Luận Văn Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Ứng Dụng PLC

Luận văn hpu trình bày thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng PLC, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả.

• Tác giả: Mai Chung Đức
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Đức Minh
• Trường học: Đại Học Dân Lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Ứng Dụng PLC
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ CẤU TRÚC HỌ PHẦN CỨNG PLC S7 200
• 1.1. Giới thiệu về PLC
• 1.2. Phân Loại
• 1.3. Chế độ làm việc và vòng quét
• 1.4. Các thiết bị phụ trợ
• 1.5. Ngôn ngữ lập trình
• 1.6. Ứng dụng PLC
• 1.7. Giới thiệu PLC S7-200
• 1.8. Các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn PLC s7-200
• 1.9. Tính năng của PLC S7-200
• 1.10. Cấu trúc bộ nhớ CPU
• 1.11. Đơn vị cơ bản của S7-200
• 1.12. Các lệnh vào ra
• 1.13. Timer: TON, TOF, TONR
• 1.14. COUNTER
• 2. CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BĂNG TẢI
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Ưu điểm của băng tải
• 2.3. Cấu tạo băng tải
• 2.4. Các loại băng tải trên thị trường hiện nay
• 2.5. Thiết kế xây dựng mô hình phân loại sản phẩm
• 2.5.1. Thiết kế khối nguồn 1 chiều
• 2.5.2. Giới thiệu động cơ 1 chiều
• 2.5.3. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều
• 2.5.4. Phân loại động cơ điện 1 chiều
• 2.5.5. Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều
• 2.5.6. Cấu tạo nguyên lý hoạt động, sơ đồ khối của Rơle
• 2.5.7. Cảm biến quang
• 2.5.8. Công tắc hành trình
• 2.5.9. Mô tả hệ thống phân loại sản phẩm
• 2.5.10. Khối xử lý trung tâm
• 2.5.11. Khối chấp hành
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Ứng Dụng PLC

Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng PLC tại Đại Học Dân Lập Hải Phòng là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa. Hệ thống này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm. Việc áp dụng công nghệ PLC trong thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm mang lại nhiều lợi ích, từ việc giảm thiểu sai sót đến tối ưu hóa quy trình sản xuất.

1.1. Giới Thiệu Về PLC Trong Ngành Tự Động Hóa

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình, đóng vai trò quan trọng trong ngành tự động hóa. PLC giúp thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống.

1.2. Lợi Ích Của Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm

Hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng PLC giúp tự động hóa quy trình phân loại, giảm thiểu thời gian và công sức lao động. Điều này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao năng suất lao động.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng PLC cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ chính xác trong phân loại, khả năng tương thích giữa các thiết bị và chi phí đầu tư ban đầu là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ Chính Xác Trong Phân Loại Sản Phẩm

Độ chính xác là yếu tố quan trọng trong hệ thống phân loại. Việc sử dụng cảm biến và các thuật toán điều khiển chính xác sẽ giúp nâng cao độ chính xác trong quá trình phân loại sản phẩm.

2.2. Chi Phí Đầu Tư Ban Đầu

Chi phí đầu tư cho hệ thống PLC có thể cao, đặc biệt là trong giai đoạn đầu. Tuy nhiên, lợi ích lâu dài từ việc tự động hóa sẽ bù đắp cho chi phí này.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Ứng Dụng PLC

Để thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng PLC hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc lựa chọn thiết bị, lập trình và kiểm tra hệ thống là những bước quan trọng trong quá trình thiết kế.

3.1. Lựa Chọn Thiết Bị Phù Hợp

Việc lựa chọn thiết bị như cảm biến, động cơ và PLC là rất quan trọng. Các thiết bị này cần phải tương thích và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.

3.2. Lập Trình Hệ Thống PLC

Lập trình hệ thống PLC cần được thực hiện một cách chính xác và hiệu quả. Sử dụng ngôn ngữ lập trình phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa quy trình điều khiển.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm

Hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng PLC đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất công nghiệp đến dịch vụ. Các ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Sản Xuất

Trong ngành sản xuất, hệ thống phân loại sản phẩm giúp tự động hóa quy trình, từ đó nâng cao năng suất và giảm thiểu sai sót.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Dịch Vụ

Hệ thống phân loại cũng được áp dụng trong ngành dịch vụ, giúp cải thiện quy trình phục vụ khách hàng và nâng cao trải nghiệm người dùng.

