Quá trình có thể thực hiện hoàn toàn tự động, con người không cần phải can thiệp quá sâu vào hệ thống bằng việc sử dụng các cơ cấu, các hệ thống điều khiển được lập trình, giúp máy móc v
GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Ngành công nghiệp tự động hóa phát triển do đó nhu cầu sử dụng các công nghệ, thiết bị thông minh để phục vụ cho việc sản xuất ngày càng phải được đáp ứng cao, quá trình điều khiển hoặc giám sát một hoặc nhiều hệ thống phải được thực hiện từ xa thông qua các giao thức truyền thông mạng, nó cho phép phản hồi và điều chỉnh các tín hiệu điều khiển mà người dùng hiện đang thực hiện cho thiết bị Điều này đóng góp vai trò quan trọng cho việc tăng cường sự linh hoạt, hiệu suất và tiện ích cho nhiều lĩnh vực khác không chỉ trong việc sản xuất.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Về mặt khoa học trong nền công nghiệp hiện nay việc sử dụng hệ thống tự động hóa là xu thế tất yếu không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực sản xuất, nó đem lại hiệu quả cao, tốc độ nhanh giải quyết được nhiều vấn đề về thời gian và tài chính Ở quy mô sản xuất nhà máy, việc sử dụng PLC Mitsubishi kết hợp với mạng truyền thông CC-Link có thể thực hiện nhiều thao tác từ xa, điều khiển cho toàn bộ hệ thống mà chỉ cần thực hiện trên bộ xử lí
2 trung tâm Thực hiện tốt và hiệu quả sẽ là việc làm tất yếu cho việc nâng cao chất lượng sản phẩm song song đó sẽ thúc đẩy nền kinh tế phát triển
Về mặt thực tiễn đề tài đang cần phải dựa theo những nhu cầu thực tế mà các nhà máy cần nâng cấp để có thể áp dụng và phát triển Bước đầu tiên đề tài có thể áp dụng vào các quy trình nhà máy, các dây chuyền sản xuất có quy mô nhỏ để nâng cao hiệu quả sản xuất, sau đó áp dụng và thực hiện cho nhiều lĩnh vực sản xuất khác trong ngành công nghiệp tự động hóa.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu cần đạt được khi thực hiện đề tài: Xây dựng, thiết kế và lắp đặt được một mô hình dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai thuốc hoàn chỉnh Hiểu và nắm vững được các nguyên lý hoạt động của các thiết bị tự động hóa và lập trình PLC Áp dụng mạng truyền thông CC-Link vào việc giám sát và điều khiển hệ thống từ xa, sử dụng màn hình điều khiển HMI để điều chỉnh thông số, theo dõi và khắc phục sự cố khi vận hành và bảo trì hệ thống Có thể sử dụng PLC Mitsubishi điều khiển cho nhiều trạm cục bộ, trạm remote I/O và các trạm thông minh trong mạng truyền thông, thu và nhận tín hiệu từ cảm biến để điều chỉnh cho các tín hiệu đầu ra như motor và các van solenoid.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Hiện nay các nhà máy, xí nghiệp trong và ngoài nước hầu hết đã sử dụng hệ thống tự động hóa vào việc sản xuất Nhưng chưa có sự liên kết chặt chẽ giữa nhiều hệ thống lại với nhau dẫn đến năng suất thực hiện chưa cao Để nâng cao chất lượng và năng suất được cải thiện rất cần được giám sát và điều khiển chúng một cách hiệu quả Để thực hiện giám sát một chu trình thực hiện từ xa có thể sử dụng đến mạng truyền thông CC-Link của hãng Mitsubishi, đây là một hệ thống mạng cho phép truyền thông tốc độ cao giữa các bộ điều khiển và thiết bị thông minh như I/O, cảm biến và các bộ truyền động trong mạng lưới với hơn 65 trạm
Hiệu suất sản xuất: Nghiên cứu về hiệu suất sản xuất của dây chuyền, như tăng tốc độ chiết rót, giảm thời gian chờ đợi, và tối ưu hóa các quy trình để đạt được chất lượng cao
Chất lượng sản phẩm: Sử dụng vật tư đảm bảo chất lượng, nâng cao độ chính xác của lượng chất lỏng chiết vào chai
Tối ưu hóa quy trình chiết rót: Nghiên cứu về cách tối ưu hóa các bước trong quy trình chiết rót, bao gồm cả thiết kế và vận hành của máy móc để giảm thiểu lỗi
Bảo trì và sửa chữa: Nghiên cứu về các phương pháp tối ưu dễ sửa chữa và bảo trì khi xảy ra sự cố
Kỹ thuật tự động hóa: Nghiên cứu về cách tích hợp và tối ưu hóa cách điều khiển trong dây chuyền để giảm tải lao động, tăng cường độ chính xác, và giảm lỗi.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu, phân tích và tìm hiểu các tài liệu về các thiết bị tự động hóa:
+ Nghiên cứu tài liệu về hãng PLC Mitsubishi và mạng truyền thông CC-Link
+ Nghiên cứu các đồ án, các công trình nghiên cứu khoa học về hệ thống chiết rót và đóng nắp chai để có hướng đi phù hợp và phát triển cho đề tài
+ Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, sơ đồ đấu nối các thiết bị điện có liên quan
+ Tìm hiểu các chức năng của cơ cấu trong hệ thống.
Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
ĐATN bao gồm 7 chương với các nội dung như sau:
Chương 1: Giới thiệu: Giới thiệu về lí do chọn đề tài, mục tiêu đề tài đối tượng, phạm vi đề tài và phương pháp nghiên cứu của đề tài
Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài: Giới thiệu về máy chiết rót, các phương pháp định lượng và chiết rót, các nghiên cứu máy chiết rót trong và ngoài nước hiện nay
Chương 3: Cơ sở lý thuyết: Trình bày các lí thuyết về các thiết bị điện
Chương 4: Phương án thiết kế: Nêu ra các phương án và lựa chọn phương án phù hợp cho mô hình
Chương 5: Tính toán thiết kế hệ thống: Tính toán thiết kế cơ khí và hệ thống điện phù hợp, thiết kế mô hình 3D, giao diện giám sát và lưu đồ giải thuật điều khiển
Chương 6: Thực nghiệm và đánh giá: Hình ảnh lắp ráp mô hình thực tế, trình bày các lỗi và cách khắc phục trong quá trình chạy thực nghiệm và đánh giá
Chương 7: Kết luận và hướng phát triển: Nhận xét kết quả quá trình thực hiện đồ án và đưa ra hướng phát triển và cải tiến cho mô hình
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Giới thiệu chung về dây chuyền chiết rót đóng nắp chai tự động
Dây chuyền chiết rót đóng nắp chai tự động là một hệ thống tự động hóa được sử dụng trong quy trình sản xuất và đóng gói các sản phẩm nước uống, nước ngọt, dầu, nước mắm, rượu và nhiều sản phẩm khác được đóng trong chai, lọ hoặc hũ
Ngày nay do sự phát triển ngành công nghiệp 4.0, vấn đề sức khỏe đã và đang trở thành vấn đề quan trọng được cả xã hội quan tâm Cùng với sự bùng phát dịch bệnh liên miên và khó kiểm soát, công cuộc nghiên cứu và sản xuất vacxin đang được đưa lên hàng đầu Hệ thống chiết rót vacxin tự động đóng vai trò quan trọng trong công cuộc chạy đua với dịch bệnh nhờ các ưu điểm như độ chính xác cao, tăng năng suất, giảm yếu tố khách quan từ lao động con người Đặc biệt hệ thống được xây dựng khép kín nên đảm bảo an toàn, loại bỏ các tác nhân gây hại ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm
Trong đề tài này, nhóm muốn chế tạo một dây chuyền chiết rót đóng nắp chai với sự kết hợp nhiều cơ cấu tự động lại với nhau để thực hiện được các công việc sau:
Cấp chai: Hệ thống sẽ đưa chai hoặc hũ trống đi tới dưới các vòi chiết và vị trí cấp, đóng nắp…
Rót: Sau khi chai được đưa đến vị trí chỉ định thì hệ thống sẽ mở vòi bơm đưa sản phẩm vào chai một cách tự động
Cấp và đóng nắp: khi chai được đưa vào vị trí hệ thống xi lanh sẽ đẩy nắp vào chai
Quá trình đóng nắp có thể sử dụng các thiết bị như máy đóng nắp vặn, máy đóng nắp ép, máy đóng nắp bằng áp suất, hoặc các phương pháp khác tùy thuộc vào sản phẩm cụ thể và yêu cầu của quy trình sản xuất
Kiểm tra chất lượng: Dây chuyền thường được trang bị hệ thống kiểm tra chất lượng để đảm bảo rằng sản phẩm được chiết và đóng nắp đúng cách và không có lỗi.
Đặc tính hệ thống
Hệ thống dây chuyền chiết rót đóng nắp chai thuốc trong quy trình sản xuất có nhiều đặc tính quan trọng để đảm bảo hiệu suất và chất lượng của sản phẩm, sau đây là những đặc tính vô cùng quan trọng để đánh giá chất lượng:
Chiết rót chính xác: Hệ thống cần có khả năng chiết rót chính xác theo lượng và dung lượng quy định để đảm bảo rằng mỗi sản phẩm đều đạt đến yêu cầu đặt ra
Tốc độ linh hoạt: Hệ thống phải có khả năng điều chỉnh tốc độ băng tải của dây chuyền để đáp ứng nhu cầu sản xuất khác nhau mà không làm giảm hiệu suất
5 Đóng nắp chắc chắn: Sau khi được chiết rót vào chai, hệ thống cần có khả năng đóng nắp một cách chắc chắn để đảm bảo sự an toàn và giữ cho sản phẩm không bị nhiễm khuẩn
Quản lý chất lượng: Hệ thống cần tích hợp các cảm biến và công nghệ kiểm soát chất lượng để phát hiện và loại bỏ sản phẩm không đạt chất lượng
Giao diện người dùng: Giao diện người dùng trên hệ thống cần được thiết kế đơn giản và dễ dàng sử dụng để theo dõi và điều chỉnh các tham số sản xuất
Bảo trì thuận tiện: Hệ thống cần được thiết kế nhỏ gọn để dễ dàng bảo trì và sửa chữa khi cần thiết, giảm thiểu thời gian chết của dây chuyền.
