Bài Tập Lớn Đo Lường Và Cảm Biến : Chiết Rót Và Đóng Thùng Chất Lỏng, Mỗi Thùng 20 chai

Bài Tập Lớn đo lường và cảm biến: Đề tài: chiết rót chất lỏng vào chai đóng nắp dán nhãn và đóng thùng , mỗi thùng 20 chai.Đề tài đã được soạn thảo dựa trên hệ thống chiết rót tự động, nghiên cứu rất kĩ về tính chọn cảm biến phù hợp với chương trình học, cũng như dễ học dễ vấn đáp.

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay quá trình tự động hóa trong công nghiệp là hết sức quan trọng đối với

sự phát triển của một quốc gia Với các nước phát triển như Mỹ, Nhật,…thì tự độnghóa không còn xa lạ và đã trở nên quen thuộc Ở các nước này máy móc hầu như đãthay thế lao động chân tay, số lượng công nhân trong nhà máy đã giảm hẳn và thay vào đó là những lao động chuyên môn, những kỹ sư có tay nghề, điều khiển giám sát trực tiếp quá trình sản xuất thông qua máy tính Ở Việt Nam trong những năm gần đây thì tự động hóa ngày càng phát triển không ngừng cạnh tranh với các nướctrong khu vực và trên thê giới

Với khía cạnh rộng rãi và phát triển nhanh như vậy mà chỉ được làm trong một thời gian không dài lắm thì trong đề tài bài tập lớn này chúng em chỉ đề cập tới những vấn để cơ bản nhất của hệ thống

Do hạn chế kinh nghiệm thực tế, vưà tìm hiểu vủa học hỏi nên trong quá trình thực hiện không tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được sự đónggóp của thầy cô và các bạn để đề tài hoàn thiện hơn

ĐỀ TÀI: “CHIẾT RÓT CHẤT LỎNG VÀO CHAI VÀ ĐÓNG THÙNG (mỗi thùng 20 chai)”

Chương 1: Tổng quan về hệ thống rót chất lỏng vào chai

Chương 2: Giới hạn các điều kiện thiết kế

Chương 3: Lựa chọn các cảm biến cho hệ thống

Chương 4: Lựa chọn và bố trí các thiết bị khác

Chương 5: Sơ đồ khối hệ thống

Chương 6: Đánh giá hệ thống

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RÓT CHẤT LỎNG VÀO CHAI

Một hệ thống sản xuất nước đóng chai hiện đại thường được phân chia thành nhiều khâu nối tiếp nhau, đó là các khâu:

 Khâu xúc rửa chai

1.1 Khâu xúc rửa chai

Hệ thống hoạt động theo các bước sau đây:

- Vỏ chai được đưa vào băng chuyền xúc rửa Các chai di chuyển xoay vòng và vào đúng vị trí vòi nước xúc rửa và qua các dung dịch rửa Chai dung trong hệ thống thường là chai thành phẩm nên khâu này mục đích để loại bỏ bụi bẩn, vi khuẩn có trong chai

Hình 1.1:

1.2Khâu định lượng - chiết nước vào chai

1.2.1 Quá trịnh định lượng

- Định lượng sản phẩm lỏng là chiết một thể tích nhất định sản phẩm lỏng và rótvào trong chai, bình, lọ, v.v Định lượng sản phẩm lỏng bằng máy được sử dụngrộng rãi trong nhiều ngành sản xuất thực phẩm Khi định lượng bằng máy thì cảithiện được điều kiện vệ sinh, đảm bảo được năng suất cao và định lượng sản phẩmmột cách chính xác

- Các phương pháp định lượng chủ yếu gồm có:

+ Định lượng bằng bình định mức

+ Định lượng bằng chiết tới mức cố định

+ Định lượng bằng cách chiết theo thời gian

- Phương pháp chiết sản phẩm

+ Phương pháp rót áp suất thường

+ Phương pháp rót chân không

+ Phương pháo rót đẳng áp

Trong các phương pháp trên thì chiết rót bằng phương pháp bằng bình định mứcvới áp xuất thong thường sử dụng cơ cấu rót kiểu van là đơn giản nhất

Cơ cấu rót kiểu van gồm có bình lường có chia vạch, van ba ngã, ống thông hơi

có thể dịch chuyển lên xuống được, ống nối để nạp đầy bình lường và ống để rótthể tích đã đinh lượng vào bao bì chứa

Thể tích chất lỏng đi vào trong bình lường phụ thuộc vào vị trí đầu bên dưới củaống thông

