Thiết kế hệ thống điện tử
GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG
ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Mã HP: ME4336
Thời gian thực hiện: 15 tuần;
Ngày giao nhiệm vụ: …/…/20…;

Mã đề: VCK06-01
Ngày hoàn thành: …/…/20..

Họ và tên sv:…………….………………… MSSV: ………… Mã lớp: ………… Chữ ký sv:
……….
Ngày …/…/20…

Ngày …/…/20…

Ngày …/…/20…

ĐƠN VỊ CHUYÊN MÔN

NGƯỜI RA ĐỀ

CB Hướng dẫn

(ký, ghi rõ họ tên)

(ký, ghi rõ họ tên)

(ký, ghi rõ họ tên)

I.

5. Bản vẽ sơ đồ điện
6. Bản vẽ sơ đồ điều khiển và sơ đồ thuật toán

MỤC LỤC
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58


Thiết kế hệ thống điện tử

2. Bảng phân công đầu ra: 36

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

LỜI NÓI ĐẦU
Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu vật chất và tinh thần của con người ngày
càng cao, vì thế bài toán về cung – cầu đang được các nhà sản xuất tìm cách giải
quyết. Tự động hóa trong dây chuyền sản xuất là một phương án tối ưu, nó đòi hỏi sự
nhanh chóng, chính xác và giảm thiểu được nhân công lao động. Quá trình sản xuất
càng được tự động hóa cao càng nâng cao năng suất sản xuất giảm chi phí tăng tính
cạnh tranh cho các doanh nghiệp.
Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa sử
dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sản xuất,
gia công, chế biến sản phẩm…Điều này dẫn tới việc hình thành các hệ thống sản xuất

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
1. Tìm hiểu chung về hệ thống phân loại sản phẩm
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay, việc tập trung hóa- tự động hóa công tác quản lí, giám sát và điều
khiển các hệ thống tự động nhằm năng cao hiệu quả của quá trình sản xuất, tránh rủi ro
tiết kiệm được chi phí. Và hạn chế là một hướng tất yếu của quả trình sản xuất nào
cũng không thể tránh khỏi, do thời gian cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ
như hiện nay. Cùng với sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật vi điện tử , kĩ thuật truyền
thông và công nghệ phần mềm trong thời gian qua. Và lĩnh vực điều khiển tự động đã
ra đời, phát triển càng ngày đa đạng đáp ứng được các yêu cầu trong cuộc sống, đòi
hỏi quá trình tự động trong các lĩnh vực công nghiệp. Chính vì vậy phải lựa chọn quá
trình điều khiển nào cho phù hợp với yêu cầu thực tế đặt ra cho ngành. Đảm bảo điều
kiện cơ sở vật chất cho phép, tiết kiệm chi phí vận hành, nâng cao hiệu quả sản xuất,
dễ dàng bảo trì và sửa chữa hệ thống khi có sự cố.
Thực tiễn đó đã đặt ra làm sao để quản lí các nhà máy sản xuất một cách linh
hoạt ổn định và phù hợp nhất, tiết kiệm nhất và phải an toàn. Trước thời cơ và thách
thức của thời đại, do đó sự nhận biết nắm bắt và vận dụng các thành tựu một cách có
hiệu quả nền khoa học kĩ thuật thế giới nói chung và kĩ thuật điều khiển tự động nói
riêng. Sự áp dụng kĩ thuật điều khiển tự động đã được ứng dụng rộng rãi ở các nghành
sản xuất lớn, doanh nghiệp lớn một cách nhanh chóng bên cạnh đó những doanh
nghiệp vừa và nhỏ quy mô sản xuất thì ngược lại hoàn toàn chưa được áp dụng đặc
biệt ở khâu cân sản phẩm và đóng gói bao bì, vẫn còn sử dụng sức người, chính vì
vậy cho năng suất chưa hiệu quả. Trên cơ sở thực tế khách quan, yêu cầu của xã hội
của thế giới cũng như trong nước, đề tài này có nhiều tiềm năng nghiên cứu ứng
dụng và khai thác một cách khả thi nhất tốt nhất có thể. Việc ứng dụng kĩ thuật điều
khiển vào “quá trình phân loại sản phẩm” là một trong những thành tựu đáng kể
làm thay đổi một nền sản xuất cũ mang nhiều hạn chế. Làm thay đổi cục diện của
nền công nghiệp mạnh mẽ. Chính vì vậy nó trở thành một vấn đề hứng thú đầy tiềm
năng cho chúng em tìm hiểu xây dụng thiết kế cải tiến góp phần vào sự hoàn thiện