Kết cấu của hệ thống
Hệ thống chiết rót đóng nắp chai thuốc bao gồm nhiều thành phần cơ bản, mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong quá trình chiết rót và đóng nắp
Bồn Chiết Rót: Đây là nơi chứa chất lỏng cần chiết rót vào chai Có thể được thiết kế để nâng cao độ chính xác trong quá trình chiết rót Đầu Chiết Rót: Là phần đầu tiên tiếp xúc với chai để chiết rót chất lỏng vào chai
Trong một dây chuyền có thể có nhiều đầu chiết rót tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và nhu cầu sử dụng của hệ thống
Hệ Thống Đo Lường: Đo lường độ chính xác lượng chất lỏng cần thiết để chiết rót vào mỗi chai Sử dụng cảm biến, máy đo lường hoặc công nghệ khác để đảm bảo độ chính xác
Dụng Cụ Đóng Nắp: Có chức năng làm đóng nắp chai sau khi đã chiết rót Có thể bao gồm các cụm vít, máy ép nắp, xi lanh hoặc các công nghệ đóng nắp tự động
Băng Chuyền Chai: Chuyển động chai qua các bước khác nhau của quá trình sản xuất
Hệ Thống Kiểm Tra Chất Lượng: Kiểm tra chai và nắp để đảm bảo chất lượng của sản phẩm cuối cùng Sử dụng cảm biến, máy quét, hoặc hệ thống thị giác máy tính.
Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
2.4.1 Các đề tài ngoài nước
Máy chiết rót và đóng nắp lọ PENICILIN XL-10 đạt năng suất tối đa lên đến 2500 chai mỗi giờ Thiết kế đáp ứng dung lượng linh hoạt từ 5-30ml, cùng với độ chính xác liều lên đến 2%, máy đảm bảo sự chính xác và đồng đều trong quá trình chiết rót Hệ thống máy bao gồm: Bộ phận cấp chai tự động với 2 mâm xoay kết nối với nhau bằng đường dẫn Bộ phận chiết rót được trang bị hệ thống bơm và bộ định lượng, cùng với piston nâng hạ đầu chiết rót, giúp kiểm soát lượng chất lỏng một cách chính xác.Bộ phận cấp và đóng nắp cao
6 su tự động, kết hợp với phễu cấp nắp tự động bằng cơ cấu cam, đảm bảo việc đóng nắp trên chai với độ chính xác cao đến 99% Điều này không chỉ tăng cường hiệu suất sản xuất mà còn giảm thiểu sai số trong quy trình, đáp ứng nhu cầu chất lượng cao của sản phẩm chiết rót
Hình 2.1: Máy chiết rót và đóng nắp lọ PENICILIN XL-10 [7]
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật XL-10
Liều chính xác 0 - 2% Độ chính xác của nắp 99%
Kích thước tổng thể 1250 mm x 1100 mm x 1200 mm
Trọng lượng vận chuyển 380 Kg
Máy chiết rót CXGF 8-8-3 chuyên dùng để chiết rót các sản phẩm lỏng như nước tính khiết, sữa, nước ép, dầu, Có thể điều chỉnh đa dạng hình dạng chai chỉ cần miệng chai và nắp giống nhau Toàn bộ quá trình chiết rót đều được hoàn toàn được chạy tự động để đảm bảo chất lượng và năng suất Hệ thống súc rửa chai và chiết rót được thiết kế đặc biệt tránh nhiễm bẩn và vi khuẩn xâm nhập đảm bảo dung dịch an toàn tuyệt đối Máy tích hợp hệ thống điều khiển tối ưu, có tính năng dừng tự động khi có lỗi trong quá trình chiết rót
Hình 2.2: Máy chiết tự động CXGF 8-8-3 [8]
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật CXGF 8-8-3
Chất liệu vật chứa Nhựa, thủy tinh
Kích thước tổng thể 2200 mm x 2100mm x 2200 mm
2.4.2 Các đề tài trong nước
Dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai vacxin đáp ứng nhu cầu lớn về sản xuất vacxin với dung tích chai từ 20 - 100ml và năng suất 40 - 60 chai mỗi phút, hệ thống này đảm bảo sự chính xác và hiệu suất cao Độ chính xác của quá trình chiết rót đạt ~ 2%
Hình 2.3: Dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai vacxin SGGZ-4 [9]
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật SGGZ-4
Liều chính xác 0 - 2% Độ chính xác của nắp 99%
Kích thước tổng thể 11000 mm x 1550 mm x 2000 mm
Máy cấp và dập nắp mini tự động - Máy đóng nắp để bàn XG1870D1, là một thiết bị tiên tiến với khả năng làm việc linh hoạt trong môi trường sản xuất Với điện áp AC 220V/110V, máy có thể điều chỉnh độ cao cho các chai từ 60 - 270 mm và đường kính nắp chai ≤ 130 mm Tốc độ làm việc linh hoạt, khoảng 20 - 40 chai/phút
Hình 2.4: Máy đóng nắp để bàn XG1870D1 [10]
Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật XG1870D1
Liều chính xác 0 - 2% Độ chính xác của nắp 99%
Kích thước tổng thể 1130 mm x 600 mm x 1120 mm
Chiều dài băng tải 1150 mm x 1020 mm
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tìm hiểu về PLC
3.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
PLC là một thiết bị cho phép thực hiện việc điều khiển thiết bị thông qua một ngôn ngữ lập trình Toàn bộ chương trình điều khiển sẽ được lưu vào trong bộ nhớ của PLC Điều này làm cho PLC giống như một máy tính, nghĩa là có bộ vi xử lý CPU, một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu các chương trình hỗ trợ điều khiển, dữ liệu, các cổng để kết nối các tín vào và tín hiệu ra để kết nối với các đối tượng điều khiển
Hình 3.1: Cấu trúc của một PLC
Nguồn điện: PLC cần được cung cấp một nguồn điện để hoạt động Việc sử dụng nguồn điện còn phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống có thể là nguồn một chiều hoặc xoay chiều
CPU: Đây là trái tim của PLC, nơi thực hiện xử lý logic và thực hiện các chương trình được lập trình CPU thường có các đặc điểm như tốc độ xử lý, bộ nhớ và khả năng kết nối với các thiết bị khác
Bộ nhớ: Bao gồm bộ nhớ RAM (Random Access Memory) để lưu trữ dữ liệu tạm thời trong quá trình hoạt động và bộ nhớ Flash hoặc EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) để lưu trữ chương trình và dữ liệu cố định
Nguồn vào (Input): Các module đầu vào được sử dụng để kết nối với các cảm biến, công tắc và thiết bị đo lường khác Đây là tín hiệu đầu vào mà PLC sẽ đọc để để xử lý yêu cầu tín hiệu cho đầu ra
Nguồn ra (Output): Các module đầu ra được sử dụng để kết nối với các thiết bị như đèn, động cơ và van để thực hiện các yêu cầu cụ thể dựa trên quá trình xử lý của CPU đưa xuống
3.1.2 Giới thiệu PLC Mitsubishi dòng Q
Hãng Mitsubishi là một tập đoàn hàng đầu trên thế giới về tự động hóa trong công nghiệp Bộ điều khiển PLC của Mitsubishi rất đa dạng về chủng loại, các phiên bản sau được sản xuất ra đều được kế thừa từ các phiên bản trước, dần dần chúng trở nên hoàn thiện hơn về công nghệ, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe khác nhau trong công nghiệp
Bộ PLC dòng Q ra đời nhằm đáp ứng các yêu cầu mở rộng không ngừng của các hệ thống sản xuất tích hợp các kỹ thuật mới, đáp ứng nhiều yêu cầu ứng dụng khác nhau trong
12 lĩnh vực tự động hóa công nghiệp PLC dòng Q thường có hiệu suất cao, cung cấp khả năng xử lý nhanh chóng và đáng tin cậy đáp ứng được trong các môi trường công nghiệp Ngoài ra đặc điểm quan trọng của dòng Q là khả năng mở rộng thêm các module đầu vào/đầu ra, các module chức năng và các phụ kiện khác theo nhu cầu PLC có giao diện người dùng thân thiện, giúp dễ dàng cấu hình, lập trình và theo dõi trạng thái của hệ thống Đối với các ứng dụng lớn hoặc có nhu cầu kết nối mạng, có thể hỗ trợ các giao thức mạng công nghiệp như Ethernet/IP để truyền thông và chia sẻ dữ liệu
Các tính năng của PLC dòng Q:
- PLC Mitsubishi dòng Q có tốc độ xử lý lên đến 34 ns/LD
- Bộ A/D-D/A có độ chính xác cao, ứng dụng trong điều khiển nhiệt độ, vị trí
- Ngõ vào CIP (Channel Isolated Pulse), tích hợp bộ đếm xung tốc độ cao
- Hỗ trợ hoàn toàn trong các ứng dụng phần mềm MELSOFT
- Đầy đủ các ứng dụng mạng như: CC-link, MELSECNET-H,…
- Khả năng mở rộng đến 4,096 I/Os (max 8,192 I/O)
- Bước lập trình đến 252K steps
3.1.3 Các Module mở rộng của PLC Để ứng dụng trong thực tế thì mỗi bài toán điều khiển đều được xử lý khác nhau, vì vậy việc lựa chọn sử dụng các thiết bị phần cứng cũng khác nhau vì vậy cần lựa chọn hợp lý phù hợp với nhu cầu sử dụng
Module đầu vào số (Digital Input Modules): Được sử dụng để đọc tín hiệu đầu vào kỹ thuật số từ các cảm biến, công tắc và thiết bị đầu vào khác
Module đầu ra số (Digital Output Modules): Cho phép PLC điều khiển các thiết bị đầu ra kỹ thuật số như đèn, động cơ và van
Module đầu vào analog (Analog Input Modules): Cho phép đọc các tín hiệu đầu vào analog như tín hiệu dòng, áp suất, nhiệt độ từ các cảm biến analog
Module đầu ra analog (Analog Output Modules): Cho phép điều khiển các thiết bị đầu ra analog như động cơ servo, van điều chỉnh
Module giao tiếp mạng (Communication Modules): Hỗ trợ các giao thức truyền thông mạng như Ethernet/IP, Profibus, Modbus, để kết nối PLC với các thiết bị khác trong hệ thống
Module điều khiển động cơ (Motion Control Modules): Cung cấp chức năng điều khiển động cơ và các hệ thống trục chuyển động, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu kiểm soát chính xác về điều khiển vị trí và tốc độ
