Đồ án Điều khiển hệ thống tự động đóng nắp chai bằng PLC

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... Nhận xét của giáo viên phản biện ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ...................................................................................................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................................................................................................... TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VINH KHOA ĐIỆN ŸŸŸŸŸŸŸ—–ŸŸŸŸŸŸŸ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐÓNG NẮP CHAI BẰNG PLC Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Anh Tuấn Sinh viên thực hiện : Hồ Đình Hưng Mã số sinh viên: 0211040293 Lớp : Đại học Điện A_K2 Vinh, tháng 12 năm 2010 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VINH KHOA ĐIỆN ŸŸŸŸŸŸŸ—–ŸŸŸŸŸŸŸ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐÓNG NẮP CHAI BẰNG PLC Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Anh Tuấn Sinh viên thực hiện : Hồ Đình Hưng Mã số sinh viên: 0211040293 Lớp : Đại học Điện A_K2 Nội dung các phần thuyết minh: 1. Giới thiệu chi tiết nội dung đề tài 2. Giới thiệu thiết bị điều khiển và áp dụng viết chương trình cho hệ thống điều khiển tự động đóng nắp chai bằng PLC. 3. Lập các sơ đồ mạch động lực và điều khiển cho hệ thống 4. Lập hồ sơ trang bị điện cho hệ thống điều khiển tự động đóng nắp chai bằng PLC. 5. Kết luận. Các bản vẽ : (trong thuyết minh) 1. Bản vẽ mô tả hệ thống điều khiển tự động đóng nắp chai bằng PLC. 2. Bản vẽ lưu đồ giải thuật mô tả (bằng lời). 3. Bản vẽ lưu đồ giải thuật mã hoá (bằng lôigic). 4. Bản vẽ mạch kết nối của thiết bị điều khiển. 5. Bản vẽ mạch động lực. 6. Bản vẽ mạch điều khiển. Ngày giao đề tài : ..../ ..../2010 Ngày kết thúc đề tài : ..../...../2010 Vinh, ngày. tháng.năm 2010 MỤC LỤC Lời nói đầu 5 Chương I: Chi tiết nội dung đề tài và giới thiệu về công nghệ 1.1 - Đặt vấn đề 6 1.2 - Yêu cầu công nghệ 6 1.3 - Mô tả hoạt động hệ thống 11 1.4 - Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống Tự động đóng nắp chai 12 Chương II: Giới thiệu tập lệnh cơ bản , thiết bị điều khiển lập trình và chương trình điều khiển hệ thống Tự động đóng nắp chai trên S7---200 2.1 - Giới thiệu thiết bị điều khiển lập trình 13 2.2 - Tập lệnh cơ bản dùng trong thiết bị điều khiển khả trình PLC S7 – 200. 19 2.3 - Sơ đồ kết nối vào ra của thiết bị PLC S7 – 200 29 Chương III: Sơ đồ mạch động lực và điều khiển tự động đóng nắp chai bằng PLC S7 – 200 3.1 - Sơ đồ mạch điều khiển 30 ?????? Chương IV: Trang bị điện hệ thống tự động đóng nắp chai PLC S7 – 200 4.1 - Thiết bị dùng trong hệ thống 37 4.2 - Những chú ý khi vận hàmh và thay thế, sửa chữa 37 Chương V: Kết luận Tài liệu tham khảo 37 Lời nói đầu Hiện nay, trong công cuộc xây dựng đất nước trở thành một nước công nghiệp phát triển, cuộc sống ngày càng hiện đại, yêu cầu ứng dụng tự động hoá ngày càng cao vào đời sống sinh hoạt, sản xuất. Mặt khác, với phát triển như vũ bão của công nghệ thông tin, công nghệ điện tử đã làm xuất hiện một loại thiết bị, thiết bị này đã đáp ứng được yêu cầu nói trên, đó là thiết bị điều khiển khả trình “ PLC ”. Ngày nay với sự tự động hóa ngày càng cao, các nhà máy hầu hết đều áp dụng