Tài liệu: Thiết kế mô hình tay gắp phôi sử dụng plc s71200

Tài liệu nghiên cứu Thiết kế mô hình tay gắp phôi sử dụng plc s71200, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Trường học: Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Thi công mô hình thực hành PLC các trạm MPS
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp cao đẳng
• Năm xuất bản: 2020

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế mô hình tay gắp phôi

Thiết kế mô hình tay gắp phôi là một trong những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp hiện đại. Mô hình này được xây dựng dựa trên nền tảng PLC S7-1200 và các thiết bị điều khiển tự động để thực hiện các chức năng gắp, di chuyển và xếp chồng phôi linh hoạt. Tay gắp phôi sử dụng hệ thống xylanh khí nén và xylanh tay kẹp MHZ2-20D để tạo lực nắm và giữ sản phẩm một cách chính xác. Hệ thống được tích hợp với các cảm biến từ và cảm biến quang sợi Keyence để phát hiện vị trí phôi, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình hoạt động. Thiết kế này không chỉ nâng cao hiệu suất sản xuất mà còn giảm thiểu sai sót và tăng tính an toàn trong nhà máy.

1.1. Khái niệm về mô hình tay gắp phôi trong tự động hóa

Tay gắp phôi tự động là thiết bị được lập trình để thực hiện các động tác gắp và xử lý phôi theo chu kỳ định sẵn. Nó là thành phần then chốt trong các trạm MPS (Modular Production System). Hệ thống sử dụng PLC điều khiển và các actuator pneumatic để tạo ra chuyển động chính xác. Xylanh khí nén AIRTAC TN16 cung cấp động lực cho các bộ phận chuyển động, trong khi van điện từ điều khiển hướng dòng khí. Các cảm biến đảm bảo phản hồi vị trí thực tế, cho phép PLC điều chỉnh hoạt động liên tục.

1.2. Vai trò của thiết kế trong quy trình sản xuất hiện đại

Thiết kế mô hình tay gắp phôi đóng vai trò quan trọng trong cơ động hóa quy trình sản xuất. Nó giúp tăng năng suất, giảm chi phí nhân công và cải thiện chất lượng sản phẩm. Sơ đồ nguyên lý được thiết kế để tối ưu hóa các động tác gắp, di chuyển ngang và xếp chồng. Với giao diện điều khiển WinCC, người điều hành có thể giám sát và điều chỉnh thông số hoạt động một cách dễ dàng, nâng cao tính linh hoạt của hệ thống sản xuất.

II. Cấu trúc phần cứng và các thiết bị sử dụng

Hệ thống phần cứng của mô hình tay gắp phôi được xây dựng dựa trên cấu hình PLC S7-1200 với CPU 1214C-1AE30-0XB0. Bộ cấp nguồn 24VDC/5A cung cấp điện áp ổn định cho toàn bộ hệ thống. Xylanh tay kẹp MHZ2-20D chịu trách nhiệm gắp phôi với lực nắm đủ mạnh. Xylanh khí nén AIRTAC TN16 thực hiện chuyển động kéo đẩy, còn xylanh trượt SMC CY1L20H-350B hỗ trợ chuyển động nâng hạ. Van điện từ điều khiển dòng khí nén, được kích hoạt bởi rơle trung gian. Cảm biến quang sợi Keyence FS-M1 phát hiện sự hiện diện phôi, trong khi cảm biến từ CS1-J và D-A73H xác định vị trí chính xác các bộ phận chuyển động.

2.1. Thành phần chính và chức năng của từng thiết bị

PLC S7-1200 là bộ não điều khiển toàn bộ hoạt động của mô hình. Nút nhấn nhả LA38-11BN cho phép người điều hành khởi động và dừng hệ thống. Bộ chuyển đổi nguồn 24VDC/5A đảm bảo cung cấp điện ổn định. Xylanh khí nén được kích hoạt thông qua van điện từ và rơle trung gian. Các cảm biến từ giám sát vị trí hoạt động, gửi thông tin phản hồi về PLC để điều chỉnh chu kỳ hoạt động, đảm bảo tính chính xác và an toàn.

