Bài Tập Lớn Môn Đo Lường Và Cảm Biến : Xét khâu chất lỏng vào thùng trong hệ thống sản xuất

Hệ thống gồm :Động cơ kéo băng tải, hai nút khởi động và dừng hệ thống : Start, Stop, Bồn chứa chất lỏng cần rót, thùng rỗng được đẩy ra từ kho chứa hàng, Van 2 đươc điều khiển để rót chất lỏng vào thùng, Van 1 được điều khiển để đưa chất lỏng vào bồn chứa. Các thông số cần giám sát là mức chất lỏng trong bồn chứa và mức chất lỏng rót vào các thùng, vị trí các thùng trên băng tải. Đối tượng điều khiển là động cơ kéo băng tải, Van 1, Van 2 và thiết bị đẩy thùng rỗng từ kho xuống băng tải. Bồn chứa cao 2m và các thùng cao 0.5m. Chất lỏng cần rót có tính dẫn điện, không có tính chất ăn mòn hóa học. Yêu cầu : 1. Trình bày tổng quan về công nghệ và ứng dụng của hệ thống chiết rót chất lỏng. 2. Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống? 3. Liệt kê các cảm biến có trong hệ thống. 4. Các phương án lựa chọn cảm biến cho hệ thống? 5. Trình bày về loại cảm biến lựa chọn? 6. Thiết kế vị trí lắp đặt cảm biến va tính toán xử lý tín hiệu đầu ra của cảm biến để tác động đến các đối tượng điều khiển? 7. Đánh giá về sai số của hệ thống (giới hạn, nguyên nhân và biện pháp khắc phục)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Khoa Điện

Báo Cáo Bài Tập Lớn Môn Đo Lường Và Cảm Biến

Đề Tài : Xét khâu chất lỏng vào thùng trong hệ thống sản xuất

Nhóm gồm các thành viên : Nguyễn Thế Việt Nguyễn Văn Vinh

Hoàng Ngọc Vũ

Bùi Thanh Xuân

Giáo Viên Hướng Dẫn : Nguyễn Thu Hà

ĐỀ TÀI

Xét khâu rót chất lỏng vào thùng trong hệ thống sản xuất,mô tả công nghệ như hình vẽ:

Hệ thống gồm : Động cơ kéo băng tải, hai nút khởi động và dừng hệ thống :

Start, Stop, Bồn chứa chất lỏng cần rót, thùng rỗng được đẩy ra từ kho chứa hàng, Van 2 đươc điều khiển để rót chất lỏng vào thùng, Van 1 được điều khiển

để đưa chất lỏng vào bồn chứa

Các thông số cần giám sát là mức chất lỏng trong bồn chứa và mức chất

lỏng rót vào các thùng, vị trí các thùng trên băng tải Đối tượng điều khiển là

động cơ kéo băng tải, Van 1, Van 2 và thiết bị đẩy thùng rỗng từ kho xuống băng

tải Bồn chứa cao 2m và các thùng cao 0.5m Chất lỏng cần rót có tính dẫn điện,

không có tính chất ăn mòn hóa học.

Yêu cầu :

1 Trình bày tổng quan về công nghệ và ứng dụng của hệ thống chiết rót chấtlỏng

2 Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống?

3 Liệt kê các cảm biến có trong hệ thống

4 Các phương án lựa chọn cảm biến cho hệ thống?

5 Trình bày về loại cảm biến lựa chọn?

6 Thiết kế vị trí lắp đặt cảm biến va tính toán xử lý tín hiệu đầu ra của cảmbiến để tác động đến các đối tượng điều khiển?

7 Đánh giá về sai số của hệ thống (giới hạn, nguyên nhân và biện pháp khắc

phục)

LỜI NÓI ĐẦU

Nước ta đang trong thời kì phát triển của sự nghiệp công hóa-hiện đại hóa, vì thế

việc áp dụng các thành tựu của khoa học kĩ thuật vào trong đời sống và sản xuất là điều không thể thiếu để phát triển đất nước Một trong những ngành công nghiệp

phát triển có tính thực tiễn cao vào trong đời sống sản xuất là ngành Điện và Tự

Động Hóa ,xuất phát từ nhu cầu sản xuất đó,nhóm chúng em đã tìm hiểu đề tài:Xét

khâu rót chất lỏng vào thùng trong hệ thống sản xuất”,nhằm phục vụ cho việc

chiết rót sản phẩm cho các ngành sản xuất có nhu cầu

Việc thực hiện bài tập lớn này rất là bổ ích cho các sinh viên, nó sẽ giúp các sinh

viên tự tìm tòi học hỏi, và hiểu ra nhiều quy trình chiết rót và cách vận hành của

nó, từ đó sẽ làm nền tảng và nguồn kiến thức dồi dào cho các sinh viên khi hoạt

động trong các công tác chuyên ngành của mình vàcác hoạt động trong đời sống vềlĩnh vực thiết kế, thi công, quản lý hệ thốngchiết rót Các hệ chiết rót chất lỏng

được ứng dụng rất rộng rãi

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng trong quá trình làm đề tài không tránh khỏi những sai sót trong cách trình bày cũng như phần thể hiện đề tài của mình.Mong các thầy,cô

và các bạn góp ý và bổ sung thêm để đề tài của em có thể hoàn thiện hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ

Hệ thống gồm:Động cơ kéo băng tải,hai nút khởi động và dừng hệ

thống:Start,Stop,Bồn chứa chất lổng cần rót,thùng rỗng được đẩy ra từ kho chứa

thùng,Van 2 được điều khiển để rót chất lổng vào thùng,van 1 được điều khiển để

đưa chất lỏng vào bồn chứa

Các thông số cần giám sát là mức chất lỏng trong bồn chứa và mức chất lỏng

rót vào các thùng,vị trí các thùng trên băng tải.Đối tượng điều khiển là động cơ

kéo băng tải,Van 1,Van 2 và thiết bị đẩy thùng rỗng từ kho xuống băng tải.Bồn

chứa cao 2m và các thùng cao 0.5m.Chất lỏng cần rót có tính dẫn điện và không

có+ tính chất ăn mòn hóa học.

1) Băng tải.

Hiểu một cách đơn giản nhất thì có thể hiểu băng tải là một cơ chế hoặc máy có thểvận chuyển một tải đơn (thùng carton, hộp, túi ,…) hoặc số lượng lớn vật liệu (đất, bột, thực phẩm …) từ một điểm A đến điểm B

Định nghĩa chuyên nghiệp hơn thì hệ thống băng tải là thiết bị chuyển tải có tính kinh tế cao nhất trong ứng dụng vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệu trong sản

xuất với mọi khoảng cách

Vậy Băng chuyền, băng chuyền công nghiệp, hệ thống băng chuyền, băng tải là một trong những bộ phận quan trọng trong dây chuyền sản xuất, lắp ráp của các doanh nghiệp, nhà máy trong cả nước Góp phần tạo nên một môi trường sản xuất năng động, khoa học và giải phóng sức lao động mang lại hiệu quả kinh tế cao

2) Cấu tạo băng tải

Hệ thống băng tải là thiết bị chuyển tải có tính kinh tế cao nhất trong ứng dụng vậnchuyển hàng hóa, nguyên vật liệu trong sản xuất với mọi khoảng cách

Thành phần cấu tạo

- Một động cơ giảm tốc trục vít và bộ điều khiển kiểm soát tốc độ

- Bộ con lăn, truyền lực chủ động

- Hệ thống khung đỡ con lăn

- Hệ thống dây băng hoặc con lăn

Mỗi loại băng tải được sử dụng trong những trường hợp nhất định, cần tìm hiểu để

có thể sử dụng đúng và đạt hiệu quả cao

3.Ứng Dụng

Có nhiều loại băng tải được ứng dụng trong các điều kiện và tính chất làm việc

khác nhau

Trong các cơ sở sản xuất qui mô vừa và nhỏ, các công trình thi công vĩ mô, việc sử

dụng các loại băng tải sẽ giúp tiết kiệm sức lao động, nhân công, nhân lực, thời gian và tăng hiệu quả rõ rệt Mỗi loại băng tải được sử dụng trong những trường

hợp nhất định, cần tìm hiểu để có thể sử dụng đúng và đạt hiệu quả cao

Dây chuyền công nghệ chiết rót đẳng tích sử dụng cho các ngành chiết rót nước ngọt không gas hay nước tinh khuyết

Ngoài ra chiết rót vô trùng cũng là bước ngoặc trong công nghệ chiết rót trên thế giới sử dụng trong các dây chuyền chiết rót sữa hay thuốc

CHƯƠNG 2:NỘI DUNG THỰC HIỆN

2.1 Yêu cầu của đề tài

2.1.1 Tổng quan về công nghệ và ứng dụng của hệ thống chiết rót

1)Tổng quan về các phương pháp chiết rót

Phương pháp rót áp suất thường:

Phương pháp này chất lỏng tự chảy vào trong chai do chênh lệch về độ cao thủytĩnh Tốc độ chảy chậm nên chỉ thích hợp với các chất lỏng ít nhớt Phương phápnày còn có tên gọi khác là chiết rót đẳng tích

Phương pháp rót chân không:

Nối chai với một hệ thống hút chân không, chất lỏng sẽ chảy vào trong chai do chênh áp giữa thùng chứa và áp suất trong chai Lượng chất lỏng chảy vào chai thông thường cũng được áp dụng phương pháp bù trừ hoặc chiết đầy chai

2)Mục đích và phương pháp đo

a Mục đích

Mục đích việc đo và phát hiện mức chất lưu là xác định mức độ hoặc khối lượngchất lưu trong bình chứa.

Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng

Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lạitrong bình chứa Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phâncho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không

b Phương pháp đo

Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu:

- Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện

- Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu

- Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu

Phương pháp bức xạ

Cảm biến bức xạ cho phép đo mức chất lưu mà không cần tiếp xúc với môi trường

đo, ưu điểm này rất thích hợp khi đo mức ở điều kiện môi trường đo có nhiệt độ,

áp suất cao hoặc môi trường có tính ăn mòn mạnh

Trong phương pháp này cảm biến gồm một nguồn phát tia và bộ thu đặt ở haiphía của bình chứa Nguồn phát thường là một nguồn bức xạ tia γ (nguồn 60Cohoặc 137Cs), bộ thu là một buồng ion hoá Có 2 chế độ đo là phát hiện mức ngưỡng

và chế độ đo mức liên tục

3) Kết luận chung

Công nghệ chiết rót chất lỏng là một khâu quan trọng trong sản xuất, nó đãthay thế được các phương pháp thủ công thiếu chính xác trong sản xuất Bằngviệc áp dụng thành tựu khoa học kĩ thuật và ứng dụng các cảm biến vàotrong quá trình sản xuất, cùng với sự có mặt của rô bốt, tự động hóa và mạngmáy tính công nghệ chiết rót chất lỏng được áp dụng nhiều trong các khucông nghiệp, các nhà máy sản xuất thực phẩm, đồ uống…một cách rộng rãi

và hiệu quả.

Nhìn chung công nghệ trong ngành chiết rót là công nghệ hỗ trợ cho rất nhiềucác ngành công nghiệp khác như: ngành công nghiệp chế biến thực phẩm,ngành công nghiệp dược phẩm hay mỹ phẩm.Trong đó lĩnh vực chiết rót đẳng

áp là cực kỳ quan trọng và khá phức tạp trong các dạng chiết rót vì nhiều sảnphẩm cần vô trùng hay các sản phẩm có gas

2.1.2 Nguyên lí hoạt động của hệ thống

Khi nhấn nút Start, hệ thống hoạt động Thùng rỗng được đẩy từ kho xuống băng tải Động cơ kéo băng tải chuyển động Các thùng rỗng đươc chuyển đến vị trí rót

dưới bồn chứa nhờ có cảm biến vị trí được lắp đặt trước ở đó Khi cảm biến vị trí

phát hiện đối tương ở vị trí rót nó sẽ tác động lên động cơ kéo băng tải làm cho băng tai dừng lại đồng thời tác động đến Van 2 làm Van 2 mở, chất lỏng được rót

vào thùng với mức được xác định bằng cảm biến mức Khi thùng rỗng đầy, cảm

biến mức tác động đến Van 2 lam nó đóng lại đồng thời tác động đến động cơ

làmbăng tải tiếp tục chuyển động đẩy thùng đã rót đi và đẩy thùng rỗng kế tiếp tới

Cảm biến Quang điện (Photoelectric Sensor, PES) nói một cách nôm na, thực chất chúng là do các linh kiện quang điện tạo thành Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của cảm biến quang, chúng sẽ thay đổi tính chất Tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot (Cathode) khi có một lượng ánh sáng chiếu vào.

Hiện nay, có các loại cảm biến quang như:

-Cảm biến quang thu phát

-Cảm biến quang phản xạ gương

-Cảm biến quang khuếch tán

Công dụng và vai trò của cảm biến quang

Công dụng chủ yếu của cảm biến quang là dùng để phát hiện nhiều dạng vật thể khác nhau, từ việc phát hiện một chai nhựa trên băng chuyền hoặc kiểm tra xem tay robot đã gắp linh kiện ô tô để lắp đặt hay chưa

Cảm biến quang đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp tự động hóa Nếu không có cảm biến quang thì khó mà có được tự động hóa , giống như làm việc mà không nhìn được vậy

Cấu trúc thiết kế

Cấu trúc của cảm biến quang khá đơn giản, bao gồm 3 thành phần chính:

a) Bộ Phát sáng

Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED (Light Emitting Diode) Ánh sáng được phát ra theo xung Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng) Các loại LED thông dụng nhất là LED

đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED lazer Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá Ngoài ra cũng có LED vàng

b) Bộ Thu sáng

Thông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang) Bộ phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ Hiện nay nhiều loại cảmbiến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC ( Application Specific Integrated Circuit) Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC) Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại

từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán)

c) Mạch xử lý tín hiệu ra

Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu ON /

OFF được khuếch đại Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt Mặc dù một số loại cảm biến thế

hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ-le (relay) vẫn kháphổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu ra bán dẫn

(PNP/NPN) Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứngdụng đo đếm

2 Công tắc chuyển Light-On/Dark-On

Công tắc L-On/D-On thay đổi tình trạng đầu ra cảm biến

Đối với cảm biến xác định vị trí và dịch chuyển thì nhóm em lựa chọn

cảmbiếnquang phản xạ gương.Vì loại cảm biến này lắp ráp đơn giản,làm việc ổn định.Qua tìm hiểu thị trường một số dòng sản phẩm của hãng Omron đã được sử dụng tại Việt Nam có E3E, EZT66 Nhưng em lựa chọn cảm biến EZ3, và E3Z-R61

CẢM BIẾN QUANG EZ3

Đặc điểm

KT: 40x12x21 (mm)

• Chọn kiểu đầu ra tác động theo sáng/tối

• Chức năng đèn báo hiệu sự ổn định; điều chỉnh được độ nhạy

•Hình khối nhỏ gọn 31x20x11mm ,Nguồn cấp 10~30VDC

 Nhiều chế độ: thu phát chung, phản xạ gương, thu phát riêng tối đa 30m

 Ngỏ ra transistor Open Collector PNP, PNP-NO 100mA

 Chế độ làm việc Light-ON/Dark-ON lựa chọn qua switch chọn

 Bảo vệ ngắn mạch ngõ ra, cấp nguồn ngược cực

 Hình trụ Ø18, dài 65mm, nhiệt độ làm việc -25~550C

 Sử dụng LED hồng ngoại bước sóng 660nm, thời gian đáp ứng 2.5ms

 Tia sáng nhỏ, góc nhìn hẹp thích hợp cho các ứng dụng chính xác

 Vỏ bọc bằng PBT (polybutylene terephthalate), độ kín đạt IEC IP67

 Kiểu đấu nối: dây dài 2m hoặc connecter

CẢM BIẾN QUANG E3Z-R61

Ưu Điểm

 Lắp đặt dễ hơn

 Chỉnh định dễ dàng

 Với vật thể có bề mặt sáng bóng có thể làm cảm biến không phát hiện được,

có thể dùng kính lọc phân cực

 Giá cả phải chăng

Nhược điểm:

 Khoảng cách phát hiện ngắn hơn loại thu phát (E3Z-R: chỉ được 4-5m)