những tiến bộ khoa học tân tiến nhất để cho ra những sảm phẩm chất lượng cao mà giá thành phù hợp với người tiêu dùng. Mặt khác, để đảm bảo tính chính xác cao hơn trong sản xuất các nhà máy sản xuất bắt buộc phải sử dụng đến máy móc thiết bị tự động, mặc dù có thể chi phí đầu tư cho máy móc thiết bị là lớn, thậm chí rất lớn nhưng do nhu cầu của thị trường và tính cạnh tranh khốc liệt trên thị trường thì việc đưa máy móc thiết bị tự động vào sản xuất là điều tất yếu của các nhà máy. Thực tế, đã từ lâu và hiện nay cũng vậy việc sản xuất những sản phẩm được bảo quản trong chai, lọ,lon là rất nhiều, chúng đóng góp một phần sản phẩm rất lớn cho xã hội .Trong phạm vi đồ án môn học này tôi dùng thiết bị lập trình PLC để viết chương trình cho hệ thống điều khiển tự động đóng nắp chai. Trong thực tế có rất nhiều loại PLC của nhiều hãng sản xuất như : Hãng Siemens - Đức, Omron - Nhật, Goldstar - Hàn quốctrên thị trường Việt Nam. PLC là thiết bị mới đang được ứng dụng rộng rãi cũng như thế chỗ tất cả thiết bị cũ trong tương lai. Thiết bị khả trình PLC mà tôi sử dụng để viết chương trình điều khiển đóng nắp chai trong đồ án này là PLC S7 -200 của hãng Siemens - Đức. Trong quá trình làm đồ án còn gặp nhiều khó khăn, nhưng được sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Anh Tuấn em đã hoàn thành xong đồ án này. Mặc dù đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi một số sai sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, cũng như các bạn đồng nghiệp để đồ án được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Hồ Đình Hưng Chương I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÓNG NẮP CHAI 1.1- Đặt vấn đề: Sản phẩm sản xuất được bảo quản trong chai lọ, ngoài sự bảo quản của các hóa chất (nếu có) thì rõ ràng phải được đóng nắp cẩn thận để nhằm bảo quản một cách tốt nhất cho sản phẩm, và hiện nay các sản phẩm đóng chai được sản xuất ngày càng nhiều phục vụ nhu cầu ngày càng cao của xã hội, một phần do các sản phẩm đóng chai nói chung được bảo quản tốt hơn và có thể để được lâu hơn so với khi bảo quản trong hộp, túi nilongvà tất nhiên một phần nữa đó là về mặt thẩm mỹ của sản phẩm (ở đây chưa nói về nhãn mác của sản phẩm) nên các sản phẩm đóng trong chai, lọ ngày càng được sản xuất nhiều hơn. Và tất nhiên song song với nó là công nghệ đóng nắp chai điều khiển bằng hệ thống PLC, khâu không thể thiếu trong dây chuyền sản xuất các sản phẩm đóng chai . 1.2 – Yêu cầu công nghệ + Hai băng tải : Băng tải 1 : chuyền chai Băng tải 2 : chuyền nắp chai + Có 5 cảm biến lần lượt là : Cảm biến siêu âm phát hiện chai bị nứt. Cảm biến quang kiểm tra chai không có nước hoặc chưa đầy. Cảm biến tiệm cận kiểm tra chai thành phẩm. Cảm biến quang kiểm tra nắp chai hỏng Cảm biến quang kiểm tra nắp chai tốt + Các Cylinder được sử dụng như sau : - Cylinder đẩy chai nứt vào ngăn chứa phế phẩm. - Cylinder kẹp chai. - Cylinder tịnh tiến đóng nắp chai. - Cylinder đẩy nắp chai hỏng + Một cái van nhả nắp xuống Cylinder đóng nắp 1.2.1 Một số loại cảm biến siêu âm Cảm biến siên âm có nhiều loại, tùy theo công dụng như để nhận biết vật trong khoảng cách gần hay xa, nhận biết các vật có tính chất khác nhau và trong những điều kiện hoạt động khác nhau mà người ta chế tạo các loại cảm biến siêu âm cũng khác nhau. * Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF (Time Of Flight)       Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngoại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm.Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF: d = v • t/2 * Tầm quét của cảm biến siêu âm : Cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn các điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm ở đâu đó.  * Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF *: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở 1 / 2 cảm biến *: Số vang ghi lại bởi cảm biến.  Đây là những tiếng vọng ghi từ đọc gần đây nhất, và được ghi đè mới bằng mỗi lần khác nhau.  A: Những cảm biến nhỏ hơn điển hình (SRF 05/04 / 08) kích thước.  B: Phạm vi thời gian có thể được điều chỉnh xuống bằng cách điều chỉnh được.  C: cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánh sáng.  D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn. 1.2.2 Một số loại cảm biến tiệm cận Cảm biến tiệm cận là giải pháp đủ khả năng và chung nhất để phát hiện đối tượng mà không cần chạm vào. Cảm biến tiệm cận được sử dụng phổ biến nhất là loại cảm ứng từ, nó phát ra một trường điện từ để phát hiện đối tượng kim loại đi qua gần bề mặt của nó. Đây là cách thông thường dễ nhất mà kỹ thuật cảm biến áp dụng cho những ứng dụng phát hiện đối tượng kim loại trong phạm vi một hoặc hai inch của bề mặt cảm biến. Cảm biến tiệm cận của Autonics có 12 chủng loại gồm 6 loại khác nhau, cảm ứng từ và điện dung, và duy trì vị trí số 1 thị trường Hàn Quốc hơn 10 năm qua, và vẫn nỗ lực để cải tiến chất lượng sản phẩm và độ tin cậy cảm biến lên mức cao nhất của thị trường toàn cầu. Nếu bạn đang tìm kiếm loại cảm biến tiệm cận đáng tin cậy và giá cả hợp lý, Autonics là câu trả lời. * CR Serie : Cảm biến tiệm cận loại điện dung * PFI Series : Cảm biến tiệm cận loại dẹp * PT Series : Hộp mối nối 1.2.3 Một số loại cảm biến quang Các thiết bị chuyển mạch quang điện có thể vận hành theo kiểu truyền phát, vật thể cần phát hiện sẽ chắn chùm sáng không cho chúng chiếu tới thiết bị dò hoặc theo kiểu phát xạ vật thể cần phát hiện sẽ phản chiếu chùm sáng lên thiết bị dò. Trong cả hai kiểu, cực phát bức xạ thông thường gọi là điốt phát quang (LED) thiết bị dò bức xạ có thể là các transistor quang thường là một cặp transistor. Cặp transistor này làm tăng độ nhạy của thiết bị tuỳ theo mạch được sử dụng đầu ra có thể được chế tạo để chuyển mạch đến mức cao hoặc mức thấp sau khi ánh sáng truyền đến transistor. Các bộ cảm biến được cung cấp dưới dạng các hộp cảm nhận sự có mặt của vật thể ở khoảng cách ngắn. 1.2.4 Cylinder Cylinder là một thiết bị giống như trục lăn , dùng để làm những băng chuyền dể di chuyển những vật đặt trên nó . Thiết bị này đặc biệt phù hợp với những nhà máy sản xuất ở Việt Nam chúng ta. *Ta có một số hình ảnh của cylinder như sau: 1.3 - Mô tả hoạt động hệ thống Sau khi qua khâu chiết rót, chai được băng tải chuyển đến khâu đóng nắp. Như vậy, bắt đầu qua khâu chiết rót thì khâu tiếp theo sẽ được mô tả như sau : Chai đi từ khâu chiết rót có thể sẽ có chai bị nứt ( không vỡ, vì muốn chiết rót nước vào chai thì trước đó khâu chiết rót phải phát hiện chai bị bể, vỡ trước), vì chai nứt thì