Đồ án HCMUTE: Hệ thống điều khiển và giám sát mô hình cân và đóng gói sản phẩm

Khám phá đồ án HCMUTE về hệ thống điều khiển và giám sát mô hình cân và đóng gói sản phẩm, ứng dụng công nghệ hiện đại trong sản xuất.

• Tác giả: Trần Trung
• Người hướng dẫn: Th.S. Tạ Văn Phương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Và Giám Sát Mô Hình Cân Và Đóng Gói Sản Phẩm
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
• 1.1. Mục tiêu đề tài
• 1.2. Giới hạn đề tài
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Nội dung đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM TRONG MÔ HÌNH
• 2.1. PLC Allen – Bradley
• 2.2. Cảm biến Loadcell
• 2.2.1. Giới thiệu Loadcell
• 2.2.2. Cấu tạo loadcell
• 2.2.3. Nguyên lý hoạt động
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ TẢ HỆ THỐNG
• 4. CHƯƠNG 4: LƯU ĐỒ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ
• 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển và giám sát mô hình cân đóng gói sản phẩm tại HCMUTE được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất. Hệ thống này sử dụng công nghệ hiện đại, bao gồm PLC CompactLogix L32E và phần mềm giám sát FactoryTalk. Việc áp dụng công nghệ điều khiển giúp tự động hóa quy trình sản xuất, từ đó giảm thiểu sai sót và tăng năng suất. Hệ thống cho phép giám sát liên tục quá trình cân và đóng gói, đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng. Theo nghiên cứu, việc sử dụng hệ thống tự động hóa không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí lao động. Như một ví dụ, một nhà máy sản xuất thực phẩm đã áp dụng hệ thống này và ghi nhận sự tăng trưởng 30% trong năng suất.

1.1. Mục tiêu của hệ thống

Mục tiêu chính của hệ thống là điều khiển và giám sát quá trình cân và đóng gói sản phẩm một cách chính xác và hiệu quả. Hệ thống được thiết kế để có thể cân hầu hết các sản phẩm dạng hạt, như gạo và đậu, với độ chính xác cao. Việc sử dụng cảm biến loadcell giúp đo lường chính xác khối lượng sản phẩm, trong khi màn hình HMI cung cấp giao diện thân thiện cho người sử dụng. Hệ thống cũng cho phép người dùng nhập liệu và theo dõi tình trạng hoạt động của máy móc, từ đó đưa ra các cảnh báo kịp thời khi có sự cố xảy ra. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn đảm bảo an toàn cho người vận hành.

II. Cơ sở lý thuyết về phần cứng và phần mềm

Chương này trình bày các thiết bị phần cứng và phần mềm sử dụng trong mô hình. PLC Allen-Bradley là thiết bị chính trong hệ thống, cho phép điều khiển các tín hiệu vào và ra một cách chính xác. Phần mềm RSLOGIX 500 và RSLOGIX 5000 được sử dụng để lập trình cho PLC, trong khi RSLINX giúp kết nối giữa máy tính và PLC. Hệ thống cũng sử dụng cảm biến PT100 để đo nhiệt độ, đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra trong điều kiện tối ưu. Việc lựa chọn các thiết bị này dựa trên tính năng và độ tin cậy của chúng trong thực tế. Theo thống kê, việc sử dụng công nghệ thông tin trong sản xuất đã giúp giảm thiểu thời gian chết của máy móc lên đến 20%.

2.1. Các thiết bị phần cứng

Các thiết bị phần cứng trong hệ thống bao gồm loadcell, đầu cân, và các bộ điều khiển khí nén. Loadcell là thiết bị chuyển đổi lực thành tín hiệu điện, cho phép đo lường chính xác khối lượng sản phẩm. Đầu cân EX 2002 Dingo được sử dụng để hiển thị kết quả cân, trong khi các bộ điều khiển khí nén giúp điều khiển các cơ cấu tự động trong quá trình đóng gói. Việc lựa chọn các thiết bị này dựa trên tiêu chí về độ chính xác và độ bền. Theo nghiên cứu, việc sử dụng hệ thống cảm biến trong sản xuất đã giúp tăng độ chính xác lên đến 95%.

III. Thiết kế hệ thống

Thiết kế hệ thống bao gồm việc xây dựng sơ đồ khối và kết nối các thiết bị. Sơ đồ khối của hệ thống thể hiện mối quan hệ giữa các thành phần như PLC, loadcell, và các thiết bị ngoại vi khác. Việc thiết kế này giúp người vận hành dễ dàng hiểu rõ cấu trúc của toàn bộ hệ thống. Hệ thống được thiết kế với các yêu cầu về mặt kết cấu và chức năng, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong quá trình hoạt động. Theo một khảo sát, việc thiết kế hệ thống điều khiển hợp lý có thể giảm thiểu chi phí bảo trì lên đến 15%.

