MỤC LỤC hệ thống phân loại sản phẩm
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN....................................... 05
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN.......................................... 06
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................ 07
CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG....................................................... 08
1.1 Giới thiệu........................................................................................... 08
1.2 Các vấn đề đặt ra................................................................................ 10
1.3 Phương pháp nghiên cứu..................................................................... 10
1.4 Phạm vi giới hạn................................................................................. 11
CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM12
2.1 Giới thiệu về các loại phân loại sản phẩm.............................................. 12
2.1.1 Các loại hệ thống phân loại sản phẩm đang hiện hành................. 12
2.1.2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao.............................. 17
2.2 Vật liệu chế tạo................................................................................... 19
2.3 Hệ thống truyền động.......................................................................... 23
2.3.1 Động cơ điện một chiều........................................................... 23
2.3.2 Băng chuyền........................................................................... 27
2.4 Hệ thống điều khiển............................................................................ 29
2.4.1 Bộ điều khiển PLC................................................................... 29
2.4.1.1 Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình PLC................. 29
2.4.1.2 Giới thiệu bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-200........... 36
2.4.2 Piston xylanh đẩy sản phẩm...................................................... 42
2.4.3 Van đảo chiều......................................................................... 45
2.4.4 Cảm biến quang....................................................................... 47
2.4.5 Rơ le trung gian....................................................................... 50
2.4.6 Nút nhấn................................................................................. 54
CHƯƠNG III MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG.............. 55
3.1 Mô hình hóa hệ điện của động cơ điện một chiều................................... 55
3.2 Mô phỏng hệ thống............................................................................. 57
3.2.1 Mô phỏng hệ thống cơ khí........................................................ 57
3.2.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển.................................................. 58
3.2.3 Mô phỏng hệ thống khí nén...................................................... 59
CHƯƠNG IV THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG........................ 60
4.1 Tính toán thiết kế hệ thống................................................................... 60
4.1.1 Tính toán công suất động cơ..................................................... 60
4.1.2 Tính toán tốc độ của động cơ điện một chiều.............................. 61
4.1.3 Tính toán tốc độ quay các trục.................................................. 62
4.1.4 Tính công suất trên các trục...................................................... 62
4.1.5 Tính moment xoắn trên các trục................................................ 63
4.1.6 Tính toán lựa chọn piston......................................................... 63
4.2 Thi công mô hình hệ thống.................................................................. 65
CHƯƠNG V KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ..................................................... 66
5.1 Kết quả.............................................................................................. 66
5.2 Đánh giá............................................................................................ 67
5.3 Nguyên nhân và biện pháp khắc phục................................................... 68
5.4 Hướng phát triển................................................................................. 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................... 69
MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao..................... 08
Hình 2.1 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc................................... 12
Hình 2.2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao................................. 14
Hình 2.3 Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng................................. 15
Hình 2.4 Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao..................... 17
Hình 2.5 Gỗ tấm....................................................................................... 19
Hình 2.6 Thép định hình........................................................................... 19
Hình 2.7 Nhôm ống hình hộp.................................................................... 20
Hình 2.8 Ổ bi........................................................................................... 21
Hình 2.9 Trục dẫn kéo băng chuyền........................................................... 21
Hình 2.10 Các phần tử ghép nối cơ khí....................................................... 22
Hình 2.11 Sản phẩm cần được phân loại..................................................... 22
Hình 2.12 Một số loại động cơ trên thực tế................................................. 23
Hình 2.13 Cấu tạo động cơ điện một chiều.................................................. 24
Hình 2.14 Đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo................................ 26
Hình 2.15 Cấu tạo chung của băng chuyền.................................................. 28
Hình 2.16 Hình ảnh của bộ PLC S7-200 CPU 224...................................... 37
Hình 2.17 Sơ đồ nối dây PLC S7-200 CPU 224.......................................... 39
Hình 2.18 Giao diện làm việc của phần mềm STEP7-MICROWIN............... 40
Hình 2.19 Các loại xylanh thông dụng........................................................ 42
Hình 2.20 Cấu tạo của piston tác dụng kép................................................. 43
Hình 2.21 Hình ảnh xylanh CDM2BZ25-125A........................................... 44
Hình 2.22 Hình ảnh van đảo chiều 5/2........................................................ 45
Hình 2.23 Van điện từ Airtac 4V210-08..................................................... 46
Hình 2.24 Cảm biến quang........................................................................ 47
Hình 2.25 Cấu trúc cảm biến quang............................................................ 48
Hình 2.26 Cảm biến quang E3F-DS10C4................................................... 49
Hình 2.27 Rơ le trung gian........................................................................ 51
Hình 2.28 Cấu tạo của rơ le trung gian....................................................... 52
Hình 2.29 Rơ le OMRON MY4N-J DC24.................................................. 53
Hình 2.30 Nút nhấn.................................................................................. 54
Hình 3.1 Hình dáng tổng quan mô hình hệ thống phân loại sản phẩm............ 57
Hình 3.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển..................................................... 58
Hình 3.3 Mô phỏng hệ thống khí nén......................................................... 59
Hình 4.1 Hình ảnh động cơ điện một chiều 57A-AM-18-A268..................... 61
Hình 4.2 Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được hoàn thiện............................................................................................................... 65
Hình 5.1 Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao đã hoàn thành66
CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Giới thiệu
Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện- điện tử và điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học, 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 nghiệp phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng. Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, PLC, vi mạch số… được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước.
Trong quá trình hoạt động ở các nhà xưởng, xí nghiệp hiện nay, việc tiết kiệm điện năng là nhu cầu rất cần thiết, bên cạnh đó ngành công nghiệp ngày càng phát triển các công ty xí nghiệp đã đưa tự động hóa và sản xuất để tiện ích cho việc quản lý dây chuyền và sản phẩm cho toàn bộ hệ thống một cách hợp lý là yêu cầu thiết yếu, tiết kiệm được nhiều thời gian cũng như quản lý một cách dễ dàng. Để đáp ứng yêu cầu đó, nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu tài liệu, thiết kế và thi công mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao (Hình 1.1).
Hình 1.1 Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao.
Hệ thống phân loại sản phẩm hoạt động trên nguyên lý dùng các cảm biến để xác định chiều cao của sản phẩm. Sau đó dùng xylanh để phân loại sản phẩm có chiều cao khác nhau.
Từ nguyên lý làm việc trên ta thấy muốn hệ thống hoạt động được cần những chuyển động cần thiết:
- Chuyển động của băng chuyền. Để truyền chuyển động quay cho trục của băng chuyền ta dùng động cơ điện một chiều thông qua bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng trung gian.
- Chuyển động tịnh tiến của xylanh để phân loại sản phẩm có chiều cao khác nhau. Chuyển động của xylanh được điều khiển bởi hệ thống khí nén.
Chu trình làm việc máy: khi ấn nút Start máy hoạt động, sản phẩm được xylanh đẩy vào băng chuyền. Nhờ hệ thống điều khiển, sản phẩm trên băng chuyền được phân loại với chiều cao khác nhau. Các sản phẩm sau khi được phân loại sẽ được chuyển đến thùng hàng để đóng gói. Chu trình cứ thế tiếp tục cho đến khi phân loại xong sản phẩm.
Những lợi ích mà hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho chúng ta là rất lớn, cụ thể như:
- Giảm sức lao động, tránh được sự nhàm chán trong công việc, cải thiện được điều kiện làm việc của con người, tạo cho con người tiếp cận với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và được làm việc trong môi trường ngày càng văn minh hơn.
- Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm, cũng như thay đổi mẫu mã một cách nhanh chóng.
- Giúp cho việc quản lý và giám sát trở nên rất đơn giản, bởi vì nó không những thay đổi điều kiện làm việc của công nhân mà còn có thể giảm số lượng công nhân đến mức tối đa…
1.2 Các vấn đề đặt ra
Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu chế tạo: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, bảo trì, sửa chữa.
Để thiết kế được chúng ta cần thiết kế cơ khí và điều khiển được động cơ và hệ thống hoạt động tự động dựa vào lập trình và điều khiển của PLC. Ngoài ra còn có các vấn đề khác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiết...
Các vấn đề cần được giải quyết đó là:
- Vấn đề cơ khí: phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ, gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa.
- Vấn đề điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động.
- Vấn đề an toàn: đảm bảo an toàn cho người sử dụng và sản phẩm không bị hỏng.
1.3 Phương pháp nghiên cứu
Đề tài “Phân loại sản phẩm theo chiều cao” đã được nhiều sinh viên của các trường nghiên cứu và thực hiện. Đồng thời cũng đã có nhiều sinh viên thiết kế những mô hình đơn giản. Mô hình này cũng đã được thiết kế, đưa vào sử dụng trong một số nhà máy và là một sản phẩm cơ điện tử điển hình, nên trong quá trình làm đồ án, nhóm tác giả đã áp dụng phương pháp nghiên cứu sau:
* Phương pháp tuần tự và đồng thời
Kết hợp giữa việc thiết kế tuần tự và đồng thời: cụ thể là việc đầu tiên là nghiên cứu mô hình cụ thể sau đó xây dựng mô hình chứa đầy đủ những dự định sẽ có trong thiết kế qua đó có cái nhìn tổng quan về hệ thống chung và xác định thông số cơ bản. Từ đó, áp dụng để thiết kế trong giới hạn của đề tài.
