đồ án CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP CHAI PLC1200

LỜI CAM ĐOAN 2 LỜI CÁM ƠN 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 5 1.1 Giới thiệu chung về hệ thống tự động hóa 5 1.1.1 Tổng quan 5 1.1.2 Vai trò và ý nghĩa của hệ thống tự động hóa 6 1.1.3 Khó khăn trong việc ứng dụng hệ thống tự động hóa 6 1.2 Giới thiệu hệ thống chiết rót tự động 6 1.2.1 Giới thiệu chung 6 1.2.2 Chức năng chính của hệ thống và phạm vi ứng dụng thực tiễn 7 1.3 Tính cấp thiết của đề tài 8 CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 8 2.1 Kết cấu của hệ thống 8 2.2 Cơ cấu bơm nước 9 2.3 Cơ cấu cấp nắp tự động 10 2.4 Cơ cấu vặn nắp chai 11 2.5 Băng tải 15 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 19 3.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống 19 3.2 Thiết bị đầu vào và ra 19 3.2.1 Tính toán và lựa chọn thiết bị 19 3.2.2 Cảm biến hồng ngoại E3FADP11 24 3.2.3 Rơ le G6B48BND24VDC OMRON 24 3.2.4 Van điện tử khí nén SMC SY3120 25 3.3 Bộ điều khiển lập trình PLC 26 3.3.1 Giới thiệu chung về PLC 26 3.3.2 Cấu trúc của PLC 27 3.3.3 Hoạt động của một PLC 28 3.3.4 Lựa chọn bộ điều khiển lập trình PLC 28 3.3.5 Giới thiệu PLC Keyence KV700 29 3.4 Sơ đồ điện hệ thống 30 3.5 Chương trình điều khiển 32 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 36 4.1 Kết quả đạt được 36 4.2 Hạn chế 36 4.3 Hướng phát triển 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOBỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNTTRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ VĂN HUY

XÂY DỰNG, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CHO CÔNG ĐOẠN

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đồ án “Xây dựng, thiết kế mô hình cho công đoạn chiết rót và đóng nắp chai” là đồ án tốt nghiệp của bản thân Các kết quả trong đồ án tốt nghiệp này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả ĐATN

Lê Văn Huy

LỜI CÁM ƠN

Trong thời gian nhận đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô và bạn bè.

Em xin gửi lời cảm ơn trân thành tới toàn thể các thầy cô trong khoa Điện- Điện tử nói chung và bộ môn Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa nói riêng đã truyền đạt cho em kiến thức giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một sinh viên, đồ án này không thể tránh được những thiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để em có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này

Em xin trân trọng cảm ơn!

1.1.2 Vai trò và ý nghĩa của hệ thống tự động hóa 7

1.1.3 Khó khăn trong việc ứng dụng hệ thống tự động hóa 8

1.2 Giới thiệu hệ thống chiết rót tự động 8

1.2.1 Giới thiệu chung 8

1.2.2 Chức năng chính của hệ thống và phạm vi ứng dụng thực tiễn 9

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 10

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 11

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 20

3.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống 20

3.2 Thiết bị đầu vào và ra 20

3.2.1 Tính toán và lựa chọn thiết bị 20

3.2.2 Cảm biến hồng ngoại E3FA-DP11 25

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung về hệ thống tự động hóa

1.1.1 Tổng quan

Tự động hóa (điều khiển tự động) là sử dụng hệ thống điều khiển cho các thiết bị máy móc trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp, hạn chế tối đa sự can thiệp của con người Trong thực tế có rất nhiều hệ thống tự động được sử dụng tại các dây chuyền sản xuất, nồi hơi, lò nhiệt, mạng điện thoại, ổn định tàu thủy, máy bay,

Hình 1.1: Ứng dụng của tự động hóa trong sản xuất bia Heniken tại Việt Nam.