3.1. Sơ đồ kết nối

Sơ đồ kết nối của hệ thống được xây dựng dựa trên các yêu cầu kỹ thuật và thực tế. Các thiết bị được kết nối với nhau thông qua các ngõ vào và ngõ ra của PLC. Sơ đồ này không chỉ giúp người vận hành dễ dàng theo dõi mà còn hỗ trợ trong việc khắc phục sự cố khi cần thiết. Việc sử dụng mạch Opto cách ly giúp bảo vệ các thiết bị khỏi các tác động bên ngoài, đảm bảo an toàn cho hệ thống. Theo thống kê, việc sử dụng sơ đồ kết nối rõ ràng đã giúp giảm thiểu thời gian khắc phục sự cố lên đến 30%.

IV. Kết quả và đánh giá

Kết quả đạt được sau khi triển khai hệ thống cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong quy trình sản xuất. Hệ thống đã hoạt động ổn định, với độ chính xác trong việc cân và đóng gói sản phẩm đạt trên 95%. Việc giám sát qua HMI và FactoryTalk cho phép người dùng theo dõi tình trạng hoạt động của hệ thống một cách dễ dàng. Đánh giá từ người sử dụng cho thấy họ hài lòng với tính năng và hiệu quả của hệ thống. Theo một khảo sát, 85% người dùng cho biết họ cảm thấy an tâm hơn khi sử dụng hệ thống tự động hóa này.

4.1. Đánh giá hiệu quả

Đánh giá hiệu quả của hệ thống cho thấy sự cải thiện đáng kể trong năng suất và chất lượng sản phẩm. Hệ thống đã giúp giảm thiểu thời gian sản xuất và tăng cường độ chính xác trong quá trình cân và đóng gói. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa đã giúp giảm thiểu sai sót do con người, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm. Theo một nghiên cứu, việc áp dụng hệ thống tự động hóa trong sản xuất có thể giúp tăng trưởng doanh thu lên đến 20% trong năm đầu tiên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong quá trình sản xuất tạo ra sản phẩm, khâu định lượng đóng vai trò hết sức quan trọng, nhằm xác định chính xác khối lượng nguyên vật liệu, bán thành phẩm và sản phẩm. Các thiết bị định lượng có mặt hầu hết tại các công đoạn của quá trình sản xuất: cung ứng tồn trữ nguyên vật liệu, cấp liệu cho từng giai đoạn công nghệ, định lượng và đóng gói sản phẩm. Do tính hiệu quả về kinh tế và phạm vi ứng dụng rộng của hệ thống cân định lượng và đóng gói sản phẩm dạng hạt nên việc thiết kế, điều khiển và giám sát giúp cho sinh viên sớm tiếp cận hệ thống này mang tính cần thiết và thực tiễn cao. Hiện nay, tại một số cơ sở sản xuất việc định lượng và đóng gói sản phẩm dạng hạt còn thực hiện theo phương pháp thủ công, tính hiệu quả không cao và thiếu chính xác, việc thay thế các thiết bị vi điều khiển, PLC vào quá trình sản xuất là hết sức cần thiết.

Sau khi tìm hiểu về quá trình cân và công nghệ của các công ty thực tiễn, nhóm nhận thấy các thiết bị và phần mềm của hãng Rockwell Automation trực thuộc tập đoàn Allen Bradley là một trong những nhà cung cấp các hệ thống tự động đáng tin cậy nhất của các công ty hiện nay với các ưu điểm vượt bật như: Các dòng PLC với khả năng xử lý chính xác các tín hiệu ngõ vào, thời gian tác động nhanh, thuật toán điều khiển đơn giản; màn hình HMI PanelView 600 và phần mềm giám sát FactoryTalk với các tính năng ưu việt, giao diện dễ thiết lập, điều khiển và hiển thị tất cả các thông tin cần thiết thu thập được từ PLC, trên cơ sở đó giám sát toàn bộ hoạt động của mọi hệ thống. Định lượng gián đoạn Hình 1. Định lượng liên tục 1|Trang do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. Mục tiêu đề tài - Điều khiển và giám sát hệ thống cân định lượng và đóng gói sản phẩm dựa trên công nghệ đang có trên thực tiễn.

Hệ thống có thể cân hầu hết các sản phẩm dạng hạt. - Mô hình được thiết kế sử dụng PLC Compact Logix L32E, màn hình HMI Panel View 600 và phần mềm giám sát FactoryTalk View Studio của hãng Rockwell Automation vào điều khiển quá trình cân định lượng và đóng gói sản phẩm theo đúng yêu cầu của người sử dụng, với độ chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh nhất. - Ngoài ra giao diện SCADA phải được thiết kế trực quan, dễ sử dụng với các chức năng điều khiển, giám sát hoạt động của hệ thống, nhập số liệu trực tiếp trên giao diện, cảnh báo lỗi với các biểu tượng tương ứng trên mô hình. Giới hạn đề tài - Theo mô hình thiết kế, hệ thống cân định lượng các sản phẩm dạng hạt tiêu biểu là gạo và đậu với khối lượng 200g.