triển kinh tế của con người hứa hẹn một sự phát triển vững mạnh và ổn định lâu dài.
Đồng thời cũng là nền tảng cho sự phát triển các tập đoàn kinh tế trên thế giới. Một lần
nữa khẳng định nó có vai trò rất quan trọng cho hoạt động phát triển cung cấp phân
phối sản phẩm tới con người một cách tốt nhất, giúp đời sống con người được nâng
cao hơn. Vấn đề số lượng và chất lượng sản phẩm thay đổi đáng kể có thể nhận thấy rõ
sự phân hóa và đa dạng về mẫu mã chủng loại của sản phẩm và cũng thấy rõ chất
lượng ngày càng được nâng cao và đáp ứng nhu cầu sức khỏe con người một cách
hoàn hảo nhất. Từ đây sự thay thế của máy móc của các thiết bị hiện đại, đã giảm thiểu
lớn thời gian lao động sức tiếp cho quá trình sản xuất cũng như trong các qua trình
khác để tạo ra sản phẩm. Nhận thấy một thế mạnh nữa rằng những công việc khó khăn
phức tạp đã được thay thế bằng máy móc tự động rất nhiều, khi đó con người chỉ cần
điều khiển hệ thống, máy móc, thiết bị… tại một buồng điều khiển riêng biệt. Nhờ vậy
mà sức khỏe và đời sống vật chất tinh thần ngày càng nâng cao và cải thiện một cách
rõ rệt.
Không những vậy kể từ khi ra đời thì các vấn đề về sinh thái, sự ô nhiễm môi
trường sống đang ở mức báo động, hay những biến đổi khí hậu của thiên nhiên đã có
sự hình thành nhanh chóng gây ra những hậu quả vô cùng nguy hiểm. Lâu dài nó sẽ
làm cho sự tồn tại của con người không được bền lâu. Bởi vậy, hệ thống phân loại sản
phẩm nói riêng trong nhiều hệ thống tự động khác có ý nghĩa hơn vào thế kỉ này. Do
con người không thể tác động trực tiếp những tác hại và hậu quả gây ra và giải pháp
tối ưu cho các hệ thống tự động cho những công việc khó khăn phức tạp nhiều nguy
hiểm tiềm tàng.
1.4 Các hệ thống phân loại sản phẩm trên thực tế
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

3


Thiết kế hệ thống điện tử


SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

4


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

chỉ được phép diễn ra dưới 0,13 mili giây. Bài toán xử lý thời gian thực ở đây đóng vai
trò vô cùng quan trọng. Nó đòi hỏi hệ thống chiếu sáng phù hợp, kết cấu buồng nhận
dạng chuẩn xác, cho phép phân tách các ngưỡng màu tốt; hệ thống camera ghi nhận
hình ảnh gần như tức thời và tốc độ chuyển đổi tín hiệu, tốc độ tính toán rất cao. Độ
chính xác của kết cấu cơ khí cũng đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định dòng
liệu, giúp cho phần xử lý chỉ phải bù các sai số hệ thống. Bài toán ở đây là tổng hợp
của nhiều nhiệm vụ phải giải quyết về cơ khí chính xác, kỹ thuật quang điện, hệ thống
điện tử điều khiển, phần mềm xử lý, điện động lực, các cơ cấu tác động nhanh,... Các
hệ thống cơ khí được gia công trên máy CNC với độ chính xác đến 10-3mm. Nguồn
sáng sử dụng là đèn fluorescence tần số cao (100 kHz). Camera CCD quét dòng được
tính toán chọn phù hợp về tốc độ, độ phân giải, độ nhạy. Các van điện khí chuyên
dụng có đặc tính trễ dưới 0,7 mili giây. Phần điều khiển điện tử được Viện IMI thiết kế
chế tạo trong nước. Dưới đây đi sâu phân tích cơ sở ánh sáng và giới thiệu phần mềm
nhận dạng thời gian thực sử dụng trong máy phân loại gạo ROPSOTEC 3.01A của
Viện IMI - một số cơ sở chính đảm bảo điều kiện nhận dạng.
Cơ sở ánh sáng và vấn đề nhận dạng, phân loại hạt (nông sản) theo màu sắc

