Đồ án điều khiển LogicThiết kế chương trình điều khiển cho hệ thống chiết rót, đóng nắp chai và xếp thùng tự động

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 4

1.1 Cơ sở lựa chọn đề tài 4

1.3.4 Các công nghệ dây chuyền chiết, đóng nắp, đóng thùng 6

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG 11

2.1 Động cơ 11

2.1.1 Động cơ điện xoay chiều 11

2.1.2 Động cơ điện một chiều 12

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 24

3.1 Sơ lược về PLC của hãng Mitsubishi 24

3.2 Lựa chọn PLC 25

3.2.1 Cấu tạo 26

3.2.2 Thông số kỹ thuật 26

3.2.3 Sơ đồ chân 27

3.2.4 Sơ đồ nối đây đầu vào 28

3.2.5 Sơ đồ nối dây đầu ra 29

3.3 Phân kênh vào ra 29

3.4 Lưu đồ thuật toán 31

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 32

4.1 Thiết kế mạch động lực và mạch trung gian 32

4.2 Thiết kế mạch điều khiển 33

CHƯƠNG 5: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 34

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay quá trình tự động hóa trong công nghiệp là hết sức quan trọng đối với sựphát triển của một quốc gia Với các nước phát triển như Mỹ, Nhật…thì tự động hóa khôngcòn xa lạ và đã trở nên quen thuộc Ở các nước này máy móc hầu như đã thay thế lao độngchân tay, số lượng công nhân trong nhà máy đã giảm hẳn và thay vào đó là những lao độngchuyên môn, những kỹ sư có tay nghề, điều khiển giám sát trực tiếp quá trình sản xuấtthông qua máy tính.

Việt Nam là nước đang phát triển thì nhu cầu hiện đại hóa trong công nghiệp là điềuhết sức quan trọng đối với phát triển kinh tế cũng như như cầu công nghiệp hóa hiện đại hóađất nước.

Là những sinh viên theo học chuyên ngành “Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa” cùngnhững nhu cầu, ứng dụng thực tế cấp thiết của nền công nghiệp nước nhà, em muốn đượcnghiên cứu và tìm hiểu những thành tựu khoa học mới để có nhiều cơ hội biết thêm về kiếnthức thực tế, củng cố kiến thức đã học, phục vụ tốt cho sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại

hóa Vì vậy thông qua môn Đồ án điều khiển logic em đã chọn đề tài: “Thiết kế chương

trình điều khiển cho hệ thống chiết rót, đóng nắp chai và xếp thùng tự động”.

Sinh viên thực hiệnPhan Đình Khoa

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Cơ sở lựa chọn đề tài

Hiện nay trong công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, yêu cầu ứng dụngtự động hoá vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất (yêu cầu điều khiển tự động, linh hoạt,tiện lợi, gọn nhẹ…) ngày càng cao Mặt khác nhờ công nghệ thông tin, công nghệ điện tử đãphát triển nhanh chóng làm xuất hiện một loại thiết bị điều khiển khả trình PLC.

Để thực hiện công việc một cách khoa học nhằm đạt được số lượng sản phẩm lớn,nhanh mà lại tiện lợi về kinh tế Các công ty, xí nghiệp sản xuất thường sử dụng công nghệlập trình PLC Dây chuyền sản xuất tự động PLC giảm sức lao động của công nhân mà sảnxuất lại đạt hiệu quả cao đáp ứng kịp thời cho đời sống xã hội.

Với ý nghĩa đó em chọn đề tài: “Thiết kế chương trình điều khiển cho hệ thống

chiết rót, đóng nắp chai và xếp thùng tự động”.1.2 Mục tiêu

Sử dụng PLC Mitsubishi FX3G để xây dựng chương trình điều khiển Kết quả môphỏng sát với thực tế nhất có thể.

1.3 Tổng quan về dây chuyền công nghệ

Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai gồm 3 dây chuyền:

- Dây chuyền thứ nhất thực hiện hai khâu chính chiết rót và đóng nắp chai:

 Hệ thống được khởi động, vỏ chai sau khi được xúc rửa được đặt trên băngchuyền thứ nhất bắt đầu đưa vào bàn xoay thực hiện quá trình chiết rót và đóngnắp Nguồn nước tinh khiết từ bể chứa được nối vào hệ thống.

 Chai sẽ được cảm biến phát hiện vật phát hiện khi đi vào ô thứ nhất của bànxoay, khi đó bàn xoay sẽ đứng yên và bắt đầu thực hiện bơm nước Nhờ cảmbiến lưu lượng (ta xác định được thể tích đưa vào chai).

 Khi chai đã đủ nước nó sẽ được chuyển sang vị trí đóng nắp Nắp chai được lấpđầy trong máng chứa và được đưa vào ngay đầu chai.

