Đồ án tốt nghiệp hệ thống phân loại sản phẩm

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thế giới công nghiệp hiện đại, việc tối ưu hóa quy trình sản xuất không chỉ đơn thuần là một lựa chọn mà đã trở thành một yêu cầu bắt buộc Hệ thống trạm phân loại sản phẩm, một khía cạnh quan trọng trong chuỗi sản xuất, đóng vai trò thiết yếu trong việc nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm Đồ án này, tập trung vào việc thiết kế và triển khai một hệ thống trạm phân loại sản phẩm thông minh, là sự kết hợp độc đáo giữa cơ khí chính xác, hệ thống điều khiển khí nén thủy lực và công nghệ điều khiển lập trình PLC, mở ra một chương mới trong quản lý và tự động hóa quy trình sản xuất.

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, việc áp dụng PLC trong hệ thống điều khiển tự động đã trở thành xu hướng tất yếu, giúp cải thiện độ chính xác, linh hoạt và khả năng mở rộng của các hệ thống sản xuất Đồng thời, việc tích hợp hệ thống điều khiển khí nén thủy lực không chỉ tăng cường sức mạnh và độ bền cho hệ thống mà còn góp phần vào việc giảm thiểu đáng kể thời gian chết và tăng cường hiệu suất làm việc.

Đồ án này không chỉ là một thách thức về mặt kỹ thuật mà còn là cơ hội để áp dụng các kiến thức đã học vào giải quyết vấn đề thực tế, qua đó góp phần vào việc nâng cao hiệu quả sản xuất và sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp Em tin rằng, với sự đầu tư nghiêm túc và áp dụng sáng tạo công nghệ, hệ thống trạm phân loại sản phẩm này sẽ không chỉ đáp ứng được nhu cầu hiện tại mà còn mở ra những hướng đi mới trong tương lai của ngành sản xuất tự động.

Trong khuôn khổ Đồ án … với đề tài thiết kế hệ thống trạm phân loại sản phẩm, em tin tưởng rằng với những kết quả có được từ việc tìm hiểu và tính toán trong bài đồ án này sẽ là bước đệm quan trọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tính toán và thiết kế các hệ thống phân loại và sản xuất tự động trong công nghiệp.

Với bố cục gồm:

1- Tổng quan về đề tài

Phần này sẽ là cái nhìn sơ qua về hệ thống phân loại sản phẩm nói riêng và hệ thống sản xuất tự động nói chung bao gồm lịch sử phát triển, phân loại và ứng dụng hiện nay giúp chúng ta hình dung tính quan trọng cũng như sự hữu dụng của nó tới cuộc sống.

2- Tính toán thiết kế mô hình phân loại sản phẩm

Bao gồm các bước tính toán thiết kế hệ thống cơ khí, hệ thống điều khiển mô phỏng để kiểm chứng tính đúng đắn của quá trình thiết kế sẽ cung cấp các quá trình cơ bản để có thể xác định cách có thể một sản phẩm phân loại được đưa vào ứng dụng trong cuộc sống.

Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy …, cảm ơn thầy vì những đóng góp qua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trình trao đổi ở các buổi gặp mặt Những góp ý, sửa

chữa của thầy sẽ phần nào giúp em tự tin hơn trong cách thức tiếp cận với nền công nghiệp hiện nay Do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của tôi còn có hạn nên sẽ không thể tránh khỏi những sai sót Tôi rất mong được sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến của thầy cô và các bạn nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài Em rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa đó

Em chân thành cảm ơn và chúc thầy thật nhiều sức khoẻ !

Sinh viên thực hiệnThành

Phan tiến thành

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRẠM PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 5

1.1 Giới thiệu chung 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Đặt vấn đề 5

1.1.3 Mục tiêu 5

1.1.4 Mô hình sản xuất thông minh 6

1.1.5 Một số phương pháp phân loại sản phẩm và ứng dụng 8

1.1.10 Phân tích các hoạt động của hệ thống 12

1.1.11 Các yêu cầu khi thiết kế hệ thống 12

1.2 Các bộ phận chính của hệ thống 12

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRẠM PHÂN LOẠISẢN PHẨM

1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Khái niệm

Hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống điều khiển tự động hoặc bán tự động nhằm chia sản phẩm ra các nhóm có cùng thuộc tính với nhau để thực hiện đóng gói hay loại bỏ sản phẩm hỏng.

