báo cáo đồ án vi xử lý đề tài hệ thống điều khiển bình trộn theo mẻ

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<small> BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT</small>

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

<small>KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ</small>

<small>BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA</small> o0o

BÁO CÁO ĐỒ ÁN VI XỬ LÝĐề tài: Hệ thống điều khiển bình trộn theo mẻ

<small>Giáo viên hướng dẫn :TS. Lê Trung DũngSinh viên thực hiện:Lê Hồng Thi</small>

<small>Phạm Ngọc Thái Trương Quang ThếBùi Đức ThànhHoàng Văn Thắng</small>

Hà Nội 2023

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

Mục lục

<small>Nhiệm vụ: Thiết kế chương trình điều khiển cho hệ thống...3</small>

<small>Bài 43: Hệ thống sắp xếp sản phẩm theo chiều rộng...3</small>

<small>1. Thiết kế mạch phần cứng sử dụng vi xử lý để thực hiện các bài toán sau:... 6</small>

<small>Nguyên lý hoạt động:...7</small>

<small>Phần Mạch Nạp...8</small>

<small>1.1 Nạp Bootloader...8</small>

<small>1.2 Nạp IDE...9</small>

<small>2. Thiết kế lưu đồ thuật toán – lưu đồ giải thuật...11</small>

<small>2.1. Lưu đồ thuật toán:...13</small>

<small>3. Lập bảng thiết kế...14</small>

<small>Địa chỉ đầu vào ra vật lý và biến nội...14</small>

<small>4. Tìm hiểu và lựa chọn thiết bị...14</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Nhiệm vụ: Thiết kế chương trình điều khiển cho hệ thốngBài 43: Hệ thống sắp xếp sản phẩm theo chiều rộng.

Thiết kế biểu đồ chức năng tuần tự cho hệ thống sắp xếp sảnphẩm theo chiều rộng. Thực hiện sơ đồ logic dạng bậc thangđiều khiển hệ thống sắp xếp sản phẩm vào một trong ba hộp tùytheo kích thước của từng sản phẩm.

Hình P7.26 mơ tả hệ thống sắp xếp sản phẩm. Sản phẩm dichuyển trên băng chuyền tới, chiều rộng của sản phẩm được xácđịnh để đưa sản phẩm vào hộp chứa. Sử dụng xi lanh để đẩy sảnphẩm vào hộp chứa, xi lanh tác động trong 1 giây. Sản phẩmđược phân loại theo kích thước như sau:

Chiều rộng Hộp1 ± 0.1" Hộp 12 ± 0.1" Hộp 2Kích thước khác Hộp 3

Trong khi đẩy sản phẩm vào hộp, băng chuyền không ngừnghoạt động. Cơ cấu cơ khí được điều khiển bằng các xi lanh khíhành trình đơn. Mỗi khi đầu ra điều khiển tích cực, cơ cấu đẩygiãn ra và sản phẩm được đưa vào hộp. Cơ cấu giãn cho tới khi

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

đầu ra điều khiển khơng tích cực. Khi đầu ra khơng tích cực, cơcấu nén lại.

Chiều rộng của sản phẩm được xác định bằng cơ cấu chuyển đổiUX1 và UX2. Khi PROX tíchc cực, sản phẩm nằm trong vị tríđo, chiều rộng của sản phẩm được tính theo:

Chiều rộng (inches) = 16 - (UX1 + UX2)

Quá trình đọc và chuyển đổi chiều rộng của sản phẩm được thựchiện tức thời và không cần băng chuyền dừng lại.

Vị trí sản phẩm khi cần đẩy vào hộp được xác định bằng cảmbiến UX3:

Hộp Khoảng cách tới UX3Hộp 1 24"

Hộp 2 16"Hộp 3 8"

Lưu ý rằng, khi đẩy sản phẩm vào hộp, giá trị đầu ra của UX3khơng chính xác vì sản phẩm đã ra ngồi băng chuyền. Cáckhoảng cách được đo bằng cảm biến khoảng cách và nối đầu ravới các kênh đầu vào tương tự. Giá trị nhỏ nhất và lớn nhất củakhoảng cách mà bộ cảm biến đo được là 4.0 và 30.0 inche. Giátrị đầu ra của ADC (UX1_MEAS, UX2_MEAS vàUX3_MEAS) có dải như trong phần những qui định chung đãmơ tả. Các giá trị này phải được chuyển đổi sang dạng số thựcvà tính theo đơn vị inche.

Băng chuyền ln chạy khi hệ thống hoạt động.

Cuộn hút nội RUN qui định khởi động và tạm dừng của hệthống. Khi RUN tích cực, hệ thống hoạt động. Khi RUN khơngtích cực, hệ thống tạm dừng hoạt động. Khi cuộn hút tích cực

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

lần đầu tiên, giả sử không có sản phẩm nằm trên băng chuyềntrong vị trí từ PROX tới UX3.

Nếu hệ thống cần tạm dừng khi sản phẩm đang được đẩy vàohộp thì hệ thống phải kết thúc bước hiện tại. Hoạt động của hệthống không thể tạm dừng nếu xi lanh đang tích cực. Nếu cuộnhút RUN khơng tích cực khi sản phẩm đang được đẩy vào hộp,hệ thống thực hiện đến khi kết thúc bước hiện tại trước khi thựchiện tạm dừng. Nếu cuộn hút RUN tích cực khi hệ thống đangdừng, hệ thống khơi phục trạng thái hoạt động trước khi dừng.Khi tạm dừng, hệ thống có thể chuyển sang trạng thái bước tiếptheo nếu không gây nguy hiểm cho các thiết bị. Nếu hệ thốngtạm dừng, băng chuyền cũng được ngừng hoạt động.

Cuộn hút INT_RESET dùng để khởi tạo các trạng thái của hệthống. Khi cuộn hút RUN tích cực, phải chắc chắn rằng khơngcó sản phẩm trong vị trí từ PROX tới vị trí UX3. Giả định rằngINT_RESET chỉ có thể tích cực khi cuộn hút RUN khơng tíchcực.

Coi như cuộn hút RUN và INT_RESET là các đầu vào của hệthống. Sơ đồ logic không điều khiển chúng, không thể sử dụnglàm đầu ra của các nhánh.

Giả sử rằng sai số của các bộ định thời là 0.1 giây

Khi thực hiện bài tốn phải đưa ra cơng thức chuyển đổi từUX1, UX2 và UX3 sang khoảng cách tính theo đơn vị inch.Khi sử dụng PLC Modicon, UX1_MEAS, UX2_MEAS vàUX3_MEAS có dạng INT. Với PLC-5, khơng sử dụng tệp dữliệu 10 ¸ 11 cho kết quả tính tốn tạm thời (tệp này dùng cho cáckhâu đo khác), sử dụng cấu trúc BTR để đưa giá trị đọc được từđầu vào tương tự vào bộ nhớ của PLC.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

1. Thiết kế mạch phần cứng sử dụng vi xử lý để thực hiện cácbài toán sau:

Sơ đồ nguyên lý mạch UNO R3

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Nguyên lý hoạt động:

Arduino Uno R3 được sử dụng bằng cách gắn vào máy tínhthơng qua một cáp USB. Sau khi đã lắp đặt xong, chúng ta sẽ sửdụng pin hoặc bộ chuyển đổi AC-DC để cung cấp điện chomạch kit. Khi đấu nối thành cơng, mạch sẽ kích hoạt và bắt đầu. Vai trò của mạch kit Arduino UNO R3

UNO được thiết kế để hỗ trợ sự phát triển của phần mềmArduino IDE 1.0. Lý do mạch kit này có tên Arduino UNO R3là vì chúng là phiên bản sửa đổi mới nhất, thứ 3 của ArduinoUno. Có một số thay đổi:

Chip điều khiển USB được thay đổi từ ATmega8U2 (flash8K) thành ATmega16U2 (flash 16K). Điều này khơng làm tăngflash hoặc RAM có sẵn cho các bản phác thảo.

Trang bị thêm ba chân mới. Trong đó, các chân I2C (A4,A5) được đưa ra bên cạnh bảng gần AREF. Một chân IOREFbên cạnh chân đặt lại, là một bản sao của chân 5V.

Nút đặt lại hiện nằm bên cạnh đầu nối USB, giúp dễ tiếpcận hơn khi sử dụng tấm chắn.

Ngoài ra, mạch kit này cũng đóng vai trị quan trọng và chínhtrong bảng bảng USB-Arduino

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Đặc điểm:

Một trong những ưu điểm nổi bật của mạch kit arduino uno r3 làngười sử dụng có thể thay đổi bộ vi điều khiển trên bảng trongtrường hợp họ gặp phải sự cố hay mắc lỗi.

Ngồi ra, bộ kit này cịn mang đến cho người sử dụng nhiều tínhnăng tuyệt vời như:

Khả năng tháo rời.

Tích hợp sẵn trong DIP (gói nội tuyến kép).Khả năng điều khiển ATmega328.

Dễ dàng tải lập trình.

Ưu điểm cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng là:Arduino có một cộng đồng hỗ trợ lớn và một bộ thư viện hỗ trợphong phú. Cùng với “lá chắn” phần cứng bổ sung phía sau.Điều này sẽ là một sự lựa chọn tuyệt vời cho những người mớibắt đầu làm việc trong lĩnh vực thiết bị điện tử nhúng.

Phần Mạch Nạp1.1 Nạp Bootloader

Bootloader là một chương trình nhỏ được nạp sẵn vào chip viđiều khiển trên Arduino, nhờ đó bạn lập trình cho Arduino mộtcách dễ dàng. Nếu khơng có bootloader, bạn sẽ không thểupload chương trình lên vi điều khiển trên Arduino theo cáchthông thường được, mà phải cần một số phần cứng khác hỗ trợ(gọi là Programmer).Bootloader giúp cho chip của bạn có thểnạp code bằng USB UART, sau khi nạp có thể thay cho chiptrên board uno bị hỏng, hoặc nạp code trực tiếp qua phần mềmarduino IDE.

Hoặc với một mạch chip AVR ta cũng có thể nạp nó qua cổngUSB UART cũng được, hoàn toàn như một kit Arduino và nạpqua phần mềm Arduino IDE bình thường;

Một bootloader là một chương trình nằm trong vi điều khiển, vàgiao tiếp với máy tính (thơng qua giao tiếp nối tiếp). Bootloadernhận một chương trình (đã được dịch ra thành file HEX) từ máytính và ghi nó vào bộ nhớ flash của vi điều khiển thơng qua mộtphần mềm trên máy tính, sau đó chạy chương trình đó trên viđiều khiển. Bootloader chỉ có thể được dùng với những vi điềukhiển nào cho phép ghi vào bộ nhớ flash thông qua phần mềm

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

trên máy tính. Bản thân bootloader phải được ghi vào trong bộnhớ flash bằng một mạch nạp khác

-Hiện nay, ngồi các board thuộc họ Arduino, thì Arduino IDEcịn hỗ trợ lập trình với nhiều dịng vi điều khiển khác như ESP,ARM, PIC, …

Hướng dẫn dùng online Arduino IDEBước 1: Cài đặt phần mềm

Hình ảnh giao diện Online IDE

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Bước 2: Tạo tài khoản bằng cách nhấn vào Signup nếu lần đầusử dụng, hoặc đăng nhập bằng cách nhấn vào Login nếu đã tạotài khoản trước đó. Giao diện như hình bên dưới:

Hình ảnh giao diện đăng kí , đăng nhập Arduino IDEBước 3: Cài đặt Arduino plugin

Mục đích của việc cài đặt này là để cho phép trình duyệt Web tảicác chương trình của bạn vào board Arduino. Download phầnmềm và cài đặt theo các hướng dẫn của phần mềm như hình ảnhbên dưới:

Hình ảnh cài đặt Arduino plugin

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Bước 4: Lập trình trên Web Editor.

Truy cập vào Arduino Web Editor như ở bước 2, thực hiện đăngnhập. Giao diện chia làm 3 phần như hình bên dưới:

2. Thiết kế lưu đồ thuật toán – lưu đồ giải thuậtLưu đồ thuật tốn là gì?

Lưu đồ thuật tốn là một biểu diễn trực quan của luồng dữ liệu,hữu ích trong việc viết một chương trình hoặc thuật tốn và giảithích nó cho người khác hoặc cộng tác với họ trên đó. Bạn cóthể sử dụng lưu đồ để giải thích logic đằng sau một chương trìnhtrước khi bắt đầu viết mã quy trình tự động. Nó có thể giúp tổchức tư duy hình ảnh lớn và cung cấp hướng dẫn khi đến lúcviết mã. Cụ thể hơn, lưu đồ có thể:

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Các đầu vào, đầu ra vật lý và các biến nội được định nghĩa nhưsau:

<small>PROXCảm biến tiệm cận, tích cực khi sản phẩm trong vị trí đoUX1_MEASĐo khoảng cách từ 4 - 30 inch, đầu ra ADC nằm trong dải</small>

<small>như phần những qui định chung đã mô tả</small>

<small>UX2_MEASĐo khoảng cách từ 4 - 30 inch, đầu ra ADC nằm trong dảinhư phần những qui định chung đã mô tả</small>

<small>UX3_MEASĐo khoảng cách từ 4 - 30 inch, đầu ra ADC nằm trong dảinhư phần những qui định chung đã mơ tả</small>

<small>RUNKhi tích cực, hệ thống hoạt động. Khi khơng tích cực, hệthống tạm dừng</small>

<small>INT_RESERKhi tích cực, hệ thống khởi tạo lạ</small>

<small>CONV_MTRĐiều khiển băng chuyền; tích cực khi cần chạy băngchuyền</small>

<small>EJECT1Tích cực khi cần giãn xi lanh đẩy sản phẩm vào hộp 1.Khi đẩy sản phẩm cần tích cực trong 1 giây</small>

<small>EJECT2Tích cực khi cần giãn xi lanh đẩy sản phẩm vào hộp 2.Khi đẩy sản phẩm cần tích cực trong 1 giây</small>

<small>EJECT3Tích cực khi cần giãn xi lanh đẩy sản phẩm vào hộp 3.Khi đẩy sản phẩm cần tích cực trong 1 giây</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

2.1. Lưu đồ thuật toán:

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

3. Lập bảng thiết kế

Địa chỉ đầu vào ra vật lý và biến nội

4. Tìm hiểu và lựa chọn thiết bị1.Tìm hiểu thiết bị

1.1 Rơ le trung gian

Khái niệm chung về rơ le

Rơ le (Hình dưới) là loại khí cụ điện hạ áp tự động mà tín hiệuđầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trịxác định. Rơ le được sử dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vựckhoa học cơng nghệ và đời sống hàng ngày.

Rơ le có nhiều chủng loại với nguyên lý làm việc, chức năngkhác nhau như rơ le điện tử, rơ le phân cực, rơ le cảm ứng, rơ lenhiệt, rơ le điện từ tương tự, rơ le điện tử…

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Đặc tính cơ bản của rơ le: là đặc tính vào ra. Khi đại lượng đầuvào X tăng đến một giá trị tác động X2, đại lượng đầu ra Y thayđổi nhảy cấp từ 0 (Ymin) đến 1 (Ymax). Theo chiều giảm củaX, đến giá trị số nhả X1 thì đại lượng đầu ra sẽ nhảy cấp từ 1xuống 0. Đây là q trình nhả của rơ le.

Có nhiều loại rơ le với nguyên lý và chức năng làm việc rất khácnhau. 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 bằngcách thay đổi đột ngột các tham số cảu cơ cấu chấp hành mắctrong mạch điều khiển như: điện cảm, điện dung, điện trở,… Phân loại theo đặc tính tham số vào:

- Rơ le dịng điện.- Rơ le cơng 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 cầnbảo vệ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

- Rơ le thứ cấp: loại này mắc vào mạch thơng qua biến áp đolường hay biến dịng 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.

- Rơ le trung gian

- Rơ le trung gian được sử dụng rộng rãi trong các sơ đồ bảo vệhệ thống điện và các sơ đồ điều khiển tự động, đặc điểm củarơ le trung gian là số lượng tiếp điểm khá lớn (thường đóngvà thường mở) với khả năng chuyển mạch lớn và cơng suấtni cuộn dây bé nên nó được dùng để truyền và khuếch đạitín hiệu, hoặc chia tín hiệu của rơ le chính đến nhiều bộ phậnkhác nhau của mạch điều khiển và bảo vệ.

Cấu tạo của rơ le trung gian

<small> 1. Gông từ. 2. Cuộn dây. 3. Thép từ. 4. Lò xo. 5. Tiếp điểm.</small>

Nguyên lý hoạt động của rơ le trung gian:

Nếu cuộn dây của rơ le được cấp điện áp định mức (qua tiếpđiểm của rơ le chính) sức từ động do dòng điện trong cuộn dâysinh ra sẽ tạo ra trong mạch từ thông, hút nắp làm các tiếp điểmthường mở đóng lại và các tiếp điểm thường đóng mở ra. Khicắt điện của cuộn dây, lị xo sẽ nhả đưa nắp và các tiếp điểm vềvị trí ban đầu. Do dịng điện qua tiếp điểm có giá trị nhỏ nên hồquang khi chuyển mạch không đáng kể nên không cần buồngdập hồ quang.

Rơ le trung gian có kích thước nhỏ gọn, số lượng tiếp điểm đếnbốn cặp thường đóng và thường mở liên động, cơng suất tiếp

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

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 dưới1200 lần/giờ.

1.2. Xi lanh khí nén tác động đơn

Xi lanh trịn AXS là dòng xi lanh thân nhỏ, vỏ và trục xi lanhlàm bằng thép không gỉ. Xi lanh AXS họat động kiểu tác độngđơn ( 1chiều khí, 1 chiều lị xo) sử dụng 1 đầu trục, thuận tiệncho lắp đặt sản xuất và chế tạo cần không gian hẹp, công suất ápnhỏ, độ chính xác cao.

Xi lanh AXS Chức năng - Vận hành:

Xi lanh AXS sử dụng 1 đầu trục, tác động đơn 1 chiều khí 1chiều lị xo cho lực đẩy và kéo không lớn phù hợp lắp đặt chosản xuất và chế tạo lực bé không gian hẹp.

- Vận hành: Xi lanh tác động đơn có 2 trạng thái:

1. Trạng thái hành trình trục xi lanh ln nằm ở trong. Ởtrạng thái này cửa cấp khí nằm ở cuối xi lanh, lị xo nằm ở đầutrục xi lanh lực bung của lò xo ép lên piston làm trục xi lanh lùihết hành trình vào trong, khi hoạt động van chia khí sẽ cấp khícho xi lanh lực khí nén ép lên piston, lực này thắng lực lò xo đẩytrục piston tiến hết hành trình ra ngồi. Khi kết thúc hành trìnhkhí xả ra ngòai lực bung của lò xo đẩy trục xi lanh trở lại trạngthái ban đầu.

2. Trạng thái hành trình xi lanh ln tiến hết ra ngồi. Ở trạngthái này cửa cấp khí nằm ở đầu xi lanh, lị xo nằm ở cuối xilanh, lực bung của lò xo ép lên piston làm cho trục xi lanh luôntiến hết hành trình ra ngồi. Khi họat động van chia khí sẽ cấpkhí cho xi lanh, lực khí nén ép lên piston lực này thắng lực lò xođẩy piston lùi hết hành trình vào trong. Khi kết thúc hành trìnhkhí xả ra ngồi lực bung của lị xo đẩy trục xi lanh trở lại trạngthái ban đầu.

Chú ý: Sử dụng xi lanh AXS có thể lựa chọn thêm:+ Van xả nhanh để kết thúc hành trình sớm hơn.+ Van tiết lưu để điều khiển tốc độ của trục xi lanh.+ Sensor để điều khiển giới hạn hành trình trục xi lanh.+ Đế, đầu đẩy, bích để lắp đặt xi lanh.

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

1.3. Cảm biến

Để điều khiển chuyển đơ •ng của các xy lanh khí nén hay các loạicơ cấu chấp hành khác cần có sự phát hiê •n sự dịch chuyển, haynói cách khác là có sự thay đổi về vị trí hoă •c thay đổi các thơngsố của q trình trong hê • thống điều khiển. Trong phần này,chúng ta đề câ •p chủ yếu đến các loại cảm biến phát hiê •n haitrạng thái ON - OFF.

Tiếp điểm của cảm biến chia ra làm 2 loại: thường đóng(Normal Closed – NC) và thường mở (Normal Open – NO).Cơng tắc hành trình thường có cả 2 loại tiếp điểm NO và NCnhưng với mơ •t cực chung. Khi có tín hiê •u tác đơ •ng thì sẽ chuyểnđổi trạng thái của 2 tiếp điểm này: tiếp điểm thường mở đóng lạivà tiếp điểm thường đóng mở ra.

Một số cảm biến thông dụngCảm biến phát hiện sắt từ

Dùng để phát hiện các vật thể bằng kim loại, thường dùng để khốngchế các hành trình. Khoảng cách phát hiện của cảm biến loại này phụthuộc rất nhiều vào vật liệu của vật cảm biến, các vật liệu có từ tínhhoặc kim loại có chứa sắt sẽ có khoảng cách phát hiện xa hơn các vậtliệu khơng có từ tính.

Đa chức năng, khoảng cách phát hiện tới 30mmVỏ bọc đồng thau hoặc thép không gỉ cho độ bền caoCác model DC 2 dây, 3 dây và 4 dây (NO + NC).

</div>