TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT
Lịch sử nghiên cứu
• Các hệ thống chiết rót trên thế giới
Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai vào nửa cuối thế kỷ 19 đã mang lại sự chuyển mình mạnh mẽ cho các ngành sản xuất, với sự ra đời của nhiều dây chuyền sản xuất và tiêu chuẩn chất lượng mới Sự tự động hóa trong sản xuất ngày càng gia tăng, nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong quá trình làm việc.
Dây chuyền sản xuất tự động hóa đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như chế biến thực phẩm, điện tử và chế tạo ô tô Đặc biệt, trong ngành sản xuất và đóng chai đồ uống, nhiều quốc gia sở hữu các nhà máy hiện đại với quy mô lớn, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.
Năm 1990, sự bùng nổ của ngành nước đóng chai đã thúc đẩy việc nghiên cứu và phát triển hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động.
Hình 1.1 Hệ thống sản xuất nước ngọt có gas của công ti Bidrico
• Các hệ thống chiết rót tại Việt Nam
Ngành sản xuất nước đóng chai đang trải qua sự tăng trưởng mạnh mẽ nhờ vào nhu cầu tiêu thụ vượt xa sản lượng sản xuất Điều này mở ra nhiều cơ hội phát triển cho các công ty trong lĩnh vực này.
Sự hiện diện của nhiều quy mô khác nhau trong ngành sản xuất không chỉ thúc đẩy cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của quy trình sản xuất Tự động hóa trong sản xuất ngày càng trở nên quan trọng và thực sự cần thiết cho mọi tập đoàn, giúp nâng cao hiệu quả và tối ưu hóa quy trình làm việc.
Hình 1.2 Hệ thống chiết rót của công ti nước khoáng Vĩnh Hảo
Hình 1.3 Một đoạn hệ thống sản xuất Asptic của Tân Hiệp Phát
Các vấn đề đặt ra
Để mô hình hoạt động hiệu quả, cần chú ý đến một số vấn đề quan trọng: cách đưa chai vào hệ thống và giữ chai ổn định, xác định lượng nước cần rót chính xác, phương pháp đóng nắp hiệu quả, cũng như đảm bảo chai dừng đúng vị trí để rót và đóng nắp.
Để giải quyết vấn đề trong đề tài "Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cấp nước và đóng nắp chai tự động điều khiển bằng PLC", trước tiên cần xác định nguyên lý vận hành của hệ thống và các chi tiết cần thiết kế Tiếp theo, xây dựng sơ đồ khối để xác định cơ chế hoạt động cho từng khối và thiết kế chi tiết cho từng phần Nhóm cần nắm vững kiến thức về cơ khí, điện tử và PLC, đồng thời tìm hiểu thêm tài liệu liên quan để củng cố kiến thức Cuối cùng, cần xây dựng mô hình phần cứng của hệ thống, bao gồm cả phần cứng và phần mềm, làm cơ sở cho đề tài.
Giải pháp phần cứng: Trong phần cứng bao gồm các cơ cấu vận chuyển chai, chiết rót nước, kẹp giữ và đóng nắp chai
- Vận chuyển chai: dùng băng truyền để vận chuyển chai
- Chiết rót nước: ta dùng bơm nước thường có PLC điều khiển để căn chỉnh lượng nước Ngoài ra có thể dùng cảm biến để điều chỉnh lượng nước
- Kẹp giữ chai để vặn nắp: dùng xy lanh kẹp chai
- Đóng nắp chai theo kiểu vặn, dùng động cơ xoay
Giải pháp phần mềm: Xây dựng lưu đồ thuật toán cho chương trình hệ thống, dùng Tia Portal để lập trình PLC S7- 1200 điều khiển hệ thống.
Đối tượng nghiên cứu
Các hóa chất và sản phẩm tiêu dùng dạng dung dịch lỏng thường được bảo quản trong chai, lọ nhờ những ưu điểm nổi bật như an toàn, khả năng lưu trữ lâu dài và bảo toàn chất lượng sản phẩm So với các phương pháp bảo quản khác như túi nilon, chai lọ giúp sản phẩm không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài Sự phát triển không ngừng của các dây chuyền sản xuất cũng góp phần nâng cao hiệu quả bảo quản này.
Nhóm đã quyết định ứng dụng dây chuyền sản xuất hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động, dựa trên các máy móc hiện đại với thiết kế chính xác và hiệu quả nghiên cứu Mặc dù hệ thống này đã có sẵn tại các nhà máy sản xuất, nhưng vẫn cần một phạm vi nghiên cứu hẹp và đầu tư thêm để có thể ứng dụng thực tế Qua đó, nhóm đã thực hiện thành công những mục tiêu học được, nhằm giải quyết một số vấn đề thực tiễn trong cuộc sống.
Phương pháp nghiên cứu
Nhóm nghiên cứu đã áp dụng ba phương pháp chính để thực hiện đề tài "Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cấp nước và đóng nắp chai tự động điều khiển bằng PLC", bao gồm phương pháp lý thuyết, phương pháp mô phỏng và phương pháp thực nghiệm.
Nghiên cứu tài liệu liên quan đến hệ thống chiết rót và xoáy nắp chai tự động là bước quan trọng để hiểu rõ cấu tạo và cách thức hoạt động của chúng Việc tham khảo các mô hình và hệ thống thực tế sẽ giúp nhóm đưa ra giải pháp tối ưu nhất cho việc xây dựng hệ thống.
- Tìm hiểu về cách xây dựng chương trình điều khiển “Hệ thống chiết rót và xoáy nắp chai tự động” cho bộ điều khiển PLC
Nghiên cứu giáo trình và tài liệu liên quan đến các môn học như kỹ thuật tự động hóa, chi tiết máy, cơ sở truyền động điện, cảm biến và hệ thống đo lường là rất quan trọng Bên cạnh đó, việc tham khảo từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau như sách báo và internet sẽ giúp nâng cao kiến thức và hiểu biết chuyên sâu trong lĩnh vực này.
- Tính toán các phần động học, động lực học của hệ thống
- Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế hệ thống cơ khí nhằm đưa ra cái nhìn tổng quan nhất về hệ thống
- Mô hình hóa hoạt động của hệ thống trên Wincc, từ đó rút ra được phương pháp tối ưu khi thiết kế hệ thống thực tế
Sau khi tiến hành nghiên cứu bằng phương pháp lý thuyết và mô phỏng, nhóm đã lựa chọn các thành phần quan trọng cho hệ thống, bao gồm cảm biến, xylanh, động cơ băng tải và bộ điều khiển PLC.
- Tiến hành chế tạo, lắp ráp thành hệ thống hoàn chỉnh
Sau khi hoàn thiện chế tạo mô hình, chúng ta cần theo dõi và đánh giá quá trình thử nghiệm để điều chỉnh và tối ưu hóa mô hình, nhằm đảm bảo hoạt động ổn định nhất.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Nâng cao năng suất lao động, giảm giá thành: Tổng sản phẩm đầu ra đạt năng suất cao hơn so với hoạt động bằng tay thủ công
Hệ thống chiết rót tự động giúp giảm số lượng và chi phí nhân công, làm cho quy trình sản xuất trở nên đơn giản hơn Nhờ vào sự tự động hóa, doanh nghiệp có thể giảm thiểu số lượng công nhân cần thiết, tùy thuộc vào dung tích của chai.
Việc tự động hóa các hoạt động giúp nâng cao sự an toàn trong công việc, chuyển người vận hành máy từ vai trò tham gia tích cực sang vị trí đốc công, góp phần giảm thiểu rủi ro và tạo môi trường làm việc an toàn hơn.
Hệ thống chiết rót giúp nâng cao chất lượng sản phẩm bằng cách sản xuất nhanh hơn so với phương pháp thủ công, đồng thời đảm bảo sự đồng nhất và chính xác cao, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của sản phẩm đóng chai.
Giới hạn và phạm vi nghiên cứu
- Dây chuyền cấp nước và đóng chai tự động quy mô nhỏ
- Hệ thống điều khiển: PLC và hệ thống khí nén
- Động cơ truyền chuyển động: Động cơ điện 1 chiều
- Hệ thống dẫn động: Băng chuyền
- Điện áp cung cấp: Điện áp xoay chiều 220VAC và điện áp một chiều 24VDC
- Chiết rót mỗi lần 1 chai
- Chưa đảm bảo độ chính xác cao của từng thiết bị
- Được điều khiển và giám sát trên Wincc
CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG CHIẾT RÓT
Cấu trúc và nguyên lí hoạt động của hệ thống
2.1.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống
➢ Bộ phận cảm biến, nút nhấn
➢ Bộ phận điều khiển trung tâm: PLC S7- 1200
➢ Bộ phận chấp hành: động cơ băng tải, động cơ xoáy nắp, bơm chiết rót, xylanh
➢ Bộ phận giám sát, điều khiển: Wincc
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống
Giao diện giám sát và điều khiển Wincc Khối nguồn Động cơ xoáy nắp Động cơ băng tải
2.1.2 Nguyên lí hoạt động của hệ thống
Hệ thống thực hiện hai khâu chính chiết rót và đóng nắp chai:
Khi nhấn nút Start, hệ thống sẽ khởi động và vỏ chai sẽ được đưa vào băng tải để bắt đầu quy trình chiết rót và đóng nắp Nguồn nước từ bồn chứa được kết nối với bơm nước, điều khiển thời gian cấp nước vào chai thông qua Timer.
Băng tải tự động di chuyển chai rỗng và sử dụng cảm biến để phát hiện vật thể Khi chai được phát hiện, băng tải sẽ dừng lại và động cơ bơm sẽ hoạt động để bơm nước vào chai Sau khi bơm đủ nước trong thời gian đã cài đặt, bơm sẽ ngắt và băng tải sẽ tiếp tục di chuyển chai đến khâu đóng nắp.
- Nắp chai được lấp đầy trong máng chứa và được đưa vào ngay đầu chai khi chai chạy qua
Sau khi chai được đưa vào vị trí đóng nắp, cảm biến vật sẽ phát hiện chai và gửi tín hiệu về PLC để điều khiển các xy lanh kẹp chai Đồng thời, xy lanh vặn nắp sẽ hạ động cơ vặn nắp xuống và bắt đầu hoạt động Khi nắp chai được vặn chặt, điều này được điều khiển qua Timer, động cơ vặn nắp sẽ dừng lại và xy lanh vặn nắp sẽ nâng lên Băng tải sau đó tiếp tục hoạt động.
Hệ thống được điều khiển trung tâm bởi PLC S7-1200, đảm bảo sự điều phối liên tục trong toàn bộ quy trình Toàn bộ quá trình sẽ được giám sát và điều khiển thông qua máy tính sử dụng phần mềm WinCC.
- Hệ thống có phần cứng chắc chắn, chịu được rung lắc trong quá trình vận hành
- Hệ thống băng tải vận hành ổn định, phù hợp với chai nước 60*130mm
- Khung sườn thiết bị: được thiết kế bằng nhôm, chắc chắn chịu được lực rung trong quá trình vận chuyển
- Ống dẫn nước: ống chịu áp lực cao, đảm bảo an toàn vệ sinh, không đóng cặn, gỉ sét và gây ra các nấm mốc vi sinh
- Chiết rót nước có sai số thấp
- Gạt và đóng nắp chai chính xác
Tổng quan về PLC
PLC, hay còn gọi là Bộ điều khiển logic khả trình, đã mang lại nhiều lợi ích trong việc điều khiển máy móc, giúp các thao tác trở nên nhanh chóng, nhạy bén và đáng tin cậy Thiết bị này có khả năng thay thế hoàn toàn các phương pháp điều khiển truyền thống như rơle, với tính linh hoạt cao nhờ vào việc lập trình các lệnh logic cơ bản PLC có thể thực hiện các chức năng như định thời, đếm, giải quyết các bài toán toán học và công nghệ, cũng như tạo lập, gửi đi và tiếp nhận tín hiệu để kiểm soát các chức năng của máy móc hoặc dây chuyền sản xuất.
➢ Như vậy những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và tích hợp trong môi trường công nghiệp:
- Khả năng kháng nhiễu tốt,
- Cấu trúc dạng module rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải tạo nâng cấp,
- Có những module chuyên dụng để thực hiện chức năng đặc biệt hay những module truyền thông để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc qua mạng internet,
- Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động,
Hệ sản xuất linh hoạt cho phép thay đổi dễ dàng các thông số mà không cần phải điều chỉnh lại chương trình, mang lại tính linh hoạt cao trong quá trình sản xuất.
Hệ thống PLC thông dụng có 5 bộ phận cơ bản, gồm bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện nhập/ xuất (I/O), và thiết bị lập trình
Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc của PLC
Bộ xử lý, hay còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện quan trọng trong máy tính, có nhiệm vụ biên dịch các tín hiệu đầu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển dựa trên chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ của nó CPU truyền đạt các quyết định dưới dạng tín hiệu đến các thiết bị xuất, đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống.
Bộ nguồn chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC thấp, cung cấp năng lượng cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao diện nhập xuất.
Bộ nhớ trong hệ thống PLC đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ chương trình điều khiển dưới sự giám sát của bộ vi xử lý Hệ thống này bao gồm nhiều loại bộ nhớ, trong đó có bộ nhớ chỉ đọc ROM, cung cấp dung lượng cho hệ điều hành và dữ liệu cố định mà CPU sử dụng, và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM, dành riêng cho chương trình của người dùng.
Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được, hay còn gọi là ROM, cho phép lập trình và lưu trữ các chương trình điều khiển Các chương trình này được lưu trữ dưới dạng các khối trong bộ nhớ của PLC và được thực hiện theo chu kỳ vòng quét.
PLC hoạt động tương tự như một máy tính cá nhân, bao gồm bộ vi xử lý, hệ điều hành và bộ nhớ để lưu trữ chương trình điều khiển và dữ liệu Ngoài ra, PLC còn được trang bị các cổng vào ra để giao tiếp với thiết bị bên ngoài, cùng với các bộ Counter và Timer phục vụ cho các bài toán điều khiển.
2.2.3 Cấu trúc bên trong cơ bản của PLC
Cấu trúc cơ bản bên trong của PLC bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU) chứa bộ vi xử lý hệ thống, bộ nhớ, và mạch nhập/ xuất
CPU là bộ phận điều khiển và xử lý mọi hoạt động bên trong PLC, với bộ xử lý trung tâm có tần số từ 1 đến 8 MHz Tần số này quyết định tốc độ vận hành của PLC, cung cấp chuẩn thời gian và đồng bộ hóa tất cả các thành phần trong hệ thống Thông tin trong PLC được truyền tải dưới dạng tín hiệu số.
Cấu hình CPU tùy thuộc vào bộ vi xử lý Nói chung CPU có:
Bộ thuật toán và logic (ALU) là thành phần quan trọng trong xử lý dữ liệu, đảm nhiệm việc thực hiện các phép toán số học như cộng, trừ, nhân, chia, cùng với các phép toán logic như AND, OR, NOT và EXCLUSIVE-OR.
Bộ nhớ, hay còn gọi là các thanh ghi, nằm bên trong bộ vi xử lý và đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ thông tin liên quan đến quá trình thực thi chương trình.
- Bộ điều khiển được sử dụng để điều khiển chuẩn thời gian của các phép toán
Trong hệ thống PLC, có nhiều loại bộ nhớ quan trọng, bao gồm bộ nhớ chỉ đọc (ROM), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) và bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được (EPROM) Mỗi loại bộ nhớ này đóng vai trò riêng trong việc lưu trữ và xử lý dữ liệu.
Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc bên trong PLC
Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200
Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-
200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:
Bộ điều khiển PLC S7-1200 là một giải pháp tự động hóa hiệu quả, với thiết kế nhỏ gọn và chi phí thấp Sản phẩm này tích hợp microprocessor, nguồn cung cấp và các đầu vào/ra (DI/DO), mang đến khả năng kiểm soát đa dạng cho nhiều ứng dụng khác nhau Với tập lệnh mạnh mẽ, S7-1200 là lựa chọn hoàn hảo cho các nhu cầu tự động hóa hiện đại.
- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:
Tất cả các CPU đều được trang bị tính năng bảo vệ bằng mật khẩu nhằm ngăn chặn truy cập trái phép vào PLC, đồng thời cung cấp tính năng "bảo vệ bí quyết" để bảo vệ các khối đặc biệt của chúng.
- S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP + Ngoài ra có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232
Phần mềm Step7 Basic được sử dụng để lập trình cho S7-1200, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình chính là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens, giúp tối ưu hóa quy trình lập trình và quản lý thiết bị.
Để thực hiện một dự án với S7-1200, bạn chỉ cần cài đặt TIA Portal, vì phần mềm này tích hợp cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.
1: Bộ phận kết nối nguồn
2: Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các nắp che)
2: Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên
3: Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp
4: Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU)
Các loại CPU đa dạng mang lại nhiều tính năng và dung lượng, giúp người dùng phát triển các giải pháp hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Bảng 2.1 Bảng phân loại chức năng của các dòng PLC S7- 1200
Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU1214C
• 2 kB I/O tích hợp cục bộ
• 2 ngõ ra Kích thước ảnh tiến trình
1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)
Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte Độ mở của các module tín hiệu Không 2 8
3 (mở rộng về bên trái)
Các bộ đếm tốc độ cao
Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)
Thời gian lưu giữ đồng Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 40 0 C
PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet
Tốc độ thực thi tính toán thực
Họ S7-1200 cung cấp nhiều module tín hiệu và bảng tín hiệu, giúp mở rộng khả năng của CPU Ngoài ra, người dùng có thể lắp đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ các giao thức khác nhau.
Bảng 2.2 Bảng các module hỗ trợ PLC S7 – 1200
Module Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra Kết hợp In/Out
16 x DC In / 16 x DC Out 16 x DC In / 16 x Relay Out
Kiểu số _ _ 2 x DC In / 2 x DC Out
Bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng mở rộng khả năng I/O cho CPU, bao gồm cả I/O kiểu số và kiểu tương tự SB được kết nối ở phía trước của CPU, mang lại sự linh hoạt trong việc quản lý và tương tác với các thiết bị ngoại vi.
- SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC)
- SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự
Hình 2.5 Tín hiệu của PLC S7- 1200
2: Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra
Hình 2.6 Các Module tín hiệu PLC S7- 1200
1: Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu
2: Bộ phận kết nối đường dẫn
3: Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra
Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng bổ sung vào hệ thống Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485
- CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông
- Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU (hay về phía bên trái của một CM khác)
Hình 2.7 Các module truyền thông PLC S7- 1200
1: Các LED trạng thái dành cho module truyền thông
2: Bộ phận kết nối truyền thông
Tổng quan phần mềm Tia Portal V15
Để thực hiện viết code cho PLC S7 – 1200 ta cần có phần mềm chuyên dụng là TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal)
Phần mềm TIA Portal cho phép người dùng phát triển và tích hợp hệ thống tự động hóa một cách nhanh chóng, nhờ vào việc giảm thiểu thời gian tích hợp và xây dựng ứng dụng từ các phần mềm riêng lẻ Với giao diện thân thiện, TIA Portal phù hợp cho cả người mới bắt đầu và những người có kinh nghiệm.
17 người có kinh nghiệm trong lập trình tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển phần mềm cơ sở cho các ứng dụng lập trình, cấu hình và tích hợp thiết bị Hệ thống Tích hợp tự động hóa toàn diện (TIA) của Siemens là một ví dụ điển hình, với phần mềm Simatic Step 7 dùng để lập trình các bộ điều khiển Simatic và Simatic WinCC để cấu hình màn hình HMI, cũng như chạy hệ thống Scada trên máy tính.
TIA Portal là phần mềm cơ sở để tích hợp các phần mềm lập trình của
TIA Portal của Siemens tích hợp các phần mềm, cho phép chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu, mang lại sự thống nhất trong giao diện và tính toàn vẹn cho ứng dụng Người dùng có thể cấu hình tất cả thiết bị và mạng truyền thông trên cùng một cửa sổ Các tính năng như thư viện, quản lý dữ liệu, lưu trữ dự án, chẩn đoán lỗi và tính năng online rất hữu ích khi làm việc với cơ sở dữ liệu TIA Portal Tất cả bộ điều khiển PLC, màn hình HMI và bộ truyền động của Siemens đều được lập trình và cấu hình qua TIA Portal, giúp tiết kiệm thời gian và công sức trong việc thiết lập truyền thông giữa các thiết bị Nhóm sử dụng TIA Portal V15 để viết code cho PLC S7.
1200, và mô phỏng hoạt động của hệ thống
Hình 2.8: Giao diện chọn CPU
Hình 2.9 Giao diện làm việc trên TIA PORTAL
• Các nhóm lệnh được cho trong cây lệnh S7 – 1200
- Bit Logic: Tập lệnh làm việc với bit
- Clock: Tập lệnh làm việc với thời gian của hệ thống
- Communication: Tập lệnh truyền thông
- Compare: Tập lệnh so sánh
- Convert: Tập lệnh biến đổi
- Counter: Tập các bộ đếm
- Floating-Point Math: Tập lệnh toán học làm việc với số thực
- Integer Math: Tập lệnh toán học làm việc với số nguyên
- Interrupt: Tập lệnh làm việc với chương trình ngắt
- Logical Operations: Tập lệnh các phép tính logic biến đổi
- Move: Tập lệnh di chuyển dữ liệu
- Program Control: Tập lệnh điều khiển chương trình
- Shift/Rotate: Tập lệnh dịch/quay làm việc với thanh ghi
- String: Tập lệnh làm việc với chuỗi
- Table: Tập lệnh làm việc với bảng dữ liệu
- Timer: Tập các bộ định thời gian
Các thiết bị, cơ cấu sử dụng trong hệ thống
2.5.1 Thiết bị điều khiển trung tâm
Khối xử lý trung tâm, được đại diện bởi PLC S7-1200, sẽ nhận tín hiệu từ các cảm biến vật cản để xử lý và điều khiển các van điện từ Trong phân khúc S7-1200, có các dòng sản phẩm như 1211, giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng điều khiển trong các ứng dụng tự động hóa.
1212, 1214, 1215… Mỗi dòng có số cổng I/O khác nhau Ở đây nhóm chọn được PLC phù hợp là S7 1212C DC/DC/DC với 8 DI 24 VDC, 6 DO 24 VDC, 2
Hình 2.10 PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC
Sơ đồ các chân vào ra trong PLC S7-1200 CPU 1212 DC/DC/DC
Hình 2.11 Sơ đồ ngõ vào, ra và nguồn hoạt động của PLC S7-1200 CPU 1212C
Bảng 2.3 Bảng thông số PLC S7-1200 CPU 1212C
Kích thước vật lý (mm) 90 x 100 x75
Bộ nhớ làm việc 25 kB
Bộ nhớ giữ lại 2 kB
Kiểu số 8 ngõ vào và 6 ngõ ra
Kiểu tương tự 2 ngõ ra
Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào và 1024 byte ngõ ra
Bộ nhớ bit (M) 4096 byte Độ mở rộng các module tín hiệu 2
Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái)
Các bộ đếm tốc độ cao 4 Đơn pha 3 tại 100 kHz
Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC
Thời gian lưu trữ đồng hồ thời gian thực
10 ngày/ ít nhất 6 ngày Tốc độ thực thi tính toán thực 18 𝜇s/lệnh
Tốc độ thực thi Boolean 0,1𝜇s/lệnh
Băng tải đóng vai trò quan trọng trong hệ thống cấp nước và đóng chai tự động, chịu trách nhiệm vận chuyển chai nước đến vị trí thao tác Dưới băng tải được trang bị hệ thống con lăn, giúp tăng hiệu quả vận chuyển Động cơ điện, thường kết hợp với hộp giảm tốc, cung cấp nguồn động lực cần thiết để băng tải hoạt động với tốc độ và mô men phù hợp.
Hình 2.12 Băng tải PVC mini
Nhóm sử dụng băng tải PVC xanh do loại băng tải này có các đặc điểm thích hợp với đề tài:
- Tải trọng băng tải không quá lớn
- Kết cấu cơ khí không quá phức tạp
- Dễ dàng thiết kế chế tạo, tìm kiếm và mua trên thị trường
2.5.3 Động cơ DC Động cơ một chiều DC (DC là viết tắt của từ "Direct Current ") là Động cơ điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay dễ hiểu hơn thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp một chiều Đầu ra của động cơ thường gồm hai dây DC motor là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục Đối với động cơ điện một chiều có loại không chổi than (Brushless DC Motor
Động cơ không chổi than (BLDC) và động cơ có chổi than (Brush DC Motor) đều là các loại động cơ điện, nhưng động cơ BLDC thực chất là động cơ điện ba pha không đồng bộ Do đó, trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào việc phân tích động cơ điện một chiều có chổi than.
Động cơ điện một chiều được phân loại theo phương pháp kích từ thành bốn loại chính: kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp.
• Cấu tạo gồm có ba phần chính: stato (phần cảm), rotor (phần ứng), và phần cổ góp - chỉnh lưu
Hình 2.14 Cấu tạo động cơ DC
Stator của động cơ điện một chiều thường là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện
Roto có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều
Bộ phận chỉnh lưu có vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi chiều dòng điện khi rotor quay liên tục, bao gồm một bộ cổ góp và chổi than tiếp xúc với cổ góp.
Hình 2.15 Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều
- Pha một: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor
- Pha hai: Rotor tiếp tục quay
- Pha ba: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha một
2.5.4 Van điện từ khí nén
Hình 2.16 Van điện từ SMC 5/2 SY3120-5LZD-M5
+ Hoạt động chính xác, áp suất cao, tiết kiệm năng lượng, hiệu xuất cao, thời gian đáp ứng nhanh
+ Van 5/2 tác động điện từ đầu 14, đầu 12 tác động bằng lò xo, 5 cửa và 2 vị trí làm việc
+ Áp suất tối đa: 0.7 Mpa
+ Điện áp van điện từ: 24VDC
+ Thời gian đáp ứng: 30 ms - 40 ms
Hình 2.17 Cơ cấu chức năng van 5/2
Van 5/2 có 5 cổng làm việc, vào (1), ra (2, 4) và hai cửa xả riêng cho mỗi trạng thái (3,5), có hai trạng thái
Van 5/2 có thể được điều khiển bằng cơ khí, khí nén hoặc điện, với khả năng điều khiển từ một phía hoặc cả hai phía Các van điều khiển bằng khí nén hoặc điện từ cả hai phía đều có đặc điểm là một phần tử nhớ hai trạng thái.
Van 5/2 dùng làm van đảo chiều điều khiển xilanh tác dụng kép
Hình 2.18 Xy lanh khí nén
Xy lanh khí nén là một cơ cấu vận hành quan trọng, có khả năng chuyển đổi năng lượng tích lũy từ khí nén thành động năng Chức năng chính của nó là cung cấp năng lượng cho các chuyển động, giúp tối ưu hóa hiệu suất trong các ứng dụng công nghiệp.
Để thực hiện chức năng của mình, xy lanh khí nén truyền lực bằng cách chuyển đổi năng lượng tiềm năng của khí nén thành động năng Quá trình này diễn ra nhờ khả năng nở rộng của khí nén mà không cần đầu vào năng lượng bên ngoài, do áp lực khí nén lớn hơn áp suất khí quyển Sự giãn nở này khiến piston di chuyển theo hướng mong muốn.
Khi được kích hoạt, không khí nén sẽ đi vào ống ở một đầu của piston, truyền tải lực và khiến piston di chuyển Xy lanh khí nén có nhiều loại thiết kế khác nhau, bao gồm xy lanh vuông, xy lanh tròn, xy lanh kẹp, xy lanh xoay và xy lanh trượt, nhằm đáp ứng các yêu cầu chế tạo máy đa dạng.
Cảm biến tiệm cận sử dụng tia hồng ngoại để phát hiện vật cản với độ chính xác cao và tốc độ phản hồi nhanh Thiết kế đẹp mắt, dễ sử dụng và độ bền vượt trội khiến sản phẩm này trở thành lựa chọn phổ biến Khoảng cách phát hiện vật cản của cảm biến này lên tới 10 mét, mang lại hiệu quả vượt trội trong nhiều ứng dụng.
30 cm và có thể điều chỉnh được
Hình 2.19 Cảm biến tiệm cận E3F-DS30C4
Bảng 2.4 Bảng thông số cảm biến tiệm cận E3F-DS30C4
Khoảng cách điều chỉnh cảm biến 5~30 cm
Khoảng cách phát hiện vật cản 0~30 cm
Góc khuếch tán (góc chiếu) 3~5 độ
Kích thước 1.8cm (D) x 7.0cm (L) Điện áp làm việc 5~36 VDC
Dòng kích ngõ ra 𝑃 1 = 2𝑁
Lực tác dụng lên nắp chai: F = 3N
Do cơ cấu đứng yên nên ta có hệ số làm việc: 𝜂 = 0,5
Lực tác dụng lên xy lanh theo chiều từ trên xuống là:
𝐹 1 = 𝑃 1 = 2(𝑁) (3.11) Lực tác dụng lên xy lanh theo chiều từ dưới lên là:
𝐹 2 = 𝑁 − 𝑃 1 = 3 − 2 = 1(𝑁) Suy ra lực lớn nhất tác động lên xy lanh là 𝐹 1 = 2(𝑁)
+) 𝜂 là hệ số theo điều kiện làm việc
+) P là áp suất khí nén được đưa vào xy lanh với đơn vị 𝑘𝑔/𝑐𝑚 2
+) A là diện tích của piston trong xy lanh với đơn vị 𝑐𝑚 2
Từ các thông số tính toán và tham khảo nhóm đã chọn được xylanh trượt MXQ8
+) Hành trình xy lanh: 50 mm
+) Đường kính xy lanh: 20 mm
Hình 3.4 Xylanh khí nén dạng trượt Để kẹp giữ chặt được chai ta chọn được xy lanh TN10X10
+) Hành trình xy lanh: 20 mm
+) Đường kính xy lanh: 25 mm
Hình 3.5 Xy lanh kẹp TN10X10
3.1.3 Tính chọn động cơ xoáy nắp
- Số vòng ren trên nắp chai z = 3
- Bán kính vòng ren r = 15mm
Xác định giới hạn lực vòng ren vặn cho tới khi chai xoay tại chỗ:
- Lực momen vòng cuối của ren:
𝑚) (3.16) Xác định công suất động cơ:
- Thời gian yêu cầu vặn t = 5s
0.9 = 4,36(𝑊) (3.18) Dựa theo tính toán ở trên nhóm chọn động cơ DC GA37RG 24V
Hình 3.4 Động cơ DC 24V GA37RG
3.1.4 Tính chọn động cơ bơm nước
Lưu lượng bơm Q = 2l/phút = 33.33 ml/s
Ta chọn thời gian bơm T = 10s
Dựa theo tính toán cơ cấu chiết rót Nhóm quyết định chọn bơm mini 6-12V
Hình 3.5 Động cơ bơm nước mini MB365
41 Đầu hút cách nước Program Blocks >> Add new block
>> chọn chương trình để viết
Hình 3.18 Giao diện viết chương trình điều khiển
Bước 9: Sau khi hoàn thành chương trình điều khiển nhóm thiết kế giao diện giám sát hệ thống trên phần mềm Wincc
Hình 3.19 Giao diện home giám sát- điều khiển hệ thống
Hình 3.20 Giao diện vận hành giám sát, điều khiển hệ thống
Giao diện thân thiện giúp người dùng dễ dàng kiểm soát và giám sát quy trình hoạt động của hệ thống, đồng thời theo dõi trạng thái hoạt động của từng thiết bị một cách hiệu quả.
Lưu đồ thuật toán
Băng tải dừng Động cơ bơm nước hoạt động
10s Chờ 1s Băng tải hoạt động CB1==0
Hạ xilanh đóng nắp Xilanh kẹp và động cơ đóng nắp hoạt động trong 5s
Các xilanh động cơ thu về trạng thái ban đầu sau 2s quá trình mới
Hình 3.21: Lưu đồ thuật toán
CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG
Chế tạo hệ thống
4.1.1 Chế tạo hệ thống cơ khí
Sau quá trình nghiên cứu, tính toán và thiết kế, nhóm đã chế tạo thành công hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động.
Hình 4.1 Hình ảnh hệ thống băng tải thực tế
Sử dụng xylanh nâng hạ để đẩy động cơ vặn nắp xuống, quá trình xoáy nắp sẽ diễn ra hiệu quả hơn Nắp xoáy được trang bị lớp cao su, giúp giữ chặt nắp chai trong suốt quá trình xoáy, đảm bảo độ kín và an toàn cho sản phẩm.
Hình 4.2 Hệ thống xoáy nắp chai thực tế
Hình 4.3 Hệ thống cấp nắp chai và chiết rót thực tế
Khay cấp nắp có giá đỡ để tạo độ nghiêng khi đó nắp chai sẽ trôi xuống và được nắp nhựa giữ lại
4.1.2 Chế tạo hệ thống điện và điều khiển
Hệ thống điện được lắp đặt theo sơ đồ quy củ, đảm bảo tính chính xác và an toàn Thiết bị điện được gắn chắc chắn, giúp tăng cường độ bền và hiệu quả sử dụng Toàn bộ dây dẫn được đi trong máng nhựa, không chỉ mang lại tính thẩm mỹ cao mà còn đảm bảo an toàn điện cho người sử dụng.
Và đảm bảo an toàn cho hệ thống
Hình 4.4 Hệ thống điện thực tế
Phía bên phải là công tắc ON/OFF hệ thống và van điện từ 5/2 để truyền khí từ bình khí nén đến các xylanh trong hệ thống
4.1.3 Mô hình hệ thống thực tế
Hình 4.5 Mô hình hoàn thiện thực tế
Thực nghiệm
Chức năng Độ chính xác
Lỗi hệ thống Cách khắc phục
Nước từ vòi bơm, bơm lệch vào chai do cảm biến tiệm cận đặt lệch
Chỉnh lại vị trí cảm biến tiệm cận cho chai dừng đúng vị trí
Lượng nước trong chai ít do thời gian bơm còn ngắn Điều chỉnh tăng thời gian bơm nước
3 x ✓ x Băng tải bị trượt Căng lại dây belt bang tải
4 x ✓ x Băng tải bị trùng Dùng miếng sắt lót đế băng tải
Nắp đặt lệch so với cổ chai do khay dẫn lắp đặt lệch
Căn chỉnh khay dẫn nắp đúng vị trí
Cơ cấu xoáy nắp chệch so với cổ chai do cảm biến đặt lêch
Chỉnh lại vị trí cảm biến tiệm cận cho chai dừng đúng vị trí
Nắp chai chưa được vặn chặt do thời gian vặn nắp ngắn
Tăng thời gian xoáy nắp chai
Đánh giá
+) Mô hình hệ thống nhỏ gọn hoạt động ổn định
+) Nắp chai đước xoáy tương đối chặt
+) Lượng nước cấp vào chai đúng theo tính toán
+) Băng tải hoạt động ổn định đúng theo yêu cầu đặt ra
+) Tốc độ phản hồi tín hiệu đạt yêu cầu đặt ra
+) Kết cấu khung hệ thống chắc chắn
+) Cơ cấu đóng nắp chai có độ chính xác chưa cao
+) Hệ thống cấp nắp còn đơn giản dễ xảy ra lỗi
Nhóm sử dụng bơm thường để chiết rót, dẫn đến chai nước đầu tiên trong dây chuyền bị hụt nước Tuy nhiên, từ chai thứ hai trở đi, mức nước được chiết rót sẽ ổn định và có sai số thấp.
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
Sau thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn của TS Hà Thanh Hải và sự hỗ trợ từ các thầy cô trong khoa Cơ khí, nhóm em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cấp nước và đóng nắp chai tự động điều khiển PLC” Chúng em đã đạt được những kết quả đáng ghi nhận trong quá trình nghiên cứu và thiết kế.
- Mô hình hệ thống cấp nước và đóng nắp chai tự động họa động ổn định, tương đối chính xác
- Hệ thống đáp ứng đầy đủ, đúng theo những tính toán, thiết kế
- Xây dựng được chương trình điều khiển cho hệ thống
- Thiết kế được giao diện giám sát, điều khiển cho hệ thống
- Kết nối thành công giữa PLC và PC
Thiết bị và dây dẫn được lắp đặt mang tính thẩm mỹ cao và đảm bảo an toàn Để nâng cao tính thực tiễn của đồ án, nhóm em xin đưa ra một số đề xuất phát triển nhằm hoàn thiện hơn nữa.
- Thêm các thiết bị bảo vệ để tránh hư hỏng do các tác động bên ngoài
- Cải thiện phần cơ khí của hệ thống tốt hơn để tăng thêm độ chính xác
- Thay đổi cơ cấu cấp nước, thay vì dùng bơm thường sẽ đổi thành cấp nước bằng bơm định lượng
- Xây dựng thuật toán điều khiển thông minh hơn
- Bổ sung thêm phần cung cấp chai rỗng và nhận chai của hệ thống
- Nâng cấp khay cấp nắp đơn giản bằng canh tay robot
- Sử dụng cảm biến đo mực nước để tránh hiện tượng thiếu hụt lượng nước chai ban đầu
- Nâng cấp hệ thống có thể điều khiển qua các thiết bị khác như Tablet, HMI…
[1] PGS Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2005
[2] G TSKH.B.Heimann, Cơ điện tử, NXB Khoa học & Kỹ thuật, năm 2007
[3] Đại học công nghiệp Hà Nội, Giáo trình cảm biến, Hà Nội, 2015
[4] Đại học công nghiệp Hà Nội, Đề cương bài giảng tự động hóa quá trình sản xuất, Hà Nội, 2017
[5] Nguyễn Công Hiền, Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển, NXB Khoa học và kỹ thuật, năm 2006
[6] Trần Thế San and Nguyễn Ngọc Khánh, Bách khoa mạch điện, NXB Khoa học & kỹ thuật
[7] Ts Quách Thanh Hải, Điện tử công suất, NXB Thanh Niên, năm 2017
[8] Lê Văn Uyển and Trịnh Thất, Tính toán, thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí, NXB Giáo Dục, 2006
[9] Bùi Quốc Khánh, Cơ sở truyền động điện, NXB Khoa học và kỹ thuật,
[10] Phạm Ngọc and Nguyễn Văn Duy, Điều khiển lập trình S7 - Tia Portal,
NXB Khoa học và kỹ thuật, 2014
[11] Ts Nguyễn Mạnh Hùng and Ts Nguyễn Như Hiền, Điều khiển logic và PLC, NXB Khoa học tự nhiên và Công nghệ Hà Nội, 2007
Network 1: On/Off hệ thống
Network 2: Mô phỏng băng tải chuyển động
Network 3: Mô phỏng chuyển động chai