Module đầu ra relay (Relay Output Modules): Cho phép PLC điều khiển các thiết bị đầu ra bằng cách sử dụng các relay, thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi các tín hiệu cách ly
- Điện áp đầu vào định mức: 24V DC
- Dòng điện đầu vào định mức: 4 mA
- Dòng điện tiêu thụ: 50 mA (cho tất cả chân ON)
- Chân chung: TB17 (nguồn dương)
- Phương pháp cách ly: Cách ly quang
Hình 3.3: Sơ đồ kết nối modules QX40 [6]
- Điện áp đầu vào định mức: 12 đến 24V DC
- Nguồn cấp: Điện áp: 12-24 V DC
- Dòng điện tiêu thụ: 65 mA (cho tất cả chân ON)
- Chân chung: TB18 (nguồn âm)
- Phương pháp cách ly: Cách ly quang
Hình 3.4: Sơ đồ kết nối modules QY40P [6]
Tìm hiểu về biến tần
3.2.1 Nguyên lý hoạt động của biến tần
Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí Biến tần sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay động cơ Các biến tần
15 có thể điều chỉnh tốc độ động cơ từ chậm đến nhanh tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, giúp cho động cơ hoạt động hiệu quả hơn
Biến tần nhận nguồn điện đầu vào từ một nguồn cung cấp có thể là nguồn một pha hoặc ba pha Tùy thuộc vào loại biến tần sử dụng, nguồn điện đầu vào có thể ở mức điện áp và tần số cố định (ví dụ: Nguồn đầu vào ba pha 380V tần số 50Hz) Sau đó, nguồn điện này được điều chỉnh và chuyển đổi thành nguồn điện một chiều thông qua bộ chỉnh lưu sử dụng các cầu diode và tụ điện Chức năng của tụ điện là lưu trữ điện năng để đảm bảo ổn định nguồn điện cho biến tần
Tiếp theo, điện áp một chiều trong tụ điện sẽ trải qua quá trình biến đổi để tạo ra điện áp xoay chiều ba pha đối xứng Công đoạn này được thực hiện thông qua quá trình tự kích hoạt thích hợp, trong đó bộ biến đổi IGBT hoạt động giống như một công tắc cực nhanh, mở và đóng nhanh chóng để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần Quá trình này sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM để tạo ra một điện áp xoay chiều ư với biên độ và tần số có thể được điều chỉnh
Tần số của tín hiệu đầu ra sẽ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển và các tham số được cài đặt trước trong biến tần Người vận hành có thể thiết lập trước chế độ hoạt động hoặc điều khiển trực tiếp biến tần
Trong quá trình vận hành, biến tần sẽ tự động phát hiện các sự cố như quá tải, quá áp, sụt áp, mất pha, và các lỗi khác Biến tần sẽ cảnh báo cho các sự cố nhẹ và có khả năng tạm dừng cung cấp điện cho động cơ nếu phát hiện được các vấn đề nghiêm trọng để ngăn chặn tối đa sự hư hại cho toàn bộ hệ thống
3.2.2 Giới thiệu biến tần FR - E700
FR - E700 biến tần Mitsubishi FR - E700 series hiệu suất cao, mạnh mẽ, kích thước nhỏ gọn, công nghệ điều khiển hiện đại Điều khiển vector từ thông tiên tiến cho phép khởi động chính xác các máy công nghiệp đa năng Có thể điều khiển chính xác mà không cần encoder Có công suất từ 0,1kW đến 15kW Ngoài ra biến tần còn có các chức năng khác như:
- Khả năng chịu quá tải: 150% trong 60s, 200% trong 3s
- Tần số ngõ ra: 0,2 đến 400 Hz
- Tín hiệu ngõ vào analog: 0 - 10V, 0 - 5V, 4 - 20mA
- Tín hiệu ngõ vào digital: 24VDC, điều khiển Run/Stop, Forward/Reverse, Multi Speed
- Ngõ ra digital: 5 cổng báo trạng thái hoạt động của biến tần, báo lỗi, có thể cài đặt các cổng theo từng ứng dụng cụ thể
- Chế độ điều khiển: Forward/Reverse, Multi Speed, PID control, truyền thông…
- Có chức năng bảo vệ động cơ khi quá tải, ngắn mạch khi đang hoạt động
- Có chân kết nối điện trở thắng cho ứng dụng cần dừng nhanh
- Có thể gắn thêm card mở rộng I/O, card truyền thông
- Tích hợp thêm cổng kết nối màn hình rời, cồng USB kết nối với PC
Hình 3.5: Biến tần Mitsubishi Fr-E700
- Nguồn cấp: 1 pha 200 - 240 VAC, 50/60 Hz; 3 pha 200-240 VAC, 50/60 Hz
- Mô-men khởi động: 200 % hoặc hơn tại 0,5 Hz khi từ tính điều khiển vector từ thông được nâng cao
- Khả năng quá tải: 150 %/ 60 giây, 200%/ 3 giây
- Chức năng bảo vệ: Động cơ quá dòng tức thời, quá tải, quá áp, thấp áp, mất áp, quá nhiệt, quá nhiệt điện trở phanh, ngăn chặn sụt
+ Thiết lập tối đa, tối thiểu tần số, lựa chọn đầu vào rơ le nhiệt
+ Chức năng tự động dò tốc độ động cơ khi mất nguồn sử dụng cảm biến tốc độ + Tích hợp sẵn bộ điều khiển PID, liên kết máy tính (RS-485) …
- Truyền thông: Hỗ trợ các chuẩn truyền thông PU, USB, Modbus - RTU, Profibus, CC- Link, CAN open và SSCNET III
+ Tiêu chuẩn: Tích hợp sẵn bộ lọc EMC, PLC
+ Lựa chọn: Bộ truyền thông, Cáp kết nối, DC reactor, AC reactor, điện trở xả, bộ phanh, bộ điện trở…
3.2.2.3 Cách cài đặt thông số biến tần
Muốn thay đổi thông số cài đặt thì đầu tiên ta cần xác định biến tần đang ở chế độ chạy bằng keypad (đèn PU sáng) Nhấn vào nút PU/EXT để chuyển từ EXT sang PU, nếu không chuyển được bằng nút này thì cài thông số P.79 = 1 Quy trình thay đổi thông số bằng nút nhấn được trình bày như hình sau:
Hình 3.6: Cách cài đặt biến tần Fr - E700
Cài đặt tần số từ panel điều khiển của biến tần:
- Bước 1: Nhấn ON để bật biến tần
- Bước 2: Chọn chế độ PU (Nhấn PU/EXT để chọn chế độ PU Đèn báo PU sáng)
- Bước 3: Cài đặt tần số xoay núm điều chỉnh để chọn giá trị tần số đặt mong muốn Thông số tần số sẽ nhấp nháy trong 5s Trong thời gian đấy, nhấn SET để đặt giá trị tần số Nếu không ấn SET thì sau 5s nhấp nháy chỉ thị giá trị tần số sẽ quay trở lại 0 Hz
- Bước 4: Nhấn RUN để khởi động hoạt động
- Bước 5: Nhấn STOP để dừng hoạt động
Cài đặt tần số bằng công tắc (3 cấp tốc độ):
- Bước 1: Nhấn ON để bật biến tần
- Bước 2: Đặt chế độ hoạt động bằng cách:
+ Nhấn PU/EXT và MODE trong 0,5s Trên màn hình xuất hiện “79 – – ” và đèn chỉ thị PRM nhấp nháy
+ Quay núm điều chỉnh cho đến “79 – 4” Đèn chỉ thị PU và PRM nhấp nháy
+ Nhấn SET để xác nhận cài đặt
- Bước 3: Chọn tần số cài đặt bằng cách sử dụng 3 công tắc RH, RM, RL Ví dụ bật công tắc RL để chạy với tốc độ thấp
- Bước 4: Nhấn RUN để bắt đầu chạy
- Bước 5: Nhấn STOP để dừng
- Bước 6: Tắt công tắc RL để bỏ chế độ hoạt động tốc độ thấp
Cài đặt tần số bằng đầu vào tương tự (Chiết áp):
- Bước 1: Nhấn ON để bật biến tần
- Bước 2: Đặt chế độ hoạt động bằng cách:
+ Nhấn PU/EXT và MODE trong 0,5s Trên màn hình xuất hiện “79 – – ” và đèn chỉ thị PRM nhấp nháy
+ Quay núm điều chỉnh cho đến “79 – 4” Đèn chỉ thị PU và PRM nhấp nháy
+ Nhấn SET để xác nhận cài đặt
- Bước 3: Nhấn RUN để bắt đầu chạy
- Bước 4: Xoay chiết áp từ từ để thay đổi tốc độ (thay đổi tần số) Khi xoay kịch chiết áp ứng với tần số lớn nhất là 60 Hz (Có thể thay đổi tần số này thông qua parameter Pr.125)
- Bước 5: Nhấn STOP để dừng.
Tìm hiểu mạng truyền thông CC-Link
3.3.1 Giới thiệu mạng truyền thông CC-Link
CC-Link (Control and Communication Link) là một mạng truyền thông công nghiệp được phát triển bởi CLPA (CC-Link Partner Association) CC-Link được thiết kế để hỗ trợ giao tiếp và kiểm soát trong các hệ thống tự động hóa và điều khiển máy móc
CC-Link hỗ trợ nhiều loại thiết bị và ứng dụng khác nhau trong môi trường công nghiệp, bao gồm cả cảm biến, động cơ, biến tần, PLC, và các thiết bị khác Cung cấp tốc độ truyền thông cao, giúp đảm bảo truyền dẫn dữ liệu nhanh chóng và chính xác
Hình 3.7: Mạng truyền thông CC-link
3.3.2 Các biến thể của mạng CC-Link
CC-Link IE (Industrial Ethernet): Phiên bản dựa trên giao thức Ethernet, cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn và tích hợp vào các hệ thống mạng công nghiệp Ethernet
CC-Link Safety: Phiên bản dành riêng cho tính năng an toàn, đảm bảo tính an toàn cho hệ thống tự động hóa
CC-Link/LT (Lite): Phiên bản này được tối ưu hóa cho các ứng dụng có kích thước nhỏ và yêu cầu truyền thông đơn giản
CC-Link IE Field (Fieldbus): Sử dụng công nghệ Ethernet, CC-Link IE Field chủ yếu được thiết kế cho môi trường công nghiệp và các ứng dụng truyền thông trường
CC-Link IE TSN (Time-Sensitive Networking): Tích hợp công nghệ TSN để đáp ứng yêu cầu về đồng bộ hóa thời gian trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và đồng bộ cao
Kết luận: Mỗi biến thể của CC-Link được thiết kế đặc biệt để đáp ứng các đòi hỏi cụ thể của ứng dụng hoặc ngành công nghiệp Tuỳ thuộc vào đặc tính của dự án và các yêu cầu kỹ thuật, người sử dụng có thể lựa chọn biến thể phù hợp nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ linh hoạt trong việc triển khai hệ thống tự động hóa và điều khiển.
