo tiêu chí như trọng lượng, kích thước hoặc chất liệu một cách tự động và chính xác. Ứng dụng này không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, hệ thống còn hỗ trợ thu thập dữ liệu phục vụ quản lý sản xuất, giúp doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu lãng phí.

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

Hiện nay, nhiều hệ thống phân loại sản phẩm vẫn sử dụng phương pháp thủ công hoặc cơ khí đơn giản, dẫn đến hiệu suất thấp và độ chính xác không cao. Phương pháp thủ công tốn nhiều nhân lực, dễ xảy ra sai sót do yếu tố con người. Các hệ thống cơ khí truyền thống thường thiếu linh hoạt, khó điều chỉnh khi thay đổi quy cách sản phẩm. Ngoài ra, vấn đề nhiễu tín hiệu trong môi trường sản xuất công nghiệp cũng ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống. Việc sử dụng cảm biến quang học trong môi trường bẩn hoặc có ánh sáng mạnh cũng gặp nhiều hạn chế về độ ổn định. Những vấn đề này đòi hỏi giải pháp phân loại sản phẩm tiên tiến hơn, đáp ứng yêu cầu tự động hóa và chính xác trong sản xuất hiện đại.

2.1. Hạn chế của phương pháp phân loại truyền thống

Phương pháp phân loại truyền thống thường dựa vào cảm biến quang học hoặc cơ cấu cơ khí đơn giản, dẫn đến độ chính xác thấp và khả năng thích ứng kém. Cảm biến quang học dễ bị nhiễu bởi ánh sáng môi trường hoặc bụi bẩn, trong khi cơ cấu cơ khí thiếu linh hoạt khi thay đổi quy cách sản phẩm. Ngoài ra, các hệ thống này thường không tích hợp được với hệ thống quản lý sản xuất hiện đại, gây khó khăn trong việc theo dõi và tối ưu hóa quy trình. Chi phí bảo trì cũng cao do hao mòn cơ học nhanh chóng.

2.2. Nhu cầu về hệ thống phân loại tự động

Với sự phát triển của công nghiệp 4.0, nhu cầu về hệ thống phân loại sản phẩm tự động ngày càng tăng cao. Hệ thống cần đáp ứng các yêu cầu như độ chính xác cao, khả năng thích ứng linh hoạt với nhiều loại sản phẩm, và tích hợp dễ dàng với các hệ thống quản lý sản xuất. Ngoài ra, hệ thống phải hoạt động ổn định trong môi trường sản xuất khắc nghiệt, với khả năng chống nhiễu và độ bền cao. Việc sử dụng xi lanh thủy lực kết hợp với điều khiển điện tử là giải pháp tối ưu để đáp ứng những yêu cầu này.

III. Giải pháp mô hình sản xuất dùng xi lanh thủy lực để phân loại

Giải pháp đề xuất là mô hình sản xuất sử dụng xi lanh thủy lực kết hợp với hệ thống điều khiển PLC và cảm biến nhận dạng. Hệ thống hoạt động theo nguyên lý: sản phẩm được vận chuyển trên băng chuyền, cảm biến nhận dạng kích thước hoặc trọng lượng sản phẩm. Dựa trên tín hiệu từ cảm biến, PLC điều khiển xi lanh thủy lực di chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại tương ứng. Xi lanh thủy lực được lựa chọn dựa trên lực đẩy và hành trình phù hợp với kích thước sản phẩm. Hệ thống cũng tích hợp khối hiển thị để theo dõi trạng thái hoạt động và kết quả phân loại. Mô hình này đảm bảo độ chính xác cao, hoạt động ổn định và dễ dàng mở rộng cho nhiều loại sản phẩm.

3.1. Cấu hình hệ thống đề xuất

Hệ thống bao gồm băng chuyền cấp sản phẩm, cảm biến nhận dạng (công tắc hành trình hoặc cảm biến quang học), bộ điều khiển PLC, xi lanh thủy lực và khối hiển thị. Băng chuyền vận chuyển sản phẩm đến vị trí cảm biến, nơi sản phẩm được nhận dạng dựa trên kích thước hoặc trọng lượng. PLC xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển xi lanh thủy lực di chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại. Xi lanh thủy lực được bố trí theo hành trình của băng chuyền, đảm bảo sản phẩm được di chuyển chính xác đến vị trí mong muốn.

