3.3.1. Yêu cầu về phần cứng cơ khí
Dựa vào quy trình vận hành của hệ thống, để đảm bảo cho mô hình vận hành theo đúng yêu cầu thì phần cơ khí bao gồm 5 phần: Thùng sấy, máng hứng sản phẩm, băng tải vít chia sản phẩm, hệ thống cân và đóng gói, chân đế.
Thùng sấy nhiệt: gồm 2 khay đựng sản phẩm sấy, bên cạnh là bóng sấy và cảm biến nhiệt.
Máng hứng sản phẩm: Đặt dưới cửa tự động của thùng nhiệt, sau khi sản phẩm được sấy xong, cần gạt bên trong thùng sấy sẽ gạt sản phẩm xuống máng này.
Băng tải: Được đặt ở bên dưới máng hứng. Băng tải hoạt động sẽ di chuyển sản phẩm từ máng hứng xuống hệ thống cân.
Hệ thống cân và đóng gói: Đặt ở dưới mép của băng tải để nhận sản phẩm và đóng gói sản phẩm.
Chân đế: đỡ thùng sấy, máng hứng sản phẩm, băng tải vít, hệ thống cân và đóng gói. Chiều cao thiết kế đủ để người vận hành đóng gói sản phẩm, đủ chiều rộng để đặt bảng điều khiển.
Để hệ thống được vận hành ổn định, nhóm đặt ra các yêu cầu về phần cứng cơ khí như sau:
Lỗ thông khí ở thùng sấy phải đúng kích thước để tránh việc tổn hao nhiệt độ hoặc không kịp thoát nhiệt.
Chiều cao của gá đỡ động cơ đẩy sản phẩm của thùng sấy phải cao bằng với vị trí nằm của thanh đẩy sản phẩm.
Cửa tự động của thùng sấy phải đóng mở chính xác nhằm tránh việc hở cửa làm tổn hao nhiệt.
Ngoài ra việc gia công hệ thống phải giúp vận hành ổn định chắc chắn, tránh việc bị móp méo trong quá trình vận hành.
3.3.1.1. Thùng sấy
Vì là mô hình hệ thống nên sức chứa sản phẩm sấy tối đa của 2 khay là 3 kg nguyên liệu, ngoài ra 2 khay chứa sản phẩm còn được sơn 1 lớp sơn chống dính và bề mặt có nhiều lỗ nhỏ để giúp sản phẩm được khô ráo, tránh đọng nước.
Bên cạnh đó, vị trí để bóng sấy và cảm biến cũng được nhóm thiết kế giúp cho việc tháo lắp để bảo trì, sửa chữa và vệ sinh sau mỗi lần hoạt động.
Về việc di chuyển sản phẩm sau khi sấy, nhóm sử dụng cơ cấu truyền động của vít me (cơ cấu truyền động biến truyền động quay thành chuyển động tịnh tiến) tích hợp cả hai khay để đẩy sản phẩm ra khỏi khay.
Nhóm thiết kế thùng sấy có 2 cửa gồm: Cửa tay và cửa tự động.
Cửa tay được sử dụng như 1 cửa để tiếp liệu sản phẩm, cụ thể khay chứa sẽ được đưa vào từ cửa này.
Cửa tự động được sử dụng sau khi hoàn thành sấy sẽ tự động mở để sản phẩm được đẩy ra ngoài.
Hình 3.2: Thùng sấy và khay sấy được vẽ trên phần mềm SolidWork Cấu tạo thùng sấy và khay:
- Thùng sấy và khay được làm bằng inox 304 với độ dày 1mm.
- Bên trong thùng sấy bao gồm vị trí đặt của bóng sấy, cảm biến, khay đựng sản phẩm và thanh đẩy.
- Tại mỗi mặt thùng có 2 tấm inox được cách nhau bởi 1 miếng cách nhiệt dày 10mm.
3.3.1.2. Hệ thống đấy sản phẩm trong thùng
Hình 3.3: Thanh đẩy, vítme, mặt đẩy và đỡ mặt bích Thông số kỹ thuật
- Chất liệu inox không gỉ.
- Kích thước thanh đẩy: đường kính =5mm, chiều dài 250mm. - Kích thước vítme: đường kính =8mm, chiều dài 220mm. - Kích thước mặt đẩy: 30*213mm.
- Kích thước mặt bích: bán kính lỗ nhỏ =7mm, bán kính lỗ lớn =10mm, chiều dài 107mm.
Hình 3.4: Bạc lót trục và mặt bích
Thông số kỹ thuật - Chất liệu inox không gỉ.
- Kích thước bạc lót trục đường kính trong =8mm, đường kính ngoài =12mm, đường kính giữa =11mm, chiều dài 16mm.
- Kích thước mặt bích: đường kính ngoài =27mm, đường kính trong =11mm, đường kính 4 lỗ nhỏ =3.5mm.