(Nguồn sapakitchen.vn)

Trong một hệ thống tự động hóa tổng hợp, việc điều khiển toàn bộ quá trình sản xuất có một chức năng trọng yếu Đặc tính linh hoạt của quá trình được thể hiện ở tính liên tục, tính nhịp điệu, tính tỷ lệ, tính song song của các dòng vận động Dưới con mắt kinh tế, mức độ tự động hóa của một cơ sở sản xuất không phải luôn luôn là tối đa, mà tùy thuộc những điều kiện cụ thể phải xác định được mức độ tự động hóa tối ưu, thích hợp với số lượng sản phẩm, đảm bảo chất lượng gia công cao nhất cũng như giá thành rẻ nhất Thuật ngữ "tự động hóa", lấy cảm hứng từ các máy tự động, chưa được sử dụng rộng rãi trước năm 1947, khi Ford thành lập một bộ phận tự động hóa Trong thời gian này ngành công nghiệp đã được áp dụng nhanh chóng điều khiển phản hồi, mà đã được giới thiệu trong những năm 1930.

Tự động hóa đã được thực hiện bằng phương tiện khác nhau bao gồm cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính, thường kết hợp Các hệ thống phức tạp, chẳng hạn như các nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thường sử dụng tất cả những kỹ thuật kết hợp.

1.1.2 Vai trò và ý nghĩa của hệ thống tự động hóa

Tự động hóa các quá trình sản xuất cho phép giảm giá thành và nâng cao năng suất lao động Quá trình sản xuất chịu tác động của các quy luật kinh tế Nhu cầu nâng cao chất lượng sản phẩm cũng làm tăng chi phí trong việc nâng cao mức độ phức tạp của gia

công (về đào tạo nhân công và đội ngũ, giá thành trang thiết bị, ) Đây cũng chính là động lực kích thích sự phát triển của tự động hóa.

Tự động hóa cho phép cải thiện điều kiện sản xuất Các quá trình sản xuất tự động cho phép loại bỏ các khó khăn khi sử dụng lao động thủ công Đồng thời, giúp cải thiện các điều kiện làm việc của công nhân, nhất là các khâu độc hại, nặng nhọc, có tính lặp đi lặp lại nhàm chán.

Quá trình sản xuất tự động hóa giúp đáp ứng cường độ sản xuất lớn, dễ dàng thực hiện chuyên môn hóa và hoán đổi sản xuất Đây là yếu tố cực kì quan trọng cho phép các nhà sản xuất đáp ứng điều kiện sản xuất và thực hiện cạnh tranh trên thị trường.

1.1.3 Khó khăn trong việc ứng dụng hệ thống tự động hóa

Các mối đe dọa an ninh, dễ bị tổn thương: Một hệ thống tự động có thể có một mức giới hạn của trí thông minh, và vì thế dễ bị mắc lỗi bên ngoài phạm vi trước mắt của mình về kiến thức.

Không thể đoán trước, chi phí phát triển quá mức: Các nghiên cứu và phát triển chi phí của tự động hoá có thể vượt quá chi phí định mức của quá trình.

Chi phí ban đầu cao: Việc tự động hóa của một sản phẩm mới thường đòi hỏi một sự đầu tư ban đầu rất lớn so với chi phí đơn vị sản phẩm, mặc dù chi phí tự động hóa có thể được lan truyền trong nhiều sản phẩm và thời gian.

1.2 Giới thiệu hệ thống chiết rót tự động

1.2.1 Giới thiệu chung

Hệ thống chiết rót tự động là thành phần quan trọng trong dây chuyền súc rửa, chiết rót và đóng nắp phục vụ cho các ngành đóng gói chất lỏng công nghiệp.

Hình 1.2: Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động công ty Federal

(Nguồn prweb.com)

Hệ thống chiết rót chai tự động được sử dụng nhiều để phục vụ cho các ngành: thực phẩm, nước uống, dược phẩm, mỹ phẩm, hóa chất, dầu nhớt,… Sự ra đời của máy chiết rót tự động đã tiết kiệm cho các nhà sản xuất một khoản chi phí nhân công tương đối lớn, nâng cao năng suất chiết đóng thành phẩm vào chai.

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 Mỗi khâu đều vận hành tự động, nhân công chỉ tham gia vào một số công đoạn điều khiển, đầu vào và đầu ra (xếp chai vào, đóng thùng, vận hành máy, ).

