Đồ án Thiết kế chế tạo hệ thống giám sát quá trình chiết rót và đóng nắp chai tự động

ly used in large and medium auto parks with high quality and stable requirements. Simple design control model with 3 sinks providing material feed and fuel mixing, in this model use ultrasonic sensor to determine the water level in the mixing tank and collect the data to WinCC. Other sensors include optical sensors for locating the cylinders, magnetic sensors locating cylinders, capacitive sensors for determining water levels in cylinders and compressed air systems also used. Conveyors can be adjusted manually, but the latter can be upgraded to control the speed of the motor with Analog Ouput to develop the subject. Due to many difficulties and funding, the model has not been completed as expected. Hope you read this topic to be able to cater to your needs in learning or in the process of working at SCADA factories. LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay quá trình tự động hóa trong công nghiệp là hết sức quan trọng đối với sự phát triển của một quốc gia. Với các nước phát triển như Mỹ, Nhật.... thì tự động hóa không còn xa lạ. Ở các nước này máy móc hầu như đã thay thế lao động chân tay, số lượng công nhân trong nhà máy đã giảm hẳn và thay vào đó là những lao động chuyên môn, những kỹ sư có tay nghề, điều khiển giám sát trực tiếp quá trình sản xuất trên thông qua máy tính. Một trong những ứng dụng giám sát đó là WinCC (Windows Control Centre), nó giúp ta điều khiển và giám sát toàn bộ quá trình sản xuất thông qua máy tính mà không phải trực tiếp xuống nới sản xuất để quan sát. Những điều trên chứng tỏ tầm quan trọng của việc ứng dụng WinCC trong lĩnh vực tự động hóa. Việt Nam là nước đang phát triển thì nhu cầu hiện đại hóa trong công nghiệp là điều hết sức quan trọng đối với sự phát triển kinh tế cũng như nhu cầu công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Là những sinh viên theo học chuyên ngành “ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa” cùng những nhu cầu, ứng dụng thực tế cấp thiết của nền công nghiệp nước nhà, em muốn được nghiên cứu và tìm hiểu những thành tựu khoa học mới để có nhiều cơ hội biết thêm về kiến thức thực tế, củng cố kiến thức đã học, phục vụ tốt cho sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa. Vì những lí do trên em đã chọn đề tài: “Thiết kế chế tạo hệ thống giám sát quá trình chiết rót và đóng nắp chai tự động ”. Đề tài gồm có các nội dung chính như sau: Chương I: Tổng quan về dây chuyền chiết rót, vặn nắp chai. Chương II: Tổng quan về Simatic S7-300 . Chương III: Chương trình điều khiển, mô hình thực tế. Chương IV: Tổng kết và hướng phát triền đề tài. Mục đích nghiên cứu : Nắm vững kiến thức về lập trình với S7-300, mô phỏng quá trình hoạt động của một hệ thống với WinCC. Nghiên cứu đề tài nhằm tích lũy kinh nghiệm, học hỏi thêm kiến thức và phát huy tính sáng tạo, giải quyết vấn đề. Theo phương châm học đi đôi với hành thì việc tạo ra một hệ thống mô phỏng dùng S7-300 và WinCC là một yêu cầu cần thiết, đáp ứng được nhu cầu đặt ra. Đánh giá đồ án tốt nghiệp (Dùng cho cán bộ phản biện) Giảng viên đánh giá:....................................................................................................... Họ và tên Sinh viên:................................................ MSSV: Tên đồ án: ................................... ................................... .............................................. .. Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20) 1 Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng dụng của đồ án 1 2 3 4 5 2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5 3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5 4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt được 1 2 3 4 5 Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15) 5 Mục tiêu và phương pháp thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống 1 2 3 4 5 6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng. 1 2 3 4 5 7 Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai. 1 2 3 4 5 Kỹ năng viết (10) 8 Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định 1 2 3 4 5 9 Kỹ năng viết (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5 Kết quả nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp) 10a Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh sáng chế 5 10b Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về chuyên ngành 2 10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học 0 Điểm tổng /50 Điểm tổng quy đổi về thang 10 3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... Nghệ An, ngày..tháng 05 năm 2017 Người nhận xét CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CHIẾT RÓT, VẶN NẮP CHAI Tổng quan về dây chuyền Phạm vi áp dụng Cơ sở sản xuất sữa, sữa tươi, sữa chưa và các loại nước uống tinh khiết đóng chai hoặc nước khoáng hoặc các loại nước uống không ga khác. Chai nước sử dụng: Loại chai PET có dung tích từ250ml đến 2250ml. Yêu cầu thiết kế Điện áp sử dụng: 1 pha 220V, 50Hz hay 3 pha 380V, 50 Hz. Dòng tải: Tùy theo công suất bơm sử dụng và các thiết bị ngoại vi khác, thông thường không nhỏ hơn 5A. Các biện pháp an toàn điện: Hệ thống được thiết kế ELCB chống giật trên toàn hệ thống và các thiết bị điện khác đạt chuẩn CE. Nút tắt khẩn cấp khi có sự cố xảy ra. Khung sườn thiết bị: Được thiết kế bằng thép không gỉ SS304 hoặc SS316, chịu được lực rung lớn. Ống dẫn nước: Ống chịu áp lực cao bằng PVC hoặc bằng thép không gỉ 304 (tùy theo yêu cầu thiết kế), đảm bảo an toàn vệ sinh, không đóng cặn, gỉ sét và gây ra các nấm mốc vi sinh. Các thiết bị lọc sữa: Vật tư, thiết bị lọc đạt chuẩn. Hình 1.1 Hệ thống chiết rót, đóng nắp sữa Hình1.2 Thiết bị chiết rót sữa Các chức năng chính của hệ thống Hệ thống kết hợp 3 máy xúc rửa, chiết rót và đóng nắp thành 1 dây chuyền thống nhất. Hệ thống tiêu chuẩn: hệ thống bao gổm 3 máy rời rạc: Xúc rửa, chiết rót, đóng nắp, nối liền với nhau thành 1 hệ thống xuyên suốt. Mạch điều khiển trung tâm PLC