LỜI CẢM ƠN

   Sau quá trình học tập và rèn luyện tại trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP Hồ Chí Minh. Được sự giúp đỡ của các thầy cô trong Khoa Cơ Khí và đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử đã giúp em hoàn thành xong đồ án này đúng tiến độ.

   Được sự phân công của bộ môn em được nhận đề tài “Thiết kế, thi công hệ thống cân và đóng gói sản phẩm” với sự hướng dẫn của thầy: Ths……………. Trong thời gian làm đề tài.

   Em xin chân thành cảm ơn thầy: Ths……………., với sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong quá trình nghiên cứu và với những kinh nghiệm mà thầy có được đã giúp em hoàn thành được những mục tiêu cơ bản mà đề tài đặt ra. Bên cạnh đó em xin cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn và các bạn đã hỗ trợ trang thiết bị vật tư để tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành mô hình và bản đồ án này.

   Em xin được trân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1. Đặt vấn đề:

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin… Do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng.

2. Tính cấp thiết của đề tài:

Cuộc cách mạng 4.0 sẽ làm thay đổi toàn diện nền kinh tế, trong đó việc áp dụng công nghệ 4.0 thay thế cho con người sẽ giúp nâng cao nền kinh tế của đất nước, hạn chế những rủi ro và làm việc một cách chính xác và hiệu quả hơn. Mục tiêu ứng dụng công nghệ 4.0 trong công nghiệp là nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Sự ra đời của bộ điều khiển PLC (Programmable Logic Controller) đã thay thế được những hệ thống cồng kềnh bằng role và các dây nối. 

4. Phương pháp nghiên cứu khoa học:

+ Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng thiết bị và tham khảo các dây truyền công nghệ ngoài thực tế.

+ Vẽ sơ đồ khối và sơ đồ nối dây của hệ thống phân loại sản phẩm

+ Viết chương trình điều khiển và giải thuật điều khiển cho PLC 

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

Việc xây dựng mô hình vật lý, cài đặt và đấu nối giữa PLC với Loadcell trong mô hình giúp em có được những kiến thức quý báu về hệ thống điều khiển dùng PLC trong công nghiệp nói chung cũng như cách vận hành và cài đặt chương trình PLC nói riêng. Đó là những kiến thức vô cùng bổ ích cho em sau khi ra trường và đi làm.

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT

2.1. Quá trình phát triển của kỹ thuật điều khiển:

+ Hệ Thống điều khiển: Hệ thống điều khiển là tập hợp các thiết bị và dụng cụ điện tử. Nó dùng để vận hành một quá trình một cách ổn định, chính xác và thông suốt.

+ Hệ thống điều khiển dùng rơle điện: Sự bắt đầu về cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đặc biệt vào những năm 60 và 70, những máy móc tự động được điều khiển bằng những rơle điện từ như các bộ định thời, tiếp điểm, bộ đếm, relay điện từ. Những thiết bị này được liên kết với nhau để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh bằng vô số các dây điện bố trí chằng chịt bên trong panel điện ( tủ điều khiển). 

2.2. Giới thiệu về PLC:

Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng tạo từ những ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor vào năm 1968. Trong những năm gần đây, bộ điều khiển lập trình được sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp của nước ta như là 1 giải pháp lý tưởng cho việc tự động hóa các quá trình sản xuất. Cùng với sự phát triển công nghệ máy tính đến hiện nay, bộ điều khiển lập trình đạt được những ưu thế cơ bản trong ứng dụng điều khiển công nghiệp. Như vậy, PLC là một máy tính thu nhỏ nhưng với các tiêu chuẩn công nghiệp cao và khả năng lập trình logic mạnh. PLC là đầu não quan trọng và linh hoạt trong điều khiển tự động hóa.

2.2.1. Cấu Trúc, Nguyên Lý Hoạt Động Của PLC:

* Cấu trúc:

- Đơn vị xử lý trung tâm:

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi. 

-  Kích thước bộ nhớ:

+ Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 - 1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo.

+ Các PLC loại lớn có kích thước từ 1-16K, có khả năng chứa từ 2000 - 16000 dòng lệnh.

+ Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM

- Các ngõ vào ra I/O:

+ Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các module (các đầu vào của PLC), các cơ cấu chấp hành được nối với các module ra (các đầu ra của PLC).

+ Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12/24 VDC hoặc 100/240 VAC.

2.2.2. Các Hoạt Động Xử Lý Bên Trong PLC:

 - Xử lý chương trình :

Khi một chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của PLC, các lệnh sẽ được trong một vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ.

PLC có bộ đếm địa chỉ ở bên trong vi xử lý, vì vậy chương trình ở bên trong bộ nhớ sẽ được bộ vi xử lý thực hiện một cách tuần tự từng lệnh một, từ đầu cho đến cuối chương trình. Mỗi lần thực hiện chương trình từ đầu đến cuối được gọi là một chu kỳ thực hiện. Thời gian thực hiện một chu kỳ tùy thuộc vào tốc độ xử lý của PLC và độ lớn của chương trình. Một chu lỳ thực hiện bao gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau:

+ Đầu tiên, bộ xử lý đọc trạng thái của tất cả đầu vào. Phần chương trình phục vụ công việc này có sẵn trong PLC và được gọi là hệ điều hành.

+ Tiếp theo, bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong chương trình. Trong ghi đọc và xử lý các lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầu vào, thực hiện các phép toán logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạng thái của các đầu ra.

2.3. Khảo Sát PLC Mitsubishi FX:

2.3.1. PLC Mitsubishi FX

Thiết bị yêu cầu để làm việc với PLC:

+ PLC

+ Programming Device: thiết bị lập trình (Máy tính)

+ Programming Software: Phần mền lập trình (GX-Works)

+ Connector Cable: cáp kết nối.

2.3.2. Phần Cứng Của PLC FX:

Tên gọi: PLC họ FX có nhiều loại: FX, FX0, FX1N, FX1S, FX2N, FX3U, FX5U là các dòng với tính năng tăng dần về: dung lượng, tốc độ xử lý, tập lệnh,….

Từ số hiệu Model PLC xác định được số I/O, dạng ngõ ra của PLC:

+ Fx1S-30MR: 30 I/O, ngõ ra dạng Relay.

+ Fx3U-80MR/ES: 80 I/O, ngõ ra dạng Relay.

+ Fx1N-60MT: 60 I/O, ngõ ra Transistor dạng Sink (kích mức 0).

Nguồn cấp cho PLC FX: 220VAC hoặc 24VDC.

* Kết nối ngõ vào Input:

+ Loại chân S/S:

FX1N – Source:

FX1N – Sink:

* Kết nối ngõ ra Output:

PLC ngõ ra Transistor (MT) thường dùng là ngõ ra dạng Sink (kích mức 0), dòng điện chịu được khoảng 0,5A. PLC ngõ Relay:

+ Ngõ ra là cặp tiếp điểm NO của relay (Dry contact)

+ Chân COM là chân chung của các cặp tiếp điểm Relay.

2.3.3. Vùng nhớ của PLC FX:

Có 6 vùng nhớ (thiết bị lập trình) cơ bản. Mỗi thiết bị có công dụng riêng Để dễ dàng xác định thì mỗi thiết bị gắn cho một ký tự.

+ X: Dùng để chỉ ngõ vào vật lý gắn trực tiếp vào PC. Các ngõ vào này có thể tự điếm theo hệ bát phân: X0X1X2X3X4X5X6X7X10X11….

+ Y: Dùng để chỉ ngõ ra trực tiếp từ PC. Các ngõ ra này có thể tự đếm theo hệ đếm bát phân: Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y10Y11….

+ M và S: Dùng như là các cờ hoạt động trong PC.