Có nhiều cách phân loại hệ thống phân loại sản phẩm Ví dụ:

-Dựa trên phương thức điều khiển chia ra hệ thống tự động hay bán tự động, có sự tham gia của con người hay không mức độ đến đâu, điều khiển bằng PLC, vixử lí.

-Theo màu sắc: màu sắc sẽ được cảm biến màu nhận biết chuyển sang tín hiệu điện rồi qua bộ chuyển đổi ADC về bộ xử lí.

-Theo trọng lượng, kích thước bên ngoài.Ngoài ra còn nhiều cách phân loại khác tùy vào yêu cầu và sự khác biệt của phôi với nhau.

1.1.2 Đặt vấn đề

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp tự động hóa… Do đó chúng ta cần phải nắm bắt và vận dụng điều khiển tự động một cách hiệu quả nhằm đóng góp vào sự phát triển khoa học kỹ thuật của thế giới nói chung và trong sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng.

Xuất phát từ những lần tham quan các doanh nghiệp có dây chuyền sản xuất, chúng em đã được thấy nhiều khâu tự động hóa trong quá trình sản xuất Một trong những khâu sản xuất tự đông hóa đó là khâu phân sản phẩm theo những đặc tính khác nhau sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens.

Sau khi tìm hiểu, nghiên cứu về các đề tài và công trình trước đây, nhóm quyết định chọn đề tài: “Hệ thống trạm phân loại sản phẩm ”

1.1.3 Mục tiêu

Với đề tài này mục tiêu mà nhóm đề ra là tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn và PLC S7 – 1200 và các ứng dụng trong thực tế Từ đó thiết kế và thi công mô hình phân loại “cà chua theo màu sắc” Bên cạnh đó là điều khiển

và giám sát hoạt động của mô hình.

1.1.4 Mô hình sản xuất thông minh

Trạm phân loại sản phẩm là một phần của hệ thống mô hình sản xuất thông minh Vậy thì mô hình sản xuất thông minh có vai trò và những đặc điểm gì, chúng ta sẽ tìm hiểu khái quát về nó sau đây

Mô hình sản xuất thông minh là hệ thống điều khiển hoàn toàn tự động như hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS: Flexible Manufacturing System) được áp dụng rộng rãi vào sản xuất hàng loạt có thể đạt được các yêu cầu về năng suất và chất lượng của sản phẩm Các FMS sẽ kích hoạt các hoạt động tự động bằng các chương trình được lập trình trước đó Do đó, các FMS này gặp khó khăn để đạt được các yêu cầu về tính khả dụng, khả năng thích ứng và độ tin cậy Các hệ thống sản xuất do con người vận hành với khả năng nhận thức như nhận thức, học hỏi và lý luận để đưa ra quyết định có thể đáp ứng các yêu cầu này Tuy nhiên, ứng dụng thực tế của các hệ thống này thấp do chi phí sản xuất cao cũng như chỉ thích hợp để sản xuất nguyên mẫu hoặc quy mô lô nhỏ Vì vậy, cần phải tích hợp khả năng nhận thức vào các FMS để đạt được các hệ thống FMS với các đặc tính tiên tiến lấy cảm hứng sinh học

Smart-CPMS (Cyber Physical Manufacturing System) có các đặc điểm nâng cao như sau:

1 Mỗi yếu tố trong Smart-CPMS là một thực thể tự trị được trang bị các khả năng mới như nhận thức, lý luận để đưa ra quyết định, giao tiếp và hợp tác Mỗi CPS có khả năng đưa ra quyết định một cách tự chủ;

2 Cải thiện hệ thống về tính thông minh và tính tự chủ của FMS, Smart-CPMS có khả năng thích ứng với những thay đổi trong sản xuất trong thời gian ngắn và tức thì.