của Siemens: Điều khiển xuyên suốt hệ thống xúc rửa, chiết rót, đóng nắp. Bảng mạch hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống trên các đèn led (màu xanh). Khi có sự cố xảy ra, hệ thống ngắt điện hoàn toàn tự động, tín hiệu âm thanh bíp bíp sẽ được phát ra. Ngoài ra chương trình trong PLC này nhiều chức năng hơn hệ thống tiêu chuẩn. Khung sườn : Được làm bằng thép không gỉ. Động cơ xoay vòng bằng công nghệ Đức: Các chai PET được vận chuyển tự động trên băng chuyền xoay vòng liên tục vào hệ thống chiết rót, xúc rửa. Ống dẫn nước: Bằng Inox. 2 chế độ hoạt động auto/manual: Giúp người sử dụng có thể kiểm tra hoạt động của các chức năng. Nguyên lý hoạt động Hệ thống hoạt động theo các bước sau đây: Vỏ chai PET được đặt trên băng chuyền trước khi vào hệ thống xúc rửa chiết rót và đóng nắp (gọi tắt là RFC). Nguồn nước tinh khiết từ bồn chứa được nối vào hệ thống RFC. Băng chuyền sẽ tự động vận chuyển chai PET vào hệ thống xúc rửa. Các chai di chuyển xoay vòng và vào đúng vị trí vòi nước xúc rửa. Lưu ý nước rửa có áp lực khá mạnh để rửa sạch chai PET do bơm thiết kế sẵn trong máy phun lên. Sau khi rửa, chai PET sẽ được đưa vào vịtrí chiết rót, các cánh tay đòn sẽ giữ chặt cổ chai để tránh đổc hai trong qua trinh rót. Các chai được xoay vòng liên tục trên băng chuyền chiết rót. Máy bơm nước được thiết kế sẵn trong máy sẽ tự động chiết rót vào bình. Khi bình chứa đã đầy nước, sẽ được chuyển sang vị trí đóng nắp. Nắp bình chứa được lấp đầy trong ống chứa và được đưa vào ngay đầu chai PET. Các tay đòn sẽ siết nắp chặt. Sau đó chai PET được chuyển trên băng tải ra ngoài. Bình chứa được tiếp tục chuyển đến máy bao màng co bằng (nếu có). Hình 1.3 Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động Do giới hạn đề tài là mô phỏng trên máy tính nên em sẽ nghiên cứu những thiết bị phần điện tự động là chính, mô hình mô phỏng sẽ có một số điểm khác so với hệ thống thực để thuận thiện cho việc mô phỏng.Cụ thể là dây chuyền mô phỏng sẽ có các khâu chính là: Kiểm tra khuyết tật chai. Chiết nước vào chai. Đóng nắp chai. Đưa sang dây chuyền đóng thùng sản phẩm. Các công nghệ trên dây chuyền chiết rót, đóng nắp, đóng thùng Kiểm tra khuyết tật chai Để kiểm tra được khuyết tật trên sản phẩm chai nhựa người ta thường dùng các hệ thống máy hiện đại, hiện nay có không ít các nhà cung cấp thiết bị để thực hiện quá trình này, theo kinh nghiệm và tìm hiểu thì em được biết hãng PRESSCO TECHNOLOGY INC là nhà cung cấp dòng sản phẩm INTELLISPEC mã CP500 thực hiện quá trình kiểm tra và phân loại và loại bỏ chai bị hỏng không đủ yêu cầu chất lượng như: Chai bị móp trong lúc sản xuất hay trong quá trình vận chuyển. Chai dính bẩn. Dòng sản phẩm INTELLISPEC CP500: được trang bị 2 camera bên trong và được kết nối với hệ thống máy tính chuyên dụng được cung cấp bởi chính nhà cung cấp. Máy có bộ nguồn UPS mắc song song với nguồnđiện nên có thể hoạt động thêm một thời gian sau khi cúp điện. Nguyên tắc: Camera chụp và phân tích hình ảnh từng chai, đưa tín hiệu về máy tính xử lí với phần mền chuyên dụng được cài đặt độ nhạy theo mục đích của yêu cầu sản phẩm và loại (Reject) các sản phẩm không đạt yêu cầu. Tốc độ chụp của camera có thể lên đến hàng nghìn chai một phút. Hình 1.4 Máy kiểm tra khuyết tật chai Chiết nước vào chai Hiện nay có khá nhiều công nghệ chiết nước vào chai, tùy loại chất lỏng sẽ có cách chiết rót khác nhau như: Nước có ga, nước không ga, chất lỏng dạng cô đặc. Định lượng sản phẩm lỏng là chiết một thể tích nhất định sản phẩm lỏng và rót vào trong chai, bình, lọ, v.v.. Định lượng sản phẩm lỏng bằng máy được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất thực phẩm. Khi định lượng bằng máy thì cải thiện được điều kiện vệ sinh, đảm bảo được năng suất cao và định lượng sản phẩm một cách chính xác. Các phương pháp định lượng chủ yếu gồm có: Định lượng bằng bình định mức: Chất lỏng được định lượng chính xác nhờ bình định mức trước khi rót vào chai. Định lượng bằng chiết tới mức cố định: Chất lỏng được chiết tới mức cố định trong chai bằng cách chiết đầy, sau đó lấy khối thể tích bù trừ ra khỏi chai; khi đó mức lỏng trong chai sẽ sụt xuống một khoảng như nhau bất kể thể tích của các chai có bằng nhau hay không. Ngoài ra còn sử dụng ống thông hơi, chất lỏng được chiết tới khi ngập miệng ống thông hơi sẽ dứng lại. Phương pháp nầy có độ chính xác không cao, tuỳ thuộc độ đồng đều của chai. Định lượng bằng cách chiết theo thời gian: Cho chất lỏng chảy vào chai trongkhoảng thời gian xác định, có thể xem như thể tích chất lỏng chảy là không đổi. phương pháp nầy chỉ áp dụng cho các sản phẩm có giá tri thấp, không yêu cầu độ chính xác định lượng. Các phương pháp chiết rót sản phẩm gồm có: Phương pháp rót áp suất thường: chất lỏng tự chảy vào trong chai do chênh lệch về độ cao thủy tĩnh. Tốc độ chảy chậm nên chỉ thích hợp với các chất lỏng ít nhớt. Phương pháp rót chân không: Nối chai với một hệ thống hút chân không, chất lỏng sẽ chảy vào trong chai do chênh áp giữa thùng chứa và áp suất trong chai. Lượng chất lỏng chảy vào chai thông thường cũng được áp dụng phương pháp bù trừ hoặc chiết đầy chai. Phương pháp rót đẳng áp: Phương pháp này được áp dụng cho các sản phẩm có gas như bia, nước ngọt.Trong khi rót, áp suất trong chai lớn hơn áp suất khí quyển nhằm tránh không cho ga (khí CO2) thoát khỏi chất lỏng. Với phương pháp rót đẳng áp thông thường, người ta nạp khí CO2 vào trong chai cho đến khi áp suất trong chai bằng áp suất trong bình hứa, sau đó cho sản phẩm từ bình chứa chảy vào trong chai nhờ chênh lệch độ cao. Máy định lượng-chiết rót sản phẩm lỏng gồm nhiều cơ cấu rót, mỗi cơ cấu rót được bố trí chiết cho 1 chai. Các cơ cấu rót có thể được bố trí thẳng hàng, làm việc cùng lúc (máy chiết có cơ cấu chiết thẳng) hoặc bố trí trên bàn quay, làm việc tuần tự (máy chiết bàn quay) như hình bên dưới: Hình 1.5 Máy chiết bàn quay Đóng nắp chai Máy đóng nắp chai được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất đồ uống, thức phẩm, mỹ phẩm và hóa chất công nghiệp. Máy