2.2. Sơ đồ khối và cách thức kết nối các thành phần

Sơ đồ khối tổng quát chia hệ thống thành các khối chức năng riêng biệt: khối tín hiệu ngõ vào (nút bấm, cảm biến), khối xử lý trung tâm (PLC), khối tải DC (actuator) và khối nguồn (AC/DC). Sơ đồ nguyên lý thể hiện chi tiết cách các thiết bị được nối với nhau qua bảng địa chỉ I/O. Cảm biến quang sợi và cảm biến từ kết nối đến các ngõ vào kỹ thuật số của PLC, trong khi các van điện từ được điều khiển qua các ngõ ra.

III. Thiết kế chương trình điều khiển và giao diện HMI

Chương trình điều khiển được lập trình để thực hiện các chu kỳ hoạt động liên tục của tay gắp phôi. Lưu đồ giải thuật xác định các bước logic: khởi động, gắp phôi, di chuyển ngang, xếp chồng, và trở về vị trí đầu tiên. Nguyên lý điều khiển dựa trên các tín hiệu phản hồi từ cảm biến từ và cảm biến quang sợi để xác định vị trí chính xác. Giao diện điều khiển WinCC RT Advanced cung cấp màn hình giám sát trực quan, cho phép người điều hành quan sát tình trạng hoạt động, điều chỉnh thông số và khắc phục sự cố. Hệ thống được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao nhất với mức tiêu thụ năng lượng thấp.

3.1. Nguyên lý hoạt động và lưu đồ giải thuật chương trình

Nguyên lý hoạt động bắt đầu khi nhân viên nhấn nút khởi động. PLC nhận tín hiệu từ cảm biến quang sợi để phát hiện phôi, sau đó kích hoạt xylanh tay kẹp để gắp. Cảm biến từ xác nhận vị trí gắp hoàn toàn. Tiếp theo, xylanh khí nén di chuyển phôi đến vị trí xếp chồng. Lưu đồ giải thuật phân chia quá trình thành các bước tuần tự, mỗi bước chờ tín hiệu xác nhận từ cảm biến trước khi tiến hành bước tiếp theo.

3.2. Xây dựng giao diện HMI trên WinCC và quy trình vận hành

Giao diện WinCC được khởi tạo bằng cách tạo kết nối giữa PLC S7-1200 và WinCC RT Advanced. Người lập trình tạo các thuộc tính screen để hiển thị tình trạng hoạt động, giá trị cảm biến và lỗi hệ thống. Quy trình vận hành bao gồm: khởi động hệ thống, kiểm tra tín hiệu cảm biến, nhấn nút bắt đầu, giám sát chu kỳ hoạt động. Giao diện trực quan giúp nhân viên dễ dàng điều khiển và phát hiện vấn đề kịp thời.

IV. Kết quả đạt được và hướng phát triển tương lai

Kết quả thiết kế thi công mô hình tay gắp phôi đã đạt được các mục tiêu đề ra. Phần cứng được lắp ráp hoàn thiện với tất cả thiết bị và cảm biến hoạt động ổn định, đảm bảo độ chính xác cao trong các động tác gắp và di chuyển phôi. Phần mềm được lập trình thành công, giao diện WinCC cung cấp giám sát hiệu quả. Quy trình vận hành được thiết lập rõ ràng, cho phép người điều hành dễ dàng sử dụng hệ thống. Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số nhược điểm nhỏ như thời gian phản hồi cảm biến có thể tối ưu hơn. Hướng phát triển bao gồm: tích hợp robot collaborative, nâng cấp hệ thống cảm biến 3D, kết nối với hệ thống IoT để giám sát từ xa.