Hệ thống sản xuất vật lý không gian mạng thông minh (Smart-CPMS) được thể hiện trong Hình 1 Một trong những xu hướng lớn hơn của sản xuất là các sản phẩm được cá nhân hóa Smart-CPMS có khả năng trả lời nhanh chóng và chính xác những thay đổi của môi trường sản xuất mà không cần can thiệp từ bên ngoài.

Hình 1.1- Mô hình quy trình sản xuất thông minh

Ở cấp độ quản lý, khách hàng đặt mua bằng cách lựa chọn sản phẩm trên màn hình kĩ thuật số Sau đó, thông tin sản phẩm được gửi đến bộ phận lập kế hoạch và quy trình thiết kế trên sàn cửa hàng Các thuật toán lấy cảm hứng từ sinh học như thuật toán di truyền, thuật toán bầy đàn, v.v được sử dụng để lập ra quy trình thực hiện Nhờ đó mà nhiều phương pháp tối ưu hóa được đưa ra Như Smart-CPMS, Internet of Service (IoS) được sử dụng hiệu quả để phân công các nhiệm vụ từ thiết kế đến lập kế hoạch.

Ở cấp độ cửa hàng, Smart-CPMS được coi là sự hợp tác trong IoT giữa các thiết bị thông minh để thực hiện các nhiệm vụ CPS là một tổ chức tự quản có thể tự kiểm soát trong việc thích ứng với những thay đổi cũng như hợp tác với các CPS khác để hoàn thành việc lập kế hoạch

Giao diện người - máy (HMI), Smart-Phone và trợ lý kỹ thuật số cá nhân (PDA) được sử dụng để giao tiếp giữa máy với con người Cơ sở hạ tầng CNTT-TT như hệ thống thực thi sản xuất (MES), hoạch định nguồn lực doanh nghiệp (ERP) , mạng không dây, hệ thống RFID và mạng cảm biến cho phép CPS nắm bắt trạng thái của nó cũng như giao tiếp với các CPS

Phần không gian mạng đưa ra quyết định tùy theo trạng thái được giao Cơ chế lập luận dựa trên tri thức từ trí tuệ nhân tạo để đưa ra quyết định, lập kế hoạch mới, chẳng hạn như các thông số cắt mới cho quá trình gia công hoặc yêu cầu hợp tác với các CPS khác Mô-đun giao tiếp chịu trách nhiệm tương tác với các CPS khác cũng như các thiết bị HMI và PDA

Triển khai hệ thống Smart-CPS (Cyber Physical System)

CPS có thể hiểu đơn giản như một cụm kết cấu thực hiện một hoạt động trong một chuỗi các hoạt động của dây chuyền sản xuất hiện đại Trạm phân loại sản phẩm

cũng là một CPS như vậy thực hiện quá trình phát hiện và phân loại các sản phẩm để đưa tới các CPS tiếp theo

Trạm phân loại sản phẩm là một CPS của một mô hình sản xuất thông minh trong các nhà máy công nghiệp hiện nay.

1.1.5 Một số phương pháp phân loại sản phẩm và ứng dụng

Phân loại theo kích thước: Dựa vào kích thước (như lớn hay nhỏ, cao hay

thấp) của sản phẩm đểphân loại Phương pháp này thường được sử dụng trong các dây chuyền chế biến, xay xát lương thực,thực phẩm như lúa, ngô, khoai sắn,…

Hình 1.2 Dây chuyền phân loại trứng, cà chua theo kích thước

Phân loại theo trọng lượng: Dựa vào trọng lượng của sản phẩm để phân

loại Phương pháp nàythường dung thiết bị cân điện tử ngay trên bang tải để phân loại Thường gặp nhiều trong chế biến thủy, hải sản ( như tôm, cá, mực,…)