có tác dụng đóng bao kín các loại chai thủy tinh, nhựa, đảm bảo việc niêm phóng kín, không rò rỉ chất lỏng ra ngoài. Nắp chai được dẫn từ thùng chứa xuống đường dẫn đồng thời được xếp đúng chiều, chai nước được đưa vào vị trí dập nắp và cố định để hệ thống dập nắp hoạt động. Sau khi dập nắp chai sẽ được đưa tới bộ phận vặn nắp để chắc chắn rằng tất cả các nắp phải được đóng kín. Hình 1.6 Máy chiết rót và đóng nắp kiểu bàn xoay Cảm biến dùng trong các dây chuyền chiết rót Tại mỗi khâu chúng ta dùng cảm biến vị trí để xác định vị trí của sản phẩm. Khi gặp sản phẩm cảm biến sẽ có tín hiệu báo về bộ điều khiển để ra lệnh điều khiển. Để xác định vị trí và dịch chuyển của sản phẩm, ta dùng loại cảm biến quang điện. Cảm biến quang điện bao gồm 1 nguồn phát quang và 1 bộ thu quang. Nguồn phát quang sử dụng Led hoặc Laser phát ra ánh sáng thấy hoặc không thấy tùy theo bước sóng. 1 bộ thu quang sử dụng diode hoặc transitor quang. Ta đặt bộ thu và phát sao cho vật cần nhận biết có thể che chắn hoặc phản xạ ánh sáng khi vật xuất hiện. Ánh sáng do Led phát ra được hội tụ qua thấu kính. ở phần thu ánh sáng từ thấu kính tác động đến transitor thu quang. Nếu có vật che chắn thì chùm tia sẽ không tác động đến bộ thu được. sóng dao động dùng để bộ thu loại bỏ ảnh hưởng của ánh sáng trong phòng. Ánh sáng của mạch phát sẽ tắt và sáng theo tần số mạch dao động. Phương pháp này sử dụng mạch dao động làm cho cảm biến thu phát xa hơn và tiêu thụ ít công suất hơn. Trên thị trường hiện nay có 3 loại cảm biến quang điện chính:Through-beam sensors (cảm biến tia xuyên qua), Retro-reflective sensors (cảm biến phản quang), Diffuse reflection sensor (cảm biến phản xạ khuếch tán). Hình 1.7 Cảm biến phản quang Trong quá khứ, đối với nhà máy bia, nước ngọt, việc phát hiện các chai PET có chất liệu trong suốt là rất khó khăn, yêu cầu phải điều chỉnh phức tạp cảm biến cho ứng dụng đó. Hiện nay công nghệ phát triển hơn ta có loại cảm biến phản quang dể dàng phát hiện các vật liệu cho trai PET và thủy tinh. Một trong số đó là bộcảm biến O5G500 và một bộ lọc phân cực cùng với lăng kính phản xạ E20722. Dây chuyền đóng thùng Các máy đóng thùng chai hiện nay rất đa dạng từ thô sơ tới cực kỳ hiện đại. tùy theo doạng sản phẩm sẽ có cách đóng gói khác nhau. Với chai lọ thủy tinh dễ vỡ hay các chai có dung tích lớn thường được đóng thùng bằng cánh tay Robot. Phương pháp này hiện đại và chính xác nhất, đảm bảo chống va đập làm hư sản phẩm. Số lượng sản phẩm phụ thuộc vào kích thước thùng chứa, số lượng chai gắp trong một lần cũng dễ dàng cài đặt, ví dụ như để đóng két cho bia chai thì mỗi lần cánh tay robot có thể gắp 20 chai. Dây chuyền đóng thùng gồm 2 băng tải, một bang tải đưa sản phẩm đến tay gắp, một băng vận chuyển thùng, hai băng tải đặt ngang nhau. Bộ phận gắp chai đượcđiểu khiển đồng bộ bằng khí nén. Hình 1.8 Bộ phận gắp chai Với các loại chai nhỏ và khó vỡ thì thường dùng phương pháp đóng thùng kiểu “Drop”, hệ thống có hai băng tải, một băng tải chở sản phẩm chai ở phía trên, băng tải chứa thùng phía dưới, khi số chai chạy vào khung đủ số lượng thì phần đáy của khung mở ra để toàn bộ chai trong khung rơi xuống thùng, các chai rơi xuống thùng đồng thời thùng được hạ xuống để giảm lực tác động vàođáy chai, cách đóng thùng này nhanh và đơn giản hơn dùng cánh tay Robot. Hình 1.9 Đóng thùng kiểu “Drop” CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ SIMATIC S7-300 Giới thiệu chung Để đáp ứng yêu cầu tự động hóa ngày càng tăng đòi hỏi kỹ thuật điều khiển phải có nhiều thay đổi về thiết bị cũng như về phương pháp điều khiển. Vì vậy người ta phát minh ra bộ điều khiển lập trình rất đa dạng như PLC. Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn. Nó có thể thay thế gần như hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống. Như vậy PLC có tính năng ưu việt và thích hợp trong môi trường công nghiệp là: Khả năng chống nhiễu tốt. Cấu trúc dạng modul rất thuận tiện cho việc mở rộng, cải tạo nâng cấp. Có những modul chuyên dụng để thực hiện chức năng đặc biệt. Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động. Hiện nay trên thị trường có các loại PLC của các hãng sản xuất như: Omron, Mitsubishi, Siemens, ABB, Allen Bradley... S7-300 là dòng sản phẩm cao cấp, được dùng cho những ứng dụng lớn với những yêu cầu I/O nhiều và thời gian đáp ứng nhanh, yêu cầu kết nối mạng và có khả năng mở rộng, nâng cấp.Ngôn ngữ lập trình đa dạng cho phép người sử dụng có quyền chọn lựa. Đặc điểm nổi bật của S7-300 đó là ngôn ngữ lập trình cung cấp những hàm toán đa dạng cho những yêu cầu chuyên biệt. Hoặc ta có thể sử dụng ngôn ngữ chuyên biệt để xây dựng hàm riêng cho ứng dụng mà ta cần. Ngoài ra S7-300 còn xây dựng phần cứng theo cấu trúc modul, nghĩa là đối với S7-300 sẽ có những modul tích hợp cho những ứng dụng đặc biệt. Các modul PLC S7-300 Hình 2.1 Cấu hình của một trạm PLC S7-300 Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng vào thực tế phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hoá về cấu hình. Chúng được sử dụng theo kiểu các modul, số lượng modul nhiều hay ít tuỳ vào yêu cầu thực tế, xong tối thiểu bao giờ cũng có một modul chính là CPU, các modul còn lại nhận truyền tín hiệu với các đối tượng điều khiển, các modul chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ, van thuỷ khí Chúng gọi chung là modul mở rộng. Cấu hình của một trạm PLC S7-300 như hình 2.1. . Modul CPU Modul CPU là loại modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485) và có thể còn có một vài cổng vào ra số. Các cổng vào ra số có trên modul CPU được gọi là cổng vào ra Onboard. PLC S7_300 có nhiều loại modul CPU khác nhau. Chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như modul CPU312, modul CPU314, modul CPU315. Những modul cùng sử dụng 1 loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ IFM (Intergrated Function Module). Hình 2.2 Một số CPU của PLC S7-300 Ngoài ra còn có các loại module CPU với 2 cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. Các loại modul