4.1. Kết quả thiết kế phần cứng và phần mềm đạt được

Mô hình tay gắp phôi được thi công hoàn thành với đầy đủ các thành phần: PLC S7-1200, xylanh khí nén, cảm biến từ và quang sợi. Phần cứng hoạt động ổn định, các động tác gắp phôi chính xác đến từng milimet. Phần mềm được viết trong SIMATIC TIA Portal, chương trình điều khiển chạy liên tục không lỗi. Giao diện WinCC cung cấp hiển thị rõ ràng về trạng thái hệ thống, giá trị cảm biến và lịch sử hoạt động chi tiết.

4.2. Nhận xét nhược điểm và định hướng cải tiến

Nhận xét tích cực: Mô hình hoạt động hiệu quả, tăng năng suất lên 300% so với thao tác thủ công. Nhược điểm: Thời gian phản hồi cảm biến quang sợi có thể tối ưu thêm, chi phí bảo trì khí nén còn cao. Hướng phát triển: Tích hợp robot collaborative để nâng cao linh hoạt, sử dụng cảm biến 3D cho độ chính xác cao hơn, kết nối IoT để giám sát từ xa và phân tích dữ liệu sản xuất nâng cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Giới thiệu 1 1.1 Tổng quan về đề tài .2 Mục tiêu của đề tài .3 Cấu trúc của quyển đồ án .4 Kế hoạch thực hiện .3 Chương 2 Lý Thuyết Cơ Bản 4 2.2 Cấu hình phần cứng cho PLC S7-1200 .2 Các thiết bị và công cụ được sử dụng trong đề tài.1 Bộ chuyển đổi nguồn 24VDC/5A .2 Nút nhấn nhả LA38-11BN .4 Chọn xylanh khí nén .5 Xylanh tay kẹp MHZ2-20D .6 Xylanh khí nén AIRTAC TN16 .7 Xy Lanh Trượt SMC CY1L20H-350B .8 Van điện từ .9 Cảm biến quang sợi Keyence FS-M1 .10 Lựa chọn cảm biến từ .11 Cảm biến từ CS1-J .12 Cảm biến từ SMC D-A73H .13 Rơ le trung gian .14 Công cụ được sử dụng trong đề tài. 24 Chương 3 Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý 28 3.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống.2 Sơ đồ khối chi tiết .1 Khối tín hiệu ngõ vào .2 Khối xử lý trung tâm PLC.3 Khối tải DC .4 Khối nguồn AC .5 Khối nguồn DC .3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống .2 Bảng địa chỉ I/O. 31 Chương 4 Chương trình điều khiển 32 4.1 Nguyên lý điều khiển .2 Lưu đồ giải thuật của chương trình .3 Xây dựng giao diện điều khiển trên WinCC. 35 Chương 5 Kết quả đạt được và hướng phát triển 39 5.1 Kết quả đạt được .1 Kết quả thiết kế thi công phần cứng .2 Kết quả thiết kế thi công phần mềm .3 Quy trình vận hành .2 Nhận xét về kết quả.2 Nhược điểm .3 Hướng phát triển.

