Luận văn tốt nghiệp Đại học Thiết kế hệ thống cân dùng PLC
LỜI CAM ĐOAN
Hệ thống cân là một hệ thống được áp dụng rất nhiều trong các nhà máy sản
xuất. Với những yêu cầu về định lượng sản phẩm một cách chính xác khi được đưa
vào quá trình sản xuất. Từ những yêu cầu thực tế và lòng đam mê nghiên cứu các hệ
thống cân nên chúng em mạnh dạn chọn đề tài “THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN
DÙNG PLC” này để làm luận văn tốt nghiệp cho mình.
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em đã nỗ lực hết sức, tuy nhiên sẽ
không tránh khỏi những thiếu sót và những nội dung trình bày trong quyển báo cáo
này là những hiểu biết và những thành quả của chúng em đạt được trong suốt quá
trình nghiên cứu dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Ths.Nguyễn Hoàng
Dũng.
Chúng em xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo
luận văn tốt nghiệp này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trước
nào. Nếu không đúng sự thật, chúng em xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường.
Cần Thơ, ngày tháng năm 2012
Sinh viên thực hiện
(ký tên và ghi họ tên)
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 1 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
Nguyễn Văn Tâm
Luận văn tốt nghiệp Đại học Thiết kế hệ thống cân dùng PLC
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn này là kết quả của toàn bộ nỗ lực của bản thân
chúng em trong suốt thời gian theo học tại trường, là toàn bộ năng lực của chúng
em khi bắt tay vào quá trình nghiên cứu. Để được thành công như ngày hôm nay
chúng em không bao giờ quên được sự giúp đỡ và sự giảng dạy rất nhiệt tình của
các Thầy cô Bộ môn Tự động hoá – Khoa Công nghệ - Trường Đại học Cần Thơ.
Các Thầy cô là những đội ngũ đi trước rất am hiểu về lĩnh vực khoa học kỹ thuật đã
tận tình giảng dạy và giúp chúng em hoàn thành được rất nhiều đề tài Luận văn rất
Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2012
Giáo viên hướng dẫn
Ths. Nguyễn Hoàng Dũng
Nhận xét của Giáo viên phản biện 1
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 3 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
Nguyễn Văn Tâm
Luận văn tốt nghiệp Đại học Thiết kế hệ thống cân dùng PLC
LỜI CAM ĐOAN 1
2
LỜI CẢM ƠN 2
Mục lục 5
Danh mục hình 8
Danh mục bảng 10
Kí hiệu và viết tắt 11
Tóm tắt 12
Abstract 13
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 14
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 14
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 14
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 5 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
Nguyễn Văn Tâm
Luận văn tốt nghiệp Đại học Thiết kế hệ thống cân dùng PLC
1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 14
1.4 GỚI THIỆU NỘI DUNG 15
1.5 HƯỚNG GIẢI QUYẾT 15
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16
2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH LƯỢNG 16
2.1.1 Khối lượng của một vật thể 16
2.1.2 Các hình thức xác định khối lượng của vật 16
2.2 CẢM BIẾN TRỌNG LƯỢNG (LOADCELL) 17
2.2.1 Cấu tạo của một Loadcell 17
2.2.2 Mạch cầu Wheatstone 17
2.2.3 Ứng dụng loadcell vào đề tài 19
2.3 BỘ KHUẾCH ĐẠI LOADCELL CHUẨN CÔNG NGHIỆP 20
Thông số 21
Giá trị 21
Dãy đầu vào 21
3.1.4 Thiết kế mô hình cơ khí 44
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 6 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
Nguyễn Văn Tâm
Luận văn tốt nghiệp Đại học Thiết kế hệ thống cân dùng PLC
3.1.5 Cảm biến 51
3.1.6 Van khí nén 53
3.2 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 54
3.2.1 Ý tưởng thiết kế chương trình: 54
3.2.2 Lưu đồ chương trình điều khiển hệ thống 55
61
3.2.3 Quy ước các ngõ vào ra cho PLC 62
3.2.4 Thiết kế truyền dữ liệu PC – Access 72
3.2.5 Thiết kế giao diện và điều khiển giám sát bằng WinCC 73
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ KIẾN NGHỊ 81
4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 81
4.1.1 Phần cứng 81
4.1.2 Phần mềm 82
4.2 KIẾN NGHỊ 85
4.2.1 Giới hạn kết quả đề tài 85
4.2.2 Hướng phát triển 85
Phụ lục 86
Tài liệu tham khảo 88
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 7 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
Nguyễn Văn Tâm
Luận văn tốt nghiệp Đại học Thiết kế hệ thống cân dùng PLC
Danh mục hình
Hình 2. 1 Cân bằng đòn cân 16
Hình 2. 3 Mạch cầu Wheatstone 18
Hình 2. 6 Loadcell UWE dạng thanh 19
Hình 2. 7 Bộ khuếch đại loadcell MKcells KM02A 20
Hình 3. 18 Cảm biến quang BYD30-DDT-T loại NPN 52
Hình 3. 19 Cách đấu dây cảm biến quang BYD30-DDT-T 53
Hình 3. 22 Quan hệ giữa khối lượng và giá trị AD đọc về 54
Hình 3. 23 Lưu đồ chương trình cân 57
Hình 3. 24 Lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống cân với tải trọng 2kg 60
Hình 3. 25 Màn hình giao diện PC Access 72
Hình 3. 26 Các biến đã khai báo hoàn chỉnh 72
Hình 3. 27 Cửa sổ làm việc của WinCC 73
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 8 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
Nguyễn Văn Tâm
Luận văn tốt nghiệp Đại học Thiết kế hệ thống cân dùng PLC
Hình 3. 28 Cửa sổ liên kết các Tag giữa PC Access với WinCC 73
Hình 3. 29 Giao diện đồ họa hệ thống định lượng 74
Hình 3. 30 Cửa sổ thiết lập cho Alarm Logging 75
Hình 3. 31 Tùy chọn màu cho các Alarm 75
Hình 3. 32 Cửa sổ thiết lặp cho các biến trạng thái Tag Logging 76
Hình 3. 33 Các màu tương ứng với các biến trạng thái Tag Logging 76
Hình 3. 34 Giao diện Web Navigator 77
Hình 3. 35 Giao diện tạo bảo mật cho người dùng 78
Hình 3. 36 Truy xuất dữ liệu ra Excel 79
Hình 3. 37 Thiết lập chế độ hoạt động của chức năng WinCC 80
Hình 4. 1 Mô hình cơ khí hoàn chỉnh của cân 81
Hình 4. 2 Giao diện điều khiển hệ thống tự động 82
Hình 4. 3 Giao diện Web Navigator 83
Hình 4. 4 Truy suất dữ liệu ra Excel 83
Hình 4. 5 Biểu đồ thể hiện các biến trạng thái 84
Hình 4. 6 Thay đổi các biến trạng thái tag logging 84
Hình 4. 7 Theo dõi Alarm logging 85
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 9 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
Nguyễn Văn Tâm
thống cân này có độ chính xác
±
6g.
Với kết quả này, nhóm chúng em mạnh dạn đề nghị đề tài được nghiên cứu thêm
và đưa vào áp dụng trong sản xuất.
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 12 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
Nguyễn Văn Tâm
Luận văn tốt nghiệp Đại học Thiết kế hệ thống cân dùng PLC
Abstract
Topic raised a design solution weighing systems used to quantify PLC online.
PLC will read the value in the form of analog weight from the loadcell output after
passing through the amplifier. A written program available to the PLC to read, set
weighing systems, computing and communication with HMI interface (programmed
on WinCC).
HMI displays weight of each batch, the total batch weight in the case and the
functions set the initial parameters for weighing systems.
Across time the study design, calibration and operational reality. The result of
this weight system accuracy of
±
6g.
With this result, the group we strongly suggest topics to be studied further and
introduced in production
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 13 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
Nguyễn Văn Tâm
Luận văn tốt nghiệp Đại học Thiết kế hệ thống cân dùng PLC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Đồng bằng sông Cửu Long - dựa lúa lớn nhất cả nước, là một khu vực thuần
nông nghiệp rất phong phú về nhiều loại sản phẩm nông nghiệp. Trong các nhà máy
xay lúa, sau khi thành phẩm là gạo, người ta thường cho vào bao và sau đó đem lên
nhiên việc tính tiền và in hóa đơn cho khách hàng nằm ngoài phạm vi đề tài. Trên
cở sở này, đề tài có thể mở rộng cho các mô hình cân định lượng với công suất lớn
hơn, ứng dụng nhiều hơn trong thực tiễn.
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 14 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
Nguyễn Văn Tâm
Luận văn tốt nghiệp Đại học Thiết kế hệ thống cân dùng PLC
1.4 GỚI THIỆU NỘI DUNG
- Đề tài thiết kế, thi công, điều khiển và giám sát hệ thống cân định lượng là đề tài
mang tính ứng dụng trong sản xuất. Hệ thống gồm một phễu lớn chứa nguyên liệu
ban đầu. Nguyên liệu có thể được đưa từ băng tải, gàu tải, hoặc dùng sức con người.
Sau đó nguyên liệu được đưa vào một phễu nhỏ dùng để định lượng. Toàn bộ phễu
nhỏ được gắn trên đầu một cảm biến trọng lượng (loadcell). Một băng tải dùng để
chuyển thùng chứa tới, khi đến đúng vị trí đã định, cảm biến quang phát hiện, đèn
bật sáng, nguyên liệu sau khi cân với khối lượng định trước được đổ vào thùng và
băng tải sẽ chuyển thùng chứa nguyên liệu này ra ngoài. Phễu lớn dùng để chứa liệu
và cấp liệu cho phễu cân nhỏ. Nếu khi hết liệu tới một mức giới hạn nào đó thì cảm
biến quang phát hiện báo hiệu đèn sáng để đưa liệu mới vào. Nguyên liệu được đưa
vào phễu cân nhỏ gắn trên đầu loadcell. Tín hiệu ngõ ra của Loadcell được đưa về
modul Analog EM231 sau khi được khuếch đại lên nhờ bộ khuếch đại chuẩn công
nghiệp MKcells. Tín hiệu này được đưa về PLC S7 200 xử lý và hiển thị trên màn
hình HMI (được thiết kế bởi phần mềm WinCC 6.0 SP2).
- Hệ thống sử dụng phương pháp tính toán cân động để lấy khối lượng sản phẩm
sao cho chính xác nhất. Hệ thống sẽ được giám sát và điều khiển dựa trên phần
mềm WinCC. Các miệng phễu được đóng mở thông qua điều khiển các xilanh dùng
để cân thô và chỉnh tinh.
- Dựa trên khối lượng cần cân mà hệ thống tự động tính toán ra hai mức cân tương
ứng như trên. Ban đầu một lượng lớn nguyên liệu sẽ được đổ vào để cân gần với giá
trị mong muốn thì van cân thô đóng lại. Lúc này van cân tinh sẽ tiết lưu để đóng
chậm nhằm đưa một ít nguyên liệu nữa để đủ trọng lượng cần cân thì van này sẽ
đóng lại. Quá trình cân kết thúc.
với
ρ
là khối lượng riêng (Nguồn: wekipedia.org)
Đơn vị tiêu chuẩn đo khối lượng là kilogam (kg)
- Trọng lượng là một trường hợp của công thức này. Dưới tác dụng của sức hút trái
đất, vật có khối lượng sẽ chịu tác dụng của trọng lượng P = m.g ; g là gia tốc trọng
trường
≈
9,8 m/s
2
là một số cố định ở từng khu vực
- Các phương pháp đo khối lượng là dựa vào quan hệ này. Có rất nhiều phương
pháp xác định khối lượng của vật, từ cổ điển đến hiện đại. Tuy nhiên điều sai số là
điều khó tránh khỏi đối với các thiết bị cân khối lượng có cấu tạo đơn giản, thiết bị
cân điện tử sẽ khắc phục được nhược điểm này. Sau đây là một vài cách thức xác
định khối lượng của một vật.
2.1.2 Các hình thức xác định khối lượng của vật
- Cân bằng đòn cân: một khối lượng chưa biết được đặt trên đĩa cân. Các quả cân
được hiệu chỉnh chính xác có kích thước khác nhau được đặt trên đĩa bên kia cho
đến khi cân bằng. Khối lượng chưa biết bằng tổng khối lượng của các quả cân đặt
lên.
Hình 2. 1 Cân bằng đòn cân
- Cân đồng hồ lò xo thực tế là một ứng dụng đo khối lượng thông qua sự dịch
chuyển dưới tác dụng của trọng lực do vật khối lượng m gây ra. Khối lượng chưa
biết đặt trên bàn cân trên lò xo đã được hiệu chỉnh. Lò xo di động cho đến khi lực
đàn hồi của lò xo cân bằng với trọng trường tác động lên khối lượng chưa biết.
Lượng di động của lò xo được dùng để đo khối lượng chưa biết. Ở các cân đồng hồ
chỉ thị kim, lượng di động của lò xo sẽ làm kim quay thông qua một cơ cấu bánh
răng với tỷ lệ hợp lý và góc quay của kim sẽ xác định khối lượng của vật cần cân.
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 16 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
- Loadcell hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Mạch
cầu Wheatstone dùng để chuyển đổi sự thay đổi của điện trở (thay đổi điện trở của
các strain gage) dưới tác dụng lực thành sự thay đổi của điện áp trên đường chéo
của cầu.
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 17 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
Nguyễn Văn Tâm
Luận văn tốt nghiệp Đại học Thiết kế hệ thống cân dùng PLC
Hình 2. 3 Mạch cầu Wheatstone
Trong sơ đồ trên
−+
−=∆∆+= VVURRoRx ,
, ta có:( )
cccc
V
RR
R
V
RR
RR
U .
22
.
2
1
2
00
0
∆
=∆
[1]
Nhận xét: Phương trình trên cho thấy sự biến đổi đơn vị điện trở của hai điện
trở đối mặt nhau, hai điện trở sẽ là cộng nhau (bị giãn) trong khi tác động của hai
điện trở kề bên nhau sẽ là trừ khử nhau (bị nén). 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. 4 Cấu tạo bên trong loadcell và nguồn cấp [7]
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 18 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
Nguyễn Văn Tâm
Luận văn tốt nghiệp Đại học Thiết kế hệ thống cân dùng PLC
Hình 2. 5 Một số dạng loadcell [1]
2.2.3 Ứng dụng loadcell vào đề tài
Qua nghiên cứu và khảo sát các loại Loadcell hiện đang có trên thị trường, và
vào mục đích phù hợp với đề tài thiết kế hệ thống định lượng nên chúng em đã
nghiên cứu và sử dụng loadcell dạng thanh vào đề tài, vì nó phù hợp theo thiết kế cơ
khí và chịu tải trọng.
Hình 2. 6 Loadcell UWE dạng thanh
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 19 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
Nguyễn Văn Tâm
Luận văn tốt nghiệp Đại học Thiết kế hệ thống cân dùng PLC
Bảng thông số kỹ thuật:
Đặc tính kỹ thuật Giá trị Đơn vị
Tải trọng 0,22 - 6 kg
Bảo vệ quá tải 9 kg
Điện áp ngõ ra 2 mV/V
- Thông số kỹ thuật bộ khuếch đại MKcells loại KM02A
Thông số Giá trị
Dãy đầu vào 0-1mV/V, 0-2mV/V, 0-3mV/V, 0-4mV/V, 0-10mV/V,
0-20mV/V, 0-30mV/V, 0-40mV/V.
Dãy tín hiệu đầu ra 0-5V, 0-10V, 1-5V
Điện áp nguồn nuôi 12 – 24 VDC
Điện áp nguồn nuôi
loadcell
10VDC, 100mA
Bảng 2. 2 Thông số kỹ thuật KM02A
2.4 MODUL MỞ RỘNG ANALOG EM231
2.4.1 Cấu tạo
- Trong thực tế các modul analog được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các
nhà máy có dây chuyền sản xuất hiện đại, trong công nghiệp, trong các lĩnh vực
điều khiển liên tục. Ví dụ như điều khiển biến tần, điều khiển lưu lượng, nhiệt độ,
áp suất,…Trong đề tài này, chúng em ứng dụng modul analog EM 231 vào việc đo
khối lượng, lấy tín hiệu khuếch đại từ Loadcell, biến đổi AD và truyền dữ liệu về
CPU 224 xử lý sau đó xuất kết quả lên giao diện WinCC.
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 21 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
Nguyễn Văn Tâm
(Nguồn: www.candaithanh.com)
Luận văn tốt nghiệp Đại học Thiết kế hệ thống cân dùng PLC
Hình 2. 8 Modul Analog EM231 [9]
2.4.2 Thông số kỹ thuật
Hãng Siemen có rất nhiều loại modul analog mở rộng cho các loại PLC. Dòng EM
231 của S7 200 có rất nhiều loại như: EM 231 TC, EM 231 RTC, EM 231.
- Trong các loại trên thì mỗi modul được ứng dụng vào việc thiết kế riêng như
modul EM231 TC là modul chuyên dùng để đọc nhiệt độ từ thermocouple, EM231
RTC modul chuyên dùng đoc nhiệt độ từ các cảm biến mà đầu ra của nó là điện trở,
EM231 là modul đọc các tính hiệu analog nói chung có độ phân giải 12 bit.
- Thiết bị chống nhiễu tốt
- Kết nối thêm các modul để mở rộng ngõ vào/ra.
- Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu
- Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển bằng máy lập trình hoặc máy tính
- Độ tin cậy cao, kích thước gọn nhỏ
- Bảo trì dễ dàng
2.5.3 Phân loại PLC S7 200
Việc phân loại S7 200 dựa vào loại CPU mà nó được trang bị. Các loại PLC
thông dụng như CPU 222, CPU 224, CPU 224XP (có 2 cổng giao tiếp), CPU 226
(có 2 cổng giao tiếp), CPU 226 XP.
CBHD: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Trang 25 SVTH: Phạm Hoàng Hiệp
Nguyễn Văn Tâm
Cổng mở rộng
các ngõ vào ra
của PLC
Led ngõ ra
của PLC
Led ngõ vào
của PLC
Trạng thái
hoạt động
của PLC
Tùy chọn mở
rộng bộ nhớ
hoặc RTC
Cổng truyền
thông nối tiếp
Copyright: Tài liệu đại học ©