Tìm hiểu module truyền trong thông mạng CC-Link
Module QJ61BT11N của Mitsubishi Electric là một module truyền thông thuộc dòng
Q Series, cung cấp khả năng truyền thông trong hệ thống tự động hóa, thường sử dụng các
21 giao thức và tiêu chuẩn công nghiệp như CC-Link Module này có khả năng kết nối với các thiết bị khác nhau trong hệ thống, chẳng hạn như bộ điều khiển hay thiết bị đầu vào/đầu ra khác
Hình 3.8: Module mạng truyền thông QJ61BT11N Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Module mạng truyền thông QJ61BT11N
Tên sản phẩm Module mạng QJ61BT11N
Tốc độ truyền tải 156kbps/625kbps/2.5Mbps/5Mbps/10Mbps
Số đầu vào ra 32 điểm
Cáp Tương thích cáp CC-Link Ver 2
+ Tính tương thích: Tương thích với các bộ điều khiển của Mitsubishi Electric, giúp tích hợp dễ dàng và sử dụng vào hệ thống tự động hóa
+ Chức năng truyền thông đa dạng: Cung cấp nhiều cổng kết nối, như RS-232 và RS- 422/485, để đáp ứng nhu cầu kết nối
+ Chức năng mở rộng: Có thể được sử dụng để mở rộng khả năng truyền thông của bộ điều khiển kết nối với nhiều thiết bị khác
+ Giá cả: Có giá bán cao tùy thuộc vào tính năng và khả năng sử dụng
+ Phức tạp trong việc cài đặt: Để cài đặt và tích hợp được vào hệ thống, cần sự am hiểu về đặc tính kỹ thuật và đấu nối thiết bị
Remote I/O (Input/Output) CC-Link là một bộ phận có trong mạng CC-Link, một hệ thống truyền thông công nghiệp được sử dụng để kết nối và giao tiếp giữa các thiết bị trong môi trường công nghiệp Remote I/O CC-Link thường được sử dụng để mở rộng cho các đầu vào và đầu ra từ bộ điều khiển chính sang các thiết bị nằm xa, giúp tối ưu hóa cấu trúc và linh hoạt của hệ thống tự động hóa.
Động cơ 3 pha
Động cơ 3 pha Oriental là một sản phẩm tiên tiến thuộc thế hệ mới, được thiết kế để đạt hiệu suất tối ưu và hệ quả cao Được trang bị bánh răng cường độ cao, đặc biệt là loại trục song song, động cơ này nhằm tối đa hóa khả năng làm việc và độ bền Với đa dạng kích thước khung từ 1-200W, nó đáp ứng linh hoạt đối với các yêu cầu ứng dụng khác nhau Động cơ 3 pha Oriental có 3 loại trục và cung cấp 3 cấp độ bảo vệ IP20, IP40, IP54 để bảo vệ khỏi bụi, nước và điều kiện môi trường khác nhau Điều này tăng tính linh hoạt và sự thích ứng của nó trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và tự động hóa Dòng sản phẩm này có dải công suất rộng, từ 1-200W, phục vụ cho các ứng dụng có nhu cầu đặc biệt khác nhau Ưu điểm:
- Hiệu Suất Cao: Được thiết kế để đạt hiệu suất tối ưu, giúp tiết kiệm năng lượng và làm việc mạnh mẽ trong nhiều ứng dụng công nghiệp
- Dải công suất rộng: Cung cấp công suất đầu ra đa dạng từ 1W đến 200W, đáp ứng linh hoạt cho các yêu cầu sử dụng đa dạng
- Tương Thích với Gearheads: Khả năng kết hợp với nhiều loại hộp số giúp điều chỉnh tốc độ và tạo ra mô-men xoắn cao hơn, tăng khả năng linh hoạt
- Giá Cả: Có thể có chi phí cao hơn so với một số động cơ khác có trên thị trường
- Bảo Dưỡng Khó Khăn: Một số hộp số hoặc linh kiện có thể đòi hỏi bảo dưỡng đặc biệt, làm tăng chi phí bảo dưỡng hệ thống
Hình 3.9: Động cơ 3 pha Oriental 5IK150A-TT2F Thông số kỹ thuật:
- Tốc độ: 2700 Vòng/phút (50Hz)
- Kiểu trục/bánh răng: Round Shaft Type
3.5.1 Phương pháp điều khiển động cơ 3 pha
Phương pháp điều khiển động cơ 3 pha có nhiều cách sử dụng khác nhau, tùy thuộc vào những yêu cầu cụ thể của các ứng dụng và mức độ linh hoạt mong muốn Dưới dây là một số phương pháp cụ thể có thể sử dụng: Điều khiển tần số (V/f Control):
+ Nguyên lí hoạt động: Thay đổi tần số của nguồn điện đầu vào để kiểm soát tốc độ quay của động cơ
+ Ưu điểm: Đơn giản, chi phí thấp, thích hợp cho nhiều ứng dụng cơ bản Điều Khiển Vector (Vector Control hoặc Field-Oriented Control - FOC):
+ Nguyên Lý Hoạt Động: Phân tách tốc độ và mô-men xoắn của động cơ, cung cấp điều khiển chính xác hơn
+ Ưu Điểm: Hiệu suất cao, linh hoạt trong việc kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn, thích hợp cho ứng dụng đòi hỏi chính xác cao Điều khiển dòng (Direct Torque Control - DTC):
+ Nguyên Lý Hoạt Động: Kiểm soát trực tiếp tốc độ và mô-men xoắn bằng cách điều khiển dòng điện đầu vào
+ Ưu Điểm: Đáp ứng nhanh, ít độ trễ, giảm chấn thương cho động cơ và hệ thống Điều khiển vòng đóng (Closed-Loop Control):
+ Nguyên Lý Hoạt Động: Sử dụng phản hồi từ cảm biến để điều chỉnh và duy trì tốc độ hoặc vị trí động cơ
+ Ưu Điểm: Chính xác, ổn định, có thể áp dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và độ tin cậy cao Điều khiển Mô-men xoắn (Torque Control):
+ Nguyên Lý Hoạt Động: Tập trung vào việc kiểm soát mô-men xoắn của động cơ thay vì tốc độ
+ Ưu Điểm: Thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu kiểm soát mô-men nhanh chóng và chính xác
+ Nguyên Lý Hoạt Động: Sử dụng biến tần để điều chỉnh tần số và nguồn điện đầu vào, từ đó kiểm soát tốc độ của động cơ 3 pha
+ Ưu Điểm: Tiết kiệm năng lượng, linh hoạt, có thể áp dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Băng tải
Băng tải là một hệ thống cơ sở hạ tầng được thiết kế để chuyển động vật liệu từ một điểm đến một điểm khác trong quá trình sản xuất, vận chuyển, hoặc xử lý Các hệ thống băng tải thường được sử dụng để chuyển động hàng hóa, sản phẩm, hoặc nguyên liệu từ một địa điểm này đến địa điểm khác một cách tự động
Hình 3.10: Cấu tạo của băng tải
Băng tải con lăn bao gồm dải băng tải, con lăn, khung hỗ trợ, hộp giảm tốc, động cơ, hệ thống truyền động, cảm biến và hệ thống điều khiển Dải băng tải là bề mặt di chuyển vật liệu, được hỗ trợ bởi con lăn và khung hỗ trợ Hộp giảm tốc và động cơ tạo năng lượng cho chuyển động Cảm biến và hệ thống điều khiển giúp giám sát và điều chỉnh quá trình Cấu trúc này giúp băng tải con lăn hoạt động hiệu quả trong nhiều ứng dụng công nghiệp.
Cảm biến
E3F-DS10P1 là một cảm biến khoảng cách vật cản dùng ánh sáng hồng ngoại để phát hiện vật cản với ưu điểm ít nhiễu do cảm biến phát ra tia hồng ngoại với dải tần số riêng biệt
Cảm biến được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng tự động hóa, như 1 cảm biến tiệm cận để nhận biết vật đến gần, cảm biến trong các băng chuyền tự động, mạch đếm sản phẩm,…
Hình 3.11: Cảm biến hồng ngoại E3F-DS10P1 Thông số kỹ thuật:
- Loại dây: 3 dây (Nâu, Xanh, Đen)
- Loại đầu ra: PNP N/O (Thường mở)
- Khoảng cách phát hiện: 10cm
- Phương pháp phát hiện: Phản xạ khuếch tán
- Đối tượng có thể phát hiện: Bất kỳ đối tượng phản chiếu nào
- Điện áp làm việc: 6-36VDC
- Thời gian đáp ứng: 2ms
Cảm biến mực chất lỏng không tiếp xúc được ứng dụng để đánh giá mức chất lỏng tại vị trí cảm biến Nó phát tín hiệu với mức cao hoặc thấp, đi kèm với đèn báo Cảm biến này có khả năng xuyên qua các thành bình kim loại mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng, giúp tăng cường độ bền và tuổi thọ của nó Với độ chính xác và độ nhạy đáng chú ý, cảm biến mực chất lỏng này phù hợp cho việc theo dõi và kiểm soát mức chất lỏng trong thời gian dài mà không gặp vấn đề về độ bền
Hình 3.12: Cảm biến chất lỏng không tiếp xúc XKC-Y25-V Thông số kỹ thuật
- Điện áp sử dụng: 5 - 24VDC
- Độ dày thành bồn có thể xuyên qua: 0 ~ 20mm
- Chất liệu bồn chứa có thể cảm biến được: Phi Kim
- Ngõ ra: mức cao, mức thấp
- Nhiệt độ hoạt động: -20 ~ 100 độ C
- Màu nâu: VCC (Cấp nguồn từ 5 ~ 24VDC)
- Màu vàng: OUTPUT SIGNAL, mức cao bằng điện áp đầu vào, mức thấp bằng 0V
- Màu xanh dương: GND, Chân mass 0VDC
- Màu Đen: Mode, chân chọn mức tín hiệu kích ngõ ra lúc Active
Mức thấp (nếu nối Mode xuống GND)
Mức cao (nếu nối Mode với VCC)
Rơ-le trung gian
Rơ-le trung gian (hay còn gọi là relay trung gian), đây là thiết bị điện tử có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt và thay thế Chúng giống như một kiểu nam châm điện và được tích hợp thêm hệ thống tiếp điểm,để chuyển mạch tín hiệu điều khiển hoặc khuếch đại điện từ
Rơ-le trung gian có cấu tạo đơn giản, gồm 2 phần chính:
- Nam châm điện: Bao gồm lõi thép động, lõi thép tĩnh và cuộn dây Nam châm điện co tác dụng hút thanh tiếp điểm lại khi được cấp nguồn
- Phần mạch tiếp điểm: Gồm tiếp điểm nghịch để đóng - cắt tín hiệu các thiết bị tải dòng nhỏ Được cách lý với cuộn hút
Hình 3.13: Cấu tạo rơ-le trung gian
Van điên từ khí nén
Van điện từ 5/2 là một loại van điều khiển đảo chiều, được thiết kế với 5 cổng làm việc, 1 cổng nhận, và 1 cổng xả khí Đây là loại van sử dụng xi lanh tác động kép, giúp điều chỉnh hướng dòng khí nén thông qua van Chức năng chính của van là mở và đóng để kiểm soát luồng khí nén, cũng như chuyển đổi dòng khí theo yêu cầu của hệ thống
Van được cấu tạo với các bộ phận chính đó là:
+ Piston nằm trong thân van
Hình 3.14: Cấu tạo van điện từ khí nén
Khi van điện từ khí nén 5/2 được cấp nguồn điện thì cuộn coil sẽ sinh ra từ trường để tạo nên lực từ Lực này sẽ thắng lực lò xo, hút lõi van làm các cửa van mở để chuyển đổi trạng thái
Lúc ở trạng thái bình thường, cửa cấp khí sẽ thông với cửa ra, cửa xả thông với cửa ra, 1 cửa xả bị chặn lại Khi có điện, cửa khí vào và cửa khí ra thông với nhau, cửa ra và cửa xả thông nhau Cửa xả còn lại sẽ bị chặn
Xi lanh khí nén
Xi lanh khí nén sử dụng sức mạnh của khí nén để tạo ra lực cung cấp cho các chuyển động Năng lượng từ khí nén được chuyển hóa thành động năng, tác động lên piston của xi lanh, đưa nó chuyển động theo hướng mong muốn Đây là một loại cơ cấu vận hành biến đổi năng lượng tích lũy trong khí nén thành động năng để cung cấp cho các chuyển động Xi lanh khí nénlà thiết bị cơ học tạo ra lực, thường kết hợp với chuyển động, và được cung cấp bằng khí nén từ máy nén khí thông thường
Hình 3.15: Cấu tạo xi lanh Cấu tạo gồm:
- Các lỗ cấp và thoát khí
+ Piston là bộ phận chịu tác động trực tiếp của áp suất khí nén để sinh công giúp thiết bị hoạt động
+ Trục piston là bộ phận gắn trực tiếp với piston truyền lực đẩy từ đầu piston đến các thiết bị khác để chuyển đổi chuyển động tịnh tiến thành những chuyển động khác như chuyển động quay…
+ Thân Xi lanh là một ống trụ rỗng có chức năng tạo không gian kín giúp cho piston thực hiện công Thân trụ thường được làm bằng nhôm, thép không gỉ hoặc hợp kim nhôm chịu được áp lực cao và kín khí để giữ áp suất trong xi lanh
+ Lỗ cấp - thoát khí: Lỗ cấp - thoát khí được gia công trên các nắp chụp ở 2 đầu xi lanh Chúng kết nối với hệ thống cấp khí để cung cấp khí nén vào và xả ra khỏi thân xi lanh
Lỗ cấp khí thường được lắp với đầu nối khí có ren và được điều khiển bởi van tiết lưu giúp kiểm soát luồng khí trong quá trình hoạt động của xi lanh
Nguyên lí hoạt động: Xi lanh khí nén hoạt động bằng cách sử dụng áp suất của khí nén để đẩy piston chuyển động Khí nén được đưa vào xi lanh, tạo áp suất đẩy piston, và sau đó có thể kiểm soát lượng khí để đạt được chuyển động mong muốn.