V. Kết Luận Về Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Ứng Dụng PLC

Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng PLC tại Đại Học Dân Lập Hải Phòng không chỉ mang lại nhiều lợi ích cho ngành tự động hóa mà còn góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm. Tương lai của hệ thống này hứa hẹn sẽ còn phát triển mạnh mẽ hơn nữa.

5.1. Tương Lai Của Hệ Thống Phân Loại

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng PLC sẽ ngày càng hoàn thiện và hiệu quả hơn.

5.2. Khuyến Nghị Đối Với Các Nghiên Cứu Tiếp Theo

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới để tối ưu hóa hệ thống phân loại sản phẩm, từ đó nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học kỹ thuật và tự động hóa sản xuất, việc ứng dụng các hệ thống điều khiển tự động đóng vai trò thiết yếu nhằm giảm nhẹ sức lao động của con người, nâng cao năng suất và đảm bảo tính đồng đều của sản phẩm. Tại các dây chuyền sản xuất công nghiệp và nông sản (như gạch men, hoa quả bưởi, dừa, hay các kiện thùng hàng), quy trình phân loại và đếm sản phẩm truyền thống chủ yếu được thực hiện thủ công bởi công nhân. Phương thức thủ công bộc lộ nhiều hạn chế: phụ thuộc lớn vào tay nghề, dễ gây nhàm chán khi thực hiện các thao tác lặp đi lặp lại, phát sinh sai sót trong khâu đo kiểm và dẫn đến chất lượng đóng gói không đồng đều.

Trước yêu cầu cạnh tranh về giá thành và tiêu chuẩn hóa sản phẩm trong nền kinh tế thị trường, việc tự động hóa khâu phân loại là giải pháp trực tiếp giúp tối ưu chi phí nhân công và kiểm soát chất lượng. Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng PLC" của sinh viên Mai Chung Đức, dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Đức Minh tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (chuyên ngành Điện Tự động Công nghiệp, 2018), được thực hiện nhằm giải quyết bài toán trên.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

1. Nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật điều khiển logic khả trình (PLC) và cấu trúc phần cứng, tập lệnh của dòng PLC Siemens S7-200 (CPU 224).
2. Phân tích nguyên lý vận hành của hệ thống phân loại sản phẩm; so sánh hoạt động thủ công và tự động.
3. Khảo sát các dạng băng tải công nghiệp và phân tích, lựa chọn phương án thiết kế hệ thống cơ khí - truyền động tối ưu.
4. Thiết kế chi tiết các khối phần cứng trong mô hình: khối nguồn điện một chiều ổn áp (24VDC và 12VDC), khối động cơ truyền động DC và phương trình đặc tính cơ, khối cảm biến đo kiểm/đếm sản phẩm và khối chấp hành xilanh khí nén.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước chiều cao tích hợp băng tải đai, cơ cấu đẩy xilanh khí nén và bộ điều khiển lập trình PLC S7-200 CPU 224. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình phân loại quy mô thực nghiệm trong thời gian từ ngày 13/08/2018 đến ngày 02/11/2018 tại Khoa Điện Tự động Công nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên nền tảng kỹ thuật điều khiển tự động hóa và truyền động điện công nghiệp:

• Bộ điều khiển lập trình PLC: Khái niệm PLC ra đời từ năm 1968 bởi General Motors, phát triển qua các mốc thiết bị cầm tay năm 1969 và hoàn thiện cấu trúc vi xử lý từ năm 1975. Hệ thống vận hành theo chu trình vòng quét (Scan Cycle) gồm các bước: đọc dữ liệu từ ngõ vào số/tương tự (DI/AI) vào vùng đệm $\rightarrow$ thực hiện chương trình điều khiển $\rightarrow$ truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi $\rightarrow$ chuyển dữ liệu từ bộ đệm ra ngõ ra số/tương tự (DO/AO).
• Hệ thống phần cứng PLC Siemens S7-200: Trọng tâm là CPU 224 với cấu trúc bộ nhớ chia làm 4 vùng: vùng nhớ chương trình (Program Memory), vùng nhớ tham số (Parameter Memory), vùng nhớ dữ liệu (Data Memory gồm V, I, Q, M, SM) và vùng nhớ đối tượng (Timer T, Counter C, Accumulator AC, HSC, AIW, AQW).
• Lý thuyết ngôn ngữ lập trình PLC: Ứng dụng ngôn ngữ sơ đồ thang (Ladder Logic - LAD) và ngôn ngữ danh sách lệnh (Statement List - STL), khai thác các nhóm lệnh logic tiếp điểm, lệnh gán ngõ ra, lệnh Set/Reset, các bộ tạo trễ (TON, TOF, TONR), các bộ đếm sự kiện (CTU, CTD, CTUD) và các lệnh số học, so sánh.
• Nguyên lý truyền động điện một chiều và nguồn tuyến tính: Khảo sát cấu tạo stato, roto, cổ góp, chổi than và phương trình đặc tính cơ tổng quát của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: $\omega = \omega_0 - \Delta\omega$; lý thuyết chỉnh lưu cầu xoay chiều và ổn áp tuyến tính dùng vi mạch IC LM7824, LM7812.

Phương pháp nghiên cứu được tác giả triển khai bao gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Khai thác tài liệu kỹ thuật chuyên ngành tự động hóa, cấu trúc phần cứng của Siemens, lý thuyết máy điện một chiều và khí nén.
• Phương pháp so sánh và đánh giá kỹ thuật - kinh tế: Phân tích định tính và định lượng ưu - nhược điểm giữa hai phương án bố trí hệ thống phân loại sản phẩm, đánh giá tải trọng và phạm vi ứng dụng của 4 loại băng tải công nghiệp để chọn giải pháp phù hợp với mô hình.
• Phương pháp thiết kế và tính toán kỹ thuật: Tính toán thông số mạch nguồn một chiều 2 cấp điện áp, tính toán mạch chỉnh lưu lọc sóng hài bậc cao và lựa chọn công suất động cơ một chiều (20 - 40W, 12 - 24VDC).

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án xuất phát từ tài liệu kỹ thuật chuẩn của dòng thiết bị Siemens S7-200, thông số kỹ thuật linh kiện bán dẫn (họ 78xx), sổ tay thiết kế băng tải công nghiệp và các số liệu tính toán thực tế trong quá trình chế tạo mô hình.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống phân loại sản phẩm được thiết kế hoàn chỉnh từ khâu cấp nguồn, cảm biến nhận biết, xử lý trung tâm đến cơ cấu chấp hành.

Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế hệ thống

Tác giả tiến hành so sánh hai phương án phân loại tự động:

Tiêu chí so sánh	Phương án 1 (Phương án lựa chọn)	Phương án 2
Cấu hình cơ khí	Sử dụng 01 băng tải vận chuyển chính.	Sử dụng 02 băng tải (01 chuyển sản phẩm đến, 01 chuyển sản phẩm sau phân loại đi đóng thùng).
Cơ cấu chấp hành	01 xilanh khí nén đẩy phế phẩm; van đảo chiều 5 cửa 2 vị trí (5/2).	02 xilanh khí nén đẩy sản phẩm đạt chuẩn từ băng tải 1 sang băng tải 2; van 5/2.
Hệ thống cảm biến	01 công tắc hành trình kiểm tra chiều cao; 01 cảm biến quang đếm sản phẩm.	Nhiều công tắc hành trình và cảm biến đo nhiều cấp kích thước; cảm biến đếm.
Ưu điểm	Kết cấu đơn giản, chi phí chế tạo thấp, vận chuyển nhanh, năng suất cao, điều khiển dễ dàng.	Phân loại sản phẩm đa dạng hơn, xử lý được nhiều kích thước cùng lúc.
Nhược điểm	Chỉ phân loại sản phẩm theo tiêu chí chiều cao vượt chuẩn; độ linh hoạt đóng gói vừa phải.	Tốn kém chi phí chế tạo, điều khiển phức tạp, chu kỳ phân loại dài làm giảm năng suất.

Dựa trên mục tiêu xây dựng mô hình thực nghiệm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và tối ưu kinh tế, đồ án đã lựa chọn Phương án 1.

