Đề tài nghiên cứu thiết kế,chế tạo mô hình hệ thống chiết rót Đóng nắp chai tự Động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬTKHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Đề Tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ,CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHIẾT RÓT ĐÓNG NẮP CHAI TỰ Đ

CƠ SỞ LÍ THUYẾT

TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CHIẾT RÓT

1.1 Giới thiệu Để có thể xây dựng được một hệ thống như yêu cầu đặt ra, chúng ta cần phải tìm hiểu một số khái niệm, cơ sở liên quan đến hệ thống Các khái niệm về chiết rót, các cách thức để giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi và các phần mềm được hổ trợ đều được trình bày trong chương trình này.

Hiện nay, hầu hết các sản phẩm tiêu dùng, đặc biệt trong ngành thực phẩm như bia, rượu, nước giải khát và sữa, đều được đóng gói trong chai lọ Những bao bì này có nhiều ưu điểm nổi bật như giá thành hợp lý, độ bền cao, tính thẩm mỹ tốt và dễ sản xuất Chính vì vậy, hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động đang được sử dụng rộng rãi với nhiều loại khác nhau.

Dây chuyền đóng nắp chai tự động có kích thước đa dạng và thường được kết hợp với dây chuyền chiết rót chất lỏng Thiết bị này không chỉ phục vụ cho các công ty lớn mà còn thích hợp cho các cơ sở sản xuất tư nhân nhỏ.

- Định lượng: Định lượng bằng bình định mức:

Các chất lỏng hay dung dịch được định lượng chính xác nhờ bình định mức trước khi rót vào chai. Định lượng bằng chiết đến mức cố định:

Dung dịch được chiết đầy vào chai và sau đó khối thể tích bù trừ được lấy ra, khiến mức lỏng trong chai giảm xuống đồng đều, bất kể thể tích chai có giống nhau hay không Máy sử dụng ống thông hơi, và khi chất lỏng đạt đến miệng ống, quá trình chiết sẽ dừng lại Phương pháp này có độ chính xác không cao, phụ thuộc vào độ đồng đều của các chai.

Khi chất lỏng được đổ vào chai trong một khoảng thời gian nhất định, thể tích chất lỏng chảy được coi là không đổi Phương pháp này thích hợp cho các sản phẩm có giá trị thấp và không yêu cầu độ chính xác cao trong việc định lượng.

+Ưu điểm của phương pháp: Định lượng chính xác: quá trình định lượng luôn đảm chính xác theo 1 định mức với sai số thấp, giúp gia tăng năng suất.

SVTH: Lê Văn Quân GVHD: Nguyễn Thị Ái Lành

Chiết xuất đa dạng dung dịch: phù hợp cho các sản phẩm lỏng, bao gồm cả dung dịch có ga và không có ga, ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất đồ uống, hóa chất và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác.

Nhóm chúng em đã chọn phương pháp định lượng bằng cách chiết rót theo thời gian, với những ưu điểm nổi bật như tính chính xác cao và khả năng kiểm soát quy trình tốt hơn.

Dữ liệu định lượng được phân tích thông qua các phương pháp thống kê và nguyên tắc toán học, giúp đảm bảo tính khách quan và độ tin cậy cao Phương pháp này không chỉ nhanh chóng mà còn giảm thiểu tối đa các lỗi kỹ thuật có thể xảy ra, khẳng định đây là một phương pháp khoa học và hợp lý.

Chọn phương án định lượng bằng cách chiết theo thời gian

Hình 3.Máy chiết rót theo thời gian

+ Cánh tay robot đặt vào vị trí sau khi chiết rót xong

+ Ma sát trượt khi chai đã chiết rót xong khi xoay nắp sẽ tự gạt vào.