Hình 3. Yêu cầu phân loại theo màu sắc

Hình 3 là ảnh chụp hạt gạo đầu vào, đầu ra. Gạo đầu vào (đã qua các công đoạn
khác của dây chuyền xử lý như xay xát, sàng sảy, đánh bóng,…) được nhận dạng và

1. Hệ thống cấp phôi
Hiện nay, các quá trình sản xuất các sản phẩm trong các ngành công nghiệp nói
chung đều phát triển theo xu hướng tự động hóa ngày càng cao. Để đảm bảo được quá
trình sản xuất ổn định và nhanh chóng thì cần thiết phải có quá trình cung cấp phôi
chính xác về vị trí trong không gian theo đúng nhịp ( cấp đúng lúc ) và liên tục theo
chu trình hoạt động của dây chuyền một cách tin cậy.
Vì vậy, quá trình cấp phôi là một trong những yêu cầu cần thiết cần phải được
nghiên cứu và giải quyết trong các hệ thống sản xuất tự động nhằm nâng cao năng suất
lao động và chất lượng sản phẩm. Hệ thống cấp phôi tự động phải cung cấp phôi một
cách kịp thời, chính xác, số lượng.
Là một cơ cấu cấp phôi, sản phẩm vào cho băng tải, sản phẩm xuất ra được chia
đều,từng sản phẩm 1 và các sản phẩm đi ra cách nhau 1 khoảng thời gian nhất định sao
cho phù hợp với năng suất và vận tốc băng tải. Đóng vài trò quan trọng cho quá trình
bắt đầu của hệ thống.
Căn cứ vào hình dạng phôi người ta chia làm các loại:
- Loại cấp phôi dạng cuộn.
- Loại cấp phôi dạng thanh hoặc dạng tấm.
- Loại cấp phôi dạng rời từng chiếc.
Nhận xét: Mỗi kiểu cấp phôi trên mang tính đặc thù riêng và bản thân trong mỗi
kiểu cũng đã bao hàm nhiều dạng khác nhau. Tùy theo công nghệ sản xuất mà người ta
bố trí cấp phôi liên tục hay dán đoạn theo chu kì hoặc cấp phôi theo lệnh.
Trong đồ án này em dùng hệ thống cấp phôi gián đoạn theo chu kì.

Mô hình thiết

bị cấp phôi

2. Băng tải
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58


- Băng tải dạng cào: sử dụng để thu dọn phoi vụn. Năng suất của băng tải loại
này có thể đạt 1,5 tấn/h và tốc độ chuyển động là 0,2m/s. Chiều dài của băng tải là
không hạn chế trong phạm vi kéo là 10kN.
- Băng tải xoắn vít : có 2 kiểu cấu tạo :
+ Băng tải 1 buồng xoắn: Băng tải 1 buồng xoắn được dùng để thu dọn phoi vụn.
Năng suất băng tải loại này đạt 4 tấn/h với chiều dài 80cm.
+ Băng tải 2 buồng xoắn: có 2 buồng xoắn song song với nhau, 1 có chiều xoắn
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

8


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

phải, 1 có chiều xoắn trái. Chuyển động xoay vào nhau của các buồng xoắn được thực
hiện nhờ 1 tốc độ phân phối chuyển động.
Cả 2 loại băng tải buồng xoắn đều được đặt dưới máng bằng thép hoặc bằng xi măng.
Giới thiệu băng tải dùng trong đề tài. Do băng tải dùng trong hệ thống làm
nhiệm vụ vận chuyển sản phẩm nên trong đề tài tôi đã lựa chọn loại băng tải dây đai
với những lý do sau đây:
- Tải trọng băng tải không quá lớn.
- Kết cấu cơ khí không quá phức tạp.
- Dễ dàng thiết kế chế tạo.
Tuy nhiên loại băng tải này cũng có 1 vài nhược điểm như: độ chính xác khi vận
chuyển không cao, đôi lúc băng tải hoạt động không ổn định do nhiều yếu tố: nhiệt độ
môi trường ảnh hưởng tới con lăn, độ ma sát của dây đai giảm qua
3. Thiết bị dẫn động
Là động cơ:


GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

Pha 1: Từ trường của
Pha 2: Rotor tiếp tục
Pha 3: Bộ phận chỉnh
rotor cùng cực với stator,
quay
điện sẽ đổi cực sao cho sẽ
đẩy nhau tạo ra
từ trường giữa stator và
chuyển động quay của
rotor cùng dấu, trở lại
rotor
pha 1
Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ sẽ
hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng
Electromotive force (EMF). Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một
điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF (CEMF) hoặc sức điện độngđối
kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ. Sức điện động này
tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện
(như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ, và kéo trục động cơ bằng một
ngẫu lực bên ngoài). Như vậy điện áp đặt trên động cơ bao gồm 2 thành phần: sức
phản điện động, và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng.
Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biều thức sau:
Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng:

Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều:
E= K.Ω
(1)

Theo nguyên lí của cảm biến có:
- Cảm biến điện trở
- Cảm biến điện từ
- Cảm biến tĩnh điện
- Cảm biến hóa điện
- Cảm biến nhiệt điện
- Cảm biến điện tử và ion
-…
Theo tính chất nguồn điện:
- Cảm biến phát điện
- Cảm biến thông số
Theo phương pháp đo:
- Cảm biến biến đổi trực tiếp
- Cảm biến bù
Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến khác nhau nhưng trong đồ án này em
dùng cảm biến quang để phân loại sản phẩm. Sản phẩm chạy trên băng truyền, kích
hoạt cảm biến quang thứ nhất được phân loại là vật cao, kích hoạt cảm biến quang thứ
hai là vật được phân loại là vật trung bình, còn sản phẩm không kích hoạt cảm biến
nào thì là vật thấp. Cảm biến quang sử dụng ánh sáng hồng ngoại không nhìn thấy
bằng mắt thường. Nó gồm một nguồn phát quang và một bộ thu quang. Nguồn quang
sử dụng LED hoặc LASER phát ra ánh sáng thấy hoặc không thấy tùy theo bước sóng.
Ở đồ án này ta sử dụng nguồn LASER. Một bộ thu quang sử dụng diode hoặc transitor
quang. Ta đặt bộ thu và phát sao cho vật cần nhận biết có thể che chắn hoặc phản xạ
ánh sáng khi vật xuất hiện. Ánh sáng do LASER phát ra tác động đến transitor thu
quang. Nếu có vật che chắn thì chùm tia sẽ không tác động đến bộ thu được. Sóng dao
động dùng để bộ thu loại bỏ ảnh hưởng của ánh sáng trong phòng. Lựa chọn điện áp
cấp cho cảm biến phải phù hợp với điện áp của mạch điều khiển. Do cảm biến kết nối
với mạch điều khiển nên điện áp của cảm biến là 24 VDC.

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58


GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

có ký hiệu như hình vẽ.Các thông số của van là:

Hình 4: Ký hiệu van khí nén 5/2
Áp suất làm việc: 0,15 – 0,7 MPa
Ta cấp khí vào cửa P(1) rồi lấy khí ra cửa A(4) và B(2) để đưa vào 2 đầu của
xilanh.
Ở đầu ra 3 và 5 của van ta sử dụng van tiết lưu một chiều để điều chỉnh lưu lượng
ra của xylanh, tức là điều chỉnh lực đẩy phôi ra khỏi băng tải.
7. PLC S7-200
PLC, viết tắt của programable logic controler là thiết bị điều khiển logic lập trình
được, hay thiết bị logic khả trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều
khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Như vậy với chương trình điều
khiển trong PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn có thể dễ dàng thay đổi thuật
toán điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường bên ngoài ( PLC khác hoặc
máy tính ).
S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình của hãng Siemens ( CHLB Đức ), có
cấu trúc kiểu module và có các module mở rộng. Các module này được sử dụng với
những mục đích khác nhau.
Toàn bộ nội dung chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC, trong trường
hợp dung lượng bộ nhớ không đủ ta có thể sử dụng bộ nhớ ngoài để lưu chương trình
và dữ liệu (Catridge ).
Cấu trúc phần cứng của S7-200
- Hình dạng và cấu trúc bên ngoài
• Các đầu vào/ra số:
Đầu vào (Ix.x ): kết nối với nút bấm, công tắc, sensor…với điện áp vào tiêu
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58


ngoài ra còn được dùng để download chương trình người dùng.
• Vít chỉnh tương tự:
Mỗi PLC đều có từ một đến hai vít chỉnh tương tự có thể xoay được 270 độ để
thay đổi giá trị của vùng nhớ biến trong chương trình.