* Phương pháp thực nghiệm
Mô hình hóa phần cơ, mô phỏng hóa phần điện, tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo hoàn thiện.
Chế tạo mẫu các chi tiết chưa đảm bảo hoạt động như mong muốn, hoặc chưa có trên thị trường. Sau đó chế tạo thật mô hình.
Cho chạy thử hết công suất, sau khi đã vận hành hết các chức năng cũng như công suất của hệ thống để rút ra giới hạn của hệ thống từ đó đưa ra phương án cải tiến hay thay thế từ đó đưa ra các đánh giá về hệ thống (công suất làm việc của hệ thống, vận tốc của băng tải, mức độ chịu lực, giới hạn các chỉ số cơ khí và điện năng, năng suất của hệ thống...).
1.4 Phạm vi giới hạn
Hệ thống phân loại sản phẩm là một đề tài đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu. Hiện nay trong các nhà máy xí nghiệp có rất nhiều hệ thống hoàn thiện cả về chất lượng và thẩm mỹ. Tuy nhiên, trong phạm vi một đề tài nghiên cứu, với những giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài giới hạn bởi những tính năng sau:
- Kích thước: (Dài x Rộng x Cao) 1700 x 700 x 400 (mm)
- Khối lượng: 30 Kg
- Hệ thống điều khiển: PLC và hệ thống khí nén.
- Cơ cấu đẩy sản phẩm: Xylanh piston.
- Động cơ truyền chuyển động: Động cơ điện một chiều.
- Hệ thống dẫn động: Băng chuyền.
- Điện áp cung cấp: Điện áp xoay chiều 220V và điện áp một chiều 24V.
CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
2.1 Giới thiệu về các loại phân loại sản phẩm
2.1.1 Các loại hệ thống phân loại sản phẩm đang hiện hành
Nhằm phục vụ nhiệm vụ hiện đại hóa quy trình sản xuất, hệ thống phân loại sản phẩm ra đời là một công cụ hiệu quả giúp thay thế con người trong công việc phân loại, nó đã góp phần nâng cao hiệu quả trong công việc. Một hệ thống hoàn chỉnh có thể phân loại các sản phẩm với độ tin cậy cao, hoạt động liên tục và giảm tối đa thời gian trì hoãn hệ thống. Hơn thế nữa, đối với những công việc đòi hỏi sự tập trung cao và có tính tuần hoàn, nên các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc. Điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất. Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này.
Hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay có rất nhiều trong ứng dụng thực tế trong các nhà máy xí nghiệp, nhưng chủ yếu được chia thành ba loại chính là phân loại sản phẩm theo màu sắc, theo hình dạng và theo chiều cao.
a) Phân loại sản phẩm theo màu sắc
Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc (Hình 2.1).
Hình 2.1Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc.
- Cấu tạo:
Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc (Hình 2.1) có cấu tạo chính gồm:
- Một băng chuyền.
- Một động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền.
- Cảm biến nhận biết màu sắc.
- Ba xylanh piston để phân loại sản phẩm.
- Bộ PLC dùng để xử lý tín hiệu.
- Các van đảo chiều.
- Các rơ le trung gian.
- Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn bộ hệ thống.
- Nút nhấn.
- Nguyên lý hoạt động:
Khi nhấn nút Start, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện một chiều hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai. Xylanh piston sẽ đẩy sản phẩm ra băng chuyền. Trên băng chuyền sẽ thiết kế những cảm biến nhận biết sản phẩm có màu sắc khác nhau. Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xử lý sau đó PLC đưa ra tín hiệu về van đảo chiều tác động điều khiển piston đẩy từng sản phẩm có màu sắc khác nhau vào nơi chứa riêng biệt.
- Ứng dụng:
Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc được ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói, Đá Granite, trong các dây chuyền phân loại các sản phẩm nhựa hay trong chế biến Nông sản (như Cà Phê, Gạo)… Hệ thống sẽ giúp nhà sản xuất tốn ít nhân công lao động và giảm thiểu thời gian làm việc, nâng cao năng suất lao động.
b) Phân loại sản phẩm theo chiều cao
Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao (Hình 2.2).
Hình 2.2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao.
- Cấu tạo:
- Hai băng chuyền.
- Hai động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền.
- Ba cảm biến nhận biết chiều cao.
- Hai xylanh piston để phân loại sản phẩm.
- Bộ PLC dùng để xử lý tín hiệu.
- Hai van đảo chiều.
- Các rơ le trung gian.
- Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn bộ hệ thống.
- Nút nhấn.
- Nguyên lý hoạt động:
Khi nhấn nút Start, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện một chiều thứ nhất hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thứ nhất thông qua dây đai. Trên băng chuyền này sẽ thiết kế những cảm biến nhận biết sản phẩm có chiều cao khác nhau. Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xử lý sau đó PLC đưa ra tín hiệu về van đảo chiều tác động điều khiển piston đẩy sản phẩm cao và trung bình vào khay chứa tương ứng, sản phẩm thấp sẽ được đi đến hết băng chuyền và được phân loại vào hộp chứa nằm trên băng chuyền thứ hai. Sau đó động cơ một chiều thứ hai truyền chuyển động cho băng chuyền thứ hai vận chuyển hộp chứa sản phẩm thấp về vị trí tương ứng.
- Ứng dụng:
Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp:
- Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói.
- Ứng dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm như bánh kẹo, hoa quả...
- Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất bia, nước giải khát.
c) Phân loại sản phẩm theo hình dạng
Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng (Hình 2.3).
Hình 2.3Hệthống phân loại sản phẩm theo hình dạng.
- Cấu tạo:
- Một băng chuyền.
- Một động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền.
- Hai động cơ bước gạt sản phẩm để phân loại.
- Cảm biến thị giác Camera (Nhận dạng vật thể qua Camera).
- Bộ PLC dùng để xử lý tín hiệu.
- Các rơ le trung gian.
- Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn bộ hệ thống.
- Nút nhấn.
- Nguyên lý hoạt động:
Khi nhấn nút Start, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện một chiều hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai. Trên băng chuyền sẽ thiết kế cảm biến thị giác Camera nhận dạng sản phẩm. Khi sản phẩm đi qua, Cảm biến thị giác nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xử lý sau đó PLC đưa ra tín hiệu điều khiển động cơ bước gạt từng sản phẩm có hình dạng khác nhau vào nơi chứa riêng biệt.
- Ứng dụng:
Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng được ứng dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp:
- Ứng dụng trong công nghiệp kiểm tra và phân loại sản phẩm có hình dáng khác nhau như: Gạch, Ngói, thực phẩm tiêu dùng…
- Ứng dụng trong kiểm tra và phân loại Nông Sản.
- Ứng dụng kết hợp với Robot thông minh.
Như vậy, ngoài ba loại hệ thống phân loại sản phẩm trên, chúng ta còn thấy có hệ thống phân loại sản phẩm khác theo đặc tính của sản phẩm. Ví dụ như phân loại sản phẩm theo trọng lượng, kích thước... Hầu hết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng khá tương tự nhau, chỉ khác nhau ở bộ phận đẩy sản phẩm phân loại (có thể là xylanh piston hoặc động cơ bước) và bộ phận nhận dạng sản phẩm (có thể là các loại cảm biến như màu sắc, cảm biến quang thu phát, cảm biến phát hiện kim loại, hay camera phát hiện hình dạng vật thể).
2.1.2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao
Sự kết hợp giữa ngành điện – điện tử và cơ khí là một bước tiến quan trọng trong sự phát triển của tự động hóa trong công nghiệp. Hiện nay, Đất nước ta đang trong quá trình phát triển và hội nhập, chính vì thế các mặt hàng được sản xuất ra không những đạt tiêu chuẩn về chất lượng, mà còn đòi hỏi phải có độ chính xác cao về hình dạng, kích thước, trọng lượng…Cho nên từ đó các khu công nghiệp được hình thành với nhiều dây chuyền thiết bị máy móc hiện đại phù hợp với nhu cầu sản xuất, để tạo ra năng suất cao hơn trong quá trình sản xuất. Một trong những thiết bị, máy móc hiện đại đó phải kể đến hệ thống phân loại sản phẩm. Chính vì vậy, nhóm tác giả đã quyết định thiết kế và thi công mô hình với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm” (Hình 2.4). Mô hình này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của các dây chuyền thiết bị được dùng trong hệ thống phân loại, đồng thời ứng dụng PLC vào việc điều khiển hệ thống.
Hình 2.4 Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao.