1.2.2 Chức năng chính của hệ thống và phạm vi ứng dụng thực tiễn

 Chức năng chính của hệ thống:

Toàn bộ hệ thống là một dây chuyền để hoàn thành các công đoạn ra thành phẩm Các khâu trong dây chuyền được tự động hóa cao, con người chỉ tác động vào vận hành, đầu vào và đầu ra Kết quả mang lạinhững ưu điểm:

 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 tương ứng Hệ thống có thể rót hàng nghìn chai mỗi giờ, tùy theo dung tích của chai.

 Giảm số lượng và chi phí nhân công: Hệ chống chiết rót đã hoạt động một cách tự động dẫn đến công việc ít hơn và đơn giản hơn cho phép cần ít công nhân hơn, tùy theo dung tích của chai.

 Sự an toàn: Bằng việc tự động hóa các hoạt động và chuyển người vận hành máy từ vị trí tham gia tích cực sang vai trò đốc công, công việc trở nên an toàn hơn.

 Nâng cao chất lượng sản phẩm: Hệ thống chiết rót không những sản xuất với tốc độ nhanh hơn thủ công, mà còn sản xuất với sự đồng nhất cao hơn và sự chính xác đối với các yêu cầu khắt khe của sản phẩm đóng chai.

Tuy nhiên hệ thống chiết rót có chi phí đầu tư cao: việc chuyển từ sử dụng nhân công con người sang dây chuyền sản xuất tự động đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu rất cao Ngoài ra, củng cần có chi phí cho việc đào tạo nhân công vận hành các loại thiết bị, máy móc hiện đại và phức tạp.

 Phạm vi ứng dụng:

Các cơ sở sản xuất nước rửa chén, sản xuất nước giải khát, nước tinhkhiết, bia… Các sản phẩm chất lỏng hoặc chất lỏng cô đặc có yêu cầu vệ sinhkhử trùng cao.

Sử dụng với loại chai có dung tích từ 200ml - 1000ml.

Trong đồ án này, em chọn chai nước loại nắp vặn có dung tích 297 ml làm đối tượng nghiên cứu.

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu ăn uống của người dân ngày càng được nâng cao Ngành công nghiệp thực phẩm đóng gói, nước uống đóng chai cũng ngày càng tăng lên về số lượng sản phẩm trên thị trường.

Khảo sát vào năm 2015của Euromonitor cho thấy, thị trường đồ uống đóng chai đã đạt ngưỡng gần 170 tỉ USD, dự kiến sẽ tăng gần 10% tới thời điểm 2020.Trong phân khúc ngành hàng này, nước chiếm ưu thế với hơn 35% trong tổng thị phần thị trường, còn đồ uống có ga đạt khoảng 22% Nước uống đóng chai sẽ tăng nhanh nhất do người tiêu dùng có xu hướng thích dùng nước uống cung cấp nguồn năng lượng.

Dự báo cũng chỉ ra rằng, thị trường Châu Á – Thái Bình Dương sẽ tiếp tục dẫn đầu thế giới về tăng trưởng trong đó có Việt Nam.Sức hấp dẫn tăng trưởng của ngành nước đóng chai cũng đã thúc đẩy thêm nhiều doanh nghiệp tham gia vào lĩnh vực này Hệ thống chiết rót tự động là chiết rót một lượng chất lỏng nhất định vào các chai, bình, lọ, Các hệ thống, máy chiết rót tự động được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp thực phẩm Ngành công nghiệp này yêu cầu năng suất cao, nghiêm ngặt về vệ sinh an toàn thực phẩm Tùy theo tính chất của chất lỏng, các máy chiết rót sẽ có cấu tạo và cách hoạt động khác nhau.

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2.1 Kết cấu của hệ thống

 Yêu cầu hệ thống:

 Hệ thống thực hiện việc chiết rót chai nước có thể tích V = 280 ml. Độ bền cao, kết cấu vững chắc.

 Thiết kế đảm bảo an toàn, thân thiện.

 Băng tải có kích thước hợp lí, gọn gàng, phù hợp với không gian. Nắp chai được vặn chặt.

 Đảm bảo tính kinh tế cho hệ thống.

Với những yêu cầu đặt ra, em đề xuất sơ đồ hoạt động của hệ thống như sau:

Hình 2.2: Sơ đồ hoạt động của hệ thống Hệ thống này bao gồm:

 Băng tải đầu vào: đưa chai rỗng đến vị trí bơm nước.

