Đồ án "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy chiết rót nước cam đóng chai tự động" với mục đích là phát triển một hệ thống tự động hóa để nâng cao năng suất và độ chính xác cho quy trình ch
GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Trong bối cảnh cam Vĩnh Long đang gặp khó khăn với giá cả chỉ khoảng 2500đ/kg, nhóm chúng em nhận thấy nhu cầu cấp thiết trong việc hỗ trợ nông dân giải quyết vấn đề này thông qua chế biến và tiêu thụ sản phẩm Sau khi thực hiện khảo sát và nghiên cứu, chúng em đã quyết định phát triển máy chiết rót nước cam đóng chai tự động, với hy vọng cung cấp giải pháp hiệu quả cho sản xuất nước cam Đồng thời, sản phẩm này có thể mở rộng ứng dụng để chiết rót các loại nước đóng chai khác hoặc áp dụng cho các sản phẩm ở dạng sệt.
Quy trình chiết rót nước cam tại Việt Nam hiện nay gặp nhiều thách thức, từ việc đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm đến sử dụng nhiều lao động và có nhiều công đoạn trong quá trình đóng chai và bảo quản Những khó khăn này không chỉ ảnh hưởng đến an toàn và chất lượng sản phẩm mà còn làm tăng chi phí và thời gian sản xuất Tất cả những yếu tố này trực tiếp tác động đến thu nhập của nông dân và giảm khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường.
Nhóm chúng em đã chọn đề tài máy chiết rót nước cam đóng chai tự động vì những lợi ích nổi bật mà nó mang lại Đầu tiên, tính tự động hóa hoàn toàn giúp giảm sự phụ thuộc vào lao động và tối ưu hóa quy trình sản xuất Thứ hai, máy chiết rót này không chỉ tiết kiệm thời gian sản xuất mà còn nâng cao chất lượng, từ đó tăng năng suất và thu nhập cho người nông dân Cuối cùng, máy đảm bảo an toàn thực phẩm, giúp sản phẩm đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.
Chúng tôi hy vọng rằng nghiên cứu và chế tạo máy chiết rót nước cam đóng chai tự động sẽ nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp và góp phần phát triển ngành công nghiệp trong nước Vì vậy, nhóm chúng tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy chiết rót nước cam đóng chai tự động” để giải quyết những vấn đề này.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Trong bối cảnh nông sản Việt Nam đang đối mặt với tình trạng được mùa mất giá và khó khăn trong tiêu thụ, nhóm chúng tôi mong muốn phát triển một sản phẩm nhằm hỗ trợ nông dân trong việc chế biến và bán hàng một cách dễ dàng hơn.
Sau khi tham dự triển lãm quốc tế về công nghệ xử lý, chế biến và đóng gói bao bì, nhóm chúng em nhận thấy sự cần thiết và tiềm năng to lớn của việc áp dụng công nghệ vào quy trình sản xuất Việc tích hợp công nghệ hiện đại không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.
2 trình sản xuất nông sản Trong đó, thị trường chiết rót đáng chú ý, đặc biệt là với các doanh nghiệp nhỏ và cửa hàng đóng chai
Quy trình chiết rót truyền thống tiêu tốn nhiều thời gian và cần nhiều công nhân, dẫn đến năng suất thấp và chi phí sản xuất cao, ảnh hưởng đến khả năng cạnh tranh với các doanh nghiệp lớn và nước ngoài Do đó, nhóm chúng tôi tin rằng phát triển máy chiết rót tự động sẽ mang lại lợi ích kinh tế và hỗ trợ sự phát triển bền vững cho ngành nông nghiệp Việt Nam.
1.2.1 Ý nghĩa khoa học Đề tài này không chỉ đơn thuần là một dự án thực hành mà còn mang lại ý nghĩa khoa học sâu sắc trong lĩnh vực thiết kế chế tạo, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp và kinh doanh Qua quá trình nghiên cứu và phát triển máy chiết rót nước cam đóng chai tự động nhóm chúng em đã nhận thức được tầm quan trọng của việc áp dụng những công nghệ vào quy trình sản xuất từ đó giúp tối ưu hóa hiệu suất cũng như nâng cao chất lượng sản phẩm Đồng thời đồ án cũng giúp chúng em có thể học hỏi và phát triển những kỹ năng và kiến thức được học trên ghế nhà trường đề có thể áp dụng vào thực tế và giải quyết được những vấn đề thực tế trong nên công nghiệp nước nhà
Việc phát triển sản phẩm mới từ đồ án này không chỉ thúc đẩy sự sáng tạo mà còn góp phần tích cực vào sự phát triển của nền công nghiệp Việt Nam Chúng tôi hy vọng rằng những kết quả đạt được sẽ hỗ trợ cho sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp và nền kinh tế đất nước.
1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn Đối với thực tiễn, đồ án nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy chiết rót nước cam đóng chai tự động mang lại những ý nghĩa rất lớn Quan trọng nhất là cải thiện quy trình sản xuất nước cam đóng chai tại các quán cafe và doanh nghiệp sản xuất nước đóng chai, từ đó có thể tối ưu các quy trình sản xuất đến việc đảm bảo chất lượng và vệ sinh an toàn thực phẩm
Việc áp dụng máy chiết rót tự động không chỉ nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động, từ đó giảm bớt sai sót và lãng phí nguyên liệu Điều này mang lại lợi ích cho doanh nghiệp, giúp họ cạnh tranh hiệu quả hơn trên thị trường và sản xuất các sản phẩm chất lượng cao đáp ứng nhu cầu tiêu dùng hàng ngày Hơn nữa, việc sử dụng máy chiết rót tự động còn tạo ra một môi trường làm việc an toàn cho nhân viên.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Mục tiêu tổng quát: nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy chiết rót nước cam đóng chai tự động
+ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy chiết rót có thể chiết vào chai và đóng nắp chai tự động
+ Nghiên cứu, tính toán và thực nghiệm hệ thống chiết rót và đóng chai
+ Ứng dụng PLC vào quá trình điều khiển máy nhằm mục đích tự động hóa hoàn toàn quy trình vận hành máy.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Máy chiết rót và đóng chai nước cam đóng chai tự động
- Đối tượng chiết rót là chai 350ml
- Năng suất chiết 1000-1500 chai/ 8 giờ
- Về không gian: các quán cafe và những cơ sở sản xuất nước đóng chai vừa và nhỏ trên địa bàn Thành phố Thủ Đức
- Thời gian thực hiện đề tài:
- Phạm vi về nội dung thực hiện:
+ Điều khiển hoàn toàn bằng PLC, người dùng chỉ cần bật nút và máy tự hoạt động và đưa ra sản phẩm cuối cùng
+ Các cơ cấu phải đảm bảo an toàn vệ sinh an toàn thực phẩm.
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở phương pháp luận Đồ án nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy chiết rót nước cam đóng chai tự dộng dựa trên các cơ sở phương pháp luận sau:
Dựa vào quy trình chiết rót nước cam thủ công, chúng tôi đã phân tích và từ đó thiết kế quy trình tự động hóa Phương pháp này giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về các bước và quy trình cần thiết trong việc chiết rót nước cam, đồng thời xác định những khía cạnh cần được cải thiện.
Phân tích nhu cầu và xu hướng tiêu thụ nước cam trên thị trường là rất quan trọng để xác định các yếu tố cần tập trung trong nghiên cứu và phát triển nông sản Việc hiểu rõ thị trường sẽ giúp tối ưu hóa sản phẩm và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người tiêu dùng.
Mục đích của đồ án là nâng cao và phát triển tự động hóa các quy trình nhằm giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất sản xuất.
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể Đồ án sử dụng các phương pháp nghiên cứu cụ thể sau:
Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu là cần thiết để nghiên cứu hệ thống điều khiển PLC, điện khí nén và các hệ thống cơ khí phổ biến hiện nay Việc kết hợp lý thuyết với thực tiễn sẽ giúp giải quyết hiệu quả các vấn đề liên quan đến các hệ thống này.
Phương pháp kiểm nghiệm và thu thập số liệu bao gồm việc tính toán và thiết kế mô hình máy chiết rót nhằm đánh giá chất lượng và hiệu suất của thiết bị Quá trình kiểm nghiệm này cho phép chúng tôi cải tiến và tối ưu hóa thiết kế máy, đồng thời loại bỏ các lỗi và tăng cường tính ổn định trong quá trình vận hành.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Thăm dò và khảo sát ý kiến của người sử dụng
- Khảo sát các loại máy chiết rót, đóng chai tự động đang có trên thị trường để chọn các phương án thiết kế và cải tiến phù hợp
- Cải tiến các bộ phận của máy để đáp ứng được nhu cầu sử dụng của khách hàng
- Thiết kế gọn nhẹ, tiện lợi, đảm bảo an toàn thực phẩm và dễ sử dụng
- Tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm
- Thực nghiệm và đánh giá sản phẩm
- Các tính năng của máy chiết rót và đóng chai nước cam tự động: chiết rót nước, đóng chai
- Thiết kế kiểu dáng cho máy
- Chọn vật liệu, phương pháp sản xuất và chế tạo cho các chi tiết của máy.
Các vấn đề cần giải quyết
Vấn đề 1: Đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm
Vấn đề 2: Tự động hóa hoàn toàn các quy trình
Vấn đề 3: Đảm bảo dễ dàng sử dụng để phù hợp với người tiêu dùng
Vấn đề 4: Phát triển thêm chức năng đóng chai
Nội dung đề tài
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP
Chương 5: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ/ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY CHIẾT RÓT NƯỚC CAM TỰ ĐỘNG
Chương 6: CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Chương 7: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Tìm hiểu chung về công nghệ chiết rót và đóng chai
Chiết rót là quá trình quan trọng trong ngành thực phẩm và đồ uống, liên quan đến việc sử dụng máy móc để sang chiết các loại dung dịch lỏng và sệt như nước, sốt, mật ong và các loại nước chấm vào chai lọ hoặc túi Các thiết bị chiết rót hiện nay hoạt động theo nhiều nguyên lý khác nhau, bao gồm máy chiết rót bằng bơm bánh răng, bơm piston, bơm trục vít, lưu lực kế và phương pháp chiết rót đối lưu Mục tiêu chính của quá trình chiết rót là chuyển sản phẩm từ bồn chứa lớn sang các chai nhỏ hơn để phân phối ra thị trường.