Hình 1.2

- Ở vị trí nạp, nút van ba ngã xoay nối ống dẫn chất lỏng trong bình chứachảyvào bình lường, đẩy không khí trong bình ra qua ống thông hơi Khi đầu dướicủa ống ngập dưới mực chất lỏng thì không khí không thoát ra được nữa, chất lỏngdâng lên cao hơn miệng ống một đoạn nhỏ, rồi dừng lại Khoảng dâng cao hơnmiệng ống thông hơi phụ thuộc vào mực chất lỏng ở trong thùng chứa Khi đó áp

suất không khí trong bình bị nén tới áp suất bằng với áp suất chất lỏng có độ sâutính từ mặt thoáng trong thùng chứa và mặt thoáng trong bình lường, chất lỏngkhông chảy vào bình lường được nũa Chất lỏng trong ống thông hơi sẽ dâng lên vàtheo quy tắc bình thông nhau đến bằng mực chất lỏng ở trong thùng chứa.

- Ðể tháo chất lỏng vào bao bì chứa, xoay van ba ngã tới vị trí tháo Chất lỏngtrong bình định lượng sẽ theo ống dẫn chảy xuống chai bên dưới

- Thể tích chất lỏng trong bình có thể điều chỉnh bằng cách nâng hoặc hạ ốngthông hơi xuống.Tùy theo cách quay van mà những máy dùng cơ cấu rót này thuộcloại quay tay, bán tự động và tự động Chất lỏng chảy ra càng nhanh thì năng suấtmáy càng lớn

1.2.2 Quá trình chiết nước vào chai

- Chai sau khi được sục rửa sẽ được đưa đến vị trí rót nhờ bang tải Các chai sẽđược phát hiện bởi một cảm biến Cảm biến vị trí này sẽ báo về cho hệ thống chiếtrót hoạt động Lúc này cơ cấu kẹp sẽ kẹp giữ chặt cổ chai để cố định.Hệ thống vanrót, cơ cấu rót được hạ xuống ngập miệng chai và bắt đầu quá trình chiết rót Sau 1khoảng thời gian delay nhất định để chiết hết nước trong bình định mức thì bộ điềukhiển báo hiệu dừng quá trình rót và bắt đầu 1 quá trình mới

1.3 Khâu đóng nút

Khâu đóng nút bao gồm: cơ cấu cấp nắp chai và cơ cấu vặn nút

+ Cơ cấu cấp nắp chai: Sau khi chai đã được chiết đủ nước thì chai sẽ lấy nắp

qua khay nắp phía trên

+ Cơ cấu vặn nút: Sau hi đã lấy lắp chai sẽ được phát hiện bằng 1 cảm biến vị

trí Cảm biến này sẽ có nhiệm vụ thông báo cho cơ cấu vặn nút hoạt động Lúc nàybăng tải dừng lại cơ cấu kẹp sẽ kẹp giữu cổ chai lại nhằm cố định chai trong quá

trình vặn không bị xê dịch, tiếp đó cơ cấu sẽ hạ thấp và xoắn nút chai Sau mộtkhoảng thời gian delay thì hệ thống phát tín hiệu dừng quá trình vặn nút các cơ cấutrở về trạng thái ban đầu.

Hình 1.3

1.4 Khâu dán nhãn

Khâu dán nhãn gồm: cơ cấu cấp nhãn và quá trình dán nhãn

+ Cơ cấu cấp nhãn: Khi cảm biến phát hiện thấy có chai sẽ báo về cho hệ

thống cấp nhãn hoạt động Cơ cấu này gồm 2 động cơ: 1 cái dung để dở nhãn , 1cái để bóc nhãn Nhãn chai được bóc đột ngột nhờ sự gấp khúc, khi chai đi qua 1đầu dình keo của nhãn sẽ dính vào điểm tiếp tuyến của chai và đi đến quá trình dánnhãn sau đó

+ Quá trình dán nhãn: Sau khi đã được cấp nhãn chai đưa đến 2 băng tải tì sát

thành chai Lúc này ngoài chuyển động thẳng, chai còn chuyển động tròn nhờ 2băng tải 2 bên để cuốn nhãn 1 vòng quanh chai

Hình 1.4

1.5 Khâu đóng thùng sản phẩm

Khâu này gồm 2 cơ cấu: cơ cấu đẩy chai và kẹp chai

+ Cơ cấu đẩy chai: cảm biến đếm số chai sẽ đếm và báo về cho hệ thống cứ 5

chai thì báo cho hệ thống điều khiển xi lanh A đẩy chai vào vị trí kẹp Xi lanh Blàm nhiệm vụ chặn các chai khác khi xi lanh A đang đẩy

