Báo cáo Đồ Án thiết kế cơ Điện tử dự Án nghiên cứu và mô phỏng dây chuyền phân loại và Đóng gói tự Động sản phẩm thanh long

Sau khi tìm hiểu một số đề tài về các dây truyền sản xuất, đóng gói, … Nhóm bọn em đã quyết định lựa chọn, sử dụng PLC để điều khiển dây truyên phân loại và đóng gói thanh long.. 2.1.1 G

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CƠ ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài:

Cùng với sự phát triển của quá trình Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nền kinh tế nước ta ngày càng phát triển Để phù hợp với sự phát triển đó, năng suất tróng lao động là ưu tiên cấp thiết nhất

Để tăng năng suất lao dộng trong thời kì hiện đại hóa, công nghiệp hóa Ta phải hạn chế tối đa nhân công làm việc và áp dụng các máy móc tự động, các dây truyền để

có được năng suất lao động tốt nhất Có nhiều sáng kiến, phát minh đã được tạo ra để

áp dụng sản xuất, có những sáng kiến được biết đến và sử dụng rộng rãi ở các nhà máy hay những hộ kinh doanh, nhưng cũng có những phát không được chú ý Con người luôn phát triển và những phát minh, sáng kiến đó cũng không ngừng phát triển

và hoàn thiện để ngày càng nâng cao năng suất hơn giúp phát triển mạnh mẽ nền kinh

tế

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại trái cây ngon được bán với mẫu mã đẹp và được bao cẩn thận Và trước khi đến được tay người tiêu dung, nó đã trải qua nhiều công đoạn từ thu hoạch, phân loại, bao bọc, đóng thùng, Để quá trình diễn ra nhanh hơn và đạt hiệu quả cao thì đã có nhiều dây truyền với nhiều thiết bị, nguyên lí hoạt động, cách điều khiển khác nhau Sau khi tìm hiểu một số đề tài về các dây truyền sản xuất, đóng gói, … Nhóm bọn em đã quyết định lựa chọn, sử dụng PLC để điều khiển dây truyên phân loại và đóng gói thanh long

1.2 Mục tiêu của đề tài:

Dựa vào thực trạng vấn đề nghiên cứu, nhóm chúng em đề xuất dự án “Nghiên cứu và mô phỏng dây chuyền phân loại và đóng gói tự động sản phẩm thanh long” Hệ thống này có chức năng:

 Tăng năng suất, sản xuất, sử dụng máy móc hổ trợ dây chuyền sản xuất thay cho sức người

 Phân loại sản phẩm theo khối lượng tiêu chuẩn đảm bảo được độ chính xác

 Đóng gói được thực hiện nhanh chóng, giảm thời gian trong các công đoạn đóng gói

 Việc đóng gói sản phẩm có độ thẩm mỹ cao và đúng cách giúp việc bảo quản

và vận chuyển sản phẩm dễ dàng hơn

 Sắp xếp tối ưu sản phẩm, tăng năng suất và hiệu quả tránh gây ra các vấn đề về

an toàn và hư hỏng sản phẩm

1.3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

- Ý nghĩa khoa học: góp phần thúc đẩy sự phát triển của các nghiên cứu khác, làm nền tảng cho những phát minh có ích sau này

- Ý nghĩa thực tiễn:

 Giảm tỉ lệ tai nạn trong quá trình sản xuất

 Nâng cao tỉ lệ chính xác khi phân loại

 Giảm nhân công và năng suất được tăng cao

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

3.3.1 Đối tượng nghiên cứu:

- Dây truyền phân loại và đóng gói thanh long

- Kết cấu cơ khí, nguyên lí hoạt động

- Mô hình dây truyền (mô phỏng)

3.3.2 Phạm vi nghiên cứu:

- Tìm hiểu về nhu cầu sử dụng các dây truyền

- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lí của các thiết bị trong dây truyền

- Chế tạo mô hình thực nghiệm cho hệ thống phân loại thanh long

1.5 Phương pháp nghiên cứu:

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu:

Các công việc xử lí hoa quả đã được thực hiện từ xưa đến nay bằng nhiều phương pháp Từ xử lí bằng tay, bằng sức người và dần dần ta đã áp dung công nghệ

để có thể nâng cao năng suất lao dộng hơn

Khi xử lí hoa quả thủ công thì nhiều nhược điểm như:

 Tốn nhiều nhân công;

 Năng suất không cao;

 Chi phí sản xuất cao;

 Không đảm bảo vê sinh an toàn

Những nhược điểm trên cùng với sự phát triền của xã hội và đặc biệt là về lĩnh vực công nghiệ, khoa học Thì việc xử lí hoa quả đã được nâng cấp sử dụng dây truyền, máy móc để hạn chế các nhược điểm

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại hoa quả và mỗi nhà máy xử lí, đóng gói đều có dây truyền công nghệ phù hợp với loại quả đó Tuy nhiên, sau khi tìm hiểu

về một số dây truyên đã có sẵn, nhóm bọn em đã quyết định chọn đề tài về quả thanh long Vì dây truyền còn nhiều hạn chế và nhiều qua trình vần sử dụng nhiều nhân công hay các loại máy móc chưa được tối ưu Vì thế, việc chọn dây truyền xử lí thanh long là để cải tiến, nâng cấp, tìm ra phương pháp nâng cao tối đa hiệu quá của dây duyền sản xuất

2.1.1 Giới thiệu hệ thống cân định lượng:

Cân định lượng là một hệ thống cân điện tử động, ứng dụng việc cân định lượng khối lượng nguyên liệu cho quá trình sản xuất sản phẩm ngay trên hệ thống băng truyền cấp liệu Việc ứng dụng cân băng định lượng vào dây truyền sản xuất sẽ giúp cho hệ thống sản xuất của nhà máy được diễn ra liên tục, đảm bảo được khối lượng nguyên liệu chuẩn cho sản phẩm đầu ra Giúp cho tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm đạt được tiêu chuẩn cao nhất, giá trị sản phẩm được nâng cao

Các hệ thống cân định lượng hiện nay:

Việc đo lường, kiểm soát các khối lượng trong các nhà máy, xí nghiệp rất quan trọng Trong nhiều quá trình, việc đo lường tốt giúp cho nhà máy hoạt động một cách liên tục, năng suất cao và tạo ra những sản phẩm tốt

Ngày nay, các hệ thống hiện đại đòi hỏi các hệ thống phải có độ chính xác cao

và năng suất lớn, được kết nối với các thiết bị khác trong hệ thống sản xuất đã cho ra đợi các hệ thống cân điện tử đo lường sử dụng loadcell Qua đó tiết kiệm chi phí tiêu hao nguyên liệu, tăng năng suất, quản lý được chi phí sản xuất

Các hệ thống cần sử dụng loadcell thường dùng như: Cân bồn, cân phễu cân băng tải, cần dạng cơ,

Hình 2.1: Một số hệ thống cân thông thường

2.1.2 Băng tải cân định lƣợng:

Băng cân tải định lượng là một hệ thống băng tải kết hợp với cân điện tử Nó

có thể cân định lượng khối lượng sản phẩm nguyên liệu vật liệu cho quá trình sản xuất sản phẩm ngay trên hệ thống băng truyền cấp liệu Điều này giúp cho quá trình hoạt

sản xuất của doanh nghiệp được diễn ra liên tục, đảm bảo được khối lượng thành phần nguyên liệu cho sản phẩm là đạt chuẩn Từ đó giúp cho chất lượng sản phẩm đầu ra tốt nhất, đạt tiêu chuẩn cao và mang lại nhiều giá trị hơn

2.1.2.1 Cấu tạo:

Băng tải cân định lượng gồm:

Hình 2.2: Cấu tạo băng tải cân định lượng

- Khung cơ khí phần giá đỡ toàn bộ hệ thống: phễu chứa và cấp liệu, hệ thống con lăn băng tải, băng tải vận chuyển nguyên liệu, một số linh kiện, phụ kiện hỗ trợ khác

- Hệ thống cảm biến, điều khiển: thiết bị cảm biến lực (loadcell cân định lượng), thiết bị cảm biến tốc độ, bộ chỉ thị điều khiển, biến tần, động cơ truyền động

- Hệ thống điều khiển tự động hóa: hệ thống tủ điện điều khiển trung tâm, phần mềm điều khiển băng tải cân định lượng

2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của băng tải cân định lƣợng:

- Cấp liệu - Cấp liệu lên băng tải - Xác định khối lượng/xác định tốc độ chạy - Phân tích thông số thô - Xác định được khối lượng chuẩn – Điều khiển định mức chuẩn

- Bộ phận cảm biến: (Loadcell cảm biến trọng lượng, encoder cảm biến tốc độ): Được gá trên những con lăn nhỏ, tại nơi đây sẽ xuất hiện những trọng lực tác dụng trực tiếp lên con lăn và thông số đó sẽ được gửi về bộ phận điều khiển Encoder cảm biến tốc độ sẽ có nhiệm vụ kiểm tra tốc độ chạy của băng tải, từ đó sẽ đưa ra được thông số tốc độ của băng tải Kết hợp 2 thông số này lại sẽ có được thông số khối lượng trên giờ để điều chỉnh được chính xác nhất

- Bộ phận điều khiển (Đầu cân hiển thị điều khiển, tủ điện điều khiển cân băng, phần mềm cân băng): Từ những thông số kỹ thuật truyền về từ cảm biến tốc độ và cảm biến lực, qua đầu cân điều khiển xử lý thông tin sau đó sẽ được gửi về phần mềm điều khiển trên máy tính Từ đây những thông số thô sẽ được xử lý và phản hồi ngược lại tủ điện Tại tủ điện điều khiển trung tâm sẽ có được những quyết định, thông số thời gian chạy trên băng và từ đó kiểm soát được đúng định mức khối lượng /thời gian cân thiết

2.1.3 Giới thiệu máy đóng gói tự động trục ngang:

Là máy đóng gói tự động cho các sở sản xuất chế biến các sản phẩm thông dụng trong siêu thị, các hộ kinh doanh cá thể Máy đóng gói tự động nằm ngang cho các sản phẩm ở dạng rắn cố định như kẹo, các loại bánh quy, bánh mì … với đặt tính

là 1 sản phẩm trong 1 gói hoặc đóng nguyên bịch nhiều sản phẩm, trong đóng gói rau

củ quả… Máy gồm phần máy tạo túi dạng biên giữa và phần băng chuyền để chuyển sản phẩm vào túi đóng

Hình 2.3: Máy đóng gói ngang

Máy đóng gói ngang bao gồm các bộ phận chính:

- Băng tải: để máy hoạt động nhanh chóng và tiện lợi thì băng tải là một phần không thể thiếu Phần băng tải của máy kéo dai đóng vai trò như một đầu cấp sản phẩm

và đầu đưa thành phẩm ra bên ngoài

- Bộ phận làm túi: máy đóng gói ngang có trang bị một hệ thống định hình túi để đưa sản phẩm vào bên trong Kèm theo đó là bộ phận lắp đặt cuộn màng bao bì có thể thay đổi linh hoạt với nhiều loại kích cỡ bao bì khác nhau

- Bộ phận niêm phong túi: sản phẩm sau khi được đưa vào túi sẽ được máy chuyển trục tiếp đến bộ phận hàn ép miệng túi thông qua băng tải Các bộ phận ép nhiệt sẽ thực hiện niêm phong các túi sản phẩm một cách đều và đẹp mắt

- Hệ thống điều khiển: điều khiển tự động, cho phép người dùng có thể điều chỉnh các thông số như tốc độ băng tải, nhiệt độ hàn ép, …

2.2 Các nghiên cứu đã có trên thị trường:

Hiện nay có các hình thức phân loại đóng gói và lưu kho thanh long như sau:

- Nhược điểm: cần sức người để thu nhận đóng gói và lưu kho sản phẩm

- Nhược điểm: cần chi phí thuê nhân công lớn

2.3 Nhận xét đưa ra phương án:

Mỗi phương pháp trên đều có các ưu và nhược điểm khác nhau nhưng tất cả đều còn phải cần sức người trong quá trình máy làm việc và chi phí sản xuất còn khá cao

Với các nhược điểm trên, nhóm em đưa ra giải pháp thiết kế dây chuyền sử dụng băng tải có khả năng tự động phân loại và đóng gói trái thanh long dễ sử dụng, chi phí giảm thiểu

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 3.1 Mô tả hoạt động của hệ thống:

3.3.1 Tên hệ thống:

- Thiết kế hệ thông phân loại thanh long theo khối lượng

3.3.2 Yêu cầu:

- Trang bị điện cho Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng

3.3.3 Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống:

