1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Đề tài của nhóm thực hiện là về một nhà kho tự động. Nhà kho
sẽ gồm các thiết bị phần cứng phù hợp để giúp cho việc nhập hàng
từ bên ngoài vào và xuất hàng từ bên trong ra. Trong đồ án chúng em
sẽ thực hiện phân biệt độ cao của sản phẩm để đánh dấu mã hàng
của sản phẩm. Hệ thống phần cứng sẽ bao gồm các cảm biến, cơ
cấu chấp hành khí nén.
Ngoài ra nhóm cũng trang bị thêm một hệ thống HMI hoàn
chỉnh để phục vụ việc quản lý kho hàng một cách tốt nhất. Các vấn
đề xuất nhập sẽ được quản lý hoàn toàn bằng HMI và dữ liệu thu
thập từ nhà kho sẽ được ghi nhận, sau đó lưu trữ vào các máy tính
trạm để phục vụ cho việc theo dõi, quản lý trong thời gian sau. Các
giá trị cảm biến, các sự kiện của kho hàng và tổng hợp về hoạt động
của kho hàng có thể được xem trực tiếp từ HMI.
2. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Nhóm chọn đề tài về việc quản lý kho bởi vì hoạt động của một kho
hàng là một trong các hoạt động thiết yếu của một hệ thống sản xuất.
Việc sản xuất ra các sản phẩm phải được đảm bảo về vấn đề bảo
quản và bảo vệ để tránh dẫn đến việc sai sót của sản phẩm hoặc mất
mát sản phẩm.Ngày nay,việc sử dụng các hệ thống SCADA trở nên
rất phổ biến và cần thiết trong tất cả các hệ thống tự động.Việc giám
sát và thu thập dữ liệu giúp người quản lý thực hiện công việc dễ
dàng hơn và hệ thông được kiểm soát tốt hơn qua đó tránh khỏi một
số sự cố khi hoạt động và ngăn chặn kịp thời các sự cố bất ngờ.
Và nhóm thấy được sự thiết yếu cần phải đảm bảo được sự hoạt
động ổn định cho một kho hàng để đảm bảo sự trơn chu của cả một
dây chuyền sản xuất. Nếu một kho hàng hoạt động tốt thì việc sản
• Xây dựng mô hình nhà kho tự động hoạt động tố,độ chính xác cao,có
phân loại sản phẩm.
• Thiết kế hệ thống giám sát bằng phần mền wicc.
6. DÀN BÀI NGHIÊN CỨU
• Nghiên cứu về hoạt động thực tế của kho hàng dựa vào Internet và kết
hợp với việc thực tập tại nhà máy.
• Tìm hiểu các mô hình đã thực hiện trước kế thừa và thực hiện cải tiến
mô hình.
• Nghiên cứu PLC và viết giải thuật, viết chương trình cho PLC để điều
khiển mô hình.
• Nghiên cứu các phần mềm giám sát SCADA, chọn và cài đặt phần mềm.
3
• Nghiên cứu và thực hiện xây dựng, lập trình giám sát hệ thống trên phần
mềm.
• Thực hiện kết nối mô hình và phần mềm giám sát.
• Kiểm nghiệm mô hình và phần mềm giám sát từ đó kêt luận và nhận xét.
7. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
Qua đề tài này đã giúp chúng em được trang bị nhiều kiến thức như sau:
• Nguyên lý và cách sử dụng cảm biến ,động cơ và hệ thống khí nén,PLC
S7-1200 và Những kiến thức về lập trình PLC bằng phần mềm TIA
PORTAL
• Thiết kế hệ SCADA bằng wincc
8. NỘI DUNG ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nội dung:
• Giới thiệu về các kho hàng thực tế sử dụng và giới thiệu mục đích và hướng
đi của đồ án. Từ đó nhóm sẽ bám theo yêu cầu đó để thực hiện một cách thật
sát đảm bảo đúng với nhiệm vụ cần thực hiện.