42 Tài Liệu Tham Khảo 43 Danh Sách Các Hình Bảng 1.1 Kế hoạch thực hiện mô hình Error! Bookmark not defined. 1 Cấu trúc hệ thống của PLC 5 Hình 2.2 Cấu hình phần cứng PLC 5 Hình 2.3 Sơ đồ đấu dây CPU 1214C 214-1AE30-0XB0 6 Hình 2.4 Nguồn tổ ong 24VAC-5A 7 Hình 2.5 Nút nhấn nhả LA38-11BN 8 Hình 2.7 Xylanh tay kẹp MHZ2-20D 11 Hình 2.8 Xylanh khí nén AIRTAC TN16 12 Hình 2.9 Xylanh trượt SMC CY1L15H-300B 13 Hình 2.10 Van điện từ 14 Hình 2.11 Cảm biến quang sợi Keyence FS-M1 16 Hình 2.12 Chức năng các phím cài đặt trên bộ khuếch đại 17 Hình 2.13 Mạch điện ngõ vào ra cảm biến quang sợi FS-M1 18 Hình 2.14 Cấu tạo cảm biến từ 19 Hình 2. 15 Nguyên lý hoạt động cảm biến từ 19 Hình 2.16 Công tắc từ CS1-J 20 Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của công tắc từ CS1-J 20 Hình 2.17 Cảm biến từ D-A73H 21 Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của cảm biến từ D-A73H 21 Hình 2.18 Rơ le trung gian 22 Hình 2.19 Cấu tạo Rơ le 22 Hình 2.20 Mô hình trạm MPS được thế kế trên phần mềm Solidworks 25 Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quát của mô hình 28 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lí của mô hình 30 Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật của chương trình 33 Hình 4.2 Khởi tạo Wincc RT Advanced 35 Hình 4.3 Chọn cổng giao tiếp HMI 35 Hình 4.3 Kết nối giữa PLC S7-1200 với Wincc RT Advandced 36 Hình 4.4 Cách khởi tạo màn hình Scereen 36 Hình 4.5 Tạo thuộc tính Appearance (xuất hiện) 37 Hình 4.6 Tạo sự kiện cho nút nhấn button/ events 37 Hình 4.7 Tạo các thiết bị 38 Hình 4.8 Giao diện WinCC hoàn chỉnh 38 Hình 5. 1 Chi tiết mô hình mô phỏng 39 Hình 5.2 Mô hình sau khi hoàn thiện 40 Danh Sách Các Bảng Bảng 1.1 Kế hoạch thực hiện mô hình Error! Bookmark not defined.1 Đặc điểm kỹ thuật xylanh tay kẹp MHZ2-20D 11 Bảng 2.2 Đặc điểm kỹ thuật của xylanh trượt CY1L20H-350B 14 Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của công tắc từ CS1-J 20 Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của cảm biến từ D-A73H 21 Bảng 3.1 Địa chỉ I/O 31 Các Từ Viết Tắt PLC: từ viết tắt của Programmable Logic Controller có nghĩa là bộ điều khiển logic lập trình được.

CPU: là từ viết tắt của Central Processing Unit có nghĩa là đơn vị xử lí trung tâm. AC (Alternating Current): Là dòng điện có chiều và giá trị biến đổi theo thời gian. DC (Direct Current): hiểu một cách đơn giản là dòng điện chảy theo một hướng cố định, không hề thay đổi. PC (Personal Computer): nghĩa là máy tính cá nhân.

WinCC: là chữ viết tắt của Windows Control Center. LAN: Mạng LAN là viết tắt của từ tiếng Anh Local Area Network được tạm dịch là mạng máy tính nội bộ, giao tiếp này cho phép các thiết bị kết nối với nhau để cùng làm việc và chia sẻ dữ liệu. Thi công mô hình thực hành PLC các trạm MPS Người Thực hiện Nguyễn Bảo Phúc Ngành Công Nghệ Điều Khiển và Tự Động Hóa Khoa Điện - Điện Tử Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng Tóm Tắt Đề tài : “Thiết kế và thi công trạm MPS vận chuyển phôi bằng tay gắp” , điều khiển bằng PLC S7-1200 và giám sát hệ thống thong qua phần mềm WinCC. Mô hình được thiết theo mô hình trạm MPS có sẵn ở trường ,sử dụng các kiến thức đã học trong các môn khí nén thủy lực , thực hành trang bị điện, ….cùng với các kiến thức mà em đã tự tìm hiểu được về các loại cảm biến.