- Hệ thống nhằm phân loại thanh long thành 2 loại 1 & 2

 Loại 1: 461- 600g;

 Loại 2: 381- 460g

- Những quả thanh long đạt yêu cần về khối lượng sẽ được phân loại để xuất khẩu

và bán trong các siêu thị, những sản phẩm không đạt yêu cần sẽ được giữ lại phân phối cho các thương lái bán ra các chợ đầu mối

- Hệ thống gồm 3 băng tải:

 Băng tải 1 được lắp them cảm biến sản phẩm (tiềm cận) để nhằm phát hiện sản phẩm đã vào vị trí định lượng hay chưa Bên dưới băng tại được bộ trí 1 bàn cân, bàn cân này được đặt trên 1 cảm biến khối lượng loadcell để xác định khối lượng sản phẩm Phần cuối băng tải có them cảm biến và cần gạt để phân loại sản phẩm

 Băng tải thứ 2 phía trên băng tải có bộ phận cấp bọc và cắt nhiệt, phía sau bộ phận cắt nhiệt có 2 cảm biến sản phẩm loại 1 và 2 để xác định xem còn sản phẩm hay không nếu không sẽ dừng hoạt động

 Băng tải 3 để cấp thùng cho dây truyền và dẫn thùng đến hệ thống dán thùng thành phẩm Ngoài ra băng tải còn được lắp thêm 2 cảm biến để xác định vị trí thùng loại 1, 2 đứng nhận thanh long Phía trên băng có máy dán thùng

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống

3.2 Yêu cầu hệ thống:

- Hệ thống xác định và phân loại thanh long theo khối lượng

- Chiều dài của băng tải: Băng tải 1 & 3 chiều dài 2(m), băng tải 2 dài 1(m)

- Vận tốc di chuyển của vật: 10 (m/phút)

- Phân loại được sản phẩm (loại 1: 461 - 600g, loại 2: 381 - 460g)

- Có khả năng chịu quá tải đến 4,5 (kg)

- Cảm biến nhận dạng được thanh long (phi kim)

- Xy lanh có hành trình 250 mm

3.3 Lựa chọn cảm biến tiệm cận:

3.3.1 Yêu cầu:

- Phát hiện được nông sản: thanh long

- Có thời gian đáp ứng nhanh

- Có điện áp ngõ ra phù hợp với điện áp ngõ vào của PLC là 24 VDC

3.3.2 Lựa chọn cảm biến phù hợp:

* Từ những yêu cầu trên ta chọn cảm biến tiệm cận loại điện dung CR30-18DN

Hình 3.2 Cảm biến tiệm cận loại điện dung CR30-18DN

* Thông số kỹ thuật:

- Có thể phát hiện sắt, kim loại, nhựa, nước, đá, gỗ, v.v

- Tuổi thọ dài và độ tin cậy cao

- Có mạch bảo vệ nối ngược cực nguồn, quá áp

- Dễ dàng điều chỉnh khoảng cách phát hiện với biến trở điều chỉnh độ nhạy bên trong

- Có thể kiểm tra trạng thái hoạt động bằng chỉ thị LED Đỏ

Khối lượng tối đa của loadcell phải lớn hơn tổng khối lượng bàn cân cộng với

khối lượng đối tượng

 Khối lượng bàn cân: 2 (Kg)

 Khối lượng đối tượng cần đo: từ 0.4 đến 1 (Kg)

 Tổng khối lượng tối đa = 2 + 1 = 4 (Kg)

3.4.2 Lựa chọn loadcell:

* Từ yêu cần trên, ta chọn loadcell UWE dạng thanh

Hình 3.3: Loadcell UWE dạng thanh

 Điện trở vào: 410 ± 10 Ohms

 Điện trở ra: 350 ± 3 Ohms

 Dãy nhiệt độ hoạt động: -20oC đến 60o

C

 Cấp bảo vệ: IP66

3.5 Bộ khuếch đại loadcell chuẩn công nghiệp:

Hình 3.4: Bộ khuếch đại loadcell MKcells KM02A

Trong thực tế và trong sản xuất công nghiệp nếu liên quan đến định lượng dung loadcell thì thiết bị thường đi kèm với bộ khuếch đại chuẩn cho loadcell Hoặc có thể

sử dụng bộ đầu cân chuẩn có tích hợp bộ khuếch đại cho loadcell, thông thường giá của bộ đầu cân rất đắt tiền, nếu có ngõ ra analog thường giá rất cao, thích hợp dung cho công nghiệp như: đầu cân MP30, XK3190-A9, FS1200a, FS8000a, …