 Phạm vi phân loại: 10g~5000g  Tốc độ: 110 – 200 sản phẩm/ phút  Tốc độ: 60m/ phút

 Số lượng cỡ phân loại: 12 cỡ

 Vật liệu: inox SS304 đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm

Phân loại theo màu sắc: Dựa vào màu săc của sản phẩm để phân loại

Phương pháp này thườngđược sử dụng cảm biến màu sắc hoặc camera để nhận dạng màu Được ứng dụng nhiều trong các dâychuyền chế biến gạo để phân loại gạo sau khi xay xát dựa vào màu sắc của gạo Ngoài ra, nó cònđược ứng dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng (như gạch ốp lát, vật liệu trang trí …)

Hình 1.3 - Phan loại cam theo màu sắc quả chín

Phân loại sản phẩm theo mã vạch : Dây chuyền sorting này được sử dụng để

phân loại các kiện hàng, bưu phẩm, sản phẩm thành phẩm đã được đóng thùng carton, đóng túi và dán mã vạch barcode, mã QR.

Hình 1.4 - Mã vạch, mã QR sản phẩm

 Với các thông tin lưu trữ trên mã vạch dán trên sản phẩm, hệ thống có thể dễ dàng sàng lọc và lựa chọn, gom sản phẩm vào các vị trí tập kết (hub) theo yêu cầu đặt ra như:

 Với sản phẩm điện tử, công nghệ: phân theo cùng lô sản xuất, ngày sản xuất, model…

 Với các bưu phẩm, đơn hàng chuyển phát nhanh: phân loại theo ngày lên đơn, cách thức đóng gói, địa điểm giao hàng, hàng chuyển nhanh-tiêu chuẩn…

 Với các sản phẩm nông sản đóng gói: phân loại theo hạn sử dụng, số lô chế biến, cấp sản phẩm…

Các hộp, thùng hàng được đặt lên băng tải phân loại bởi công nhân hoặc cánh tay robot cộng tác, robot xếp hàng lên pallet từ băng tải cấp hoặc xe tự hành AGV trong các nhà máy thông minh

Hệ thống phân loại sản phẩm có thể đạt công suất tới 10,000 sản phẩm/giờ Năng suất cao gấp 3-5 lần so với cách quét mã vạch và phân loại bởi công nhân truyền thống.

Hoặc có thể kết hợp nhiều phương án phân loại trên thành 1 mô hình để

1.1.6 Nguyên lý hoạt động

Trạm phân loại sản phẩm này hoạt động trên nguyên lý dùng các cảm biến để xác định chiểu cao của sản phẩm Sau đó dùng xilanh để loại bỏ sản phẩm có kích thướt không đạt yêu cầu Những sản phẩm có kích thước đạt yêu cầu sẽ được đếm bằng các cảm biến cho đến khi đạt đủ số lượng theo yêu cầu rồi tiếp tục được chuyển đến các thùng hàng để đóng gói.

Từ nguyên lý làm việc trên ta thấy muốn máy hoạt động được cần những chuyển động cần thiết: chuyển động tịnh tiến để đưa sản phẩm vào để phân loại, ta dùng băng chuyền để tạo ra chuyển động này Để truyền động chuyển động quay cho trục của băng chuyền ta dùng động cơ điện một chiều thông qua bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng trung gian Ngoài chuyển đông đưa sản phẩm vào của băng chuyền máy còn chuyển động cần thiết nữa đó là hai chuyển động tịnh tiến để đẩy sản phẩm không đạt kích thước của xilanh Chuyển động của xilanh được điều khiển bởi hệ thống khí nén.