vẫn có thể chứa nước nhưng không đẹp về thẩm mỹ nên sẽ không được xuất ra thị trường, vì vậy chai nứt sẽ bị loại ở khâu này(hoặc vẫn có thể sẽ bị loại ở khâu chiết rót). Vậy, một cảm biến siêu âm sẽ được đặt để phát hiện chai bị nứt . Một cảm biến quang sẽ được đặt để phát hiện chai không có nước hoặc chưa đầy nước.Chai nứt và chai không có nước hoặc chưa đầy nước sau khi được cảm biến phát hiện sẽ bị Cylinder đẩy xuống ngăn chứa phế phẩm. Các chai đảm bảo chất lượng tiếp tục được băng tải chuyển đi, Khi chai đi đến chỗ đóng nắp sẽ có một cảm biến tiệm cận phát hiện, và sẽ có một cylinder kẹp chai lại, cùng lúc đó sẽ có một cylinder tịnh tiến xuống đóng nắp chai. Về nắp chai, khi có tín hiệu của cảm biến kiểm tra nắp nguyên thì van sẽ nhả nắp xuống Cylinder dập nắp chai. 1.4– Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống đóng nắp chai START Hỏng Nắp Chai Hỏng Chaihỏng Tốt Tốt Nứt Đẩy nắp hỏng kẹp chai không được Chưa đầy Đưa vào Cylinder đóng nắp Cylinder đẩy chai kẹp được phế phẩm Đóng nắp phế phẩm END Chương II Giới thiệu tập lệnh cơ bản , thiết bị điều khiển lập trình và chương trình điều khiển hệ thống Tự động đóng nắp chai trên S7---200 2.1- Giới thiệu thiết bị điều khiển lập trình PLC. PLC viết tắt của Programable Logic Controller là thiết bị điều khiển logic khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình, bộ điều khiển thoả mãn các yêu cầu: - Lập trình dễ dàng vì ngôn ngữ lập trình dễ học. - Gọn nhẹ, dễ dàng tu sửa, bảo quản. - Dung lượng bộ nhớ lớn, có thể chứa được những chương trình phức tạp. - Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp. - Giao tiếp với các thiết bị thông tin, máy tính, nối mạng các modul mở rộng. - Giá cả phù hợp. Bộ điều khiển lập trình PLC được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơle và thiết bị cồng kềnh, nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trển việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản. PLC còn thực hiện các tác vụ định thì và đếm làm tăng khả năng điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình và đưa ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài tương ứng. Cơ sở của việc sử dụng PLC: Trong công nghiệp trước đây, các hệ thống điều khiển số thường được cấu tạo trên cơ sở các rơle và các mạch logic điện tử kết nối với nhau theo nguyên lý làm việc của hệ thống. Điều đó có nghĩa là: Quan hệ giữa các biến vào và các biến ra tuân theo một hàm số, mà hàm số này chính được xác định bởi luật kết nối giữa các phần tử logic. (y1, y2,... yn ) = f (x1, x2,... xn ) Như vậy đối với mục đích điều khiển xác định thì hàm f cố định. Đối với các hệ thống làm việc đơn giản và làm việc độc lập thì việc sử dụng các phần tử có sẵn liên kết cứng với nhau có nhiều ưu điểm về giá thành. Tuy nhiên trong các hệ thống điều khiển phức tạp nhiều chức năng thì những cấu trúc theo kiểu cứng có nhiều nhược điểm như: - Hệ thống cồng kềnh, đầu nối phức tạp dẫn đến độ tin cậy kém. - Trường hợp cần thay đổi chức năng của hệ thống hoặc sửa chữa các hư hỏng thì phải dừng cả hệ thống để đấu nối... Hiện nay với sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử đã cho phép chế tạo các hệ vi xử lý liên tiếp, dựa trên cơ sở của bộ vi xử lý, các bộ điêu khiển logic có khả