Thông số kỹ thuật
- Đường kính Piston của xy lanh khí 40mm. - Chiều dài Stroke của xy lanh khí 100mm. - Kích thước cổng của xy lanh khí 13mm. - Chât liệu của xy lanh khí là Nhôm.
3.3.1.4. Phễu hứng sản phẩm
Hình 3.6: Phễu hứng sản phẩm
Thông số kỹ thuật - Chất liệu inox không gỉ.
- Hình thang cân: đáy bé 52mm, đáy lớn 280mm, cạnh bên 187mm.
3.3.1.5. Băng tải và khung băng tải
Băng tải:
Cấu tạo:
- Chất liệu bằng nhựa cứng với kích thước 60x700mm. - Dây băng tải làm bằng PVC độ dày 2mm, màu xanh lá. - Rolo nhựa kéo băng tải.
- Sử dụng động cơ 24VDC. Khung băng tải:
Hình 3.8: Khung băng tải Thông số kỹ thuật:
- Kích thước 62*452*100mm.
- Kích thước đầu vào sản phẩm: 50*80mm. - Kích thước đầu ra sản phẩm:60*70mm.
3.3.1.6. Hệ thống cân sản phẩm
Hình 3.9: Mặt cân và mặt đẩy của hệ thống cân Thông số kỹ thuật
- Kích thước mặt cân 100*150*150mm.
- Kích thước mặt đẩy của hệ thống cân 150*150mm.
Hình 3.10: Miếng kê loadcell
Thông số kỹ thuật
3.5. Cấu hình hệ thống
Việc lựa chọn cấu hình cho hệ DAQ là một trong những vấn đề quan trọng được chúng em cân nhắc kĩ lưỡng. Quá trình chọn lựa phải đáp ứng yêu cầu về khoảng cách, diện tích tiếp xúc, khả năng vận hành và tiết kiệm chi phí. Có hai phương án chúng em cân nhắc đó là Hệ vào ra tập trung và Hệ vào ra phân tán.
Hệ vào ra tập trung là cơ cấu thường được sử dụng trong các hệ thống có quy mô tầm trung trở xuống, cơ cấu chấp hành và cảm biến thường được đặt gần PLC/PC, khoảng cách từ 3-10m để đạt hiệu quả giám sát và điều khiển tốt nhất, hệ có 1 card PCI gắn trực tiếp trên PC, cảm biến được nối trực tiếp vào card PCI này. Ưu điểm của phương án này là tính linh hoạt cao, tiết kiệm chi phí vận hành sử dụng, chi phí cho các bộ điều hòa tín hiệu, nhỏ gọn, tốc độ thu thập dữ liệu và điều khiển nhanh nhất. Tuy nhiên phương pháp này không thích hợp cho các hệ thống quy mô vừa và lớn vì chi phí phát sinh do lượng dây dẫn dài nối từ cảm biến đến PCI. Chi phí để mở rộng nâng cấp khe cắm cũng gây nhiều phiền phức. Bên cạnh đó, việc sử dụng dây dẫn dài trong các hệ thống quy mô lớn sẽ gây ra nhiễu nếu có nhiều tải công suất lớn.
Hình 3.13: Hệ vào ra tập trung
Hệ vào ra phân tán là cơ cấu thường được sử dụng cho các hệ thống có quy mô vừa và lớn. Các hệ thống này thường có nhiều cảm biến và thường được đặt xa cơ cấu vận hành điều khiển và giám sát. Mỗi cảm biến thường đi chung với một bộ điều hoà tín hiệu, thích hợp cho môi trường công nghiệp có độ nhiễu cao. Phương pháp này mang lại hiệu quả chất lượng tốt và độ chính xác khá cao nhưng lại phát sinh chi phí cho các
Hình 3.14: Hệ vào ra phân tán
Đối với đề tài chúng em, khoảng cách từ hệ thống sấy đến trung tâm điều khiển (tủ điện) là 1.2m, hệ thống chiếm diện tích 3m vuông nên có thể đặt trong một phòng vừa đủ, thường thì tủ điều khiển và quan sát sẽ ở hướng nhìn thẳng ra hệ thống nên nhóm quyết định chọn cấu hình điều khiển vào ra tập trung kết hợp với PLC S7-1200. Ưu điểm của cấu hình là tín hiệu truyền tải đi với tốc độ cao, ít tốn kém, dễ dàng quan sát trực tiếp. Số dây cắm từ card PCI ra cơ cấu ít nên không cần mở rộng PLC. Bên cạnh đó với đặc điểm cấu trúc và không gian của hệ thống thì cấu hình vào ra tập trung là phù hợp nhất.