Bộ khuếch đại loadcell thường có 2 loại: khuếch đại cho ra dòng hoặc áp, và loại chỉ cho ra áp như MKcells KM02, KM02A, …

Thông số kỹ thuật bộ khuếch đại MKcells loại KM02A:

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật KM02A

3.6 Module mở rộng Analog EM 231:

3.6.1 Cấu tạo:

Trong thực tế module analog được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy dây chuyền sản xuất hiện đại, trong công nghiệp, trong các lĩnh vực điều khiển liên tục Ví dụ như điều khiển biến tần, điều khiển lưu lượng, nhiệt độ, áp suất,

… Trong đề tài này, nhóm ứng dụng modul analog EM 231 vào việc đo khối lượng, lấy tín hiệu khuếch đại từ loadcell, biến đổi AD và truyền dữ liệu về CPU 224 xử lý

sau đó xuất kết quả lên giao diện WinCC

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN 4.1 Sơ đồ mạch điều khiển:

Sơ đồ khối:

Hình 4.1: Sơ đồ khối

Sơ đồ đấu dây:

Hình 4.3: Sơ đồ điều khiển gắn PLC 1

Hình 4.4: Sơ đồ điều khiển gắn PLC 2

Hình 4.5: Sơ đồ PLC

Hình 4.5: Sơ đồ động cơ

4.2 Các thành phần của hệ thống điều khiển:

4.3 Lưu đồ giải thuật (chương trình chính, chương trình con, )

CHƯƠNG 5: THI CÔNG HỆ THỐNG

5.1 Thi công hệ thống cơ khí:

5.2 Thi công hệ thống điều khiển:

5.3 Lưu đồ giải thuật, phần mềm và chương trình điều khiển:

Lưu đồ thuật toán

Chương trình điều khiển:

 Chương trình Main

 Chương trình con Analog

 Chương trình con Auto_mode

 Chương trình con Manu_mode

 Chương trình con chế độ Auto_Mode

 Chương trình con Simulation

5.4 Kết nối và vận hành hệ thống

 Thiết kế thành công dây truyền phân loại và đóng gói thanh long

 Biết áp dụng PLC vào điều khiển dây truyền

 Thiết kế thêm phần đóng gói cho dây truyền

 Biết thêm nhiều thiết bị kỹ thuật, thiết bị cơ khí

 Học hỏi, rút ra được nhiều kinh nghiệm, cách làm việc để có một nền tảng vững chắc cho đồ án lớn sau này

6.2 Nhận xét đánh giá:

 Dây truyền phân loại và đóng gói thanh long được lắp ghép từ nhiều các thiết bị khác nhau, được nối hoạt động với nhau bằng những băng tải và hoạt động trơn chu nhờ các cảm biến

 Tuy chỉ làm mô phỏng mô hình dây truyền vì tình hình dịch bệnh phức tạp nhưng cũng đã giúp bọn em biết thêm về cách sử dụng phần mềm mô phỏng khác nhau

để mai sau khi đi làm việc, với những dự án thiết kế thì ta có thể mô phỏng trước xem cách hoạt động để giảm bớt kinh phí trong quá trình nghiên cứu

 Làm mô phỏng thì không được thử nghiệm trực tiếp cách lắp ráp, cách hoạt động hay những tình huống gặp phải trong quá trình lắp ráp thử nghiệm Nhưng làm mô phỏng lại đỡ kinh phí mua vật vật liệu làm mô hình nhưng vẫn thấy nguyên lí, cách lắp đặt cũng là một vấn đề đáng lưu tâm trong các phát minh hay dây truyền hoạt động khác

 Dây truyền thanh long tuy không phổ biến nhưng nó vẫn có tác động tích cực đến quá trình cho ra những quả thanh long đạt chuẩn đến tay người tiêu dung và xuất khẩu Vì dây truyền dựa trên nguyên lí phân loại theo khối lượng, nên cũng sẽ áp dụng được vào nhiều loại quả khác nhau tùy nhu cầu