Công nghệ chiết rót đang dần thay thế lao động tay chân truyền thống, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí lao động tối đa Việc này không chỉ giảm chi phí sản xuất mà còn tăng khả năng cạnh tranh cho doanh nghiệp Hiện nay, hầu hết các doanh nghiệp trong ngành sản xuất đều áp dụng công nghệ chiết rót để nâng cao hiệu quả hoạt động.
Phân loại các phương pháp chiết rót định lượng
Hiện nay, thị trường có ba phương pháp chiết rót định lượng: sử dụng bình định mức, chiết tới mức cố định và chiết theo thời gian Trong số đó, phương pháp sử dụng bình định mức và chiết tới mức cố định là phổ biến nhất cho các sản phẩm lỏng.
- Chiết rót định lượng kiểu tới định mức:
Máy chiết rót định lượng kiểu van là thiết bị đơn giản với các thành phần chính như bình lường có chia vạch, van ba ngã, ống thông hơi linh hoạt, ống nối nạp bình lường và ống rót Lượng chất lỏng được chiết rót vào bình lường được điều chỉnh theo vị trí của đầu ống thông ở dưới.
Hình 2.1 Sơ đồ chiết rót định lượng kiểu van [23]
- Chiết rót định lượng kiểu van:
Máy chiết rót kiểu bình lường và van trượt hoạt động dựa trên cơ chế đơn giản nhưng hiệu quả Ở đáy bình chứa, một lò xo được lắp đặt để giữ van trượt ở vị trí thấp nhất, giúp miệng của bình lường nằm dưới mặt thoáng của chất lỏng trong bình chứa Khi van trượt được nâng lên một mức nhất định, bình lường chứa chất lỏng sẽ được đưa lên cao hơn mặt thoáng trong bình, đảm bảo quá trình chiết rót chính xác và hiệu quả.
Khi các lỗ trên van trượt và ống lót khít nhau, chất lỏng trong bình lường sẽ chảy vào bao bì Sau khi chất lỏng đã chảy hết, bình lường được hạ xuống để tiếp tục quá trình lấp đầy, và chu trình này sẽ lặp lại Lượng chất lỏng chảy vào bao bì tương đương với thể tích của bình lường, vì vậy để điều chỉnh định lượng, cần thay đổi bình lường sao cho có thể tích phù hợp.
Hình 2.2 Sơ đồ máy chiết rót kiểu bình lường và van trượt [23]
- Chiết rót kiểu đẳng áp:
Máy chiết rót kiểu đẳng áp được sử dụng để rót các chất lỏng có nạp khí, như nước giải khát có ga, nhằm giảm thiểu sự mất mát CO2 trong quá trình chiết rót.
Hình 2.3 Sơ đồ chiết rót kiểu đẳng áp dùng để rót chất lỏng có nạp khí [23]
Tìm hiểu chung về máy chiết rót định lượng
Cấu tạo của máy chiết rót định lượng
Hình 2.4 Giai đoạn chuẩn bị [23]
Hình 2.6 Giai đoạn hoàn tất [23]
Máy chiết rót định lượng, hay còn gọi là máy chiết rót dung dịch, là thiết bị quan trọng để chiết một lượng cố định sản phẩm lỏng vào bao bì như chai, lọ, bình và thùng chứa Hiện nay, máy chiết rót định lượng ngày càng phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm dược phẩm, mỹ phẩm và đặc biệt là ngành đóng chai đồ uống.
Việc sử dụng máy chiết rót định lượng mang lại nhiều lợi ích quan trọng:
Máy chiết rót đảm bảo vệ sinh bằng cách giảm thiểu tiếp xúc giữa sản phẩm và tay người lao động, giúp giảm nguy cơ ô nhiễm và nâng cao an toàn thực phẩm.
Máy chiết rót định lượng giúp tăng cường năng suất sản xuất nhờ vào khả năng hoạt động hiệu quả và nhanh chóng, giảm thiểu thời gian dừng máy và tối ưu hóa quy trình chiết rót.
Sử dụng máy chiết rót giúp đảm bảo định lượng sản phẩm chính xác và đồng nhất, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu của khách hàng.
Máy chiết rót định lượng tự động giúp tiết kiệm thời gian và chi phí bằng cách tự động hóa quy trình chiết rót, thay vì dựa vào lao động thủ công.
Máy chiết rót định lượng giúp nâng cao năng suất, đảm bảo vệ sinh và độ chính xác, đồng thời tối ưu hóa quy trình sản xuất và gia tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường.
Một số ưu nhược điểm của máy chiết rót định lượng
Định lượng chính xác trong quá trình chiết rót là yếu tố quan trọng, giúp đảm bảo độ chính xác theo định mức và giảm thiểu sai số Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc mà còn mang lại lợi ích lớn cho người dùng.
Chiết xuất nhiều loại dung dịch đa dạng, bao gồm sản phẩm lỏng có ga và không có ga, cũng như các sản phẩm trong lĩnh vực sản xuất đồ uống và hóa chất.
- Độ bền cao: máy được sản xuất và lắp ráp từ những linh kiện, vật liệu tốt và chất lượng cao được kiểm nghiệm kỹ càng
Máy có thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm không gian lắp đặt và dễ sử dụng với quy trình vận hành đơn giản Chỉ cần làm theo hướng dẫn, người dùng có thể nhanh chóng sử dụng máy một cách hiệu quả.
- Giá thành sản xuất còn khá cao
- Máy không thể chiết rót các dung dịch quá đặc hay có lẫn chất rắn trong thành phần
- Mất khá nhiều thời gian cho việc vệ sinh máy.
Nguyên lý của máy chiết rót định lượng
Máy chiết rót định lượng hoạt động dựa trên ba nguyên lý cơ bản: định lượng theo bình định mức, định lượng theo mức và định lượng theo thời gian chảy Trong đó, hai phương pháp phổ biến nhất là định lượng theo bình định mức và định lượng theo mức, được ưa chuộng cho các sản phẩm lỏng nhờ vào độ chính xác và hiệu quả trong quá trình chiết rót.
Phương pháp rót áp suất thường:
Phương pháp chiết rót này hoạt động dựa trên sự chênh lệch độ cao thủy tĩnh giữa thùng chứa chất lỏng và chai Khi chai được đặt dưới vòi, chất lỏng sẽ tự động chảy vào chai nhờ vào trọng lực và sự chênh lệch độ cao.
Phương pháp chiết rót này rất hiệu quả cho các chất lỏng có độ nhớt thấp như nước, nước hoa quả và sữa Nhờ vào tốc độ chảy chậm của các chất lỏng này, quá trình chiết rót có thể được kiểm soát một cách chính xác, đảm bảo chất lượng sản phẩm.
- Nhược điểm: Tuy nhiên, với các chất lỏng có độ nhớt cao, phương pháp này không phù hợp do tốc độ chảy quá chậm và không ổn định
Phương pháp rót chân không:
Nguyên lý hoạt động của phương pháp này là kết nối chai với hệ thống hút chân không, tạo ra chênh lệch áp suất giữa thùng chứa chất lỏng và bên trong chai Chênh lệch áp suất này giúp chất lỏng chảy vào chai một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Phương pháp rót chân không là kỹ thuật phổ biến cho các sản phẩm đòi hỏi độ chính xác cao, đặc biệt trong việc bù trừ hoặc chiết đầy chai Ứng dụng của phương pháp này chủ yếu trong ngành dược phẩm, hóa chất, và sản phẩm chăm sóc cá nhân.
- Ưu điểm: Đảm bảo tốc độ chiết rót nhanh hơn và kiểm soát tốt hơn đối với các chất lỏng có độ nhớt trung bình đến cao
- Nhược điểm: Hệ thống này phức tạp hơn và yêu cầu bảo trì thường xuyên để đảm bảo hoạt động ổn định
Nguyên lý chiết rót đẳng áp:
Phương pháp chiết rót sản phẩm có ga như bia và nước ngọt hoạt động bằng cách duy trì áp suất bên trong chai cao hơn áp suất khí quyển, nhằm ngăn chặn sự thoát ra của CO2 Trong quá trình này, CO2 được nạp vào chai cho đến khi áp suất bên trong đạt mức tương đương với áp suất trong thùng chứa, sau đó chất lỏng sẽ chảy vào chai nhờ vào sự chênh lệch độ cao.
- Ưu điểm: Giữ được lượng CO2 trong sản phẩm, đảm bảo chất lượng và hương vị của các loại đồ uống có ga
- Nhược điểm: Quá trình này phức tạp hơn so với các phương pháp chiết rót khác và yêu cầu kiểm soát áp suất chính xác
Các phương pháp chiết rót không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng và độ an toàn của sản phẩm Việc lựa chọn phương pháp chiết rót phù hợp với từng loại sản phẩm là rất quan trọng cho sự thành công trong sản xuất và kinh doanh Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng, do đó, việc chọn lựa phương pháp thích hợp dựa trên tính chất của chất lỏng và yêu cầu sản xuất cụ thể sẽ mang lại hiệu quả tối ưu.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Độ nhớt
Trong quá trình chiết rót nước cam, độ nhớt đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng di chuyển của nước cam từ bình chứa qua ống dẫn đến vòi chiết Do đó, việc xác định độ nhớt của nước cam là cần thiết để tính toán công suất của máy bơm.
Thông thường để phân biệt chất lỏng người ta sẽ phân thành chất lỏng Newton và chất lỏng phi Newton
Chất lỏng Newton là loại chất lỏng có độ nhớt ổn định bất chấp sự thay đổi của áp suất Các ví dụ điển hình của chất lỏng Newton bao gồm nước cất, dầu thực vật nguyên chất và dầu khoáng.
Chất lỏng phi Newton là loại chất lỏng có độ nhớt thay đổi theo các yếu tố như áp suất, thời gian và nhiệt độ Trong nghiên cứu của nhóm, nước cam được xem là chất lỏng Newton Độ nhớt của chất lỏng có thể được phân loại thành hai loại khác nhau.
- Độ nhớt động lực học μ (độ nhớt tuyệt đối)
Trọng lực và khối lượng riêng
Khi chiết rót, chúng ta có thể tận dụng trọng lực để đổ chất lỏng vào bao bì, nhờ đó có thể áp dụng mối quan hệ giữa trọng lực và khối lượng riêng để thực hiện quy trình chiết rót hiệu quả.