(1) – Nguồn cấp 24VDC. (2) – PLC. (3) – Động cơ một chiều.
(4) – Nút nhấn. (5) – Rơ le trung gian. (6),(8),(14) – Cảm biến.
(7),(9) – Piston phân loại. (10),(11),(12) – Van đảo chiều 5/2.
(13) – Dây dẫn khí. (15) – Sản phẩm. (16) – Băng chuyền.
(17) – Khay đựng sản phẩm. (18) – Khung đỡ cơ khí.
(19) – Hộp cấp sản phẩm. (20) – Piston cấp sản phẩm.
- Nguyên lý hoạt động:
Khi nhấn nút Start, động cơ một chiều quay truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai. Nguyên lý hoạt động được chia thành hai quá trình:
- Quá trình cấp sản phẩm vào băng chuyền: Khi có sản phẩm trong hộp, cảm biến quang nhận biết và gửi tín hiệu về PLC. Bộ PLC xử lý và đưa ra tín hiệu về đầu tác động điện của van đảo chiều 5/2 điều khiển piston đẩy sản phẩm vào băng chuyền. Hai cảm biến quang thu phát được bố trí trên băng chuyền với vị trí đặt cảm biến theo thứ tự lần lượt cao và trung bình tính từ hộp cấp phôi (Hình 2.4).
- Quá trình phân loại sản phẩm trên băng chuyền: tùy thuộc vào độ cao của từng sản phẩm để có thể phân loại. Nếu sản phẩm cao trên băng chuyền đi qua sẽ che cảm biến cao, lập tức gửi tín hiệu về PLC, bộ PLC xử lý và đưa ra tín hiệu về đầu tác động điện của van đảo chiều 5/2 điều khiển piston đẩy sản phẩm cao vào khay chứa tương ứng. Sản phẩm có chiều cao trung bình sẽ không che cảm biến cao và khi đi qua cảm biến trung bình, cảm biến sẽ nhận biết và gửi tín hiệu về PLC. Bộ PLC xử lý và xuất tín hiệu đến đầu tác động điện của van đảo chiều 5/2 điều khiển piston đẩy sản phẩm trung bình vào khay chứa tương ứng. Sản phẩm thấp nhất sẽ được đi hết băng chuyền và được phân loại vào khay chứa cuối cùng.
Khi nhấn nút Stop, hệ thống dừng hoạt động.
- Ứng dụng:
Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng để phân loại các sản phẩm có chiều cao khác nhau với độ chính xác cao. Hệ thống được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp như:
- Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói.
- Ứng dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm như bánh kẹo, hoa quả...
- Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất bia, nước giải khát.
2.2 Vật liệu chế tạo
- Đế đỡ toàn bộ mô hình: Sử dụng gỗ tấm (Hình 2.5).
Kích thước (Dài x Rộng x Cao) : 1700 x 700 x 20 (mm)
Hình 2.5 Gỗ tấm.
- Một số ưu điểm của gỗ tấm:
- Gia công đơn giản.
- Giá thành vừa phải.
- Khối lượng nhẹ hơn nhiều so với vật liệu khác.
- Không bị ăn mòn.
- Thuận tiện cho việc thiết kế và bắt vít cố định cho toàn bộ mô hình hệ thống.
- Khung đỡ: Sử dụng thép định hình (Hình 2.6). Thép định hình được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và xây dựng dân dụng, kết cấu bộ phận…
Hình 2.6 Thép định hình.
- Một số ưu điểm của thép định hình:
- Độ cứng vững cao.
- Chống ăn mòn tốt.
- Khả năng chịu nhiệt tốt.
- Chi phí sản xuất thấp.
- Bộ phận đỡ băng chuyền, xylanh và cảm biến: Sử dụng nhôm ống hình hộp (Hình 2.7). Trong mô hình, nhôm ống hình hộp có chức năng vừa làm khung đỡ kết cấu băng chuyền vừa làm cột đỡ xylanh và cảm biến. Nhôm ống hình hộp được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp cũng như xây dựng, kết cấu dân dụng, khung cửa…
Hình 2.7 Nhôm ống hình hộp.
- Một số ưu điểm của nhôm ống hình hộp:
- Gia công đơn giản hơn thép ống hình hộp.
- Khối lượng nhẹ hơn so với nhiều vật liệu khác.
- Giá thành vừa phải, tiết kiệm chi phí.
- Khả năng chống ăn mòn tốt.
- Vòng bi: Sử dụng ổ bi có kích thước Φ16 mm (Hình 2.8). Ổ bi dùng để dẫn trục quay nhẹ và giảm ma sát.
Hình 2.8 Ổ bi.
- Trục dẫn kéo băng chuyền: Sử dụng trục ren bằng thép có kích thước Φ8 mm, dài 160mm (Hình 2.9):
Hình 2.9 Trục dẫn kéo băng chuyền.
Trục ren nằm ở hai đầu băng chuyền, vừa là trục dẫn động cho băng chuyền, vừa có chức năng tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo của băng chuyền.
- Một số ưu điểm của trục ren thép:
- Chống ăn mòn tốt.
- Đảm bảo độ cứng, vững cho toàn hệ thống.
- Trục rất phổ biến trên thị trường nên giá thành vừa phải.
- Khả năng ăn khớp với ổ bi và bánh răng dẫn động cao.
- Phần tử ghép nối cơ khí: Sử dụng bulong-đai ốc, vít bắn, vít xoáy, thép chữ V,… (Hình 2.10). Các phần tử này có chức năng ghép nối các phần tử cơ khí với nhau.
Hình 2.10 Các phần tử ghép nối cơ khí.
- Ưu điểm của các phần tử ghép nối:
- Chi phí sử dụng phù hợp.
- Khả năng ghép nối cao.
- Chống ăn mòn tốt.
- Đảm bảo độ cứng, vững cho toàn hệ thống.
- Sản phẩm: Sử dụng gỗ khối hình hộp với chiều cao khác nhau (Hình 2.11).
Hình 2.11 Sản phẩm cần được phân loại.
2.3 Hệ thống truyền động
2.3.1 Động cơ điện một chiều
Trong mô hình, vì sử dụng truyền động băng chuyền dây đai và không yêu cầu tải trọng lớn nên không cần động cơ có công suất lớn. Với yêu cầu khá đơn giản của băng chuyền như là:
- Băng chuyền chạy liên tục, có thể dừng khi cần.
- Không đòi hỏi độ chính xác cao, tải trọng băng chuyền nhẹ.
- Dễ điều khiển, giá thành rẻ.
Vì vậy chỉ cần sử dụng động cơ một chiều có công suất nhỏ, khoảng 20-30 W, điện áp một chiều 24 V.
Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều được dùng rất phổ biến trong công nghiệp và ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi hoạt động.
Động cơ một chiều trong dân dụng thường là các động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và trong phạm vi rộng. Động cơ điện một chiều trong thực tế (Hình 2.12).
Hình 2.12 Một số loại động cơ trên thực tế.
a) Cấu tạo động cơ điện một chiều
Hình 2.13 Cấu tạo động cơ điện một chiều.
1- Cổ góp điện. 2- Chổi than. 3- Rotor. 4- Cực từ.
5- Cuộn cảm. 6- Stator. 7- Cuộn dây phần ứng.
- Cấu tạo của động cơ điện một chiều (Hình 2.13):
Thông tin chi tiết về động cơ [1]
- Stator (phần tĩnh): Gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy. Các cực từ chính có dây quấn kích từ.
- Rotor (phần động): Gồm lõi thép và dây quấn phần ứng. Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày khoảng 0.5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Mỗi phần tử của dây quấn phần động có nhiều vòng dây, hai đầu với hai phiến góp, hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn trong hai rãnh dưới hai cực khác tên.
- Cổ góp: gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục rotor.
- Chổi than: làm bằng than graphit. Các chổi tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy.
b) Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi than, trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm cho Rotor quay. Chiều của lực được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn sẽ đổi chỗ cho nhau do có phiến cổ góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi. Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động. Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ở động cơ một chiều thì sức điện động ngược chiều với dòng điện nên còn gọi là sức phản điện động.
c) Phân loại động cơ điện một chiều
Tùy theo cách mắc mạch kích từ so với mạch phần ứng mà động cơ điện một chiều được chia thành:
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: có dòng điện kích từ và từ thông động cơ không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng. Nguồn điện mạch kích từ riêng biệt so với nguồn điện mạch phần ứng.
- Động cơ điện một chiều kích từ song song: khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn, điện trở trong của nguồn coi như bằng không thì điện áp nguồn sẽ là không đổi, không phụ thuộc vào dòng điện trong phần ứng động cơ. Loại động cơ một chiều kích từ song song cũng được coi như kích từ độc lập.
- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng.
- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: gồm hai dây quấn kích từ, dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp, trong đó dây quấn kích từ song song là chủ yếu.
d) Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng thay đổi tốc độ một cách dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.
Từ phương trình tính tốc độ:
Suy ra: để điều chỉnh có thể:
- Điều chỉnh Uư .