Lựa chọn loại băng tải truyền động

Tác giả tổng hợp đặc tính các loại băng tải trên thị trường nhằm đưa ra quyết định phù hợp cho mô hình:

Loại băng tải	Tải trọng làm việc	Phạm vi ứng dụng tiêu biểu
Băng tải dây đai	$< 50\text{ kg}$	Vận chuyển từng chi tiết giữa các nguyên công hoặc vận chuyển thùng chứa trong gia công cơ, lắp ráp.
Băng tải lá	$25 \div 125\text{ kg}$	Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh trong gia công chuẩn bị phôi và lắp ráp.
Băng tải thanh đẩy	$50 \div 250\text{ kg}$	Vận chuyển các chi tiết lớn giữa các bộ phận trên khoảng cách $> 50\text{ m}$.
Băng tải con lăn	$30 \div 500\text{ kg}$	Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh giữa các nguyên công với khoảng cách $< 50\text{ m}$.

Mô hình lựa chọn băng tải dây đai do tải trọng nhẹ, kết cấu cơ khí không phức tạp, dễ chế tạo, dễ hiệu chỉnh và giá thành phù hợp.

Thiết kế khối nguồn một chiều

Khối nguồn cung cấp điện áp $24\text{VDC}$ và $12\text{VDC}$ ổn định cho PLC, động cơ và cảm biến. Sơ đồ mạch bao gồm:

• Máy biến áp nguồn (BA): Hạ áp lưới điện từ $220\text{VAC}$ xuống $20\text{VAC}$.
• Cầu chỉnh lưu (CL): Biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều nhấp nhô có giá trị đỉnh xấp xỉ $20\sqrt{2} \approx 28\text{VDC}$.
• Hệ thống lọc và ổn áp: Tụ hóa $C_1, C_3, C_4$ san phẳng điện áp; tụ gốm $C_2$ lọc thành phần sóng hài bậc cao; điện trở $R$ làm nhiệm vụ xả năng lượng tích lũy trong tụ khi ngắt nguồn.
• Vi mạch ổn áp: IC LM7824 nhận đầu vào $\approx 28\text{VDC}$ để tạo điện áp chuẩn $+24\text{VDC}$; đầu ra $24\text{VDC}$ tiếp tục được đưa vào đầu vào của IC LM7812 để hạ áp và ổn định mức $+12\text{VDC}$.

Khối chấp hành và cảm biến

• Động cơ truyền động: Sử dụng động cơ điện một chiều công suất nhỏ ($20 \div 40\text{W}$, điện áp $12 \div 24\text{V}$), truyền chuyển động quay cho trục băng tải thông qua bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng trung gian.
• Cảm biến và công tắc hành trình: Công tắc hành trình đặt ở độ cao định mức phía trên băng tải để phát hiện sản phẩm có kích thước vượt chuẩn; cảm biến quang học đặt ở cuối băng tải để ghi nhận số lượng sản phẩm đạt yêu cầu.
• Xilanh khí nén: Nhận tín hiệu điều khiển qua rơle và van điện từ 5/2, thực hiện chuyển động tịnh tiến đẩy phế phẩm rơi khỏi băng tải khi công tắc hành trình tác động.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về PLC và cấu trúc họ phần cứng PLC S7 200

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện cơ sở kỹ thuật về bộ điều khiển lập trình:

• Trình bày lịch sử phát triển của PLC từ mẫu thiết kế đầu tiên năm 1968 (General Motors) đến các hệ vi xử lý hiện đại tích hợp truyền thông công nghiệp.
• Phân loại PLC theo quy mô: Micro PLC (Siemens Logo, Omron Zen), Mini PLC (Siemens S7-200, S5-900, Omron CPM1, IDEC MicroSmart), Medium PLC (Siemens S7-300, Mitsubishi A1SHCPU) và Great PLC (Siemens S7-400, PCS, DCS).
• Phân tích 4 chế độ làm việc của CPU: Chế độ nghỉ (STOP), chế độ chạy (RUN), chế độ trung gian (chuyển đổi mềm qua PC) và chế độ báo lỗi hệ thống (ERROR). Mô tả chi tiết chu trình vòng quét (Scan Cycle).
• Trình bày thông số kỹ thuật chi tiết của CPU 224: Kích thước $120.5\text{ mm} \times 80\text{ mm} \times 62\text{ mm}$; bộ nhớ chương trình 4096 Word; bộ nhớ dữ liệu 2560 Word; tích hợp 14 ngõ vào số (DI) và 10 ngõ ra số (DO); hỗ trợ 256 Timer, 256 Counter, 6 bộ đếm tốc độ cao (HSC); khả năng mở rộng tối đa 7 module; duy trì dữ liệu bộ nhớ 190 giờ khi mất điện; tích hợp cổng truyền thông RS485 chuẩn PPI với tốc độ truyền 9600 baud.
• Hệ thống hóa tập lệnh lập trình Step 7 Micro/WIN: cấu trúc lệnh ngõ vào/ra, lệnh gán bit, Set, Reset; nguyên lý hoạt động của các hàm Timer (TON - trễ khi đóng, TOF - trễ khi ngắt, TONR - trễ có nhớ tích lũy) và Counter (CTU - đếm tiến, CTD - đếm lùi, CTUD - đếm tiến/lùi với dải giá trị từ $-32767$ đến $+32767$).

Chương 2: Khái quát hệ thống phân loại sản phẩm, lựa chọn phương án thiết kế băng tải

Chương 2 phân tích yêu cầu công nghệ và xác lập phương án cơ khí:

• Trình bày nguyên lý làm việc tổng thể: sản phẩm sau khi đưa lên băng tải sẽ di chuyển qua khu vực kiểm tra kích thước. Sản phẩm sai quy cách (quá cao) tác động vào công tắc hành trình sẽ bị xilanh khí nén đẩy khỏi băng chuyền. Sản phẩm đạt chuẩn tiếp tục hành trình, được cảm biến quang đếm số lượng cho đến khi đạt định mức đặt trước thì hệ thống tạm dừng một khoảng thời gian xác định để đóng gói.
• Phân tích sự cần thiết của tự động hóa trong việc nâng cao năng suất, chuẩn hóa kích thước, giảm chi phí giá thành và cải thiện môi trường làm việc nguy hiểm, độc hại cho công nhân.
• So sánh chi tiết hoạt động phân loại thủ công và tự động; thiết lập các yêu cầu an toàn, độ tin cậy và tính kinh tế khi thiết kế.
• Khảo sát các loại băng tải trên thị trường: băng tải dạng cào (năng suất 1,5 tấn/h, tốc độ 0,2 m/s, lực kéo 10 kN), băng tải xoắn vít (loại 1 buồng xoắn đạt 4 tấn/h dài 80 cm, loại 2 buồng xoắn), băng tải lá, băng tải thanh đẩy và băng tải con lăn.
• Luận giải cơ sở chọn băng tải dây đai kết hợp phân tích lựa chọn Phương án 1 (hệ 1 băng tải, 1 xilanh, van 5/2) làm giải pháp tối ưu cho mô hình đồ án.

Chương 3: Thiết kế xây dựng mô hình phân loại sản phẩm

Chương 3 đi sâu vào tính toán và thiết kế chi tiết phần cứng:

• Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch nguồn một chiều 2 cấp điện áp ($24\text{VDC}$ và $12\text{VDC}$): phân tích vai trò từng linh kiện trong mạch gồm biến áp hạ áp 220V/20V, cầu đi-ốt chỉnh lưu CL, mạch lọc tụ điện $C_1, C_2, C_3, C_4$, điện trở xả $R$, và hai tầng ổn áp IC LM7824 và LM7812.
• Nghiên cứu động cơ điện một chiều: phân tích cấu tạo phần tĩnh stato (cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn kích từ), phần quay roto (lõi thép lá kỹ thuật điện dày 0.5 mm, cuộn dây phần ứng, cổ góp phiến đồng cách điện Mica 0.2 mm, chổi than).
• Thiết lập phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập; phân loại các phương thức kích từ (độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp) và nguyên lý tạo lực điện từ $F_{đt}$ theo quy tắc bàn tay trái.
• Xây dựng sơ đồ đấu nối và phối hợp vận hành giữa khối xử lý trung tâm (PLC CPU 224), khối nguồn DC, khối cảm biến quang/công tắc hành trình và khối chấp hành (động cơ DC 20 - 40W, rơle đệm, van khí nén và xilanh).