Van chân không
Van chân không (High Vacuum Valve) là một loại van được thiết kế để hoạt động trong môi trường chân không, nơi áp suất thấp đến rất thấp Các loại van này thường được sử dụng trong các hệ thống chân không trong nghiên cứu khoa học, công nghiệp tự động, và các ứng dụng khác yêu cầu điều khiển chất lỏng hoặc khí trong môi trường chân không
Ngoài ra, còn có thể được sử dụng để kiểm soát dòng chất lỏng hoặc khí, chặn hoặc mở đường ống, và duy trì áp suất chân không trong hệ thống Đặc tính chống rò rỉ và khả năng chịu áp suất thấp là những yếu tố quan trọng khi thiết kế và chọn lựa các loại van này
Trên thị trường có nhiều loại van khác nhau bao gồm cả loại bướm, loại cổng và góc nghiêng Mỗi loại đều có đặc tính riêng biệt phù hợp với các nhu cầu sử dụng khác nhau
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Yêu cầu của đề tài
- Nghiên cứu, tìm hiểu các thiết bị dùng trong công nghiệp
- Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí, điện cho mô hình chiết rót, đóng nắp và kiểm tra
- Thi công mô hình hoàn chỉnh
- Lập trình cho hệ thống chạy tự động bằng PLC
- Thử nghiệm, đánh giá về độ chính xác hệ thống.
Phương hướng và giải pháp thực hiện
Inox còn được gọi là thép không gỉ là một một dạng hợp kim của sắt có chứa tối thiểu 10.5% Crom Trên thực tế, inox bắt nguồn từ tiếng Pháp và vẫn hay được gọi là thép không gỉ Ưu điểm: Độ cứng, độ bền và độ thẩm mỹ cao, có tính chống ăn mòn và oxi hóa cao, dễ làm sạch và bảo quản rất thích hợp dùng trong môi trường ẩm ướt hoặc yêu cầu chống ăn mòn
Nhược điểm: So với nhôm và sắt inox có trọng lượng lớn hơn, ngoài ra inox còn có giá thành khá cao
• Sử dụng nhôm định hình
Nhôm định hình là những thanh nhôm đã qua quá trình xử lý kim loại nhằm phát huy tối đa các đặc tính vật lý của nhôm, là một kim loại nhẹ và phổ biến trong nhiều ứng dụng công nghiệp và xây dựng Ưu điểm: Nhôm có khả năng tự chống ăn mòn, do một lớp oxit bền vững tự tạo trên bề mặt khi tiếp xúc với không khí Điều này làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng ngoài trời và trong môi trường ẩm ướt Nhôm dễ dàng để gia công cơ khí và định hình thành các sản phẩm có hình dạng phức tạp Khối lượng nhẹ, dẫn nhiệt tốt giúp kiểm soát nhiệt độ và giúp tản nhiệt thiết bị
Nhược điểm: Nhôm có độ bền thấp, dễ biến dạng khi va đập Nhôm định hình vẫn cần phải bắt vít và có các mối ghép khá lộ liễu Nếu các mối ghép này dễ bị hỏng sẽ ảnh hưởng đến chất lượng cũng như tuổi thọ của sản phẩm
Hình 4.2: Thanh nhôm định hình
Sắt hộp vuông là một vật liệu không thể thiếu trong quá trình xây dựng và sản xuất, được gia công tạo thành một khối rỗng ruột từ các vật liệu được chế tạo từ một loại hợp kim khoảng 98% cộng với 2% nguyên tố Cacbon và một số nguyên tố hóa học khác Nhờ vậy mà sắt vuông là một sản phẩm có độ cứng, bền và dẻo
34 Ưu điểm: Sắt vuông dễ dàng để cắt, uốn, và định hình thành các sản phẩm với hình dạng và kích thước khác nhau Có độ bền cao, không biến dạng dưới tác động của tải trọng hoặc thay đổi nhiệt độ Sắt là nguyên liệu rẻ tiền giúp tiết kiệm chi phí trong quá trình sản xuất
Nhược điểm: So với một số loại kim loại như nhôm, sắt vuông có trọng lượng nặng hơn, làm tăng khối lượng tổng thể của hệ thống Sắt dễ dàng bị oxi hóa rỉ sét nếu không bảo quản tốt
• Một băng tải (sử dụng biến tần):
Nguyên lý hoạt động: Băng tải là thiết bị hoạt động dùng để chuyển động và vận chuyển các vật phẩm từ vị trí này đến vị trí khác trong quá trình sản xuất hoặc vận chuyển hàng hóa Trong đề tài này dùng để vận chuyển chai, lọ từ vị trí đầu băng tải đi đến các vị trí dừng làm việc và chạy đến cuối băng tải Ưu điểm: Biến tần cho phép khống chế dòng khởi động không vượt quá dòng định mức của động cơ, do đó tránh sụt áp và giúp động cơ khởi động một cách mượt mà hơn Biến tần còn cho phép điều khiển tốc độ của động cơ bằng tải theo nhu cầu, tác vụ chúng ta cần sử dụng, giúp cho sản phẩm trên băng tải chạy ổn định không bị trơn trượt ra khỏi băng tải Từ đó có thể giáp sát và điều khiển băng tải một cách tối ưu hóa nhất trong quá trình sản xuất
Sử dụng 1 băng tải giúp đơn giản hóa quy trình sản xuất và giảm chi phí đầu tư vận hành Dễ dàng quản lý và bảo trì, giúp hệ thống hoạt động tự động và liên tục giảm thời gian chờ giúp tăng hiệu suất sản xuất
Nhược điểm: Mặc dù biến tần có nhiều lợi ích như đã được liệt kê ở trên nhưng cũng cần có một số nhược điểm để xem xét Do chi phí đầu tư cao hơn với mức phí đầu tư cho hệ thống sử dụng động cơ băng tải ở tốc độ cố định Trong quá trình sử dụng cần được bảo trì và cài đặt đúng cách để có được hiệu suất tốt, nếu xảy ra lỗi thì sẽ gây ra sự cố gián đoạn trong quá trình vận hành
Trong trường hợp sản phẩm có kích thước lớn hoặc quá phức tạp với sản phẩm có hình dạng đặc biệt cơ cấu có thể không tối ưu hiệu quả so với các phương pháp khác
• Hai băng tải (sử dụng động cơ DC và mâm xoay)
Nguyên lý hoạt động: Băng tải 1 sẽ đưa hàng loạt phôi chai đi vào vị trí đặt sẵn trong mâm xoay, sau đó xoay một góc cài đặt trước để bơm chất lỏng vào trong chai, sau khi được bơm đẩy đủ lượng nước mâm xoay tiếp tục xoay chai qua vị trí cấp nắp và vị trí đóng nắp rồi sẽ được đưa qua băng tải 2 để tiếp tục chạy qua khu vực kiểm tra sản phẩm lỗi Ưu điểm: Động cơ DC có giá thành rẻ việc sử dụng cũng rất dễ dàng, động cơ DC có thể sử dụng trực tiếp nguồn điện mà không cần đấu nối với thiết bị hỗ trợ khác như biến tần
Có thiết kế đơn giản ít bộ phận chuyển động nên giảm được rủi ro hỏng hóc giảm thiểu vấn đề bảo trì thường xuyên Còn việc sử dụng mâm xoay được thiết kế vị trí gá đặt chai vừa vặn với kích thước chai lọ giúp việc luân chuyển vị trí một cách nhanh chóng và chính xác
Sự kết hợp giữa băng tải và mâm xoay mang lại sự linh hoạt trong quy trình sản xuất, phù hợp cho sản phẩm có kích thước lớn hoặc hình dạng phức tạp là lựa chọn tối ưu chi phí hiệu quả đối với sản xuất sản phẩm số lượng nhỏ
Nhược điểm: Động cơ DC có nhiều ưu điểm nhưng vẫn sẽ có một số nhược điểm để chúng ta cần xem xét khi sử dụng, động cơ DC sẽ sử dụng nhiều năng lượng điện hơn, điều này có thể tăng chi phí vận hành nếu sử dụng trong thời gian dài Không thể sử dụng trong môi trường có công suất lớn và tải nặng sẽ làm giảm tuổi thọ động cơ một cách nhanh chóng, tất nhiên việc sử động cơ DC không thể đòi hỏi quá nhiều để điều khiển chính xác cao trong một hệ thống
Việc áp dụng cả băng tai và mâm xoay đòi hỏi chi phí đầu tư, vận hành và bảo dưỡng cao Quản lý và kiểm soát quy trình sản xuất trở nên phức tạp hơn
• Định lượng bằng bình định mức
Lựa chọn phương án/ giải pháp
Sau khi xem xét ưu và nhược điểm của từng phương án nhóm đã đưa ra quyết định:
• Khung máy: Sử dụng nhôm định hình, quyết định dựa trên các yếu tố vượt trội của nhôm như nhẹ, chống oxy hóa tốt, dễ dàng gia công lắp đặt, có khả năng tản nhiệt tốt, độ bền vững cao và tính thẩm mỹ tốt
• Cơ cấu cấp phôi: Sử dụng một băng tải, việc lựa chọn cơ cấu này dựa trên tính hiệu quả, linh hoạt dễ dàng mở rộng và điều chỉnh, tối ưu hóa chi phí vận hành, nâng cấp về lâu về dài
• Phương pháp định lượng: Bằng phương pháp chiết đến mức cố định, phương pháp này đem lại sự chính xác và đồng nhất trong quá trình chiết rót giúp kiểm soát linh
42 hoạt và tiết kiệm thời gian đồng thời mang lại sự linh hoạt với tính ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
• Phương pháp chiết rót: Sử dụng phương pháp chiết rót áp suất thường Những lý do lựa chọn phương án này bao gồm độ chính xác cao, khả năng kiểm soát quá trình, sự linh hoạt Đồng thời, phương pháp này cũng được đánh giá cao về hiệu quả và tiết kiệm thời gian và tiết kiệm chi phí
• Cơ cấu cấp nắp: Sử dụng phương pháp cấp nắp bằng xi lanh đẩy Nhóm tin rằng đây là lựa chọn tối ưu mang lại hiệu suất sản xuất cao, phù hợp với sản phẩm được đưa ra
• Cơ cấu đóng nắp: Sử dụng phương pháp đóng nắp bằng xi lanh Dựa trên những lợi ích như chính xác, hiệu suất cao, năng suất, có sự linh hoạt và ít yêu cầu về thiết bị.