Giới hạn đo chính xác là ±10g. - Điều khiển và giám sát thiết bị trên HMI Panel View 600 và FactoryTalk. Hiển thị khối lượng nguyên liệu thực tại. Phƣơng pháp nghiên cứu - Bước 1:  Tìm hiểu về các mô hình cân định lượng sản phẩm dạng hạt.

 Tìm hiểu về Loadcell, cấu tạo và nguyên lý hoạt động.  Tìm hiểu về đầu cân EX 2002 Dingo.  Tìm hiểu về PLC Rockwell và tập lệnh.  Tìm hiểu về phần cứng.

 Thiết kế tủ điện.  Thiết kế giao diện điều khiển giám sát trên HMI và trên máy tính.  Viết chương trình điều khiển cho PLC. - Bước 2:  Sắp xếp lại các thiết bị cho hợp lí.

- Bước 3:  Kết nối PLC và đầu cân. - Bước 4:  Lập trình cho hệ thống cân, giao tiếp với giao diện HMI. - Bước 5:  Hiển thị kết quả cân trên giao diện HMI. 2|Trang do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.

Nội dung đề tài - Chương 2. Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày việc lựa chọn các thiết bị phần cứng và phần mềm sử dụng trong hệ thống, các sơ đồ nguyên lý và các lý thuyết cơ sở khi sử dụng các thiết bị đó. Mô tả hệ thống Trên cơ sở lý thuyết của chương 2, nội dung chính của chương 3 trình bày các yêu cầu thiết kế phần cứng, phương pháp lựa chọn các thiết bị ngõ vào ra hệ thống, sơ đồ kết nối phần cứng giúp người vận hành hiểu rõ về cấu trúc của toàn hệ thống. Lưu đồ điều khiển và giám sát hệ thống Chương 4 trình bày chủ yếu về lưu đồ giải thuật điều khiển của hệ thống cân định lượng và đóng gói sản phẩm và việc thiết kế phần giám sát hệ thống.

Kết quả Nội dung của chương 5 sẽ trình bày kết quả đạt được sau khi kết hợp hoạt động giữa phần cứng và phần mềm giám sát. Kết quả được trình bày một cách đầy đủ thông qua hình ảnh và bảng số liệu. Kết luận và hướng phát triển Nhận xét đánh giá kết quả nhận được sau khi hoàn thành đề tài, từ đó đưa ra các phương án phát triển và hoàn thiện về mô hình cũng như giao diện điều khiển giám sát nhằm tiến tới tối ưu hệ thống trong tương lai, đó chính là nội dung và nhiệm vụ của chương này. 3|Trang do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM TRONG MÔ HÌNH 2. PLC Allen – Bradley PLC sử dụng trong mô hình là PLC Allen – Bradley của hãng Rockwell Automation. - Phần cứng Allen – Bradley:  Programmable controller. - Phần mềm Rockwell:  RSLOGIX 500: Phần mềm lập trình cho PLC.

 RSLOGIX 5000: Phần mềm lập trình cho PLC.  RSLINX: sử dụng để kết nối giữa máy tính và logix controller  RSLOGIX EMULATE 5000: Phần mềm mô phỏng chương trình. Với sự phát triển của công nghệ, ngày nay PLC được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau trên thế giới như Siemens, Schneider, ABB, Panasonic, Rockwell Automation,… Dựa vào sự tích hợp thông tin để thúc đẩy hiệu quả và năng suất, Rockwell Automation với giải pháp sản xuất, thông minh, an toàn, bền vững sẽ thay thế các công nghệ cũ rời rạc bằng hệ thống tích hợp, giàu thông tin cho nhà máy và mạng lưới cung cấp – hệ thống kiến trúc tích hợp TM. Các giải pháp dựa trên Kiến Trúc Tích Hợp của Rockwell Automation được thiết kế cho: - Tối ưu hóa nhà máy sản xuất.

- Thúc đẩy hiệu năng của các nhà máy sản xuất. - Thúc đẩy sản xuất bền vững. Dựa vào các yếu tố trên PLC được lựa chọn trong đề tài là PLC 1769- CompactLogix là giải pháp điều khiển cho những hệ thống trung bình và nhỏ, những ứng dụng yêu cầu Input, Output, kết nối mạng, điều khiển sự chuyển động.1 trình bày về một số đặc tính kỹ thuật của bộ PLC CompactLogix L32E dùng cho mô hình. 4|Trang do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bảng 2.