3.2. Nguyên lý hoạt động chi tiết

Khi sản phẩm di chuyển trên băng chuyền, cảm biến nhận dạng phát hiện sản phẩm và gửi tín hiệu đến PLC. PLC phân tích tín hiệu và xác định vị trí phân loại phù hợp. Sau đó, PLC điều khiển xi lanh thủy lực hoạt động, đẩy sản phẩm đến vị trí phân loại. Xi lanh thủy lực được điều khiển bằng van thủy lực, đảm bảo lực đẩy và tốc độ phù hợp với sản phẩm. Hệ thống cũng tích hợp khối hiển thị để hiển thị trạng thái hoạt động và kết quả phân loại, giúp người vận hành theo dõi và điều chỉnh hệ thống khi cần thiết.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của mô hình sản xuất

Mô hình sản xuất sử dụng xi lanh thủy lực để phân loại sản phẩm là giải pháp hiệu quả nhằm nâng cao năng suất và độ chính xác trong sản xuất công nghiệp. Hệ thống hoạt động ổn định, dễ dàng tích hợp với các hệ thống quản lý sản xuất hiện đại. Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình này có thể ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, từ chế biến thực phẩm đến sản xuất linh kiện điện tử. Ngoài ra, hệ thống còn hỗ trợ thu thập dữ liệu phục vụ quản lý sản xuất, giúp doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu lãng phí. Việc triển khai mô hình này sẽ góp phần thúc đẩy quá trình tự động hóa trong sản xuất công nghiệp.

4.1. Kết quả đạt được từ nghiên cứu

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của mô hình sản xuất sử dụng xi lanh thủy lực trong phân loại sản phẩm. Hệ thống hoạt động ổn định với độ chính xác cao, đáp ứng yêu cầu của sản xuất hiện đại. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống có thể phân loại sản phẩm với tốc độ nhanh và độ chính xác đạt trên 98%. Ngoài ra, mô hình còn dễ dàng mở rộng cho nhiều loại sản phẩm khác nhau, đáp ứng nhu cầu đa dạng của thị trường.

