TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu về tự động hóa
Tự động hóa là quá trình sử dụng hệ thống điều khiển để quản lý thiết bị máy móc trong sinh hoạt và sản xuất, nhằm giảm thiểu sự can thiệp của con người Hiện nay, nhiều hệ thống tự động đang được áp dụng trong các dây chuyền sản xuất, nồi hơi, lò nhiệt, cũng như trong việc ổn định tàu thủy và máy bay.
Hình 1 1 Ứng dụng tự động hóa trong sản xuất bia Heniken ở Việt Nam [1]
Trong hệ thống tự động hóa tổng hợp, việc điều khiển quá trình sản xuất đóng vai trò quan trọng, với đặc tính linh hoạt thể hiện qua tính liên tục, nhịp điệu, tỷ lệ và tính song song của các dòng vận động Mức độ tự động hóa của cơ sở sản xuất không phải lúc nào cũng tối đa, mà cần xác định mức độ tối ưu phù hợp với số lượng sản phẩm, đảm bảo chất lượng gia công cao nhất và giá thành thấp nhất Thuật ngữ "tự động hóa" chỉ được sử dụng rộng rãi sau năm 1947, khi Ford thành lập bộ phận tự động hóa, trong khi ngành công nghiệp đã nhanh chóng áp dụng điều khiển phản hồi từ những năm 1930.
Tự động hóa được thực hiện thông qua nhiều phương tiện khác nhau như cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính, thường là sự kết hợp của các kỹ thuật này Các hệ thống phức tạp như nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thường áp dụng tất cả những công nghệ này để hoạt động hiệu quả.
1.1.2.Vai trò và ý nghĩa của hệ thống tự động hóa
Tự động hóa trong sản xuất giúp giảm chi phí và tăng năng suất lao động Các quy luật kinh tế ảnh hưởng đến quy trình sản xuất, trong khi nhu cầu cải thiện chất lượng sản phẩm ngày càng cao, dẫn đến chi phí gia tăng cho việc đào tạo nhân công và đầu tư trang thiết bị Điều này tạo động lực cho sự phát triển của tự động hóa.
Tự động hóa nâng cao điều kiện sản xuất bằng cách loại bỏ khó khăn từ lao động thủ công Nó cải thiện môi trường làm việc cho công nhân, đặc biệt trong các công đoạn độc hại, nặng nhọc và lặp đi lặp lại, giúp giảm sự nhàm chán trong công việc.
Quá trình tự động hóa trong sản xuất không chỉ nâng cao cường độ sản xuất mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyên môn hóa và chuyển đổi quy trình sản xuất Yếu tố này đóng vai trò quan trọng giúp các nhà sản xuất thích ứng với yêu cầu thị trường và tăng cường khả năng cạnh tranh.
1.1.3 Khó khăn trong việc ứng dụng hệ thống tự động hóa
Hệ thống tự động thường có giới hạn về trí thông minh, dẫn đến khả năng mắc lỗi khi đối mặt với các tình huống ngoài phạm vi kiến thức của chúng Ngoài ra, chi phí nghiên cứu và phát triển cho tự động hóa có thể vượt quá ngân sách dự kiến của quy trình, gây ra những khó khăn trong việc triển khai.
Chi phí ban đầu cho việc tự động hóa sản phẩm mới thường rất cao, vượt xa chi phí đơn vị sản phẩm Tuy nhiên, chi phí này có thể được phân bổ qua nhiều sản phẩm và theo thời gian, giúp giảm bớt gánh nặng tài chính.
Giới thiệu hệ thống chiết rót chai tự động
Hệ thống chiết rót tự động đóng vai trò then chốt trong quy trình súc rửa, chiết rót và đóng nắp, phục vụ cho ngành công nghiệp đóng gói chất lỏng.
Hình 1 2 Hệ thống chiết rót của công ty nước khoáng Vĩnh Hảo [2]
Hệ thống chiết rót chai tự động đang được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như thực phẩm, nước uống, dược phẩm, mỹ phẩm, hóa chất và dầu nhớt Việc sử dụng máy chiết rót tự động không chỉ giúp tiết kiệm chi phí nhân công đáng kể mà còn nâng cao năng suất trong quá trình chiết và đóng chai sản phẩm.
Hệ thống được kết hợp giữa các khâu chiết rót, đóng nắp, đóng thùng bán tự động
Bộ điều khiển trung tâm thường sử dụng PLC để tự động hóa quy trình sản xuất Trong hệ thống này, hầu hết các khâu vận hành tự động, trong khi nhân công chỉ tham gia vào một số công đoạn điều khiển, như xếp chai, đóng thùng và vận hành máy móc.
1.2.2.Chức năng của hệ thống và phạm vi thực tiễn
- Chức năng chính của hệ thống:
Hệ thống hoạt động như một dây chuyền sản xuất hoàn chỉnh, với mức độ tự động hóa cao ở các khâu, trong đó con người chỉ can thiệp vào việc vận hành, đầu vào và đầu ra Điều này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội cho quy trình sản xuất.
Nâng cao năng suất lao động và giảm giá thành là lợi ích nổi bật của hệ thống tự động hóa Với khả năng rót hàng nghìn chai mỗi giờ, tùy thuộc vào dung tích, tổng sản phẩm đầu ra đạt năng suất vượt trội so với phương pháp làm thủ công.
Hệ thống chống chiết rót tự động giúp giảm số lượng và chi phí nhân công bằng cách đơn giản hóa quy trình, cho phép sử dụng ít công nhân hơn tùy thuộc vào dung tích chai.
Sự an toàn trong quy trình sản xuất được nâng cao nhờ tự động hóa, chuyển người vận hành từ vị trí tham gia tích cực sang vai trò giám sát Hệ thống chiết rót không chỉ giúp tăng tốc độ sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm với sự đồng nhất cao và chính xác theo các yêu cầu khắt khe của sản phẩm đóng chai.
Hệ thống chiết rót tự động mặc dù mang lại nhiều lợi ích, nhưng đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu cao do việc chuyển đổi từ lao động thủ công sang dây chuyền sản xuất tự động Ngoài ra, cần thiết phải đầu tư vào đào tạo nhân công để vận hành các thiết bị và máy móc hiện đại, phức tạp.
Các cơ sở sản xuất nước rửa chén, nước giải khát, nước tinh khiết và bia đều yêu cầu tiêu chuẩn vệ sinh khắt khe để đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng Sản phẩm chất lỏng và chất lỏng cô đặc từ những cơ sở này cần được khử trùng kỹ lưỡng để đáp ứng yêu cầu về vệ sinh thực phẩm.
Sử dụng với loại chai có dung tích từ 200 ml - 1000 ml
Trong đồ án này, nhóm chúng em chọn chai nước Nutri loại nắp vặn có dung tích
297 ml làm đối tượng nghiên cứu
TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 7 2.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống
Băng tải
Hệ thống băng tải và băng chuyền đang được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất, giúp tiết kiệm sức lao động, thời gian và tăng hiệu quả rõ rệt Băng tải là cơ chế hoặc máy vận chuyển hàng hóa, từ thùng carton, hộp, túi đến số lượng lớn vật liệu như đất, bột, thực phẩm từ điểm A đến điểm B Đây là thiết bị chuyển tải có tính kinh tế cao, ứng dụng trong vận chuyển hàng hóa và nguyên vật liệu với mọi khoảng cách Hệ thống băng chuyền đóng vai trò quan trọng trong dây chuyền sản xuất và lắp ráp, tạo ra môi trường sản xuất năng động, khoa học và nâng cao hiệu quả kinh tế.
2.2.1 Cấu tạo của băng tải
- Một động cơ giảm tốc trục vít và bộ điều khiển kiểm soát tốc độ
- Bộ con lăn, truyền lực chủ động
- Hệ thống khung đỡ con lăn
- Hệ thống dây băng hoặc con lăn
Băng tải PVC: dễ lắp đặt
Băng tải dạng xích: dùng dể vận chuyển các vật liệu nặng
Băng tải con lăn là một giải pháp hiệu quả trong ngành công nghiệp, bao gồm các loại như băng tải con lăn nhựa, băng tải con lăn nhựa PVC, băng tải con lăn thép mạ kẽm và băng tải con lăn truyền động bằng motor Những sản phẩm này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình vận chuyển hàng hóa mà còn đảm bảo độ bền và tính linh hoạt trong sử dụng.
Hình 2 4 Băng tải con lăn
Băng tải dạng dạng lưới: kết hợp vận chuyển và sấy thực phẩm
Hình 2 5 Băng tải dạng lưới
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
- 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
Kết luận: Để đáp ứng được yêu cầu đề tài đưa ra chúng em chọn băng tải thẳng dạng PVC
2.2.3 Tính toán động cơ cho băng tải
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:
- Xác định công suất yêu cầu của động cơ
- Công suất yêu cầu của động cơ được tính theo công thức: [3]
P ct : Công suất cần thiết trên trục động cơ (kW)
P td : Công suất trên trục máy công tác (kW)
η: Hiệu suất của toàn bộ hệ thống truyền động
Xác định P td : Công suất trên trục công tác được tính theo công thức:
𝑃 𝑡𝑑 = 𝐹 𝑣 1000 Với: + F: Lực kéo băng tải (N), với F0 N
- Xác định η: Hiệu suất truyền động của toàn bộ hệ thống được tính theo công thức: η = η đ𝑎𝑖 Tra bảng 2.3 [TTKHDDCK]- tr19 ta có: [3] η đ𝑎𝑖 = 0,95: Hiệu suất bộ truyền đai
Ta tính được công suất yêu cầu trên trục động cơ:
0,95 = 0,021 𝑘𝑤 = 21 𝑤 Xác định sơ bộ tốc độ quay của động cơ điện:
+ n lv : Số vòng quay trục máy công tác (vg/ph) + D: đường kính con lăn
Xác định n lv : theo công thức:
3,14.50 = 8,9 𝑣𝑔/𝑝ℎ Với yêu cầu khá đơn giản của băng tải như là:
- Chỉ cần vận chuyển chai trên băng tải
- Băng tải chạy liên tục, có các cụm chi tiết chặn chai
- Không đòi hỏi độ chính xác cao, tải trọng nhẹ
- Dễ điều khiển, giá thành rẻ
Kết luận, nhóm đã quyết định chọn động cơ điện một chiều làm động cơ dẫn động cho băng tải do yêu cầu về momen lớn nhằm đáp ứng tải trọng Động cơ được sử dụng là loại 24v-25w, với tốc độ quay trên trục sau hộp số đạt 57.
Hình 2 6 Động cơ giảm tốc 370CH
Hệ thống chiết rót
2.3.1 Phương pháp định lượng, chiết rót
Định lượng bằng xy-lanh định lượng:
Phương pháp này tối ưu hóa độ chính xác trong quá trình chiết rót, đảm bảo rằng lượng chất lỏng được đong chính xác theo định mức của xy lanh, từ đó duy trì lưu lượng ổn định cho tất cả các chai.
Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống sản xuất thực phẩm lỏng và đồ uống, đặc biệt là bởi các thương hiệu hàng đầu thế giới như Coca-Cola và Pepsi.
Một trong những nhược điểm của quy trình chế tạo là chi phí cao và định mức cố định Nếu cần thay đổi thể tích chiết rót, việc này sẽ yêu cầu thay đổi cả thể tích xy-lanh, dẫn đến việc phải mua mới thiết bị.
Định lượng bằng cảm biết mực chất lỏng:
Phương pháp này có độ chính xác cao, với cảm biến được lắp đặt gần mực thể tích mong muốn Khi chất lỏng được rót đến mức định sẵn, cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến hệ thống xử lý để ngắt van ống dẫn, đảm bảo kiểm soát chính xác lượng chất lỏng.
Phương pháp này chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố môi trường, vị trí lắp đặt và chất lượng cảm biến, với giá thành tỷ lệ thuận với chất lượng Việc bảo trì định kỳ là cần thiết để đảm bảo hoạt động của cảm biến, tránh tình trạng không nhận tín hiệu, có thể dẫn đến tràn nước và hư hỏng thiết bị điện.
Định lượng bằng thời gian:
Phương pháp này có độ chính xác tương đối, với thời gian rót sản phẩm vào chai được quy định trong chương trình Khi hết thời gian, van sẽ tự động ngắt, ngăn không cho nước tiếp tục chảy.
- Ưu điểm là khiến việc lập trình điều khiểm đơn giản hơn, dễ dàng thay đổi khi muốn tăng hay giảm thể tích chai, tiết kiệm chi phí
- Nhược điểm là độ chính xác không cao
Kết luận: Do không yêu cầu cao về thể tích nước trong chai và tiết kiệm chi phí nhất, nhóm em chọn phương pháp định lượng bằng thời gian
2.3.2 Nguyên lý hoạt động của chiết rót
Chai được di chuyển trên băng tải đến vị trí chiết rót, nơi có cảm biến hồng ngoại phát hiện sự hiện diện của chai Khi chai được phát hiện, cảm biến gửi tín hiệu đến PLC, điều khiển xi lanh khí nén đẩy chai vào vị trí cố định dưới vòi bơm Sau đó, PLC điều khiển bơm hoạt động trong khoảng thời gian đã được tính toán để đảm bảo lượng nước chiết rót mong muốn Khi bơm dừng, PLC sẽ điều khiển xi lanh trở lại vị trí ban đầu.
2.3.3 Tính toán cho hệ thống chiết rót
Trong các hệ thống chiết rót quy mô công nghiệp, động cơ bơm nước có công suất lớn và tuổi thọ cao thường được sử dụng để đảm bảo hoạt động liên tục Tuy nhiên, đối với các dự án nhỏ, lựa chọn động cơ bơm nước 12V là ưu tiên hàng đầu nhờ vào kích thước nhỏ gọn, khả năng tiết kiệm năng lượng và giá thành hợp lý.
Chọn bơm mini 12v công suất p=2,6(l/ph)
Dung lượng chai cần chiết rót 297 (ml)
Thời gian cần để mức nước cần thiết là:
Kích thước miệng lỗ 16mm
Chọn kích thước vòi phun 10mm
Hệ thống cấp nắp chai tự động
Sau khi chai nhựa được chiết rót, băng tải tiếp tục di chuyển Trong quá trình này, chúng em đã lắp đặt một cơ cấu cấp nắp đơn giản, bao gồm một máng chứa nắp nghiêng 35 độ so với băng tải và một thanh chắn giữ nắp Thanh chắn này giúp nắp luôn nằm ở vị trí cuối lòng máng Khi chai đi qua, nắp sẽ được kéo theo miệng chai, và khi chai đến vị trí cấp nắp, lực tác động lên thanh chắn sẽ đủ để lấy nắp ra.
Hình 2 8 Hệ thống cấp nắp
Hệ thống đóng nắp chai tự động
Cơ cấu vặn nắp chai
Hình 2 9 Cơ cấu vặn nắp chai
Chụp vặn nắp được giữ chặt với trục động cơ nhờ một con vít ở nắp trên và được vặn chặt vào thân bằng ren Bên trong, có một chi tiết côn bằng nhựa, dễ gia công, tiếp xúc trực tiếp với nắp chai Chi tiết côn này có thể dễ dàng thay thế bằng các kích thước khác nhau để phù hợp với từng kiểu nắp.
Sau khi chai được chiết rót, chúng sẽ được chuyển đến vị trí vặn nắp Tại đây, cảm biến nhận diện chai sẽ xác định sự hiện diện của chai, và nếu có chai, hệ xy-lanh sẽ hoạt động để đưa động cơ giảm tốc xuống vị trí vặn nắp.
Sau 1 khoảng thời gian động cơ sẽ được đưa trở lại vị trí ban đầu và cứ tiếp tục như vậy
2.5.1 Tính toán lực tác dụng vào chai
Khi xoáy nắp chai, lực từ đầu xoáy nắp tạo ra một lực F tác động lên chai Lực F này tác động lên bề mặt trên của nắp, khiến nắp di chuyển xuống dưới.
Trong tình huống này, chai và nắp được kết hợp thành một đơn vị, với lực nén F tác động lên chai đạt mức tối đa Lực nén này tạo ra lực ma sát F ms giữa đầu xoáy và nắp khi thực hiện xoay.
F ms gây ra momen cản xoay
- k là hệ số ma sát giữa bề mặt đệm cao su và nắp chai k; chọn k = 1
- F là lực đẩy của xy-lanh
Ta có, lực đẩy của xy-lanh : [4]
- F là lực đẩy của xy-lanh (kg)
- P là áp suất sử dụng (kg/cm3)
- A là tiết diện của xy-lanh
- D là đường kính xy-lanh (cm)
Chọn động cơ vặn nắp chai
+ Yêu cầu: Tạo đủ momen 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 giảm tốc JGB37-520
- Dòng chạy không tải: 40mA (miliampe)
- Tốc độ không tải: 350-500RPM (vòng quay)
- Điện áp áp dụng: 6V-24V (500 kiểu chuyển 125-500RPM) (350 kiểu chuyển 87-350RPM)
- Tổng chiều dài của động cơ: 69,25mm
- Đường kính trục động cơ: 6mm
- Chiều dài trục đầu ra: 15mm
- Khoảng cách lỗ: 31mm trái và phải, khẩu độ: 2,5mm
CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG
Khối nguồn
Bộ nguồn 1 chiều 24 VDC đươc dùng để cấp nguồn hoạt động cho các khối tín hiệu vào/ra, khối xửa lý trung tâm PLC, khối cơ cấu chấp hành
Điện áp một chiều hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ vào những ưu điểm vượt trội, như trong các máy vận chuyển, truyền động máy cắt gọt, giao thông đường sắt, ô tô điện, và xe rùa bốc dỡ hàng Động cơ một chiều nổi bật với mômen mở máy lớn, khả năng điều chỉnh tốc độ mượt mà và sự đa dạng trong lựa chọn công suất.
Mặc dù động cơ điện một chiều có ứng dụng nhất định, nhưng nó gặp phải một số hạn chế như dòng điện một chiều không phổ biến, quá trình chế tạo phức tạp và kích thước lớn Để khắc phục điều này, chúng ta cần chuyển đổi dòng điện xoay chiều, vốn được sử dụng rộng rãi, thành dòng điện một chiều thông qua "nguồn ổn áp một chiều".
Nguồn ổn áp một chiều chuyển đổi điện xoay chiều 50Hz thành điện một chiều với điện áp tùy chỉnh theo yêu cầu của phụ tải Điện áp đầu ra được duy trì ổn định trong một khoảng nhất định nhờ tín hiệu xung điều khiển Tranzitor Mạch ổn áp bao gồm bốn phần chính.
- Biến áp: Biến đổi điện áp từ lưới điện 220V tần số 150Hz thành điện áp thấp (6V, 9V, 12V, 24V ) phù hợp với đầu vào của bộ chỉnh lưu bán dẫn
- Chỉnh lưu: Là bộ biến đổi điện áp xoay chiều ở đầu vào thành điện áo một chiều ở đầu ra ở độ nhấp nhô phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu
- Bộ lọc: Là bộ lọc bớt thành phần sóng hài bậc cao của điện áp chỉnh lưu nhằm san phẳng điện áp chỉnh lưu
- Mạch ổn áp: là mạch để duy trì điện áp tải ở một khoảng nhất định phụ tải thay đổi đột ngột
Sơ đồ tổng quát của mạch cấp nguồn:
Hình 3 1 Sơ đồ khái quát của mạch cấp nguồn
Yêu cầu của mô hình với các đầu vào PLC và cảm biến sử dụng điệp áp 24V-
DC nên ta chọn bộ nguồn AC-DC có đầu ra ở mức phù hợp để cấp cho các thiết bị trong mô hình
Thông số kỹ thuật nguồn tổ ong 24V-DC
- Đầu vào: 110VAC -220VAC (chỉnh bằng công tắc gạt)
Hình 3 2 Nguồn tổ ong 24VDC – 10A
Nguồn khí nén là yếu tố quan trọng cung cấp năng lượng cho các phần tử chấp hành trong hệ thống khí nén Trong ngành công nghiệp, tùy thuộc vào quy mô sản xuất, thường có nhiều trạm khí nén được xây dựng để phục vụ cho các mục đích sản xuất khác nhau.
Yêu cầu tối thiểu trong công nghiệp, khí nén cũng phải xử lý sơ bộ đảm bảo các tiêu chuẩn:
Để đảm bảo hệ thống khí nén hoạt động bền vững và tin cậy, nguồn khí cần phải khô và không lẫn bụi Các tiêu chuẩn này đáp ứng yêu cầu chung trong các công việc như làm sạch môi trường và sản phẩm, cũng như bơm hơi Ngoài ra, việc duy trì áp suất ổn định và phun dầu bôi trơn cho các phần tử điều khiển và cơ cấu chấp hành là rất quan trọng.
Máy khí nén là thiết bị quan trọng, hoạt động bằng cách lấy không khí từ môi trường bên ngoài qua hệ thống làm sạch khí Sau đó, không khí này được nén lại và chuyển vào bình khí nén, giúp cung cấp nguồn khí nén ổn định cho các ứng dụng công nghiệp và dân dụng.
Máy nén khí có nhiệm vụ thu hút không khí, hơi ẩm, khí đốt ở một áp suất nhất định tạo ra nguồn lưu chất có áp suất cao hơn
Nguyên lý thay đổi thể tích liên quan đến việc không khí được dẫn vào buồng chứa, dẫn đến sự giảm thể tích của buồng này Theo định luật Boyle – Mariotte, khi thể tích giảm, áp suất trong buồng chứa sẽ tăng lên Máy nén khí hoạt động dựa trên nguyên tắc này, với các loại máy như máy nén khí kiểu pittong, bánh răng và cánh gạt.
Nguyên lý động năng trong máy nén khí dựa trên việc dẫn không khí vào buồng chứa với áp suất khí nén do động năng của bánh dẫn tạo ra Nguyên tắc này cho phép tạo ra lưu lượng và công suất lớn, điển hình là ở các máy nén khí kiểu li tâm.
Tìm hiểu các khối vào/ra ( I/O)
Cảm biến quang hoạt động theo nguyên tắc thu phát chung, có khả năng phát hiện vật trong khoảng cách tối đa 1 mét Với núm điều chỉnh phạm vi phát hiện từ 100mm đến 1000mm, cảm biến mang lại sự linh hoạt trong các ứng dụng khác nhau Ngoài ra, cảm biến còn có hai ngõ ra NO và NC, với kiểu NPN hoặc PNP, đáp ứng đa dạng nhu cầu sử dụng.
Cảm biến được ứng dụng để phát hiện chính xác các vật thể, bao gồm cả những vật có kích thước nhỏ Đặc biệt, cảm biến này có khả năng nhận diện các vật trong suốt như chai PET và túi nilon.
- Thời gian đáp ứng: nhỏ hơn 1ms
- Ngõ ra: PNP hoặc NPN, No và NC
- Nhiệt độ làm việc: -25 đến 60 độ C
- Vật liệu thân: nhựa ABS
- Tần số hoạt động: 500Hz
Bộ phận phát sáng phát ra ánh sáng dưới dạng tần số, sau đó bộ phận thu sáng tiếp nhận và phân loại ánh sáng trước khi chuyển đến bộ phận xử lý tín hiệu điện Tại đây, tín hiệu được chuyển đổi theo tỷ lệ tranzito thành hai chế độ ON/OFF, với tín hiệu phổ biến nhất là NPN và PNP.
Mạch cảm biến tốc độ Encoder V1 bao gồm một mắt phát và một mắt thu hồng ngoại, được bố trí cách nhau một khoảng cách nhất định Khi ánh sáng từ mắt phát chiếu tới mắt thu qua lỗ của đĩa encoder, tín hiệu đầu ra sẽ đạt mức cao 5V Ngược lại, khi ánh sáng bị che khuất, tín hiệu đầu ra sẽ giảm xuống mức thấp 0V.
Trong đồ án này, cảm biến encoder đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển cuộn nhãn, nhằm xác định vị trí chính xác của nhãn khi chuẩn bị dán lên chai Cảm biến này được lắp đặt đối diện với nhãn chai, giúp xác định vị trí của nhãn tiếp theo một cách hiệu quả.
- Điện áp sử dụng: 3.3 – 5VDC
- Mức tín hiệu xuất ra Digital: TTL
- Ngõ ra: Analog và Digital
- Khoảng cách giữa hai mắt phát và thu: 5mm
Nút ấn, hay còn gọi là nút điều khiển, là thiết bị điện điều khiển bằng tay, giúp điều khiển từ xa các khí cụ điện như công tắc điện từ, điện xoay chiều và điện một chiều hạ áp Nó cũng được sử dụng để báo hiệu và chuyển đổi các mạch điện điều khiển cũng như tín hiệu liên động bảo vệ.
Nút ấn được sử dụng để khởi động, dừng và đảo chiều quay của động cơ điện bằng cách điều khiển cuộn dây nam châm điện của công tắc tơ.
Nút ấn bao gồm hệ thống lò xo, các tiếp điểm thường mở và thường đóng, cùng với vỏ bảo vệ Khi nhấn nút, các tiếp điểm sẽ chuyển trạng thái, và khi không còn tác động, chúng sẽ trở lại trạng thái ban đầu.
Hình 3 6 Nút nhấn điều khiển
- Nút nhấn nhả khi ấn xuống đóng mạch kín, thả tay ra trở về trạng thái hở mạch Thích hợp làm mô hình, đồ án , chế tạo, công nghiệp,…
- Kích thước khoan lỗ lắp đặt : 16mm
- Nút bền, độ nhạy, độ nảy tốt
- Có sẵn đai ốc siết chặt
Nút nhấn bao gồm ba phần chính: bộ truyền động, các tiếp điểm cố định và các rãnh Bộ truyền động đi qua toàn bộ công tắc và vào một xy lanh mỏng ở phía dưới, nơi có tiếp điểm động và lò xo Khi nút được nhấn, nó sẽ kích hoạt các tiếp điểm tĩnh, thay đổi trạng thái của chúng Trong một số trường hợp, người dùng cần giữ nút hoặc nhấn liên tục để thiết bị hoạt động, trong khi với các nút nhấn khác, chốt sẽ giữ nút bật cho đến khi người dùng nhấn lại.
Rơle trung gian là thiết bị chuyển mạch tín hiệu điều khiển và khuếch đại với kích thước nhỏ, thường được lắp đặt giữa thiết bị điều khiển công suất nhỏ và thiết bị công suất lớn hơn Với sự phổ biến của nó, rơle trung gian được sản xuất đa dạng với nhiều loại điện áp khác nhau như 12VDC, 12VAC, 6VDC, 24VDC, 24VAC, 48VDC, 48VAC, 110VDC, 110VAC và 220VAC.
Rơle trung gian được thiết kế với đèn báo nguồn màu xanh cho điện áp DC và màu đỏ cho điện áp AC, giúp dễ dàng kiểm tra và bảo trì Đèn LED báo trạng thái cấp nguồn cho biết rơle đang hoạt động, mang lại sự tiện lợi trong quá trình bảo dưỡng.
Rơle trung gian với đế cắm chắc chắn giúp ôm chặt các chân của relay, ngăn chặn rung động trong quá trình hoạt động và giảm thiểu tác động của rung động cơ khí từ máy móc.
Hình 3 7 Rơ-le trung gian
- Điện áp: 220VAC, 220VDC, 110VDC, 110VAC, 48VDC, 48VAC, 24VDC, 12VDC
- Số lần đóng cắt: 100.000 lần
- Kiểu chân: Chân tròn, chân dẹp nhỏ, chân dẹp lớn 10A
- Số chân: 14 chân dẹp nhỏ 5A, 14 chân dẹp lớn 10A, 8 chân dẹp nhỏ, 8 chân dẹp lớn 10A, 11 chân tròn, 8 chân tròn 10A
- Thời gian tác động: 20ms Max
Tiêu chuẩn: VDE, UL, CSA, CE
Nguyên lý hoạt động của rơ le trung gian dựa trên việc dòng điện chạy qua cuộn dây để tạo ra từ trường hút Từ trường này tạo ra đòn bẩy, giúp đóng hoặc mở tiếp điểm điện, thay đổi trạng thái của rơ le Số lượng tiếp điểm điện có thể khác nhau tùy thuộc vào thiết kế của rơ le.
Rơ le trung gian hoạt động với hai mạch chính: mạch điều khiển cuộn dây, quyết định dòng điện có chạy qua hay không, và mạch kiểm soát dòng điện đi qua rơ le.
Khối xử lý trung tâm PLC
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự sự kiện, được kích hoạt bởi các tác nhân bên ngoài hoặc qua các hoạt động có thời gian trễ Khi sự kiện được kích hoạt, PLC sẽ bật hoặc tắt các thiết bị điều khiển bên ngoài, gọi là thiết bị vật lý Bộ điều khiển lập trình liên tục thực hiện chương trình do người sử dụng thiết lập, chờ tín hiệu đầu vào và xuất tín hiệu ra tại các thời điểm đã được lập trình.
Một PLC bao gồm ba khối chính: khối Module Input, khối CPU (Central Processing Unit) và khối Module Output Khối Module Input có nhiệm vụ thu nhận dữ liệu digital và analog, sau đó truyền tín hiệu đến CPU CPU sẽ quyết định và thực hiện chương trình điều khiển dựa trên các chương trình lưu trữ trong bộ nhớ Cuối cùng, khối Module Output chuyển đổi tín hiệu điều khiển từ CPU thành dữ liệu digital và analog để điều khiển các đối tượng.
Hình 3 8 Sơ đồ bộ điều khiển
Ưu điểm của hệ thống điều khiển dùng PLC
- Điều khiển linh hoạt, đa dạng
- Lượng tương tác lớn, tốc độ hoạt động nhanh
- Tiến hành thay đổi và sửa chữa
- Độ ổn định, độ tin cậy cao
- Có thể nối mạng vi tính để giám sát hệ thống
Hạn chế của hệ thống điều khiển dùng PLC
- Cần một chuyên viên để thiết kế chương trình cho PLC hoạt động
- Các yêu cầu cố định, đơn giản thì không cần PLC
- PLC sẽ bị ảnh hưởng khi hoạt động cao, độ rung mạnh
Các ứng dụng của PLC
- Điều khiển các quá trình sản xuất: giấy, xi măng, nước giải khát, linh kiện điện tử, xe hơi, bao bì, đóng gói,…
- Rửa xe ô tô tự động
- Giám sát hệ thống, an toàn nhà xưởng
- Và còn nhiều hệ thống điều khiển tự động khác
PLC S7-1200 của SIEMENS là một dòng sản phẩm mới với độ chính xác cao, thiết kế module nhỏ gọn và linh hoạt, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau Với giao thức truyền thông tiên tiến, PLC S7-1200 đáp ứng các tiêu chuẩn cao nhất trong lĩnh vực công nghiệp, kết hợp với các tính năng công nghệ mạnh mẽ, nó trở thành giải pháp tự động hóa hoàn chỉnh và toàn diện.
Với thiết kế theo dạng module, tính chính xác cao, dòng sản phẩm SIMATIC S7-
PLC S7-1200 là giải pháp tự động hóa lý tưởng cho nhiều ứng dụng từ nhỏ đến trung bình, với tính năng nổi bật là tích hợp cổng truyền thông Profinet (Ethernet) Việc sử dụng phần mềm Simatic Step 7 Basic giúp đơn giản hóa quá trình lập trình PLC, thiết kế và thi công hệ điều khiển, mang lại hiệu quả cao cho người sử dụng.
Cấu tạo của PLC S7-1200 Siemens
- Sử dụng 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại khác nhau trong các phiên bản, giống như điều khiển AC hoặc DC ở phạm vi rộng
- 2 mạch tương tự và số mở rộng giúp điều khiển mô-đun trực tiếp trên CPU từ đó giúp giảm chi phí sản phẩm
- Có 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau
- 2 module giao tiếp RS232/RS485 thông qua kết nối PTP
- Bổ sung thêm 4 cổng Ethernet
- Module nguồn PS1207 ổn định, có dòng điện áp 115/230VAC và điện áp 24VDC
PLC Siemens S7 - 1200 được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng như:
- Điều khiển đèn chiếu sáng
- Điều khiển bơm cao áp
Đặc điểm nổi bật của PLC S7-1200
Board tín hiệu là một module giúp mở rộng số lượng tín hiệu vào/ra một cách hiệu quả, tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng cần mở rộng với số lượng tín hiệu hạn chế.
- 1 cổng tín hiệu ra analog 12 bit (+- 10VDC, 0-20mA)
- 2 cổng tín hiệu vào + 2 cổng tín hiệu ra số, 0.5A
Modules mở rộng tín hiệu đầu vào/ra
Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được lắp trực tiếp bên phải của CPU, mang đến sự linh hoạt cho hệ thống S7-1200 nhờ vào dải rộng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog.
Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được kết nối trực tiếp với bên phải của CPU, mang đến sự linh hoạt cho hệ thống S7-1200 nhờ vào dải rộng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog.
Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được lắp trực tiếp vào bên phải của CPU, cung cấp một dải rộng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog, giúp tăng tính linh hoạt trong việc sử dụng S7-1200.
PLC Siemens S7-1200 hỗ trợ các kết nối Profibus và kết nối PTP (point to point) Giao tiếp PROFINET với:
- Các thiết bị lập trình
- Các bộ điều khiển SIMATIC khác
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH
Giới thiệu quy trình công nghệ
Sau khi nắm vững quy trình công nghệ của dây chuyền sản xuất nước uống đóng chai và áp dụng kiến thức về PLC S7 - 1200, tôi đã đề xuất một phương án thiết kế cho mô hình hệ thống máy chiết rót, đóng nắp chai và dán nhãn Mô hình này được xây dựng với các đặc điểm kỹ thuật ưu việt, đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
Hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động và được khởi động trực tiếp từ bàn điều khiển Quá trình hoạt động sẽ tiếp tục cho đến khi người vận hành nhấn nút dừng.
Yêu cầu công nghệ
Quá trình điều khiển toàn bộ hệ thống tự động bắt đầu khi người vận hành nhấn nút khởi động Tuy nhiên, việc giám sát hoạt động của hệ thống cũng cần được thực hiện tự động, điều này rất quan trọng vì nhiều lý do khác nhau.
- Quá trình vận hành được thực hiện một cách hoàn toàn tự động
- Quá trình điều khiển phải đúng quy trình công nghệ đảm bảo yêu cầu công nghệ
- Người vận hành dễ dàng giám sát trạng thái hoạt dộng của hệ thống, theo dõi diễn biến các quá trình
- Dễ dàng phát hiện các sự cố để có biện pháp xử lí kịp thời
- Các giao diện thận thiện, linh hoạt và dễ dàng sử dụng.
Thiết kế hệ thống cơ khí
4.3.1 Giới thiệu phần mềm sử dụng trong quá trình thiết kế cơ khí 4.3.1.1 Phần mềm Auto CAD
Hình 4 1 Phần mềm Auto CAD
AutoCAD, viết tắt của Automatic Computer Aided Design, là phần mềm do Autodesk phát triển, hỗ trợ thiết kế và soạn thảo bằng máy tính Phần mềm này cho phép người dùng tạo ra các bản vẽ 2D và 3D, giúp khái niệm hóa ý tưởng và thực hiện các thiết kế với độ chính xác kỹ thuật cao Ngoài ra, AutoCAD còn có khả năng thực hiện tính toán và mô phỏng thiết kế nhanh chóng, phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
AutoCAD, sản phẩm chủ lực của Autodesk, là phần mềm CAD tiên phong trong ngành công nghiệp Phiên bản đầu tiên được giới thiệu tại Comdex năm 1982 và phát hành vào tháng 12 cùng năm, đã tạo ra một cú sốc lớn cho ngành CAD Đây cũng là một trong những gói CAD đầu tiên hoạt động trên PC, mang lại sự tiếp cận cho khách hàng toàn cầu.
Hình 4 2 Ảnh minh họa cho Auto CAD
AutoCAD là phần mềm thiết kế quan trọng giúp thực thi hiệu quả và giảm thiểu lỗi trong các bản vẽ kỹ thuật, thiết kế cơ sở hạ tầng và phân tích hệ thống HVAC, đóng vai trò chủ chốt trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật như cơ khí, hệ thống và điện Nó cung cấp cho các chuyên gia cơ khí các công cụ soạn thảo độc đáo, giúp hiện thực hóa ý tưởng kỹ thuật với độ chính xác cao Nhờ đó, AutoCAD trở thành công cụ thiết kế lý tưởng cho các thành phần cơ khí, phân tích hệ thống điện và đường ống, cũng như giải quyết các vấn đề thiết kế phát sinh.
Hình 4 3 Auto CAD trong cơ khí
Phần mềm Creo 5.0
Creo Parametric là phần mềm CAD/CAM nổi tiếng của công ty Parametric Technology Corporation (PTC), chuyên về thiết kế và gia công khuôn mẫu Phần mềm này quản lý dữ liệu dưới dạng tham số, cho phép người dùng nhanh chóng thay đổi kích thước và hình dáng sản phẩm thiết kế.
Do tính tương quan giữa các tham số của một thành phần, mọi thay đổi thực hiện trên một đối tượng trong chế độ này sẽ tự động được cập nhật và phản ánh trong các chế độ khác.
Trong chế độ PART, người dùng có thể tạo mô hình cho một thành phần Sau đó, trong chế độ DRAWING, bản vẽ theo phép chiếu vuông góc có thể được tạo ra Thành phần này cũng có thể được lắp ghép với các thành phần khác trong chế độ ASSEMBLY Trong cả ba môi trường PART, DRAWING và ASSEMBLY, người dùng có khả năng thực hiện thay đổi với các tham số của thành phần.
4.4.2 Ưu điểm của Creo Parametric:
Creo Parametric là phần mềm thiết kế dễ sử dụng với giao diện khoa học, hợp lý và thân thiện Nó cho phép người dùng thiết kế sản phẩm từ đơn giản đến phức tạp, với các chi tiết được lưu trữ dưới dạng tham số, giúp việc chỉnh sửa trở nên dễ dàng Tất cả các tham số này được hiển thị trong Model Tree, đồng thời hiển thị trên màn hình thiết kế chi tiết Người sử dụng có thể tạo ra các chi tiết phức tạp bằng cách sử dụng bề mặt bao quanh và dễ dàng chuyển đổi thành vật thể khối.
Phần mềm Creo Parametric cho phép tạo dữ liệu điều khiển cho máy gia công CNC và xuất dữ liệu theo định dạng STL cho máy tạo mẫu nhanh Đặc biệt, nó cung cấp các công cụ biến dạng bề mặt, giúp thiết kế các chi tiết phức tạp một cách dễ dàng.
Giới thiệu khung cơ khí và bản vẽ
Hình 4 5 Bản vẽ mô hình 2D
4 PLC S7-1200 model 1214C DC/DC/DC
Hình 4 6 Mô hình mô phỏng 3D 4.5.3 Mô hình sau khi hoàn thiện
Hình 4 7 Mô hình sau khi hoàn thiện
4.5.4 Thiết kế bài toán điều khiển
Hệ thống tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong sản xuất, công nghiệp và đời sống hiện đại Phần mềm tự động hóa giúp lập trình và điều khiển thiết bị, máy móc hoạt động một cách chủ động và hiệu quả Nhiều phần mềm đã được nghiên cứu và phát triển nhằm nâng cao hiệu suất và tối ưu hóa hệ thống.
Phần mềm TIA Portal là một giải pháp được phát triển mang đến hiệu quả điều hành các tác vụ một cách chính xác và tối ưu
Phần mềm TIA Portal hiện có nhiều phiên bản, bao gồm TIA Portal V14, V15, V16 và phiên bản mới nhất là V17 Nhóm em đã quyết định chọn TIA Portal V16 để quản lý và vận hành mô hình đồ án của mình.
4.5.5 Tổng quan về TIA Portal
TIA Portal, viết tắt của Totally Integrated Automation Portal, là phần mềm tích hợp cho quản lý và điều hành tự động hóa trong hệ thống điện Đây là phần mềm tự động hóa đầu tiên, cho phép sử dụng chung nhiều ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực này.
1 môi trường/nền tảng để thực hiện các tác vụ, điều khiển hệ thống
Hình 4 8 Ứng dụng của TIA Portal trong quản lý hệ thống
TIA Portal, được phát triển bởi Siemens vào năm 1996, cho phép người dùng nhanh chóng phát triển và viết phần mềm quản lý trên một nền tảng thống nhất Giải pháp này giúp giảm thiểu thời gian tích hợp các ứng dụng riêng lẻ, tạo nên một hệ thống đồng nhất và hiệu quả.
TIA Portal là phần mềm tích hợp tự động toàn diện, đóng vai trò nền tảng cho tất cả các phần mềm phát triển khác, bao gồm lập trình và cấu hình thiết bị trong dải sản phẩm Phần mềm này giúp tối ưu hóa quy trình làm việc và nâng cao hiệu suất trong việc quản lý và điều khiển thiết bị tự động.
TIA Portal cho phép các phần mềm chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu, từ đó tạo ra tính thống nhất và toàn vẹn cho hệ thống ứng dụng quản lý và vận hành.
TIA Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện các thao tác:
- Thiết kế giao diện kéo nhã thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ đa dạng
- Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát
- Tích hợp mô phỏng hệ thống
- Thực hiện go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị trong project để xác định bệnh, lỗi hệ thống
- Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens
4.5.5.1 Ưu điểm của TIA Portal
Tích hợp tất cả phần mềm vào một nền tảng duy nhất giúp quản lý và chia sẻ cơ sở dữ liệu một cách dễ dàng Giải pháp này mang lại hiệu quả cao trong việc vận hành thiết bị, đồng thời rút ngắn thời gian tìm kiếm và khắc phục sự cố.
Bộ lập trình PLC và màn hình HMI được cấu hình trên TIA Portal giúp tiết kiệm thời gian cho chuyên viên bằng cách đơn giản hóa việc thiết lập truyền thông giữa các thiết bị Chỉ cần một biến số từ bộ lập trình PLC được đưa vào màn hình HMI, kết nối sẽ tự động được thiết lập mà không cần thực hiện thêm thao tác lập trình nào.
4.5.5.2 Nhược điểm của TIA Portal
Hệ thống tích hợp nhiều phần mềm và cơ sở dữ liệu lớn, dẫn đến dung lượng bộ nhớ khổng lồ Điều này đòi hỏi kỹ thuật cao từ lập trình viên và quản lý, đồng thời tốn nhiều thời gian để làm quen và sử dụng hiệu quả.
Sơ đồ đấu dây của đề tài
Hình 4 9 Sơ đồ đấu dây ngõ vào của PLC
Hình 4 10 Sơ đồ đấu dây ngõ ra của PLC
Bảng phân công I/O
Bảng 4 1 Bảng phân công I/O Đầu vào Địa chỉ Đầu ra Địa chỉ
Nút nhấn màu đỏ I0.0 Bang chuyen Băng tải Q0.0
Nút nhấn màu xanh I0.1 Bom Bơm Q0.1
Cảm biến trước cơ cấu bơm I0.2 Xoay nap Động cơ xoay cơ cấu vặn nặp Q0.2 CB2
Cảm biến trước cơ cấu vặn nắp I0.3 Xi lanh kep chai
Xy-lanh trong cơ cấu dán tem Q0.3 CB3
Cảm biến trước cơ cấu dán tem I0.4 Xoay tem Động cơ xoay cuộn tem Q0.4
Encoder I0.5 Xoay chai Động cơ xoay chai khi dán tem
Xy-lanh chặn chai khi bơm Q0.6
Xy-lanh chặn chai trong cơ cấu vặn nắp
Xy-lanh đẩy động cơ vặn nắp xuống