 Cơ cấu bơm nước: bơm nước vào chai theo đúng thể tích 280ml đã quy định.

 Đưa chai đến các vị trí để thực hiện các chức năng bơm nước, cấp nắp, đóng nắp và vặn nắp.

Trên cơ sở đó, em tiến hành thiết kế lần lượt các cơ cấu cơ khí của hệ thống.

2.2 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 ).

Với quy mô đồ án, em đã lựa chọn phương án sử dụng 1 bơm Phương án này có các ưu điểm:

 Bơm một chai

 Đồng bộ thời gian với cơ cấu đóng nắp, vặn nắp.

 Tránh dừng băng tải nhiều lần làm giảm tuổi thọ động cơ Cơ cấu bơm nước bao gồm:

 Value khóa nước.

2.3 Cơ cấu cấp nắp tự động

Cơ cấu cấp nắp tự động có chức năng cấp nắp tự động sau khi chai được bơm đầy, cơ cấu này đòi hỏi yêu cầu cao về khả năng tự động và độ chính xác (phải đảm bảo nắp được đưa vừa khớp với chai để có thể đóng vặn nắp).

 Cấu tạo cơ cấu cấp nắp được thể hiện ở hình 2.8, bao gồm: 1 Rãnh chứa nắp 2 Thanh gá

5 Thanh giữ nắp

Hình 2.2: Cấu tạo cơ cấu cấp nắp  Nguyên lý hoạt động cơ cấu cấp nắp:

 Cơ cấu cấp nắp lắp ở vị trí đúng đảm bảo cho việc cấp nắp chính xác  Hai thanh bên giữ nắp nhờ vào lực ép tạo bởi lò xo, lực này giữ nắp

không rơi ra khỏi rãnh và đảm bảo khi chai xoay qua nắp không bị giữ quá chặt, để chai có thể lấy được nắp dễ dàng Khi lò xo ở trạng thái ban đầu, lực lò xo sinh ra đủ để giữ lấy nắp Khi chai đến vị trí cấp nắp sẽ tác dụng lực lên thanh giữ nắp làm lò xo bị nén lại vừa đủ cho việc lấy nắp ra Vì vậy, điểm quan trọng nhất của cơ cấu cấp nắp chính là lực lò xo.

 Thanh gạt nắp có chức năng gạt phẳng nắp để tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình vặn nắp được chặt và chính xác Tránh xảy ra tình trạng nắp bị lệch so với miệng chai ảnh hưởng đến việc vặn nắp chai

Hình 2.3: Kích thước thanh gạt nắp chai.

2.4 Cơ cấu vặn nắp chai

Cơ cấu này có cùng cơ chế chuyển động tịnh tiến lên xuống bởi xi lanh Ở cơ cấu vặn nắp còn có thêm động cơ truyền động quay để vặn chặt nắp.

 Yêu cầu:

 Cơ cấu tịnh tiến chung.

 Momen quay vừa đủ để vặn chặt nắp chai  Cơ cấu truyền chuyển động:

Có nhiều phương án như động cơ kết hợp vít me, xi lanh đơn, xi lanh đôi, Với nhu cầu sử dụng thì em lựa chọn thiết kế như sau:

 Truyền động tịnh tiến cho bộ phận vặn nắp: xi lanh đôi.

 Truyền động quay cho bộ phận vặn nắp: động cơ DC giảm tốc  Cấu tạo của cơ cấu vặn nắp chai được thể hiện ở các hình 2.4 bao gồm: 1 Giá đỡ cơ cấu vặn

2.Xi lanh 2 3.Động cơ

4.Đầu vặn nắp chai

Hình 2.4: Cấu tạo cơ cấu vặn nắp chai  Nguyên lý hoạt động:

Chai sau khi đã cấp nắp được băng tải đưa đến vị trí vặn nắp Tại đây xi lanh có chức năng đưa động cơ xuống vị trí vặn nắp với yêu cầu quá trình di chuyển không bị lệch hướng Sau khi vặn xong, xi lanh đưa động cơ về vị trí ban đầu

 Thiết kế đầu vặn nắp chai:

Đầu vặn được gắn với trục động cơ thông qua nối trục và thực hiện chuyển động quay, kích thước của nắp chai phù hợp để vừa với nắp chai.

