MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP...........................................................................1
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP................................................2
LỜI CAM ĐOAN.........................................................................................................3
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................4
MỤC LỤC.................................................................................................................... 5
LIỆT KÊ HÌNH VẼ.....................................................................................................8
LIỆT KÊ BẢNG.........................................................................................................11
TÓM TẮT..................................................................................................................12
Chương 1. TỔNG QUAN..........................................................................................13
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ...................................................................................................13

1.2

MỤC TIÊU.......................................................................................................14

1.3

NỘi DUNG NGHIÊN CỨU............................................................................14

1.4

GIỚI HẠN........................................................................................................14

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT..............................................................................15
2.1

TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU.........15


2.4.2

Phương pháp lập trình điều khiển...........................................................21

2.4.3

TIA Portal – Phần mềm lập trình PLC...................................................22

2.4.4

WinCC - Phần mềm xây dựng giao diện điều khiển HMI.....................22

2.4.5

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)............................24

2.4.5.1

Giao thức truyền thông TCP/IP.....................................................24

2.4.5.2

Ethernet...........................................................................................25

Chương 3.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ.........................................................27

3.1



3.2.1.5

Solenoid khí nén SY3120-5LZ-M5-F2...........................................47

3.2.1.6

Xy lanh khí nén SMC CJ2B16-100................................................49

3.2.1.7

Băng tải.......................................................................................50

3.2.1.8

Tủ điện.............................................................................................51

3.2.1.9

Cầu dao tự động C10-Chint 2 pha.................................................51

3.2.1.10

Rờ le trung gian...............................................................................52

3.2.1.11

Nút nhấn siêu khẩn.........................................................................53

3.2.1.12


Chương 4.

THI CÔNG HỆ THỐNG................................................................62

4.1

GIỚI THIỆU....................................................................................................62

4.2

THI CÔNG HỆ THỐNG.................................................................................62

4.2.1

Thi công băng tải.......................................................................................62

4.2.2

Thi công tủ điện.........................................................................................64

4.2.3

Lập trình PLC...........................................................................................65

4.2.4

Lập trình điều khiển và giám sát hệ thống SCADA...............................69

4.2.5



LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình
Tra
Hình 2.1: Tác động ngõ vào ngõ ra của cảm biến.......................................................14
Hình 2.2: Hệ thống điều khiển tự động quá trình.........................................................14
Y
Hình 3.1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống.............................................................26
Hình 3.2: Lưu đồ hoạt động của hệ thống....................................................................27
Hình 3.3: Cấu tạo bên ngoài của PLC S7-1200...........................................................30
Hình 3.4: Giao diện Tia Portal V13(portal view)........................................................37
Hình 3.5: Giao diện Tia Portal V13(Project view).......................................................38
Hình 3.6: Các yếu tố sơ đồ mạch.................................................................................39
Hình 3.7: Thông tin của CZ-V21A...............................................................................41
Hình 3.8: Kết nối mạch điện ngõ ra cho CZ-V21A......................................................42
Hình 3.9: Kết nối mạch điện ngõ vào cho CZ-V21A....................................................42
Hình 3.10: Đầu cảm biến CZ-H32S.............................................................................43
Hình 3.11: Cấu tạo nội bộ của đầu cảm biến CZ-H32S...............................................43
Hình 3.12: Nhận biết chính xác mục tiêu nhờ nguồn sáng ba màu sắc........................44
Hình 3.13: : Nhận biết chính xác sự thay đổi ị trí nhờ nguồn sáng ba màu sắc...........44
Hình 3.14: Cảm biến phát hiện vật cản........................................................................45
Hình 3.15: Sơ đồ nối dây cho cảm biến phát hiện vật cản...........................................46
Hình 3.16: Solenoid khí nén SY3120-5LZ-M5-F2........................................................46
Hình 3.17: Kích thước của solenoid SY3120-5LZ-M5-F2............................................47
Hình 3.18: Xi lanh khí nén dòng SMC CJ2B16-100....................................................48
Hình 3.19: Băng tải của hệ thống................................................................................49
Hình 3.20: Gối đỡ vòng bi, dây đai băng tải và động cơ DC Geared TG-85E-CH......50
Hình 3.21: Tủ điện.......................................................................................................50
Hình 3.22: Cầu dao tự động C10-Chint.......................................................................50

Hình 5.3: Giao diện Giới thiệu tổng thể.......................................................................65
Hình 5.4: Giao diện Cập nhật thông tin.......................................................................65
Hình 5.5: Giao diện Truy vấn thông tin.......................................................................66
Hình 5.6: Giao diện Scada trên Wincc Runtime...........................................................66

5


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng
Tra
Bảng 2.1: Nguyên lý chuyển đổi đáp ứng và kích thích...............................................14
Bảng 2.2: Phân loại bộ cảm biến theo dạng kích thích................................................15
Bảng 2.3: Phân loại các bộ cảm biến theo tính năng...................................................15
Bảng 2.4: Phạm vi sử dụng các bộ cảm biến...............................................................16
Y
Bảng 3.1: Thông tin về CPU 1214C............................................................................23
Bảng 3.2: Khối hàm bộ định thì, bộ đếm của PLC S7-1200.........................................24
Bảng 3.3: Kiểu dữ liệu của PC S7-1200......................................................................27
Bảng 3.4: Bảng phân loại vùng nhớ PLC S7-1200......................................................29
Bảng 3.5: Ba chế độ phát hiện của CZ-V21A..............................................................33
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật của đầu thu CZ-H32S.....................................................37
Bảng 4.1: Địa chỉ PLC của khâu cấp phôi...................................................................56
Bảng 4.2: Địa chỉ PLC của khâu phân loại sản phẩm có màu 1..................................57
Bảng 4.3: Địa chỉ PLC của khâu phân loại sản phẩm có màu 3..................................58
Bảng 4.4: Địa chỉ PLC của khâu phân loại sản phẩm có màu 3..................................59
Bảng 4.5: Bảng chú thích giao diện SCADA................................................................60
Bảng 4.6: Câu lệnh trong SQL và ý nghĩa....................................................................61

6

tin…. Do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó 1 cách hiệu quả nhằm góp phần
vào sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển
kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng. Với những kỹ thuật tiên tiến như vi điều khiển,
PLC, vi mạch số… được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều
khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ
thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước.
Trong quá trình hoạt động ở các nhà xưởng, xí nghiệp hiện nay, việc tiết kiệm
điện năng là nhu cầu rất thiết yếu, bên cạnh đó ngành công nghiệp ngày càng phát
triển các công ty xí nghiệp đã đưa tự động hóa vào sản xuất để tiện cho việc quản lý
dây chuyền và sản phẩm cho toàn bộ hệ thống một cách hợp lý là yêu cầu thiết yếu,
tiết kiệm được nhiều thời gian cũng như quản lý một cách dễ dàng. Để đáp ứng yêu
cầu đó, nhóm chúng em đã tiến hành nghiên cứu tài liệu, thiết kế và thi công mô hình
hệ thống phân loại sản phẩm theo màu.
Phân loại sản phẩm là một công đoạn quan trọng trong dây chuyền tự động của
các nhà máy sản xuất trong công nghiệp, giúp tăng độ hiệu suất làm việc, tăng độ
chính xác và tiết kiệm chi phí nhân công
Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc được ứng dụng rất nhiều trong thực tế
trong các dây chuyền sản xuất gạch, ngói, phân loại các sản phẩm nhựa, chế biến nông
sản (táo, cà chua, cà phê….), phát hiện sản phẩm lôi, sản phẩm thiếu các chi tiết….
Đề tài mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo màu đã được nghiên cứu và
phát triển từ rất lâu, rất nhiều hệ thống được nghiên cứu rất chất lượng và thẩm mỹ.
Tuy nhiên, nhóm quyết định làm lại đề tài với sự tối ưu thiết kế và nâng cao khả năng
điều khiển trên Scada, internet và quản lý dữ liệu database trên SQL.
9


.2 MỤC TIÊU
Mục tiêu thiết kế mô hình Scada cho hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc
với:
-

.1
-

TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU
Hệ thống phân loại sản phẩm bao gồm 3 phần chính:
Phần thứ nhất: Khối xử lý nhận dạng và ra quyết định, gồm một hệ thống cảm biến
gắn trên băng chuyền. Khi sản phẩm đi qua cảm biến màu, cảm biến sẽ nhận biết màu
và chuyển cho phần mềm (code) để phân loại. Phần mềm này sẽ thực hiện nhận dạng

-

và ra quyết định sản phẩm thuộc loại màu nào.
Phần thứ hai: Khối xử lý tín hiệu hỏi đáp, điều khiển và giao tiếp giữa người với máy

-

gồm bàn phím, màn hình và các nút điều khiển.
Phần thứ ba: Khối cơ cấu cơ khí chấp hành đó là một băng chuyền có máng được đặt
nối tiếp băng chuyền. Trên băng chuyền có ba vị trí phân loại ứng với mỗi vật có màu
đó. Khi bộ xử lý nhận dạng và ra quyết định sản phẩm thuộc loại màu nào, sản phẩm
sẽ được hệ thống đưa đến thùng chứa được định trước về màu sắc, các sản phẩm lỗi sẽ
được đưa về thùng chứa nằm cuối băng chuyền.

.2

GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN
.2.1 Đinh nghĩa
Trong các hệ thống đo lường điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các
biến trạng thái như: nhiệt độ, áp suất, tốc độ, moment, …. Các biến trạng thái này
thường là các đại lượng không điện nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá


Chuyển đổi ngõ ra và ngõ vào
Điện từ
Quang điện
Quang từ
Quang đàn hồi
Nhiệt điện
Nhiệt từ
Từ điện
Biến đổi hóa học
Biến đổi điện hóa
Phân tích phổ
Biến đổi sinh học
Biến đổi vật lý
Hiệu ứng trên cơ thể sống
Phân tích phổ

Bảng 2.1: Nguyên lý chuyển đổi đáp ứng và kích thích

12


Kích thích
Điện

Các đặc tính của kích thích
Điện tích, dòng điện
Điện thế, điện áp
Điện trường, điện dẫn
Hằng số điện môi

Âm thanh
Bức xạ

Bảng 2.2: Phân loại bộ cảm biến theo dạng kích thích

Độ nhạy
Độ chính xác
Độ phân giải
Độ chọn lọc
Độ tuyến tính
Công suất tiêu thụ
Dải tần
Độ trễ

Khả năng quá tải
Tốc độ đáp ứng
Độ ổn định
Tuổi thọ
Điều kiện môi trường
Kích thước, trọng lượng

Bảng 2.3: Phân loại các bộ cảm biến theo tính năng

13


Công nghiệp
Nghiên cứu khoa học
Môi trường, khí tượng
Thông tin viễn thông

có độ phản xạ lại cũng có độ phản xạ ánh sáng khác nhau, khi nguồn sang rọi vào ánh
sang phản xạ lại cũng có độ mạnh yếu khác nhau, từ sự chênh lệch đó quang trở sẽ
nhận được những giá trị khác nhau, qua bộ khuếch đại sẽ cho ra tín hiệu với mỗi màu
tương ứng.
14


.3.2

Phương án 2

Ngoài ra, trên thực tế hiện nay người ta còn sử dụng công nghệ hiện đại hơn như là
xử lý ảnh sử dụng camera để thu vào dữ liệu màu sau đó sử dụng bộ lọc của matlab và
các phần mềm liên quan đến xử lý ảnh để xử lý hình ảnh.

.4 LẬP TRÌNH PLC VÀ SCADA
.4.1 Lý thuyết PLC
Năm 1642, Pascal đã phát minh ra máy tính cơ khí dùng bánh răng. Đến năm
1834 Babbage đã hoàn thiện máy tính cơ khí "vi sai" có khả năng tính toán với độ
chính xác tới 6 con số thập phân.
Năm 1808, Joseph M. Jaquard đã dùng các lỗ trên tấm bìa thẻ kim loại mỏng,
sắp xếp chúng trên máy dệt theo nhiều chiều khác nhau để điều khiển máy dệt tự
động thực hiện các mẫu hàng phức tạp.
Trước năm 1904, Hoa Kỳ và Đức đã sử dụng mạch rơle để triển khai chiếc
máy tính điện tử đầu tiên trên thế giới.
Năm 1943, Mauhly và Ackert chế tạo "cái máy tính" đầu tiên gọi là "máy tính
và tích phân số điện tử" viết tắt là ENIAC. Máy có: 18.000 đèn điện tử chân
không, 50000 mối hàn thủ công, chiếm diện tích 1613 ft2, công suất tiêu thụ điện
174 kW, 6000 nút bấm, khoảng vài trăm phích cắm.
Chiếc máy tính này phức tạp đến nỗi chỉ mới thao tác được vài phút lỗi và hư

như các quan niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có nhiều ưu điểm như
sau:
- Giảm 80% số lượng dây nối.
- Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp.
- Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác sửa chữa được nhanh
chóng và dễ dàng.
- Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, màn
hình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bị
vào, ra.
- Số lượng rơle và timer ít hơn nhiều so với hệ điều khiển cổ điển. Số lượng tiếp
điểm trong chương trình sử dụng không hạn chế.
- Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms) dẫn đến tăng
cao tốc độ sản xuất.
- Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vài phút giúp thuận tiện
16


cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống.
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học. Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa
chữa.
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.
- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các
Module mở rộng. Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ. Giá cả có thể cạnh tranh được.
Đặc trưng của PLC là khả năng có thể lập trình được, chỉ số IP ở dãy quy định cho
phép PLC hoạt động trong môi trường khắc nghiệt công nghiệp, yếu tố bền vững thích
nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thay thế và hiệu chỉnh chương trình dễ dàng,
khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mở rộng số lượng đầu vào nhập và đầu
ra xuất được đáp ứng tuỳ nghi trong khả năng trên có thể xem là các tiêu chí đầu tiên
cho chúng ta khi nghĩ đến thiết kế phần điều khiển trung tâm cho một hệ thống hoạt

Chương trình định nghĩa hoạt động điều khiển được viết nhờ sự giúp đỡ của một
máy vi tính.
Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần một thay đổi nội dung bộ nhớ điều khiển,
chứ không cần thay đổi cách nối dây bên ngoài. Qua đó, ta thấy được ưu điểm của
phương pháp điều khiển lập trình được so với phương pháp điều khiển cứng. Do đó,
phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển vì nó rất mềm
dẻo…

.4.3

TIA Portal – Phần mềm lập trình PLC
TIA Portal là một phần mềm tích hợp của hãng Siemens, cung cấp cho người

dùng quyền truy cập không giới hạn đến các dịch vụ tự động hóa của hãng, nó là sự
kết hợp của các phần mềm lập trình PLC, thiết kế HMI và xây dựng hệ thống giám sát
SCADA trên WinCC. TIA Portal còn giúp cho người sử dụng tiết kiệm được thời gian
và tránh việc sai sót biến khi lập trình, tạo nên một hệ thống tổng quan cho người lập
trình với sự tích hợp công cụ mô phỏng đi kèm.
TIA Portal được hãng đánh giá rất cao về sự hoàn hảo để tự động hóa cho doanh
nghiệp, bổ sung và hoàn thiện các dịch vụ cho các công ty trên con đường bước đến
nền công nghiệp 4.0.
TIA Portal tích hợp các phần mềm bao gồm: lập trình PLC Simatic Step-7, thiết
kế giao diện với Simatic WinCC, S7 PLC SIM giải pháp có khả năng mở rộng cao, độ
linh hoạt tốt và độ tin cậy cao. Nó phù hợp với các ứng dụng giám sát và điều khiển tự
động hoá trong công nghiệp. Bên cạnh đó, nó đáp ứng mọi yêu cầu của các trạm điều
khiển độc lập và các hệ thống giám sát dự phòng. Trong đề tài này TIA Portal là phần
mềm chính dùng để lập trình PLC, thiết kế giao diện HMI và thiết kế giao diện
WinCC.

.4.4

các

hệ

điều

hành

của Microsoft như

Windows NT hay Windows 2000, XP, Vista 32bit (Not SP1). Trong dòng các sản
phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng
SCADA (SCADA class) với những chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển.
WinCC kết hợp các bí quyết của Siemens, công ty hàng đầu trong tự động hóa
quá trình, và năng lực của Microsoft, công ty hàng đầu trong việc phát trỉên phần mềm
cho PC. Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ
khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô toàn
công ty như việc tích hợp với những hệ thống cấp cao như MES (Manufacturing
Excution System - Hệ thống quản lý việc thực hiện sản suất) và ERP (Enterprise
Resource Planning). WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ
thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới. Ở Việt Nam hệ thống của
Siemens được tài trợ đưa vào hệ đào tạo chính thức.
WinCC hỗ trợ tối đa về các hệ thống giám sát cho dòng sản phẩm của Simens:
+ Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm
(Central host computer server).
+ Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa
RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC

19


và phát triển giao thức trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tên Arpanet do
ARPA thuộc bộ quốc phòng Mỹ tài trợ. TCP/IP dùng để chỉ một tập giao thức và
truyền thông được công nhận thành chuẩn Internet. TCP/IP đã được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực, trong đó có cả mạng truyền thông công nghiệp.
Kiến trúc của giao thức truyền thông TCP/IP gồm nhiều lớp, mỗi lớp lại có
những nhiệm vụ phục vụ cho riêng mục đích trao đổi dữ liệu.
Nếu tách riêng TCP và IP thì đó là những chuẩn giao thức riêng về truyền thông
tương đương với lớp vận chuyển và lớp mạng trong mô hình OSI. Nhưng người ta
dùng TCP/IP như một mô hình truyền thông ra đời trước khi có chuẩn OSI:
20


 Lớp ứng dụng: Lớp ứng dụng h trợ các chức năng cần thiết cho các ứng dụng
khác nhau, m i ứng dụng sẽ cần một modul riêng biệt, cụ thể như: FTP (File Transfer
Protocol) chuyển giao dữ liệu, TELNET làm việc với trạm chủ từ xa, SMTP (Simple
Mail Transfer Protocol) chuyển thư điện tử, SNMP (Simple Network Management
Protocol) cho quản trị mạng và DNS (Domain Names Service) phục vụ quản lý và tra
cứu địa chỉ Internet.
 Lớp vận chuyển: Cơ chế đảm bảo dữ liệu được vận chuyển một cách đáng tin
cậy hoàn toàn không phụ thuộc vào đặc tính của ứng dụng sử dụng dữ liệu. Vì vậy cơ
chế này được xếp vào một lớp độc lập để tất cả các ứng dụng có thể sử dụng chung.
Có thể

nói, TCP là giao thức tiêu biểu và sử dụng nhiều nhất cho chức năng trên, h

trợ trao

đồi dữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối. Bên cạnh đó, giao thức UDP (User

data protocol) cũng được sử dụng cho lớp vận chuyển. UDP cung cấp dịch vụ không

sẽ dụng các loại cáp như sau: 10BASE5 (Cáp đồng trục dày, dài tối đa 500m, số trạm
tối đa là 10), 10BASE2 (Cáp đông trục mỏng, độ dài tối đa là 200m, số trạm tối đa là
20 trạm), 10BASET (đôi dấy xoắn, độ dài tối đa là 100m, số trạm tối đa 1024 mạng),
10BASEF (Cáp quang, độ dài tối đá 2000m, số trạm tối đa: 1024).


Cơ chế giao tiếp: Sự phổ biến của Ethernet là nhờ tính năng mở của nó.

Thứ nhất, Ethernet chỉ quy định lớp vật lý và lớp MAC nên cho phép các hệ thống
khác nhau tùy ý thực hiện các giao thức và dịch vụ phía trên. Thứ hai, phương pháp
truy nhập ngẫu nhiên không yêu cầu các trạm phải biết cấu hình mạng nên có thể bổ
sung hoặc tách một trạm ra khỏi mạng mà không làm ảnh hưởng tới phần còn lại. Thứ
ba, việc chuẩn hóa sớm giúp cho các nhà cung cấp sản phẩm thực hiện dễ dàng hơn.
Trong Ethernet, không kể đến các bộ chia và bộ chuyển mạch thì tất cả các trạm đều
có vai trò bình đẳng như nhau. Mỗi trạm có địa chỉ Ethernet riêng biệt, việc thực hiện
giao tiếp giữa các mạng sử dụng các giao thức như: NetBUI, IPX/SPX hoặc TCP/IP.
Tùy theo giao thức cụ thể, căn cước (tên, địa chỉ) của bên gửi và bên nhận sẽ được
dịch sang địa chi Ethernet trước khi đến lớp MAC. Bên cạnh giao tiếp tay đôi, Ethernet
còn h trợ phương thức giao tiếp đồng loạt (multicast và broadcast). Multicast gửi thông
báo đến một số các mạng, trong khi đó Broadcast gửi thông báo đến tất cả các trạm.

22


23


Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
.1 YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN
.1.1Sơ đồ khối của mô hình Scada cho hệ thống phân loại sản phẩm sử