Chọn ma sát trượt vì thích hợp với đồ án nhỏ , chi phí thấp , dễ tìm kiếm

Chọn phương án ma sát trượt

SVTH: Lê Văn Quân GVHD: Nguyễn Thị Ái Lành Hoàng Văn Tuấn

Hình 2.2.Phương án ma sát trượtHình 4.Phương án ma sát trượt

Phương án chiết rót thông thường sử dụng chênh lệch độ cao để cho chất lỏng chảy vào chai Với tốc độ chảy chậm, phương pháp này chỉ phù hợp cho các chất lỏng có độ nhớt thấp.

Phương pháp rót chân không là kỹ thuật kết nối chai với hệ thống hút chân không, giúp chất lỏng chảy vào chai nhờ sự chênh lệch áp suất giữa thùng chứa và áp suất trong chai.

+Phương pháp rót đẩng áp: Phương pháp này được áp dụng cho các sản phẩm có gas như bia, nước ngọt.

Chọn phương án rót áp suất thông thường

Các cơ cấu rót có thể được thiết kế theo hai hình thức: thẳng hàng, cho phép máy chiết hoạt động đồng thời, hoặc bố trí trên bàn quay, nơi máy chiết làm việc tuần tự.

Chọn cơ cấu máy chiết bàn quay

Hình 6.Cơ cấu máy chiết bàn quay

Hình 5.Phương án rót áp suất thông thường

TỔNG QUAN VỀ PLC

PLC (Bộ điều khiển lập trình) là thiết bị cho phép lập trình các thuật toán điều khiển logic Nó nhận tín hiệu từ các sự kiện bên ngoài thông qua ngõ vào và thực hiện các hoạt động thông qua ngõ ra PLC hoạt động bằng cách quét trạng thái của ngõ vào và ngõ ra, và khi có sự thay đổi ở ngõ vào, ngõ ra sẽ được điều chỉnh tương ứng theo logic của chương trình.

Ngôn ngữ lập trình phổ biến cho PLC hiện nay bao gồm Ladder và Step Ladder, nhưng mỗi nhà sản xuất sẽ có ngôn ngữ lập trình riêng biệt Một số hãng sản xuất PLC nổi tiếng hiện nay là Siemens, Mitsubishi, Rockwell, INVT và Delta.

PLC không chỉ thích hợp cho điều khiển logic mà còn có khả năng điều chỉnh như PID và thực hiện các phép toán khác Ban đầu, PLC chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp chế tạo để điều khiển các quá trình rời rạc Trong hệ thống SCADA, PLC thể hiện nhiều ưu điểm và thế mạnh vượt trội.

Hình 7.Cấu tạo cơ bản của PLC

Để đáp ứng yêu cầu, PLC cần có CPU giống như một máy tính thực thụ CPU được coi là bộ não của PLC, quyết định tốc độ xử lý và khả năng điều khiển chuyên biệt của thiết bị này.

CPU là bộ phận chính thực hiện việc đọc tín hiệu từ khối vào, xử lý thông tin và xuất tín hiệu ra khối ra Ngoài ra, CPU còn tích hợp các khối chức năng như Counter, Timer, thực hiện các phép toán học, chuyển đổi dữ liệu và các hàm chuyên dụng khác.

- Khối ngõ vào (Modul Input)

+ Có hai ngõ vào là ngõ vào số DI và ngõ vào tương tự AI

Ngõ vào DI kết nối với các thiết bị phát tín hiệu nhị phân, bao gồm công tắc, nút nhấn, công tắc hành trình, cảm biến quang và cảm biến tiệm cận.

Ngõ vào AI kết nối với các thiết bị tạo tín hiệu liên tục như cảm biến nhiệt độ, áp suất, khoảng cách và độ ẩm Khi kết nối, cần đảm bảo sự tương thích giữa tín hiệu ngõ ra của cảm biến và tín hiệu vào mà module AI có thể đọc Mỗi module AI có khả năng đọc tín hiệu khác nhau, bao gồm dòng điện, điện áp và tổng trở Độ phân giải của module AI là thông số quan trọng, cho biết độ chính xác trong quá trình chuyển đổi ADC.