Công thức tính trọng lực:
P là trọng lực (N) m là khối lượng của vật (kg) g là gia tốc trọng trường (9.81 m/s 2 )
Công thức tính khối lượng riêng:
là khổi lượng riêng (kg/m 3 ) m là khối lượng của vật (kg)
V là thể tích của vật (m 3 )
Từ 2 công thức trên ta rút ra được mối liên hệ giữa 2 công thức đó như sau:
Từ công thức trên ta có thể nhận thấy có thể dùng trọng lực để thực hiện quy trình chiết rót nước đóng chai.
Nguyên lý Pascal
Để đảm bảo áp suất trong bình chứa nước cam được phân phối đồng đều, giúp đẩy nước cam qua các van chiết rót vào chai, chúng ta có thể áp dụng nguyên lý Pascal để tính toán áp suất tác động lên một điểm trong chất lỏng không nén.
Công thức nguyên lý Pascal: [1]
P là áp suất (Pa) ρ là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m³) g là gia tốc trọng trường (9.81 m/s²) h là chiều cao của cột chất lỏng (m).
Nguyên lý Bernoulli
Nguyên lý Bernoulli được áp dụng để tính toán áp suất tại các tiết diện khi chuyển động của chất lỏng được coi là biến đổi đều Nguyên lý này mô tả mối quan hệ giữa áp suất, vận tốc và độ cao của dòng chảy, từ đó giúp thiết kế hệ thống ống dẫn hiệu quả, đảm bảo dòng chảy nước cam vào chai được kiểm soát tốt.
Công thức nguyên lý Bernoulli: [3]
Áp suất (P) được đo bằng Pascal (Pa) và phụ thuộc vào khối lượng riêng của chất lỏng (ρ) tính bằng kg/m³, vận tốc dòng chảy (v) tính bằng m/s, gia tốc trọng trường (g) là 9.81 m/s², và độ cao (h) so với mốc chọn tính bằng mét.
Phương trình liên tục
Phương trình liên tục đảm bảo rằng lưu lượng chất lỏng vào và ra của hệ thống chiết rót là không đổi, giúp mỗi chai được cung cấp đúng lượng nước cần thiết.
Công thức phương trình liên tục: [3]
A1, A2 là diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy tại hai điểm khác nhau (m²) v 1, v2 là vận tốc của dòng chảy tại hai điểm khác nhau (m/s).
Định luật Hagen-Poiseuile
Định luật Hagen-Poiseuille mô tả cách dòng chảy của chất lỏng trong ống trụ, cho phép tính toán lưu lượng nước cam qua các ống dẫn và van chiết rót một cách chính xác.
Công thức định luật Hagen-Poiseuile:
Lưu lượng dòng chảy (Q) được tính bằng mét khối trên giây (m³/s), trong khi bán kính của ống (r) được đo bằng mét (m) Sự chênh lệch áp suất giữa hai đầu ống (ΔP) được biểu thị bằng pascal (Pa) Độ nhớt động lực học của chất lỏng (η) được đo bằng pascal giây (Pa·s).
L là chiều dài của ống (m).
Nguyên lý chiết rót
Chiết rót là quy trình thiết yếu trong sản xuất và đóng gói các sản phẩm lỏng như nước giải khát, hóa mỹ phẩm và dược phẩm Quy trình này đảm bảo đo lường chính xác lượng chất lỏng và đưa vào bao bì một cách hiệu quả và an toàn Nguyên lý chiết rót có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau dựa trên cơ sở hoạt động của chúng, với nhiều lý thuyết cơ bản về các nguyên lý này.
Hoạt động này sử dụng trọng lực để đổ chất lỏng vào bao bì, với chất lỏng từ bể chứa cao hơn chảy xuống bao bì nhờ vào lực hấp dẫn.
Phương pháp này rất phù hợp cho việc chiết rót các chất lỏng có độ nhớt thấp và trung bình như nước, rượu và dầu ăn Sử dụng trọng lực giúp quá trình chiết rót diễn ra một cách tự nhiên, loại bỏ nhu cầu sử dụng thiết bị phức tạp.
- Ưu điểm: Đơn giản, dễ vận hành, và chi phí thấp
- Nhược điểm: Không phù hợp với các chất lỏng có độ nhớt cao hoặc có bọt
- Hoạt động: Trong phương pháp này, bao bì được tạo ra một môi trường chân không để hút chất lỏng vào
Ứng dụng của bao bì chân không rất quan trọng cho các sản phẩm dễ bay hơi, như nước hoa và một số loại mỹ phẩm, nhằm đảm bảo chất lượng và độ bền của sản phẩm mà không có sự can thiệp của không khí.
- Ưu điểm: Đảm bảo chất lượng sản phẩm cao, loại bỏ không khí khỏi bao bì
- Nhược điểm: Yêu cầu thiết bị phức tạp và chi phí cao hơn
- Hoạt động: Áp suất cao được sử dụng để đẩy chất lỏng vào bao bì
Ứng dụng của máy chiết rót rất phù hợp cho các chất lỏng có độ nhớt cao hoặc có bọt, như bia và nước ngọt có gas Có hai loại chiết rót chính: chiết rót áp suất bình thường và chiết rót áp suất cao.
- Ưu điểm: Cho phép chiết rót nhanh và hiệu quả, phù hợp với sản phẩm có độ nhớt cao hoặc có bọt
- Nhược điểm: Yêu cầu hệ thống áp suất cao, phức tạp và có chi phí bảo trì cao
Nguyên lý Chiết Rót Đẳng Áp:
- Hoạt động: Sử dụng piston để đẩy chất lỏng vào bao bì
- Ứng dụng: Thích hợp cho các chất lỏng có độ nhớt cao như kem, xà phòng lỏng, và các sản phẩm thực phẩm như mứt hoặc sốt
- Ưu điểm: Đảm bảo độ chính xác cao trong chiết rót, phù hợp với các sản phẩm có độ nhớt cao
- Nhược điểm: Cần bảo trì thường xuyên để đảm bảo hoạt động chính xác
Nguyên lý Chiết Rót Lưu Lượng Kế:
- Hoạt động: Sử dụng các lưu lượng kế để đo chính xác lượng chất lỏng cần chiết rót vào bao bì
- Ứng dụng: Phương pháp này rất chính xác và thường được sử dụng cho các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao về khối lượng hoặc thể tích
- Ưu điểm: Độ chính xác cao, phù hợp với các sản phẩm dược phẩm và mỹ phẩm yêu cầu độ chính xác tuyệt đối
Chi phí thiết bị cao và yêu cầu kỹ thuật phức tạp là những nhược điểm của các nguyên lý chiết rót Mỗi phương pháp chiết rót đều có ưu và nhược điểm riêng, vì vậy việc lựa chọn phương pháp phù hợp dựa trên tính chất của chất lỏng và yêu cầu sản xuất là rất quan trọng để đạt hiệu quả tối ưu Hiểu và áp dụng đúng các nguyên lý chiết rót không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm, từ đó tăng cường khả năng cạnh tranh trên thị trường.
Hệ thống truyền động
Băng tải là thiết bị quan trọng trong việc vận chuyển vật liệu trong các nhà máy sản xuất, kho bãi và nhiều ngành công nghiệp khác Có nhiều loại băng tải với thiết kế và ứng dụng đa dạng, phù hợp với nhu cầu vận chuyển khác nhau.
Trên thị trường có các loại băng tải sau:
Băng tải cao su là loại băng tải thông dụng nhất, được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như khai thác mỏ, sản xuất xi măng, hóa chất và thép.
Hình 3.1 Băng tải cao su
Ứng dụng: Sử dụng trong ngành khai thác mỏ, xi măng, hóa chất, và thép
Ưu điểm: Chịu mài mòn tốt, độ bền cao, khả năng chịu lực và chịu nhiệt tốt
Nhược điểm: Không phù hợp với các môi trường yêu cầu độ sạch cao như ngành thực phẩm
Băng tải PVC/PU là loại băng tải phổ biến trong ngành thực phẩm, dược phẩm và đóng gói nhờ vào tính chất vệ sinh và an toàn thực phẩm vượt trội.
Hình 3.2 Băng tải PVC/PU
Ứng dụng: Sử dụng trong ngành thực phẩm, dược phẩm, và đóng gói
Ưu điểm: Chống dầu, chống mài mòn, dễ vệ sinh, không độc hại
Nhược điểm: Không chịu được tải trọng quá lớn
Băng tải con lăn (Roller Conveyor) là một hệ thống vận chuyển hàng hóa hiệu quả, bao gồm các con lăn để di chuyển sản phẩm Có hai loại băng tải con lăn chính: băng tải con lăn tự do, cho phép hàng hóa di chuyển một cách tự nhiên, và băng tải con lăn động, sử dụng động cơ để tăng cường khả năng vận chuyển.
Hình 3.3 Băng tải con lăn
Ứng dụng: Sử dụng trong các hệ thống vận chuyển hàng hóa nhẹ và trung bình
Ưu điểm: Đơn giản, dễ bảo trì, khả năng vận chuyển các hàng hóa có kích thước lớn
Nhược điểm: Không phù hợp cho các vật liệu quá nhỏ hoặc quá nhẹ
Băng tải xích (Chain Conveyor) được sử dụng để vận chuyển các vật liệu có tải trọng lớn
Chúng thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp nặng như ô tô, thép, và sản xuất đồ gỗ
Ứng dụng: Sử dụng trong ngành ô tô, thép, và sản xuất đồ gỗ
Ưu điểm: Chịu tải trọng lớn, bền bỉ, tuổi thọ cao
Nhược điểm: Tiếng ồn cao, yêu cầu bảo trì thường xuyên
Băng tải lưới (Mesh Conveyor Belt) được chế tạo từ thép không gỉ, thường được ứng dụng trong ngành thực phẩm, đặc biệt là trong các lò nướng và các quy trình nhiệt.
Ứng dụng: Sử dụng trong ngành thực phẩm, đặc biệt là trong các lò nướng hoặc các quá trình nhiệt
Ưu điểm: Khả năng chịu nhiệt cao, thoáng khí tốt, dễ vệ sinh
Nhược điểm: Không phù hợp cho các vật liệu nhỏ hoặc có dạng bột
Băng tải từ (Magnetic Conveyor) là thiết bị sử dụng nam châm để giữ và vận chuyển các vật liệu kim loại Thiết bị này thường được áp dụng trong các ngành công nghiệp tái chế và sản xuất kim loại, giúp tăng hiệu quả trong quá trình vận chuyển và xử lý vật liệu.