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

14


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

- Cấu trúc phần cứng:
Cấu trúc phần cứng của một PLC gồm có các module sau:
+ Module nguồn.
+ Module đầu vào.
+ Module đầu ra.
+ Module đơn vị xử lý trung tâm (CPU).
+ Module bộ nhớ.
+ Module quản lý phối ghép vào ra.

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

15


Thiết kế hệ thống điện tử



Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

• Bộ nguồn:
Biến đổi từ nguồn cấp bên ngoài vào để cung cấp cho sự hoạt động của PLC.
• Khối quản lý ghép nối:
Dùng để phối ghép giữa PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị lập
trình, bảng vận hành, mạng truyền thông công nghiệp.

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

17


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
1. Tính toán băng tải và chọn động cơ
Thông số đầu vào.
- Hệ thống cấp phôi tự động
- Nguồn lực cấp phôi và đẩy phôi: khí nén
- Nguồn lực quay băng tải: động cơ điện
- Chiều dài băng tải: L= 52 cm
-Thông số hình học phôi:
h1 = 10 cm, h2 = 5 cm, h3 = 3 cm.

52
= 8,67 ; n > 1
6

Ta có bảng sau :
Bảng 1
n (sp)

2

3

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

4

5

6

7

8

19


Thiết kế hệ thống điện tử

x (cm)


Ta lại có:
 t1 là khoảng thời gian sản phẩm đi hết quãng đường bằng khoảng cách
giữa các sản phẩm
 t2 là khoảng thời gian hành trình của xi lanh(cả đi cả về)
 v1 là tốc độ của xi lanh

Y 2(W + M )
x + d 22
x + 6 22
>
⇔
>
⇔
>
= t2
v
v1
v
v1
v
v1

V1 là vận tốc xi lanh ta chọn theo hãng FESTO
Ta dựa vào catalog của hãng ta có đồ thị sau:

v1 = 0,3m/s = 30 cm/s
t2 = 22/30 = 0,73 s
Áp suất làm việc của xilanh: 0,15-0,7 MPa.
Ta chọn được xilanh loại : DSNU-20-50 của hãng Festo.

- M là momen động cơ diện
- Mbd là momen bánh đai
- µ là hệ số hiệu suất : µ=2
M=µ×Mbd
Bỏ qua trọng lượng của băng tải
Ta gọi:
-

F : lực kéo của dây đai làm băng tải chạy đều
Fms: lực ma sát cuả sản phẩm lên băng tải
µms: hệ số ma sát ta khảo sát = 0.5
g: gia tốc trọng trường= 9,8 m/s2
r bán kính bánh đai chọn : r = 5cm

F = Fms= µms. mmax. g = 0,5×16,5×9,8 = 80,85 N
Mbd=r.Fms=0,05×80,85= 4,0425 N.m
Mô men của động cơ
=> M=µ×Mbd=2×4,0425= 8,085 N.m
b. Tính công suất động cơ.
Công suất làm việc:
Plv = F.v/1000 = 8,085 x 0,052 x 10-3=4,2042 .10 -3 kW
Công suất làm việc của động cơ đề phòng trường hợp quá tải:
Plvqt = Plv.kqt= 4, 2042 . 10 -3 x 2 = 8,4084. 10 -3 kW
Bộ truyền đai để hở: η=0,95-0,96. Chọn η=0,95
Hiệu suất hệ dẫn động
η= ηbr. ηol . ηđ= 0,96.0,99.0,95=0,90
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

21



Tra mạng ta chọn được động cơ SC24-3204 và hộp giảm tốc IG22 của hãng
CITIZEN MICRO
2. Tính toán bộ truyền đai
- Chọn đai dẹt : được làm từ vật liệu vải cao su
- Công suất của động cơ là P=10 W
- n= 330 vòng/phút
- Tỉ số truyền u=3
2.1.Công suất thiết kế:
Pđ=Pt.Kđ
Chọn cơ cấu chấp hành chế độ làm việc ổn định, nguồn truyền động ổn
định => Kđ=1.
=>Pđ=Pt= 10 W
2.2. Đường kính bánh đai
- Đường kính bánh đai d1
d1= (5,2..6,4).

T1=9,55.

.

= (5,2..6,4).

=(5,2..6,4).6,61=(34,4...42,3)mm.

= 10.10-3.9,55.106/330= 289,39 Nm

 Chọn d1 theo tiêu chuẩn d1= 40 mm
-Đường kính bánh đai d2:
d2=u.d1=3.40 =120mm