- Khối ngõ ra (Modul output)

+ Có hai ngõ ra là ngõ ra số DO và ngõ ra tương tự AO

Ngõ ra DO kết nối với các thiết bị điều khiển theo nguyên tắc ON/OFF, bao gồm đèn báo, chuông, van điện và động cơ không điều khiển tốc độ.

+ Ngõ ra AO kết nối với các cơ cấu chấp hành cần tín hiệu điều khiển liên tục: biến tần, van tuyến tính.

2.3 Đặc điểm và vai trò PLC

+ Khả năng điều khiển chương trình hang loạt Khi cần thay đổi yêu cầu, đối tượng điều khiển chỉ cần thay đổi chương trình thông qua việc lập trình.

PLC cung cấp một số lượng lớn Timer, Counter và Relay trung gian, cùng với việc hỗ trợ nhiều khối hàm chức năng chuyên dụng như phát xung tốc độ cao, bộ đếm tốc độ cao và bộ điều khiển PID.

+ Tiết kiệm thời gian đấu dây, mạch điều khiển lúc này đã thay thế hoàn toàn bằng chương trình PLC.

Khả năng truyền thông và kết nối với máy tính hoặc PLC khác là yếu tố quan trọng trong việc điều khiển và giám sát từ xa, đồng thời hỗ trợ xây dựng hệ thống SCADA hiệu quả.

+ Hoạt động với độ tin cậy cao, chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp.

Giá thành cao của các thiết bị điều khiển hiện đại đã hạn chế phạm vi ứng dụng của chúng, khiến chúng không phù hợp cho những yêu cầu điều khiển đơn giản Trong những trường hợp này, bộ điều khiển tiếp điểm sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.

+ Yêu cầu người lắp đặt ban đầu, lập trình phải có hiểu biết chuyên môn về PLC.

Với những ưu điểm vượt trội, PLC đã thay thế hệ thống điều khiển tiếp điểm truyền thống trong các nhà máy và dây chuyền công nghệ Sự chuyển đổi này không chỉ nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống mà còn giúp tiết kiệm nhân công và giảm thiểu sai sót trong quá trình vận hành.

2.4 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7 – 1200 1214 DC/DC/DC

PLC S7-1200 là dòng sản phẩm mới của SIEMENS, nổi bật với tính năng tự động hóa đơn giản nhưng chính xác cao Thiết bị này được thiết kế theo dạng module nhỏ gọn và linh hoạt, rất phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.

- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:

+ Tất cả CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC

+ Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình

Bộ điều khiển S7-1200 được trang bị cổng PROFINET, hỗ trợ các chuẩn Ethernet và TCP/IP Bên cạnh đó, người dùng có thể sử dụng các module truyền thông mở rộng để kết nối qua RS485 hoặc RS232.

Phần mềm Step7 Basic được sử dụng để lập trình cho S7-1200, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình chính là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens, mang lại sự tiện lợi cho người dùng trong quá trình lập trình.

2.4.2 Các dòng chính của PLC S7 – 1200

- S7 – 1200 có 5 dòng là CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPPU 1215C, CPU 1217C.

=> Tuỳ vào ứng dụng điều khiển để có thể chọn các module phù hợp.

Hình 8 Đặc tính kĩ thuật S7 1200

2.4.3 Các tính năng nổi bật của PLC S7 – 1200

- Khả năng kết nối mạng linh hoạt

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

YÊU CẦU THIẾT KẾ

Đề tài: “ Nghiên cứu thiết kế,chế tạo mô hình hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động” có các yêu cầu sau:

+ Hệ thống có phần cứng chắc chắn ổn định

+ Năng suất tối thiểu 400 chai/ 1h

+ Kịch thước bang tải mâm xoay phải phù hợp với chai

+ Chiết rót nước có sai số thấp

+ Cơ cấu mâm xoay phải vào đúng vị trí và quay đúng 90 độ

+ Gạt và đóng nắp chai chính xác

+ Đếm sản phẩm chính xác

Kích thước hệ thống: 100x100x56,7(cm)

Khung phần cứng bao gồm hai băng tải được bố trí vuông góc với nhau, tích hợp cơ cấu mâm xoay Mâm xoay này có bốn góc được phân bố đều 90 độ, mỗi góc đảm nhiệm các nhiệm vụ riêng biệt.