Ứng dụng: Sử dụng để vận chuyển các vật liệu kim loại hoặc loại bỏ tạp chất kim loại trong sản xuất
Ưu điểm: Hiệu quả cao trong việc vận chuyển và tách kim loại
Nhược điểm: Chỉ sử dụng được cho các vật liệu có tính từ
Băng tải khí (Air Conveyor) sử dụng luồng khí để vận chuyển các vật liệu nhẹ như giấy, bao bì, và chai lọ
Ứng dụng: Sử dụng trong ngành công nghiệp nhẹ như giấy, bao bì, và chai lọ
Ưu điểm: Vận chuyển nhanh chóng, không gây mài mòn vật liệu
Nhược điểm: Không phù hợp cho các vật liệu nặng hoặc đặc
Băng tải xoắn ốc (Spiral Conveyor) được thiết kế đặc biệt nhằm tiết kiệm không gian, thường được áp dụng trong kho lưu trữ và trung tâm phân phối.
Hình 3.8 Băng tải xoắn ốc
Ứng dụng: Vận chuyển hàng hóa trong kho, các sản phẩm đóng gói
Ưu điểm: Tiết kiệm không gian, vận chuyển theo chiều dọc, tăng hiệu quả sử dụng không gian
Nhược điểm: Chi phí đầu tư ban đầu cao
Mỗi loại băng tải có những ưu và nhược điểm riêng, vì vậy việc lựa chọn băng tải phù hợp cần xem xét nhiều yếu tố như loại vật liệu, môi trường làm việc và yêu cầu cụ thể của từng ngành công nghiệp.
Băng tải PVC/PU là lựa chọn lý tưởng cho máy móc trong ngành thực phẩm nhờ vào khả năng đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn thực phẩm, chống dầu và chống mài mòn Với yêu cầu tải trọng không cao do sử dụng cho chiết rót nước, băng tải này mang lại hiệu quả và độ bền cao trong quá trình vận hành.
Cấu tạo băng tải PVC/PU:
Hình 3.9 Cấu tạo băng tải PVC/PU
Khung băng tải: Thường được làm bằng nhôm định hình, thép được sơn tĩnh điện hoặc inox
Mặt băng tải làm bằng belt hoặc con lăn: Thường là dây PVC dày 2-3 mm hoặc dây
Bộ điều khiển băng tải: Biến tần, Speed controller, PLC, Contactor, Cảm biến
Con lăn kéo (Con lăn chủ động) được làm bằng thép mạ kẽm hoặc nhôm
Con lăn đỡ (Con lăn bị động) được làm bằng thép mạ kẽm hoặc inox
Băng tải truyền động bằng xích hoặc đai
Băng tải PVC/PU không chỉ bao gồm các thành phần cơ bản mà còn có thể được trang bị thêm nhiều phụ kiện khác, giúp đáp ứng các yêu cầu đa dạng trong quá trình sử dụng.
Băng tải PVC/PU được thiết kế với lớp phủ bề mặt bằng PVC hoặc PU, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể Lớp phủ này có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ băng tải khỏi các tác nhân gây hại như dầu mỡ, hóa chất và mài mòn, đảm bảo độ bền và hiệu suất của băng tải trong quá trình sử dụng.
PVC (Polyvinyl Chloride): Chống dầu, chống mài mòn và có khả năng chịu nhiệt ở mức trung bình
PU (Polyurethane) nổi bật với độ bền cao, khả năng chịu nhiệt và mài mòn vượt trội so với PVC Ngoài ra, PU dễ dàng vệ sinh và không độc hại, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho ngành thực phẩm và dược phẩm.
26 Ứng dụng của băng tải:
Ngành thực phẩm: Vận chuyển các sản phẩm thực phẩm như bánh kẹo, thịt, rau quả
Ngành dược phẩm: Vận chuyển các sản phẩm dược phẩm, đảm bảo vệ sinh và an toàn
Ngành đóng gói: Sử dụng trong các dây chuyền đóng gói sản phẩm, từ bao bì nhựa đến giấy và thùng carton
Ngành điện tử: Vận chuyển các linh kiện điện tử nhỏ và nhạy cảm
Băng tải PVC/PU, với cấu trúc đa lớp và các đặc tính kỹ thuật tiên tiến, đáp ứng tốt các yêu cầu khắt khe của nhiều ngành công nghiệp, mang lại hiệu quả và độ bền cao trong quá trình vận hành.
Lập trình điều khiển Programmable Logic Controller (PLC)
Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình PLC để thực hiện các trình tự sự kiện, kích hoạt bởi các tác nhân ngõ vào hoặc qua các hoạt động có độ trễ như thời gian định thì PLC được sử dụng để thay thế mạch relay trong thực tế, hoạt động bằng cách quét trạng thái đầu ra và đầu vào; khi có sự thay đổi ở đầu vào, đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC thường là Ladder hoặc State Logic, và nhiều hãng sản xuất PLC nổi tiếng như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron và Honeywell.
Khi chương trình được kích hoạt, thiết bị điều khiển bên ngoài, hay còn gọi là thiết bị vật lý, sẽ được bật hoặc tắt Bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục thực hiện "lặp" theo chương trình do người sử dụng thiết lập, chờ nhận tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra vào các thời điểm đã được lập trình sẵn.
Để khắc phục nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng Relay), bộ PLC đã được chế tạo nhằm đáp ứng các yêu cầu hiện đại trong tự động hóa.
Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa
Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các môi Modul mở rộng
Giá cả cá thể cạnh tranh được
Các thiết kế đầu tiên của PLC nhằm thay thế phần cứng Relay và Logic thời gian, đồng thời yêu cầu tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng sử dụng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý và chi phí hợp lý Điều này đã tạo ra sự quan tâm lớn đối với việc áp dụng PLC trong công nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng phát triển từ lệnh logic đơn giản đến lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch và các chức năng toán học phức tạp trên các máy lớn Sự phát triển của máy tính đã dẫn đến sự ra đời của các bộ PLC với dung lượng lớn hơn và nhiều I/O hơn.
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là các đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hệ thống Chức năng của bộ điều khiển được xác định bởi chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của PLC Khi cần thay đổi hoặc mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, chỉ cần điều chỉnh chương trình trong bộ nhớ mà không cần can thiệp vật lý, khác với việc sử dụng dây nối hay Relay.
Sơ đồ hành trình chiết rót nước cam
Để tối ưu hóa thiết kế máy chiết rót nước cam, nhóm em đã phân tích và vẽ sơ đồ hành trình của nước cam trong hệ thống chiết rót Quy trình bắt đầu khi người vận hành đặt chai lên băng tải, sau đó chai di chuyển đến vị trí chiết rót và dừng lại để bơm nước cam vào Khi chai đã đầy, nó tiếp tục di chuyển qua bộ cấp nắp, sau đó đến vị trí đóng nắp và cuối cùng là đưa ra thành phẩm.
VÙNG LÀM VIỆC Đặt chai vào vị trí
Bộ phận bơm cấp nước cam
Bộ phận cấp nắp cho chai
Bộ phận đóng nắp chai
Chai nước cam thành phẩm
Hình 3.10 Sơ đồ hành trình chiết rót
PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP
Yêu cầu đề tài/Thông số thiết kế
Phương pháp chiết rót tại Việt Nam, đặc biệt là chiết rót thủ công và bán tự động, mang lại lợi thế về chi phí đầu tư và tính linh hoạt Để cạnh tranh hiệu quả và phát triển bền vững, doanh nghiệp cần đầu tư vào công nghệ hiện đại, nâng cao trình độ kỹ thuật của nhân viên và tuân thủ các tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm Những yếu tố này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh trên thị trường.
Phương pháp chiết rót trong nước: Ưu điểm:
- Chi phí đầu tư ban đầu thấp
- Đơn giản, dễ thực hiện
- Không yêu cầu trình độ đối với công nhân
- Dễ dàng kiểm soát chất lượng
- Tốn quá nhiều thời gian và số lượng công nhân
- Khó đáp ứng được yêu cầu về vệ sinh an toàn thực phẩm
- Khó để chiết rót đồng đều số lượng chất lỏng vào chai
- Không thể đáp ứng được nhu cầu khi tiêu dùng tăng cao
Phương pháp chiết rót nước ngoài: Ưu điểm:
- Công nghệ tiên tiến và tự đống hóa
- Độ chính xác và đồng đều cao
- Tiết kiệm thời gian và số lượng công nhân
- Đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm
- Có thể ứng dụng cho nhiều loại sản phẩm
- Quan sát và giám sát dễ dàng
- Chi phí đầu tư ban đầu cao
- Phức tạp trong quá trình vận hành
- Yêu cầu công nhân có kỹ năng cao
- Yêu cầu về không gian và cơ sở hạ tầng
Yêu cầu về năng suất:
- Dung tích bồn chứa: 20 lít
- Năng suất chiết 1000-1500 chai/8 giờ (Thể tích chai 350 ml)
- Kích thước máy: Khoảng 1070x530x900 (mm)
- Đảm bảo được vệ sinh an toàn thực phẩm
- Kết cấu máy chắc chắn,gọn nhẹ, dễ di chuyển, vận hành ổn định
- Dễ dàng tháo lắp, thay thế và sửa chữa những linh kiện khi bị hư hỏng
- Chi phí sản xuất thấp
- Kết cấu máy phù hợp, khi vận hành ít gây ra tiếng ồn
- Kiểu dáng máy phù hợp, không quá cầu kì
- Nguyên lý hoạt động và quy trình vận hành đơn giản
- Đảm bảo an toàn cho người sử dụng
- Chiết rót đồng đều cho các chai
- Ổn định trong suốt quá trình sử dụng
- Tính toán, thiết kế kiểu dáng máy đơn giản, phù hợp với nhu cầu của khách hàng và mục tiêu của đề tài
- Cải tiến giúp giảm Cycle time của quá trình chiết rót và đóng nắp
- Vận hành dễ dàng, dễ tháo lắp, sửa chữa, thay thế.
Phương hướng và giải pháp thực hiện
Phương án chiết rót bằng khí nén
Máy có cấu trúc bao gồm một bình chứa chuyên dụng để chứa nước cam, với vòi đóng mở hoạt động nhờ chuyển động tịnh tiến của xylanh, tạo điều kiện thuận lợi cho việc rót nước cam.
Máy đóng nắp chai bao gồm 31 cấp nắp có dạng máng trượt với đầu giữ phía trước, cùng với bộ đóng nắp gồm xylanh và motor gắn đầu xoay rỗng hình trụ Băng tải được lắp đặt ở phía trước các bộ phận này để vận chuyển chai qua từng bước công đoạn Để đảm bảo máy hoạt động chính xác, các công tắc hành trình được gắn tại các vị trí làm việc, cung cấp tín hiệu đầu vào nhận biết chai đã ở đúng vị trí để bắt đầu công đoạn.
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý PA-1
1 Xilanh khóa van 2 Bình chứa 3 Bộ cấp nắp
4 Bộ đóng nắp chai 5 Băng tải
Nguyên lý hoạt động của dây chuyền chiết rót nước cam bắt đầu khi chai được đặt lên băng tải, di chuyển đến vị trí có công tắc hành trình tại vòi cấp nước Tại đây, một xylanh khí nén sẽ mở vòi chiết, cho phép nước chảy vào chai với lượng được kiểm soát bằng TIMER Sau khi chiết xong, chai tiếp tục di chuyển đến vị trí lấy nắp, nơi nắp sẽ tự động được lấy khi chai đi qua Cuối cùng, chai được đưa đến cụm xoáy nắp, nơi xylanh và motor cùng hoạt động để đóng nắp chai một cách chính xác Kết quả cuối cùng là chai nước cam đã được chiết rót và đóng nắp hoàn chỉnh.
- Chi phí để chế tạo thấp
- Nguyên lý đơn giản, dễ dàng sửa chữa, thay thế, kiểm tra
- Bộ vòi khóa/mở nước khó gia công, nếu gia công không chính xác nguy cơ dẫn đến rò rỉ nước, không phù hợp
- Máy có chiều cao lớn, gây cho người vận hành khó khắn khi dùng
- Vì bình chứa nước cam được đặt ngược xuống làm khó khăn cho việc vệ sinh, thay thế, lắp đặt
- Vị trí khung đỡ bình nước cần phải được làm chắc chắn để đỡ được trọng lượng của bình nước
- Thiết kế máy chưa phù hợp với mục đích đơn giản, dễ dàng vận hành và sử dụng
Hình 4.2 Hình minh họa thiết kế PA-1
Phương án chiết rót điều khiển bằng PLC
Máy được thiết kế với một bình chứa nước cam nằm dưới khung máy, kèm theo một máy bơm mini để bơm nước lên vòi chiết Hệ thống còn có bộ cấp nắp chai dạng máng trượt với đầu giữ ở phía trước, và bộ đóng nắp chai bao gồm một xylanh và motor.
Các bộ phận có đầu xoay rỗng hình trụ được trang bị băng tải ở phía trước để vận chuyển chai qua từng công đoạn Đặc biệt, mỗi bộ phận đều có cảm biến lắp đặt giúp chai dừng lại ở vị trí chính xác.
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý PA-2
1 Băng tải 2 Vòi cấp nước 3 Bộ cấp nắp
4 Bộ đóng nắp chai 5 Xylanh kẹp chai 6 Giá đỡ thành phẩm
Nguyên lý hoạt động của quy trình chiết rót chai nước cam bắt đầu khi chai được đặt lên băng tải và di chuyển qua cảm biến 1, khiến PLC ra lệnh dừng băng tải Máy bơm sau đó hoạt động, sử dụng TIMER để bơm nước vào chai Chai tiếp tục di chuyển đến vị trí lấy nắp, nơi nắp tự động được gắn khi chai đi qua Khi chai đến cảm biến 2, băng tải lại dừng tại vị trí đóng nắp, và xylanh 5 giữ chai ở vị trí này Xylanh 4 sẽ di chuyển xuống, kết hợp với motor hoạt động để đóng nắp chai Cuối cùng, quy trình hoàn tất với sản phẩm là chai nước cam đã được chiết rót và đóng nắp hoàn chỉnh.
- Kích thước phù hợp cho người vận hành
- Nước được bảo quản tốt và không bị rò rỉ
- Dễ dàng thay thế linh kiện
- Cấu tạo mạch điện phức tạp
- Chi phí chế tạo cao.
Lựa chọn phương án
So sánh các phương án
Bảng 4.1 Bảng so sánh các phương án
Cơ cấu Đơn giản Đơn giản
Kích thước Cao Phù hợp
Chi phí gia công Cao Cao
Mức độ gia công Cao Trung bình
Dễ thay thế Dễ Dễ
Mạch điện Dễ Trung bình
Sau khi tiến hành so sánh và đánh giá, nhóm chúng em đã quyết định chọn phương án 2, sử dụng PLC để điều khiển chiết rót, và đã nhận được sự chấp thuận từ Giảng viên hướng dẫn.
Trình tự công việc tiến hành
Sau khi phân tích và dựa vào các điều kiện công nghệ, máy chiết rót nước cam tự động gồm các bộ phận sau:
ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ/ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY CHIẾT RÓT NƯỚC
Ergonomics liên quan đến kích thước của máy
5.1.1 Khái niệm cơ bản về Ergonomics Định nghĩa:
Ergonomics, hay công thái học, là quá trình thiết kế sản phẩm và bố trí môi trường làm việc nhằm tối ưu hóa sức khỏe và hiệu suất của con người Bằng cách áp dụng khoa học để nghiên cứu các yếu tố liên quan, công thái học sử dụng lý thuyết, nguyên tắc và dữ liệu để thực hiện thiết kế Mục tiêu chính của ergonomics là tạo ra sản phẩm, công cụ và môi trường làm việc phù hợp với khả năng và giới hạn của con người, từ đó nâng cao hiệu suất công việc và giảm nguy cơ chấn thương cũng như mệt mỏi.
Tác dụng của Ergonomics trong việc thiết kế máy:
- Xác định các kích thước hợp lý cho máy
- Cung cấp những căn cứ để thiết kế máy đảm bảo về an toàn sử dụng
5.1.2 Phương pháp thu thập số liệu
Hình 5.1 Kích thước cơ thể người khi đứng
Việt Nam là một quốc gia đa dân tộc, dẫn đến sự chênh lệch rõ rệt về chiều cao và kích thước cơ thể giữa các nhóm dân tộc Theo thống kê năm 2022, chiều cao trung bình của nam giới Việt Nam là 168,1 cm, trong khi chiều cao trung bình của nữ giới là 156,2 cm, xếp vào top những nước có chiều cao trung bình thấp.
Dưới đây là công thức để tính kích thước của con người [7]:
- Chiều cao tầm mắt = Chiều cao người – (100-150 mm)
- Chiều cao vai = Chiều cao người*(80-85%)
- Chiều rộng sải tay = Chiều cao người
- Chiều cao khuỷu tay = Chiều cao người*(75-80%)
- Chiều dài cẳng tay = Chiều cao người*(14-18%)
- Chiều dài bắp tay = Chiều cao người*(18-20%)
- Chiều dài tay = Chiều cao người*44%
- Chiều dài cẳng chân = Chiều cao người*25%
- Chiều dài bắp chân = Chiều cao người*25%
- Chiều dài chân = Chiều cao người*(45-48%)
Dưới đây là bảng “Kích thước cơ thể của người khi đứng theo từng độ tuổi” được nhóm em tìm hiểu và tính theo những công thức trên
Bảng 5.1 Kích thước cơ thể của người khi đứng theo từng độ tuổi
Chiều cao người 1650 1680 1670 1650 1550 1580 1550 1530 Chiều cao tầm mắt 1525 1555 1545 1525 1425 1455 1425 1405 Chiều cao vai 1361 1386 1378 1361 1279 1304 1279 1262 Chiều rộng vai 400 435 445 425 365 375 375 365
Chiều rộng sải tay 1650 1680 1670 1650 1550 1580 1550 1530 Chiểu cao khuỷu tay 1279 1302 1294 1279 1201 1225 1201 1186 Chiều dài cẳng tay 264 269 267 264 248 253 248 245
5.1.3 Các quy trình thiết kế máy
Xác định các nhiệm vụ và tư thế làm việc:
- Nhiệm vụ chính: Đặt chai vào máy, giám sát quá trình chiết rót, lấy chai ra và kiểm tra chất lượng
- Tư thế làm việc: Thường là tư thế đứng và thỉnh thoảng có cúi hoặc ngồi Áp dụng các nguyên tắc thiết kế Ergonomics:
Phạm vi hoạt động của máy cần nằm trong tầm với của cánh tay mà không cần phải kéo dài hay căng cơ Thông thường, khoảng cách lý tưởng cho tầm với là từ 500 đến 700 mm tính từ cơ thể.
Băng tải và bàn chiết rót được thiết kế với khả năng điều chỉnh chiều cao từ 850 đến 1100 mm, giúp phù hợp với chiều cao của các nhân viên vận hành khác nhau.
Để tránh căng thẳng khi làm việc, các bộ phận điều khiển chính cần được đặt ở vị trí dễ tiếp cận, với chiều cao từ 900-1200 mm so với mặt đất, tương đương từ ngang hông đến ngực của người sử dụng.
→ Qua những nghiên cứu trên ta tiến hành đưa ra một số kích thước cơ bản của máy để thiết kế
- Chiều cao băng tải: 850 - 1100 mm
- Vị trí nút điều khiển: 900 - 1200 mm
- Khu vực đặt và lấy chai: 500 - 700 mm tính từ vị trí đứng
- Các nút điều khiển nên có màu sắc để có thể phân biệt một cách trực quan nhất
Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí
Bảng 5.2 Bảng thông số khối lượng máy
Bình chứa 20 lít tương đương 20kg Pbình = 20*9.81= 196.2 N
Tủ điện 7kg Ptủ điện = 7*9.81= 68.67 N
Các chi tiết khác khoảng 20kg Pchi tiết = 20*9.81= 196.2 N
Tổng Ptổng = Pbình + Ptủ điện + Pchi tiết = 461,07 N
Sau khi tìm hiểu thì nhóm em nhận thấy hiện nay khung đa số được làm bằng thép hộp hoặc nhôm định hình
Chọn kích thước sơ bộ cho nhôm định hình và thép
Ta có công thức tính diện tích mặt cắt:
A là diện tích mặt cắt vật liệu (mm 2 )
𝜎 là độ bền kéo của vật liệu (N/mm 2 )
Nhôm định hình: Đối với nhôm định hình thường sử dụng hợp kim nhôm 6061-T6 với độ bền chảy khoảng
Diện tích mặt cắt của nhôm định hình
=> Kích thước nhôm là: 1.37 mm
Thép hộp mạ kẽm có độ bền kéo từ 280 MPa đến 350 MPa, tùy thuộc vào chất lượng vật liệu Để tính toán, nhóm em sẽ sử dụng giá trị trung bình là 315 MPa (315 N/mm²).