 Vẫn cần 2 điểm lắp đặt cho cảm biến và gương

 Cảm biến phản xạ gương loại 2 thấu kính thường không phát hiện được vật ở một số khoảng cách ngắn nhất định

Phản xạ gương là dạng cảm biến quang phổ biến nhất trong công nghiệp Loại này

có sự kết hợp tốt các yếu tố như phát hiện tin cậy, khoảng cách vừa đủ và giá thànhhợp lý

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

 Sensor sợi quang nhằm phát hiện sự di chuyển của vật mờ đục (chắn sáng)

 Một photodiode tạo ra tín hiệu dẫn (pilot signal)

 Tín hiệu này được truyền qua sợi quang tới vật và bị phản xạ tại bề mặt của vật

 Quang thông phản xạ truyền ngược trở lại qua sợi quang thu tới một photodiode khác

 Dòng điện tương ứng với khoảng cách từ cuối sợi quang tới vật được tạo ra

 Biến đổi dòng điện thành photon; truyền photon qua môi trường khúc xạ; phản xạ; biến đổi ngược photon thành dòng điệnquá trình cảm biến gồm 2 bước biến đổi năng lượng và sử dụng tín hiệu quang.

Hình 2.2.4

Ngoài ra, E3Z-R61 cũng dụng công nghệ mới AC3 (Auto Compensation Control for Contamination: Kiểm soát tự động chống nhiễu do nhiễm bẩn) Cảm biến quang có sẵn bộ khuyếch đại thông thường không có chức năng bù sự thay đổi cường độ ánh sáng thu được do bụi, tạp chất, nhiệt độ, môi trường, sự lão hóa của đèn LED theo thời gian gây nên, bởi vậy không có được sự ổn định lâu dài trong việc phát hiện vật thể trong suốt như yêu cầu Chức năng ACđịnh kỳ truyền tín hiệu cường độ ánh sáng thu nhận được ở chế độ light-ON tới mạch phát sáng, nhờ

đó duy trì cường độ ở mức giá trị đặt khi dùng chức năng teaching

Còn nhiều chức năng ưu việt nữa như:

- Vỏ bọc bằng thép không gỉ SUS316, mặt hiển thị bao phủ bằng vật liệu PES, đều

là những vật liệu có độ bền cao với các hóa chất tẩy rửa trong công nghiệp

- Độ kín nước đạt tới cấp độ IP69K cho phép xịt rửa trực tiếp bằng nước dưới áp suất và nhiệt độ cao

Khả năng hoạt động tốt ở môi trường nhiệt độ khắc nghiệt trong phạm vi từ -25 tới +55 độ C, thích hợp đặc biệt cho lĩnh vực sản xuất đồ uống

Điện áp nguồn cấp 12 đến 24 VDC

Công suát tiêu thụ Tối đa 25 mA

Ngõ ra điều khiển Ngõ ra transitor collector hở, tối đa 100

mA, điện áp dư: tối đa 1 V ở 100mAThời gian đáp ứng Tối đa 2,5 ms

Nhiệt độ môi trường -25oC tới 55oC

Độ ẩm môi trường Hoạt động: 35% tới 85%

Mức độ chịu rung 10 tới 55 Hz, biên đô rung 1,5 mmMức độ chịu sốc Mức độ phá hủy: 500 m/s2 cho 3 lần ở

mỗi hướng X, Y, ZCấp nối Dây nối thường (độ dài tiêu chuẩn 2m)

Trọng lượng Tối đa 85g

Phụ kiện Đinh vít, gương E30-R, bộ điều chỉnh

Thấu kính: PMMA

2 Cảm biến điện dung

Cảm biến lân cận dạng điện dung

Hình 2.1: Cấu tạo cảm biến lân cận điện dung

a) Cấu tạo

Cảm biến lân cận dạng điện dung có cấu tạo gồm 4 phần như hình 3.5

+) Đầu phát hiện trong cảm biến lân cận dạng dạng điện dung là bản cực củamột tụ điện

+)Mạch dao động có nhiệm vụ tạo dao động điện từ tần số radio

+)Mạch phát hiện mức dùng để so sánh biên độ tín hiệu của mạch dao động +)Mạch ngõ ra dùng để tạo mức logic cho tín hiệu ngõ ra của cảm biến