• Giới thiệu về phần cứng, các nguyên lý cũng như các hoạt động của các cơ
Trong những thập niên gần đây, thế giới chứng kiến sự thay đổi
mạnh mẽ của các nền đại công nghiệp. Cùng với đó là một khối
lượng lớn các sản phẩm, hàng hóa được tạo ra mỗi ngày, phục vụ
nhu cầu con người. Nhưng các sản phẩm xuất ra không phải lúc nào
cũng được đưa đến nơi tiêu thụ, điều đó đòi hỏi một nơi cất giữ hàng
hóa tiện ích và đủ lớn. Đáp ứng xu thế đó, ngày nay có rất nhiều các
doanh nghiệp coi việc xây dựng “quản lí kho hàng” là cốt lõi chiến
lược trong sự phát triển kinh doanh của doanh nghiệp.
Sự ra đời của các kho hàng không chỉ đem lại diện mạo mới
cho các công ty, tổ chức, cá nhân sản xuất hàng hóa. Mà nó đem lại
sự tiên lợi cho các đối tác kinh doanh, trong việc xuất nhập khẩu các
sản phẩm. Mặt khác nó còn tăng năng suất laođộng, đảm bảo chất
lượng sản phẩm…
2.1.2Giới thiệu một số kho hàng
Dưới đây là một số kho hàng thực tiện được áp dụng trong công nghiệp:
6
Hình 2.1 Mô hình kho hàng tự động tại Việt Nam
Hàng được đưa vào kho để bảo quản chờ được xuất ra.
2.1.3Các loại PLC đang dùng cho các kho hàng
Các loại PLC đang dùng cho các kho hàng tự động hiện nay hầu hết
là các PLC của các hãng lớn như Siemens, Mitsubishi, Omron,
Rockwell, Schneider. Trong đó dường như dòng PLC của Siemens là
được sử dụng nhiều nhất bởi vì tính đơn giản, khả năng hoạt động tốt
ở môi trường công nghiệp và dễ bảo trì sữa chửa.
Các dòng PLC S7-300, S7-400 được sử dụng nhiều hơn cả và được
các nhà kho tin dùng bởi tính tương thích cao với các cảm biến và
thiết bị ở nhà kho. Dòng S7-300 và S7-400 là dòng PLC hiện đang
được rất thịnh hành với việc khai tử dòng S7-1200 của Siemens.
Không chỉ các nhà kho mà tại các nhà máy các loại PLC này cũng
kho.
Khi xuất kho có thể xuất tất cả hoặc xuất theo (có thể là mã sản
phẩm): theo độ cao .Hệ thống gắp bằng xi lanh di chuyển đến vị trí
gắp hàng ra băng tải và băng tải đưa sản phẩm ra kho.
Và vấn đề giám sát và điều khiển tự động sẽ được đặt lên hàng
đầu để giải quyết kho hàng này. Phương án phải đảm bảo thực hiện
hoàn chỉnh về phần xuất nhập và quản lý kho hàng một cách chặt chẽ
nhất.
8
Để thực hiện được những ý tưởng của mình thì nhóm cần đến
sự hỗ trợ của các loại phần cứng cũng như phần mềm tự động của
các công ty có uy tín.
2.2.1Vấn đề về phần cứng
Phần cứng là một phần cốt lõi của nhà kho vì vậy nhóm quyết định
chọn các loại phần cứng của các hãng có uy tín để đảm bảo việc hoạt
động chính xác của toàn nhà kho đang thực hiện.
Cảm biến: Cảm biến trong nhà kho là các cảm biến của các hãng
sản xuất lớn có uy tín điển hình là Omron.
Cơ cấu chấp hành: là các loại van khí nén và xi lanh của nhà sản
xuất Airtac và động cơ kéo băng tải là động cơ hộp số của Nhật Bản.
Hệ thống khí nén: được đảm bảo bởi bình khí nén hoạt động tự
động bom khi áp suất không đảm bảo giúp mô hình nhà kho hoạt
động luôn ổn định.
PLC: PLC nhóm sử dụng là loại PLC S7-1200 của Siemens. Loại
PLC này là PLC có thể hoạt động khá ổn định. Nó là tiền thân của
PLC S7-200 mà Siemens đã khai tử. Nhóm chọn PLC S7-1200 bởi vì
S7-1200 là một PLC mới mà nhóm mong muốn được tiếp cận.