nẳng lập trình được (PLC) đã ra đời, cho phép khắc phục được rất nhiều nhược điểm của các hệ điều khiển liên kết cứng trước đây, việc dùng PLC đã trở nên rất phổ biến trong công nghiệp tự động hoá. Có thể liệt kế các ưu điểm chính của việc sử dụng PLC gồm: - Giảm bớt việc đấu nối dây khi thiết kế hệ thống, giá trị logic của nhiệm vụ điều khiển được thực hiện trong chương trình thay cho việc đấu nối dây. - Tính mềm dẻo cao trong hệ thống. - Bộ nhớ: - Bộ nhớ vào ra Cổng ngắt và đếm tốc độ cao Khối vi xử lý trung tâm + Hệ điều hành Bộ đếm vào-ra Bộ định thời Bộ đếm Bit cơ Cổng vào ra Onboard Quản lý ghép nối Bus của PLC Hình 2.1: Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ PLC Trạng thái tín hiệu vào được nhận biết và chứa trong bộ nhớ, nơi PLC thực hiện các lệnh logic được lập trình để xử lý các tín hiệu vào máy và tạo ra các tín hiệu ra để điều khiển các thiết bị liên quan. 2.1.1- Cấu trúc PLC bao gồm: Đối với PLC cỡ nhỏ các bộ phận thường được kết hợp thành một khối. Cũng có một số hạng thiết kế PLC thành từng mô đun để người sử dụng có thể lựa chọn cấu hình PLC cho phù hợp mà ít tốn kém nhất, đồng thời đáp ứng được yêu cầu ứng dụng. Một bộ PLC có thể có nhiều mô đun nhưng thành phần cơ bản nhất của phần cứng trong bộ PLC bao giờ cũng có các khối sau: Bộ nhớ trong EPROM Tuỳ chọn Bộ nhớ chương trình EPROM Nguồn pin CPU bộ vi xử lí Clock Bộ nhớ hệ thống ROM Bộ nhớ dữ liệu RAM Khối vào ra Mạch cách ly Bộ đệm Bus địa chỉ Bus điều khiển Bộ dệm Bộ đệm Mạch chốt Bộ dệm Bộ lọc Panel lập trình Bus Dữ liệu Bus hệ thống (vào\ra) Mạch giao tiếp Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc phần cứng của bộ lập trình PLC Dựa vào sơ đồ khối ta thấy PLC gồm có 4 khối chính đó là: Khối nguồn, khối vi xử lý – bộ nhớ, khối đầu vào, khối đầu ra. Thông thường các tín hiệu xuất nhập đầu ở dạng số (1- 0), còn nếu tín hiệu là dạng liên tục thì ta cần gắn các khối xuất nhập ở dạng liên tục (Analog). a. Mô đun nguồn: (Moudule) Là khối chức năng dùng để cung cấp nguồn và ổn định điện áp cho PLC hoạt động. Trong công nghiệp người ta thường dùng điện áp 24V một chiều. Tuy nhiên cũng có bộ PLC sử dụng điện áp 220V xoay chiều. b. Mô đun CPU:(Centrol rocessor Unit module): Bao gồm bộ vi xử lý và bộ nhớ: * Bộ vi xử lý (CPU): CPU là một bộ não của PLC. Nó điều khiển và kiểm soát tất cả mọi hoạt động bên trong của PLC. Nó thực hiện những lệnh đã được chương trình hoá lưu trữ bên trong bộ nhớ. Một hệ thống BUS mang thông tin đến và kết nối CPU, bộ nhớ và bộ xuất nhập cũng chịu sự điều khiển của CPU. CPU được cung cấp bởi một tần số đồng bộ do tinh thể thạch anh bên ngoài hay một bộ giao động RC. Mạch dao động này có nhiệm vụ tạo ra tần số dao động từ 118 MHZ. Tuỳ thuộc vào bộ vi xử lý đã được sử dụng và phạm vi sử dụng. Một CPU bao gồm 3 thành phần riêng biệt sau: + Bộ điều khiển (CU – Control Unit) gồm khối soạn lệnh và ngăn xếp có nhiệm vụ lấy lệnh ra từ bộ nhớ và xác định kiểu lệnh. + Bộ lý luận và số học (AIU) để thực hiện các phép toán số học và logic như: cộng trừ, AND, OR, NOT, + Bộ nhớ có tốc độ cao, kích thước nhỏ để lưu các kết quả tạm thời và các thông tin điều khiển. * Bộ nhớ: Bao gồm bộ nhớ chứa chương trình và bộ nhớ dữ liệu.Đơn vị nhỏ nhất của bộ nhớ là bít có giá trị “1” (hoặ