này phân biệt với các loại modul khác bằng cụm từ DP (Distributed Port) như là modul CPU314C-2DP. Modul mở rộng Thiết bị điều khiển khả trình SIMATIC S7-300 được thiết kế theo kiểu modul. Các modul này sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Việc xây dựng PLC theo cấu trúc modul rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mở rộng hệ thống. Số các modul được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng ứng dụng nhưng tối thiểu bao giờ cũng phải có một modul chính là modul CPU, các modul còn lại là những modul truyền và nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên ngoài như động cơ, các đèn báo, các rơle, các van từ. Chúng được gọi chung là các modul mở rộng. Các modul mở rộng chia thành 5 loại chính: Module nguồn nuôi (PS - Power supply) Có 3 loại: 2A, 5A, 10A. Module xử lý vào/ra tín hiệu số (SM - Signal module) Modul mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm: DI (Digital input): Modul mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại modul. DO (Digital output): Modul mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại modul. Modul mở rộng các cổng vào/ra số... Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/8ra hoặc 16 vào/16 ra tuỳ từng loại modul. CPU 312 IFM CPU 314C-2PTP CPU 314 CPU 314C-2DP AI (Analog input): Modul mở rộng các cổng vào tương tự. Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4, 8 tuỳ từng loại modul. AO (Analog output): Modul mở rộng các cổng ra tương tự. Số các cổng ra tương tự có thể là 2, 4 tuỳ từng loại modul. AI/AO (Analog input/Analog output): Modul mở rộng các cổng vào/ra tương tự. Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hay 4 vào/4 ra tuỳ từng loại modul. Các CPU của S7_300 chỉ xử lý được các tín hiệu số, vì vậy các tín hiệu analog đều phải được chuyển đổi thành tín hiệu số. Cũng như các modul số, người sử dụng cũng có thể thiết lập các thông số cho các modul analog. Modul ghép nối (IM - Interface modul) Modul ghép nối nối các modul mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi 1 modul CPU. Thông thường các modul mở rộng được gắn liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack. Trên mỗi rack có nhiều nhất là 8 modul mở rộng (không kể modul CPU, modul nguồn nuôi). Một modul CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 rack và các rack này phải được nối với nhau bằng modul IM. Các modul ghép nối (IM) cho phép thiết lập hệ thống S7_300 theo nhiều cấu hình, S7-300 cung cấp 3 loại modul ghép nối sau: IM 360: Là modul ghép nối có thể mở rộng thêm một tầng chứa 8 modul trên đó với khoảng cách tối đa là 10 m lấy nguồn từ CPU. IM 361: Là modul ghép nối có thể mở rộng thêm ba tầng, với một tầng chứa 8 modul với khoảng cách tối đa là 10 m đòi hỏi cung cấp một nguồn 24 VDC cho mỗi tầng. IM 365: Là modul ghép nối có thể mở rộng thêm một tầng chứa 8 modul trên đó với khoảng cách tối đa là 1m lấy nguồn từ CPU. Modul chức năng (FM - Function modul) Modul có chức năng điều khiển riêng. Ví dụ như modul PID, modul điều khiển động cơ bước. Module truyền thông (CP - Communication modul) Modul phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính. Hình 2.3 Các loại modul mở rộng của S7-300 Các Tín hiệu kết nối với PLC: Tín hiệu số : Là các tín hiệu thuộc dạng hàm Boolean, dạng tín hiệu chỉ có 2 trị 0 hoặc 1. Mức 0 : tương ứng với 0V hoặc hở mạch. Mức 1 : Tương ứng với 24V. Vd: Các tín hiệu từ nút nhấn, từ các công tắc hành trình.. đều là những tín hiệu số. Tín hiệu tương tự : Là tín hiệu liên tục, từ 0-10V hay từ 4-20mA. Vd: Tín hiệu đọc từ Loadcell,từ cảm biến lưu lượng Tín hiệu khác : Bao gồm các tín hiệu giao tiếp với máy tính với các thiết bị ngoại vi khác bằng các giao thức khác nhau như giao thức RS232, RS485, Modbus. Modul ra sè (DO). Kiểu dữ liệu: Kiểu Bool: True hoặc False ( 0 hoặc 1) VD: M0.0 Kiểu Byte : gồm 8 Bit Kiểu Word Kiểu DWord Kiểu Int Kiểu Real..... Hình 2.4 Cấu trúc của một bộ điều khiển PLC Ngôn ngữ lập trình PLC S7_300 có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản sau: Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu là STL (Statement List). Đây là dạng ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính. Một chương trình được ghép bởi nhiều câu lệnh theo 1 thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm 1 hàng và đều có cấu trúc chung là “tên lệnh”+”toán hạng”. Ví dụ: Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu là LAD (Ladder Logic). Đây là dạng ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển logic. Ví dụ: Ngôn ngữ “hình khối”, ký hiệu là FBD (Function Block Diagram). Đây là dạng ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển số. Ví dụ: Trong đồ án em sử dụng ngôn ngữ LAD để lập trình để đơn giản và trực quan hơn. Phần mềm dùng viết chương trình là Step7 V5.5 SP1_Home_x32. Tập Lệnh S7-300 Lệnh về timer Lệnh S_PULSE: Nếu I0.0=1 Timer được kích chạy,khi I0.0=0 hoặc chạy đủ thời gian đặt 2s thì Timer dừng. Hoặc có tín hiệu I0.1 thì Timer cũng dừng. Timer chỉ chạy lại khi có tín hiệu mới từ I0.0 (tức là I0.0 chuyển trạng thái từ 0 lên 1). Q0.0=1 khi Timer đang chạy. MW100 lưu giá trị đếm của Timer theo dạng Integer. MW102 lưu giá trị của Timer theo dạng BCD. Chức năng của Timer này là tạo xung có thời gian được đặt sẵn. Lệnh S_PEXT: Timer kích có nhớ,Khi có tín hiệu cạnh lên ở I0.0 Timer T5 chạy,nếu đủ thời gian đặt Timer dừng. Trong quá trình chạy nếu có tín hiệu mới từ chân I0.0 thì thời gian Timer lại được tính lại từ đầu. Trong quá trình chạy nếu có tín hiệu I0.1 thì Timer dừng Q0.0 =1 khi Timer đang chạy. Các ô nhớ MW100 và MW102 lưu giá trị hiện thời của Timer theo dạng Integer và dạng BCD Lệnh S_ODT: Nếu I0.0=1 Timer bắt đầu chạy khi đủ thời gian thì ngưng khi đó ngõ Q0.0 sẽ lên 1 nếu I0.0 vẫn còn giữ trạng thái 1,khi có tín hiệu I0.1 thì tất cả phải được Reset về 0. Các ô nhớ MW100 và MW102 lưu giá trị hiện thời của Timer theo dạng Integer và dạng BCD. Lệnh S_ODTS: Timer kích có nhớ, khi có xung cạnh lên ở I0.0 Timer bắt đầu chạy, ngõ ra