Tương tự nhôm định hình ta tính được A=1.46 mm 2
=> Kích thước thép hộp là: 1.21 mm
Trên thị trường hiện nay, có các loại thép hộp mạ kẽm và nhôm định hình với kích thước phổ biến như 20x20 mm, 30x30 mm và 40x40 mm Việc tìm hiểu và nghiên cứu thị trường giúp người tiêu dùng lựa chọn sản phẩm phù hợp với nhu cầu sử dụng.
40 em nhận thấy loại phổ biến nhất là 30x30 (mm) Do đó nhóm em chọn loại 30x30 (mm) để làm khung
Khả năng chịu lực của nhôm định hình 30x30:
Nhôm định hình có khả năng chịu lực vượt trội, với sức chịu đựng lên đến 216.000, trong khi lực tác dụng lên khung chỉ là 461,07 Vì vậy, việc lựa chọn nhôm định hình để làm khung là một quyết định hợp lý và hiệu quả.
Khả năng chịu lực của nhôm định hình 30x30:
Nhôm định hình có khả năng chịu lực vượt trội so với lực tác động lên khung, với giá trị 216000 so với 598.78 Vì vậy, thép hộp mạ kẽm cũng là một lựa chọn khả thi cho việc làm khung.
Sau quá trình tính toán, nhóm chúng tôi nhận thấy cả thép hộp mạ kẽm và nhôm định hình đều phù hợp để làm khung Tuy nhiên, sau khi nghiên cứu kỹ lưỡng, nhóm đã lập bảng so sánh dưới đây.
Bảng 5.3 Bảng so sánh vật liệu làm khung
Tên Thép hộp mạ kẽm Nhôm định hình Điều kiện bền Đạt Đạt
Nhóm em đã chọn thép hộp mạ kẽm làm khung do đáp ứng được yêu cầu về độ bền và có giá thành rẻ hơn nhiều so với nhôm định hình Vật liệu sử dụng cho khung máy là thép hộp mạ kẽm với mác thép CT3.
Hình 5.2 Thép hộp mạ kẽm
Thép CT3 (Steel CT3) là một loại thép được sản xuất theo tiêu chuẩn ГOCT 380 –
Thép, với độ dẻo cao hơn độ cứng, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xây dựng cầu đường và nhà tiền chế Đặc biệt, việc chế tạo thép từ các hợp kim không đắt tiền và dễ tìm kiếm giúp tiết kiệm chi phí, làm cho nó trở thành vật liệu phổ biến trong ngành xây dựng.
Thép hộp mạ kẽm là loại thép được phủ lớp kẽm bên ngoài, giúp tăng cường tính cơ học, thẩm mỹ và khả năng chống ăn mòn, rất phổ biến trong các công trình dân dụng Thép này được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau như nhúng nóng hoặc điện phân, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của khách hàng, đảm bảo sự gia công phù hợp và hiệu quả.
Hình 5.3 Phương pháp mạ kẽm nhúng nóng
Hình 5.4 Phương pháp mạ kẽm điện phân
Qua việc mạ kẽm tuổi thọ của thép có thể lên tới 50-60 năm, đáp ứng rất tốt yêu cầu của người dùng mà giá thành lại phải chăng
Thép CT3 có thông số kỹ thuật như sau:
Bảng 5.4 Thành phần hóa học của thép CT3 [11]
Mác thép Thành phần hóa học
CT3 Carbon Silic Mangan P(max) S(max)
Bảng 5.5 Cơ tính của thép CT3 [11]
Mác thép Độ bền kéo đứt
N/mm 2 Độ dãn tương đối
Khung máy là thành phần quan trọng giúp cố định các bộ phận của máy, vì vậy việc bố trí khung máy cần đảm bảo khả năng chịu lực lớn và độ cứng vững cao trong suốt quá trình hoạt động.
Khi chế tạo khung máy, cần đảm bảo độ phẳng, vuông góc và đối xứng giữa các chi tiết để lắp ráp linh kiện chính xác và nâng cao thẩm mỹ cho sản phẩm.
Hiện nay, khung máy cơ bản chủ yếu được làm từ thép hộp, vì vậy nhóm chúng tôi quyết định sử dụng thép hộp để chế tạo khung cho máy.
Bảng 5.6 Kích thước khung máy
Hình 5.5 Bản vẽ 3D mô hình khung máy
Do khung được làm từ thép hộp, quá trình chế tạo trở nên dễ dàng hơn, đồng thời vẫn đảm bảo độ cứng vững và giảm thiểu rung lắc trong quá trình máy vận hành.
- Dễ lắp đặt các linh kiện vì có thể khoan lỗ và bắt ốc
- Độ chính xác không cao, dễ gặp sai sót trong quá trình chế tạo
- Sai lệch về hình dạng còn cao
- Kích thướng lớn và khá nặng
5.2.2 Hệ thống truyền động và băng tải
Băng tải là giải pháp hiệu quả trong việc di chuyển và vận chuyển đồ vật trong ngành cơ khí và sản xuất Việc ứng dụng băng tải vào hệ thống tự động hóa không chỉ tiết kiệm thời gian và công sức mà còn giúp tăng năng suất sản xuất một cách nhanh chóng.
Chúng em chọn sử dụng băng tải PVC (Polyvinyl Clorua) cho mục tiêu nghiên cứu của đề tài này nhờ vào những ưu điểm nổi bật như độ bền, khả năng chịu nhiệt và hóa chất, cùng với việc dễ dàng lắp đặt và bảo trì Loại băng tải này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm công nghiệp thực phẩm, hóa chất, sản xuất ô tô, đóng gói, điện tử và năng lượng, do đó rất phù hợp với đề tài của nhóm chúng em.
Khi lựa chọn kích thước băng tải cho mẫu chai vuông có đáy 50x50mm và dung tích 350ml, cần chọn băng tải với độ rộng lớn hơn 50mm, cụ thể là 80mm Chiều dài băng tải cũng phải đủ lớn để thực hiện tất cả các khâu từ chiết rót đến đóng nắp, vì vậy chiều dài làm việc của băng tải nên là 1000mm và độ dày là 1mm.
Hình 5.6 Mẫu chai nhóm lựa chọn thực nghiệm
Ta chọn tấm lót băng tải là Aluminium tấm, do đó hệ số ma sát giữa băng tải PVC và tấm lót băng tải là 0.281 (theo bảng 5.5 [8] )
Bảng 5.7 Hệ số ma sát giữa PVC và một số loại vật liệu [8]
Bề mặt tiếp xúc 𝑘 khi tiếp xúc khô 𝑘 khi tiếp xúc ướt
Tổng khối lượng của tải trên băng tải (𝑡ố𝑖 đ𝑎 15 𝑐ℎ𝑎𝑖 𝑛ướ𝑐): m = V × 𝐷 = 0.35 × 10 −3 × 1050 = 5.51 (kg) Thông số đầu vào:
Bảng 5.8 Bảng thông số đầu vào lựa chọn động cơ
Khối lượng của dây đai và tải trọng 𝑚 1 = 0.18 + 5.51 = 5.69𝑘𝑔
Hệ số ma sát trượt tra theo bảng 5.7 [8] 0.281 Đường kính roller D= 35 [mm]
Tỉ số truyền bộ truyền xích ux= 1
Hiệu suất bộ truyền xích Ŋx= 0.95
Vận tốc băng tải tối đa v= 200mm/s
Hình 5.9 Bộ truyền đai và xích
Tốc độ quay của roller: [2]
𝑝ℎú𝑡) Tốc độ quay của trục motor: [2]
𝑝ℎú𝑡) Tổng lực Ftải tác dụng lên băng tải [19] :
2 × 0.99 = 301.39 𝑁𝑚𝑚 Moment xoắn trục động cơ:
Nhân cho hệ số an toàn Sf = 2, momen xoắn động cơ:
𝑇 đ𝑐 = 𝑇 đ𝑐 × S 𝑓 = 317.25 × 2 = 634.5 𝑁𝑚𝑚 Công suất làm việc của động cơ:
9.55 × 10 6 = 0.007242𝑘𝑊 = 7.242𝑊 Chọn động cơ JBG37-545 có thông số như sau:
- Tốc độ quay không tải tại điện áp định mức: 200 (vòng/phút)
- Dòng điện không tải tại điện áp định mức: ≤ 200 (𝑚𝐴) = 0.2𝐴
- Công suất động cơ tại điện áp định mức: 12W
- Tốc độ quay có tải tại điện áp định mức: 176 (vòng/phút)
- Moment xoắn khi có tải trọng: 7.5Kgf.cm = 740 Nmm
- Dòng điện định mức ở điện áp định mức: ≤ 1 (𝐴)
- Giới hạn moment xoắn: 15kg.cm = 1470 Nmm
- Tỉ số truyền hộp giảm tốc: 1:30
- Kích thước hộp giảm tốc: 22 mm
Dựa vào kết quả tính toán momen xoắn, tốc độ quay của động cơ so với thông số động cơ
𝑝ℎú𝑡) Tính toán lại tốc độ tối đa của băng tải:
- Vận tốc của băng tải: 𝑣 = 𝑛 𝑅 ×𝜋×𝐷
Bảng 5.9 Hiệu suất các bộ truyền chủ yếu [2]
Tên gọi Hiệu suất ŋ chủ yếu của bộ truyền hoặc ổ Được che kín Để hở
Bộ truyền bánh răng trụ 0.96 – 0.98 0.93 – 0.95
Bộ truyền bánh răng côn 0.95 – 0.97 0.92 – 0.94
Bộ truyền bánh ma sát 0.90 – 0.96 0.70 – 0.88
Kiểm nghiệm bền
Sau khi hoàn thành thiết kế, việc kiểm nghiệm độ bền của các chi tiết là rất quan trọng Điều này giúp đánh giá và cải tiến sản phẩm kịp thời, từ đó điều chỉnh độ bền cho phù hợp với các điều kiện chịu tải.