Hình 1.5

+ Cơ cấu kẹp chai: Khi cảm biến đếm đủ 20 chai thì báo về cho hệ thống điều

khiển xi lanh tiến hành kẹp chai cho vào thùng

- Nguồn nước tinh khiết : có chất lượng nước đạt chuẩn nước uống tinh khiết TCVN 6096:2004

- Điện áp sử dụng:1 pha 220V, 50Hz hay 3 pha 380V, 50 Hz

- Các biện pháp an toàn điện: hệ thống được thiết kế ELCB chống giật trên toàn

hệ thống và các thiết bị điện khác đạt chuẩn CE Nút tắt khẩn cấp khi có sự cố xảy ra

- Khung sườn thiết bị: được thiết kếbằng thép không gỉ SS304 hoặc SS316, chịu được lực rung lớn

- Ống dẫn nước : ống chịu áp lực cao bằng PVC hoặc bằng thép không gỉ 304 (tùy theo yêu cầu thiết kế), đảm bảo an toàn vệ sinh, không đóng cặn, gỉ sét và gây

ra các nấm mốc vi sinh - Các thiết bị lọc nước: vật tư, thiết bị lọc nước đạt chuẩn NSF

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN CÁC CẢM BIẾN CHO HỆ THỐNG

3.1 Khâu chiết rót

3.1.1 Cảm biến 1:Phát hiện chai

 Yêu cầu: Cảm biến này dung để phát hiên chai tới khâu chiết rót và báo hiệu cho hệ thống chiết rót hoạt động đúng vị trí chỉ định Cảm biến này yêu cầu phải nhận biết được chai nhựa trong suốt và có độ chính xác cao để sao cho vòi chiết phải vào đúng miệng chai

 Lựa chọn : với yêu cầu về độ chính xác về vị trí và phải phát hiện được chai nhựa (trong suốt) với độ tin cậy cao thì em lựa chọn dòng sản phẩm mới của

Omron : Cảm biến quang thu phát E3Z-B61

Hình 3.1

* Nguyên lý của cảm biến phản xạ gương:

+Bộ phát truyền ánh sáng tới một gương phản chiếu lăng kính đặc biệt, và phản xạ lại tới bộ thu sáng của cảm biến Nếu vật thể xen vào luồng sáng, cảm biến

động Đèn led xanh (sự ổn định), led cam (chỉ thị hoạt động)

Kiểu đấu nối Cáp chuẩn dài 2m và 0.5m, giắc cắm M8-4 chân

Phụ kiện Hướng dẫn sử dụng ( Gương, giá đỡ, cảm biến kết nối đầu vào

ra: mua rời)Cấp bảo vệ IP67

Tiêu chuẩn IEC, CE

*Sơ đồ đấu nối

Brown( nâu): Dây nối với dương nguồn

Black(đen): Dâu đầu ra của tải

Blue(xanh): Dây nối với âm nguồn

*Vị trí lắp đặt cảm biến:

- Cảm biến được lắp đặt 2 bên thành của băng tải

- Độ cao, khoảng cách được tính toán và đo đạc sao cho tia sáng phải ngang thânchai nước, vị trí lắp đặt phải được tinh chỉnh để khi cảm biến phát hiện được chai thì vòi chiết phải chiết đúng miệng chai

*Ưu nhược điểm của cảm biến:

Ưu điểm

 Cảm biến phát hiện được chai nhựa trong suốt, độ tin cậy cao

 Thời gian đáp ứng nhanh :1ms

 Độ nhạy có thể điều chỉnh được

 Khả năng định vi chính xác vật thể

 Tính ổn định cao trong quá trình làm việc lâu dài

 Giá thành sản phẩm tương đối hợp lý(rẻ hơn so với loại thu phát)

Nhược điểm

 Lắp đặt mất nhiều thời gian do điều chỉnh khoảng cách hợp lý

Với những ưu điểm vượt trội như vậy thì E3Z-B61 là sự lựa chọn hợp lý với bài toán đặt ra.

3.1.2 Cảm biến 2: Đo mức nước

Yêu cầu: Cảm biến này có nhiệm vụ báo về cho hệ thống mực nước trong bồn

chứa trong giới hạn cho phép hay là sắp cạn Nếu sắp cạn thì hệ thống sẽ phát tín hiệu cho máy bơm bơm nước vào bồn

 Lựa chọn : Với yêu cầu không quá khắt khe về độ chính xác và mức nước sắp cạn cũng có thể tính toán và đưa ra chiều cao cụ thể để lắp cảm biến vào vị trí này thì em lựa chọn dòng cảm biến của hãng Carlo Gavazzi – Italy :Cảm biến mức nước VP03E

Hình 3.3

*Nguyên lý của cảm biến mức VP03E:

Dòng cảm biến VP03E hoạt động dựa trên nguyên tắc khúc xạ ánh sáng, ,sử dụng tia hồng ngoại để phát hiện mực chất lỏng, ngõ ra tác động khi có chất lỏng tác động vào đầu cảm biến

- Đo mực nước trong bồn, bể

- Kiểm soát mực nước khi kết nối với một số thiết bị khác

- Tối ưu hóa hệ thống tự động hóa.