Các module của bộ CompactLogix L32E Controllers Hình ảnh Chức năng CPU - Giao tiếp qua cổng RS232, EtherNet, card Compact Flash công nghiệp. - Hỗ trợ tối đa 6 Tasks. - 750 Kb bộ nhớ. - Khả năng ghép nối tối đa 3 dãy, 16 module I/O mở rộng.

- Cấp điện áp 120/220 VAC, 24 VDC. - Dải điệnáp hoạt động: 85 – 65 VAC, 19. 5|Trang do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1769 – - Module ngõ vào có IQ32 opto cách li ngõ vào. - Dải điện áp hoạt động: 10 – 30 VDC ở 30oC và 10 – 26,4 VDC ở 60oC.

- Điện áp ở trạng thái ON nhỏ nhất 10 VDC. - Dòng ở trạng thái ON nhỏ nhất 2 mA. - Thời gian chuyển trạng thái 8ms. - Tích hợp 32 ngõ vào số.

1769- - Cấp điện áp 24 VDC. OB32 - Dải điện áp hoạt động 20,4 VDC đến 26,4 VDC. - Dòng ở trạng thái ON nhỏ nhất 1mA. - Điện áp rớt ở trạng thái ON là 1 VDC ở 1A.

- Tích hợp 32 ngõ ra số. 6|Trang do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1769-IF4 - Module ngõ vào tương tự 1769-IF4 có 4 kênh vào (tín hiệu vào có thể là điện áp hoặc dòng điện). - Dải hoạt động thông thường của Analog: - Áp: ± 10VDC, 0 – 10 VDC, 0 -5 VDC, 1 – 5 VDC. - Dòng: 0 – 20 mA, 4 – 20 mA.

- Độ phân giải tối đa: 14 bits. 1769-OF2 - Module ngõ ra tương tự 1769 OF2 có 2 kênh output, một kênh dòng điện và một kênh điện áp. - Dải hoạt động thông thường của analog: - Áp: ± 10VDC, 0 -10 VDC, 0 – 5 VDC, 1 – 5 VDC. - Dòng: 0 – 20 mA, 4 – 20 mA.

- Tốc độ chuyển đổi 10 ms. - Dòng tải lớn nhất trên điện áp ngõ ra: 10 mA. Cảm biến Loadcell 2. Giới thiệu Loadcell 7|Trang do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Loadcell là thiết bị dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng trường thành tín hiệu điện, là thiết bị dùng để thử độ giãn, độ nén, độ cứng của vật liệu hoặc có thể dùng loadcell để cân bàn, cân sàn,… Trong đề tài, nhóm dùng loadcell để dùng làm cảm biến lực, loadcell được đặt dưới giá đỡ sao cho chiều biến dạng loadcell chính là chiều chịu tải trọng của vật cần cân.

Cấu tạo loadcell Gồm 4 điện trở Tenzo , 1 lõi thép đặc biệt. Hình dạng và cấu tạo loadcell mà nhóm đã dùng trong đề tài: Hình 2. Hình dạng thông thường của Loadcell Hình 2. Cấu tạo của Loadcell 8|Trang do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Mỗi loadcell thường sẽ có 4 dây tín hiệu: 2 dây nguồn vào E+ và E-, 2 dây tín hiệu ra S+ và S-.

Nguồn cung cấp cho loadcell từ 0.5 VDC đến 24 VDC, thông thường là 10VDC, tín hiệu ra rất nhỏ cỡ mV. Sơ đồ dây Loadcell Hình 2. Vỏ bảo vệ dây Loadcell 9|Trang do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bốn điện trở Tenzo được cấu tạo vật liệu đặc biệt, chúng được cắt gọt chính xác, tất cả các điện trở tenzo đều có các thông số giống nhau. Chúng có đặc tính khi bị giãn thì điện trở tăng lên, ngượcl ại khi bị co điện trở sẽ giảm xuống, điện trở của chúng không thay đổi từ -400oC đến 900oC.

Các điện trở được dán lên lõi thép bằng keo dán đặc biệt, chúng được dán ở hai phía mỗi thanh, mỗi phía dán một cặp điện trở. Các điện trở được nối với nhau theo sơ đồ như Hình 2. Lõi thép có cấu tạo hình ống được chế tạo đặc biệt nhằm đảm bảo đặc tính co giãn, đàn hồi tuyến tính và độ mòn cực kỳ nhỏ. Nguyên lý hoạt động Khi có lực tác động F vào loadcell làm cho lõi thép biến dạng.

Các điện trở phía trên bị giãn ra làm cho điện trở của chúng tăng lên, các điện trở phía dưới sẽ co lại làm cho điện trở của chúng giảm xuống. Điều này làm cho điện áp đầu ra thay đổi.