3.6. Lựa chọn phần cứng
Hệ thống sấy lát mít trong công nghiệp áp dụng cấu hình vào ra tập trung sẽ gồm các thiết bị: PLC tích hợp module Analog Output và card PCI, Cảm biến gắn trên hệ thống và nối trực tiếp đến PLC do cảm biến có ngõ ra 4-20, cơ cấu chấp hành. Tín hiệu được truyền đi theo một vòng khép kín và liên tục. Sau khi tìm hiểu và lựa chọn, dựa vào các thông số và đặc tính phù hợp, nhóm chọn các thiết bị như sau:
3.6.1. Lựa chọn PLC
Như chúng em đã nói ở trên, nhóm sẽ sử dụng PLC S7 1200 cụ thể là CPU 1214C DC/DC/DC để vận hành toàn bộ hệ thống vì:
Đảm bảo được tính ổn định và tốc độ xử lý của hệ thống.
Có các Module mở rộng để sử dụng các cảm biến Lập trình dễ dàng. Giá thành hợp lý. Phù hợp với hệ thống nhỏ và vừa. Hình 3.15: Hình dạng của CPU 1214C DC/DC/DC Thông số kỹ thuật:
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp nguồn 24 VDC
Ngõ vào Digital 14 Chân
Ngõ ra Digital 10 Chân
3.6.2. Khối cảm biến
Lựa chọn cảm biến hồng ngoại: có nhiệm vụ phát hiện nếu bọc nilon đã ở vị trí
đóng gói sẽ kích hoạt xi lanh đẩy sản phẩm vào nilon.
Vì khoảng cách phát hiện không cần phải quá xa nên nhóm chọn loại E3F-DS30C4 NPN 6-36V.
Hình 3.16: cảm biến vật cản hồng ngoại NPN
Thông số kỹ thuật:
Thông số Giá trị Đơn vị
Chất liệu cảm biến Nhựa
Điện áp sử dụng 24 V
Khoảng cách sử dụng 5 cm
Ngõ ra (NPN) 3 chân
Lựa chọn cảm biến Loadcell: Loadcell có nhiệm vụ cân khối lượng mít sấy khô
trong hệ thống, đảm bảo sản phẩm đầu ra đạt được chất lượng tốt nhất.
Tầm đo của Loadcell phải lớn hơn tải trọng cần cân, vì vậy nhóm em chọn Loadcell TAL201 dạng thanh loại 1 kg để phù hợp với yêu cầu hệ thống.
Hình 3.17: Loadcell TAL201 1Kg Thông số kỹ thuật:
Thông số Giá trị Đơn vị
Chất liệu cảm biến Nhôm
Điện áp nguồn cấp 5 V Nhiệt độ hoạt động -20 đến 65 oC Tải trọng 1 Kg Tín hiệu đầu ra 0-10 V Độ dài dây 180 mm Độ nhạy 1.0 ± 0.15 mV/V
Sơ đồ chân:
Hình 3.18: Sơ đồ chân của Loadcell
Lựa chọn bộ khuếch đại tín hiệu loadcell RW-ST01A:
Bộ khuếch đại nhận tín hiệu từ cảm biến loadcell để chuyển đổi thành tín hiệu điện hoặc dòng phù hợp với đầu vào của PLC. Nhóm chọn RW-ST01A vì giá cả hợp lý vận hành ổn định cho tín hiệu chính xác.
Thông số kỹ thuật:
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp nguồn cấp 24 V Độ nhạy 2 mV/V Nhiệt độ hoạt động 0-50 oC Trọng lượng 90 g Tín hiệu đầu ra 0-10 V Độ chính xác 0.3 %
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại tín hiệu loadcell
Lựa chọn cảm biến nhiệt độ:
Như đã nói ở trên, nhóm chọn cặp nhiệt điện cho hệ thống sấy vì giá thành hợp lí và hoạt động ổn định. Cảm biến có chất lượng tốt, sai số nhỏ và độ bền cao.
Hình 3.21: Cảm biến cặp nhiệt điện
Thông số kỹ thuật: Cảm biến nhiệt độ thermocouple RTD PT100 loại A
Thông số Giá trị Đơn vị
Dây dẫn Teflon 1.5 m
Nhiệt độ hoạt động -50 đến 200 oC
Chất liệu đầu dò Thép không rỉ
Đường kính đầu dò 4 mm
Lựa chọn bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ:
Bộ chuyển đổi nhiệt độ PT100 0-10VDC/ 0-400 độ i1H12
Hình 3.22: Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ i1H12
Thông số kỹ thuật:
Thông số Giá trị Đơn vị
Nguồn cấp 24 VDC
Tín hiệu ngõ ra 0-10 VDC (loại 2 dây)
Dãy đo 0-400 oC
Sai số 0.1 %
Xuất xứ Trung Quốc
Động cơ bước và Driver
Động cơ bước Shinano Kenshi STP-59D3012 2.0A 57x57mm
Hình 3.23: Động cơ bước NEMA 17
Thông số kỹ thuật: Động cơ bước 2 pha-6 dây.