4.2. Triển vọng ứng dụng trong sản xuất

Mô hình sản xuất dùng xi lanh thủy lực có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Nó có thể được tích hợp vào các dây chuyền sản xuất hiện có, giúp nâng cao năng suất và giảm chi phí nhân công. Ngoài ra, hệ thống còn hỗ trợ thu thập dữ liệu phục vụ quản lý sản xuất, giúp doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình và nâng cao chất lượng sản phẩm. Với sự phát triển của công nghiệp 4.0, mô hình này sẽ đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi số và tự động hóa sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ CẤU TRÚC HỌ PHẦN CỨNG PLC S7-200 11 GIỚI THIỆU VỀ PLC - PLC: Là tên viết tắt của “Programmable Logic Control” là thiết bị điều khiển được lập trình hay khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều 0 - Lịch sử hình thành và phát triển: Bộ điều khiển lập trình đầu tiên đã được các kỹ sư của công ty General Motors -Hoa kỳ sáng chế ra năm 1968 - Với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu điều khiển: + Dễ lập trình và thay đổi chương trình + Cấu trúc dạng Moudule mở rộng, dễ bảo trì và sửa chữa + Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất Hình 1 PLC đầu tiên ra đời năm 1968 tại Hoa kỳ Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế đã chế tạo từng bước để hệ thống trở nên đơn giản, gọn nhẹ và dễ vận hành hơn Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển cầm tay (Programmable controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969 Điều này đã tạo ra sự thuận lợi và phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình điều khiển ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - ĐỖ MINH DƯƠNG - LỚP 12 dcl2401 Nghiên cứu mô hình sản xuất dùng xi lanh thuỷ lực để phân loại sản phẩm Giáo viên hướng dẫn: Đỗ Anh Dũng Hình 2 PLC sản xuất năm 1969 Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn các chức năng mở rộng: + Số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông + Bộ lưu trữ dữ liệu nhiều hơn + Nhiều loại module chuyên dùng hơn Trong những năm 1970, với sự phát triển của công nghệ phần mềm, bộ lập trình điều khiển PLC không chỉ thực hiện các câu lệnh đơn giản mà còn có thêm các lệnh về định thì, đếm sự kiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung, xử lý thời gian thực Từ năm 1970 đến nay, bộ điều khiển lập trình PLC đã trở thành một thiết bị không thể thiếu trong ngành công nghiệp tự động Các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật ghép nối các PLC riêng lẻ thành một hệ thống chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ, tốc độ của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn Bên cạnh đó, PLC còn được chế tạo có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC được mở rộng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - ĐỖ MINH DƯƠNG - LỚP 13 dcl2401 Nghiên cứu mô hình sản xuất dùng xi lanh thuỷ lực để phân loại sản phẩm Giáo viên hướng dẫn: Đỗ Anh Dũng Hình 3 Những hãng PLC phổ biến hiện nay: Misubishi, simen, Thực chất PLC là một hệ vi xử lý có những ưu điểm mà hệ vi xử lý khác không có được và được cài đặt sẵn hệ điều hành với chức năng có thể điều khiển lập trình được Hệ điều hành: Chứa chương trình hệ thống để xác định các cách thức thực hiện chương trình của người sử dụng, quản lý các đầu vào/ra phân chia bộ nhớ RAM trong quản lý dữ liệu Bộ nhớ chương trình: Lưu giữ chương trình điều khiển, khi PLC hoạt động nó sẽ đọc và thực hiện chương trình được ghi trong bộ nhớ này Bộ đếm đầu và ra (Buffer): Là vùng nhớ đệm cho các đầu vào ra, các vùng này chiếm một phần của RAM Bộ định thời (Timer), Bộ đếm (Counter): Trong CPU có các bộ định thời, các bộ đếm có chức năng khác nhau từ vài chục đến vài trăm Timer: TON, TOFF, TOR Counter: CT, CU, CD, CUD Vùng nhớ dữ liệu: Không giống như bộ nhớ chương trình, vùng nhớ nàyđược sử dụng để lưu kết quả của người sử dụng Có 2 loại vùng nhớ: - Vùng nhớ Bit hay còn gọi là vùng nhớ cờ (Internal Relay) thường được ký hiệu là M được sử dụng dữ liệu logic ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - ĐỖ MINH DƯƠNG - LỚP 14 dcl2401 Nghiên cứu mô hình sản xuất dùng xi lanh thuỷ lực để phân loại sản phẩm Giáo viên hướng dẫn: Đỗ Anh Dũng - Vùng nhớ Byte các vùng nhớ này có thể đọc, ngoài ra còn có các vùng nhớ đặc biệt thường được ký hiệu S (Special) Bộ xử lý CPU: Bộ xử lý gọi các lệnh trong bộ nhớ chương trình để thực hiện một cách tuần tự theo chương trình Bus vào/ra: Trong PLC dữ liệu trao đổi giữa bộ vi xử lý và các Module vào ra thông qua bus vào/ra Hệ thống bus chia làm 3 loại: bus địa chỉ, bus điều khiển, bus dữ liệu THIẾT BỊ LẬP TRÌNH NGUỒN ĐIỆN CPU BỘ NHỚ THIẾT BỊ ĐẦU RA: THIẾT BỊ ĐẦU VÀO: GIAO DIỆN RELAY, TIRISTOR, CUỘN CẢM BIẾN, CÔNG TẮC VÀO/RA DÂY, ĐÈN, HIỂN THỊ Hình 4 Thành phần hệ thống PLC 12 PHÂN LOẠI a Micro PLC: Có cấu trúc Onboard và thường được sử dụng nhỏ như chiếu sáng, mở cửa, trong một máy phát điện tự động, tuy nhỏ nhưng Micro PLC được ứng dụng rất nhiều và đa dạng Logo (Simens) Zen (Omron) b Mini PLC: Có cấu trúc On board nghĩa là trên CPU có thể tích hợp toàn bộ các chức năng như Module nguồn, module vào/ra cổng đọc tốc độ cao HSC (High Speed Counter), bộ timer couter, và các bộ pin nhớ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - ĐỖ MINH DƯƠNG - LỚP 15 dcl2401 Nghiên cứu mô hình sản xuất dùng xi lanh thuỷ lực để phân loại sản phẩm Giáo viên hướng dẫn: Đỗ Anh Dũng VD như các loại: S5-900, S7/200 hoặc Micro Smart IDEC, CPM1 Omron c Medium PLC: S7-300, A1SHCPU Misubishi, FA IDEC, có cấu trúc module và được sử dụng trong các hệ thống vừa và trung bình Các module mở rộng cũng bao gồm các module như ở PLC cỡ lớn d Great PLC: PLC S7-400, PCS, DCS Có cấu trúc dạng module, có khả năng sử dụng các ngôn ngữ bậc cao trong lập trình máy tính + Module nguồn + Module vào/ra (A/D): AI, AO, DI, DI/DO, AI/AO, hoặc AI/DO, DI/AO + Module truyền thông: Mạng Mobus, AS-I, Profilebus, Devinet, CC-Link + Các module đặc biệt: PID, điều khiển động cơ, bộ đếm tốc độ cao 13 CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ VÒNG QUÉT Chế độ làm việc: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - ĐỖ MINH DƯƠNG - LỚP 16 dcl2401 Nghiên cứu mô hình sản xuất dùng xi lanh thuỷ lực để phân loại sản phẩm Giáo viên hướng dẫn: Đỗ Anh Dũng a Chế độ nghỉ (Stop mode):Ở chế độ này người dùng không xử lý các chương trình điều khiển và người lập trình có thể cài đặt chương trình điều khiển từ máy tính sang PLC hoặc ngược lại b Chế độ chạy (Runner mode): Ở chế độ này PLC sẽ thực hiện chế độ điều khiển và làm việc theo chu tình vòng quét c Chế độ làm việc trung gian: Giữa chế độ chạy và nghỉ, ở chế độ này thì ta có thể chuyển sang chế độ Run hoặc Stop bằng phần mềm (Bấm chuột trên thanh công cụ trên màn hình PC) d Lỗi (Error): Là một chế độ làm việc đặc biệt để thông báo lỗi chương trình truyền thông hoặc phần cứng vật lý của hệ thống Vòng quét Scan: Dữ liệu từ DI/AI vào vùng đệm đầu vào Thực hiện chương trình Scan Time Dưa dữ liệu từ bộ đệm Thông tin nội bộ và kiểm tra lỗi Hình 5 Vòng quét Scan 14 CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ Ở đây các thiết bị phụ trợ là các thành phần: Phần cứng, phần mềm giúp PLC giao tiếp với con người và đối tượng điều khiển hay với một thiết bị điều khiển khác a Phần cứng: + Máy tính (PC) + Cáp truyền thông giữa PC và PLC + Card truyền thông + Máy quét Scanner + Cảm biến Sensor b Phần mềm: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - ĐỖ MINH DƯƠNG - LỚP 17 dcl2401 Nghiên cứu mô hình sản xuất dùng xi lanh thuỷ lực để phân loại sản phẩm Giáo viên hướng dẫn: Đỗ Anh Dũng Để lập trình PLC chúng ta cần sử dụng các phần mềm chuyên dụng của các hãng sản xuất phù hợp với các loại PLC chúng ta dùng VD: Step 7, GX, Win LDR, SysWin, Rslogix500 15 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH Trong lập trình logic thường hay sử dụng hai ngôn ngữ là: - Ngôn ngữ LAD - Ngôn ngữ STL - Ngôn ngữ bảng lệnh (STL): Ngôn ngữ liệt kê, ký hiệu STL (Statement List) Đây là ngôn ngữ lập tình thông thường của một máy tính Một chương trình được ghép bởi nhiều lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu trúc chung là: “tên lệnh” + “toán hạng” Một số lệnh đặc biệt có thể chỉ tên lệnh mà không cần toán hạng - Ngôn ngữ sơ đồ thang (LAD): Ngôn ngữ hình thang, ký hiệu LAD (Ladder logic) với loại ngôn ngữ này rất thích hợp với người quen thiết kế mạch điều khiển logic Chương tình này được viết dưới dạng liên kết các công tắc 16 ỨNG DỤNG PLC Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong công nghiệp và dân dụng Từ những ứng dụng điều khiển hệ thống đơn giản, chỉ có chức năng đóng mở (ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng thuật toán trong quá trình sản xuất Các lĩnh vực tiêu biểu cho ứng dụng PLC hiện nay bao gồm: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - ĐỖ MINH DƯƠNG - LỚP 18 dcl2401 Nghiên cứu mô hình sản xuất dùng xi lanh thuỷ lực để phân loại sản phẩm Giáo viên hướng dẫn: Đỗ Anh Dũng + Phân tích vật liệu + Máy CNC + Hệ thống truyền tải + Nghành năng lượng + Máy đóng gói + Điều khiển máy lạnh + Điều khiển robot gắp và xếp hàng + Thiết bị sản xuất TV + Điều khiển bơm + Trạm điện + Hồ bơi + Công nghiệp đúc bê tông + Xử lý nước + Thiết bị xử lý hóa chất + Công nghiệp giấy + Sản xuất thủy tinh + Sản xuất xi măng + Công nghiệp in ấn + Xử lý thực phẩm + Máy công cụ 17 GIỚI THIỆU PLC S7-200 171 Các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn PLC s7-200 - Ở đây ta lấy ví dụ về PLC Simentic S7-200 CPU 224 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - ĐỖ MINH DƯƠNG - LỚP 19 dcl2401 Nghiên cứu mô hình sản xuất dùng xi lanh thuỷ lực để phân loại sản phẩm Giáo viên hướng dẫn: Đỗ Anh Dũng Hình 6 PLC Simentic S7-200 CPU 224 - Đặc điểm của CPU 224: + Kích thước:1205 mm x 80mm x62mm + Dung lượng bộ nhớ chương trình:4096 Word + Dung lượng bộ nhớ dữ liệu:2560 Word + Có 14 cổng vào, 10 cổng ra + Có 256…