Q0.0=1 khi Timer ngưng và chỉ tắt khi có tín hiệu Reset (tín hiệu I0.1). Trong quá trình Timer chạy nếu có sự chuyển đổi tín hiệu từ chân I0.0 thêm 1 lần nữa thì Timer sẽ nhớ và tiếp tục chạy khi hết thời gian lần trước. Số Timer trong S7_300 phụ thuộc vào loại CPU. CPU 312: Có 128 Timer. CPU 313 trở lên: Có 256 Timer. Có 2 cách cài đặt giá trị cho Timer: Cài thông số thời gian trực tiếp: Để cài giá trị trực tiếp cho Timer ta phải thêm kí tự S5T# trước giá trị đặt. Các kí tự kế tiếp là thông số thời gian muốn cài đặt cho Timer. Cài đặt thông số thời gian thông qua biến nhớ: Giá trị cài đặt cho timer thông qua một biến kiểu WORD 16 bits. Bộ đếmCounter Lệnh đếm lên xuống S_CUD: Ngõ vào I0.2=1 : đưa giá trị đếm vào PV. Khi I0.0 chuyển trạng thái từ 0 lên 1 ,C0 đếm tăng lên 1. Khi I0.1 chuyển trạng thái từ 0 lên 1 ,C0 đếm giảm xuống 1. Khi cả I0.0 và I0.1 đều chuyển trạng thái thì C0 không thay đổi. Khi I0.3=1 thì C0 bị Reset về 0. Giá trị bộ đếm hiện thời nằm trong 2 ô nhớ MW100 và MW102 dưới dạng Integer và dạng BCD ,giá trị này có tầm từ 0 – 999. Ngõ ra Q0.0=1 khi giá trị đếm lớn hơn 0. Lệnh đếm lên S_CU: Ngõ vào I0.1=1 : đưa giá trị đếm vào PV. Khi I0.0 chuyển trạng thái từ 0 sang 1 , C0 đếm tăng lên 1. Khi I0.2 = 1 Counter bị Reset. Ngõ ra Q0.0=1 khi giá trị đếm lớn hơn 0. Giá trị bộ đếm hiện thời nằm trong 2 ô nhớ MW100 và MW102 dưới dạng Integer và dạng BCD ,giá trị này có tầm từ 0 – 999. Ngõ ra Q0.0=1 khi giá trị đếm lớn hơn 0. Lệnh đếm xuống S_CD: Ngõ vào I0.1=1 : đưa giá trị đếm vào PV. Khi I0.0 chuyển trạng thái từ 1 sang 0 , C0 giảm đi 1. Khi I0.2 = 1 Counter bị Reset. Ngõ ra Q0.0=1 khi giá trị đếm lớn hơn 0. Giá trị bộ đếm hiện thời nằm trong 2 ô nhớ MW100 và MW102 dưới dạng Integer và dạng BCD ,giá trị này có tầm từ 0 – 999. Ngõ ra Q0.0=1 khi giá trị đếm lớn hơn 0. Lệnh so sánh Lệnh so sánh số nguyên: Lệnh EQ_I(Equal Integer): So sánh MW100 và MW102, nếu hai số nguyên này bằng nhau thì KT=KQ. Lệnh NE_I (Not Equal Integer): So sánh MW100 và MW102, nếu 2 số này khác nhau thì KQ=KT. Lệnh GT_I (Greater than Integer): So sánh 2 số MW100 và MW102, nếu MW100 lớn hơn MW102 thì KQ=KT. Lệnh GE_I (Greater than or equal Integer): So sánh 2 số MW100 và MW102, Nếu MW100 lớn hơn hoặc bằng MW102 thì KQ=KT. Lệnh LE_I (Less than or equal Integer): So sánh 2 số MW100 và MW102, nếu MW100 bé hơn hoặc bằng MW102 thì KQ=KT. Lệnh so sánh hai số Double Interger và hai số thực Real tương tự như trên. Các lệnh về số học Phép Toán trên số nguyên 16 Bit: Lệnh ADD_I: Lệnh thực hiện việc cộng 2 số nguyên 16 bit, kết quả cất vào số nguyên 16 bit, nếu kết quả vượt quá 16 Bit thì cờ OV sẽ bật lên 1, cờ OS sẽ lưu bit bị tràn đó. MW104 = MW100 + MW10 Lệnh SUB_I: Lệnh thực hiện việc trừ 2 số nguyên 16 bit, kết quả cất vào số nguyên 16 bit, nếu kết quả vượt quá 16 Bit thì cờ OV sẽ bật lên 1, cờ OS sẽ lưu bit bị tràn đó. MW104 = MW100 - MW102 Lệnh MUL_I: Lệnh thực hiện việc nhân 2 số nguyên 16 bit, kết quả cất vào số nguyên 16 bit, nếu kết quả vượt quá 16 Bit thì cờ OV sẽ bật lên 1, cờ OS sẽ lưu bit bị tràn đó. MW104 = MW100 * MW102 Lệnh DIV_I: Lệnh thực hiện việc chia 2 số nguyên 16 bit, kết quả cất vào số nguyên 16 bit, nếu kết quả vượt quá 16 Bit thì cờ OV sẽ bật lên 1, cờ OS sẽ lưu bit bị tràn đó. MW104 = MW100 : MW102 Phép Toán trên số nguyên 32 Bit và số thực 32 Bit tương tự. Lệnh di chuyển Lệnh MOV: Lệnh đưa giá trị một ô nhớ sang 1 ô nhớ khác, lệnh này có thể áp dụng cho mọi kiểu số khác nhau (Int,Dint,Real,Byte.) Lệnh dịch bit Lệnh SHR_W: Lệnh thực hiện việc dịch phải ô nhớ 16 bit, kết quả cất vào ô nhớ 16 bit, N là số Bit dịch. Ô nhớ này được định dạng theo kiểu Word. Lệnh SHL_W: Lệnh thực hiện việc dịch trái ô nhớ 16 bit, kết quả cất vào ô nhớ 16 bit, N là số bit dịch. Ô nhớ này được định dạng theo kiểu Word. Các lệnh dịch phải, dịch trái ô nhớ 32 bit tương tự. Ngoài ra còn rất nhiều lệnh trong S7-300 nhưng ta chỉ nghiên cứu những lệnh cần thiết dùng trong phần lập trình về sau. CHƯƠNG III XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG CHIẾT NƯỚC, VẶN NẮP CHAI 3.1 Giới thiệu quy trình công nghệ Sau khi tìm hiểu công nghệ các dây chuyền sản xuất nước đóng chai kết hợp với kiến thức về S7-300 và WinCC, em đưa ra phương án thiết kế mô phỏng hệ thống máy chiết rót, đóng nắp và đóng thùng với các đặc điểm kỹ thuật như sau: Chứa thông tin giới thiệu về đồ án, giáo viên hướng dẫn, sinh viên thực hiện. ngoài ra còn có nút nhấn Next để vào mô hình chiết rót. Đây là graphics mô phỏng quá trình chiết rót, đóng nắp Chương trình mô phỏng sẽ chạy với PLC-Simulator thay cho hệ thống phần cứng PLC thực tế. Các ngõ vào trên thực tế được thay thế bằng Bit nội trong chương trình S7-300. Chương trình hoàn toàn tự động. Người vận hành có thể khởi động hệ thống trực tiếp từ bàn điều khiển hoặc có thể khởi động từ giao diện giám sát trên máy tính. Quá trình hoạt động của hệ thống là liên tục từ khi nhấn nút “START” cho đến khi người điều khiển ấn nút “STOP”. Các chuyển động trong mô hình được viết bằng ngôn ngữ C-Srips. Các cảm biến hoạt động giống như trong thực tế, khi vật thể đi vào cùng quét của cảm biến thì cảm biến sẽ tác động rồi gửi tín hiệu về chương trình PLC. 3.1.1 Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai Mô hình gồm các thành phần chính và chức năng từng thành phần: Băng tải 1: vận chuyển chai rỗng từ nơi cấp chai đến hệ thống chiết rót và đóng nắp. Băng tải 2: vận chuyển nắp vào hệ thống để chai lấy nắp. Sensor 1: nhận diện chai rỗng đề chiết rót vào chai Sensor 2: phát hiện chai đã đầy. Sensor 3: phát hiện chai để đóng nắp. Yêu cầu công nghệ: Quá trình điều khiển toàn hệ thống trên hai giao diện chính: Chiết nước vào chai đóng nắp diễn ra hoàn toàn tự động sau khi người vận hành ấn nút Sart. Nhưng một yêu cầu đặt ra là, việc giám sát hoạt động của hệ thống cũng cần thực hiện tự động. Điều này là thực sự cần thiết vì những lí do sau: -Trình điều khiển và giám sát gắn liền với nhau nhằm thực hiện một gải pháp hỗ trợ con người trong việc quan sat và điều khiển từ xa. -Đảm bảo tính ổn định và tang tính tin cậy của hệ thống. -Theo dõi được mọi diễn biến của quá trình, tình trạng thiết bị, trạng thái hệ thống một cách nhanh chóng, chính xác. -Dễ dàng phát hiện sự cố để có những biện pháp điều chỉnh kịp thời. Vì vậy việc thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống trên WinCC phải đảm bảo các yêu cầu sau: -Quá trình vận hành được thực hiện hoàn toàn tự động. -Quá trình điều khiển phải đúng qui trình công nghệ đảm bảo yêu cầu công nghệ. -Người vận hành dễ dàng giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống, theo dõi diễn biến quá trình. -Dễ dàng phát hiện các sự cố để có những biện pháp xử lí kịp thời. -Các giao diện thân thiện, linh hoạt và dễ dàng sử dụng. 3.2 Viết chương trình S7-300 Như đã đề cập ở phần trước, ta chỉ mô phỏng hệ thống trên máy tính nên các ngõ INPUT được thay thế bằng các bit nhớ M Bit để thuận tiện cho việc thiết kế cũng như điều khiển. Để bắt đầu viết chương trình PLC ta làm tuần tự các bước tìm hiểu công nghệ. Lập lưu đồ thuật toán, phân công ngõ vào ra, lập bảng đồ tài nguyên và viết chương trình 3.2.1 Lưu đồ thuật toán: từ nguyên tắc hoạt động của hệ thống chúng ta xây dựng lưu đồ thuật toán, để dễ hiểu ta trình bày lưu đồ chiết và đóng nắp thành hai bản rút gọn và chi tiết như sau: KẾT THÚC CHUYỂN SANG BĂNG CHUYỀN ĐÓNG GÓI ĐÓNG NẮP ĐẾN VỊ TRÍ ĐÓNG NẮP CHIẾT NƯỚC ĐẾN VỊ TRÍ CHIẾT NƯỚC BẮT ĐẦU CHAI RỖNG Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán 3.2.2 Phân công vào ra và lập bảng đồ tài nguyên Liệt kê vào bản đồ bộ nhớ, định rõ địa chỉ cho từng biến. Khi viết chương trình, sử dụng các biến vào ra theo tên thay vì sử dụng trực tiếp địa chỉ biến. Bảng 3.2 Bảng đồ tài nguyên. Sau khi phân công vào ra ta đã có địa chỉ cụ thể cho các ngõ vào ra số cũng như tên của từng địa chỉ, khi viết chương trình ta chỉ việc dùng tên hoặc địa chỉ của cac ngõ này là chương trình sẽ tự hiểu. 3.2.3 Viết chương trình PLC Ta thực hiện tuần tự các bước sau: Mở chương trình SIMATIC Manager lên theo đường dẫn “C:\Program Files (x86)\Siemens\Step7\S7Proj” Click chuột trái chọn File -> New. Đặt tên cho Profect ở mục Name rồi bấm ok hình 3.3 Hình 3.3 Đặt tên cho Profect 2/ Menu Insert>Station>2 Simatic 300 Station (hình 4.5) Hình 3.4 Chọn Station > 2 Simatic 300 Station 3/ Nhấp đúp mở mục Hardware, cửa sổ HW Config mở ra, chọn các module cho cấu hình phần cứng trạm. Gồm modul nguồn PS 307 2A, CPU 312, modul SM323 16IN/16OUTx24VDC (hình 4.6). sau đó bấn Save để lưu lại. Hình 3.5 Chọn các module cho cấu hình phần cứng trạm 4/ Tắt cửa sổ HW Config, mở khối OB1 (hình 3.6) hiện ra bảng thông tin như hình 3.7 ở mục Created in Languege chọn LAD để lập trình dang Ladder>ok Hình 3.6 Mở khối OB1 5/ Cửa sổ LAD/STL/FBD mở ra, đây là nơi viết chương trình cho PLC. Hình 3.7 Nơi viết chương trình cho PLC Sau khi viết chương trình ta download vào PLC-SIM để chạy thử. Mở PLC-SIM bằng cách click vào biếu tượng trên màn hình Simatic S7 manager. Hình 3.8 Giao diện Simatic S7 manager Lưu ý PLC-SIM có 3 chế độ tương ứng trên CPU thật. Chế độ RUN-P: khi kích hoạt chế độ này ta có thể chỉnh sửa hay download chương trình mà không phải STOP. Chế độ “RUN” và “STOP” tương ứng chạy và dừng thông thường. Nut “MRES” dùng để xóa bộ nhớ trên PLC-SIM, nút này không hoạt động ở chế độ “RUN”. Sau khi viết và kiểm tra chương trình ta có được chương trình hoàn chỉnh dạng Ladder Chương trình điều khiển trên PLC S7-300: Hình 3.9 chương trình điều khiển trên PLC S7-300. CHƯƠNG IV TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 4.1 Tổng kết Sau khi hoàn thành đồ án em đã học hỏi thêm được nhiều kiến thức có ích cho công việc sau này, đề tài tốt nghiệp có tính ứng dụng thực tế cao, sau đây là những kết quả của bản thân em đạt được: Tìm hiểu và làm quen với một dây chuyền sản xuất tự động cùng với thiết bị điện hiện đại như PLC, Sensor, màn hình cảm ứng công nghiệp, biến tần Nghiên cứu và sử dụng được chương trình Simatic Step7 trong việc viết chương trình điều khiển đáp ứng đúng yêu cầu của một hệ thống máy. Dựa vào hệ thống thực tế để tạo ra giao diện mô phỏng bằng phần mềm WinCC v7.2. Đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật. Phát triển ký năng tư duy sang tạo, khả năng học hỏi và giải quyết vấn đề. Khai thác được sức mạnh công nghệ thông tin trong việc tìm kiếm tài liệu nghiên cứu. 4.2 Hạn chế của đề tài Đây là mô hình mô phỏng trên máy tính không có thiết bị thực tế nên khó khăn trong việc lập trình, độ mượt của các chuyển động phụ thuộc nhiều vào cấu hình máy tính. Các khâu trong mô hình vẫn còn thiếu và chưa sát với thực tế. Do thời gian và kiến thức có hạn nên còn nhiều chức năng của phần mềm S7 và WinCC chứ được khai thác. Đề tài sữ dụng S7-300 và WinCC trong tự động hóa thì rất rộng lớn, hầu hết các nhà máy, xí nghiệp ứng dụng WinCC trong việc điều khiển, giám sát tất cả các khâu. Nhưng trong đề tài này ta hạn chế là chỉ mô phỏng quá trình hoạt động của một hệ thống nhỏ, chưa thể hoàn toàn theo sát với thực tế. Vì vậy vẫn còn nhiều vấn đề cần được quan tâm giải quyết trong tương lai. 4.3 Hướng phát triển Em hy vọng nếu các lớp khóa sau có cơ hội làm đề tài này hoặc những đề tài tương tự thì có thể mở rộng đề tài với một số gợi ý như sau: Được tham quan, tìm hiểu kỹ về công nghệ sản xuất của nhà máy xí nghiệp với dây chuyền chiết rót, dập nắp, phân loại và đóng thùng sản phẩm của các nhà máy xí nghiệp như: dây chuyền sản xuất nước ngọt giải khát của công ty pepsi, Cocacola, dây chuyền sản xuất nước mắm của tập đoàn Masan, dây chuyền rót nước khoáng lavie của Nestle đề tài có tính thực tiễn và sát với yêu cầu thực tế Khai thác thêm những tính năng ưu việt của phần mềm S7 và WinCC trong việc thiết kế mô phỏng cũng như thực tế. Nghiên cứu, tìm hiểu thêm một số phần mềm PLC và mô phỏng khác như PCS7 của Siemens, Logix và Factory Talk của Allen Bradlry Tiến hành phát triển xây dựng đề tài với mô hình thật. Tìm hiểu thêm mạng truyền thông công nghiệp và SCADA. 