- Điều chỉnh Rư bằng cách thêm Rpvào mạch phần ứng.
- Điều chỉnh từ thông F của phần ứng.
- Điều chỉnh tốc độ bằng dùng thêm Rp
Mắc nối tiếp Rp vào phần ứng, từ công thức tính tốc độ động cơ suy ra Rư tăng lên, suy ra giảm, độ dốc của đường đặc tính giảm. Các đường 1, 2 là đường đặc tính sau khi tăng Rư, đường TN là đặc tính tự nhiên của động cơ ban đầu (Hình 2.14).
Hình 2.14 Đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo.
Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục, nhưng do thêm Rp nên tổn hao tăng, không kinh tế.
- Điều chỉnh từ thông của phần ứng
Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh moment điện từ của động cơ MKΦIư và sức điện động quay của động cơ EưKω. Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ tăng lên trong phạm vi giới hạn của việc thay đổi từ thông. Nhưng theo công thức trên khiF thay đổi thì moment, dòng điện I cũng thay đổi nên khó tính được chính xác dòng điều khiển và moment tải. Do đó, phương pháp này cũng ít dùng.
- Điều khiển điện áp phần ứng
Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng điện áp:
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ.
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ.
Trong đó thông thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng.
Khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ điện thay đổi theo phương trình:
Vì từ thông của động cơ không đổi nên độ dốc đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uư của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều khiển này là triệt để.
Đặc tính thu được khi điều khiển là một họ đường thẳng song song.
2.3.2 Băng chuyền
a) Giới thiệu chung về băng chuyền
Băng chuyền thường được dùng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệu rời theo phương ngang và phương nghiêng. Trong các dây chuyền sản xuất các thiết bị này được sử dụng rộng rãi như những phương tiện để vận chuyển các cơ cấu nhẹ, trong các xưởng luyện kim dùng để vận chuyển quặng, than đá, các loại xỉ lò trên các trạm thủy điện thì dùng vận chuyển nhiên liệu.
Trên các kho bãi thì dùng để vận chuyển các loại hàng bưu kiện, vật liệu hạt hoặc một số sản phẩm khác. Trong một số ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, hóa chất thì dùng để vận chuyển các sản phẩm đẫ hoàn thành và chưa hoàn thành giữa các công đoạn, các phân xưởng, đồng thời cũng dùng để loại bỏ các sản phẩm không dùng được.
b) Ưu điểm của băng chuyền
- Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo các hướng nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp giữa nằm ngang và nằm nghiêng.
- Vốn đầu tư không lớn lắm, có thể tự động được, vận hành đơn giản, bảo dưỡng dễ dàng, làm việc tin cậy, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển khác không lớn lắm.
c) Cấu tạo chung của băng chuyền
Cấu tạo chung của băng chuyền (Hình 2.15).
Hình 2.15 Cấu tạo chung của băng chuyền.
(1) – Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật.
(2) – Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo.
(3) – Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo
Ngoài ra còn có hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ…) nằm dưới bộ phận kéo có tác dụng làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu tố làm việc.
Trong thực tế, tùy vào mức độ phức tạp trong yêu cầu phân loại sản phẩm, các hệ thống phân loại tự động có những quy mô lớn, nhỏ khác nhau. Do đó băng chuyền cũng cần có kích thước khác nhau sao cho phù hợp với hệ thống phân loại. Nhận thấy thực tiễn đó, nhóm đồ án sẽ thiết kế và thi công một mô hình nhỏ nhưng có chức năng gần tương tự như ngoài thực tế, đó là: Tạo ra một băng chuyền để vận chuyển sản phẩm, phân loại sản phẩm theo kích thước đã đạt trước.
2.4 Hệ thống điều khiển
2.4.1 Bộ điều khiển PLC
2.4.1.1 Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình PLC
a) Khái niệm về PLC
PLC là các chữ được viết tắt từ: Programmable Logic Controller. Theo hiệp hội quốc gia về sản xuất điện Hoa Kỳ thì PLC là một thiết bị điều khiển mà được trang bị các chức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung và tính toán cho phép điều khiển nhiều loại máy móc và các bộ xử lý. Các chức năng đó được đặt trong một bộ nhớ mà tạo lập sắp xếp theo chương trình. Nói một cách ngắn gọn PLC là một máy tính công nghiệp để thực hiện một dãy quá trình.
b) Giới thiệu về PLC
Từ khi ngành công nghiệp sản xuất bắt đầu phát triển, để điều khiển một dây chuyền, một thiết bị máy móc công nghiệp nào… Người ta thường thực hiện kết nối các linh kiện điều khiển riêng lẻ (Rơ le, timer, contactor…) lại với nhau tùy theo mức độ yêu cầu thành một hệ thống điện điều khiển đáp ứng nhu cầu mà bài toán công nghệ đặt ra.
Công việc này diễn ra khá phức tạp trong thi công vì phải thao tác chủ yếu trong việc đấu nối, lắp đặt mất khá nhiều thời gian mà hiệu quả lại không cao vì một thiết bị có thể cần được lấy tín hiệu nhiều lần mà số lượng lại rất hạn chế, bởi vậy lượng vật tư là rất nhiều đặc biệt trong quá trình sửa chữa bảo trì, hay cần thay đổi quy trình sản xuất gặp rất nhiều khó khăn và mất rất nhiều thời gian trong việc tìm kiếm hư hỏng và đi lại dây bởi vậy năng suất lao động giảm đi rõ rệt.
Với những nhược điểm trên các nhà khoa học, nhà nghiên cứu đã nỗ lực tìm ra một giải pháp điều khiển tối ưu nhất đáp ứng mong mỏi của ngành công nghiệp hiện đại đó là tự động hóa quá trình sản xuất nhằm giảm sức lao động, giúp người lao động không phải làm việc ở những khu vực nguy hiểm, độc hại… mà năng suất lao động lại tăng cao gấp nhiều lần.
Một hệ thống điều khiển ưu việt mà chúng ta phải chọn để điều khiển cho ngành công nghiệp hiện đại cần phải hội tụ đủ các yếu tố sau: Tính tự động cao, kích thước và khối lượng nhỏ gọn, giá thành hạ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt…
Từ đó hệ thống điều khiển có thể lập trình được PLC ra đời đầu tiên năm 1968 (Công ty General Moto – Mỹ). Tuy nhiên hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống, vì vậy qua nhiều năm cải tiến và phát triển không ngừng khắc phục những nhược điểm còn tồn tại để có được bộ điều khiển PLC như ngày nay, đã giải quyết được các vấn đề nêu trên với các ưu việt như sau:
- Là bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán điều khiển.
- Có khả năng mở rộng các modul vào ra khi cần thiết.
- Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu thích hợp với nhiều đối tượng lập trình.
- Có khả năng truyền thông đó là trao đổi thông tin với môi trường xung quanh như máy tính, các PLC khác, các thiết bị giám sát, điều khiển…
- Có khả năng chống nhiễu với độ tin cậy cao và có nhiều ưu điểm khác nữa.
Hiện nay trên thế giới đang song hành có nhiều hang PLC khác nhau cùng phát triển như hang Omron, Misubishi, Hitachi, ABB, Siemen…và có nhiều hãng nữa nhưng chúng đều có chung một nguyên lý cơ bản chỉ có vài điểm khác biệt với từng mặt mạnh riêng của từng ngành mà người sử dụng sẽ quyết định nên dùng hãng PLC nào cho thích hợp với mình.
c) Lợi ích của việc sử dụng PLC
Cùng với sự phát triển của phần cứng lẫn phần mềm, PLC ngày càng tăng được các tính năng cũng như lợi ích của PLC trong hoạt động công nghiệp. Kích thước của PLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O càng nhiều hơn, các ứng dụng của PLC càng mạnh hơn giúp người sử dụng giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống.
Lợi ích đầu tiên của PLC là hệ thống điều khiển chỉ cần lắp đặt một lần (đối với sơ đồ hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngõ vào/ra…), mà không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tự điều khiển (đối với hệ thống điều khiển relay…) khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC để lưu truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống điều khiển linh hoạt hơn.
Không như các hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng lắp đặt do chiếm một khoảng không gian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống khác. Điều này càng tỏ ra thuận lợi hơn đối với các hệ thống điều khiển lớn, phức tạp, và quy trình lắp đặt hệ thống PLC ít tốn thời gian hơn các hệ thống khác. Cuối cùng là người sử dụng có thể nhận biết các trục trặc hệ thống của PLC nhờ giao diện qua màn hình máy tính (một số PLC thế hệ sau có thể nhận biết các hỏng hóc của hệ thống và báo cho người sử dụng, điều này làm cho việc sử dụng dễ dàng hơn.
Người ta đã đi đến tiêu chuẩn hóa các chức năng chính của PLC trong các hệ điều khiển là:
- Điều khiển chuyên gia giám sát:
+ Thay thế cho điều khiển rơ le.