Thông số Giá trị Đơn vị
Kích thước mặt bích 57*57 mm
Chiều dài thân 57 mm
Dòng hoạt động 2.0 A
Áp hoạt động 24 V
Trục (Côn) 6.35 mm
Driver TB6600
Hình 3.24: Driver TB6600
Driver điều khiển động cơ bước Microstep 3.5A 40VDC sử dụng IC Driver là SI09AFTG cho khả năng điều khiển động cơ bước 2 pha với công suất tối đa lên đến 3.5A 40VDC, chức năng và cách sử dụng hoàn toàn tương tự với Driver TB6600 thường thấy trên thị trường tuy nhiên độ phân giải tăng đến 1/32 step. Driver có thiết kế vỏ kim loại chống nhiễu, chắc chắn, bền bỉ, với tản nhiệt lớn cho hoạt động ổn định cao nhất.
Thông số kỹ thuật:
Thông số Giá trị Đơn vị
Xuất xứ Nhật bản
Nguồn cấp sử dụng 24 VDC
Kích thước 96 x 57 x 35 mm
Dòng cấp IOUT 3.5 A
3.6.3. Xi lanh và van khí nén
Xy lanh khí Airtac hành trình 10cm
Hình 3.25: Xy lanh khí nén Airtac
Thông số kỹ thuật:
Thông số Giá trị Đơn vị
Áp suất 0,5 MPa
Đường kính Piston 40 mm
Chiều dài Stroke 100 mm
Lực đẩy tối đa tại 0.5 MPa 643 N Lực rút tối đa tại 0.5 MPa 552 N
Kích thước cổng 13 mm
Chất liệu 0 Nhôm
Van khí nén Airtac
Hình 3.26: Van khí nén Airtac
Thông số kỹ thuật:
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp làm việc 24 VDC
Áp suất hoạt động 0.2 – 0.8 MPa
Kích thước cổng 13 mm
kích thước cổng xả 9.6 mm
Nhiệt độ hoạt động -20~70 oC.
Trọng lượng 338 g
3.6.4. Bóng sấy nhiệt và SSR
Bóng sấy Hallogen
Hình 3.27: Bóng sấy Hallogen Thông số kỹ thuật:
Thông số Giá trị Đơn vị
Điện áp làm việc 220 VAC
Công suất 1000 W
Chiều dài 300 mm
Đường kính 12 mm
Nhiệt độ làm việc tối đa 400 oC.
Trọng lượng 350 g
Hiệu suất chuyển đổi nhiệt
>95 %
SSR Fotek
Hình 3.28: SSR
Thông số kỹ thuật:
Thông số Giá trị Đơn vị
Tín hiệu ngõ ra 0-220 VAC
Tín hiệu ngõ vào 24 VDC
Dòng định mức 40 A
Tần số 50 Hz
3.6.5. Các thiết bị khác
Ngoài các thiết bị kể trên, nhóm còn sử dụng các nút nhấn để vận hành bằng tay (Manual Mode) các relay trung gian, CB, cơ cấu chấp hành (Quạt tản nhiệt, đèn báo),...
Relay trung gian:
Các thiết bị trong mô hình đều sử dụng nguồn 220V để hoạt động, tuy nhiên ngõ ra điều khiển của PLC là 24VDC. Vì vậy để điều khiển các thiết bị đóng ngắt theo yêu cầu điều khiển cũng như bảo vệ ngõ ra cho PLC thì chúng em sử dụng relay.
Hình 3.29: Relay trung gian
Thông số kỹ thuật:
Thông số Giá trị Đơn vị
Nguồn cấp 24 VDC
Dòng điện 3 A
Số chân 14 chân
Điện áp tối đa 2000 V
Xuất xứ Trung Quốc
Cầu giao tự động (CB):
Dùng để đóng ngắt dòng điện khi bị ngắn mạch, chập điện. Bảo vệ hệ thống và các thiết bị điện trong hệ thống. Hãng sản xuất: Sino Vanlock- CB tự động đóng ngắt 2 cực.
Hình 3.30: CB tự động đóng ngắt 2 cực
Thông số kỹ thuật:
Thông số Giá trị Đơn vị
Nguồn sử dụng 220 VDC
Dòng điện định mức 63 A
Dòng cắt 10 KA
Đèn báo: Schneider XA2EVB3LC
Hình 3.31: Đèn báo 24v
Thông số kỹ thuật:
Thông số Giá trị Đơn vị
Đường kính 22 mm
Dòng tiêu thụ 20 mA
Loại màu sử dụng Đỏ, xanh
Kích thước 50 mm
Bảng 3.15: Thông số kỹ thuật của đèn báo 24v Nút nhấn:
Thông số kỹ thuật: