Xây dựng hệ thống cấp vật liệu và cân trọng tải tự động sử dụng plc s7 300

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẤP VẬT LIỆU VÀ CÂN TRỌNG
TẢI TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PLC S7-300

Sinh viên thực hiện

:

LÊ QUỐC ĐẠT

Lớp

:

54K1 - KTĐK&TĐH

Giảng viên hướng dẫn :

ThS. HỒ SỸ PHƯƠNG

Nghệ An, 5-2018

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong viện “Kỹ thuật và công
nghệ” trường Đại học Vinh đã quan tâm, hướng dẫn, truyền đạt lại kiến thức, kinh
nghiệm cho em trong quá trình học tập để em có đầy đủ kiến thức về lý thuyết và kỹ
năng về thực hành để hoàn thành đồ án tốt nghiệp cũng như tự tin rằng khi ra
trường sẽ trở thành một kỹ sư Tự động hóa về chuyên mơn và ý thức. Bên cạnh đó
em cũng xin chân thành cảm ơn Th.S Hồ Sỹ Phương, người đã hết sức tận tình chỉ
bảo, định hướng và bổ sung kiến thức cho em, đã tạo điều kiện thuận lợi cho em
hoàn thành tốt đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn !

i


LỜI MỞ ĐẦU

Trong cơng cuộc cơng nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, điện tự động hóa nói
chung đóng một vai trò rất quan trọng. Nhưng ngày nay với sự phát triển vượt bậc
của cơng nghệ, tự động hóa truyền thống không thể mang lại hiệu quả cao trong nền
kinh thế thị trường. Chính vì vậy xuất hiện một xu hướng mới trong cơng nghệ, đó
là sự kết hợp giữa cơ khí, cơng nghệ thơng tin và điện tử để hình thành một lĩnh vực
mới - Lĩnh vực cơ khí tự động hóa. Trên thế giới cơ khí tự động hóa đã xuất hiện
khá lâu đời và phát triển rất mạnh nhưng tại Việt Nam đây là lĩnh vực mới và đang
trong quá trình hình thành và phát triển. Một trong những sản phẩm của Cơ khí điện tử - Tự động hóa là hệ thống trạm cân trọng tải ô tô. Nắm bắt được tầm quan
trọng của hệ thống, em lựa chọn đề tài: “Xây dựng hệ thống cấp vật liệu và cân
trọng tải tự động sử dụng PLC S7-300”. Sản phẩm cũng như kết quả đạt được
ngày hơm nay tuy khơng có gì lớn lao nhưng đó là thành quả bước đầu khi em ra
trường bước vào cuộc sống mới.
Đồ án được chia làm 3 chương:

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH CẤP VẬT LIỆU VÀ CÂN
TRỌNG TẢI Ô TÔ TỰ ĐỘNG
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ
THỐNG, KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Qua q trình làm đồ án em đã cố gắng hồn thành nhưng khơng tránh khỏi
những sai sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cơ và các
bạn để em có thêm kinh nghiệm trong thực tế.
Nghệ An, tháng 5 năm 2018
Sinh viên thực hiện:

LÊ QUỐC ĐẠT

ii


TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án này trình bày q trình, tìm hiểu, phân tích, thiết kế và chế tạo mơ hình
trạm cân trọng tải ơ tơ tự động để phục vụ cho nhu cầu cấp thiết của thị trường. Tìm
hiểu tổng quan về PLC, cách lập trình PLC tối ưu nhất. Đồng thời thế kế giao diện
giám sát và điều khiển mơ hình bằng phần mềm Wincc một cách trực quan, tối ưu
nhất.

ABSTRACT

This program is present the process, find understand, parsing, design
andcreation the weight to load the model model to auto automatically to the
serverfor the field level required. Find the PLC about understand about the
maximum PLC. Watch the monitoring interface and the model model with the
Wincc software is online, priority.

iii


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................1
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.................................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ............................................1
1.1. Đặt vấn đề .....................................................................................................1
1.2. Tổng quan về mơ hình thiết kế cấp vật liệu và cân trọng tải ôtô tự động ....1
1.3. Thực trạng hệ thống trạm cân trọng tải ở Việt Nam....................................3
1.4. Mơ hình trạm cân trọng tải tự đông ..............................................................6
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH CẤP VẬT LIỆU VÀ
CÂN TRỌNG TẢI TỬ ĐỘNG ..................................................................................7
2.1. Thiết bị sử dụng trong đề tài .........................................................................7
2.1.1. Cảm biến ............................................................................................7
2.1.2 Van điện từ khí nén .............................................................................8
2.1.3. Xi lanh khí nén .................................................................................10
2.1.4. Module relay 4 kênh.........................................................................12
2.1.5. Cảm biến loadcell .............................................................................13
2.1.6. Mạch khuếch đại đầu ra Loadcell ....................................................18
2.1.7. Đèn Led 24V.....................................................................................20
2.2. Bộ điều khiển PLC S7 – 300 ......................................................................21
2.1.1. Giới thiệu PLC S7- 300....................................................................21
2.2.2. Địa chỉ và gán địa chỉ .......................................................................23
2.2.3. Các lệnh lập trình trong Step 7.........................................................26
2.3. Thiết kế phần cứng và lắp ráp mơ hình ......................................................32

2.3.1. Chi tiết phễu chứa vật liệu ...............................................................32
2.3.2. Chi tiết cảm biến và xilanh barie .....................................................33
2.3.3. Chi tiết cân loadcell ..........................................................................34
2.3.4. Cảm biến phát hiện xe đi qua và đóng barie ....................................35
2.3.5. Lắp ráp mơ hình hồn chỉnh ............................................................36
iv


2.4. Thiết kế chương trình điều khiển................................................................37
2.4.1. Quy trình cơng nghệ .........................................................................37
2.4.2. Phân công đầu vào ra .......................................................................38
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ
THỐNG, KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC............................................................................39
3.1 Tổng quan về Wincc ....................................................................................39
3.1.1. Giới thiệu về Wincc .........................................................................39
3.1.2. Các thành phần của Wincc ...............................................................40
3.2. Thiết kế, mô phỏng giao diện điều khiển và giám sát ................................43
3.2.1. Tạo Project Wincc ............................................................................43
3.2.2. Tạo biến ............................................................................................45
3.2.3. Tạo giao diện ....................................................................................46
3.2.4. Thiết lập các thuộc tính hình ảnh .....................................................48
3.3. Kết quả của đề tài .......................................................................................50
3.3.1. Giao diện giám sát và điều khiển .....................................................51
3.3.2. Hướng phát triển của đề tài ..............................................................51
KẾT LUẬN ...............................................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................53

v

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Trang
Hình 1.1 Một trạm cân trọng tải đang hoạt động ........................................................2
Hình 1.2 Trạm cân tải được thanh tra giao thơng sử dụng .........................................2
Hình 2.1 Cảm biến điện dung E3F-DS30C4 30CM ...................................................8
Hình 2.2 Cấu tạo van điện từ khí nén 5/2 ...................................................................8
Hình 2.3 Van điện từ khí nén 5/2 ................................................................................9
Hình 2.4 Van tiết lưu ...................................................................................................9
Hình 2.5 Cấu tạo bên trong xi lamh ..........................................................................10
Hình 2.6 Xi lanh khí nén TPM Cylinder ...................................................................12
Hình 2.7 Cấu tạo rơ le trung gian ..............................................................................13
Hình 2.8 Module relay 4 kênh...................................................................................13
Hình 2.9: Mạch cầu Wheatstone ...............................................................................14
Hình 2.10: Các chân điều khiển Loadcell .................................................................15
Hình 2.11: Các dạng nối dây của loadcell ................................................................17
Hình 2.12: Các loại load cell thực tế. ........................................................................18
Hình 2.13: Mạch khuếch đai loadcell .......................................................................19
Hinh 2.14 Ký hiệu các chân mạch khuếch đại .........................................................20
Hình 2.15 PLC S7-300 Siemens ...............................................................................21
Hình 2.16 Các khối modul của PLC S7-300 .............................................................22
Hình 2.17 Địa chỉ khe và kênh trên module số ........................................................24
Hình 2.18 Địa chỉ khe và kênh trên module tương tự ...............................................25
Hình 2.19 Chi tiết phễu chứa ....................................................................................32
Hình 2.20 Chi tiết cảm biến và xilanh đóng mở barie ..............................................33
Hình 2.21 Chi tiết Cân loadcell .................................................................................34
Hình 2.22 Cảm biến phát hiện xe đi qua và đóng barie ...........................................35
Hình 2.23 Mơ hình hồn chỉnh .................................................................................36
Hình 2.24 Sơ đồ ngun lý của hệ thống ..................................................................37
Hình 2.25 Sơ đồ khối thuật tốn của hệ thống ..........................................................38
Hình 2.26 Phân chia đầu vào ra ...............................................................................38

Hình 3.1 Hộp thoại Wincc Explorer và Create New Project ....................................43
vi


Hình 3.2 Màn hình Wincc Explorer ..........................................................................44
Hình 3.3 Hộp thoại Wincc Configuration Studio .....................................................44
Hình 3.4 Cửa sổ Tag Properties ................................................................................45
Hình 3.5 Cửa sổ Address Properties .........................................................................46
Hình 3.6 Cửa sổ giao diện thiết kế đồ họa Graphics.................................................46
Hình 3.7 Thư viện Libary..........................................................................................47
Hình 3.8 Tạo và sắp các phần tử cần sử dụng vào màn hình ....................................48
Hình 3.9 Gán Tag cho đối tượng...............................................................................48
Hình 3.10 Chọn,thay đổi các thuộc tính của đối tượng ............................................49
Hình 3.11 Cửa sổ giao diện I/O ................................................................................49
Hình 3.12 Mơ hình trạm cân trọng tải .......................................................................50
Hình 3.13 Màn hình giám sát và điều khiển hệ thống ..............................................51

vii


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay với sự phát triển của công nghiệp vi điện tử, kỹ thuật số các hệ thống
điều khiển dần được tự động hoá. Với những kỹ thuật tiên tiến của vi xử lí, vi mạch
số được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển thì các hệ thống điều khieebr cơ khí thơ
sơ với tốc đọ xử lí chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng hệ thống điều khiển
tự động với các lệnh, chương trình được thiết lập trước
Cân xe cũng như việc cân những khối lượng lớn là một nhu cầu cần thiết cho
các nhà máy sản xuất muốn biết khối lượng hàng hoá, sản phẩm hay nguyên vật

liệu, và cả cho những lĩnh vực khác như bến cảng, trạm cân xe phát hiện quá tải của
cảnh sát giao thơng do đó em đã quyết định chọn đề tài “Xây dựng hệ thống cấp
vật liệu và cân trọng tải ô tô tự động sử dụng PLC S7-300”.
1.2. Tổng quan về mơ hình thiết kế trạm cân trọng tải ô tô tự động
Hệ thống trạm cân trọng tải tự động là hệ thống cân xe tải trọng khối lượng
lớn…Trạm cân trọng tải tự động được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất
muốn biết khối lượng hàng hoá, sản phẩm hay nguyên vật liệu, và cả cho những
lĩnh vực khác như bến cảng, trạm cân xe phát hiện quá tải của cảnh sát giao thông.
Hệ thống trạm cân trọng tải thường được áp dụng cho những trường hợp yêu cầucân
xe có trọng tải lớn hoặc hang hố có khối lượng rất lớn và u cầu chính xác.
Hiện nay với cơng nghệ hiện đại, rất nhiều quy trình cơng nghiệp được tự động
hóa. Trong đó hệ thống trạm cân trọng tải là một trong những hệ thống được sử
dụng rất phổ biến và rộng rãi.

1


Hình 1.2 Một trạm cân trọng tải đang hoạt động

Hình 1.3 Trạm cân tải được thanh tra giao thông sử dụng

2


1.3. Thực trạng hệ thống trạm cân trọng tải ở Việt Nam
Tuy đã được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam nhưng hầu hết các hệ thống cân xe
đều lắp ráp từ các thiết bị có sẵn từ nước ngồi như loadcell, bộ hiển thị (đầu cân) .
Phần được chế tạo ở đây có thể là nền cầu cân, hộp nối loadcell ( Junction Box) và
viết chương trình quản lý trạm cân . Đề tài “Xây dựng hệ thống cấp vật liệu và cân
trọng tải ô tô tự động sử dụng PLC S7-300” này bao gồm việc dùng vi xử lý đọc

A/D của tín hiệu sau khi đã khuếch đại từ loadcell, hiển thị kết quả cân, truyền dữ
liệu sang máy tính, thực hiện một số chức năng như đầu cân thực tế, viết chương
trình quản lý trạm cân và cả việc thực hiện một mơ hình cân xe tải. Ngồi ra cịn
thực hiện Card A/D gắn vào rãnh cắm máy tính ứng dụng trong hệ thống cân sử
dụng cho khoảng cách gần và tính tiền tự động bằng chương trình máy tính
❖ Hệ thống trạm cân trọng tải ở Việt Nam
Mặt bàn cân
➢

Về kích thước thơng thường bàn cân xe tải được thiết kế gồm khoảng 4

hoặc 6 module 1500mmx6000mm ghép lại, chiều ngang thường là 3m hoặc 3,2m
và chiều dài: 8m, 10m, 12m, 14m, 16m, 18m.... Nên chọn kích thước bàn cân phù
hợp với nhu cầu vì kích thước bàn cân càng lớn thì chi phí càng cao và chiếm
diện tích càng nhiều
➢

Có ba loại khung bàn cân được dùng trong chế tạo cân xe tải.
+ Thứ nhất là bàn cân xe tải bêtông, khung thép.
+ Thứ hai là bàn cân xe tải thép, gồm các dầm chịu lực chính là tơn

U uốn bao quanh bàn cân.
+ Thứ ba là bàn cân xe tải thép, được cấu tạo bằng thép I đúc nguyên
thanh.
➢

Tùy vào nhu cầu và khả năng, người mua chọn loại khung phù hợp nhất.

➢

Mức cân max thể hiện trọng tải tối đa của một chiếc cân xe tải. Người mua

cần quan tâm chọn mức cân phù hợp với nhu cầu sử dụng. Chiếc cân xe tải 60 tấn
và 80 tấn tuy kích thước có thể giống nhau nhưng đòi hỏi lượng thép chịu lực sử
dụng khác nhau và vì thế giá cả cũng chênh lệch. Ngoài ra, chỉ số quá tải an toàn
max và quá tải hư hỏng max cũng cần được chú ý vì ảnh hưởng đến độ bền của
chiếc cân nếu sử dụng không đúng mức tải.
3


Hệ móng cân phần kết cấu xây dựng
Một hệ móng cân tốt: Về hệ thống móng chịu lực của trạm cân cũng là một phần
rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác / tuổi thọ của tồn hệ thống
cân.
Nếu các trụ chịu lực chính có hiện tượng sụt lún; không đồng đều sẽ làm cho bàn
cân bị bấp bênh, khơng sử dụng được. Nhưng nếu bạn có một móng cân tốt (đảm
bảo thiết kế kết cấu, gia cường, chống lún, chịu tải cục bộ, giám sát thi cơng,
hồn thiện, bảo đảm , bảo hành….) thì bạn cũng an tâm cho vấn đề này.
➢

Độ ổn định chung của hệ thống: Cân ôtô (cân xe tải) sau khi lắp đặt phải

đảm bảo có độ chính xác, ổn định trong thời gian vận hành lâu dài. Thông
thường các cân chỉ cần hiệu chỉnh sơ bộ sau lần kiểm định thứ 3.
Các thiết bị chính của cân xe tải như: Cảm biến tải - load cell, Đầu cân weighing indicator được lắp ghép đồng bộ sẽ đảm bảo tuyệt đối vế tín hiệu kết
nối là chính xác

4

Hình 1.1 Hệ thống trạm cân trọng tải
➢ Trường hợp sử dụng các thiết bị chính của các hãng khác nhau sẽ có nhiều
hạn chế như: làm việc khơng ổn định, tuổi thọ khơng cao, và khơng đảm bảo an
tồn về mặt quản lý các dữ liệu trong quá trình cân tuy nhiên đó khơng phải vấn
đề lớn
➢ Việc phối hợp các hãng khác nhau có thể giảm tổng kinh phí đầu tư ban đầu.
➢ Móng trạm cân xe tải bằng sắt thép , bê tông .
➢ Độ bền của cân theo thời gian: Cân ôtô(can xe tai) là tài sản có giá trị cao, độ
chính xác của nó quyết định một phần sự tin tưởng lẫn nhau giữa các bên giao
nhận hàng hoá. Tuổi thọ của cân thường trên 5~10 năm.
➢ Giá thành rẻ.

5


➢ Tuổi thọ này phụ thuộc vào tuổi thọ thiết bị, mơi trường và trình độ của người
vận hành. Thời gian bảo hành của các nhà cung cấp cân điện tử tốt thường là
12~24 tháng.
➢ Hiệu quả kinh tế khi vận hành: Đầu tư một cân ôtô điện tử tốt là mong muốn
của hầu hết tất cả nhà đầu tư.
➢ Cân xe tải được tin học hoá giúp cho việc quản lý hàng hoá, tồn kho hiện tại
một cách nhanh chóng, chính xác. Người quản lý căn cứ trên số liệu này để có
thể cho ra những quyết định nhanh chóng.
➢ Cân tốt khơng làm tắc nghẽn luồng hàng hố vào ra, không làm ách tắc hoạt
động của doanh nghiệp.
➢ Hạn chế rủi ro: Đầu tư và sử dụng cân đúng cách và các quy trình vận hành
phải chuẩn để hạn chế rủi ro có thể xẩy ra: trên đây chúng tơi cung cấp những rủi
ro có thể xây ra khi bạn đang sở hữu một hệ thống bàn cân xe tải điện tử.
1.4. Mơ hình cấp vật liệu và cân trọng tải tự đông
Trong giới hạn đề tài tốt nghiệp, do còn hạn chế về kiến thức, thời gian, kinh

phí... nên em giới hạn thực hiện các cơng đoạn của mơ hình như sau:
+Xe trọng tải: Điều khiển bằng tay
+Rót vật liệu: Tự động
+Cân xe: Tự động
+Đóng mở barie: Tự động
Mơ hình hoạt động dựa vào cài đặt và điều khiển bởi PLC. Trong mơ hình cũng
sử dụng các xi lanh khí nén, các van điện từ, cảm biến…

6


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH CẤP VẬT LIỆU VÀ
CÂN TRỌNG TẢI TỬ ĐỘNG

Giới thiệu chung:
Trong chương này trình bày, giới thiệu về các thiết bị, cơ cấu chấp hành được
sử dụng trong đề tài. Giới thiệu về bộ điều khiển PLC S7-300, thiết kế phần cứng và
hồn thành chương trình điều khiển cho mơ hình.
2.1. Thiết bị sử dụng trong đề tài
2.1.1. Cảm biến
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại
lượng khơng có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý
được. Là những thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống tự động hóa và sản xuất
cơng nghiệp.
Với những tính năng:
➢ Vận hành đáng tin cậy ngay cả trong mơi trường khắc nghiệt (như ngồi
trời, hoặc môi trường dầu mỡ..).
➢ Vận hành / cài đặt dễ dàng , đơn giản.
➢ Giá thành rẻ.
➢ Phát hiện vật không cần tiếp xúc, phát hiện được mọi vật, không tác

động lên vật.
➢ Hoạt động ổn định, chống rung động tốt.
➢ Tốc độ đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao.
➢ Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi.
Nên em đã quết định chọn loại cảm biến tiệm cận, và trong phạm vi đề tài mục
đích chỉ để phát hiện vật thể phi kim (chai thủy tinh) nên cảm biến được sử dụng là
cảm biến tiệm cận điện dung E3F-DS30C4 30CM ngõ ra NPN.

7


Hình 2.1 Cảm biến điện dung E3F-DS30C4 30CM
Thơng số kỹ thuật:
+ Điện áp hoạt động: 6V-36V DC
+ Khoảng cách phát hiện : 3-30 cm
+ Nhiệt độ hoạt động từ -400 – 700 C
+ Chiều dài cáp 1m
+ Tín hiệu ngõ ra NPN thường mở ( tín hiệu ra bằng điện áp cấp nguồn
nuôi cho cảm biến.
Trong đề tài dùng hai cảm biến điện dung E3F-DS30C4 30CM để phát hiện
chai đầu vào vị trí rót và vị trí đóng nắp.
2.1.2 Van điện từ khí nén
Van điện từ là một thiết bị cơ điện sử dụng để kiểm sốt dịng chảy chất lỏng hoặc
khí nén. Van điện từ hay cịn gọi là Solenoid valve được điều khiển bởi điện áp 24VDC
được điều hành thông qua một cuộn dây. Khi cuộn dây được cấp điện một từ trường
được tạo ra tạo thành lực tác động lên piston bên trong các cuộn dây sẽ làm piston di
chuyển. Van điện từ khí nén sử dụng trong đề tài là loại 5 cửa 2 vị trí.

Hình 2.2 Cấu tạo van điện từ khí nén 5/2
8

Hình 2.2. Mơ tả cấu tạo của van bao gồm: cửa P là cửa cung cấp nguồn năng
lượng, cửa A lắp với buồng bên trái xi lanh cơ cấu chấp hành, cửa B lắp với buồng
bên phải của xi lanh cơ cấu chấp hành, cửa T và cửa R là cửa xả năng lượng. Khi
con trượt của van di chuyển qua trái, cửa P thông với cửa B, cửa A thông với cửa R.
Trạng thái ban đầu cửa A thông với cửa P, khi có tín hiệu điện piston sẽ trượt về
bên phải, lúc này cửa A xả khí qua cửa T, cửa B sẽ thông với cửa P.
❖ Van điện từ khí nén 5/2 AIRTAC

Hình 2.3 Van điện từ khí nén 5/2
Các thơng số kỹ thuật :
• Model: 4V210-08 loại 5/2
• Áp suất chịu được: 1,5- 8,0 Bar (Kg/cm2)
• Điện áp định mức : 24V DC
• Dịng điện định mức: 23 mA
❖ Van tiết lưu và ống dẫn khí nén
+ Van tiết lưu:

Hình 2.4 Van tiết lưu
9


Van tiết lưu là một loại van thủy lực có cơng dụng điều chỉnh lưu lượng khí đi
qua.
+ Ống dẫn khí nén: là thiết bị truyền dẫn khí nén từ binh nén khí đến các phần
tử trong hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành.
2.1.3. Xi lanh khí nén

Hình 2.5 Cấu tạo bên trong xi lamh

Xi lanh có nhiệm vụ biến đổi năng lượng thế năng hay động năng của lưu chất
thành năng lượng cơ học - chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay (góc quay
< 3600). Thơng thường xi lanh được lắp cố định còn piston chuyển động. Một số
trường hợp có thể piston cố định, xi lanh chuyển động. Piston bắt đầu chuyển động
khi lực tác dụng vào 1 trong 2 phía của nó (lực áp suất, lị xo hoặc cơ khí) lớn hơn
tổng các lực cản có hướng ngược lại chiều chuyển động (lực ma sát, phụ tải, lò xo,
thủy động...)
Xi lanh lực được chia làm 2 loại xi lanh lực và xi lanh quay. Trong xi lanh lực,
chuyển động tương đối giữa piston và xi lanh là chuyển động tịnh tiến. Trong xi
lanh quay, chuyển động giữa piston và xi lanh là chuyển động quay, góc thường
nhỏ hơn 3600 .

10


Ưu, nhược điểm của khí nén:
+ Ưu điểm:
Do khơng khí có khả năng chịu nén (đàn hồi) nên có thể nén và trích

-

chứa trong bình chứa với áp suất cao thuận lợi, xem như một kho chứa
năng lượng.
Trong thực tế vận hành, người ta thường xây dựng trạm nguồn khí nén

-

dùng chung cho nhiều mục đích khác nhau như cơng việc làm sạch,
truyền động trong các máy móc…
-

Có khả năng truyền tải đi xa bằng hệ thống đường ống với tổn thất nhỏ.

-

Khí nén sau khi sinh cơng cơ học có thể thải ra ngồi mà khơng gây tổn
hại cho môi trường.

-

Tốc độ truyền động cao, linh hoạt.

-

Dễ điều khiển với độ tin cậy và chính xác.

-

Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất hiệu quả.

+ Nhược điểm:
-Công suất truyền động không lớn. Ở nhu cầu cơng suất truyền động lớn,
chi phí cho truyền động khí nén sẽ cao hơn 10-15 lần so với truyền động
điện cùng cơng suất, tuy nhiên kích thước và trọng lượng lại chỉ bằng
30% so với truyền động điện;
-Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền động ln có xu hướng thay đổi do
khả năng đàn hồi của khí nén khá lớn, vì vậy khả năng duy trì chuyển
động thẳng đều hoặc quay đều thường là khó thực hiện.
-Dịng khí nén được giải phóng ra mơi trường có thể gây tiếng ồn.
Ngày nay, để nâng cao khả năng ứng dụng của hệ thống khí nén, người ta

thường kết hợp linh hoạt chúng với các hệ thống điện cơ khác và ứng dụng sâu rộng
các giải pháp điều khiển khác nhau như điều khiển bằng các bộ điều khiển lập trình,
máy tính…
Xi lanh sử dụng trong đề tài là sử dụng 2 xi lanh của hãng TPM Cylinder dùng
để cấp nắp và đóng nắp chai.

11


Hình 2.6 Xi lanh khí nén TPM Cylinder
Thơng số:
• Model: TMAL20X100-S
• Chiều dài hành trình: D=10 cm
• Áp suất vận hành: 1-9 Bar (Kg/Cm2)
2.1.4. Module relay 4 kênh
Trong đề tài sử dụng một số cơ cấu chấp hành với công suất lớn hơn so với
cơng suất của tín hiệu từ ngõ ra PLC nên những cơ cấu chấp hành này phải được
điều khiển thông qua các rơ le trung gian.
Cấu tạo rơle trung gian:
➢ Mạch từ: có tác dụng dẫn từ. Đối với rơle điện từ một chiều, gông từ được
chế tạo từ thép khối thường có dạng hình trụ trịn (vì dịng điện từ khơng gây
dịng điện xốy nên khơng gây phát nóng từ ). Đối với rơle điện từ xoay
chiều, mạch từ thường chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại (để giảm
dịng điện xốy Fuco phát nóng ).
➢ Cuộn dây: được quấn trên lõi thép, dây quấn làm bằng đồng bên ngồi có lớp
sơn cách điện.
➢ Lò xo: dùng để giữ nắp
➢ Tiếp điểm: thường có 1 hay nhiều cặp tiếp điểm thường mở, tiếp điểm
thường đóng.
Nguyên lý làm việc:

Khi chưa cấp điện vào hai đầu A và B, lực hút điện từ bằng 0. Khi cho
dòng điện đủ lớn vào hai đầu A và B, dòng điện chạy qua cuộn dây sinh ra từ
trường tạo ra lực hút điện từ. Nếu lực của lực hút điện từ thắng lực kéo của lò
12


xo thì nắp của mạch từ được hút xuống, tiếp điểm thường đóng mở ra, tiếp
điểm thường mở đóng lại. Nếu không cấp điện vào hai đầu A và B thì các
tiếp điểm trở lại trạng thái ban đầu.

Hình 2.7 Cấu tạo rơ le trung gian
Trong đề tài sử dụng module relay 4 kênh dùng để điều khiển các cơ cấu chấp
hành như băng tải, bơm nước, mâm xoay.

Hình 2.8 Module relay 4 kênh
2.1.5. Cảm biến loadcell
Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử dụng phổ biến là
loadcell. Đây là một kiểu cảm biến lực biến dạng. Lực chưa biết tác động vào một
13


bộ phận đàn hồi, lượng di động của bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỉ
lệ với lực chưa biết. Sau đây là giới thiệu về loại cảm biến này.
Một loadcell cảm biến có 2 bộ phận chính là strain gauges được dán vào bề
mặt của thân loadcell.
+Strain gauges bao gồm sợi dây kim loại mảnh đặt trên một tấm cách điện
đàn hồi.
+Thân loadcell là một khối kim loại đàn hồi, tùy vào mục đích sử dụng mà
thân loadcell được thiết kế có hình dạng và vật liệu kim loại khác nhau chủ yếu là
nhôm hợp kim, thép khơng gỉ, thép hợp kim.

Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán. Tấm điện trở
là một phương tiện để biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tương ứng
trong điện trở. Một mạch đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu được một
tín hiệu điện tỉ lệ với mức độ thay đổi của điện trở. Mạch thông dụng nhất sử dụng
trong loadcell là cầu Wheatstone.
- Nguyên lý:
Cầu Wheatstone là mạch được chọn dùng nhiều nhất cho việc đo những biến
thiên điện trở nhỏ (tối đa là 10%), chẳng hạn như việc dùng các miếng đo biến
dạng. Phần lớn các thiết bị đo đạc có sẵn trên thị trường đều khơng ít thì nhiều dùng
phiên bản của cầu Wheatstone đã được sàng lọc. Như vậy, việc tìm hiểu nguyên lý
cơ bản của loại mạch này là một điều cần thiết

R

R

1

2
E

Z
m

m
R

R

4

3

V
+

-

Hình 2.9: Mạch cầu Wheatstone
14


Cho một mạch gồm bốn điện trở giống nhau R1, R2, R3, R4 tạo thành cầu
Wheatstone như trên hình trên. Đối với cầu Wheatstone này, bỏ qua những số hạng
bậc cao, hiệu thế đầu ra Em thông qua thiết bị đo với trở kháng Zm sẽ là:
Em =

V
R
4(1 +
)
Zm

[

R1 R 2 R3 R 4
−
+
−
]

R1
R2
R3
R4

(V)

Với: - Ġ là biến đổi đơn vị của mỗi điện trở Ri
- R là điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R1, R2, R3, R4 (thường là
120 ohms, nhưng có thể là 350 ohms dành cho các bộ cảm biến).
- V là hiệu thế nguồn.
Điện thế nguồn có thể thuộc loại liên tục với điều kiện là dùng một nguồn
năng lượng cung cấp thật ổn định. Các thiết bị trên thị trường đôi khi lại dùng
nguồn cung cấp xoay chiều. Trong trường hợp đó phải tính đến việc sửa đổi mạch
cơ bản để có thể giải điều chế thành phần xoay chiều của tín hiệu.
Trong phần lớn các trường hợp, Zm rất lớn so với R (ví dụ như Volt kế số, bộ
khuếch đại với phần nối trực tiếp) nên biểu thức trên có thể viết lại là:
Em =

V R1 R 2 R3 R 4
[
−
+
−
]
4 R1
R2
R3
R4

(V)

Phương trình trên cho thấy là sự biến đổi đơn vị điện trở của hai điện trở đối
mặt nhau, ví dụ là R1 và R3, sẽ là cộng lại với nhau trong khi tác động của hai điện
trở kề bên nhau, ví dụ là R1 và R2, lại là trừ khử nhau. Đặc tính này của cầu
Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính ổn định nhiệt của các mạch miếng
đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt .

Hình 2.10: Các chân điều khiển Loadcell
15


Khi có tải trọng hoặc tác động lực lên thân loadcell sẽ làm nó bị biến dạng nén
hoặc giãn, làm cho các sợi kim loại của điện trở strain gauges thay đổi chiều dài và
tiết diện kéo theo sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges. Sự thay đổi trong
điện áp đầu ra chỉ có thể được đo và chuyển thành số sau khi đi qua bộ khuếch đại
của các bộ chỉ thị cân điện tử

16


❖ Ứng dụng của Loadcell
•

Được sử dụng phổ biến trong các loại cân điện tử, từ những chiếc cân đòi hỏi
độ chính xác cao cho tới những chiếc cân có trọng tải lớn trong công nghiệp
như cân ô tô điện tử 60 tấn, 80 tấn, 100 tấn, 120 tấn.

•

Loadcell cịn được lắp đặt trên dây cáp ở cầu treo để đo sức cứng của cáp
treo và sức ép chân cầu trong các điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau
để cảnh báo độ an toàn của cầu treo.
❖ Một số Loadcell thực tế:
Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (của

Nhật), Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques. Inc, Tedea –
Huntleigh... Mỗi loại loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo tải trọng
chịu đựng, chịu lực kéo hay nén. Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây ra của loadcell
có màu sắc khác nhau.
Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ thuật khi mua từng loại
loadcell.
Trong thực tế cịn có loại loadcell sử dụng kỹ thuật 6 dây cho ra 6 đầu dây. Sơ
đồ nối dây của loại loadcell này có thể có hai dạng như sau:

a. Dạng nối dây1

b.Dạng nối dây 2

Hình 2.11: Các dạng nối dây của loadcell
Như vậy, thực chất loadcell cho ra 6 dây nhưng bản chất vẫn là 4 dây vì ở cả
hai cách nối ta tìm hiểu ở trên thì các dây +veInput (Exc+) và +veSense (Sense+) là
nối tắt, các dây -veInput (Exc-) và -veSense (Sense-) là nối tắt.
Có nhiều kiểu hình dạng loadcell cho những ứng dụng khác nhau. Do đó cách
kết nối loadcell vào hệ thống cũng khác nhau trong từng trường hợp.
17