*Sơ đồ đấu nối

Brown( nâu): Dây nối với dương nguồn

Black(đen): Dâu đầu ra của tải

Blue(xanh): Dây nối với âm nguồn

*Vị trí lắp đặt cảm biến

Cảm biến mức được lắp đặt nằm ngang trong bồn chứa Khoảng cách từ đáy bồn đến cảm biến là khoảng cách được tính toán để báo hiệu trước lượng nước trong bồn sắp hết

* Ưu nhược điểm của cảm biến

Ưu điểm

 Nhỏ gọn,lắp đặt nhanh và dễ dàng

 Độ nhạy độ ổn định của cảm biến cao

 Giá thành của cảm biến rẻ

Nhược điểm

 Chỉ đo được mức nước ở một vị trí nhất định

 Vỏ thiết bị bằng nhựa nên đặt trong bồn chứa lâu sẽ ảnh hưởng tới chất lượng nước

3.2 Khâu đóng nắp

3.2.1 Cảm biến 1: Kiểm tra lượng nắp chai

Yêu cầu: Cảm biến này phát hiện nắp chai trên khay đựng nắp chai Nếu nắp

chai hết thì cản biến sẽ báo lại cho hệ thống dừng băng tải để cấp nắp chai vào khay đựng nắp chai

Lựa chọn: Cảm biến này phát hiện nắp chai là vật thể nhỏ có thể đặt trong cự

ly gần không yêu cầu cao về xác định vị trí nên em chọn cảm biến của hãng Omron: Cảm biến tiệm cận điện dung E2K-X15MF

Hình 3.4

*Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung:

Trong cảm biến tiệm cận điện dung có bộ phận làm thay đổi điện dung C của các bản cực

Nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến điện dung dựa trên việc đánh giá sự thay đổi điện dung của tụ điện.Bất kì vật nào đi qua trong vùng nhạy của cảm biến điện dung thì điện dung của tụ điện tăng lên.Sự thay đổi điện dung này phụ thuộc vào khoảng cách, kích thước và hằng số điện môi của vật liệu.

Bên trong có mạch dùng nguồn DC tạo dao động cho cảm biến dòng, cảm biếndòng sẽ đưa ra một dòng điện tỉ lệ với khoảng cách giữa 2 tấm cực

Chỉ thị Đèn báo phát hiện vật màu đỏ

Chức năng bảo Bảo vệ nối ngược cực, hấp thụ xung áp, ngắn mạch ngõ ra, bảo

vệ vệ nối ngược cực ngõ ra.

Kiểu đấu nối Cáp dài 2m (Tiêu chuẩn)

Cấp bảo vệ IP66, chống dầu

Tiêu chuẩn CE, IEC

*Sơ đồ đấu nối

Brown( nâu): Dây nối với dương nguồn

Black(đen): Dâu đầu ra của tải

Blue(xanh): Dây nối với âm nguồn

 Nhỏ gọn, lắp đặt dễ dàng, nhanh chóng

 Tốc độ đáp ứng nhanh

 Giá thành cảm biến rẻ(rẻ hơn so với cảm biến quang)

 Có thể phát hiện các đối tượng có kích thước nhỏ

Nhược điểm:

 Khoảng cách phát hiện cố định

 Không điều chỉnh được độ nhạy

3.2.2 Cảm biến 2: Phát hiện chai

 Yêu cầu: Cảm biến này phải phát hiện được chính xác vị trí chai nhựa (trong suốt) và báo về cho hệ thống xoắn nắp hoạt động sao cho cơ cấu xoắn phải xoắn đúng vị trí nắp chai

Lựa chọn: Với yêu cầu đòi hỏi chính xác về vị trí và phải phát hiện được

chính xác chai nhựa (trong suốt) thì em lựa chọn đòng sản phẩm của hãng Omron : Cản biến phản xạ gương E3Z-B61

3.3 Khâu dán nhãn

3.3.1 Cảm biến 1: Phát hiện chai

Yêu cầu: Cảm biến này chỉ cần phát hiện được chai nhựa (trong) và báo về

cho PLC điều khiển hệ thống dỡ nhãn và bóc nhãn hoạt động, hệ thống băng tải quấn nhãn hoạt động

Lựa chọn: Với yêu cầu không cần chính xác về mặt vị trí và đặc biệt phải phát

hiện được chai nhựa thì em lựa chọn dòng sản phẩm của Omron họ E3FN: Cảm biến quang khuếch tán E3FN-P18KDR1-WP-CL

Nguồn sáng LED hồng ngoại

Tiêu chuẩn CE, IEC, EN

*Sơ đồ đấu nối

Brown( nâu): Dây nối với dương nguồn

Black(đen): Dâu đầu ra của tải

Blue(xanh): Dây nối với âm nguồn

 Khoảng cách phát hiện ngắn hơn so với phản xạ gương và thu phát

 Độ nhạy và độ tin cậy kém hơn loại Thu phát và Phản xạ gương

 Việc phát hiện vật có thể khó khăn nếu có nền màu đen sau vật

3.3.2 Cảm biến 2: Phát hiện chai có nhãn

 Yêu cầu: Cảm biến này nhận biết nhãn đã được dán trên chai nếu cảm biến

không phát hiện được nhãn trên chai thì chai đó sẽ bị loại bỏ vào báo về cho PLC nhãn đã hết.Lúc này PLC phát tín hiệu dừng băng truyền và dừng bộ phận dỡ và bóc nhán để cấp nhãn

 Lựa chọn: Do nhãn chai có màu cố định mà cảm biến có thể phát hiện được nên em chọn dòng cảm biến phát hiện màu của Omron họ E3ZM-V:

Cảm biến phát hiện màu E3ZM-V61

Hình 3.7

*Nguyên lý hoạt động của cảm biến màu

Phát hiện màu sắc bằng cách sử dụng các yếu tố là tỷ lệ phản chiếu của một màuchính (ví dụ như đỏ, xanh lá cây hoặc xanh trời) được phản xạ bởi các màu khác nhau theo các thuộc tính màu của đối tượng Bằng cách sử dụng công nghệ lọc phân cực đa lớp gọi là FAO (góc quang tự do), cảm biến E3ZM phát ra màu đỏ, xanh lá cây và màu xanh sáng trên một trục quang học đơn E3ZM sẽ thu ánh sáng phản chiếu của các đối tượng thông qua các cảm biến nhận và xử lý tỷ lệ các màu xanh lá cây, đỏ, xanh lam của ánh sáng để phân biệt màu sắc của vật cần cảm nhận

Có nghĩa nó chỉ tiếp nhận hấp thụ các ánh sáng có cùng màu và không tiếp nhậncác ánh sáng có màu sắc không được tiếp nhận sẽ bị phản xạ lại và được bộ thu củacảm biến thu lại phân tích

Hình 3.8

Kiểu đấu nối Cáp dài 2m

Cấp bảo vệ IP67 (IEC 60529)

*Sơ đồ đấu nối:

Brown(nâu):Dây cấp nguồn dương cho cảm biến

Pink(hồng):Dây điều khiển đầu vào từ xa

Black(đen):Dây điều khiển đầu ra

Blue(xanh):Dây cấp nguồn âm cho cảm biến

 Thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm không gian

 Lắp đặt dễ dàng do chỉ cần 1 điểm cố định không cần căn chỉnh nhiều

 Độ tin cậy,độ bền và tuổi thọ cao

 Đáp ứng nhanh 50ms

 Dễ dàng cài đặt với teaching 2 điểm và teaching tự động

Nhược điểm:

 Giá thành cảm biến đắt

 Màu nhận biết còn hạn chế

3.4 Khâu đóng thùng

3.4.1 Cảm biến 1: Phát hiện chai

Yêu cầu: Cảm biến này chỉ cần phát hiện được chai nhựa (trong) và báo về

cho biến đếm của PLC Nếu biến đếm =5 thì PLC sẽ phát tín hiệu cho xi lanh A chặn chai và xi lanh B đẩy chai vào vị tri kẹp chai Khi biến đếm đủ 20 thì cơ cấu kẹp chai sẽ kẹp chai bỏ xuống thùng

Lựa chọn: với yêu cầu không cần chính xác về mặt vị trí và chỉ cần phát hiện

chai nhựa (trong) thì em lựa chọn dòng sản phẩm của Omron họ E3FN: Cảm biến quang khuếch tán E3FN-P18KDR1-WP-CL

*Vị trí lắp đặt

Lắp đặt ở 1 bên thành băng tải sao cho độ cao của cảm biến là ngang với thân chai, khoảng cách từ cảm biến tới chai phát hiên từ 0-30 cm