Trình tự tiến hành công việc
Bảng 4.1: Trình tự tiến hành công việc
Công việc Nội dung thực hiện
Nghiên cứu các máy đã có trên thị trường Tìm hiểu công nghệ các máy đã có trên thị trường, đưa ra phương án thiết kế Thành lập các phương án thiết kế Tổng hợp ý kiến lựa chọn phương án
Mô hình hóa hệ thống Thiết kế 3D, mô phỏng theo ý tưởng đặt ra trên phần mềm Hoàn chỉnh hệ thống cơ khí Lắp ráp các linh kiện cơ khí theo bản vẽ
Hoàn chỉnh hệ thống điều khiển Lắp ráp các linh kiện điện tử theo bản vẽ
Kiểm tra, hiệu chỉnh và sửa lỗi Vận hành hệ thống, sửa lỗi chương trình, khắc phục các sự cố gặp phải, đưa ra đánh giá
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Tính toán, thiết kế cơ khí
5.1.1.1 Tính toán độ dài dây đai
- Số vòng quay của băng chuyền là:
+ n là số vòng quay + n dc là số vòng quay của động cơ
- Chiều dài L của dây đai là:
+ L là chiều dài dây đai + a là khoảng cách giữa 2 trục roller
5.1.1.2 Tính toán thiết kế băng tải
Số liệu thiết kế ban đầu:
- Đường kính bánh dẫn và bị dẫn: D=D 1 =D 2 0(mm)
- Khoảng cách giữa 2 trục là: a`0(mm)
- Bề rộng của đai: B0(mm), B ta chọn tùy thuộc vào kích thước của bề rộng của sản phẩm ta có: B sp = 45( mm ).
- Khối lượng trung bình của chai (chiều cao, chiều rộng chai) được đặt trên băng chuyền là:
- Khối lượng của roller băng tải: m rl =0,3(kg)
- Diện tích mặt cắt dọc của tấm nhôm băng tải là: S = 630.10 = 6300 ( mm 2 )
- Diện tích mặt cắt ngang của tấm nhôm băng tải là: S = 50.10 = 500 ( mm 2 )
- Ứng suất cho phép của nhôm: [𝜎]nhôm = 35 [ Kg 2 mm ]
- Để chai đặt trên băng tải khi chuyển động, ta có tổng hợp lực của chai khi di chuyển đó là: ms k 0
- Trọng lượng P của chai là:
+ m c là khối lượng chai + g là gia tốc trọng trường
- Phản lực N của băng chuyền đối với chai là:
- Lực ma sát F ms của bộ truyền là:
+ k là hệ số ma sát giữa vật và băng tải
+ N là phản lực của băng chuyền đối với chai
+ M c d là momen xoắn cực đại (N.m) + P dc là công suất động cơ điện (Watt) + n dc là tốc độ động cơ (vòng/phút)
- Momen quán tính của băng tải:
- Momen quán tính của roller:
- Từ việc tính toán được số vòng quay băng chuyền từ công thức (5.1) tốc độ quay trên trục (vận tốc băng tải) là:
- Tốc độ quay của đĩa xích:
+ Khối lượng của 1 chai là 0,2 (kg) = 0, 2.0, 00981 0, 001962( = kg )
+ Mà có 3 chai trên băng tải cùng lúc nên:
+ Tổng hợp nội lực tập chung:
Hình 5.3: Lực phân bố lên băng tải
- Kiểm nghiệm ứng suất nén theo phương dọc:
+ Giả sử tác động lực của băng tải: F n 0( ) 10(N = kg)
+ Mà băng tải có 2 thanh ngang nên lực: 100 50( ) 5( )
- Kiểm nghiệm ứng suất nén theo phương ngang:
Kết luận: Theo như tính toán thì ứng suất nén theo phương ngang và phương dọc nhỏ hơn ứng suất cho phép của nhôm nên băng tải thỏa điều kiện bền trong quá trình hoạt động
Yêu cầu thiết kế băng tải: Độ rộng mặt băng tải cần lớn hơn phôi chai là > 45 mm Chiều dài cần lớn hơn chiều dài tổng các cơ cấu cần thiết của hệ thống Diện tích cần thiết của cụm van là > 50 mm Diện tích cần thiết của bộ phận cấp và đóng nắp là 250 mm Diện tích của thùng chứa dung dịch là 260 mm
Suy ra yêu cầu tổng thể của băng tải là phải có chiều rộng lớn hơn 45 mm và chiều dài lớn hơn 600 mm
Vì vậy nhóm đã chọn băng tải PVC có chiều dài băng tải là 630 mm và độ rộng bề mặt băng tải là 100 mm Diện tích băng tải bao gồm cả khung là 640*120mm
Hình 5.4: Mô phỏng thiết kế băng tải
5.1.2 Tính toán thiết kế khung
Khung là bộ phận quan trọng chịu tải của thiết bị Vì vậy khung máy phải được thiết kế đảm bảo độ vững chắc, không rung lắc trong quá trình vận hành máy
Nhóm đã sử dụng kết hợp nhôm định hình 30x30 và 20x20 để làm khung máy nhằm đảm bảo sự chắc chắn Các thanh nhôm được liên kết với nhau bằng ke góc để tăng độ vững chắc của kết cấu
Hình 5.5: Mô phỏng thiết kế khung máy
Kiểm nghiệm độ bền khung:
Khung máy được liên kết từ các thanh nhôm định hình có kích thước 30x30 mm Khi vận hành, khung máy chịu uốn, nén do tác động của cơ cấu và thùng chứa dung dịch theo phương thẳng đứng
Các lực tác động lên khung máy bao gồm: Thùng chứa dung dịch (50N), cụm van (10N), cơ cấu cấp và đóng nắp (10N)
Kết quả mô phỏng ứng suất theo phương thẳng đứng với thanh chịu lực lớn nhất tại vị trí đặt thùng chứa van thuốc và cụm van:
Hình 5.6: Mô phỏng ứng suất khung chịu tải
Kết quả mô phỏng cho thấy với ứng suất của vật liệu sử dụng là hợp kim nhôm 6063- T5 với σ = 145 MPa thì khung máy hoàn toàn đảm bảo chịu tải tốt Ứng suất tối đa tác động lên khung máy là σ = 4,8 MPa
Kết quả mô phỏng chuyển vị:
Hình 5.7: Mô phỏng độ chuyển vị khung chịu tải
+ Độ chuyển vị lớn nhất trên khung chịu tải là 0,093 mm
+ Ứng suất và độ chuyển vị mà các lực tác động gây ra cho khung cơ cấu là rất nhỏ không gây ảnh hưởng đến kết cấu hệ thống trong quá trình hoạt động
Tính toán sức bền cho khung chịu tải:
Thanh dầm ngang là bộ phận chịu tải cho cơ cấu
Hình: 5.8: Mô hình hóa khung dầm
Chiều dài dầm: L = 200 mm, l1 = 180 mm
Vật liệu: nhôm định hình 6063-T5 với σ = 145 MPa
Khối lượng của thùng chứa dung dịch là 5 kg.
Hình: 5.9: Sơ đồ giải phóng liên kết
52 Áp dụng công thức tính toán dầm đơn giản chịu tải trọng đều ở một phần đầu dầm:
Giá trị momen lớn nhất tại vị trí x:
= P= = (5.22) Điều kiện bền uốn đối với dầm nhôm chịu tải là: max max 2 2
Kết luận: Với khối lượng của các cơ cấu như trên thì khung cơ cấu hoàn toàn đảm bảo chịu tải tốt
Cụm van là bộ phận đóng vai trò trong việc cung cấp dung dịch cho chai
Hình 5.10: Mô phỏng thiết kế cụm van
Cụm van sử dụng 1 xi lanh nâng hạ đưa vòi vào miệng chai tránh hiện tượng văng thuốc, và 1 van chân không nhằm đóng mở dòng thuốc một cách chính xác ngăn tràn thuốc.
Hai bộ phần được liên kết với nhau bởi gá van làm bằng hợp kim nhôm Bởi vì xi lanh với diện tích mặt liên kết là 54*20 mm và van chân không là 37*37 mm nên ta chọn diện tích bề mặt của thanh nhôm là 98*43*10 mm.