2.3 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ SCADA
Dưới đây là sơ đồ một hệ thống SCADA:
Dữ liệu truyền tải trong hệ Scada có thể là dạng liên tục (anlog), dạng số
(digital) hay dạng xung (pulse). Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu
cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để
hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống. Tại
một thời điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi
thì hình ảnh này cũng thay đổi theo.
Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ Scada
thường hiện thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI)
dưới dạng đồ thị.
Một ưu điểm lớn của hệ Scada là khả năng xử lí lỗi rất thành công khi hệ
thống xảy ra sự cố. Nhìn chung khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một trong
các cách xử lí sau:
1 Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: Trong các hệ Scada có các
RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ
10
liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi hệ thống
xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ
thống hoạt động trở lại bình thường.
2 Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: Hầu hết các hệ
Scada đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ
thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy
chủ…do vậy, các bộ phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng
khi hệ Scada có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích
bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…).
2.4CÁC ĐIỂM MỚI CỦA HMI
2.4.1Alarm
Alarm cũng là một phương thức cảnh báo không thể thiếu trong
các hệ thống tự động hiện đại. Việc trang bị Alarm cho hệ thống tự
động của nhà máy sẽ giúp người vận hành và người giám sát biết
tích hợp tập trung các thông số quá trình của nhà máy với các ứng
dụng hạ nguồn kết hợp các quá trình riêng lẻ như điền đầy và đóng
gói.
Vì lý do này mà PI (PROFIBUS & PROFINET International)
thiết lập một nhóm làm việc bao gồm các công ty sản xuất (ABB,
Emerson, Endress+Hauser, Pepperl+Fuchs, Siemens, Softing, Stahl,
và Yokogawa) với nhiệm vụ ban đầu là xác định đặc điểm cụ thể của
các các ngành công nghiệp quá trình. Ngoài ra, cũng là để đáp ứng
đề xuất của NAMUR (một hiệp hội người sử dụng toàn cầu về công
nghiệp quá trình). Bên cạnh việc mở rộng chu kỳ sản xuất, vận hành
nhà máy liên tục, các cơ cấu chấp hành và cảm biến phức hợp một
thử thách chính là số lượng của các thiết bị (lên đến 100000 tín hiệu
I/O). Hơn thế nữa, thời gian sử dụng của công nghiệp quá trình
thường rất dài. Chúng ta có thể dễ dàng tìm thấy các hệ thống điều
khiển được sử dụng hai mươi năm và ở các nhà máy khác thậm chí
còn cũ hơn.
Những đặc tính trên luôn là trở ngại trong việc giới thiệu các
công nghệ mới trong thời gian trước. Mặc dù vậy, PROFINET vẫn có
triển vọng trong lĩnh vực này với các ứng dụng liên quan đến quá
trình lĩnh vực công nghiệp quá trình nhờ vào khả năng linh hoạt của
nó. Tuy nhiên, để thiết lập PROFINET trên diện rộng cần có những
yêu cầu đặc biệt phải được thi hành. Nỗ lực này tập trung vào bốn
khu vực chính:
Bảo tồn vốn đầu tư
Để bảo tồn vốn đầu tư, việc tích hợp liên tục vào hệ thống
fieldbus phải được thực hiện. Nhiều nhà máy công nghiệp quá trình
đã được vận hành trong vài thập kỷ và đã được lắp đặt một lượng lớn
các thiết bị mạng, các bộ điều khiển và hệ thống giao tiếp. Tiếp tục sử
dụng cơ sở lắp đặt này là mục tiêu hướng đến. Làm thế nào để đảm
bảo điều này? Bằng phương pháp khái niệm proxy, ba hệ thống
thông tin nào được gửi đi và vào thời điểm nào. Sau đó anh còn có
thể thực hiện các phân tích để tìm ra nguyên nhân thực sự gây ra lỗi.
Độ chính xác 1ms rất quan trọng cho mục đích này.
Điều này đòi hỏi một thời gian hệ thống để đo lường các giá trị
số và tương tự và cảnh báo các giá trị ở mức chính xác đến mili giây.