Trong quy trình thiết kế kết cấu, kiểm nghiệm bền đóng vai trò quan trọng không thể thiếu Đối với thiết kế máy, việc tính toán sức bền, sức chịu tải và các yếu tố liên quan là cần thiết để đảm bảo an toàn cho người sử dụng sản phẩm.
Hình 5.37 Hình minh họa mô phỏng cơ khí [24]
Sau quy trình tính toán, vẽ thì ta phải kiểm nghiệm bền bằng phần mềm chuyên dụng để đảm bảo được kết quả chính xác nhất có thể
Các thông số cần thiết để tiến hành kiểm nghiệm bền:
Đối với sản phẩm của nhóm, tải trọng là yếu tố quyết định nhất ảnh hưởng đến độ bền của máy, trực tiếp tác động đến khung máy Tổng khối lượng các chi tiết khoảng 20kg, dẫn đến lực tác dụng lên mặt khung trên của máy khoảng 20 × 9.8 × 1.3 %4.8 𝑁, trong đó 1.3 là hệ số an toàn.
- Theo cách tính đó, ta có thể tính được lực tác dụng lên khung gầm của tủ điện 7kg (89.18N) và của bình chứa nước 20 lít (254.8N)
Sau khi có những thông số cơ bản nhóm chúng em tiến hành sử dụng modul SIMULATION của SOLIDWORK 2022 để tiến hành mô phỏng
Hình 5.38 Đặt lực vào khung
Sau khi tiến hành mô phỏng nhóm chúng em thu được kết quả như sau:
Hình 5.39 Kết quả mô phỏng ứng suất
Qua quá trình mô phỏng, ta dễ dàng nhận thấy được ứng suất phần lớn tập trung ở thanh giữa với ứng suất lớn nhất của khung 17.7 MPa < [σ] = 373 MPa
Từ những phân tích trên, có thể kết luận rằng khung thép vẫn duy trì tính an toàn và không bị biến dạng hay thay đổi cấu trúc dưới tác động của tải.
Hình 5.40 Kết quả mô phỏng chuyển vị
Quá trình mô phỏng cho thấy vị trí chuyển vị luôn nằm ở thanh ngang giữa, với giá trị chuyển vị tối đa đạt 0.504 mm Giá trị này được coi là khá nhỏ và hoàn toàn phù hợp với thiết kế khung thép.
Với giá trị như vậy, kết cấu khung này vẫn đảm đảo không bị biến dạng dưới tác dụng của trọng lực Khung vẫn làm việc ổn định
Kết luận chung: Kết cấu khung đạt được mục tiêu ban đầu đề ra
Tính toán, thiết kế hệ thống điện
5.4.1 Lựa chọn thiết bị điện Để lựa chọn PLC phù hợp với những yêu cầu của hệ thống, đầu tiên ta cần phải xác định được hệ thống của chúng ta có bao nhiêu thiết bị cần điều khiển (output) và có bao nhiêu thiêt bị đầu vào (input) cần thiết để điều khiển các thiết bị đó Đối với đề tài của nhóm, nhóm xác định số thiết bị cần phải điều khiển ít nhất là 5, trong đó bao gồm: 01 động cơ băng tải, 01 máy bơm, 01 động cơ xoay, 02 van điện từ 5 cổng 2 vị trí 1 cuộn coil để điều khiển tổng cộng 3 xi lanh, để điều khiển đúng theo chu trình hoạch định, cần phải có 2 cảm biển tại 2 vị trí tương ứng ở cụm chiết rót và cụm xoay nắp, phải có 2 chế độ là auto/ manual, với mỗi băng tải, motor, bơm nước phải có một công tắc điều khiển riêng, Tổng kết lại, cần phải lựa chọn loại PLC có ít nhất 5 cổng ra để điều khiển thiết bị (5 output), và ít nhất 6 cổng đầu vào
Với những tính toán trên, ta chọn Board lập trình PLC FX3U-14MR-6AD-2DA (8
Bảng 5.14 Tổng hợp thiết bị điện
STT Thiết bị Mã sản phẩm Số lượng Thông số kỹ thuật
1 Động cơ bơm nước R385 DC 6-12v 1 Điện áp: 6-
2 Motor xoay nắp Motor CY-555SH 1 Điện áp: 9-
3 Động cơ truyền tải cho băng tải JBG37-545
4 Van điện từ 5 cổng 2 vị trí 1 cuộn coil
5 Relay 14 chân MY4NJ-24VDC 3 Điện áp 24V
6 Nguồn tổ ong 12V S-240-12 1 Điện áp ngõ ra: 12V
7 Nguồn tổ ong 24V S-120-24 1 Điện áp ngõ ra: 24V
6AD 2DA RS485 1 8 đầu vào 6 đầu ra
9 Công tắc chuyển chế độ 3 vị trí LA38-20X3 1 Số tiếp điểm: 2 cặp thường mở
10 Công tắc chuyển chế độ 2 vị trí LA38-11X2 3 Số tiếp điểm:
11 Cầu dao CB 10A BS1110TV 1
Dòng điện định mức: 10A Cấp điện áp: 240VAC Dòng cắt ngắn mạch định mức 1.5kA
NPN E3F-DS30C4 NPN 2 Điện áp: 6-36V
Relay 14 chân 5A 24VDC (MY4NJ)
Relay MY4NJ 24V 5A 14 chân có hệ thống tiếp điểm đóng cắt, được chế tạo từ nam châm từ với thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt và thay thế.
Rơ le hoạt động dựa trên nguyên lý khi có dòng điện chạy qua cuộn dây bên trong, tạo ra một từ trường hút Từ trường này tác động lên một đòn bẩy, giúp đóng hoặc mở các tiếp điểm, từ đó thay đổi trạng thái của rơ le.
Rơ le trung gian hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong ngành điện tử, đặc biệt là trong các tủ điện, tủ điều khiển và hệ thống máy móc công nghiệp.
- Điện áp cuộn hút: 24VDC
- Trở kháng tiếp điểm: < 50 mOhm
- Nhiệt độ hoạt động: -40 đến khoảng 70C
- Dòng điện – Đầu ra 18 Ampe
- Điện áp đầu ra: 12Vol
- Điện áp đầu vào: 88~264Vol
- Nhiệt độ hoạt động tối đa 60 °C
- Công suất đầu ra tối đa 216 W
- Nhiệt độ hoạt động tối thiểu -10 °C
- Cao 65 mm Dài 190 mm Rộng 93 mm
- Điện áp vào: AC 220Vol hoặc 100VolAC
- Điện áp ra: DC 24Vol
PLC FX3U-14MR 6AD 2DA RS485
- Model FX3U-14MR-6AD-2DA
- Ngõ vào/ra: 8 vào / 6 ra
- Ngõ ra: Relay 220VDC/24VDC – 5A (Khuyến cáo sử dụng 1A)
- Ngõ vào analog: 6 ngõ vào analog, độ chính xác 12bit, A0-AD2: 0-10V, A3-AD5: 0-20mA; Đọc cấu trúc lệnh RD3A
- Ngõ ra analog: 2 ngõ ra analog, độ chính xác 12bit, ngõ ra vôn: 0-10V, ngõ ra analog với cấu trúc lệnh WR3A
- Phát xung: Không hỗ trợ
- Kích thước (Dài*Rộng*Cao): 107mmx120mmx43mm, trọng lượng 255g
- Bộ đếm tốc độ cao: Bộ đếm 6 kênh mặc định 8K (Đếm một chiều hoặc hai chiều)
- Giao tiếp HMI Có thế kết nối hầu hết các loại HMI RS232 (1 Cổng)/ RS485 (1 Cổng)
- Phần mềm lập trình: GX Developer – GX-Work 2
- Cổng lập trình: DP9/RS232 – tốc độ 38.4kbs
- Số lượng bước lập trình: 8000 bước
- Khả năng bảo vệ: Chống ăn mòn – chống ẩm – chống tĩnh điện
Hình 5.43 Board PLC FX3U-14MR 6AD 2DA RS485
Hình 5.44 Sơ đồ nối dây của PLC FX3U-14MR 6AD 2DA RS485
Công tắc chuyển chế độ:
Công tắc chuyển chế độ là thiết bị dùng để chuyển đổi điện áp và dòng điện giữa các pha, hoặc làm công tắc bật tắt điện thông thường thông qua các cặp tiếp điểm thường đóng hoặc thường mở Có nhiều loại công tắc chuyển chế độ, chẳng hạn như công tắc 2 vị trí LA38-11X2 và công tắc 3 vị trí LA38-20X3 Công tắc 2 vị trí cho phép xoay ở 0 và 90, trong khi công tắc 3 vị trí có thể xoay ở góc 45.
Tên sản phẩm: Công tắc chuyển đổi chế độ hai vị trí
Số tiếp điểm: mỗi vị trí tương ứng với một cặp tiếp điểm, tổng cộng có 2 cặp tiếp điểm là thường đóng (NC) và thường mở (NO)
Tên sản phẩm: Công tắc chuyển đổi vị trí ba vị trí
Công tắc có tổng cộng 2 cặp tiếp điểm thường mở (NO), tương ứng với 2 vị trí 0 và 90 Khi công tắc ở vị trí 45, cả 2 tiếp điểm đều ở trạng thái mở.
- Chất liệu: Nhựa chịu nhiệt cao
- Điện áp định mức: 380VAC 50hz / 220VDC
- Phương pháp kết nối: nối đầu dây dẫn vào các tiếp điểm và vặn ốc
- Đường kính ốc vặn: 3.5 mm
- Đường kính lỗ lắp đặt công tắc: 22mm
- Kích thước chi tiết xem hình minh họa
Hình 5.45 Minh họa kích thước công tắc chuyển chế độ
Hình 5.46 Sơ đồ tiếp điểm công tắc LA38-20X3 Hình 5.47 Sơ đồ tiếp điểm công tắc LA38-11X2
Cầu dao CB cóc Panasonic 10A BS1110TV là thiết bị quan trọng giúp bảo vệ hệ thống điện khỏi hiện tượng quá tải và ngắn mạch Việc trang bị cầu dao này sẽ tự động ngắt mạch khi có sự cố xảy ra, từ đó bảo vệ an toàn cho thiết bị điện và ngăn ngừa hư hỏng.