Hình 10 Bản vẽ 3D hệ thống

Khi khởi động hệ thống,mâm xoay sẽ setup để tìm lại vị trí gốc.

Sau khi xác định vị trí gốc của mâm xoay và băng tải đầu vào hoạt động, chai sẽ được đưa đến vị trí chiết rót Tại đây, cảm biến sẽ nhận tín hiệu khi chai đến vị trí setup, và quá trình bơm nước vào chai sẽ diễn ra trong 5 giây Sau khi động cơ bơm nước dừng, mâm xoay sẽ xoay 90 độ để chuyển sang bước tiếp theo.

-Sau khi bơm nước xong chai được đưa đến vị trí gạt nắp(cấp nắp),mâm xoay thực hiên xoay 90 độ.

Chai được đưa đến vị trí vặn nắp, nơi cảm biến nhận tín hiệu và khởi động động cơ vặn nắp trong 4 giây Trong giây thứ hai, xi lanh hạ xuống để cơ cấu vặn nắp tiếp xúc với nắp chai, thực hiện quá trình vặn nắp trong 2 giây tiếp theo.

Sau khi hoàn thành công việc vặn nắp, mâm xoay sẽ tiếp tục xoay 90 độ để đưa chai đến băng tải đầu ra Tại đây, sản phẩm sẽ được chuyển đến vị trí đóng gói và được đếm tự động nhờ vào cảm biến.

-Kết thúc chu kì của 1 sản phẩm(8s).

Hình 11 Sơ đồ động học

Hình 12 Phương án kĩ thuật

Công suất của động cơ cho băng tải chủ yếu được xác định bởi một số thành phần chính: + Nguồn điện cần thiết trong các giai đoạn nhàn rỗi.

+ Công suất cần thiết để đẩy các vật dọc theo băng chuyền.

+ Công suất cần thiết để khắc phục ma sát.

+ Thông số kỹ thuật băng tải:

Với kích thước của sản phẩm chai sữa nitri food nhóm em lựa chọn thông số cho băng tải như sau:

Chiều dài: 60cm (phù hợp cho 1 lần tải từ 4-5 chai trên bằng chuyền)

Chiều rộng: 7cm (đường kính chai là 60mm)

Chiều cao: 10cm (phù hợp với chiều cao của chai cũng như vị trí tiếp xúc mâm xoay)

Mô hình nghiên cứu được thực hiện với băng tải có kích thước nhỏ, cụ thể là dài 60cm, rộng 7cm và cao 10cm, nhằm đảm bảo chai di chuyển trên một đường thẳng một cách hiệu quả.

-Số lượng băng tải: 2 băng tải

Sự kết hợp của hai thành phần đầu tiên là công suất cần thiết để chạy băng tải

Tính toán công suất động cơ:

Nct: là công suất cần thiết cho động cơ (W).

N: công suất trên băng tải (W)

N: Hiệu suất chung của băng tải

Chọn m=4kg(khối lượng ước lượng chai trên băng tải),V=0,5(m/s)

Chọn hệ số an toàn cho động cơ: 1,5

 Công suất động cơ: Ncs = 19,6 * 1,5 = 29,4 (W)

Hiệu suất hệ thống chung:

- Công suất động cơ yêu cầu:

Theo [1], ta chọn một động cơ phù hợp với hệ thống: Chọn động cơ giảm tốc DC JGP37 545 DC24V 100RPM có công suất: N = 40 (W).