Sau khi đóng nắp chai, chai được bàn xoay đưa đến băng chuyền thứ 2.

- Dây chuyền thứ hai: ở băng chuyền hai hệ thống đếm đủ số chai và đưa vào tay kẹp

Cảm biến tiện cận sẽ đếm số chai, khi đến đủ 2 chai thì một piston sẽ đẩy 2 chai đó vềphía tay kẹp Khi đã đủ 6 chai bên tay kẹp, tay kẹp sẽ giữ chặt cổ chai và bắt đầu tiến hànhđưa chai vào thùng.

- Dây chuyền thứ 3: quá trình xếp chai vào thùng diễn ra ở băng chuyền 3.

Cảm biến tiện cậm phát hiện thùng, thùng đặt ngay dưới tay kẹp chai, lúc này tay kẹpchỉ việc đưa xuống và thả chai vào thùng.

Hệ thống sử dụng PLC của Mitsubishi làm khối điều khiển trung tâm, điều khiểnxuyên suốt hệ thống.

1.3.1 Phạm vi áp dụng

Cơ sở sản xuất nước uống tinh khiết đóng chai hoặc nước khoáng, nước ngọt khác.

1.3.2 Yêu cầu thiết kế

Thiết kế hoàn chỉnh phần mền trên hệ thống chiết rót, đóng nắp chai hoạt động ổnđịnh tin cậy.

1.3.3 Các chức năng chính của hệ thống

Hệ thống kết hợp 3 khâu: chiết rót, đóng nắp, đóng thùng sản phẩm.

Mạch điều khiển trung tâm PLC FX3G của Mitsubishi: Điều khiển xuyên suốt hệthống chiết rót, đóng nắp, xếp thùng Khi có sự cố xảy ra, hệ thống dừng khẩn cấp khi nhấnnút stop.

1.3.4 Các công nghệ dây chuyền chiết, đóng nắp, đóng thùng

a Chiết nước vào chai

Hiện nay có khá nhiều công nghệ chiết nước vào chai, tùy loại chất lỏng sẽ có cáchchiết rót khác nhau như: nước có ga, nước không ga, chất lỏng dạng cô đặc Định lượng sảnphẩm lỏng là chiết một thể tích nhất định sản phẩm lỏng và rót vào trong chai, bình, lọ Định lượng sản phẩm lỏng bằng máy được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuấtthực phẩm Khi định lượng bằng máy thì cải thiện được điều kiện vệ sinh, đảm bảo đượcnăng 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 bìnhđịnh mức trước khi rót vào chai.

- Định lượng bằng chiết tới mức cố định: chất lỏng được chiết tới mức cố địnhtrong chai bằng cách chiết đầy, sau đó lấy khối thể tích bù trừ ra khỏi chai khi đó mứclỏng trong chai sẽ hạ xuống một khoảng như nhau bất kể thể tích của các chai có bằngnhau hay không Ngoài ra còn sử dụng ống thông hơi, chất lỏng được chiết tới khingập 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 này chỉ áp dụng cho các sản phẩm có giá trị thấp, không yêu cầu độchính xác định lượng.

- Phương pháp rót đẳng áp: phương pháp này được áp dụng cho các sản phẩm cógas như bia, nước ngọt Trong khi rót, áp suất trong chai lớn hơn áp suất khí quyểnnhằm tránh không cho ga (khí CO2) thoát khỏi chất lỏng Với phương pháp rót đẳng ápthông thường, người ta nạp khí CO2 vào trong chai cho đến khi áp suất trong chai bằngáp suất trong bình chứa, sau đó cho sản phẩm từ bình chứa chảy vào trong chai nhờchênh lệch độ cao.

Máy định lượng, chiết rót sản phẩm lỏng gồm nhiều cơ cấu rót, mỗi cơ cấu rót đượcbố trí chiết cho 1 chai Các cơ cấu rót có thể được bố trí thẳng hàng, làm việc cùng lúc (máychiết có cơ cấu chiết thẳng) hoặc bố trí trên bàn quay, làm việc tuần tự (máy chiết bàn quay)

Hình 1.1: Máy chiết bàn quayb 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 từthùng chứa xuống đường dẫn đồng thời được xếp đúng chiều, chai nước được đưa vào vị tríđóng nắp và cố định để hệ thống đóng nắp hoạt động Sau khi đóng nắp chai sẽ được đưatới bộ phận vặn nắp để chắc chắn rằng tất cả các nắp phải được đóng kín.