Tất cả các thiết bị trên (X, Y, M, S) được gọi là các thiết bị bit nghĩa là các thiết bị này có hai trạng thái ON hoặc OFF (1 hoặc 0)/

2.4. Các Tập Lệnh Cơ Bản Trong PLC Mitsubishi:

a. Lệnh LD load:

Lệnh LD dùng để đặt một công tắc logic thường mở cho chương trình. Trong chương trình dạng Instruction, lệnh LD lươn luơn xuất hiện ở vị trí đầu tin của một dịng chương trình hoặc mở đầu cho một khối logic (sẽ được trình by ở phần lệnh về khối). Trong chương trình dạng ladder, lệnh LD thể hiện cơng tắc logic thường mở đầu tin nối trực tiếp với đường bus bn tri của một nhnh chương trình hay cơng tắc thường mở đầu tin của một khối logic

b. Lệnh LDI (Load Inverse):

Lệnh LDI dùng để đặt một công tắc logic thường đóng vào chương trình. Trong chương trình Instruction, lệnh LDI luôn luôn xuất hiện ở vị trí đầu tiên của một dòng chương trình hoặc mở đầu cho một khối logic (sẽ được trình bày sau ở phần lệnh về khối). 

f. Cổng logic EXCLUSIVE-OR:

Cổng logic này khác với cổng OR ở chỗ là nó cho logic 1 khi một trong hai ngõ vào có logic 1, nhưng khi cả hai ngõ vào đều có logic 1 thì nó cho logic 0. logic này có thể được thực hiện bằng hai nhánh song song, mỗi nhánh là mạch nối tiếp của một ngõ vào và đảo của ngõ còn lại. Vì không có lệnh thể hiện cho logic này nên nó được biểu diện bằng tổ hợp các logic cơ bản như trên.

i. Lệnh ANB:

Lệnh SET dùng để đặt trạng thái của tham số lệnh ( chỉ cho phép toán hạng bit) lên logic 1 vĩnh viễn (chốt trạng thái 1). Trong chương trình dạng Ladder, lệnh SET luôn luôn xuất hiện ở cuối náhnh , phía bên phải của công tắc cuối cùng trong nhánh, và được thi hành khi điều kiện logic của tổ hợp các công tắc bên trái được thoả mãn.

2.5. Cách Nạp Chương Trình Vào Plc Mitshbishi:

a. Bước 1: Cài đặt chương trình GX developer:

b. Bước 2:

+ Cài Driver cho dây cáp lập trình (Tích hợp chuyển đổi USB to RS422) trên máy tính đối với máy tính sử dụng cổng USB không có sẵn cổng COM.

+ Đối với PLC Mitsubishi dòng FX thường sử dụng loại cáp USB-SC09-FX

c. Bước 3:

- Kết nối PLC Mitsubishi với máy tính bằng sợi dây cáp lập trình sau đó kiểm tra xem kết nối đã OK hay chưa bằng cách kiểm tra sau:

+  Vào Computer --> Manage

e. Bước 5: Để tạo chương trình mới vào Project, chọn New project hoặc nhấn vào biểu tượng New project trên thanh công cụ:

g. Bước 7: Để download chương trình từ PC xuống PLC, vào Online, chọn Write to PLC.

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

3.1. Ý tưởng thiết kế:

Trải qua quá trình tìm hiểu trên sách vở, internet và thực tế... em đã quyết định thiết kế ”Thiết kế, thi công hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao và khối lượng” như sau:

1. Các thiết bị cảm biển ( cảm biến quang,..)

2. Nguồn tổ ong

3. Thiết bị điều khiển.

4. PLC

3.2. Phương án lựa chọn cảm biến:

Có rất nhiều loại cảm biến có th ể ứng dụng để phân loại sản phẩm theo chiều cao như cảm biến điện dung, điện cảm và cảm biến quang... Ở đây sản phẩm có kích thước khá lớn nên việc chọn các loại cảm biến tiệm cận thì độ chính xác không cao, chính vì vậy ta chọn cảm biến quang là thích hợp nhất trong trường hợp này.

3.2. Rơle

3.2.1. Khái niệm

Rơ le (relay) là một chuyển mạch hoạt động bằng điện. Dòng điện chạy qua cuộn dây của rơ-le tạo ra một từ trường hút lõi sắt non làm thay đổi công tắc chuyển mạch. Dòng điện qua cuộn dây có thể được bật hoặc tắt, vì thế rơ-le có hai vị trí chuyển mạch qua lại.