-Chọn đường kính con lăn Chọn đường kính con lăn v: D = 30 mm

- Mô-men xoắn động cơ:

Tính toán công suất động cơ đóng nắp:

Nct: là công suất cần thiết cho động cơ (w)

N: công suất trên bang tải (w) n: hiệu suất chung của băng tải

Chọn m=2kg=2N (lực đóng nắp chai), V= 0.5(m/s)

Chọn hệ số an toàn cho động cơ: 1,5

=>> Công suất động cơ: Ncs= 9,8*1,5,7(w) (2)

Theo [2], ta chọn một động cơ phù hợp với hệ thống: Chọn một động cơ giảm tốc DC

DCM555 DC24V 600RPM có công suất: N = 20 (W).

* Động cơ máy bơm nước:

- Khả năng này dựa trên lưu lượng truy cập

P (kW) = [Q (m3 / s) * H (m) * tỷ lệ H2O (1000kg / m3)] / [102 * hiệu suất bơm (0,8-0,9)] = (0,0033.0.6.1000) / (102*0,8) =0,024(kW)

Q: Tiết kiệm lương máy bơm

Hb: Cột áp suất bơm

S: Hiệu suất bơm bình thường (0,8)

Chọn động cơ phù hợp với công suất máy:

Pđc: Công suất động cơ (Kw)

P: Công suất bơm (Kw) δ: Hiệu suất động cơ (0,9 – 0,95)

Hình 15 Động cơ DCM555 DC24V 600RPM

F là lực tác động từ xi lanh lên đầu nắp chai

 Chọn hệ số an toàn là 2

1.4.5 Chọn vật liệu khung sườn

Khung sườn được chế tạo từ vật liệu nhôm định hình 3x3 cm, mang lại kích thước nhỏ gọn và kết cấu chắc chắn Sản phẩm dễ dàng tháo lắp và vận chuyển, đồng thời có giá thành hợp lý.

Hình 19 Phát thảo mâm xoay

Để mâm xoay có thể thực hiện đồng thời ba nhiệm vụ: bơm nước, gạt nắp chai và đóng nắp chai, nhóm thiết kế cần bố trí các cơ cấu chấp hành một cách hợp lý.

- Với việc cắt 4 lỗ d=8mm cách nhau 90 độ là hợp lí

Lỗ ở chính giữa sẽ kết nối với thanh có đường kính 8mm, được gắn với hai ổ bi, giúp cố định mâm chắc chắn vào khung sườn, đảm bảo không bị rung và chịu lực tốt.

1.4.7 2D các bãn vẽ chi tiết

Hình 20 Bản vẽ 2D hệ thống

Hình 21 Bản vẽ băng tải đầu vào

Hình 22 Bản vẽ cơ cấu vặn nắp

Hình 23 Bản vẽ cơ cấu cấp nắp

Hình 24 Bản vẽ cơ cấu mâm xoay

Hình 25 Bản vẽ băng tải đầu ra

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

Hệ thống điện là yếu tố quyết định cho hoạt động hiệu quả của phần cơ khí Sau khi hoàn thiện mô hình cơ khí, cần thiết lập phương án thiết kế tổng thể cho các phần trong khâu điều khiển Các khối cấu thành bao gồm: khối nguồn, khối xử lý trung tâm, khối băng tải, khối nút nhấn, khối cảm biến, khối cấp nắp, khối đóng nắp và khối mâm xoay.

1.1: Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 26 Sơ đồ khối hệ thống

+ Khối nguồn: có chức năng cấp nguồn cho hệ thống

+ Khối nút nhấn: có chức năng điều khiển hệ thống

+ Khối cảm biến: có chức năng xác định vị trí chai và đếm sản phẩm

+ Khối băng tải: có chức năng đưa chai vào, ra

+ Khối chiết rót: có chức năng cung cấp nước cho chai

+ Khối cấp nắp: có chức năng cung cấp nắp cho chai

+ Khối đóng nắp: có chức năng đóng nước chai

+ Khối mâm xoay: có chức năng giữ và di chuyển chai một góc 90 độ

+ Khối xử lí trung tâm: có chức năng nhận, xử lí thông tin và điều khiển các khối khác.