4.4 Mô hình sau khi đã hoàn thành Hình 4.0 Mặt trước của mô hình Hình 4.1 Mặt sau của mô hình Mô hình thực tế ● Các thiết bị sử dụng để làm mạch thực tế Động cơ 1 chiều có giảm tốc Động cơ điện một chiều, như tên gọi cho thấy, sử dụng dòng điện một chiều. Động cơ một chiều được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt yêu cầu mô men khởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng. + Động cơ một chiều, gồm ba thành phần chính sau: Cực từ. Tương tác giữa hai từ trường tạo ra sự quay trong động cơ một chiều. Động cơ một chiều có các cực từ đứng yên và phần ứng (đặt trên các ổ đỡ) quay trong không gian giữa các cực từ. Một động cơ một chiều đơn giản có hai cực từ: cực bắc và cực nam. Các đường sức từ chạy theo khoảng mở từ cực bắc tới cực nam. Với những động cơ phức tạp và lớn hơn, có một hoặc vài nam châm điện. Những nam châm này được cấp điện từ bên ngoài và đóng vai trò hình thành cấu trúc từ trường. Phần ứng. Khi có dòng điện đi qua, phần ứng sẽ trở thành một nam châm điện. Phần ứng, có dạng hình trụ, được nối với với trục ra để kéo tải. Với động cơ một chiều nhỏ, phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra, cho đến khi cực bắc và cực nam của nam châm hoán đổi vị trí tương ứng với góc quay của phần ứng. Khi sự hoán đổi hoàn tất, dòng điện đảo chiều để xoay chiều các cực bắc và nam của phần ứng. Cổ góp. Bộ phận này thường có ở động cơ một chiều. Cổ góp có tác dụng đảo chiều của dòng điện trong phần ứng. Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền điện giữa phần ứng và nguồn điện. + Hộp giảm tốc: Hộp giảm tốc là cơ cấu truyền động bằng ăn khớp trực tiếp, có tỉ số truyền không đổi, thường đi kèm với động cơ máy khuấy, có 2 tác dụng chính: Giảm tốc: Vì động cơ (theo chuẩn quốc tế) thường có tốc độ cao, trong khi nhu cầu sử dụng thực tế (tốc độ đầu ra) lại thấp, cho nên sẽ cần tới hộp giảm tốc để điều chỉnh vòng quay để được tốc độ như ý. Tăng tải: Lắp hộp giảm tốc vào động cơ làm tăng moment xoắn, từ đó làm tăng khả năng tải trọng và độ khỏe của trục ra hộp giảm tốc. + Một đặc trưng nữa của hộp giảm tốc cần lưu ý đó là hộp giảm tốc chỉ điều chỉnh (giảm) xuống được một tốc độ quay nhất định, khác với biến tần có thể điều chỉnh cho trục ra nhiều tốc độ sử dụng khác nhau. + Tỉ số truyền: Tỉ số truyền là tỉ số biến thiên tốc độ giữa trục vào và trục ra của động cơ hộp giảm tốc, là đại lượng thể hiện sự biến thiên tốc độ của động cơ máy ban đầu với đầu ra động cơ (tốc độ sử dụng thực tế) thông qua bộ phận giảm tốc là hộp giảm tốc. Hình 4.2 Động cơ 1 chiều có giảm tốc Thống số kỹ thuật: Điện áp định mức: 24VĐC. Điện áp làm việc: 12V - 24VĐC. Dòng điện khi không tải: 100mA. Dòng điện khi có tải là: 500mA. Tốc độ khi không tải:134 Vòng/phút. Tốc độ khi có tải: 83 Vòng/phút. Tỉ lệ giảm tốc:1/40. Momen định mức: 7,5 kgf.cm. Momen xoắn tối đa: 13 kgf.cm. Công suất tiêu thụ: 12W. Bơm mini một chiều Sử dụng động 1 chiều để truyền động trực tiếp cho bơm, trục bơm nối trực tiếp với cánh quạt để hút nước lên. Hình 4.3 Bơm một chiều mini Thông số kỹ thuật: Loại động cơ DC: 385 Điện áp sử dụng: 12VDC Dòng điện sử dụng: 0.25A Công suất: 3W Lưu lượng bơm: 1,8L/1 phút Áp suất nước: 0.3Mpa Thời gian làm việc liên tục tối đa trong 1 ngày: Không quá 8h Kích thước 86 x 46 x 46 mm Cảm biến tiệm cận Cảm biến tiệm cận (còn được gọi là “Công tắc tiệm cận” hoặc đơn giản là “PROX” tên tiếng anh là Proximity Sensors ) phản ứng khi có vật ở gần cảm biến. Trong hầu hết các trường hợp, khoảng cách này chỉ là vài mm. Vận hành đáng tin cậy ngay cả trong môi trường khắc nghiệt (ví dụ: môi trường ngoài trời hoặc môi trường dầu mỡ)mm. Cảm biến tiệm cận thường phát hiện vị trí cuối của chi tiết máy và tín hiệu đầu ra của cảm biến khởi động một chức năng khác của máy. Cảm biến từ tiệm cận bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ ở đầu cảm ứng. Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện từ dao động quanh nó. Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểm soát. Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra dòng điện (dòng điện xoáy) trong vật. Những dòng điện này gây ra tác động như máy biến thế, do đó năng lượng trong cuộn phát hiện giảm đi và dao động giảm xuống; độ mạnh của từ trường giảm đi. Hình 4.4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận Mạch giám sát phát hiện ra mức dao động giảm đi và sau đó thay đổi đầu ra. vật đã được phát hiện. Vì nguyên tắc vận hành này sử dụng trường điện từ nên cảm biến cảm ứng vượt trội hơn cảm biến quang điện về khả năng chống chịu với môi trường. Ví dụ: dầu hoặc bụi thường không làm ảnh hưởng đến sự vận hành của cảm biến. Hình 4.5 Hình ảnh thực tế của cảm biến Thông số kỹ thuật: Khoảng cách điều chỉnh:0-30cm. Điện áp làm việc: 6-36 VĐC. Dạng tín hiệu ra: NPN Thường mở. Môi trường làm việc: -40 - 70°C. Dòng tiêu thụ: 8mA/12V, 15mA/24V. Thời gian đáp ứng: 2.5ms Dòng kích ngõ ra : 300mA (MAX) Có bảo vệ ngắn mạch. Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở. Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ. Kích thước: 1.8cm (D) x 7.0cm (L). + Sơ đồ đấu dây: Dây nâu: VDD,VCC. Dây xanh: GND. Dây đen: Data. Van điện từ Van điện từ là một thiết bị cơ điện, hoạt động nhờ vào nguồn điện 24v hoặc 220v cấp vào van sinh ra dòng điện từ trường, kéo màng hút lên xuống, tạo ra hiện tượng đóng/mở của van điện từ. Van điện từ có 2 dạng là van điện từ thường mở và van điện từ thường đóng. Van điện từ thường mở là van luôn luôn ở trạng thái mở, khi nào cấp điện cho van, van sẽ đóng. Ngược lại van điện từ thường đóng là van luôn ở trạng thái đóng, khi nào cấp điện cho van, van sẽ mở ra. Hình 4.6 Van điện từ Cấu tạo của van điện từ gồm 2 phần chính là cuộn hút(cuộn coid điện) và thân van(nơi tiếp xúc dòng chảy). Cuộn hút: Gồm vỏ cuộn hút, trục, cuộn dây đồng Thân van: Có đầu ra, đầu vào, cửa van(nơi cho phép dòng chảy đi qua hay ngưng lại) Nguyên lý làm việc của van điện từ: Van điện từ hoạt động dựa vào nguồn điện cấp từ bên ngoài cho nó. Khi có nguồn điện cấp và cuộn coid điện, cuộn dây có điện và dòng điện chạy