Hình 1.1 Máy chiết rót và đóng nắp kiểu bàn xoay

Hình 1.2: Máy chiết rót và đóng nắp kiểu bàn xoayc Xếp thùng

Các máy đóng thùng chai hiện nay rất đa dạng từ thô sơ tới cực kỳ hiện đại Tùy theodạng sản phẩm sẽ có cách đóng gói khác nhau Với chai lọ thủy tinh dễ vỡ hay các chai códung tích lớn thường được đóng thùng bằng cánh tay Robot Phương pháp này hiện đại vàchính xác nhất, đảm bảo chống va đập làm hư sản phẩm Số lượng sản phẩm phụ thuộc vàokích thước thùng chứa, số lượng chai gắp trong một lần cũng dễ dàng cài đặt, ví dụ như đểđóng két cho bia chai thì mỗi lần cánh tay robot có thể gắp 20 chai Dây chuyền đóng thùnggồm 2 băng tải, một băng tải đa sản phẩm đến tay gắp, một băng vận chuyển thùng, haibăng tải đặt ngang nhau Bộ phận gắp chai được điểu khiển đồng bộ bằng khí nén.

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 và một băngtải chứa thùng phía dưới, khi số chai chạy vào khung đủ số lượng thì phần đáy của khungmở 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 vào đáy chai, cách đóng thùng này nhanh và đơngiản hơn dùng cánh tay Robot.

Hình 1.3: Hệ thống xếp thùng

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG

2.1 Động cơ

2.1.1 Động cơ điện xoay chiều

Hình 2.1: Động cơ xoay chiều

* Ưu điểm của động điện cơ xoay chiều: - Ít phải bảo dưỡng do không có cổ góp.- Kết cấu bền vững.

- Khả năng điều khiển tốc độ quay đa dạng.- Dùng nguồn trực tiếp từ lưới, sử dụng dể dàng.- Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ.

* Nhược điểm của động cơ điện xoay chiều:- Khi dùng trọng tải lớn thì chịu quá tải kém.

- Luôn vận hành gắn với hệ thống xoay chiều có sẵn.- Cấu trúc điều khiển phức tạp khó mô tả toán học.

2.1.2 Động cơ điện một chiều

Hình 2.2: Động cơ điện một chiều

* Ưu điểm của động cơ điện một chiều:

- Điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà không ảnh hưởng tới điện áp cung cấp Dễ dàng điềuchỉnh tốc độ hơn động cơ xoay chiều.

- Có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khácnhau.

- Có momen khởi động và làm việc lớn ổn định khi tải thay đổi.- Chịu quá tải tốt moment khởi động lớn ổn định về tốc độ.* Nhược điểm của động cơ điện một chiều:

- Là phức tạp về phần đều khiển và khó khăn khi bảo trì bảo dưỡng.- Cấu tạo của động cơ điện một chiều cũng phức tạp hơn.

2.2 Băng tải

Một hệ thống đang được sử dụng nhiều trong các nhà máy cơ sở sản xuất tiết kiệm sứclao động, nhân công, thời gian và tăng hiệu quả rõ rệt đó chính là băng tải, băng chuyền.

Hiểu một cách đơn giản nhất thì có thể hiểu băng tải là một cơ chế hoặc máy có thểvận chuyển một tải đơn (thùng carton, hộp, túi…) hoặc số lượng lớn vật liệu (đất, bột, thựcphẩm…) từ điểm A đến điểm B.

Định nghĩa chuyên nghiệp hơn thì hệ thống băng tải là thiết bị chuyển tải có tính kinhtế cao nhất trong ứng dụng vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệu trong sản xuất với mọikhoảng cách.

Vậy hệ thống băng chuyền là một trong những bộ phận quan trọng trong dây chuyềnsản xuất, lắp ráp của các doanh nghiệp, nhà máy Góp phần tạo nên một môi trường sảnxuất năng động, khoa học và giải phóng sức lao động mang lại hiệu quả kinh tế cao.

Hình 2.3: Băng tải dạng thảm

2.3 Hệ thống khí nén

Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng khí nén:

Thực hiện lệnh điều khiểnTín hiệu ra

Các phần tử đưa tín hiệu:

- Nút ấn- Công tắc hành trình- Cảm biến tiệm cận

2.3.1 Xy lanh

Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học.Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng (xilanh) hoặc chuyển động quay(động cơ khí nén).

Xilanh tác động đơn (tác động một chiều)

Xilanh tác động hai chiều (tác động kép)

Xilanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn không điều chỉnh được.

Xilanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn điều chỉnhđược.

Xilanh quay bằng thanh rang.

2.3.2 Van khí

Hình 2.4: Van khí

Van khí nén (van điện từ) hay còn gọi là “Solenoid valve” Đây là một thiết bị cơ điện,dùng để kiểm soát dòng chảy chất khí hoặc lỏng dựa vào nguyên lý chặn đóng mở do lựctác động của cuộn dây điện từ.

- Khô và không lẫn bụi bẩn.