Một điều kiện tiên quyết để thực hiện điều đó là một sự đồng bộ hóa
thời gian chính xác của các linh kiện liên quan: sử dụng đồng hồ tổng
thể hệ thống trung tâm (ví dụ: GPS hoặc DCF77), một tổng thể đặc
14
biệt được lựa chọn cho mục đích truyền tín hiệu đồng hồ tuần hoàn ở
khoảng cách bằng nhau đến mọi điểm truyền dẫn, nên đã đồng bộ
hóa chúng. Điều này đảm bảo các thiết bị I/O có thể cung cấp thông
tin thời gian thực, các cảnh báo và các sự kiện quan trọng khác với
thời gian hệ thống được dựa vào thời gian tiêu chuẩn đã được chuẩn
hóa. Bằng cách thu nhận các sự kiện tại một thời điểm so sánh, một
bản mô tả và phân tích chính xác các lỗi có thể xảy ra. Bởi vì không
phải các thiết bị mạng nào cũng có thời gian hệ thống, một hệ thống
lại có thể được sử dụng. Điều này đã được đảm bảo.
2.5.3Khả năng mở rộng dự phòng
Để tránh các lỗi tự động gây ra bởi các điều kiện như dây bị
đứt, ngắn mạch, các khái niệm dự phòng được phát triển cho
PROFINET, có thể được cấu trúc khác dựa vào ứng dung cụ thể
(“mở rộng dự phòng”). Cơ sở của những khái niệm này là tự động
chuyển đường truyền thông thường đến đường truyền nguyên vẹn
khi có lỗi xảy ra, kèm theo thông tin trạng thái đường truyền liên quan
đến nguyên nhân gây ra gián đoạn. Người dùng có thể quyết định
dùng bộ điều khiển dự phòng, mạng dự phòng, thiết bị dự phòng
hoặc thiết bị giao tiếp dự phòng. Hơn nữa, thời gian phục hồi của hệ
thống giao tiếp phải đủ nhanh để tránh làm xáo trộn quá trình. Tất cả
động hóa quá trình, mở ra một triển vọng hoàn toàn mới cho các
ngành công nghiệp này.
2.6 CẢM BIẾN
2.6.1 Giới thiệu cảm biến quang
Cấu tạo và ứng dụng:
Cảm biến quang là tổ hợp các linh kiện quang điện. Khi tiếp
xúc với ánh sáng chúng thay đổi trạng thái.
1 Cảm biến quang sử dụng ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để phát
hiện sự hiện diện của vật thể. Khi có sự thay đổi ở bộ phận thu mạch
điều khiển của cảm biến quang sẽ cho ra tín hiệu ở ngõ ra OUT.
2 Cảm biến quang có những ứng dụng hết sức mạnh mẽ và linh hoạt
trong ngành công nghiệp nói riêng và điện tử nói chung.
Cảm biến quang gồm các loại:
Hình 2.6Các loại cảm biến quang
• Cảm biến quang thu phát riêng.
• Cảm biến quang phản xạ qua gương.
• Cảm biến quang thu phát chung.
16
Ưu và nhược điểm của từng loại cảm biến quang
• Cảm biến quang nhìn chung luôn có nhiều ưu điểm hơn so với các loại cảm
biến khác (cảm biến từ, cảm biến điện dung….).
• Cảm biến quang không tiếp xúc trực tiếp với vật cần phát hiện cho nên tuổi
thọ, độ bền sẽ cao hơn.
• Khoảng cách phát hiện vật của cảm biến quang khá xa, việc này giúp cho
việc thiết kế cũng như lắp đặt đễ dàng hơn.
• Một ưu thế không thể bỏ qua của cảm biến quang đó là phát hiện hầu hết các
loại vật thể, vật chất.
2.6.2 Cảm biến quang thu phát riêng
Cảm biến dạng thu phát có bộ phát và thu sáng tách riêng. Bộ
• Cảm biến phản xạ gương loại 2 thấu kính thường không phát hiện được vật ở
một số khoảng cách ngắn nhất định.
2.6.4 Cảm biến quang thu phát chung
Cảm biến dạng này truyền ánh sáng từ bộ phát tới vật thể. Vật
này sẽ phản xạ lại một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán) ngược
trở lại bộ thu của cảm biến, kích hoạt tín hiệu ra.
Ưu điểm:
• Dễ dàng trong việc thiết kế và lắp đặt vì chỉ cần một vị trí.
• Do có một thiết bị nên việc đấu dây cho hệ thống dễ dàng hơn.
• Ứng dụng: Dụng phổ biến trong việc phát hiện vật thể trong các băng
chuyền.
Nhược điểm:
• Khoảng cách phát hiện ngắn (do chỉ phát hiện được một phần ánh sáng phản
xạ). Có khoảng cách phát hiện tối đa 1m.
• Tỉ lệ lỗi đen / trắng cao, khoảng cách phát hiện phụ thuộc nhiều vào màu sắc,
kích thước, tính chất bề mặt của vật thể.
• Bởi vậy việc phát hiện vật có thể khó khăn nếu có nền màu đen sau vật.
• Độ nhạy và độ tin cậy kém hơn loại Thu phát và Phản xạ gương.
• Thông thường, nếu không cần độ chính xác cao, hoặc khó khăn trong việc
lắp đặt gương, người ta sẽ dùng loại phản xạ khuếch tán.
2.6.5 Cảm biến siêu âm
2.6.5.1 Giới thiệu chung
Siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âm nghe thấy (trên
20kHz). Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các
vật thông qua phát sóng siêu âm. Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể
phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kim loại hoặc không phải kim
loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục.
Cấu tạo của cảm biến siêu âm gồm có 4 phần chính:
• Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm
• Bộ phận so sánh
Tín hiệu ngõ ra của cảm biến có thể là tương tự hoặc số,tín hiệu cảm
biến tương tự báo có hay không sự xuất hiện của đối tượng trong
vùng cảm nhận của cảm biến .tín hiệu từ cảm biến số chứa đựng
thông tin khoảnh cách của đối tượng đến cảm biến .
Ưu điểm của cảm biến siêu âm:
• Khoảng cách của cảm biến có thể phát hiện được khoảng cách xa.
• Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc vào màu sắc bề mặt của vật
,hay tính chất phản xạ của ánh sáng của đối tượng .
Tín hiệu của cảm biến tiệm cận analog là tỷ lệ tuyến tính với khoảng
cách .điều này đặc biệt cho các ứng dụng theo dõi mức hoặc xách
định khoảng cách ,mức chuyển động của đối tượng .
20
Nhược điểm :
• Cảm biến siêu âm yêu cầu bề mặt của đối tượng có một bề mặt tối
thiểu .
• Sóng phản hồi cảm biến nhận được có thể chịu ảnh hưởng của song
âm thah tạp âm
• Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu một khoảng thời gian sau mỗi lần
phát song đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi ,cho nên kết quả nhận về
chậm hơn cảm biến khác .
• Nhiệt độ bề mặt của đối tượng làm ảnh hưởng đến sóng phản hồi
2.6.5.2 Quá trình xử lý tín hiệu analog in/out
Dưới đây là sơ đồ thể hiện quá trình xử lý tín hiệu anlog:
Hình 2.10 Xử lý tín hiệu analog
Các tín hiệu vật lý sẽ được cảm biến chuyển đổi thanh điện áp hay
dòng điện được chuyển vào bộ adc của plc để chuyển đổi tín hiệu
tương tự ra tín hiệu số để plc có thể đọc được .
Đối với cảm biến siêu âm lấy giá kích thước của vị trí vật chuyển đổi
thành điện áp,dòng điện .
-Giá trị adc đọc đươc có mối liên hệ với điện áp được biểu thị theo đồ thị .
Hình 2.14 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa điện áp ra của cảm biến và
giá trị số đọc vào plc
Từ hình 2.14 mình có thể xác định giá trị số mà plc đọc được tương
ứng với điện áp ngõ ra của cảm biến.
-Dựa vào hai đồ thị trên ta sẽ biểu diễn được mối liên hệ giữa khoảng
cách mà cảm biến đọc được và giá trị số mà plc hiểu được .
24
Hình 2.15 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa khoảng cách đo được của
cảm biến và giá trị số đọc vào plc
Từ đó dựa vào công thức tam suất tính được khoảng cách của đối
tượng cần di chuyển ,giá trị chuyển đổi này sẽ được lưu vào địa chỉ
plc là IW64,IW66.
Dưới đây là một số ứng dụng của cảm biến siêu âm trong công nghiệp :
Hình 2.16 Ứng dụng cảm biến siêu âm
25
Copyright: Tài liệu đại học ©