theo chiều vòng tròn của cuộn dây. Khi dòng điện chạy trong cuộn dây, nó đồng thời tương tác với trục van và sinh ra từ trường. Lực từ trường này đủ mạnh để thằng lò xo trên đầu trục van, kéo trục van lên trên. Trục van được gắn trực tiếp với màng van sẽ kéo màng van lên trên, cửa van được mở ra cho phép dòng lưu chất đi qua. Khi ngắt nguồn điện, luồng từ trường khi nãy sinh ra bị mất đi, lò xo lại đẩy trục van xuống, cửa van bị đóng lại hoàn toàn. Đối với van điện từ thường mở thì nguyên lý hoạt động tương tự nhưng ngược lại. Mời các bạn theo dõi video dưới đây để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của van điện từ. Xi lanh khí nén Xi lanh khí nén hay còn gọi là piston khí nén, xi lanh khí, pen hơi, được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, tự động hóa như công nghiệp lắp giáp, chế biến gỗ, thực phẩm, dây chuyền đóng gói, chế tạo rô bốt, lắp giáp điện tử Là thiết bị cơ học tạo ra lực, được cung cấp bởi khí nén. Hình 4.7 Xi lanh khí nén Xi lanh khí nén có cấu tạo gồm các thành phần: Thân trụ (Barrel) và Pít tông (Piston), trục pít tông (Piston rod), các lỗ cấp, thoát khí Cap-end port và Rod-end port. Cylinder Stroke (hành trình xa nhất mà piston rod có thể di chuyển): Được thiết kế tùy biến theo nhà sản xuất. Đơn vị khoảng 5mm, thông thường chỉ có 20, 25, 30 thì bạn có thể dùng loại 25 rồi đặt sensor hoặc lắp Stopper đảm bảo Stroke yêu cầu. Hoặc ngược lại, nên thiết kế lượng chạy phù hợp với tiêu chuẩn nhà máy. Hình 4.8 Nguyên lý làm việc của xy lanh khí nén Hoạt động bằng cách chuyển hóa năng lượng của khí nén thành động năng qua đó chuyền tới thiết bị. Khi lượng khí nén đưa vào xy lanh tạo nên một áp xuất làm pít tông dịch chuyển theo hướng mong muốn. Hoạt động chung: Khi được kích thích, không khí nén vào thành ống với một đầu của piston và do đó sẽ chiếm không gian trong xy lanh. Lượng khí này lớn dần sẽ làm piston di chuyển, khi piston di chuyển sẽ sinh ra công và làm thiết bị bên ngoài hoạt động. Relay trung gian Rơ le trung gian là một kiểu nam châm điện có tích hợp thêm hệ thống tiếp điểm. Rơle trung gian còn gọi là rơ le kiếng là một công tắc chuyển đổi hoạt động bằng điện. Gọi là một công tắc vì rơ le có hai trạng thái ON và OFF. Rơ le ở trạng thái ON hay OFF phụ thuộc vào có dòng điện chạy qua rơ le hay không. Hình 4.9 Relay trung gian + Cấu tạo của rơ le trung gian: Thiết bị nam châm điện này có thiết kế gồm lõi thép động, lõi thép tĩnh và cuộn dây. Cuộn dây bên trong có thể là cuộn cường độ, cuộn điện áp, hoặc cả cuộn điện áp và cuộn cường độ. Lõi thép động được găng bởi lò xo cùng định vị bằng một vít điều chỉnh. Cơ chế tiếp điểm bao gồm tiếp điểm nghịch và tiếp điểm nghịch. + Nguyên lý hoạt động Khi có dòng điện chạy qua rơ le, dòng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên trong và tạo ra một từ trường hút. Từ trường hút này tác động lên một đòn bẩy bên trong làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện và như thế sẽ làm thay đổi trạng thái của rơ le. Số tiếp điểm điện bị thay đổi có thể là 1 hoặc nhiều, tùy vào thiết kế. Rơ le có 2 mạch độc lập nhau họạt động. Một mạch là để điều khiển cuộn dây của rơ le: Cho dòng chạy qua cuộn dây hay không, hay có nghĩa là điều khiển rơ le ở trạng thái ON hay OFF. Một mạch điều khiển dòng điện ta cần kiểm soát có qua được rơ le hay không dựa vào trạng thái ON hay OFF của rơ le. Nút nhấn Nút nhấn hay là nút điều khiển là loại khí cụ điện dùng để đóng, ngắt từ xa các thiết bị điện từ khác nhau, các dụng cụ báo hiệu và cũng để chuyển đổi các mạch điều khiển tín hiệu, liên động, bảo vệ Nút nhấn dùng trong mạch điện một chiều điện áp đến 440 V và trong mạch điện xoay chiều điện áp đến 500 V. Nút nhấn là loại khí cụ điện kết hợp với một số thiết bị khí cụ điện khác như công tắc tơ, khởi động từ, rơ le trung gian, rơ le thời gian đóng hay cắt mạch điện từ xa, để khởi động, dừng, đảo chiều quay động cơ điện, chuyển đổi, liên động mạch điều khiển tín hiệu. Nút nhấn thường đặt trên các bảng điện điều khiển, ở tủ điện, trên hộp nút nhấn. Nút nhấn thường được chế tạo để làm việc trong môi trường không ẩm ướt, không có hơi hóa chất và bụi. Hình 4.10 Nút nhấn Phân loại Theo hình dạng bên ngoài nút nhấn được phân thành loại hở, loại kín, loại chống nước, chống bụi, chống nổ Theo chức năng có loại nút nhấn đơn, nút nhấn kép, loại nút nhấn thường hở, nút nhấn thường đóng Theo yêu cầu điều khiển chia ra loại 1 nút nhấn, 2 nút nhấn và 3 nút nhấn. Theo kết cấu bên trong có loại nút nhấn có đèn và nút nhấn không có đèn KẾT LUẬN Sau một thới gian nghiên cứu và thực hiện đề tài với sự tận tình chỉ bảo của các thầy cô giáo trong bộ môn tự động và đặc biệt là thầy Trần Đình Dũng , cùng với sự nỗ lực của bản thân đến nay em đã hoàn thành đầy đủ các công việc mà đề tài tốt nghiệp yêu cầu. Trong quá trình làm việc em đã tích lũy được một số kiến thức đế có thể nhanh chóng nắm bắt được những kiến thức cơ bản về PLC cũng như ứng dụng trong điều khiển để từ đó có thể nắm bắt được những công nghệ chiết rót và đóng nắp trong các nhà máy. Điều khiển tự động là một lĩnh vực mới mẻ đối với sinh viên, nên trong thời gian vừa qua mặc dù cố gắng hết sức để hoàn thành đề tài của mình song không thế tránh khỏi những thiếu sót. Em mong sự góp ý xây dựng của các thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn nữa. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, cùng các thầy ở viện Kỹ Thuật và Công Nghệ cũng như các bạn bè đã cộng tác, giúp đỡ em hoàn thành tốt đề tài. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Trịnh Đình Đông TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. “Mạng truyền thông công nghiệp” Hoàng Minh Sơn NXB KHKT 2005. 2. “Tự động hoá với S7-300 : Nguyễn Doãn Phước”, Phan Xuân Minh NXB KHKT, 2000. 3. Một số tạp chí tự dộng hoá ngày nay. 4. “Giáo trình PLC S7 - 300: Lý thuyết và ứng dụng” Nguyễn Xuân Quang. Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật T.P Hồ Chí Minh, 2006 5. Trang Web http ://www.plcs.net www.webdien.com codientu.org