Điều khiển và giám sát hệ thống dán nhãn chai

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

MỤC LỤC
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU:............................................................................... 5

1.1. Giới thiệu đề tài :................................................................................... 5
1.2. Mục đích cần đạt được sau khi thực hiện:..............................................5
CHƯƠNG II:TỔNG QUAN VỀ PLC S7 1200.................................................6
2.1 Giới thiệu PLC:....................................................................................... 6
2.2 Quá trình phát triển của kĩ thuật điều khiển.............................................6
2.2.1 Hệ thống điều khiển là gì?....................................................................6
2.2.2 Hệ thống điều khiển dùng rơle điện......................................................6
2.2.3 Hệ thống điều khiển dùng PLC.............................................................7
2.2.4 Điều khiển dùng PLC...........................................................................7
2.2.5.Các khối chức năng.............................................................................. 7
2.2.6.Các chủng loại PLC.............................................................................. 7
2.2.7.Ưu thế của hệ thốn điều khiển dùng PLC..............................................9
2.2.8. Hạn chế................................................................................................ 9
2.2.9.Các ứng dụng của PLC.......................................................................... 9
2.3.Cấu trúc phần cứng PLC S& 1200.........................................................10
2.3.1.Cấu hình và điều hành S7 1200...........................................................10

1

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

2.3.2 Signal boards....................................................................................... 10
2.3.3.Signal modules................................................................................... 10
2.3.4 Các module truyền thông....................................................................11
2.4.Những đặc điểm nổi bật của S7 1200....................................................11
2.4.1.Thiết kế dạng module.........................................................................11

2.4.2 Phạm vi ứng dụng của Simatic S2 1200.............................................12
2.4.3. Các chức năng nổi bật của CPU 1214C .........................................13
2.4.4 Sơ đồ đấu dây PLC CPU 1214C DC/DC/DC ...................................14
2.5 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động...........................................................14
2.5.1.Cấu trúc ............................................................................................. 14
2.5.2 Nguyên lý hoạt động của PLC ...........................................................15
2.5.3.Đèn tín hiệu PLC Có 3 loại đèn báo hoạt động .................................15
2.5.4. Bộ nhớ PLC PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp .....16

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG..........................18
3.1.Các thiết bị sử dụng trong mơ hình.......................................................18

3.2.1.Băng tải................................................................................................. 18
3.3.Rơ le trung gian ..................................................................................... 18
3.3.1.Khái niệm. .......................................................................................... 18

2

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

3.3.2.Cấu tạo................................................................................................. 19
3.3.3. Nguyên lý hoạt động............................................................................ 19
3.3.4.Các thông số của MY2NJ.....................................................................19
33.4.1.Nút nhấn............................................................................................. 20
3.4.2.Cấu tạo và nguyên lý làm việc..............................................................20
3.5.Đèn báo................................................................................................... 21
3.6.Cảm biến quang điện............................................................................... 22
3.7.Xi-lanh TN20x150 .................................................................................. 24
3.8. Khối nguồn............................................................................................. 24
3.6.1.Thông Số kĩ thuật.................................................................................25

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH HỆ THỐNG..........................26
4.1.Sơ đồ khối hệ thống................................................................................ 26
4.2.Lưu đồ thuật toán.................................................................................... 27
4.3.1.Đầu vào của PLC.................................................................................. 28
4.3.2.Đầu ra của PLC.................................................................................... 28
4.3.3.Các kí hiệu........................................................................................... 29
4.3.4.Mạch động lực..................................................................................... 30
4.5.Giao diện WinCC hệ thống dán nhãn......................................................31
4.6.Chế độ manu........................................................................................... 31
4.6.1.Chế độ auto.......................................................................................... 33

3

CDIO Phan Nhật Hồng & Trần Duy Khoa

4.6.2.Chương trình con mơ phỏng sản phẩm................................................35
4.6.3.Chương trình chính.............................................................................. 38
4.7.Giao diện hệ thống máy dán nhãn tự động trong Factory.......................41

CHƯỜNG V: KẾT LUẬN
5.Kết quả đạt được........................................................................................ 42

4

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1.Giới thiệu đề tài

Tự động hóa là ứng dụng cơng nghệ tiên tiến vào q trình sản xuất cơng
nghiệp để chuyển một phần lớn hoặc toàn bộ hoạt động sản xuất nhờ sức lao
động của con người sang cho máy móc thiết bị. Theo khái niệm này, q trình
tự động sẽ khơng cần sự can thiệp quá sâu của con người, mà sẽ sử dụng các hệ
thống điều khiển khác nhau giúp máy móc vận hành nhanh hơn, chuẩn xác hơn,
giảm sự can thiệp của con người, thậm chí một số quy trình là hồn tồn tự
động.

Trong đó có thể thấy các sản phẩm tiêu dùng hiện nay phần lớn được chứa
đựng trong các bao bì dạng chai lọ nhất là trong ngành thực phẩm ví dụ như:
bia, rượu, nước giải khát, hóa mỹ phẩm, v.v…, với nhiều ưu điểm nổi trội
như giá thành hạ, cứng cáp, tính thẩm mỹ cao, dễ sản xuất. Cũng chính vì lý
do này mà nhóm em đã thống nhất và đi đến quyết định chọn đề tài “Điều
khiển và giám sát hệ thống dán nhãn chai”.

1.2.Mục đích cần đạt được sau khi hồn thiện

-Kiến thức lập trình PLC s7-1200

-Thiết kế bằng phương pháp tối ưu nhất

5

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ PLC S7 1200
2.1.Giới thiệu PLC

Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được
sáng tạo từ những ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General

Motor vào năm 1968. Trong những năm gần đây, bộ điều khiển lập trình
được sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp của nước ta như là 1
giải pháp lý tưởng cho việc tự động hóa các q trình sản xuất. Cùng với
sự phát triển cơng nghệ máy tính đến hiện nay, bộ điều khiển lập trình đạt
được những ưu thế cơ bản trong ứng dụng điều khiển công nghiệp. Như vậy,
PLC là 1 máy tính thu nhỏ nhưng với các tiêu chuẩn cơng nghiệp cao và khả
năng lập trình logic mạnh. PLC là đầu não quan trọng và linh hoạt trong điều
khiển tự động hóa.

2.2.Q trình phát triển của kĩ thuật điều khiển:

2.2.1.Hệ thống điều khiển là gì?

Hệ thống điều khiển là tập hợp các thiết bị và dụng cự điện tử.Nó dùng
để vận hành q trình một cách ổn định,chính xác và thơng suốt.

2.2.2.Hệ thống điều khiển dùng rơle điện

Sự bắt đầu về cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đặc biệt vào những
năm 60 và 70, những máy móc tự động được điều khiển bằng những rơle
điện từ như các bộ định thời, tiếp điểm, bộ đếm, relay điện từ. Những thiết này
được liên kết với nhau để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh bằng vơ số các
dây điện bố trí chằng chịt bên trong panel điện ( tủ điều khiển). Như vậy, với 1
hệ thống có nhiều trạm làm việc và nhiều tín hiệu vào/ra thì tủ điều khiển rất

6

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

lớn. Điều đó dẫn đến hệ thống cồng kềnh, sửa chữa khi hư hỏng rất phức

tạp và khó khăn.Hơn nữa các rơle tiếp điểm nếu có sự thay đổi yêu cầu điều
khiển thì bắt buộc thiết kế lại từ đầu.

2.2.3.Hệ thống điều khiển dùng PLC

Với những khó khăn và phức tạp khi thiết kế hệ thống dùng rơle điện.
Những năm 80, người ta chế tạo ra các bộ điều khiển có lập trình nhằm nâng
cao độ tinh cậy, ổn định, đáp ứng hệ thống làm việc trong môi trường công
nghiệp khắc nghiệt đem lại hiệu quả kinh tế cao. Đó là bộ điều khiển lập
trình được chuẩn hóa theo ngơn ngữ Anh Quốc là Programmable Logic
Controller (viết tắt là PLC).

2.2.4 Điều khiển dùng PLC

Hình 2.1:PLC S7 1200

7

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

2.2.5.Các khối chức năng

Một PLC có khối Module Input, khối CPU(Central Processing Unit)
và khối Module Output. Khối Module Input có chức năng thu nhận các dữ
liệu digital, analog và chuyển thành các tín hiệu cấp vào CPU. Khối CPU
quyết định và thực hiện chương trình điều khiển thơng qua chương trình
chứa trong bố nhớ.Khối module Output chuyển các tín hiệu điều khiển từ CPU
thành dự liệu ânlog,digital thực hiện điều khiển các đối tượng.

2.2.6 Các chủng loại PLC

Hiện nay, một số PLC được sử dụng trên thịtruwờng Việt Nam:
- Mỹ:Allen Bradley, General Electric, Square D, Texas Instruments,

Cutter Hammer,...
- Đức: Siemens, Boost, Festo...
- Hàn Quốc: LG
- Nhật: Mitsubishi, Omron, Panasonci, Fanuc, Mashushita, Fuzi,Koyo,...
Và nhiều chủng loại khác.

8

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

Các sản phẩm như: Logo!, Easy, Zen, ... cũng được chế tạo ra để đáp ứng

những yêu cầu điều khiển đơn giản.
2.2.7.Ưu thế của hệ thốn điều khiển dùng PLC
Điều khiển linh hoạt, đa dạng.

- Lượng contact lớn, tốc độ hoạt động nhanh.
- Tiến hành thay đổi và sửa chữa
- Độ ổn định, độ tin cậy cao.
- Lắp đặt đơn giản
- Kích thước nhỏ gọn.
- Có thể nối mạng vi tính để giám sát hệ thống.
2.2.8. Hạn chế
- Giá thành (tùy theo yêu cầu máy).
- Cần một chuyên viên để thiết kế chương trình cho PLC hoạt động.
- Các yêu cầu cố định, đơn giản thì khơng cần dùng PLC.

- PLC sẽ bị ảnh hưởng khi hoạt động cao, độ rung mạnh.
2.2.9.Các ứng dụng của PLC
- Điều khiển các quá trình sản xuất: giấy, ximăng, nước giải khát, linh kiện
điện tử, xe hơi, bao bì, đóng gói,...

- Rửa xe ơtơ tự động.
- Thiết bị khai thác.
- Giám sát hệ thống, an toàn nhà xưởng.
- Hệ thống báo động.
- Điều khiển thang máy.
- Điều khiển động cơ.

9

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

- Chiếu sáng.
2.3.Cấu trúc phần cứng PLC S& 1200
PLC là bộ điều khiển lập trình và được xem là máy tính cơng nghiệp. Do
cơng nghệ ngày càng cao vì vậy lập trình PLC cũng ngày càng thay đổi,
chủ yếu là sự thay đổi về cấu hình hệ thống mà quan trọng là bộ xử lý trung
tâm (CPU). Sự thay đổi này nhằm cải thiện 1 số tính năng, số lệnh, bộ nhớ,
số đầu vào/ ra(I/O), tốc độ quét, ... vì vậy xuất hiện rất nhiều loại PLC.

2.3.1.Cấu hình và điều hành S7 1200

2.3.2 Signal boards

1.Signal Board
2.Kết nối hệ thống dây dẫn

2.3.3.Signal modules

1.Tràn thái đèn Led của I/O
module tín hiệu
2.Bus kết nối

10

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

3.kết nối hệ thống dây
2.3.4 Các module truyền thông

1. Trạng thái đèn led cho
các module giao tiếp

2. Truyền thông kết nối

2.4.Những đặc điểm nổi bật
của S7 1200
2.4.1.Thiết kế dạng module

+ Tích hợp cổng truyền thông Profinet (Ethernet) tạo sự dễ dàng trong kết nối.

11

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

+ Simatic S7 – 1200 với Simatic HMI Basic được lập trình chung trên một nền
phần mềm là TIA Portal V10.5 (Simatic Step 7 Basic, WinCC Basic) hoặc

version cao hơn. Các thao tác lập trình thực hiện theo cách kéo – thả, do đó tạo
sự dễ dàng cho người sử dụng, lập trình nhanh chóng, đơn giản, chính xác trong
sự truyền thơng kết nối theo tags.

+ Tích hợp sẵn các đầu vào ra, cùng với các board tín hiệu, khi cần mở rộng
ứng dụng với số lượng đầu vào ra ít sẽ tiết kiệm được chi phí, khơng gian và
phần cứng.

+ Dễ dàng cho người sử dụng sản phầm trong việc mua gói thiết bị.

2.4.2 Phạm vi ứng dụng của Simatic S2 1200:

+ S7 – 1200 bao gồm các họ CPU 1211C, 1212C, 1214C. Mỗi loại CPU có
những tính năng khác nhau, thích hợp cho từng loại ứng dụng.

+ Các kiểu cấp nguồn và đầu vào ra có thể là DC/DC/DC hay DC/DC/Rly
+ Đều có khe cắm thẻ nhớ, dùng cho khi mở rộng bộ nhớ cho CPU, copy
chương trình ứng dụng hay cập nhật firmware. + Chẩn đoán lỗi online/offline.
+ Một đồng hồ thời gian thực cho các ứng dụng thời gian thực

12

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

2.4.3. Các chức năng nổi bật của CPU 1214C
+ Có 6 bộ đếm tốc độ cao HSC dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường.
+ Có 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ, động cơ bước hay servo.
+ Có ngõ ra PWM điều chế độ rộng xung cho các ứng dụng điều khiển tốc độ
động cơ, valve, nhiệt độ. + Có 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác
định thông số cho bộ điều khiển (Autotuning)

13

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

+2.4.4 Sơ đồ đấu dây PLC CPU 1214C DC/DC/DC

+
2.5 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
2.5.1.Cấu trúc
Tất cả PLC đều có thành phần chính là một bộ nhớ chương trình RAM bên
trong, một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC, các
module I/O. Bên cạnh đó, một số PLC hồn chỉnh cịn đi kèm theo một đơn vị
lập trình bằng tay hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều
có+ đủ RAM để chứa đựng chương trinh dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung.
Nếu đơn vị lập trình là đơn vị sách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự
phịng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn sang sử dụng thì nó
mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy

14

CDIO Phan Nhật Hồng & Trần Duy Khoa

tính nhằm hỗ trợ cho viết, đọc và kiểm tra chương trình. Các đơn vị lập trình nối
với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458….

2.5.2 Nguyên lý hoạt động của PLC

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra
chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện từng lệnh trong

chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát
tới các thiết bị liên kết để thực thi và toàn bộ các hoat động thực thi đó đều phụ
thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ. Hệ thống bus là
tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:
+Address bus:bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ tới các module khác nhau
+Data bus:bus dùng để truyền dữ liệu P a g e | 9 +Control bus:bus điều khiển
dung để truyen các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong
PLC Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O.
Bên cạnh đó CPU được cung cấp một xung clock có tần số từ 1, 8 Mhz. Xung
này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời,
đồng hồ của hệ thống.

2.5.3.Đèn tín hiệu PLC Có 3 loại đèn báo hoạt động:

1.Run/stop: đèn xanh/đèn vàng báo hiệu PLC đang hoạt động/dừng hoạt động
2.Error: đèn báo lỗi

3.Maint: đèn báo khi ta buộc (Force) địa chỉ nào đó lên 1

Có 2 loại đèn chỉ thị:

• Ix++.x: chỉ trạng thái logic ngõ vào.

15

CDIO Phan Nhật Hồng & Trần Duy Khoa

• Qx.x: chỉ trạng thái logic ngõ ra.

2.5.4. Bộ nhớ PLC PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp:

Làm b+ộ định thời cho các kênh trạng thái I/O. Làm bộ đệm trạng thái các chức
năng tro++ng PLC như định thời, đếm, gọi các Relay. Mỗi lệnh của chương
trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả các vị trí trong bộ nhớ đều được
đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ. Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ
được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ nằm bên trong bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý sẽ
có giá trị trong bộ đếm này thêm một trước khi xử lý lệnh tiếp theo. Với một địa
chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này gọi
là quá trình đọc. Bộ nhớ bên trong của PLC được tạo bởi vi mạch bán dẫn, mỗi
vi mạch này có khả năng chứa 2000-16000 dòng lệnh tuỳ theo loại vi mạch
trong PLC các bộ nhớ như RAM và EPROM đều được sử dụng

+RAM có thể nạp chương trình, thay đổi hay xố bỏ nội dung bất kì lúc nào, nội
dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất. Để tránh tình trạng này
các PLC đều được trang bị pin khơ có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho
RAM từ vài tháng đến vài năm. Trong thực tế RAM được dung khởi tạo và
kiểm tra chương trình. Khuynh hướng hiện nay dung CMOSRAM do khả năng
tiêu thụ thấp và tuổi thọ cao

+EPROM là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường có thể đọc chứ khơng ghi
nội dung vào được, nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được
gắn sẵn trong máy, đã dược nhà sản xuất nạp và chứa sẵn hệ điều hành. Nếu
người sử dụng không muốn sử dụng bộ nhớ thì chỉ dùng EPROM gắn bên trong
PLC. Trên PG có sẵn chổ ghi và xoá EPROM

16

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

+EEEPROM liên kết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn

định. Nội dung của nó có thể xố và lập trình bằng điện tuy nhiên số lần là có
giới hạn

17

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

CHƯƠNG III: CHỌN LỰA LINH KIỆN
3.1.Các thiết bị sử dụng trong mơ hình.
3.2.1.Băng tải
Mơ hình được thực hiện với mục đích nghiên cứu nên nhóm chọn băng tải có
kích thước nhỏ: dài 50cm, rộng 6cm,cao 10cm vừa đúng cho chai chạy được
trên một hàng thẳng.
Động cơ băng tải được sử dụng là động cơ giảm tốc 24VDC, sức kéo tối đa
15kg, tốc độ quay 50 vòng/phút.
Số lượng băng tải: 3 băng tải.

Hình 3.1 Băng tải
3.3.Rơ le trung gian
3.3.1.Khái niệm.
Rơ le là một thiết bị tự dộng mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu
đầu vào đạt những giá trị xác định. Rơ le là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch
điện điều khiển, bảo vệ là điều khiển sự làm việc cả mạch điện động lực.

18

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

3.3.2.Cấu tạo.

Rơ le gồm các bộ phận chính sau:

- Cơ cấu tiếp thu (khối tiếp thu): là cuộn dây, có nhiệm vụ tiếp nhận những tín
hiệu đầu vào và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cung cấp tín hiệu cho khối
trung gian.

- Cơ cấu trung gian (khối trung gian): là mạch từ nam châm điện, làm nhiệm vụ
tiếp nhận những tín hiệu đưa đến từ khối tiếp thu và biến đổi nó thành đại lượng
cần thiết cho relay tác động.

- Cơ cấu chấp hành(khối chấp hành): là hệ thống tiếp điểm, làm nhiệm vụ phát
tín hiệu cho mạch điều khiển.

3.3.3. Nguyên lý hoạt động.

Rơ le hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, khi cho dòng điện đi vào cuộn dây
của nam châm thì nó sẽ tạo ra một lực hút các tiếp điểm sang một bên. Khi đó
các tiếp điểm thường đóng sẽ trở thành thường hở và các tiếm điểm thường hở
sẽ trở thành thường đóng. Trong mơ hình hệ thống đã sử dụng rơ le trung gian
MY2NJ của OMRON.

3.3.4.Các thông số của MY2NJ.

- Điện áp cuộn dây: 24 VDC có LED báo hiển thị.

- Thơng số của tiếp điểm: 5A - 24 VDC.

-Số cặp tiếp điểm: 4 cặp

-Đèn báo:Có

19

CDIO Phan Nhật Hoàng & Trần Duy Khoa

Hình 3.2 Rơle.

3.4.1.Nút nhấn

Khái niệm: Nút ấn còn gọi là nút điều khiển là 1 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 1 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 ấn thường dùng để khởi động, dừng và đảo chiều quay các động cơ điện
bằng cách đóng cắt các cuộn dây nam châm điện của công tắc tơ, khởi động từ.

3.4.2.Cấu tạo và nguyên lý làm việc.

Nút ấn gồm hệ thống lò xo, hệ thống các tiếp điểm thường mở và thường đóng
và vỏ bảo vệ. Khi tác động vào nút ấn, các tiếp điểm chuyển trạng thái và khi
khơng cịn tác động, các tiếp điểm trở lại trạng thái ban đầu.

20