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các mục tiêu kỹ thuật đặt ra với các kết quả cụ thể:

• Xây dựng hoàn chỉnh sơ đồ phần cứng: Thiết kế thành công mạch nguồn một chiều ổn áp 2 cấp điện áp chuẩn $24\text{VDC}$ và $12\text{VDC}$ từ lưới xoay chiều $220\text{VAC}$ sử dụng cặp vi mạch LM7824 - LM7812 kết hợp mạch lọc sóng hài bậc cao.
• Tính toán và lựa chọn thông số thiết bị: Lựa chọn cấu hình PLC Siemens S7-200 CPU 224 với 14 ngõ vào số, 10 ngõ ra số, bộ nhớ 4096 Word; tính toán động cơ một chiều công suất nhỏ $20 \div 40\text{W}$ phù hợp với tải trọng băng tải dây đai dưới 50 kg.
• Xác lập giải thuật điều khiển và phân loại: Đề xuất chu trình tự động khép kín kết hợp giữa công tắc hành trình phát hiện sản phẩm lỗi, van tiết lưu 5/2 điều khiển xilanh khí nén đẩy phế phẩm và cảm biến quang đếm sản phẩm đạt chuẩn phục vụ đóng thùng tự động.
• Đóng góp của tác giả: Đồ án đã tổng hợp có hệ thống cơ sở lý thuyết về PLC họ S7-200, phân tích thực tế các giải pháp băng chuyền công nghiệp và hiện thực hóa thành mô hình phân loại sản phẩm nhỏ gọn, chi phí thấp, có tính khả thi cao trong việc ứng dụng làm mô hình thực hành phục vụ đào tạo ngành Điện Tự động Công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung trình bày trong thuyết minh, đồ án tồn tại một số hạn chế:

• Hệ thống chỉ mới phân loại sản phẩm dựa trên một tiêu chí kích thước duy nhất là chiều cao vượt mức thông qua công tắc hành trình cơ học, chưa phân loại được nhiều dải kích thước chi tiết hoặc các chỉ tiêu khác (màu sắc, trọng lượng, chất liệu).
• Băng tải dây đai có nhược điểm về độ chính xác vị trí không cao; hệ số ma sát giữa đai và con lăn có xu hướng suy giảm theo thời gian và chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường.
• Mô hình hoạt động ở chế độ điều khiển cục bộ, chưa tích hợp giao diện giám sát vận hành SCADA/HMI trên máy tính và chưa kết nối mạng truyền thông công nghiệp (như Profibus hay Ethernet) để thu thập dữ liệu từ xa.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo của đề tài:

• Nâng cấp hệ thống theo Phương án 2: Bố trí 2 băng tải và nhiều cụm xilanh để mở rộng khả năng phân loại đa kích thước và đóng gói tự động nhiều loại sản phẩm cùng lúc.
• Tích hợp thêm các loại cảm biến công nghiệp chuyên dụng: cảm biến tiệm cận, cảm biến màu, cảm biến tải trọng (loadcell) hoặc xử lý ảnh công nghiệp để nhận dạng phế phẩm toàn diện.
• Lập trình giao diện điều khiển, giám sát và lưu trữ dữ liệu sản xuất trên máy tính thông qua mạng giao tiếp RS485 chuẩn PPI hoặc Profibus của CPU 224.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

• Sinh viên và giảng viên ngành Điện Tự động Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tra cứu trực quan về cấu trúc phần cứng, cách phân vùng bộ nhớ và tập lệnh lập trình của PLC Siemens họ S7-200 (CPU 224).
• Người nghiên cứu thiết kế hệ thống phân loại và băng tải cỡ nhỏ: Cung cấp số liệu so sánh, lựa chọn các loại băng chuyền công nghiệp (băng tải đai, băng tải lá, băng tải con lăn, băng tải cào, xoắn vít) và hướng dẫn chi tiết phương pháp thiết kế mạch nguồn ổn áp 24VDC/12VDC dùng IC 78xx trong tủ điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển PLC được sử dụng trong đồ án có các thông số kỹ thuật chính nào?
Đồ án sử dụng PLC Siemens Simatic S7-200 CPU 224. Các thông số chính gồm: kích thước $120.5\text{ mm} \times 80\text{ mm} \times 62\text{ mm}$, dung lượng bộ nhớ chương trình 4096 Word, dung lượng bộ nhớ dữ liệu 2560 Word, 14 ngõ vào số (DI), 10 ngõ ra số (DO), 256 Timer, 256 Counter, 6 bộ đếm tốc độ cao (HSC), thời gian lưu dữ liệu bộ nhớ 190 giờ sau khi mất điện và hỗ trợ mở rộng tối đa 7 module.