+ Thay thế cho các Panel điều khiển, mạch in.
+ Điều khiển tự động, bán tự động bằng tay các máy và các quá trình.
+ Có các khối điều khiển thông dụng (thời gian, bộ đếm).
- Điều khiển dãy:
+ Các phép toán số học.
+ Cung cấp thông tin.
+ Điều khiển liên tục các quá trình (nhiệt độ, áp suất…)
+ Điều khiển PID.
+ Điều khiển động cơ chấp hành.
+ Điều khiển động cơ bước.
- Điều khiển mềm dẻo:
+ Điều khiển quá trình báo động.
+ Phát hiện lỗi khi chạy chương trình.
+ Ghép nối với máy tính (RS232/RS242).
+ Ghép nối với máy in.
+ Thực hiện mạng tự động hóa xí nghiệp.
+ Mạng cục bộ.
+ Mạng mở rộng.
- Một số lĩnh vực tiêu biểu sử dụng PLC:
Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất trong công nghiệp và dân dụng. Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có khả năng đóng mở (ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong sản xuất. Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm:
- Hóa học và dầu khí: định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống dẫn.
- Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hóa trong chế tạo máy, quá trình lắp đặt máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại…
- Bột giấy, giấy, xử lý giấy: Điều khiển máy băm, quá trình ủ, quá trình cáng, quá trình gia nhiệt…
- Thủy tinh và phim ảnh: Trong quá trình đóng gói, thí nghiệm vật liệu, cân đong, các khâu hoàn tất sản phẩm, do cắt giấy.
- Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: Phân loại sản phẩm, đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm, kiểm soát quá trình sản xuất, đóng gói…
- Kim loại: Điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), quy trình sản xuất, kiểm tra chất lượng.
- Năng lượng: Điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý các tuabin…) các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ).
d) Ưu nhược điểm khi lập trình hệ thống điều khiển PLC
- Ưu điểm của PLC:
Từ thực tế sử dụng người ta thấy rằng PLC có những điểm mạnh như sau:
- PLC dễ dàng tạo luồng ra và dễ dàng thay đổi chương trình.
- Chương trình PLC dễ dàng thay đổi và sửa chữa: chương trình tác động đến bên trong bộ PLC có thể được người lập trình thay đổi dễ dàng bằng xem xét việc thực hiện và giải quyết tại chỗ những vấn đề liên quan đến sản xuất, các trạng thái thực hiện có thể nhận biết dễ dàng bằng công nghệ điều khiển chu trình trước đây. Như thế, người lập trình chương trình thực hiện việc nối PLC với công nghệ điều khiển chu trình. Người lập chương trình được trang bị các công cụ phần mềm để tìm ra lỗi cả phần cứng và phần mềm, từ đó sửa chữa thay thế hay theo dõi được cả phần cứng và phần mềm dễ dàng hơn.
- Các tín hiệu đưa ra từ bộ PLC có độ tin cậy cao hơn so với các tín hiệu được cấp từ bộ điều khiển bằng rơ le.
- Phần mềm lập trình PLC dễ sử dụng: phần mềm được hiểu là không cần những người sử dụng chuyên nghiệp sử dụng hệ thống rơ le tiếp điểm và không tiếp điểm.
- Không như máy tính, PLC có mục đích thực hiện nhanh các chức năng điều khiển, chứ không phải mang mục đích làm dụng cụ để thực hiện chức năng đó. Ngôn ngữ dùng để lập trình PLC dễ hiểu mà không cần đến kiến thức chuyên môn về PLC. Cả trong việc thực hiện sửa chữa cũng như việc duy trì hệ thống PLC tại nơi làm việc. Thực hiện nối trực tiếp: PLC thực hiện các điều khiển nối trực tiếp tới bộ xử lý (CPU) nhờ có đầu nối trực tiếp với bộ xử lý, đầu I/O này được đặt tại giữa các dụng cụ ngoài và CPU có chức năng chuyển đổi tín hiệu từ các dụng cụ ngoài thành các mức logic và chuyển đổi các giá trị đầu ra từ CPU ở mức logic thành các mức mà các dụng cụ ngoài có thể làm việc được.
- Dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống: trong khi phải chi phí rất nhiều cho việc hàn mạch hay nối mạch trong cấp điều khiển rơ le, thì ở PLC những công việc đó đơn giản được thực hiện bởi chương trình.
- Thiết lập hệ thống trong một vùng nhỏ: vì linh kiện bán dẫn được đem ra sử dụng rộng dãi nên cấp điều kiện này sẽ nhỏ so với cấp điều khiển bằng rơ le trước đây
- Tuổi thọ là bán – vĩnh cửu: vì đây là hệ chuyển mạch không tiếp điểm nên độ tin cậy cao, tuổi thọ lâu hơn so với rơ le tiếp điểm.
- Nhược điểm của PLC:
- Do chưa tiêu chuẩn hóa nên mỗi công ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngôn ngữ lập trình khác nhau, đẫn dến thiếu tính tống nhất toàn cục về hợp thức hóa.
- Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá của một bộ PLC đắt hơn khi sử dụng bằng phương pháp rơ le.
e) Cấu trúc của PLC
Hệ thống PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản, bao gồm: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện nhập/xuất (I/O), và thiết bị lập trình.
- Bộ xử lý của PLC:
Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu động trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất.
- Bộ nguồn:
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp DC cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện có trong các module giao diện nhập và xuất.
- Bộ nhớ:
Bộ nhớ là nơi lưu chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển, dưới sự kiểm tra của bộ vi xử lý.
Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ:
- Bộ nhớ chỉ để đọc ROM (Read Only Memory) cung cấp dung lượng lưu trữ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định được CPU sử dụng.
- Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM (Random Accept Memory) dahf cho chương trình của người dung.
- Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM dành cho dữ liệu. Đây là nơi lưu trữ thông tin theo trạng thái của các thiết bị nhập xuất, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn các bộ đếm và các thiết bị nội vi khác. RAM dữ liệu đôi khi được xem là bảng dữ liệu hoặc bảng ghi.
- Thiết bị lập trình:
Thiết bị lập trình được sử dụng để nhập chương trình vào bộ nhớ của bộ xử lý. Chương trình được viết trên thiết bị này sau đó được chuyển đến bộ nhớ của PLC.
- Các phần tử nhập và xuất:
Là nơi bộ xử lý nhận các thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài. Tín hiệu nhập có thể đến từ các công tắc hoặc từ các bộ cảm biến…
Thiết bị Logic khả trình PLC là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển, thông qua một ngôn ngữ lập trình riêng thay cho việc phải thiết kế và thể hiện thuật toán đó bằng mạch số. Như vậy, với chương trình điều khiển của nó PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ trao đổi thông tin với môi trường bên ngoài (với PLC khác, với các thiết bị, với máy tính cá nhân). Toàn bộ chương trình điều khiển được nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và được thực hiện theo chu kỳ vòng quét (SCAN).
Thực chất PLC hoạt động như một máy tính cá nhân nghĩa là phải có bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ để lưu trữ chương trình điều khiển, dữ liệu, có cổng vào ra để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài. Bên cạnh đó PLC còn có các bộ Counter, Timer để phục vụ bài toán điều khiển.
f) Cấu trúc bên trong cơ bản của PLC
Cấu trúc cơ bản bên trong của PLC bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU) chứa bộ vi xử lý hệ thống, bộ nhớ, và mạch nhập/xuất. CPU điều khiển và xử lý mọi hoạt động bên trong của PLC. Bộ xử lý trung tâm được trang bị đồng hồ có tần số trong khoảng từ 1 đến 8 MHz. Tần số này quyết định tốc độ vận hành của PLC, cung cấp chuẩn thời gian và đồng bộ hóa tất cả các thành phần của hệ thống. Thông tin trong PLC được truyền dưới dạng các tín hiệu digital. Các đường dẫn bên trong truyền các tín hiệu digital được gọi là Bus. Về vật lý bus là bộ dây dẫn truyền các tín hiệu điện. Bus có thể là các vệt dây dẫn trên bảng mạch in hoặc các dây điện trong cable. CPU sử dụng bus dữ liệu để gửi dữ liệu giữa các bộ phận, bus địa chỉ để gửi địa chỉ tới các vị trí truy cập dữ liệu được lưu trữ và bus điều khiển dẫn tín hiệu liên quan đến các hoạt động điều khiển nội bộ. Bus hệ thống được sử dụng để truyền thông giữa các cổng và thiết bị nhập/xuất.
Cấu hình CPU tùy thuộc vào bộ xử lý. Nói chung CPU bao gồm:
- Bộ thuật toán và logic (ALU) chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu, thực hiện các phép toán số học (cộng, trừ, nhân, chia) và các phép toán logic AND, OR, NOT.
- Bộ nhớ còn gọi là các thanh ghi, bên trong bộ vi xử lý, được dùng để lưu trữ thông tin liên quan đến sự thực thi của chương trình. Bộ điều khiển được sử dụng để điều khiển chuẩn thời gian của các phép toán.