Cầu dao hoạt động dựa trên nguyên lý khi dòng điện bình thường, nó giữ trạng thái đóng tiếp điểm nhờ hai móc tương ứng với móc thứ ba trên tiếp điểm thụ động Khi cầu dao bật, dòng điện không tạo ra từ trường, do đó nam châm không hút Tuy nhiên, khi xảy ra quá tải hoặc đoản mạch, dòng điện thay đổi tạo ra từ trường, khiến nam châm hút tiếp điểm và mở lưỡi dao ra khỏi hệ thống kẹp, dẫn đến việc tiếp điểm cầu dao bị hở và mạch điện ngắt hoàn toàn.
- Dòng cắt ngắn mạch: 1.5kA
- Điện áp định mức: 240VAC
Cảm biến tiệm cận E3F-DS30C4 NPN
Cảm biến tiệm cận E3F-DS30C4 NPN là thiết bị phát hiện vật cản bằng tia hồng ngoại với độ chính xác cao, hoạt động trong dải điện áp 6-36V Sử dụng ánh sáng hồng ngoại, cảm biến này cho phản hồi nhanh và có khả năng phát hiện vật cản trong khoảng cách từ 10 đến 30 cm, có thể điều chỉnh linh hoạt.
Cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4 có thể chỉnh khoảng cách báo mong muốn thông qua biến trở Tín hiệu NPN cực thu hở cho đầu ra
- Kích thước đường kính ngoài: 18mm (mm)
- Phát hiện: vật cản bằng hồng ngoại
- Khoảng cách phát hiện: 10-30cm có thể điều chỉnh
- Điện áp làm việc: DC 6-36VDC
- Màu nâu: VCC, nguồn dương 6 – 36VDC
- Màu xanh dương: GND, nguồn âm 0VDC
- Màu đen: chân tín hiệu ngõ ra cực thu hở NPN
Hình 5.49 Cảm biến tiệm cận E3F-DS30C4
5.4.2 Thiết kế hệ thống điện và lập trình PLC
Hình 5.50 Sơ đồ mạch điện của hệ thống
Bảng 5.15 Bảng thiết bị ngõ vào
STT Thiết bị Địa chỉ
1 Công tắc chuyển đổi 2 vị trí 1 X03
2 Công tắc chuyển đổi 2 vị trí 2 X04
3 Công tắc chuyển đổi 2 vị trí 3 X07
4 Công tắc chuyển đổi 3 vị trí X00, X01
5 Cảm biến tiệm cận NPN 1 X06
6 Cảm biến tiệm cận NPN 2 X05
Bảng 5.16 Bảng thiết bị ngõ ra
STT Thiết bị Địa chỉ
1 Rơ le trung gian 14 chân K1 Y00
2 Rơ le trung gian 14 chân K2 Y01
3 Rơ le trung gian 14 chân K3 Y02
4 Van điện từ 5 cổng 2 vị trí 1 đầu cuộn coil 1 Y05
5 Van điện từ 5 cổng 2 vị trí 1 đầu cuộn coil 2 Y06
Sau khi bật cầu dao điện (CB) để cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống, PLC sẽ được khởi động Tiếp theo, người dùng nạp chương trình vào PLC và nhấn nút RUN để bắt đầu quá trình hoạt động.
- Nếu gạt công tắc 3 vị trí sang chế độ Manual: Bơm, Motor và Băng tải sẽ được bật tắt trực tiếp thông qua công tắc 2 vị trí
Khi gạt công tắc 3 vị trí sang chế độ Auto, hệ thống sẽ tự động hoạt động theo nguyên lý sau: Tại cụm chiết rót, khi chai đi qua cảm biến tiệm cận NPN, cảm biến sẽ dừng băng tải và tiến hành chiết rót trong vòng 10 giây trước khi băng tải tiếp tục chạy Tại cụm đóng nắp, khi chai đi qua cảm biến tiệm cận NPN, băng tải sẽ dừng lại, van điện từ 1 sẽ kẹp chai, sau đó van điện từ 2 sẽ kích hoạt motor xoay trong 6 giây Cuối cùng, điện của van điện từ 2 và van điện từ 1 sẽ được ngắt, cho phép băng tải tiếp tục chạy cho chu trình tiếp theo.
Lập trình PLC được thực hiện thông qua phần mềm GX Works 2, cho phép người dùng lập trình và mô phỏng hệ thống điện Ngôn ngữ lập trình LADDER (Ngôn ngữ bậc thang) được sử dụng để thiết kế các chương trình điều khiển hiệu quả.
Ta sử dụng cổng lập trình RS232 để kết nối phần cứng PLC với laptop cá nhân để thực hiện nạp code vào PLC
Hình 5.51 Cáp giao tiếp USB RS232
Lập trình biến trung gian của từng chế độ
Hình 5.52 Lập trình biến trung gian cho từng chế độ
Trong hệ thống điều khiển, biến trung gian M0 được sử dụng cho chế độ tự động, trong khi biến M1 phục vụ cho chế độ điều khiển thủ công Khi tắt chế độ Auto hoặc Manual, lệnh xung sườn xuống (Falling Pulse) sẽ được áp dụng để dừng băng tải Ngược lại, lệnh xung sườn lên (Rising Pulse) sẽ giữ cho băng tải hoạt động liên tục khi ở chế độ Auto.
Lập trình cụm bơm (chế độ tự động)
Hình 5.53 Lập trình cụm bơm
Sử dụng lệnh xung sườn lên để dừng băng tải Y002 khi cảm biến tiệm cận X006 nhận tín hiệu, sau đó tạo biến trung gian T0 để đếm thời gian Bơm Y000 sẽ hoạt động trong khoảng thời gian từ 0.5s đến 10.5s (tức 5 × 10^2 ms đến 105 × 10^2 ms) kể từ khi cảm biến 1 nhận tín hiệu Khi biến T0 đếm đủ 11s, lệnh xung sườn lên sẽ được sử dụng để kích hoạt băng tải Y002 chạy.
Lập trình cụm đóng nắp (Auto)
Khi cảm biến tiệm cận X005 có tín hiệu, lệnh xung sườn lên được sử dụng để dừng băng tải Y002 Tiếp theo, biến trung gian T01 sẽ bắt đầu đếm thời gian Van điện 1 Y003 hoạt động từ 0,5s đến 12s để kẹp chặt chai, trong khi van điện 2 Y004 hoạt động từ 2s đến 11s để hạ motor vặn chai Động cơ xoay nắp sẽ hoạt động từ 4s đến 10s trong khoảng thời gian 6s Cuối cùng, băng tải Y002 sẽ được kích hoạt chạy khi biến T01 đếm đủ 13s.
Hình 5.54 Lập trình cụm đóng nắp
Lập trình chế độ điều khiển bằng tay
Ta sử dụng các công tắc (X003, X004, X007) và biến trung gian M1 để điều khiển bật/tắt các thiết bị tương ứng Bơm nước (Y000), Băng tải (Y002) và Motor xoay nắp (Y001)
Hình 5.55 Lập trình điều khiển bằng tay
Hình 5.56 Lưu đồ giải thuật của hệ thống chiết rót và đóng nắp
Hình 5.57 Lưu đồ giải thuật chế đọ Auto
Hình 5.58 Lưu đồ giải thuật chế độ Manual
CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Quá trình chế tạo
Hình 6.1 Mô hình thiết kế
Sau quá trình nghiên cứu, thiết kế và chế tạo, nhóm em đã hoàn thành được mô hình máy chiết rót nước cam đóng chai tự động như hình 6.2
Hình 6.2 Mô hình máy chiết rót nước cam đóng chai tự động
Hình ảnh các chi tiết của máy
Quá trình thử nghiệm và đánh giá
Khó khăn lớn nhất mà nhóm gặp phải trong quá trình thực hiện đề tài là việc lấy nắp, do chuyển động bằng băng tải Khi chai di chuyển qua băng tải, nếu gặp phải lực cản nhất định, quá trình lấy nắp sẽ trở nên rất khó khăn Vì vậy, nhóm đã tiến hành thử nghiệm nhiều cơ cấu lấy nắp khác nhau để tìm ra giải pháp hiệu quả.
Hình 6.9 Mô hình thiết kế và thực tế của PA-1 Ở phương án này không lấy được nắp vì lực giữ còn cao Không sử dụng được Phương án 2:
Hình 6.10 Mô hình thiết kế và thực tế của PA-2 Ở phương án này mặc dù lấy được nắp nhưng mức độ ổn định chưa cao Không chọn
Hình 6.11 Mô hình thiết kế và thực tế của PA-3 Ở phương án này mặc dù lấy được nắp nhưng mức độ ổn định chưa cao Không chọn
Sau khi thử nghiệm các phương án thì nhóm quyết định chọn phương án khả thi nhất trong những phương án đã thử nghiệm
Hình 6.12 Mô hình thiết kế và thực tế của máy hiện tại
Mặc dù độ ổn định của máy chưa cao, nhưng khi giảm tốc độ băng tải từ 5cm/s xuống 3.7cm/s thông qua mạch điều khiển motor PWM 2A-12V, tỷ lệ thành công đã tăng đáng kể Cụ thể, tỷ lệ thành công tăng từ 33% (10 lần thành công trên 30 lần thử nghiệm) lên 83% (25 lần thành công trên 30 lần thử nghiệm).
Bảng 6.1 Bảng kiểm nghiệm v = 5 cm/s
Bảng 6.2 Bảng kiểm nghiệm v = 3.7 cm/s
Sau khi tiến hành thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh nhóm chúng em đã rút ra được một số đánh giá sơ bộ như sau: Ưu điểm:
- Mô hình có kích thước nhỏ gọn phù hợp đặt trong khu vực có không gian nhỏ
- Tiết kiếm được công sức, thời gian và số người lao động tham giá
- Đảm bảo sự đồng đều về chất lượng đầu ra
- Máy hoạt động trơn tru
- Năng suất máy đạt được 55-60 lít/giờ
- Mô hình máy còn đơn giản dẫn đến khả năng xử lý và tốc độ của máy chưa cao
- Mặc dù máy đã được tự động hóa nhưng vẫn cần có người đứng để đặt chai vào cho máy gây ảnh hưởng đến năng suất
- Chỉ chiết rót được một lượng nước nhất định chưa mang tính linh hoạt