Hình 5.11: Mô phỏng thiết kế gá van
Mô phỏng kiểm nghiệm bền đối với chi tiết này đối với khối lượng chịu tải là van chân không, thuốc và khối lượng của chính chi tiết trong quá trình vận hành máy là không quá 50 N
Kết quả mô phỏng ứng suất:
Hình 5.12: Mô phỏng ứng suất của gá van
Kết quả mô phỏng cho thấy với ứng suất của vật liệu sử dụng là hợp kim nhôm 6061 với σ = 310 MPa thì gá van hoàn toàn đảm bảo chịu tải tốt Ứng suất tối đa tác động lên gá van là σ ≈ 22 MPa.
Kết quả mô phỏng chuyển vị:
Hình 5.13: Mô phỏng độ chuyển vị của gá van
+ Độ chuyển vị lớn nhất khi chịu tải 50 N của gá van là 0.019 mm.
+ Độ chuyển vị và ứng suất tác dụng lên chi tiết là rất thấp nên sẽ không gây ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của hệ thống.
5.1.4 Thiết kế cụm cấp nắp, đóng nắp
Là bộ phần có tác dụng đưa nắp đến miệng chai và đóng lại Bộ phận này thường chỉ chịu tải từ nắp chai (khối lượng của nắp chai là rất nhỏ nên không đáng kể) nhưng có khả năng sẽ nhận lại phản lực rất lớn của xi lanh trong quá trình hoạt động Nên cần thiết kế chi tiết chịu được tải của nắp chai và phản lực của xi lanh
Hình 5.14: Mô phỏng thiết kế cụm cấp và đóng nắp
Cơ cấu sử dụng các cơ cấu bằng nhựa có tác dụng lần lượt và cố định vị trí xi lanh và là khay giữ nắp
Kích thước của bộ phận cố định xilanh là: 150*120*15 mm và 100*30*6 mm
Kích thước khay giữ nắp là: 150*120*15 mm.
Hình 5.15: Mô phỏng thiết kế bộ phận cố định xi lanh
Hình 5.16: Mô phỏng thiết kế khay giữ nắp
Nhóm tiến hành kiểm nghiệm bền của các chi tiết với phản lực từ xi lanh là 120N Kết quả mô phỏng ứng suất:
Hình 5.17a: Mô phỏng ứng suất của bộ phần cố định xi lanh
Hình 5.17b: Mô phỏng ứng suất của bộ phần cố định xi lanh
Hình 5.18: Mô phỏng ứng suất của khay nắp
59 Ứng suất với vật liệu sử dụng là nhựa ABS có ứng suất cho phép dao động từ 1,9-2,5 GPa thì các chi tiết đảm bảo chịu tải tốt
Kết quả mô phỏng độ chuyển vị:
Hình 5.19a: Mô phỏng độ chuyển vị của bộ phận cố định xi lanh
Hình 5.19b: Mô phỏng độ chuyển vị của bộ phận cố định xi lanh
Hình 5.20: Mô phỏng độ chuyển vị của khay nắp
+ Độ chuyển vị lớn nhất của các chi tiết lần lượt xấp xỉ là 1,1 mm, 0,3 mm, 0,6 mm.
+ Độ chuyển vị và ứng suất tác dụng lên chi tiết là rất thấp nên sẽ không gây ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của hệ thống.
5.1.5.1 Tính toán xi lanh đóng nắp
+ Áp suất cho phép P = 6 atm
+ Dung tích của pittong là:
+ d là độ dài pitttong + S d là diện tích đáy
- Áp dụng phương trình trạng thái khí lí tưởng:
+ P là áp suất tuyệt đối + R là hằng số chất khí đối với không khí R = 287 J/kg K + T là nhiệt độ tuyệt đối
- Áp dụng công thức (5.25) vận tốc khí là:
- Lực đẩy của xi lanh là:
Kết luận: Sau khi đo đạt thực nghiệm ta thấy cần một lực nhỏ hơn 20N để đóng nắp trong trường hợp chai đầy dung dịch
Suy ra: Lực nén giữa nắp cao su và chai thủy tinh rất nhỏ so với lực tác động được của xi lanh đóng nắp nên sử dụng xi lanh này là phù hợp
5.1.5.2 Tính toán xi lanh cấp nắp
+ Áp suất cho phép P = 6 atm
+ Dung tích của pittong là:
- Áp dụng công thức (5.25) vận tốc khí là:
- Lực đẩy của xi lanh là:
- Trọng lượng P của nắp là:
+ m c là khối lượng nắp + g là gia tốc trọng trường
- Phản lực N của nắp là:
- Lực ma sát F ms của bộ truyền là:
+ k là hệ số ma sát giữa nắp và nhựa
+ N là phản lực của nắp và nhựa
Kết luận: Từ công thức (5.33) F ms =0, 086NF
Suy ra: Việc sử dụng xi lanh này là phù hợp vì lực đẩy của xi lanh cao hơn rất nhiều lần so với lực ma sát của nắp cao su với nhựa
5.1.5.3 Tính toán 3 xi lanh gạt chai
+ Áp suất cho phép P = 6 atm
+ Dung tích của pittong là:
- Áp dụng công thức (5.25) vận tốc khí là:
- Lực đẩy của xi lanh là:
Kết luận: Từ công thức (5.6) F ms =1,568F
Tính toán hệ thống điện
5.2.1 Tính toán lựa chọn dây dẫn và thiết bị điện
- Ta có thể áp dụng công thức: S = I/J (5.40)
S: Là tiết diện dây dẫn, tính bằng mm 2
I: Dòng điện chạy qua mặt cắt vuông, tính bằng Ampere (A)
J: Mật độ dòng điện cho phép (A/mm 2 )
+ Mật độ cho phép (J) của dây đồng thường xấp xỉ 6A/mm 2
+ Mật độ cho phép (J) của dây nhôm thường xấp xỉ 4,5A/mm 2
Bảng 5.1: Tiêu chuẩn về tiết diện dây dẫn và dòng điện theo tiêu chuẩn quốc tế IEC
Giá trị điện áp (A) Tiết diện dây dẫn (mm 2 )
Nguồn tổ ong cấp nguồn cho modules mở rộng và tất cả cảm biến nên công suất của bộ nguồn sẽ bằng tổng công suất của các thiết bị điện 24V
Tổng dòng điện tiêu thụ của các thiết bị điện: I = 3,3A
Nên công suất tiêu thụ sẽ là: P U I= $.3,3y, 2W (5.41) Công suất của nguồn tổ ong: P 24 =U 24 I 24 $.10$0W (5.42)
Từ công thức (5.41) và công thức (5.42) ta thấy: P 24 =P 240W79, 2W (5.43)
Từ việc tính toán được dòng điện và công suất tiêu thụ ta có thể chọn được nguồn tổ ong 24V 10A như hình (5.21) đáp ứng phù hợp với công suất tiêu thụ của toàn hệ thống
Từ việc tính toán được từ công thức (5.6) và (5.7) việc sử dụng động cơ 3 pha Oriental 5IK150A-TT2F cho hệ thống băng tải là phù hợp:
+ Theo công thức (5.8) tính toán ra được moment cực đại của động cơ trùng với thông số của nhà sản xuất đưa ra
+ Theo công thức (5.9) và tính toán ra được moment cần thiết nhỏ hơn 22 lần so với động cơ có thể đáp ứng
Trong mô hình hệ thống, động cơ băng tải sử dụng có công suất là 0,15 kW nên khi chọn biến tần cần chọn biến tần có công suất lớn hơn hoặc bằng công suất của động cơ Biến tần sử dụng có công suất 0,4 kW nên sẽ đảm bảo tốt việc điều khiển cho động cơ
Trong quá trình vận hành, biến tần sẽ hoạt động theo công suất của động cơ vì thế việc lựa chọn CB bảo vệ biến tần được tính toán theo thông số của động cơ Ta có công suất động cơ 0,15 kW, điện áp nguồn cấp 220 VAC, hệ số cos=0.85 Tính toán được dòng của động cơ theo công thức:
= Để lựa chọn CB bảo vệ nguồn điện cho hệ thống ta cần chọn:
I I = A Để lựa chọn CB bảo vệ nguồn điện cho biến tần ta cần chọn:
Suy ra, chọn NXB-63 MCB 2P 20A C20 Có chức năng chống quá tải trong mạch điện của máy vượt quá dòng định mức của CB Đồng thời làm công tắc đóng mở nguồn cho toàn bộ hệ thống (Do tiết kiệm chi phí nên nhóm đã sử dụng lại CB có sẵn)
Tra bảng 5.1 Ta chọn tiết diện dây dẫn 1 (mm 2 )
Các dây tín hiệu (màu đen): chọn dây tiết diện 0,75 (mm 2 )
Dây 24VDC (màu đỏ): chọn dây tiết diện 0,75 (mm 2 )
Dây 0VDC (màu xanh): chọn dây tiết diện 0,75 (mm 2 )
5.2.2 Thiết kế layout tủ điện
Tiến hành thiết kế bố trí các thiết bị điện trên phần mềm solidworks, căn chỉnh kích thước từng thiết bị phù hợp để bảng điện gọn gàng và hợp lí
Hình 5.23: Thiết kế layout tủ điện
Cài đặt truyền thông mạng CC-Link
5.3.1 Sơ đồ kết nối dây
Hình 5.24: Sơ đồ đấu nối dây giữa các thiết bị trong mạng
Trong sơ đồ này thiết bị được kết nối với nhau thông qua cáp mạng CC-Link, để đảm bảo truyền thông dữ liệu và đạt được hiệu suất cao trong hệ thống
5.3.2 Thiết lập thông số trong phần mềm GX Works2
Thiết lập một thiết bị mới với khả năng tự động truyền dữ liệu giữa RX, RY, RWr và RWw trong module cục bộ và module CPU là một quá trình quan trọng Điều này đòi hỏi sự hiểu biết vững về thông số mạng và khả năng kết nối của thiết bị Cần xác định các thiết bị sẽ kết nối với CPU thông qua các giao tiếp như I2C, SPI hoặc UART, hoặc sử dụng driver/phần mềm để đảm bảo khả năng giao tiếp ổn định Đồng thời, quan trọng là xác định và cấu hình đúng các thông số mạng như địa chỉ IP và cổng kết nối để đảm bảo quá trình
68 truyền dữ liệu được thực hiện hiệu quả Kiểm tra thử khắc phục và gỡ lỗi cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính ổn định và đáng tin cậy của hệ thống
Hình 5.25: Thiết lập địa chỉ đầu vào cho các modules
Hình 5.26: Thiết lập thông số trong Parameter
Hình 5.27: Cài đặt số trạm cho mạng truyền thông
Hình 5.25 Thể hiện việc khai báo bộ nhớ và cài đặt địa chỉ đầu vào và đầu ra cho từng module của hệ thống