Các tiêu chuẩn này mới chỉ đáp ứng các yêu cầu chung và được dùng trong các côngviệc như làm sạch môi trường, sản phẩm, bơm hơi…

Để một hệ thống khí nén làm việc bền vững, liên tục và tin cậy, nguồn khí nén cầnphải được tăng cường ổn định về áp suất, phun dầu bôi trơn cho các phần tử điều khiển, cơcấu chấp hành…

2.4 Cảm biến2.4.1 Định nghĩa

Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý hay hóahọc ở môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạngthái hay quá trình đó.

2.4.2 Phân loại

a Theo tín hiệu đầu ra:

- Cảm biến ON/OFF.- Cảm biến tương tự.- Cảm biến số.

b Theo tín hiệu đầu vào:

- Cảm biến vị trí.

- Cảm biến khối lượng, lực.- Cảm biến áp suất.

- Cảm biến vận tốc, gia tốc.- Cảm biến nhiệt độ.

Tín hiệu số

Góc quay0

Tín hiệu ON/OFF

Thời gian

235 o CNhiệt độTín hiệu tương tự

- Cảm biến lưu lượng.

c Theo bản chất và cấu tạo:

- Cảm biến quang điện.

- Cảm biến tiệp cận điện dung.- Cảm biến siêu âm.

- Cảm biến nhiệt.- Cảm biến lazer.- Cảm biến điện cảm.

Cảm biến quang gương phản xạ cũng gồm led hồng ngoại thu và phát như quang thuphát nhưng hoạt động thì ngược lại Khi có vật thể tác động vào vùng phát sẽ làm chắn ánhsáng từ led hồng ngoại phát không cho đi qua gương phía đối điện để đến led hồng ngoạithu thương dùng cho những vật có màu tối, đen có tính chất hấp thu ánh sáng nhiều.

Hình 2.5: Cảm biến thu phát quang

b Cảm biến lưu lượng:

Hình 2.6: Cảm biến lưu lượng nước

Chất liệu bằng nhưa, bên trong có cánh quạt và cảm biến hall Khi nước chảy qua vancảm biến làm cho động cơ quay dẫn đến sự thay đổi trạng thái đầu ra của cảm biến hall, tínhiệu ra dạng xung.

Phạm vi đo: 400 đến 5000 l/h.Nguyên lý làm việc: Turbine.Độ chính xác: 0.5%.

Nhiệt độ môi chất và môi trường: -40 đến 800C.Áp suất làm việc: 500 bar.

Đơn vị xung: 0.0027l/phút, (360 xung/l).Nguồn cấp: 3 – 24 VDC.

Ngõ ra: xung (NPN, NO).

Tần số tín hiệu ra: F = 7,5.Q (L/phút).Trong đó:

Q: Lưu lượng nước.

F: Tần số tín hiệu đầu ra (Hz).

Tính toán thực tế:

Với dung tích chai là 360 ml Ta có công thức tính xung đầu ra của cảm biến lưu lượng: F = 7,5.Q (l/phút)

= 7,5.0.36.60 = 162 xung

2.4.4 Đầu ra của cảm biến

Ngày nay, hầu hết cảm biến cảm ứng đều có đặc điểm đầu ra transistor có logic NPNhoặc PNP Những loại này còn được gọi là kiểu DC - 3 dây.

Hình 2.7: Đầu ra của cảm biến kiểu DC - 3 dây

Cảm biến được chia theo chế độ hoạt động thường mở (NO) và thường đóng (NC) môtả tình trạng có tín hiệu đầu ra của cảm biến sau khi có hoặc không phát hiện được vật.* Với đầu ra transistor có logic NPN:

- Thường mở: Tín hiệu điện áp thấp khi phát hiện ra vật Tín hiệu điện áp cao khi khôngcó vật.

- Thường đóng: Tín hiệu thấp khi không có vật Tín hiệu cao khi phát hiện ra vật.* Với đầu ra transistor có logic PNP:

- Thường mở: Tín hiệu điện áp cao khi phát hiện ra vật Tín hiệu điện áp thấp khi khôngcó vật.

- Thường đóng: Tín hiệu cao khi không có vật Tín hiệu thấp khi phát hiện ra vật.

Trong một số trường hợp cài đặt, người ta sử dụng cảm biến tiệm cận có 2 kết nối (âmvà dương) Chúng được gọi là kiểu DC - 2 dây theo kiểu công tắc tiệm cận.

Hình 2.8: Đầu ra của cảm biến kiểu DC - 2 dây

2.5 Công tắc hành trình

Công tắc hành trình trước tiên là cái công tắc tức là làm chức năng đóng mở mạchđiện, và nó được đặt trên đường hoạt động của một cơ cấu nào đó sao cho khi cơ cấu đến 1vị trí nào đó sẽ tác động lên công tắc Hành trình có thể tịnh tiến hoặc quay.

Khi công tắc hành trình được tác động nó sẽ làm đóng hoặc ngắt một mạch điện đểđiều khiển một thiết bị khác.