Rơ le được sử dụng phổ biến ở các bo mạch điều khiển tự động, chuyên dụng để đóng cắt những cái dòng điện lớn mà những hệ thống mạch điều khiển không thể trực tiếp can thiệp thì người ta sẽ sử dụng rơ le để đóng cắt dòng điện cao. rơ le có rất nhiều hình dáng và kích thước và chân cắm khác nhau.

3.3.2. Nguyên lý hoạt động:

Cấu tạo gồm hai phần:

- Một cuộn hút (nam châm điện)

- Phần mạch tiếp điểm (mạch lực) dạng lẫy có thể là một lá đồng đàn hồi... để đóng hoặc mở các tiếp điểm điện khi cấp nguồn điện áp định mức chạy qua cuộn hút này sẽ trở thành nam châm điện tạo ra một từ trường có lực hút lẫy tiếp điểm, tiếp điểm sẽ đóng cho dòng điện chạy qua và tải bóng đèn hoạt động.

3.4. Lựa chọn nguồn cấp cho hệ thống:

Nguồn tổ ong là một trong những thiết bị khá quen thuộc và phổ biến hiện nay dùng để biến đổi điện áp.

* Cấu tạo:

Nguồn xung là bộ mạch có công dụng để biến đổi nguồn điện từ xoay chiều sang nguồn điện một chiều. Bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung. Trên thực tế, có rất nhiều nguồn tuyến tính cổ điển sử dụng biến áp sắt từ giúp hạ áp, sau đó dùng chỉnh lưu kết hợp với IC nguồn tuyến tính. Nhiệm vụ chính là để tạo ra các cấp điện áp một chiều tùy theo mục đích sử dụng như: 3.3V, 5V, 6V…

* Nguyên lý hoạt động:

 Khi công tắc điện mở, nguồn điện sẽ được đi qua nguồn xung. Khi đó, cuộn sơ cấp của biến áp được đóng cắt điện liên tục bằng sò công suất sẽ xuất hiện từ trường biến thiên. Dẫn đến cuộn thứ cấp của biến áp cũng xuất hiện một điện áp ra. Điện áp này được chỉnh lưu qua một vài diode rồi đưa ra tụ lọc (tụ điện) thứ cấp để san phẳng điện áp.

3.6. Các loại xy lanh khí nén:

3.6.1. Xy lanh khí nén TN 25x100S:

Là dạng cơ cấu chấp hành nhờ điều khiển qua van khí nén (van khí nén điện từ, hay van khí nén gạt tay). Xi lanh khí nén TN 25x100S thường hay được dùng cho các loại máy đơn giản.

Thông số kỹ thuật:

- Kích thước bore xy lanh : 10-32mm

- Loại tác động : 2 tác động.

- Loại vật chất tác động : khí ở cấp lọc 40 micro m

- Áp suất làm việc : 0.1 – 1.0 MPa

- Nhiệt độ làm việc : -20 đến 70 độ C

- Giới hạn tốc độ trượt : 30-500 mm/s

- Hành trình thay đổi : -10 – 0 mm

- Dung sai hành trình : +1.0 – 0

3.6.2 Xy lanh khí nén một chiều:

Xi lanh này sử dụng áp suất truyền qua không khí để tạo ra lực di chuyển theo một hướng, thông thường sẽ là ra ngoài và kèm theo một lò xo để trở về ban đầu. Đối với loại xi lanh này khí nén được sử dụng để sinh công từ một phía của piston. Sau đó piston sẽ lùi về bằng một lực đẩy của lò xo hay từ lực bên ngoài tác động. 

3.7. Thanh ép

Thanh ép có chức năng cố định lại vị trí để đặt ván ép giúp cho ván ép đứng vững và giúp cho quá trình đóng gói sản phẩm trơn tru hơn

3.9 Ván ép

Trong quá trình ép bọc ván ép có chức năng giữ thăng bằng và giúp cho miệng xy lanh và miệng bọc ép khít lại với nhau

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG

4.1. Thiết kế phần cơ khí:

Thiết Kế in chế tạo băng chuyền bằng in 3d.