Các yêu cầu kĩ thuật của hệ thống phân loại sản phẩm:

- Về cơ khí: phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ, gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ

Từ nguyên lý làm việc trên ta thấy muốn hệ thống hoạt động được cần những chuyển động cần thiết: Chuyển động của băng chuyền Để truyền chuyển động quay cho trục của băng chuyền ta dùng động cơ điện một chiều thông qua bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng trung gian Chuyển động tịnh tiến của xylanh để phân loại sản phẩm có đặc điểm khác nhau Chuyển động củaxylanh được điều khiển bởi hệ thống khí nén.

b Phương án thiết kế của hệ thống

- Sử dụng băng tải để vận chuyển sản phẩm - Đặt phễu chứa phôi để dẫn phôi vào băng tải - Sử dụng xylanh để cấp phôi và phân loại sản phẩm.

1.1.8 Ưu nhược điểm của hệ thống

Ưu điểm: Có khả năng vận chuyển sản phẩm nhanh hơn, năng suất cao hơn Sử

dụng hệ thống xylanh khí nén cho tốc độ làm việc nhanh với độ tin cậy và chính xác cao hơn Điều khiển dễ dàng, hoạt động ổn định Lắp đặt dễ dàng, giá thành thấp.

Nhược điểm: Phụ thuộc vào hệ thống khí nén, không hoạt động được nếu không

có hệ thống cungcấp khí nén.

1.1.9 Khả năng ứng dụng trong thực tế

Phân loại sản phẩm tự động là một quá trình cho phép giảm giá thành sản phẩm, giảm sức lao động của con người, nâng cao năng xuất lao động Trong mọi thời đại, một sản phẩm làm ra vấn đề giá thành sản phẩm là một trong những vấn đề rất được quan tâm bởi lẽ nếu cùng một loại sản phẩm của hai nhà sản xuất đưa ra nếu giá thành sản phẩm nào rẻ hơn nhưng với chất lượng như nhau thì dĩ nhiên người ta sẽ lựa chọn sản phẩm rẻ hơn Chính vì lẽ đó mà con người luôn tìm tòi mọi phương pháp để giảm giá thành sản phẩm và đó là cơ sở cho nghành tự động hoá ra đời Một trong những động lực cho sự phát triển của tự động hoá đó là giảm sức lao động của con người, nâng cao chất lượng sản phẩm và năng xuất lao động Người ta từ lâu đã nhận ra rằng lao động của con người không thể sánh bằng máy móc kể cả về năng suất và chất lượng đặc biệt là các loại máy móc tự động Vì vậy việc ra đời của ngành tự động hoá không những giảm bớt lao động của con người mà còn nâng cao được năng suất và chất lượng sản phẩm.

Quá trình tự động hoá đã làm cho việc quản lí trở nên rất đơn giản, bởi vì nó không những thay đổi điều kiện làm việc của công nhân mà còn có thể giảm số lượng công nhân đến mức tối đa Ngoài ra tự động hoá còn cải thiện được điều kiện làm việc của công nhân, tránh cho công nhân những công việc nhàm chán, lặp đi lặp lại, có thể thay cho con người lao động ở những nơi có điều kiện làm việc nguy hiểm, độc hại

Tự động hoá có thể áp dụng cho nhiều loại hình sản xuất hàng loạt và đơn chiếc với một trình độ chuyên môn hoá cao cũng chính vì thế mà năng suất cũng như chất lượng sản phẩm rất cao Ngày nay để đánh giá mức độ của một nền sản xuất, người ta đánh giá vào mức độ tự động hoá của nền sản xuất đó.

Ngày nay, với một trình độ chuyên môn hoá cao một sản phẩm được làm ra có thể được lắp từ nhiều chi tiết của các nhà sản xuất khác nhau trên thế giới Chính vì lẽ đó mà buộc con người phải tiêu chuẩn hoá các chi tiết cũng như các sản phẩm chế tạo ra Tự động hoá rất thích hợp với ngành sản xuất theo tiêu chuẩn như thế.

Với tầm quan trọng như thế, ngành tự động hoá rất được các quốc gia trên thế giới quan tâm bởi đó không những là bộ mặt của nền sản xuất mà trong thời buổi kinh tế thị trường việc cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường là rất khó khăn, nó đòi hỏi không những về chất lượng sản phẩm mà còn cả về giá thành.