Hình 5.26 Thể hiện việc cài đặt các thông số RX, RY, RWw, RWr và các thanh ghi để truyền nhận dữ liệu giữa các module trong mạng
Hình 5.27 Thể hiện việc kết nối biến tần phù hợp với thông số của phần cứng và công suất của động cơ (Remote Station Device)
Cách thiết lập thông số:
B1 Mở cửa sổ "Parameter" từ phần mềm GX Works2 vào cửa sổ => [Parameter] =>
B2 Đánh dấu vào hộp chọn "Set the station information in the CC-Link configuration window" ở trên cùng của cửa sổ
B3 Nhập các thiết lập vào cửa sổ "Network Parameter"
B4 Nhấn chuột vào nút [Check] => [End]
B5 Nạp các thiết lập thông số xuống module CPU trên thanh công cụ GX works2 [Online]
B6 Khởi động lại hệ thống
5.3.3 Lập trình giao diện điều khiển
Hình 5.28: Trang giao diện bắt đầu
Hình 5.29: Trang giao diện chế độ AUTO
Hình 5.30: Trang giao diện chế độ MANUAL
Hình 5.31: Trang giao diện lịch sử hoạt động
Giải thuật chương trình điều khiển
Hình 5.32: Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển
THI CÔNG, THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Kết quả nghiên cứu
Sau thời gian nghiên cứu nhóm đã hoàn thành việc lên ý tưởng đề tài, thống nhất phương án thiết kế và thi công hệ thống chiết rót, đóng nắp và kiểm tra chai thuốc penicillin với PLC Mitsubishi truyền thông mạng CCLink Mặc dù gặp nhiều khó khăn nhưng với sự nỗ lực, cố gắng và học tập nhóm đã tích lũy được nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu và đạt được những kết quả như sau:
- Xây dựng hệ thống chiết rót, đóng nắp và kiểm tra chai thuốc penicillin
- Xây dựng bản vẽ hệ thống hoàn chỉnh trên Solidworks
- Thiết kế hệ thống điện trên phần mềm AutoCad Electrical
- Nghiên cứu sâu hơn về các lệnh lập trình PLC Mitsubishi dòng Q
- Nghiên cứu sâu hơn về giao tiếp giữa PLC và biến tần thông qua mạng truyền thông CCLink
- Kết nối và điều khiển các thiết bị trong hệ thống
- Xây dựng và lập trình PLC cho hệ thống chạy hoàn chỉnh
6.1.1 Hoàn thiện mô hình thực tế
Hình 6.1: Cơ cấu chiết rót
• Cơ cấu cấp và đóng nắp
Hình 6.2: Cơ cấu cấp và đóng nắp
Hình 6.3: Hệ thống băng tải
Hình 6.5: Mô hình hoàn thiện
Kết quả thực nghiệm
Quá trình thực nghiệm sẽ giúp nhóm đánh giá được khả năng từng khâu của hệ thống Tìm được những điểm sai sót cần khắc phục và sửa chữa Với mục tiêu sau khi thực nghiệm hệ thống sẽ hoạt động trơn tru, mực thuốc đúng yêu cầu, nắp được đóng kín và không có sai sót trong quá trình vận hành hệ thống
Các thông số đầu vào: Hệ thống được cấp điện, hệ thống khí nén hoạt động trơn tru, chương trình điều khiển được nạp vào PLC, chai được cấp liên tục, thuốc được đổ đầy bồn chứa, nắp được cấp liên tục trong quá trình hoạt động
Các chỉ tiêu kiểm tra chất lượng đầu ra:
- Thể tích thuốc trong chai: Nằm trong dung sai cho phép
- Nắp chai: Được đặt ngay ngắn trên miệng chai sau đó được nén chặt không bị hở và vênh viền
- Kiểm tra: Sau khi xuất thành phẩm không xuất hiện lỗi
Hệ thống sử dụng phương pháp định lượng dựa vào chiều cao chất lỏng, nên khoảng cách H (mm) từ đáy chai đến mặt chất lỏng trong chai, là giá trị đánh giá mực thuốc Khi giá trị H nằm trong khoảng 65 mm - 70 mm thì mực thuốc trong chai đạt yêu cầu
6.2.2.2 Kiểm tra độ kín nắp
Giá trị khoảng cách giữa viền nắm và miệng chai là giá trị dùng để đánh giá độ kín nắp đặt giá trị thể hiện độ kín nắp là X, nếu X bé hơn hoặc bằng 1 mm thì quá trình đóng nắp đạt yêu cầu Ngược lại thì sản phẩm được đánh giá là lỗi
Những lần vận hành ban đầu bao giờ cũng phát sinh những lỗi không mong muốn sau khi phát hiện các lỗi sai đó nhóm sẽ đưa ra nhận xét, các phương pháp để khắc phục Quá trình vận hành thực nghiệm và sửa lỗi xảy ra liên tục nhiều lần cho đến khi hệ thống vận hành hoàn thiện, ổn định
Hình 6.7: Quy trình thực nghiệm
- Mục tiêu thực nghiệm: Kiểm tra hoạt động của các cảm biến và xi lanh có hoạt động đúng theo mục tiêu ban đầu hay không
Sau khi lắp đặt phần cứng và nạp chương trình vào hệ thống Bắt đầu chạy thử khi chưa cấp thuốc cho bồn chứa thuốc để xem xét hoạt động hệ thống.
+ Xi lanh kẹp tốc độ nhanh và dễ bị xê dịch
+ Xi lanh đóng nắp không đồng trục so với chai làm cho nắp bị lệch không đóng được
+ Điều chỉnh van tiết lưu và gia cố thêm thanh nhôm cố định xi lanh
+ Điều chỉnh vị trí hệ thống cấp và đóng nắp chai
Hình 6.8a: Xi lanh kẹp trước khi điều chỉnh van tiết lưu Hình 6.8b: Xi lanh kẹp sau khi điều chỉnh van tiết lưu
Hình 6.9a: Bộ phận đóng nắp trước khi điều chỉnh Hình 6.9b: Bộ phận đóng nắp sau khi điều chỉnh Thực nghiệm lần 2:
- Mục tiêu thực nghiệm: Kiểm tra đồng bộ các cơ cấu của hệ thống Tiếp tục cho chạy hệ thống trong trường hợp có cấp thuốc cho bồn chứa thuốc
Số lượng chai thực nghiệm đạt yêu cầu: 0/5
+ Cảm biến không nhận mực thuốc trong chai
+ Cảm biến và solenoid bị nhiễu không rõ lý do
+ Có hiện tượng rò thuốc tại vị trí dây dẫn cấp thuốc cho van
+ Điều chỉnh vị trí cảm biến mực thuốc khớp với chai
+ Nguyên nhân có thể do thuốc tràn ra làm nhiều tín hiệu của dây cảm biến Nâng dây dẫn lên 1 khoảng so với mặt gỗ
+ Dán keo và siết chặt đai siết inox tại vị trí rò thuốc
- Mục tiêu thực nghiệm: Tiếp tục kiểm tra sự đồng bộ của hệ thống khi chạy chế độ manual
Số lượng chai thực nghiệm đạt yêu cầu: 0/5.
+ Hệ thống cấp nắp gặp trục trặc do nắp cao su có độ ma sát lớn với nhau
+ Chai thuốc rung lắc nhiều trong quá trình di chuyển
+ Không kết nối được tín hiệu giữa PLC và HMI
+ Điều chỉnh xi lanh đẩy nắp đến vị trí phù hợp và bôi trơn chi tiết
+ Gia cố thêm 1 thanh ray dẫn hướng
+ Điều chỉnh và cập nhật chương trình điều khiển
- Mục tiêu thực nghiệm: Tiếp tục kiểm tra độ đồng bộ giữa hệ thống
Số lượng chai thực nghiệm đạt yêu cầu: 0/5.
+ Cụm bơm hoạt động ổn định nhưng cụm cấp và đóng nắp gặp trục trặc không phản hồi tín hiệu cảm biến
+ Nguyên nhân là do giới hạn dưới của cảm biến mực thuốc khiến hệ thống báo lỗi
Hạ thời gian giới hạn dưới của cảm biến
+ Hạ độ cao của xi lanh đóng nắp
Hình 6.10: Chai lỗi đóng nắp không chặt
- Mục tiêu thực nghiệm: Chuyển sang chế độ auto để kiểm tra hoạt động của hệ thống
Số lượng chai thực nghiệm đạt yêu cầu: 2/5.
+ Bộ phận cấp nắp không ổn định khiến nắp dễ bị lệch
+ Xi lanh cấp và đóng nắp hoạt động không đồng bộ khiến nắp dễ bị kẹt
+ Điều chỉnh xi lanh cấp nắp
+ Chỉnh sửa chương trình điều khiển
- Mục tiêu thực nghiệm: Hệ thống không gặp lỗi, hoạt động ổn định và chính xác
Số lượng chai thực nghiệm đạt yêu cầu: 5/6.
+ Mực thuốc không đồng đều do mực thuốc trong thùng chứa dung dịch thấp.
+ Nắp đóng vẫn còn hiện tượng chênh và không cấp được nắp
+ Châm thuốc đầy cho thùng chứa dung dịch.
Hình 6.11: Thành phẩm lần thực nghiệm 6
- Mục tiêu thực nghiệm: Tăng tốc độ quá trình chiết rót
Số lượng chai thực nghiệm đạt yêu cầu: 6/7.
+ Bộ phận cấp nắp gặp trục trặc có hiện tượng đưa nắp chai bị lệch vị trí
+ Điều chỉnh hệ thống cấp nắp
Hình 6.12: Thành phẩm lần thực nghiệm 7 Thực nghiệm lần n:
• Mục tiêu thực nghiệm: Đạt được các yêu cầu mong muốn như mực thuốc, độ khít nắp chai và năng suất Hệ thống giám sát hoạt động chính xác
• Khi tăng tốc độ băng tải lên quá cao quá trình kẹp và thả chai xảy ra hiện tượng rung lắc mạnh làm cho chai dễ bị đổ
• Qua quá trình chạy thực nghiệm và sửa chữa mô hình đạt được năng suất tối đa là 10 chai/phút
• Tần số cài đặt cho biến tần điều khiển động cơ băng tải khuyên dùng tối đa là
4 Hz để hệ thống hoạt động ổn định.
Đánh giá
Sau quá trình thực nghiệm và đánh giá đã đem lại kết quả như sau: Mô hình hoạt động trơn tru Hệ thống cấp thuốc hoạt động ổn định (sai số cho phép trong khoản 5 mm so với mực thuốc yêu cầu) Bộ phận cấp nắp không xảy ra sai lệch lớn trong quá trình hoạt động Qua quá trình thực nghiệm hệ thống thu thập số liệu tính toán số sản phẩm chai đạt yêu cầu chiếm tỉ lệ 90% và có 10% lỗi
Hình 6.13: Biểu đồ đánh giá
Chai đạt yêu cầuChai lỗi