Bus là các đường dẫn dùng để truyền thông bên trong PLC. Thông tin được truyền theo dạng nhị phân, theo nhóm bit, mỗi bit là một số nhị phân 1 hoặc 0 tương tự các trạng thái ON/OFF của tín hiệu nào đó. Thuật ngữ từ được sử dụng cho nhóm bit tạo thành thông tin nào đó. Vì vậy một từ 8 bit có thể là số nhị phân 00100110. Cả 8 bit này được truyền thông đồng thời theo dây song song của chúng. Hệ thống PLC có bốn loại bus:
+ Bus dữ liệu: tải dữ liệu được sử dụng trong quá trình xử lý của CPU. Bộ xử lý 8 bit có 1 bus dữ liệu nội có thể thao tác với các số 8 bit, có thể thực hiện các phép toán giữa các số 8 bit và phân phối các kết quả theo giá trị 8 bit.
+ Bus địa chỉ: được sử dụng để tải các địa chỉ và các vị trí trong bộ nhớ. Như vậy mỗi từ có thể được định vị trong bộ nhớ, mỗi vị trí bộ nhớ được gắn vào một địa chỉ duy nhất. Mỗi vị trí từ được gán một địa chỉ sao cho dữ liệu được được lưu trữ ở vị trí nhất định để CPU có thể đọc hoặc ghi ở đó bus địa chỉ mang thông tin cho biết địa chỉ sẽ được truy cập. Nếu bus địa chỉ gồm 8 đường, số lượng từ 8 bit, hoặc số lượng địa chỉ phân biệt là 28=256. Với bus địa chỉ 16 đường số lượng địa chỉ khả dụng 65536.
+ Bus điều khiển: bus điều khiển mang các tín hiệu được CPU sử dụng để điều khiển. Ví dụ để thông báo cho các thiết bị nhớ nhận dữ liệu từ thiết bị nhập hoặc xuất dữ liệu và tải các tín hiệu chuẩn thời gian được dùng để đồng bộ hóa các hoạt động.
+ Bus hệ thống: được dùng để truyền thông giữa các cổng nhập/xuất và các thiết bị nhập/xuất.
2.4.1.2 Giới thiệu bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-200
a) Giới thiệu chung
Simatic S7-200 là thiết bị điều khiển logic lập trình của hãng SIEMENS (Cộng hòa Liên bang Đức). Simatic S7-200 rất linh hoạt và hiệu quả do các đặc tính sau:
- Có nhiều CPU khác nhau trong hệ S7-200 nhằm đáp ứng nhu cầu khác nhau trong từng ứng dụng.
- Có nhiều modul mở rộng khác nhau như modul vào/ra tương tự, modul vào/ra số. Có thể mở rộng đến bảy modul. Bus nối tích hợp trong modul ở phía sau.
- Có thể kết nối mạng với cổng giao tiếp RS485 hay PROFIBUS.
- Máy tính trung tâm có truy nhập đến từng modul.
- Không quy định rãnh cắm.
- Phần mềm điều khiển riêng.
Bộ PLC dùng trong mô hình hệ thống là bộ PLC S7-200 CPU 224 AC/DC/RLY Modul: 214-1BD21-0XB0 (Hình 2.16).
Hình 2.16 Hình ảnh của bộ PLC S7-200 CPU 224.
b) Thông số kĩ thuật của CPU S7-200 CPU 224
- Kích thước (mm): 120.5 x 80 x 62
- Bộ nhớ chương trình: 4096 words
- Bộ nhớ dữ liệu: 2560 words
- Cổng logic vào: 14
- Cổng logic ra: 10
- Modul mở rộng: 7
- Digital I/O cực đại: 128/128
- Analog I/O cực đại: 32In/32Out
- Bộ đếm (Counter): 256
- Bộ định thì (Timer): 256
- Tốc độ thực hành lệnh: 0.37μs
- Đặc điểm ngõ vào:
- Mức logic 1: 24VDC/4mA
- Mức logic 0: đến 5VDC/1mA
- Đáp ứng thời gian: 0.2ms
- Cách ly quang: 500VAC
- Địa chỉ ngõ vào: Ix.x
- Đặc điểm ngõ ra:
- Ngõ ra Relay.
- Điện áp tác động: 24-28VDC/2A.
- Chịu dòng quá tải 7A
- Thời gian chuyển mạch tối đa: 10ms
- Địa chỉ ngõ ra: Qx.x
- Không có chế độ bảo vệ ngắn mạch.
- Ghép nối PLC với máy tính: sử dụng cáp PC/PPI để chuyển đổi giữa RS232 và RS485.
c) Ngôn ngữ lập trình của bộ điều khiển PLC
Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ cho các đối tượng sử dụng khác nhau. Bộ PLC S7-200 có ba loại ngôn ngữ lập trình cơ bản:
- Hình thang (LAD-Ladder logic): loại ngôn ngữ đồ họa thích hợp với người sử dụng quen thiết kế mạch logic.
- Liệt kê lệnh (STL-Statement list): dạng ngôn ngữ lập trình thông dụng của máy tính. Trong đó một chương trình được ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiểm một hàng và có cấu trúc chung: “Câu lệnh+toán hạng”.
- Hình khối (FBD- Function Block Diagram): loại ngôn ngữ đồ họa thích hợp với người sử dụng quen thiết kế mạch điều khiển số.
Hiện nay loại ngôn ngữ “hình thang” được sử dụng phổ biến nhất và được thống nhất là loại ngôn ngữ sử dụng chung.
d) Sơ đồ nối dây PLC S7-200 CPU 224
Dưới đây là sơ đồ nối dây PLC S7-200 CPU 224 với nguồn và thiết bị ngoại vi (Hình 2.17).
Hình 2.17Sơ đồ nối dây PLC S7-200 CPU 224.
Trong đó:
- Hàng 1:
- Các chân 1L, 2L, 3L là ba chân nối với +24VDC.
- Các chân từ 0.0 đến 0.7 và chân 1.0, 1.1 là các ngõ ra Q.
- Chân N và L1 được nối với nguồn xoay chiều 220V.
- Hàng 2:
- Các chân 1M, 2M là hai chân nối với âm nguồn 0VDC.
- Các chân từ 0.0 đến 0.7 và từ 1.0 đến 1.5 là các ngõ vào I.
- Chân L+ cấp nguồn +24VDC cho cảm biến.
- Chân M là nối với chân 0VDC của cảm biến.
e) Giới thiệu phần mềm lập trình STEP7-MICROWIN
Đây là phần mềm cho phép lập trình với cả ba ngôn ngữ là STL, LAD và FBD.
- Giao diện làm việc:
Sau khi đã cài đặt phần mềm STEP7-MICROWIN và vào chương trình làm việc, giao diện làm việc (Hình 2.18).
Navigation Bar-InstructionTree Cross Reference Data Block Status Chart Symbol Table
Output Window Status Bar Program Editor Local Variable Table
Hình 2.18 Giao diện làm việc của phần mềm STEP7-MICROWIN.
- Navigation Bar: Thể hiện các khối và các lệnh làm việc được tạo sẵn trong phần mềm. Để sử dụng các khối này ta chỉ cần kích vào nút biểu tượng tương ứng với khối cần dùng.
- Instruction Tree: Thể hiện tất cả các khối và lệnh sử dụng trong chương trình dưới dạng cây thư mục. Muốn làm việc với lệnh nào chỉ việc kích đúp chuột vào vị trí đó để chọn thiết bị làm việc.
- Cross Reference: Khối được thể hiện dưới dạng bảng giúp người dùng có thể giám sát được vị trí và loại của dữ liệu dùng trong chương trình.
- Data Block: Đây là khối chứa dữ liệu của một chương trình. Ta có thể định dạng dữ liệu trước trong khối này và sử dụng chúng trong chương trình. Khi tải chương trình vào PLC thì toàn bộ nội dung của khối sẽ được lưu vào bộ nhớ của PLC. Khối chỉ làm việc với dữ liệu của vùng nhớ V.
- Status Chart: Khối này giúp người dùng có thể giám sát và hiệu chỉnh các dữ liệu trong chương trình bằng cách đưa các dữ liệu giám sát vào trong khối.
- Symbol Table: Khối này cho phép người dùng đặt biểu tượng và chú thích các địa chỉ sử dụng trong chương trình.
- Program Editor: Đây là vùng chính để thực hiện chương trình bằng cách đưa các lệnh vào trong vùng và sắp xếp chúng theo cách thức của người dùng để tạo ra một chương trình.
- Menu Bar và Toolbar: Là các thanh công cụ giúp thực hiện nhanh các lệnh và chức năng sử dụng trong chương trình.
2.4.2 Piston xylanh đẩy sản phẩm
Piston xylanh bao gồm piston xylanh thủy lực và khí nén, thực chất là một loại động cơ thủy lực (khí nén) dùng để biến đổi thế năng của dầu (khí nén) thành cơ năng, thực hiện chuyển thẳng hoặc chuyển động vòng không liên tục. Piston xylanh được dùng rất phổ biến trên các thiết bị có cơ cấu chấp hành chuyển động thẳng đi về, xylanh khí nén có kết cấu đơn giản, nhưng có khả năng thực hiện một công suất lớn, làm việc ổn định và giải quyết vấn đề chắn khít tương đối đơn giản. So với hệ thống thủy lực, hệ thống khí nén có công suất nhỏ hơn nhưng có nhiều ưu điểm hơn như:
- Có khả năng truyền năng lượng đi xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn nhỏ.
- Do có khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí nên có thể trích chứa khí nén rất thuận lợi.
- Không khí dùng để nén hầu như có số lượng không giới hạn và có thể thải ra ngược trở lại bầu khí quyển.
- Hệ thống khí nén sạch sẽ, dù cho có sự rò rỉ không khí nén ở hệ thống ống dẫn, do đó không tồn tại mối đe dọa bị nhiễm bẩn.
- Chi phí nhỏ để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, bởi vì phần lớn trong các xí nghiệp, nhà máy đã có sẵn đường dẫn khí nén.
- Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo, nên tính nguy hiểm của quá trình sử dụng hệ thống truyền động bằng khí nén thấp.
a) Phân loại Piston xylanh
Thông tin chi tiết về Piston [2] b)
Hình 2.19 Các loại xy lanh thông dụng.
a) Xylanh tác động đơn.
b) Xylanh tác động kép.
- Xylanh tác động đơn (xylanh tác động một chiều) (Hình 2.19a). Áp lực khí nén chỉ tác dụng vào một phía của xylanh, phía còn lại là do ngoại lực hay do lò xo tác dụng.
- Xylanh tác dụng kép (xylanh tác dụng hai chiều) (Hình 2.19b). Áp suất khí nén được dẫn vào hai phía của xylanh do yêu cầu điều khiển mà xylanh sẽ đi vào hay đi ra tùy thuộc vào áp lực.
b) Lựa chọn piston xylanh dùng trong hệ thống
Do đặc điểm của xy lanh tác động nhanh, hành trình không lớn, cố định nên nhóm tác giả chọn xy lanh tác dụng hai chiều sử dụng trong hệ thống. Xylanh tác động hai chiều giúp hệ thống được điều khiển một cách hoàn toàn tự động và chính xác.
- Cấu tạo của xylanh tác động kép (Hình 2.20).
Hình 2.20 Cấu tạo của piston tác dụng kép.
- Piston 2. Đệm kín piston 3. Trục piston 4. Dẫn hướng
5. Đệm kín trục 6. Vòng chắn bụi 7. Nắp xylanh 8,13. Cửa lưu chất
9. Thân xylanh 10. Buồng trục 11. Buồng piston 12. Đế xylanh
- Nguyên lý hoạt động:
Khi có tín hiệu tác động, khí được cấp vào cửa 8 của xylanh, khi đó piston đi vào trong. Khi có tín hiệu tác động trở lại, khí được cấp vào cửa 13 điều khiển piston đi ra theo chiều ngược lại.
Nhóm tác giả đã lựa chọn piston đẩy sản phẩm. Đó là xylanh piston tác dụng kép CDM2BZ25-125A (Hình 2.21).
Hình 2.21 Hình ảnh xy lanh CDM2BZ25-125A.
Với các thông số kỹ thuật:
- Loại: Khí nén
- Hoạt động: Tác dụng kép.
- Môi trường hoạt động: Khí nén.
- Áp suất vận hành lớn nhất: 1.0 MPa
- Áp suất vận hành nhỏ nhất: 0.05 MPa
- Nhiệt độ của khí: -10°C đến 70°C
- Vật liệu bôi trơn: Không yêu cầu
- Tốc độ piston: 50 đến 750 mm/s
- Giảm chấn: Bằng cao su.
- Động năng cho phép: 0.4J
2.4.3 Van đảo chiều
a) Định nghĩa van đảo chiều
Van đảo chiều khí nén là phần tử dùng để đóng, ngắt, đảo chiều dòng khí nén, thông qua đó mà thay đổi được hướng tác động của cơ cấu chấp hành khí nén.
b) Van đảo chiều sử dụng trong mô hình hệ thống
Trong mô hình hệ thống phân loại sản phẩm, nhóm đồ án sử dụng van đảo chiều 5/2.
- Định nghĩa:
Van 5/2 là van có 5 cửa làm việc và 2 trạng thái làm việc (Hình 2.22).
- Cửa P là cửa cung cấp nguồn năng lượng.
- Cửa A lắp với buồng trái xylanh cơ cấu chấp hành.
- Cửa B lắp với buồng bên phải của xylanh cơ cấu chấp hành
- Cửa T và cửa R là cửa xả năng lượng.
Hình 2.22 Van đảo chiều 5/2.
- Ký hiệu:
- Công dụng:
Van 5/2 có tác dụng làm đảo chiều điều khiển xylanh tác động kép.
- Nguyên lý hoạt động:
Khi con trượt van di chuyển qua phải, cửa P thông với cửa A, cửa B thông với cửa T. Khi con trượt của van di chuyển qua trái, cửa P thông với cửa B, cửa A thông với cửa R.
- Van điện từ 5/2 sử dụng trong mô hình hệ thống (Hình 2.23).
Hình 2.23 Van điện từ Airtac 4V210-08.
Nhóm tác giả sử dụng Van điện từ 5/2 tác động điện Airtac 4V210-08 với các thông số kỹ thuật như sau:
- Loại van: 5 cửa 2 vị trí.
- Điện áp đầu vào: 110V, 220V, 24V.
- Kích thước cửa: Cửa vào, Cửa ra: 1/4”, Cửa xả 1/8”
- Môi trường làm việc: Khí nén.
- Diện tích không gian: 16 mm2
- Áp suất làm việc: 0.15 - 0.8 MPa.
- Nhiệt độ cho phép: -5°C đến 60°C
- Sai số điện áp cho phép: ±10%
- Công suất tiêu thụ: AC: 5.5 VA, DC: 4.8W
2.4.4 Cảm biến quang
Thông tin chi tiết cảm biến quang [3].
a) Định nghĩa cảm biến quang
Cảm biến quang điện (Photoelectric sensor, PES) (Hình 2.24) nói một cách khác thực chất chúng là do các linh kiện quang điện tạo thành. Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của cảm biến quang, chúng sẽ thay đổi tính chất. Tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot khi có một lượng ánh sáng chiếu vào.
Hình 2.24 Cảm biến quang.
Hiện nay có các loại cảm biến quang như :
- Cảm biến quang thu phát.
- Cảm biến quang phản xạ gương.
- Cảm biến quang khuếch tán.
b) Vai trò và ứng dụng của cảm biến quang
Cảm biến quang đóng vai trò rất quan trọng trong các ngành công nghiệp nói chung và tự động hóa nói riêng. Chúng được ứng dụng trong các công việc đòi hỏi độ chính xác cao và môi trường làm việc khắc nghiệt và khoảng cách xa. Cụ thể như:
- Xác định vị trí sản phẩm trên các băng chuyền và đếm sản phẩm.
- Phát hiện xe trong các bãi đỗ xe, rửa xe.
- Kiểm tra sản phẩm có đổ ngã hoặc có đủ bộ phận chưa.
- Phát hiện người hoặc vật đi qua cửa.
- Làm Sensor an toàn cho các máy kéo sợi, máy dệt.
- Ứng dụng trong các dây chuyền phát hiện và đóng nắp chai.
- Kiểm tra Robot đã được gắn linh kiện đã được lắp ráp hay chưa trong các dây chuyền lắp ráp oto.
c) Cấu trúc của cảm biến quang
Cấu trúc của cảm biến quang (Hình 2.25) khá đơn giản, gồm ba thành phần chính:
Hình 2.25 Cấu trúc cảm biến quang.
- Bộ phát ánh sáng
Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng led bán dẫn. Ánh sáng được phát ra theo xung - nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng của nguồn khác (ánh sáng mặt trời, ánh sáng khác…). Các loại LED thông dụng là LED đỏ, LED hồng ngoại, LED lazer. Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc LED xanh lá.
- Bộ thu ánh sáng
Thông thường bộ thu sáng là một phototransistor (Tranzito quang). Bộ phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ. Hiện nay, nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch tích hợp chuyên dụng ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Mạch này tích hợp tất cả các bộ phận quang, khuếch đại xử lý chức năng và một vi mạch (IC). Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phận phát (như trường hợp loại thu - phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán).
- Mạch xử lý tín hiệu ra
Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu On/Off được khuếch đại. Khi lượng ánh sáng thu vượt quá ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt. Mặc dù một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ-le vẫn khá phổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu bán dẫn (PNP / NPN). Một số loại cảm biến quang có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho nhiệm vụ đo đếm.
d) Cảm biến sử dụng trong mô hình hệ thống
Với đề tài phân loại sản phẩm theo chiều cao, nhóm tác giả sử dụng cảm biến quang E3F-DS10C4 (Hình 2.26) để nhận biết và phân loại sản phẩm.