Yêu cầu đầu vặn phải có kích thước phù hợp với kích thước của nắp chai Bề mặt trong có độ nhám đảm bảo tiếp xúc tốt với nắp chai để quá trình vặn nắp không bị trượt.

Hình 2.5: Cấu tạo đầu vặn nắp chai.

 Chọn động cơ

 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.

Đầu xi lanh gắn với tấm gá động cơ, có chức năng mang động cơ chuyển động tịnh tiến lên xuống với hành trình 40 mm Vì vậy yêu cầu xi lanh cứng vững, không bị lệch hướngtrong quá trình dịch chuyển, ngoài ra xi lanh phải chống xoay trong khi động cơ vặn nắp hoạt động.Dựa vào yêu cầu trên và hành trình của piston em lựa chọn loại xi lanh đôi TN 16X40-S.

Băng tải hiểu đơn giản là một máy cơ khí dùng để vận chuyển các đồ vật từ điểm này sang điểm khác, từ vị trí A sang vị trí B Thay vì vận chuyển sản phẩm bằng công nhân vừa tốn thời gian, chi phí nhân công lại tạo ra môi trường làm việc lộn xộn thì băng chuyền tải có thể giải quyết điều đó.Nói đơn giản, băng tải giúp tiết kiệm sức lao động, số lượng nhân công, giảm thời gian và tăng năng suất lao động.

Các loại băng tải thông dụng hiện nay:

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, em đã lựa chọn phương án thiết kế như sau:  Băng tải PVC.

 Khung băng tải sử dụng kết hợp nhôm định hình và thanh thép lỗ  Truyền động bởi động cơ DC giảm tốc.

 Đặc điểm

 Khung băng tải sử dụng kết hợp nhôm định hình và thanh thép lỗ:  Dễ tháo lắp, có thể điều chỉnh và di dời.

 Chống rỉ sét.

 Đa dạng về kích thước.

 Đảm bảo tính chắc chắn, ổn định  Băng tải PVC:

 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 Tốc độ của băng chuyền: V= 10 m/phút Với đường kính con lăn D = 49 mm Suy ra tốc độ động cơ:

N = V/D.π = 10000/49.π = 65 (vòng/phút)  Tính mômen xoắn động cơ:

Tải trọng băng tải: m = 1,5kg.

Suy ra momen xoắn tối thiểu của động cơ:

Chọn động cơ JGB37 – 520 DC với các thông số như bảng 2.7 cho ở dưới: Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật động cơ DC giảm tốc JGB 37 – 520.

Từ việc nghiên cứu các phương án kế hợp tính toán thông số, em đã thiết kế hoàn thiện được băng tải sử dụng PVC, truyền động bởi động cơ DC giảm tốc và có khung băng

Hình 2.10: Cấu tạo băng tải  Mô tả:

 Khung băng tải (1) có chức năng cố định băng tải  Động cơ DC giảm tốc (2) truyền động cho băng tải.

 Nối trục (3) thực hiện việc nối trục động cơ với trục của con lăn.

 Ổ bi (4) truyền chuyển động, làm giảm ma sát, mang lại sự hoạt động liên tiếp, ổn định.

 Dây đai băng tải PVC (5), bề mặt làm việc chính của băng tải  Thành bảo vệ (6) giữ chai đứng thẳng cố định.

 Con lăn (7)truyền chuyển động cho băng tải.

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống

Hình 3.3: Sơ đồ hoạt động của hệ thống Hệ thống điều khiển được thể hiện ở hình 3.1,bao gồm:

 Thiết bị đầu vào: nút nhấn, cảm biến.

 Thiết bị điều khiển: bộ điều khiển lập trình PLC  Thiết bị đầu ra: rơ-le, van khí nén.

 Nguyên lý hoạt động:

Bộ xử lý trung tâm PLC nhận tín hiệu đầu vào từ nút nhấn, cảm biến, sau đó tiến hành xử lý tín hiệu, lập trình điều khiển, xuất tín hiệu điều khiển động cơ DC, xi lanh khí nén thông qua rơ-le, van khí nén.