+ Bỏ chai rỗng 330ml lên băng tải 1 đến vị trí rót nước

+ Sau 2 s vào vị trí hệ thống bơm chiết vào chai 330ml trong 6s

Sau khi rót xong, hệ thống sẽ tạm dừng 1 giây để tránh nước nhỏ xuống mâm trong quá trình xoay Sau đó, mâm sẽ xoay chai đến vị trí gạt nắp.

+ Đến vị trí đóng nắp (quá trình đóng nắp trong vòng 3s)

Hình 27 Quy trình hệ thống

Hình 28 Các bước thực hiện

* Quy trình khai thác nước 7s

Khay xoay 90 độ trong 1 giây

1.3 Lựa chọn thiết cho hệ thống

Nhóm đã chọn PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC của hãng Siemens, với hệ thống gồm 11 ngõ vào DI và 8 ngõ ra DO Mặc dù S7-1200 1214C DC/DC/DC có 14DI và 10DO, nhưng vẫn đáp ứng tốt yêu cầu của nhóm Thiết kế nhỏ gọn, phần mềm lập trình Tia Portal dễ sử dụng, cùng khả năng mở rộng IO và giao diện thiết kế SCADA với kho thư viện phong phú, khiến đây trở thành lựa chọn tối ưu.

Hình 29.PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC

Chức năng CPU 1214C DC/DC/DC

Kiểu tương tự 14 ngõ vào/10 ngõ ra

100KB 4MB Độ mở rộng các modul tín hiệu 8

Các modul truyền thông 3 (mở rộng về bên trái)

Các bộ đếm tốc độ cao: Đơn pha

Hình 30 Catalog S7-1200 1214C DC/DC/DC

- Động cơ băng tải, động cơ đóng nắp dùng nguồn 24VDC, dòng điện tiêu thụ lên tới 2A

- Cảm biến tiệm cận sử dụng điện áp từ 6 – 36 VD, dòng tiêu thụ tối đa 300mA

- Cảm biến quang sử dụng điện áp từ 6 – 36 VD, dòng tiêu thụ tối đa 35mA

- PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC sử dụng điện áp 24VDC, dòng điện tiêu thụ tối đa 1500mA

- Hệ thống điều khiển khí nén, relay trung gian sử dụng điện áp 24 VDC

=> Với những thông số kĩ thuật trên nhóm quyết định chọn nguồn cung cấp cho cả hệ thống là nguồn tổ ong 24VDC – 5A

Hình 31 Nguồn tổ ong Điện áp đầu vào AC 220V Điện áp đầu ra DC 24V 5A

Hình 32 Thông số kĩ thuật

*Đối với động cơ bơm nước nhóm em dùng nguồn 12VDC, 3A

Hình 33 Nguồn 12VDC-3A Điện áp đầu vào 100V-240V Điện áp đầu ra 12V-3A

Giắc cấm đầu ra DC 5,5 x 2,5mm (phù hợp với 5,5 x 2,1mm)

Hình 34 Thông số kĩ thuật

Nút nhấn được sử dụng để đóng mạch điện trong mạch điện áp thấp Thông thường nút nhấn mở được sử dụng để điều khiển hệ thống.

Nút nhấn nhựa không đèn (Nhấn nhả)

Số tiếp điểm 1NO + 1NC

Số điện áp hoạt động AC/DC 230,380 Điện trở tiếp xúc

Tiêu đề	Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống chiết rót đóng nắp chai tự động
Tác giả	Lê Văn Quân, Hoàng Văn Tuấn
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Thị Ái Lành
Trường học	Đại học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	14,47 MB