2. Khối nguồn một chiều trong mô hình được thiết kế để tạo ra các mức điện áp nào và sử dụng linh kiện gì?
Khối nguồn tạo ra 2 cấp điện áp ổn định là $24\text{VDC}$ và $12\text{VDC}$. Mạch sử dụng biến áp hạ áp 220VAC/20VAC, cầu đi-ốt chỉnh lưu tạo mức áp đỉnh $\approx 28\text{VDC}$, các tụ hóa ($C_1, C_3, C_4$) san phẳng áp, tụ xoay chiều ($C_2$) lọc sóng hài bậc cao, điện trở xả ($R$) và hai IC ổn áp tuyến tính chuyên dụng gồm LM7824 (tạo nguồn $+24\text{VDC}$) và LM7812 (tạo nguồn $+12\text{VDC}$).

3. Vì sao tác giả lựa chọn Phương án 1 thay vì Phương án 2 để thiết kế mô hình?
Phương án 1 (dùng 1 băng tải, 1 công tắc hành trình, 1 xilanh khí nén với van 5/2) được lựa chọn vì có kết cấu cơ khí gọn nhẹ, chi phí chế tạo thấp, ít sử dụng cảm biến giúp giảm độ phức tạp khi lập trình điều khiển, đồng thời đảm bảo tốc độ vận chuyển và năng suất phân loại cao hơn so với Phương án 2 (phải dùng 2 băng tải, 2 xilanh và nhiều cảm biến).

4. Băng tải dây đai được lựa chọn cho hệ thống dựa trên những cơ sở kỹ thuật nào?
Băng tải dây đai được chọn vì phù hợp với dải tải trọng nhẹ dưới $50\text{ kg}$, kết cấu cơ khí đơn giản, không đòi hỏi độ chính xác gia công quá cao như băng tải xích hay con lăn, dễ chế tạo, dễ hiệu chỉnh sức căng và có chi phí đầu tư thấp, đáp ứng tốt yêu cầu mô phỏng dây chuyền công nghiệp.

5. CPU PLC S7-200 có những chế độ làm việc nào và trạng thái được chỉ thị qua đèn LED ra sao?
CPU có 4 chế độ làm việc: Chế độ nghỉ (STOP), chế độ chạy (RUN), chế độ trung gian (TERM - cho phép máy tính chuyển đổi RUN/STOP qua phần mềm) và chế độ lỗi (ERROR). Trạng thái được hiển thị qua các đèn báo mặt trước: đèn SF màu đỏ (báo hiệu lỗi hệ thống), đèn RUN màu xanh (hệ thống đang chạy), đèn STOP màu vàng (hệ thống đang dừng) và các đèn chỉ thị trạng thái logic tức thời của cổng ngõ vào (Ixx), ngõ ra (Qxx).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng PLC" của sinh viên Mai Chung Đức đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa quy trình phân loại sản phẩm theo chiều cao ở quy mô mô hình thực nghiệm. Tác giả đã kết hợp chặt chẽ giữa tính toán thiết kế phần cứng (nguồn ổn áp 24V/12V, động cơ truyền động DC 20-40W, cơ cấu xilanh khí nén van 5/2) với việc ứng dụng bộ điều khiển lập trình Siemens S7-200 CPU 224. Kết quả nghiên cứu không chỉ chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của phương án thiết kế mà còn đóng vai trò là tài liệu tham khảo có giá trị trong đào tạo và nghiên cứu chuyên ngành Điện Tự động Công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ CẤU TRÚC HỌ PHẦN CỨNG PLC S7 200 1.1 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.1a: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. 2 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.1bPLC 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 3 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.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… 4 Counter: CT, CU, CD,CUD Vùng nhớ dữ liệu: Không giống như bộ nhớ chương trình, vùng nhớ này được 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.