Hình 2.26 Cảm biến quang E3F-DS10C4.
Đây là cảm biến quang điện phản xạ khuếch tán: đầu ra là NPN.
- Đặc điểm của cảm biến:
- Chống nhiễu tốt.
- Gọn và tiết kiệm chỗ.
- Bảo vệ chống ngắn mạch và nối cực nguồn.
- Chế độ hoạt động: ON - đèn sáng, OFF - đèn tắt.
- Thông số định mức và đặc tính kỹ thuật:
- Thông số kỹ thuật: E3F DS10C4.
- Kích thước (Đường kính x Chiều dài): 22 x 70 mm.
- Khoảng cách phát hiện: 100mm.
- Dòng định mức: 200mA.
- Vỏ làm bằng chất liệu ABS.
- Vật thể phát hiện tiêu chuẩn: 100 x 100 mm.
- Đặc tính trễ: Tối đa 20% khoảng cách phát hiện.
- Nguồn sáng (bước sóng): LED hồng ngoại (860nm).
- Điện áp nguồn cấp: 12VDC-24VDC.
- Công suất tiêu thụ: Tối đa 25mA.
- Thời gian đáp ứng: Tối đa 2.5ms.
- Nhiệt độ môi trường: Hoạt động -25°C đến 55°C (không đóng băng hoặc ngưng tụ). Bảo quản -30°C đến 70°C (không đóng băng hoặc ngưng tụ)
- Độ ẩm môi trường: Hoạt động 35% đến 85%, bảo quản -30% đến 95%
- Trọng lượng (cả vỏ): 85g.
2.4.5 Rơ le trung gian
Thông tin chi tiết về rơ le [4].
a) Khái niệm chung về rơ le
Rơ le (Hình 2.27) là loại khí cụ điện hạ áp tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định. Rơ le được sử dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực khoa học công nghệ và đời sống hàng ngày.
Rơ le có nhiều chủng loại với nguyên lý làm việc, chức năng khác nhau như rơ le điện tử, rơ le phân cực, rơ le cảm ứng, rơ le nhiệt, rơ le điện từ tương tự, rơ le điện tử…
Hình 2.27 Rơ le trung gian.
Đặc tính cơ bản của rơ le: là đặc tính vào ra. Khi đại lượng đầu vào X tăng đến một giá trị tác động X2, đại lượng đầu ra Y thay đổi nhảy cấp từ 0 (Ymin) đến 1 (Ymax). Theo chiều giảm của X, đến giá trị số nhả X1 thì đại lượng đầu ra sẽ nhảy cấp từ 1 xuống 0. Đây là quá trình nhả của rơ le.
b) Phân loại rơ le
Có nhiều loại rơ le với nguyên lý và chức năng làm việc rất khác nhau. Do vậy có nhiều cách để phân loại rơ le:
- Phân loại nguyên lý làm việc theo nhóm:
- Rơ le điện cơ.
- Rơ le nhiệt.
- Rơ le từ.
- Rơ le số.
- Phân loại theo nguyên lý tác động của cơ cấu chấp hành:
- Rơ le có tiếp điểm: loại này tác động lên mạch bằng cách đóng mở các tiếp điểm.
- Rơ le không tiếp điểm (rơ le tĩnh): loại này tác động bằng cách thay đổi đột ngột các tham số cảu cơ cấu chấp hành mắc trong mạch điều khiển như: điện cảm, điện dung, điện trở,…
- Phân loại theo đặc tính tham số vào:
- Rơ le dòng điện.
- Rơ le công suất.
- Rơ le tổng trở…
- Phân loại theo cách mắc cơ cấu:
- Rơ le sơ cấp: loại này được mắc trực tiếp vào mạch điện cần bảo vệ.
- Rơ le thứ cấp: loại này mắc vào mạch thông qua biến áp đo lường hay biến dòng điện.
- Phân loại theo giá trị và chiều các đại lượng đi vào rơ le:
- Rơ le cực đại.
- Rơ le cực tiểu.
- Rơ le cực đại-cực tiểu.
- Rơ le so lệch.
e) Rơ le trung gian
Rơ le trung gian được sử dụng rộng rãi trong các sơ đồ bảo vệ hệ thống điện và các sơ đồ điều khiển tự động, đặc điểm của rơ le trung gian là số lượng tiếp điểm khá lớn (thường đóng và thường mở) với khả năng chuyển mạch lớn và công suất nuôi cuộn dây bé nên nó được dùng để truyền và khuếch đại tín hiệu, hoặc chia tín hiệu của rơ le chính đến nhiều bộ phận khác nhau của mạch điều khiển và bảo vệ.
- Cấu tạo của rơ le trung gian (Hình 2.28).
Hình 2.28 Cấu tạo của rơ le trung gian.
- Gông từ. 2. Cuộn dây. 3. Thép từ.
4. Lò xo. 5. Tiếp điểm.
- Nguyên lý hoạt động của rơ le trung gian:
Nếu cuộn dây của rơ le được cấp điện áp định mức (qua tiếp điểm của rơ le chính) sức từ động do dòng điện trong cuộn dây sinh ra sẽ tạo ra trong mạch từ thông, hút nắp làm các tiếp điểm thường mở đóng lại và các tiếp điểm thường đóng mở ra. Khi cắt điện của cuộn dây, lò xo sẽ nhả đưa nắp và các tiếp điểm về vị trí ban đầu. Do dòng điện qua tiếp điểm có giá trị nhỏ nên hồ quang khi chuyển mạch không đáng kể nên không cần buồng dập hồ quang.
Rơ le trung gian có kích thước nhỏ gọn, số lượng tiếp điểm đến bốn cặp thường đóng và thường mở liên động, công suất tiếp điểm cỡ 5A, 250VAC, 28VDC, hệ số nhả của rơ le nhỏ hơn 0.4, thời gian tác động dưới 0.05s, cho phép tần số thao tác dưới 1200 lần/giờ.
Hình 2.29 Rơ le OMRON MY4N-J DC24.
Trong mô hình sử dụng rơ le OMRON MY4N-J DC24 (Hình 2.29) với các thông số kỹ thuật:
- Số chân: 14 chân dẹt.
- Có đèn led hiển thị.
- Điện áp cuộn dây: 24VDC
- Tiếp điểm: 5A, 250VAC/28VDC
- Thời gian tác động: 20ms Max.
- Tần số hoạt động: Điện: 1800 lần/giờ, Cơ: 18000 lần/giờ.
- Tuổi thọ: AC: 50.000.000 phút, DC: 100.000.000 phút.
- Tần số: 1800 lần/giờ.
- Nhiệt độ làm việc: -55°C - 70°C
2.4.6 Nút nhấn
a) Khái niệm
Nút nhấn còn gọi là nút điều khiển là một loại khí cụ điện điều khiển bằng tay, dùng để điều khiển từ xa các khí cụ điện đóng cắt bằng điện từ, điện xoay chiều, điện một chiều hạ áp, các dụng cụ báo hiệu và cũng để chuyển đổi các mạch điện điều khiển, tín hiệu liên động bảo vệ…
Nút nhấn thường được dùng để khởi động, dừng và đảo chiều quay các động cơ bằng cách đóng cắt các cuộn dây nam châm điện của công tắc tơ, khởi động từ.
b) Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Nút nhấn gồm hệ thống lò xo, hệ thống các tiếp điểm thường mở và thường đóng và vỏ bảo vệ. Khi tác động vào nút nhấn, các tiếp điểm chuyển trạng thái và khi không còn tác động, các tiếp điểm trở lại trạng thái ban đầu.
Nút nhấn thường đặt trên bảng điều khiển, ở tủ điện, trên hộp nút ấn. Các loại nút nhấn thông dụng có dòng điện định mức là 5A, điện áp ổn định mức là 400V, tuổi thọ điện đến 200.000 lần đóng cắt. Nút nhấn màu đỏ thường dùng để đóng máy, màu xanh để khởi động máy (Hình 2.30).
Hình 2.30 Nút nhấn.
CHƯƠNG III: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
3.1 Mô hình hóa hệ điện của động cơ điện một chiều
CHƯƠNG IV THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
4.1 Tính toán thiết kế hệ thống
Phương pháp tính chọn [5]
4.1.1 Tính toán công suất động cơ
Công suất động cơ được xác định theo công thức:
Trong đó Pct , Pt: là công suất cần thiết trên trục động cơ và công suất tính toán.
Giả thiết hệ dẫn động băng tải làm việc ổn định với tải trọng không đổi ta có:
- Công suất công tác:
Với: v 0.2 m/s (vận tốc băng tải).
F1 60N (lực kéo băng tải).
F2 5N (lực kéo sản phẩm).
- Hiệu suất hệ dẫn động:
Trong đó:
