TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Gần đây, sự phát triển của khoa học kỹ thuật tiên tiến đã mang lại những thay đổi lớn cho con người, giúp chúng ta trở nên văn minh và hiện đại hơn.
Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã mang lại nhiều thiết bị nổi bật với độ chính xác cao, tốc độ nhanh và tính tiện lợi, góp phần nâng cao hiệu quả trong hoạt động của con người.
Tự động hóa đang phát triển thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các lĩnh vực khác nhau và nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày Trong xã hội hiện đại, nhu cầu ăn uống của người dân ngày càng được nâng cao, dẫn đến sự gia tăng sản phẩm trong ngành công nghiệp thực phẩm đóng gói và nước uống đóng chai trên thị trường.
Theo khảo sát của Euromonitor năm 2015, thị trường đồ uống đóng chai đã đạt gần 170 tỉ USD và dự kiến sẽ tăng gần 10% vào năm 2020 Trong phân khúc này, nước đóng chai chiếm ưu thế với hơn 35% thị phần, trong khi đồ uống có ga đạt khoảng 22% Nhu cầu tăng cao về nước uống bổ sung năng lượng sẽ thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của nước uống đóng chai.
Thị trường nước giải khát tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ với sự gia tăng tiêu thụ nước uống đóng chai, nước ngọt có ga, cà phê và các loại đồ uống có cồn Trung bình mỗi người Việt tiêu thụ hơn 23 lít nước giải khát mỗi năm, nhờ vào đời sống được nâng cao và sự cạnh tranh khốc liệt giữa nhiều nhãn hàng.
Hình 1.1: Biểu đồ thống kê sản lượng nước uống đóng chai sản xuất ở Việt Nam
Hệ thống chiết rót tự động là thiết bị quan trọng trong quy trình sản xuất và đóng chai trong ngành thực phẩm và đồ uống, giúp chiết rót chính xác một lượng chất lỏng vào các chai, lọ, bình với hiệu suất cao Đặc biệt, hệ thống này cần đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm để duy trì chất lượng và an toàn cho sản phẩm.
Các hệ thống chiết rót thông dụng trên thị trường:
Máy chiết rót bằng bơm bánh răng
Hệ thống chiết rót bằng đầu bơm rotary (bơm bánh răng) và điều khiển bởi motor
Điều hòa không khí (AC) với biến tần mang lại nhiều lợi ích và tiện ích trong quy trình chiết rót sản phẩm Hệ thống này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn tối ưu hóa hiệu suất hoạt động, đảm bảo chất lượng sản phẩm được chiết rót Sự linh hoạt trong điều chỉnh công suất của AC với biến tần cũng góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu lãng phí.
Rót mềm mại và dễ dàng điều chỉnh lưu lượng nhờ sử dụng motor AC với biến tần, cho phép kiểm soát tốc độ và lưu lượng bơm một cách linh hoạt.
- Hạn chế tạo bọt: Hệ thống bơm bánh răng thường có khả năng hạn chế tối đa việc tạo bọt trong quá trình chiết rót
Máy chiết bơm bánh răng có dung tích chiết rót đa dạng, từ 250ml đến 5000ml, mang lại sự linh hoạt trong việc đáp ứng các yêu cầu sản xuất khác nhau.
Vòi ngâm không làm tràn là một giải pháp hiệu quả cho quá trình chiết rót, giúp ngăn ngừa việc chất lỏng tràn ra ngoài chai và băng tải, từ đó đảm bảo sự sạch sẽ và hiệu quả trong công việc.
Để đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định trong quá trình vận hành, hệ thống bơm và động cơ băng tải cần được bảo vệ toàn diện, giúp ngăn chặn sự sụt áp và các sự cố khác ảnh hưởng đến hoạt động của chúng.
Hình 1.2: Máy chiết rót bằng bơm bánh răng Máy chiết rót bằng bơm trục vít:
Máy chiết rót bằng bơm trục vít, còn được biết đến là máy chiết rót tự động 8 đầu bơm trục vít, là thiết bị quan trọng trong ngành sản xuất dầu nhớt và dầu thủy lực.
Bơm trục vít mang lại khả năng chiết rót chính xác và ổn định, đảm bảo rằng lượng dầu đóng gói vào chai luôn tuân thủ đúng quy định.
Bơm trục vít là thiết bị lý tưởng cho việc bơm các chất lỏng có độ nhớt cao, đặc biệt là dầu nhớt và dầu thủy lực.
Máy chiết rót bằng bơm trục vít được trang bị đầu chiết nắp tích hợp, cho phép tự động hóa quy trình chiết rót và đóng nắp một cách liền mạch, nâng cao hiệu quả sản xuất.
Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài là thiết kế và thi công mô hình chiết rót và đóng nắp chai tự động, đảm bảo lượng nước chiết rót vào chai theo quy trình giám sát Hệ thống được thiết kế với tính năng cho phép người dùng giám sát và điều khiển trực tiếp, mang lại hiệu quả và tiện lợi trong quá trình sản xuất.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào quy trình chiết rót chai dung tích 330ml, với lượng nước chiết rót là 220ml, sử dụng nước lọc không màu Các nguyên liệu đầu vào bao gồm nắp chai PET, nước trong bồn chứa và vỏ chai rỗng được cấp bằng tay Mô hình hoạt động này đạt năng suất hiệu quả trong quá trình chiết rót.
2 chai/phút và độ chính xác 90% Thiết kế màn hình HMI để cài đặt thông số cho các thiết bị trong mô hình n
Mô hình được phát triển dựa trên nhiều mẫu hệ thống có sẵn trên internet, từ đó tạo ra bảng phác thảo và danh sách thiết bị cần thiết cho việc thi công phần cứng Tiếp theo, hệ thống được chia nhỏ thành nhiều phần để tiến hành điều khiển và đánh giá theo các tiêu chí đã được nhóm đề ra Cuối cùng, các phần này sẽ được lắp ráp thành một hệ thống hoàn chỉnh.
Nhóm áp dụng phương pháp "thử và sai" để kiểm tra và điều chỉnh trong quá trình thi công hệ thống, nhằm xác định giải pháp tối ưu Bên cạnh đó, việc sử dụng vật liệu dễ tháo lắp và gia công trong mô hình giúp tiết kiệm thời gian cho các công đoạn chỉnh sửa và nâng cấp.
Phương pháp nghiên cứu
Mô hình được xây dựng dựa trên nhiều mẫu hệ thống có sẵn trên internet, từ đó tạo ra bảng phác thảo và danh sách thiết bị cần thiết cho việc thi công phần cứng Sau đó, hệ thống được chia nhỏ thành nhiều phần để tiến hành điều khiển và đánh giá theo các tiêu chí đã được nhóm đề ra Cuối cùng, các phần này được lắp ráp lại thành một hệ thống hoàn chỉnh.
Nhóm áp dụng phương pháp “thử và sai” trong thi công hệ thống để kiểm tra và điều chỉnh, từ đó xác định giải pháp tối ưu Bên cạnh đó, việc sử dụng vật liệu dễ tháo lắp và gia công trong quá trình thực hiện mô hình giúp tiết kiệm thời gian cho việc chỉnh sửa và nâng cấp.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ sở lý thuyết
Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai có vai trò quan trọng trong việc chuyển nước từ nơi chứa đến các bình chứa, nhằm cung cấp sản phẩm đóng chai theo yêu cầu.
Hệ thống chiết rót đóng nắp chai tự động bao gồm các bộ phận chính như đường ống dẫn nước vào bình chứa, với định lượng chính xác từ nơi chứa dung dịch chất lỏng bên ngoài đã được thiết lập trước.
Mạng lưới dây chuyền chiết rót dung dịch chất lỏng (nước ngọt không có ga, nước khoáng,…):
- Đường ống dẫn nước từ két chứa dung dịch chất lỏng đến vòi nước
- Vòi nước dẫn dung dịch chất lỏng đến các bình chứa, chai, lọ,…
Các dụng cụ chứa dung dịch chất lỏng và thiết bị điều chỉnh, đóng mở đóng vai trò quan trọng trong việc đưa chất lỏng đến các thiết bị vệ sinh Ngoài ra, còn có các công trình khác như két nước, bể chứa và trạm khí ép cũng góp phần vào quá trình này.
Các yêu cầu cơ bản đối với một hệ thống chiết rót đóng nắp chai tự động:
- Bảo đảm đưa đầy đủ và liên tục lượng chất lỏng cần thiết đến các bình chứa, chai, lọ…
- Bảo đảm chất lượng chất lỏng đáp ứng các yêu cầu sử dụng đã đặt trước
- Giá thành xây dựng và quản lý rẻ
- Thi công quản lý dễ dàng thuận tiện, có khả năng tự động hóa và cơ giới việc khai thác, xử lý và vận chuyển sản phẩm đóng chai,…
Quy trình công nghệ yêu cầu
Bơm nước chính xác với độ sai số dưới 10% bằng cách đo chiều cao dung tích 220ml trước khi chiết rót Cảm biến chất lỏng không chạm được đặt gần thành chai, giúp phát hiện khi chất lỏng đạt đến mức báo đầy, từ đó gửi tín hiệu về PLC để điều chỉnh tốc độ máy bơm.
❖ Nắp chai đã đóng phải kít, không lung lay
Sử dụng xi lanh để tạo lực ép dọc bằng cách đẩy từ trên xuống Để tăng cường lực ma sát, cần lót một miếng cao su tại điểm tiếp xúc giữa cơ cấu đóng nắp chai và nắp cần đóng.
❖ Có chế độ hoạt động nhanh chạy song song với chế độ vận hành giám sát đầy đủ
Thiết kế nút nhấn với các chức năng cơ bản như: bắt đầu, dừng và dừng khẩn cấp giúp người dùng vận hành hệ thống một cách nhanh chóng mà không cần màn hình giám sát đầy đủ.
Cơ cấu chiết rót chính của hệ thống
Hệ thống chiết rót mâm xoay là phương pháp phổ biến trong dây chuyền chiết rót tự động hóa, nhờ vào nhiều ưu điểm và khả năng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cao Chính vì vậy, nó đã trở thành lựa chọn ưa chuộng trong ngành công nghiệp hiện đại.
Có hai kiểu dây chuyền chiết rót mâm xoay phổ biến là kiểu hoạt động theo chu kỳ và kiểu vận hành liên tục
2.2.1 Kiểu dây chuyền hoạt động theo chu kỳ
Hình 2.1: Mô hình chiết rót theo cơ cấu dây chuyền hoạt động theo chu kỳ
Mâm xoay hoạt động theo chu kỳ là một dây chuyền chiết rót phổ biến, với các vòi chiết được bố trí xung quanh mâm xoay Cơ cấu đóng nắp được sắp xếp ở vị trí ngõ ra, đảm bảo việc cấp nắp và đóng nắp cho sản phẩm một cách hiệu quả.
Hệ thống chiết rót và đóng nắp được bố trí dọc theo băng tải, nơi các chai được đưa đến vị trí chiết rót khi băng tải ngừng lại Tại đây, các vòi chiết bắt đầu hoạt động để thực hiện quá trình chiết rót Sau khi hoàn tất, băng tải sẽ tiếp tục di chuyển, đưa chai đã chiết rót đến khu vực đóng nắp, trong khi những chai mới được chuyển đến vị trí chiết rót để bắt đầu quá trình Khi đóng nắp hoàn tất, băng tải sẽ tiếp tục đưa chai thành phẩm ra khỏi dây chuyền sản xuất.
- Cơ cấu đơn giản, gọn nhẹ, quan sát dễ dàng, dễ dàng vận hành n
Các chi tiết và cơ cấu định vị kẹp chai được vận hành bằng khí nén giúp giảm trọng lượng, tạo nên một hệ thống nhẹ nhàng và dễ di chuyển.
- Năng suất thấp do phải chờ đến khi một chu kì hoàn thành trước khi bắt đầu một chu kì mới
- Chỉ thích hợp cho các kiểu chiết rót đơn giản
- Hạn chế số lượng đầu chiết
- Lực ma sát trên băng tải cao
2.2.2 Kiểu dây chuyền vận hành liên tục
Hình 2.2: Mô hình chiết rót theo cơ cấu dây chuyền liên tục
Dây chuyền chiết rót dạng mâm xoay liên tục là lựa chọn phổ biến cho các kỹ sư chế tạo máy nhờ vào tốc độ vận hành cao và khả năng sản xuất liên tục Tuy nhiên, để đảm bảo sự ổn định trong quá trình sản xuất, cần có một hệ thống điều khiển phức tạp để đồng bộ các quy trình Việc vận hành đúng cách và thực hiện bảo trì định kỳ cũng rất quan trọng để duy trì hiệu suất và độ bền của dây chuyền.
- Tăng năng suất và hiệu suất của quy trình sản xuất
- Tính liên tục và đồng bộ hóa theo tốc độ vận hành của máy
- Dây chuyền thường được thiết kế nhỏ gọn và sử dụng không gian một cách hiệu quả n
- Các thiết bị định vị, chụp chai, đặt nắp được điều khiển chính xác để đảm bảo sự chính xác và đồng nhất của quy trình sản xuất
- Tính toán máy phức tạp
Giá thành của hệ thống dây chuyền hoạt động theo chu kỳ là một yếu tố quan trọng, bởi nó cần đáp ứng yêu cầu thiết kế một cách chính xác mà không đòi hỏi kết cấu cơ khí quá phức tạp Do đó, nhóm quyết định lựa chọn kiểu dây chuyền này để thi công mô hình, nhằm đảm bảo hiệu quả và tiết kiệm chi phí.
Cơ cấu định lượng chất lỏng trong hệ thống
2.3.1 Định lượng bằng chiều cao chất lỏng
Phương pháp định lượng này sử dụng cảm biến để kiểm soát chiều cao của mức chất lỏng trong vật chứa Thể tích chất lỏng mỗi lần rót tương ứng với thể tích khoang bên trong của chai ở một độ cao xác định, như được minh họa trong hình 2.3.
Hình 2.3: Phương pháp định lượng bằng chiều cao chất lỏng
- Cấu trúc của phương pháp tương đối đơn giản
- Không đòi hỏi thiết bị phụ trợ và dễ dàng sử dụng
- Dễ dàng thay đổi thể tích dung dịch bơm vào chai
- Không thích hợp với các yêu cầu đòi hỏi độ chính xác định lượng cao
- Độ chính xác thể tích của vỏ chai cũng có thể ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của lưu lượng rót n
Là phương pháp dùng bộ đếm thời gian của các loại vi xử lý để xác định thời gian cần thiết đề bơm đúng lượng nước định trước
- Phương pháp không cần phải thêm phần cứng ngoài
- Dễ dàng thay đổi dung tích bơm theo thời gian
- Có thể lưu trữ được giá trị để tiến hành theo dõi giám sát
- Cần phải thí nghiệm cẩn thận trước khi đưa vào chạy thực tế
- Không thể kiểm tra được độ chính xác khi chạy thực tế nếu không kết hợp thêm phần cứng ngoài
2.3.3 Định lượng bơm định lượng bằng piston
Bơm piston hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi thể tích của buồng bơm hình xylanh thông qua chuyển động của piston Lưu lượng bơm có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ dài hành trình của piston, cho phép linh hoạt trong việc điều chỉnh lưu lượng.
Hình 2.5: Phương pháp định lượng bơm định lượng bằng piston
- Định lượng chính xác dung tích chất lỏng cần bơm
- Dễ dàng thay đổi thể tích chất lỏng bơm vào chai
- Lưu lượng nước bơm vào chai rất mạnh, giảm thời gian của quá trình bơm
Hệ thống cơ khí có quy mô lớn cho phép lựa chọn phương pháp định lượng bằng timer cho các dự án nhỏ với yêu cầu độ sai số không quá khắt khe Việc thực hiện thí nghiệm và đo đạt sẽ giúp hạn chế sai số thiết bị, từ đó giảm thiểu chi phí thi công hiệu quả.
Cơ cấu xoay cho mâm quay
Cơ cấu Man, hay còn gọi là cơ cấu biến đổi liên tục thành gián đoạn, là một thiết bị quan trọng trong việc chuyển đổi chuyển động từ dạng liên tục sang dạng quay.
13 gián đoạn Cơ cấu này thường bao gồm hai phần chính: khâu dẫn có chốt và khâu bị dẫn có rãnh tiếp xúc không liên tục
Mâm xoay được cố định bằng kết cấu cơ khí, mang lại độ bền cao và khả năng chống lại các tác động từ bên ngoài, giúp giữ vững vị trí xác định.
- Quay các góc mâm xoay đến các góc độ chính xác
- Cần tính toán nhiều trước khi thi công
- Có thể bị trật khớp khi đo đạt hoặc gia công không chính xác
2.4.2 Cơ cấu truyền động dùng động cơ encoder gắn bộ puly và dây đai
Hình 2.7: Cơ cấu truyền động dùng động cơ encoder gắn bộ puly và dây đai
Cơ cấu bao gồm hai puly kết nối với động cơ encoder và phần gốc mâm xoay PLC được sử dụng để xử lý hàm PID nhằm điều khiển động cơ, trong khi dữ liệu hồi tiếp từ encoder cung cấp thông tin chính xác Động cơ sẽ kéo mâm xoay qua dây đai đến từng vị trí cố định một cách tuần tự.
Lựa chọn tỷ số truyền động giữa hai puly không chỉ giúp tăng độ chính xác khi xoay mà còn giảm lực kéo cần thiết của động cơ để quay mâm xoay.
- Mâm xoay có khả năng tự quay về các vị trí xác định bằng hồi tiếp encoder khi bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài
- Cần phải lựa chọn thông số pid chuẩn xác để động cơ hoạt động hiệu quả
- Nếu lực giữ của đầu trục động cơ không lớn sẽ làm mâm xoay bị lệch khỏi những vị trí xác khi bị tác động từ ngoại lực n
2.4.3 Cơ cấu sử dụng hộp giảm tốc cho động cơ bước
Hình 2.8: Sử dụng hộp giảm tốc cho động cơ bước
Hộp giảm tốc là thiết bị cơ khí thiết yếu, giúp giảm tốc độ quay của động cơ và truyền động đến cơ cấu mâm xoay Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý bánh răng với kích thước khác nhau, chuyển đổi tốc độ quay cao thành tốc độ quay thấp hơn, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho các hệ thống cơ khí.
Sử dụng hộp giảm tốc trong cơ cấu mâm xoay cho phép điều chỉnh tốc độ quay một cách dễ dàng bằng cách thay đổi bánh răng hoặc thông qua các thiết lập khác nhau của hộp giảm tốc.
- Hộp giảm tốc cho phép tăng hoặc giảm hoặc giảm tốc độ quay dể dàng phù hợp với yêu cầu sản suất và quá trình chiết rót
Sử dụng hộp giảm tốc giúp giảm tải cho động cơ, từ đó gia tăng tuổi thọ của cả động cơ và cơ cấu mâm xoay Hơn nữa, hộp giảm tốc còn duy trì tốc độ quay ổn định, ngăn chặn các dao động không mong muốn.
Việc sử dụng hộp giảm tốc có thể dẫn đến việc mất một phần công suất trong quá trình truyền động từ động cơ đến cơ cấu mâm xoay, điều này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của toàn bộ hệ thống.
Hộp giảm tốc cần được bảo trì và kiểm tra định kỳ để duy trì hoạt động ổn định và tránh hỏng hóc Mặc dù việc bảo trì có thể tốn kém về chi phí và thời gian, nhưng để đảm bảo độ chính xác cao, nhóm đã quyết định sử dụng hộp giảm tốc cho động cơ bước trong việc điều khiển cơ cấu mâm xoay.
Chỉ số đánh giá
Hình 2.9: Cảm biến màu Adafruit_TCS34725
Sử dụng cảm biến màu Adafruit_TCS34725 để nhận diện nút chai, giúp kiểm tra xem chai đã được đóng nắp có nút chai ở trên hay không Nếu chai có nút chai, nó sẽ được đánh giá là đạt tiêu chuẩn; ngược lại, nếu không có nút chai, sản phẩm sẽ bị loại bỏ và được xác định là lỗi.
2.5.2 Độ khít của nắp chai
Hình 2.10: Độ khít của nắp chai n
Giá trị X được xác định là khoảng cách giữa hai điểm, dùng để đánh giá độ khít của nắp chai sau khi đóng Nếu X ≤ 2mm, quá trình đóng nắp đạt yêu cầu; ngược lại, nếu X ≥ 2mm, chai sẽ được coi là sản phẩm lỗi.
2.5.3 Độ chính xác về thể tích trong chai
Hình 2.11: Độ chính xác về thể tích trong chai
Hệ thống định lượng chất lỏng dựa trên chiều cao, trong đó H (khoảng cách từ đáy chai đến mực chất lỏng) là chỉ số quan trọng để đánh giá mực nước Khi H nằm trong khoảng từ 180mm đến 185mm, mực nước của chai thành phẩm được coi là đạt yêu cầu.
H 180mm hoặc H 185mm thì chai được đánh giá là sản phẩm lỗi
Kết luận: Chai thành phẩm chỉ được coi là đạt yêu cầu khi đáp ứng đủ ba tiêu chí: có nút chai được đóng kín, chiều cao không vượt quá 2mm và nằm trong khoảng từ 180mm đến 185mm Những chai không đáp ứng bất kỳ tiêu chí nào trong số này sẽ được xem là sản phẩm lỗi.
Tiêu chuẩn an toàn
Trong thời đại 4.0 với xu hướng "Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa", sự phát triển công nghệ hiện đại đã làm nổi bật tầm quan trọng của thực phẩm an toàn Tiêu chuẩn an toàn thực phẩm hiện nay đang thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và chất lượng cuộc sống hàng ngày.
Thực phẩm nước uống đóng chai rất quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của con người Tuy nhiên, cần xem xét kỹ lưỡng về độ an toàn của nước uống đóng chai mà chúng ta tiêu thụ mỗi ngày để đảm bảo sức khỏe.
Yêu cầu đối với hệ thống chiết rót đóng nắp chai tự động là:
- Có đủ diện tích để xây dựng các bể chứa chất lỏng đúng tiêu chuẩn và thuận tiện để vận chuyển đường nước
- Không bị ngập nước, đọng nước
Yêu cầu với trang thiết bị dụng cụ:
- Đủ trang thiết bị để kiểm soát được áp suất, mức nước trong bình chứa, chai, lọ,… theo yêu cầu kỹ thuật mà hệ thống đưa ra
Hệ thống được thiết kế với cầu chì chống quá dòng và quá tải, đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành Tủ PLC được dán keo nến trên các thiết bị nhằm ngăn chặn rò rỉ điện trong quá trình tiếp xúc.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Yêu cầu thiết kế
Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai chuyên dụng được thiết kế cho vỏ chai 320ml, với hai chế độ hoạt động linh hoạt: chế độ vận hành nhanh bằng nút nhấn và chế độ vận hành tự động.
Hệ thống điện được thiết kế với các thông số kỹ thuật như điện áp 1 pha 220V, 50Hz hoặc 3 pha 380V, 50Hz, và dòng tải thường không nhỏ hơn 5A, tùy thuộc vào công suất bơm và thiết bị ngoại vi Để đảm bảo an toàn, hệ thống được trang bị cầu dao chống giật (CB) cho toàn bộ hệ thống và các thiết bị điện khác, cùng với nút tắt khẩn cấp để xử lý sự cố kịp thời.
Khung sườn thiết bị được chế tạo từ thép sắt vuông, có khả năng chịu lực rung ở mức vừa phải Ống dẫn nước được làm từ nhựa tinh khiết, đảm bảo an toàn vệ sinh và không gây ra cặn bẩn hay nấm mốc vi sinh.
Các thiết bị đựng nước: vật tư, các bình chứa khác
Hệ thống phải thỏa các chỉ tiêu:
- Mực nước trong chai là: 220 ml10%
- Tốc độ sản suất là: 2 chai/phút
- Hoạt động ổn định trong thời gian dài
Từ yêu cầu thiết kế các phương án thi công đề xuất
1 Lắp đặt băng tải, mâm xoay, cơ cấu chiết rót, cơ cấu đóng nắp chai
3 Viết chương trình điều khiển hệ thống
Bảng 3.1 Phương án thi công
Quy trình hệ thống
Hệ thống này bao gồm:
Băng tải đầu vào (băng tải 1): đưa chai rỗng đến vị trí mâm xoay
Cơ cấu bơm nước (chiết rót): bơm nước vào chai theo đúng thể tích 280ml đã quy định n
Mâm xoay: đưa chai đến các vị trí để thực hiện các chức năng bơm nước, cấp nắp, đóng nắp và vặn nắp
Cảm biến: kiểm tra chất lượng đầu ra của chai xem đã đạt chuẩn chưa
Băng tải đầu ra (băng tải 2): đưa chai đã được vặn nắp đến vị trí đóng gói.
Mâm xoay
Mâm xoay có chức năng mang chai rỗng đến lần lượt các vị trí bơm nước, đóng nắp và vặn nắp chai
Thông số đầu vào của mâm xoay Đường kính mâm xoay DT = 345 [mm] Độ dày mâm xoay LT = 6 [mm] Đường kính chai Dw P [mm] Độ cao chai Lw = 145 [mm]
Vật liệu mâm xoay Mica (khối lượng riêng của nước 𝜌 2,88.10 3 [ 𝑘𝑔
𝑚 3 ]) Vật liệu chai nước Nước (khối lượng riêng của nước 𝜌 1 997[ 𝑘𝑔
Số chai mâm xoay 4 chai (mỗi chai qua góc 90 0 )
Khoảng cách từ tâm mâm xoay đến tâm chai nước
Tỉ số truyền i và độ phân giải trên mỗi xung 𝜃 𝑠 = 0,255° cho động cơ bước với góc bước 1.8° Khi sử dụng driver TB6600 ở chế độ micro step 8, góc bước thực tế sẽ được tính toán lại.
Bảng 3.2: Bảng thông số cài đặt phần cứng trên driver TB6600
8 = 0.225 ° Xác định cách thức hoạt động mẫu
Tính toán xung hoạt động A [xung]
𝜃: góc định vị (do yêu cầu đặt ra khi có xung phát ra từ PLC thì động cơ quay được
A: số xung hoạt động [xung]
Xác định thời gian tăng tốc (giảm tốc)
T1 [s] Thời gian tăng tốc, giảm tốc là 25% thời gian định vị phù hợp
100∗ 0,5 = 0,125 [𝑠] t 1 : thời gian tăng tốc/ giảm tốc [s] t 0 : thời gian định vị [s]
Tính tốc độ xung hoạt động
Tốc độ xung hoạt động có thể được tìm thấy từ số lượng xung hoạt động “A”, thời gian định vị “t 0 ”, thời gian tăng tốc và giảm tốc “t 1 ” n
Tính tốc độ vận hành
Phạm vi tốc độ động cho động cơ bánh răng PN với tỉ số truyền 10 là từ 0 đến 300 vòng/ phút
Tính toán yêu cầu moment xoắn TM [N.m]
Tính toán moment xoắn tải TL [N.m]
Ma sát tải trọng là không đáng kể và do đó được bỏ qua Moment xoắn tải giả định là
Tính toán moment xoắn tăng tốc Ta [N.m]
Tính toán moment quán tính tải JL [kg.m 2 ]
Moment quán tính của mâm
32 2880 (3.10 −3 ) (345.10 −3 ) 4 ≈ 120,16.10 −4 [𝑘𝑔 𝑚 2 ] Moment quán tính của chai nước
32 997 (145.10 −3 ) (50.10 −3 ) 4 ≈ 0,899.10 −4 [𝑘𝑔 𝑚 2 ] Khối lượng của chai nước
Moment quán tính Jw [kg.m²] so với tâm xoay được xác định dựa trên khoảng cách L [mm] giữa tâm chai nước và tâm vòng quay của mâm xoay, cùng với khối lượng của chai nước mw.
[kg] và quán tính của chai nước (trục trung tâm của tải) Jw1 [kg.m 2 ]
Vì số lượng chai nước trên mâm xoay, n = 3
Moment quán tính chai nước trên mâm xoay
𝐽 𝐿 = 304,35.10 −4 [𝑘𝑔 𝑚 2 ] Tính toán moment xoắn tăng tốc
Tính toán moment xoắn yêu cầu TM [N.m]
Yếu tố an toàn Sf =2
Lựa chọn động cơ dự kiến
Mẫu động cơ Moment quán tính rotor
Cơ cấu bơm nước
Có nhiều phương án thiết kế cơ cấu bơm nước, về số lượng bơm, và vị trí đặt cơ cấu bơm (trên băng tải, trên mâm xoay, )
Với quy mô đồ án, nhóm đã lựa chọn phương án sử dụng 1 bơm, bơm tại 1 vị trí trên mâm xoay Phương án này có ưu điểm:
Đồng bộ hóa thời gian trong quy trình đóng nắp và vặn nắp là rất quan trọng Việc đặt bơm nước trên mâm xoay cho phép chiết rót và đóng nắp diễn ra đồng thời, từ đó đảm bảo sự nhất quán trong sản xuất và tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh.
Cơ cấu bơm nước bao gồm:
Cảm biến tiệm cận (đếm chai)
Tính chọn động cơ bơm nước
Trong ngành công nghiệp, động cơ bơm nước xoay chiều AC thường được sử dụng cho các dây chuyền chiết rót nhờ vào công suất lớn và tuổi thọ cao Tuy nhiên, với quy mô đồ án nhỏ của nhóm, động cơ bơm nước một chiều DC là lựa chọn hợp lý hơn do kích thước nhỏ, tiết kiệm năng lượng và giá thành rẻ.
Cột nước bơm: H@cm=0,4m (do bình chứa cung cấp nước để bơm cho chiều cao tầm 40cm)
Lựa chọn động cơ bơm
0,43 ≈ 3𝑊 Nhóm chúng em đã lựa chọn động cơ bơm nước DC385 với thông số kỹ thuật như sau:
Hình 3.2: Động cơ bơm nước DC 385
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật động cơ bơm nước DC 385
Cơ cấu cấp nắp tự động
Cơ cấu cấp nắp tự động được thiết kế để tự động cung cấp nắp cho chai sau khi đã được bơm đầy nước Cơ cấu này được lắp đặt ở vị trí trước bước đóng nắp và sau bước vặn nắp, đảm bảo quy trình đóng chai diễn ra liên tục và hiệu quả.
Loại động cơ DC 385 Điện áp sử dụng 12VDC
Lưu lượng bơm tối đa 1,8 ± 0,1l/phút n
25 này đòi hỏi khả năng tự động và độ chính xác để đảm bảo nắp được cấp và đặt chính xác lên chai
Cấu tạo cơ cấu cấp nắp được thể hiện ở hình 2.8, bao gồm:
1 Rãnh chứa nắp 2 Thanh gá
3 Lò xo 4 Thanh gạt nắp
Hình 3.3: Cấu tạo cơ cấu cấp nắp
Nguyên lý hoạt động cơ cấu cấp nắp:
Cơ cấu cấp nắp lắp đúng vị trí rất quan trọng để đảm bảo nắp được cấp chính xác khi mâm xoay hoạt động, từ đó giúp nắp được đặt đúng trên miệng chai.
Hai thanh giữ nắp sử dụng lực ép từ lò xo để ngăn nắp rơi ra khỏi rãnh, đồng thời đảm bảo nắp không bị giữ quá chặt khi chai xoay qua Lực của lò xo ban đầu đủ để giữ nắp, và khi chai đến vị trí cấp nắp, lực tác động lên thanh giữ nắp sẽ nén lò xo vừa đủ để lấy nắp ra.
Thanh gạt nắp giúp gạt phẳng nắp chai, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vặn nắp chặt và chính xác Điều này đảm bảo nắp không bị lệch so với miệng chai, giúp quá trình vặn nắp diễn ra một cách chính xác và an toàn.
Hình 3.4: Kích thước thanh gạt nắp chai.
Cơ cấu đóng và vặn nắp chai
Cơ cấu sản phẩm bao gồm hai bộ phận chính: bộ phận đóng nắp và bộ phận vặn nắp Cả hai bộ phận này hoạt động dựa trên cơ chế chuyển động tịnh tiến lên xuống thông qua xy lanh đôi Đặc biệt, bộ phận vặn nắp còn được trang bị động cơ chuyển động quay, giúp vặn chặt nắp một cách hiệu quả.
Cơ cấu tịnh tiến chung
Lực đóng nắp vừa đủ để không làm hỏng nắp và cân bằng nắp trước khi vặn
Momen quay vừa đủ để vặn chặt nắp chai
Cơ cấu truyền chuyển động:
Phương án thiết kế của nhóm sử dụng các thành phần sau:
Xy lanh đôi được sử dụng để truyền động tịnh tiến cho bộ phận vặn nắp Chúng được lắp đặt sao cho chuyển động tịnh tiến của xy lanh đôi tương ứng với chuyển động tịnh tiến của bộ phận vặn nắp, đảm bảo hiệu suất hoạt động chính xác.
Động cơ DC giảm tốc để truyền động quay cho bộ phận vặn nắp Động cơ
DC giảm tốc được lựa chọn giúp cung cấp momen quay đủ để vặn chặt nắp chai n
Hình 3.5: Cấu tạo cơ cấu vặn nắp chai
Chai sau khi được đưa đến vị trí đóng nắp sẽ trải qua quá trình cân bằng nắp bằng xi lanh Khi nắp chai đã được cân bằng, động cơ DC sẽ hoạt động để vặn chặt nắp chai một cách chính xác.
Đầu vặn nắp chai được thiết kế với kích thước phù hợp, đảm bảo sự vừa vặn với nắp chai về kích thước và hình dạng Thiết kế này giúp tạo ra sự tiếp xúc chính xác giữa đầu vặn và nắp chai, đồng thời ngăn chặn hiện tượng trượt hoặc lệch khi thực hiện việc vặn nắp.
Bề mặt trong của đầu vặn cần được gia công với độ nhám tối ưu để đảm bảo tiếp xúc tốt, giúp momen quay được truyền hiệu quả đến nắp chai, tránh hiện tượng trượt hoặc tuột Đầu vặn được thiết kế chắc chắn và cố định chặt vào trục động cơ, đảm bảo sự ổn định và độ chính xác trong quá trình vặn nắp.
Hình 3.6: Cấu tạo đầu vặn nắp chai
Yêu cầu: Động cơ tạo ra momen đủ để vặn chặt được nắp chai
Momen cần thiết để nắp chai được vặn chặt là 2,8 Nm Đây cũng chính là yêu cầu tối thiểu của momen động cơ vặn nắp
Lựa chọn động cơ: Động cơ DC giảm tốc HN-GH12-1632
Hình 3.7: Động cơ giảm tốc HN-GH12-1632 Điện áp định mức 12VDC
Dòng điện định mức 70 mA Dòng hoạt động < 450mA Momen xoắn cực đại 5,5 kG.cm
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật động cơ DC giảm tốc HN-GH12-1632 n
Xy lanh đôi TN16X40 – S được lựa chọn dựa trên yêu cầu và hành trình của piston
Xy lanh có có khả năng thực hiện chuyển động tịnh tiến lên xuống với hành trình 40mm bao gồm một số ưu điểm như:
Cấu trúc đôi: Xylanh đôi có hai piston hoạt động đồng thời, tạo ra một lực đẩy mạnh và ổn định trong quá trình chuyển động tịnh tiến
Cơ cấu chống xoay của xy lanh được thiết kế đặc biệt nhằm giữ cho xy lanh ổn định, ngăn chặn tình trạng lung lay trong quá trình động cơ vặn nắp hoạt động.
Hình 3.8: Xi lanh đôi TN16X40 - S
Xi lanh D (mm) d (mm) s (mm)
Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật của xy lanh TN16X40 – S
Cơ cấu gắp chai
Cơ cấu sử dụng hai xylanh đơn để điều khiển bộ khung làm từ ống thép không gỉ Yêu cầu chính của cơ cấu là lực kẹp đủ mạnh để giữ chai mà không làm biến dạng cổ chai, đồng thời phải chịu được lực khi đưa chai xuống thùng mà không gây rung lắc quá nhiều.
Nguyên lý hoạt động của cơ cấu:
Sau khi chai thành phẩm trải qua quy trình kiểm tra chất lượng, chai sẽ được đẩy bằng xylanh đôi đến cơ cấu gắp chai Tại đây, sau khi counter đếm đủ 4 chai, cơ cấu gắp chai sẽ hoạt động để kẹp chặt 4 chai ở phần cổ và đưa chúng xuống thùng nằm ở hầm của mô hình.
Hình 3.9: Cấu tạo cơ cấu gắp chai
Lựa chọn xylanh đơn MAL16X50 có khả năng chịu được lực vừa và giúp cho cơ cấu vững chắc không bị rung lắc khi kẹp chai
Xi lanh Đường kính trong xylanh (mm) Hành trình (mm) Áp suất tối đa (MPa)
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật của Xylanh MAL16X50
Băng tải
Băng tải là giải pháp cơ khí hiệu quả cho việc vận chuyển hàng hóa trong sản xuất và kinh doanh, tự động hóa quá trình vận chuyển giúp giảm phụ thuộc vào lao động và tiết kiệm sức lực Nhờ vào băng tải, năng suất lao động được tăng cường và hiệu quả công việc được cải thiện Công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, không chỉ nâng cao năng suất mà còn tiết kiệm thời gian và tạo ra môi trường làm việc an toàn và hiệu quả.
Các loại băng tải thông dụng hiện nay:
Khung băng tải có thể sử dụng một số vật liệu như:
Các cơ cấu truyền động có thể sử dụng động cơ DC giảm tốc hoặc kết hợp động cơ DC với bộ truyền xích hoặc bộ truyền đai
Với quy mô đồ án hiện tại, nhóm đã lựa chọn phương án thiết kế như sau:
Khung băng tải sử dụng kết hợp nhôm định hình và thanh thép lỗ
Truyền động bởi động cơ DC giảm tốc
Khung băng tải sử dụng kết hợp nhôm định hình và thanh thép lỗ:
Dễ tháo lắp, có thể điều chỉnh và di dời
Đa dạng về kích thước
Đảm bảo tính chắc chắn, ổn định n
Đảm bảo độ đồng phẳng của băng tải
Có khả năng đàn hồi cao, chịu được nhiệt
Giá thành rẻ, độ bền cao
Vì đường kính chai nước d = 60 mm nên lựa chọn băng tải có bề rộng
B = 100 mm Chiều dài làm việc của băng tải L = 850 mm
Yêu cầu về động cơ DC giảm tốc truyền động băng tải:
Kích thước nhỏ gọn, dễ gá đặt
Mạch điều khiển đơn giản
Tính chọn động cơ DC giảm tốc:
Tổng khối lượng của dây đai và tải M1 = 4 [kg]
Hệ số ma sỏt trượt à = 0.3 Đường kính con lăn D = 60 [mm]
Khối lượng con lăn M2 = 1 [kg]
Hiệu suất dây đai và con lăn Ƞ = 0.9
Vận tốc băng tải V = 150 mm/s
Dòng điện 1 pha – 24VDC – 60Hz
Thời gian làm việc 8 tiếng/ngày n
Tính chọn tốc độ động cơ:
Xác định tỷ số truyền
Tốc độ ở trục đầu ra bánh răng
Vì tốc độ định mức cho động cơ 4 cực ở 60Hz là 1450 đến 1550 r/min, tỷ số truyền được tính như sau:
Tính toán momen xoắn cần thiết
Tổng lực F tác động lên băng tải
𝐹 = 11,76 (𝑁) Momen xoắn được xác định là
Chọn động cơ băng tải thỏa mãn tỷ số truyền i = 30 và momen xoắn TL = 0,392 N.m
Chọn động cơ GB37-3530 có thông số như sau:
Tốc độ không tải: 480 RPM
Momen xoắn tối đa: không quá 4,5 kg.cm
Dòng điện không tải: không quá 50mA n
Tổng thể hệ thống chiết rót và đóng nắp chai
Kết cấu của toàn bộ hệ thống được thể hiện ở hình 2.21
Hình 3.13: Hệ thống cơ khí sau khi hoàn thiện thiết kế n
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ hoạt động của hệ thống
Từ phần cơ sở lý thuyết, ta đả đưa ra được sơ đồ khối hệ thống điều khiển và giám sát mức nước trong bồn chứa như sau:
Với sơ đồ khối đưa ra ta sẽ tiến hành phân tích và lựa chọn các thiết bị phù hợp với hệ thống như sau:
Khối tín hiệu
Cảm biến chất lỏng không tiếp xúc sử dụng sóng từ để đo mức nước trong thùng chứa Khi sóng truyền đến bề mặt chất lỏng, chúng sẽ phản xạ trở lại cảm biến, cho phép thu thập và phân tích thông tin về vận tốc và thời gian Từ đó, cảm biến có thể tính toán chính xác mức chất lỏng trong thùng Đặc biệt, đầu đo mực nước ở bể chứa ngầm giúp xác nhận nguồn nước có tồn tại hay không; nếu không có nước, hệ thống sẽ tự động ngưng hoạt động.
Cảm biến đo mực nước trong thùng chứa được sử dụng để xác định chính xác mức nước với chiều cao cụ thể Việc lựa chọn cảm biến có tầm đo phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả trong việc theo dõi mực nước.
Chọn cảm biến mực chất lỏng không tiếp xúc XKC – Y25 – V
Hình 4.1: Cảm biến mực chất lỏng không tiếp xúc hiệu XKC – Y25 – V Các thông số kỹ thuật cơ bản của cảm biến mực chất lỏng không tiếp xúc XKC – Y25 – V:
- Điện áp sử dụng: 5 - 12VDC
- Độ dày thành bồn có thể xuyên qua: 0~20mm
- Chất liệu bồn chứa có thể cảm biến được: Phi Kim
- Nhiệt độ hoạt động: -20~100 độ C
Trong quá trình chiết rót, hệ thống cần phát hiện các chai khi chúng được đưa từ băng tải vào khu vực chiết rót chất lỏng Để đạt được điều này, cảm biến hồng ngoại được sử dụng nhằm phát hiện vật cản, đảm bảo quy trình diễn ra suôn sẻ và hiệu quả.
Chính vì yêu cầu cần thiết từ hệ thống về cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản nên chọn sử dụng cảm biến tiệm cận hồng ngoại E18-D80NK
Hình 4.2: Cảm biến tiệm cận hồng ngoại E18 – D80NK Các thông số kỹ thuật cơ bản của cảm biến tiệm cận hồng ngoại E18 – D80NK:
- Nguồn điện cung cấp: 5VDC n
- Khoảng cách phát hiện: 3 ~ 80cm
- Dòng kích ngõ ra: 300mA
- Chất liệu sản phẩm: nhựa
Khối dữ liệu
PLC, hay còn gọi là Bộ điều khiển logic lập trình, là thiết bị tiên tiến thay thế các hệ thống điều khiển truyền thống, giúp đơn giản hóa quá trình lập trình và thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau Thiết bị này nhận tín hiệu từ các ngõ vào như nút nhấn, công tắc và cảm biến, sau đó điều khiển hoạt động thông qua ngõ ra PLC hoạt động dựa trên nguyên tắc quét trạng thái của các đầu vào và đầu ra; khi trạng thái đầu vào thay đổi, PLC sẽ tự động điều chỉnh trạng thái ngõ ra theo chương trình đã được lập trình sẵn.
Bộ lập trình PLC Mitsubishi FX1S-30MT được sử dụng trong đồ án, thể hiện tính phổ biến và hiệu quả của dòng PLC này Đây là phần trung tâm và quan trọng nhất của hệ thống.
Hình 4.3 Bộ lập trình PLC Mitsubishi FX1S-30MT
- FX1S-30MT-001: Nguồn cấp 220V, ngõ vào cấp sẵn nguồn nội 24VDC của PLC
- FX1S-30MT-001: 14 ngõ vào cách ly/ 10 ngõ ra transistor
- Bộ nhớ chương trình: 2000 bước lệnh
- Chu kỳ xử lý lệnh: 0.55 – 0.7 às n
- Phát xung tốc độ cao: 2 chân phát xung max 100k
Thiết kế và kết nối các phần điện của mô hình
4.4.1 Kết nối các thành phần
Hình 4.4: Sơ đồ thiết bị điện của mô hình Quy trình mạch điều khiển
PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến màu sắc, cảm biến chất lỏng, cảm biến hồng ngoại và aduino uno
Các cảm biến được lắp đặt trên thân xylanh cũng như ở đầu và cuối hành trình của xylanh, giúp nhận biết trạng thái hoạt động của xylanh và truyền tín hiệu về PLC.
Output của PLC được nối với các van điều khiển xylanh cũng như các động cơ
HMI kết nối với PLC để tạo giao diện điều khiển cho người dung ĐỊA CHỈ LOẠI GHI CHÚ
X0 Digital Input Tín hiệu động cơ encoder Xung tốc độ cao X1 Digital Input Relay cảm biến màu sắc 0VDC
X3 Digital Input Cảm biến hồng ngoại NPN 0VDC
X4 Digital Input Cảm biến hồng ngoại NPN 0VDC
X5 Digital Input Cảm biến hồng ngoại NPN 0VDC
X6 Digital Input Cảm biến hồng ngoại NPN 0VDC
X7 Digital Input Nút nhấn START 0VDC
X10 Digital Input Nút nhấn STOP 0VDC
X11 Digital Input Cảm biến hồng ngoại NPN 0VDC n
X12 Digital Input Cảm biến mức chất lỏng 0VDC
Bảng 4.1: Input của PLC FX1S-30MT ĐỊA CHỈ LOẠI GHI CHÚ
Y0 Digital Output Phát xung đến động cơ bước Xung tốc độ cao
Y1 Digital Output Điều khiển hướng động cơ bước
Y5 Digital Output Solenoid Van 1 0VDC
Y6 Digital Output Động cơ băng tải 1 0VDC
Y7 Digital Output Động cơ băng tải 2 0VDC
Y10 Digital Output Động cơ máy bơm nước 0VDC
Y11 Digital Output Solenoid Van 2 0VDC
Y12 Digital Output Solenoid Van 3 0VDC
Y13 Digital Output Solenoid Van 4 0VDC
Y14 Digital Output Solenoid Van 5+ 0VDC
Y15 Digital Output Solenoid Van 5- 0VDC
Bảng 4.2: Output của PLC FX1S-30MT
Hình 4.5: Sơ đồ chân input của PLC n
Hình 4.6: Sơ đồ chân output của PLC
Hệ thống được điều khiển và giám sát qua viêc thiết kế một giao diện HMI với các thiết kế yêu cầu:
Thể hiện được hình ảnh và trạng thái tổng quan của hệ thống
Cho phép chuyển đổi 2 chế độ chạy tuần hoàn, chạy theo số lượng
Hiển thị được các thông số cài đặt quan trọng trong hệ thống
Khi trong chế độ điều khiển tại hệ thống người vận hành hệ thống sẽ được quyền cài đặt các thông số hệ thống
Báo cáo sự cố khi hệ thống gặp lỗi và đưa ra các thông tin giải quyết sơ bộ cho khách
Thiết kế màn hình cấp 1
Hình 4.7: Màn hình đăng nhập n
Thiết kế màn hình cấp 2
Hình 4.8: Màn hình tổng quan quá trình vận hành hệ thống ở chế độ auto
Khi hệ thống chưa hoạt động, đèn STOP trên màn hình sẽ hiển thị màu đỏ Người dùng có thể sử dụng nút “LOG OUT” để quay lại màn hình cấp 1 Trong quá trình vận hành, màn hình sẽ hiển thị hai nút nhấn: chế độ tuần “sequential mode” và chế độ sản phẩm “product mode” Nếu người dùng chọn chế độ sản phẩm, HMI sẽ chuyển sang cấp 3 yêu cầu nhập số lượng sản phẩm Khi hệ thống hoạt động, số chai hoàn thành sẽ được hiển thị trên màn hình, cùng với trạng thái "No bottle cap" nếu chai không có nắp.
Trong quá trình vận hành, nếu hệ thống gặp sự cố, đèn cảnh báo sẽ sáng đỏ, cho thấy người dùng cần chú ý đến lỗi của hệ thống.
Hình 4.9: Màn hình tổng quan quá trình vận hành ở chế độ manual n
Khi sử dụng chế độ manual, người dùng có thể kiểm soát các chức năng của máy điều khiển một cách thủ công, bao gồm việc điều chỉnh động cơ và cylinder thông qua các nút bấm Chế độ này cho phép hiệu chuẩn và kiểm tra các thiết bị, đồng thời xác định vị trí đặt cảm biến phù hợp Ngoài ra, chế độ manual còn hỗ trợ trong việc bảo trì và khắc phục sự cố khi máy hoạt động không đúng, giúp người dùng tìm hiểu nguyên nhân và kiểm tra các bộ phận trước khi tiến hành sửa chữa.
Hình 4.10: Màn hình tổng quan quá trình vận hành ở chế độ dữ liệu máy bơm nước
Hình 4.11: Màn hình tổng quan quá trình vận hành ở chế độ dữ liệu mâm xoay n
Hình 4.12: Màn hình tổng quan quá trình vận hành ở chế độ dữ liệu cylinder
Màn hình được thiết kế dựa trên các yêu cầu thiết kế và thông số vận hành của thiết bị như bơm, cơ cấu đóng nắp và mâm xoay Nó hiển thị và cho phép điều chỉnh thời gian hiện tại của máy bơm, chu kỳ và tần số của động cơ mâm xoay, cũng như thời gian delay của cylinder.
Hình 4.13: Màn hình tổng quan hệ thống lỗi do vấn đề sự cố
Khi hệ thống gặp sự cố, người dùng nên tham khảo các bảng lỗi và cách khắc phục để tự sửa chữa nếu có thể Đối với những sự cố lớn hơn, việc liên hệ với chuyên gia là cần thiết để đảm bảo hệ thống được sửa chữa đúng cách và tránh sai sót nghiêm trọng.
Với những mã lỗi được cài đặt sẵn trước đó như hình đã liệt kê và dành cho danh sách lỗi
Hình 4.14: Danh sách lỗi 1 và 2 hệ thống
Hình 4.15: Danh sách lỗi 3 và 4 hệ thống n
Quy trình điều khiển
Hình 4.16: Sơ đồ quy trình hoạt động của mô hình Bước 1: Băng tải 1 hoạt động đưa chai rỗng đến mâm xoay
Bước 2: Mâm xoay đưa chai rỗng đến cơ cấu chiết rót Động cơ bơm hoạt động rót nước vào chai
Bước 3: Sau khi chiết rót xong chai được mâm xoay đưa đến cơ cấu cấp nắp Nắp được gá hờ vào miệng chai
Bước 4: Mâm xoay sẽ di chuyển chai đến cơ cấu vặn nắp, sau đó xylanh đôi sẽ đưa động cơ vặn nắp vào vị trí phù hợp Tiếp theo, động cơ sẽ hoạt động để đóng chặt nắp chai.
Mâm xoay chuyển chai đến băng tải 2, nơi các cảm biến kiểm tra tiêu chuẩn về lượng nước và độ kín của nắp chai Sau khi hoàn tất kiểm tra, chai sẽ được chuyển đến cơ cấu gắp chai thông qua xylanh đơn đặt dọc trên băng tải 2 Khi counter đếm đủ 4 chai, cơ cấu gắp chai sẽ thực hiện thao tác gắp.
4 chai xuống thùng Kết thúc quá trình chiết rót và đóng nắp chai n
KẾT QUẢ, THỰC NGHIỆM, NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ
Kết quả
Hoàn thiện cơ cấu vặn nắp
Hình 5.1: Ảnh bên ngoài thực tế của cơ cấu vặn nắp Hoàn thiện cơ cấu cấp nắp
Hình 5.2: Ảnh bên ngoài thực tế của cơ cấu cấp nắp n
Hình 5.3: Ảnh thực tế của mâm xoay Hoàn thiện cơ cấu gắp chai
Hình 5.4: Ảnh thực tế của cơ cấu gắp chai n
Xylanh đẩy chai thành phẩm đến cơ cấu gắp chai
Hình 5.5: Xylanh đẩy chai thành phẩm Hoàn thiện bảng điện
Hình 5.6: Bảng điện thực tế n
Hình 5.7: Mô hình hoàn thiện Chai thành phẩm
Thực nghiệm kiểm tra mực nước chiết rót
Lượng nước trong chai phải đúng 220ml hay gần đúng với sai số 10%
Hiện tại, PLC không thể xử lý chương trình với tốc độ micro giây (𝜇𝑆), vì vậy nhóm đã sử dụng Arduino Mega để nhận dữ liệu khoảng cách từ cảm biến HC-SR04 Máy bơm được kết nối với Arduino thông qua relay.
Với dữ liệu nhận được từ cảm biến, tiến hành lấy mẫu nhiều lần và tính trung bình cộng
Chọn hệ quy chiếu hướng lên với điểm gốc là X0
Với X1: giá trị trung bình trạng thái mực nước cần đạt
X0: giá trị trung bình trạng thái khi chưa có nước
Hình 5.9: Biểu đồ chiều cao mực nước theo thời gian và giá trị trung bình X0 n
Hình 5.10: Biểu đồ chiều cao mực nước theo thời gian và giá trị trung bình X1
Ta thu được số liệu sau khi đo: X0 = 124.75 mm, X1 = 102.25 mm
Do gắn cảm biến ở đỉnh chai nên dữ liệu đầu vào có hệ quy chiếu ngược với điểm được chọn nên:
Giá trị độ cao mực nước gốc
𝑋0 𝑔 = 𝑋0 − 124.75 = 0 𝑚𝑚 Giá trị mực nước cần đạt
𝑋1 𝑔 = |𝑋1 − 𝑋0| = |102.25 − 124.75| = 22.5 𝑚𝑚 Chiều cao mực nước tối đa
𝐻𝑚𝑎𝑥 𝑔 = 𝑋1 𝑔 = 22.5 𝑚𝑚 Việc lựa chọn giá trị thời gian để kích hoạt máy bơm sẽ dựa vào các thí nghiệm sau: n
Thí nghiệm 1: Cho máy bơm hoạt động liên tục Để xác định điểm dừng của máy bơm (P1)
Hình 5.11: Biểu đồ chiều cao mực nước theo thời gian thí nghiệm 1
Theo thí nghiệm 1: Chọn được P1(5831.25, 22.5) là điểm dừng của máy bơm
Thí nghiệm 2: Cho máy bơm hoạt động tới điểm dừng (P1) để xác định mực quán tính (P2)
Hình 5.12: Biểu đồ chiều cao mực nước theo thời gian thí nghiệm 2 n
Theo thí nghiệm chọn được P2(6293.25, 24.00) là điểm quán tính của dòng nước với P1(6035.25, 22.5) điểm dừng máy bơm
Vậy thời sai số là:
Thí nghiệm 3: Xác nhận lại với thời gian mới T=𝟓𝟗𝟒𝟓 𝟐𝟓
Hình 5.13: Biểu đồ chiều cao mực nước theo thời gian thí nghiệm 3
Theo thí nghiệm 3: Ta xác định lại được P1(5945.25;21.9)
Sai số hệ thống trong quá trình đo đạc vẫn còn lớn do dao động mực nước Tuy nhiên, có thể kết luận rằng kết quả sẽ tương đối chính xác nếu chờ sau thời gian 7000ms.
Kiểm tra 10 lần chai khi chiết rót nước với mức thời gian là 5945ms thu được n
Hình 5.14: Biểu đồ thời gian lấy mẫu khoảng cách cảm biến trả về
Thu được giá trị nhỏ nhất, min= 20.56 mm
Thu được giá trị lớn nhất, max= 23.6 mm
Để đạt được giá trị cần thiết là 22.5mm, cần tính sai số dựa trên hai lần đo, trong đó ghi nhận giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất Giá trị trung bình sẽ được xác định từ hai kết quả này.
Sai số giá trị cần đạt được bằng cách tính độ chênh lệch giữa giá trị trung bình và giá trị cần đạt:
𝑠𝑎𝑖 𝑠ố = |20.05 − 22.5| = 2.45 𝑚𝑚 Với mức sai số này phù hợp với đều kiện đặt ra chai chiết rót thể thích nước 220𝑚𝑙 ± 10% n
Vậy sai số tương đối:
Thực nghiệm kiểm tra nút chai
Sử dụng cảm biến màu sắc Adafruit_TCS34725 để xác định và đánh giá chai có nắp hay không có nắp, đồng thời đo giá trị nhiệt độ màu của nguồn sáng Cảm biến này cũng hỗ trợ việc phân biệt màu sắc của các mẫu chai nước dựa trên trạng thái có nắp và không có nắp.
Cảm biến màu sắc chuyển đổi màu sắc thành tín hiệu điện, giúp xác định các thông số như màu đỏ (R), xanh lá (G), xanh dương (B), ánh sáng (CLEAR), LUX và nhiệt độ màu (ColorTemp).
Lựa chọn cảm biến cho 3 trường hợp:
Trong trường hợp không có mẫu chai nước, mục tiêu chính là kiểm tra hoạt động của cảm biến mà không cần đo màu sắc từ mẫu chai Việc đo màu không gian sẽ được thực hiện mà không có sự hiện diện của mẫu chai.
Trong trường hợp có hai mẫu chai nước với nắp chai, việc đo màu sắc của mẫu chai khi có nắp chai là rất quan trọng Mục tiêu chính là xác định liệu cảm biến có thể phân biệt được màu sắc của vật liệu nắp chai hay không.
Trong trường hợp ba mẫu chai nước không có nắp, cần đo màu sắc của nước trong chai để xác định màu sắc của vật liệu chai Mục tiêu chính là phân tích màu sắc của nước khi chai không được đậy nắp.
Để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của cảm biến màu sắc, cần xác định các thông số phù hợp và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị đo.
Mô tả thông số cho 3 trường hợp
Biểu đồ Lux hiển thị giá trị đo Lux từ cảm biến màu sắc, cho phép đánh giá mức độ sáng trong môi trường Khi các giá trị Lux ổn định và không biến động nhiều trong cùng một điều kiện đo, điều này cho thấy cảm biến màu sắc hoạt động hiệu quả và tính khả thi của quá trình đo là cao.
Biểu đồ ColorTemp hiển thị giá trị nhiệt độ màu của nguồn sáng dựa trên dữ liệu từ cảm biến màu sắc Khi các giá trị ColorTemp ổn định và không có biến động lớn trong quá trình đo, điều này cho thấy cảm biến màu sắc có khả năng ước tính chính xác nhiệt độ màu của nguồn sáng, đồng thời khẳng định tính khả thi của quá trình đo là tốt.
Các biểu đồ màu đỏ, xanh lá cây, xanh dương và trong suốt thể hiện các giá trị màu cơ bản cùng với giá trị tổng hợp Clear Khi các giá trị này ổn định và không có biến động lớn trong quá trình đo, cảm biến màu sắc có khả năng ước tính chính xác các giá trị màu của mẫu, cho thấy tính khả thi của quá trình đo là tốt.
Tiến hành đo nhiều lần để lấy giá trị trung bình
Trong trường hợp không có mẫu chai nước, tiến hành đo lấy mẫu ba lần và ghi lại giá trị để xác định khoảng ngưỡng giá trị tối
Hình 5.15: Giá trị đo cảm biến trường hợp 1 n
Bảng 5.1: Ngưỡng giá trị so sánh ở trường hợp 1
Trong trường hợp thứ hai, chúng ta tiến hành đo mẫu chai nước có nắp chai năm lần để thu thập giá trị Sau đó, xác định khoảng ngưỡng giá trị tối thiểu và tối đa Cuối cùng, dựa vào đồ thị trung bình của năm lần đo, chúng ta so sánh các giá trị đọc được về colorTempt, lux, red, green, blue và clear.
Hình 5.16: Giá trị đo cảm biến màu sắc trường hợp 2 n
Bảng 5.2: Ngưỡng giá trị so sánh ở trường hợp 2
Trong trường hợp 3, mẫu chai nước không có nắp được đo năm lần để lấy giá trị và xác định khoảng ngưỡng giá trị tối thiểu và tối đa Dựa vào đồ thị trung bình của năm lần đo, so sánh các giá trị đọc được về colorTempt, lux, red, green, blue và clear.
Hình 5.17: Giá trị đo cảm biến màu sắc trường hợp 3 n
Bảng 5.3: Ngưỡng giá trị so sánh ở trường hợp 3
So sánh kết quả giữa các trường hợp trên: Đặc điểm chung cho 3 trường hợp có các giá trị trên biểu đồ giá trị red< lux