4.2. Thiết kế phần điện:

Sơ đồ khối của  hệ thống.

* Nguyên lý hoạt động:

Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm một bộ xử lý trung tâm là PLC, nhận tín hiệu vào từ các cảm biến sẽ xử lý và điều khiển các cơ cấu chấp hành, đó là adrtunior.

4.3. Sơ đồ tổng thể của hệ thống:

Sơ đồ của hệ thống bao gồm:

- Băng tải  .

- Ngăn chứa sản phẩm.

- Hộp điện chứa adrunior , relay, nguồn 24V và khối PLC.

- Xy lanh đẩy

- Bàn cân sản phẩm

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ VẬN HÀNH

5.1. Bảng I/O:

Thể hiện như bảng 5.1.

5.2. Lưu đồ thuật toán:

Lưu đồ thuật toán như sơ đồ bên dưới.

5.3. Kết quả mô hình hoàn thiện:

Mô hình thực tế thể hiện như hình 5.9.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN

6.1. Kết luân:

Tóm tắt kết quả đạt được:

- Hoàn thành Thiết kế thi công mô hình đóng gói sản phẩm, gồm phần cứng và phần mềm với các chức năng sau:

- Hoàn thành quá trình nghiên cứu về phần lý thuyết của cảm biến quang để xác định sản phẩm sau khi cân, Xy lanh dùng để ép và đóng gói. Tính toán và thiết kế các bộ phận của mô hình.

- Thi công thành mô hình hoàn chỉnh.

* Ưu điểm:

+ Đã thực hiện được quá trình đóng gói sản phẩm như dự định ban đầu.

+ Tốc độ xử lý của các bộ phận khá ổn định, mất khoảng 4s cho từng quá trình hoạt động.

+ Xác xuất lỗi thấp, cảm biến và xy lanh ép hoạt động dễ dàng

+ Dễ dàng vận hành quá trình hoạt động.

* Nhược điểm:

+ Hệ thống chỉ dừng lại ở mô hình, chưa hướng đến một sản phẩm cụ thể, nên việc thiết kế cơ khí chưa được tối ưu để cho hiệu quả cao nhất.

+ Sản phẩm đóng gói còn hạn chế, thời gian hoạt động không được lâu và hiệu quả công việc hơi thấp.

6.2. Hướng phát triển:

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn và lượng kiến thức nhóm chúng em là nhất định nên đề tài thực hiện xong chỉ đáp ứng được một phần nhỏ của một hệ thống hoàn chỉnh. Vì vậy, để đề tài này thêm phong phú hơn, mang nhiều tính thực tế hơn nữa, có khả năng ứng dụng cao hơn thì em đề xuất đưa thêm vào những yêu cầu như sau:

Nên thay thế xylanh khí nén thành xylanh điện để đáp ứng được quá trình vận hành mà không gây nhiễu. Cần hướng đến sản phẩm cụ thể để có thể tối ưu trong quá trình thiết kế và thi công, nhằm mang lại năng suất hoạt động cao nhất cho hệ thống

Kết nối, giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng, xây dựng chương trình điều khiển trên máy tính hoặc thiết bị di động           

Hy vọng với những hướng phát triển nêu trên cùng với những ý tưởng, góp ý khác của các thầy cô giáo, các bạn đọc sẽ phát triển hơn nữa đề tài này, khắc phục những hạn chế, tồn tại của đề tài, làm cho đề tài trở nên phong phú hơn, mang tính ứng dụng cao hơn vào trong thực tế cuộc sống, phục vụ cho những lợi ích của công nghiệp trong tương lai.

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), Tự động hóa với PLC, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

[2]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền (1998), Truyền Động Điện, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

[3]. Bùi Tấn Lợi (9-2009), Kỹ Thuật Điện, Đại học bách khoa, Đà Nẵng.

[4]. http://loadcellkeli.com/loadcell-la-gi/

[5].http://biosignalsplux.com/downloads/docs/datasheets/Load_Cell_Datasheet.pdf

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"