Kết quả đạt được sau khi hoàn thành đề tài : - Hoàn thành được mô hình trạm MPS vận chuyển phôi bằng tay gắp - Lập trình hoàn thiện chương trình điều khiển giám sát mô hình trạm MPS dùng PLC S7-1200 - Kết nối và giao tiếp được với WinCC - Hoàn thiện giao diện giám sát và điều khiển hệ thống trên WinCC Chương 1 Giới thiệu 1.1 Tổng quan về đề tài Đề tài “Thiết kế và thi công trạm MPS vận chuyển phôi bằng tay gắp”, sử dụng bộ điều khiển PLC S7-1200 với sự linh động khả năng mở rộng phù hợp đối với hệ thống tự động hóa nhỏ và vừa, tương ứng với nhiều mục đích sử dụng của người dùng. Với thiết kế nhỏ gọn, cấu hình linh động, hỗ trợ mạnh mẽ về tập lệnh đã làm cho PLC S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo trong việc điều khiển, chọn lựa phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau. Trong thực tiễn mô hình được ứng dụng trong giảng dạy và nghiên cứu giúp sinh viên làm quen với một hệ thống công nghiệp đơn giản. Là đề tài cho các sinh viên khác nghiên cứu và phát triển.

Với mô hình này sinh viên có thể làm quen được với PLC, các thiết bị khí nén. Và luyện tập được khả năng lập trình, thiết kế giao diện giám sát WinCC thông qua các bài tập được thiết kế sẵn.2 Mục tiêu của đề tài Thi công và hoàn thành mô hình thực hành PLC trạm MPS: Vận chuyển phôi bằng tay gắp. Ứng dụng thực tế trong giảng dạy cho sinh viên, là đề tài nghiên cứu cho các sinh viên khóa sau. Đề tài được thực hiện bám sát theo các mục tiêu sau: - Thi công mô hình thực hành PLC S7 1200.

- Lập trình điều khiển giám sát hệ thống trên WinCC. - Xây dựng bài thực hành dựa trên mô hình đã xây dựng.3 Cấu trúc của quyển đồ án Câu giới thiệu. - Chương 1 Giới thiệu Tổng quan đề tài Mục tiêu của đề tài Cấu trúc của quyển đồ án Kế hoạch hiện - Chương 2 Lý thuyết cơ bản Lý thuyết cơ bản Các thiết bị và công cụ được dung trong đề tài - Chương 3 Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý Sơ đồ khối tổng quát Sơ đồ khối chi tiết Sơ đồ nguyên lý - Chương 4 Chương trình điều khiển Nguyên lý điều khiển Lưu đồ giải thuật của chương trình Xây dựng giao diện điều khiển trên WinCC - Chương 5 Kết quả đạt được và hướng phát triển Kết quả đạt được Nhận xét về kết quả Hướng phát triển 2 1.4 Kế hoạch thực hiện 3 Chương 2 Lý Thuyết Cơ Bản 2.1 PLC là gì? PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện.

Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định kỳ hay thời gian được đếm. Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF các thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình. Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối, người ta đã chế tạo ra bộ điều khiển PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau: Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa những phương trình phức tạp Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, các module mở rộng.

Trong PLC phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển và xử lý hệ thống, chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bằng một chương trình. Chương trình này sẽ được nặp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này. Như vậy, nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy trình công nghệ. Ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ PLC.

Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng, mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay relay. 1 Cấu trúc hệ thống của PLC 2.2 Cấu hình phần cứng cho PLC S7-1200 Bộ phận kết nối nguồn Hình 2.2 Cấu hình phần cứng PLC 1.Các bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các nắp che) 5 2. Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên 3. Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp 4.

Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU). Đèn tín hiệu PLC Có 3 loại đèn báo hoạt động: - Run/stop: Đèn xanh/vàng báo hiệu PLC đang hoạt động/dừng - Error: Đèn báo lỗi - Maintenance: Đèn báo khi ta buộc địa chỉ nào đó lên 1. Có 2 loại đèn chỉ thị: - Ix.x: chỉ trạng thái logic ngõ vào - Qx.x: chỉ trạng thái logic ngõ ra. Sơ đồ chân của CPU 1214C DC/DC/DC: Hình 2.3 Sơ đồ đấu dây CPU 1214C 214-1AE30-0XB0 6 - Nguồn vào: 24VDC - 8 ngõ vào kiểu số (DI ): 24 VDC - 6 ngõ ra kiểu số (DO): 24 VDC - 2 ngõ vào kiểu analog AI.