Hình 3.18 Tổng quát hệ thống điện
Hệ thống điện của hệ thống dán nhãn, chiết rót và đóng nắp chai tự động được chia thành các mục nhỏ bao gồm:
o Khối cấp nguồn: 5V, 12V, 24V.
o Khối đầu vào: Nút nhấn, các loại cảm biến, rơ le trung gian.
o Khối đầu ra: Driver step motor, step motor, xylanh, động cơ DC, van điện, rơ le trung gian.
3.3.2 Hệ thống điện đầu vào Đấu nối nút nhấn Đấu nối nút nhấn
Hệ thống có 4 nút nhấn trực tiếp trên tủ điện tương ứng với 4 đầu vào PLC gồm: o Nút start: Bắt đầu chạy hệ thống.
o Nút stop: Dừng hệ thống.
o Nút reset: Khởi động lại trạng thái ban đầu.
44
Hình 3.19 Sơ đồ đấu nối nút nhấn với PLC s7-1200 CPU 1214 DC/DC/DC
Đấu nối cảm biến
Hệ thống sử dụng 2 loại cảm biến gồm:
o Cảm biến tiệm cận: Kiểm tra vị trí của chai dầu khi sản phẩm đến các vị trí yêu cầu, xác định vị trí cuối của hành trình xylanh chiết rót, xylanh đóng nắp.
o Cảm biến lưu lượng: Xác định lưu lượng dầu chảy từ bồn chứa vào bình định mức, từ đó tính được thời gian cần để cấp đủ 1000ml dầu nhớt.
Yêu cầu đấu nối và chú thích cảm biến:
Các cảm biến tiệm cận cần đấu qua các rơ le trung gian để cấp tín hiệu so sánh 24V với PLC, chân chung GND được đấu chung với PLC.
Cảm biến lưu lượng có 3 chân gồm: o Chân nối nguồn (đỏ).
o Chân nối đất (xanh).
45
Bảng 3.5 Chú thích phần tử sơ đồ đấu nối cảm biến
Tên gọi Chú thích
CB_TC1 Cảm biến vị trí dán nhãn
CB_TC2 Cảm biến vị trí bơm 1
CB_TC3 Cảm biến vị trí bơm 2
CB_TC4 Cảm biến vị trí đóng nắp
CB_TC5 Cảm biến xilanh đóng nắp, điểm dưới
CB_TC6 Cảm biến xilanh chiết rót, điểm dưới
CB_LL1 Cảm biến lưu lượng ống 1
CB_LL2 Cảm biến lưu lượng ống 2
Hình 3.20 Đấu nối cảm biến tiệm cận với các rơ le trung gian
46
3.3.3 Hệ thống điện đầu ra Đấu nối điện động cơ Đấu nối điện động cơ
Đấu nối động cơ dán nhãn
Động cơ dán nhãn sử dụng động cơ step motor do vậy cần 1 driver để điều khiển động cơ bước, trong hệ thống sử dụng driver DM542. Động cơ step có 4 dây cần đấu gồm: Đỏ, xanh, vàng và xanh lam.
Để cấp xung điều khiển cho động cơ bước cần có nguồn 5V để cấp cho nguồn đầu ra của PLC, do vậy cần cấp 5V cho chân 3L+ và chân 3M đấu nối GND chung.
Khi cấp nguồn 5V cho đầu ra của PLC thì tất cả các chân đầu ra còn lại của PLC cũng sẽ xuất đầu ra là 5V, để đầu ra có thể điều khiển được thiết bị ngoại vị khác cần có các rơ le trung gian để điều khiển ở các phần sau.
47
Đấu nối động cơ băng tải và động cơ đóng nắp
Động cơ băng tải (DC1) và động cơ đóng nắp (DC2) đều sử dụng nguồn 24V một chiều để vận hành. Để đảm bảo nguồn ổn định thì rơ le trung gian 5V đươc sử dụng.
Hình 3.23 Sơ đồ đấu nối động cơ băng tải và chiết rót
Đấu nối hệ thống đèn báo
Hệ thống đèn tín hiệu gồm 3 đèn: Đèn auto (lamp_auto), đèn manu (lamp_manu), đèn stop (lamp_stop).
48
Đấu nối điện xylanh và van điện từ
Hệ thống xylanh của hệ thống bao gồm 4 xylanh được điều khiển thông qua 4 van điện từ điều chỉnh tín hiệu dòng khí nén, các van điện từ 2 chiều tác động đơn có lò xo tự hồi khí nén được điều khiển bởi điện áp 24V một chiều.
Các van ON/OFF đóng mở được điều khiển đồng thời 2 van một lúc.
Van điện từ khí nén và van đóng mở điện đươc điều khiển thông qua rơ le trung gian 5V.
Bảng 3.6 Chú thích sơ dồ đấu nối xylanh và van điện
Tên gọi Chú thích
XYLANH1 Điều khiển xylanh chiết rót
XYLANH2 Điều khiển xylanh đóng nắp
XYLANH3 Điều khiển xylanh chặn chiết rót
XYLANH4 Điều khiển xylanh chặn đóng nắp
VAN1 Đóng mở ống dầu 1 vị trí chiết 1
VAN2 Đóng mở ống dầu 2 vị trí chiết 2
DC_1 Bơm dầu
DC_2 Bơm dầu
49
50
3.4 Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển 3.4.1 Thiết kế giao diện người dùng 3.4.1 Thiết kế giao diện người dùng
Giao diện người dùng gồm 1 màn hình giám sát và 2 màn hình phụ:
Hình 3.27 Giao diện mở đầu
51
Hình 3.29 Giao diện hưỡng dẫn vận hành
3.4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển Chu trình hoạt động hệ thống Chu trình hoạt động hệ thống
52
Mô tả hoạt động điều khiển của hệ thống
Hệ thống có 2 chế độ điền khiển chế độ bằng tay (Manual) và chế độ chạy tự động (Auto). Hai chế độ này hoạt động theo yêu cầu của người sử dụng theo các điều kiện khác nhau, với từng chế độ vận hành khác nhau.
Chế độ Manual
Được kích hoạt khi người dùng nhả nút Mode trên màn hình HMI hoặc được nhấn từ tủ điện bên ngoài. Người vận hành điều khiển các cơ cấu chấp hành bằng tay thông qua hệ thống nút nhấn trên HMI.
Chế độ Auto
Được kích hoạt khi người dùng nhấn nút Mode trên màn hình HMI hoặc được nhấn từ tủ điện bên ngoài. Điều kiện để khởi động chế độ Auto là nút start được nhấn, xylanh chặn ở vị trí chiết rót tiến ra, xylanh chặn vị trí đóng nắp tiến ra, xylanh chiết rót thu về, xylanh đóng nắp thu về. Chai dầu rỗng được cấp vào đầu vị trí băng tải.
Quá trình làm việc của hệ thống chạy chế độ auto
Phát hiện phôi vị trí đầu vào, băng tải động cơ được bật. Quá trình dán nhãn:
o Hệ thống kiểm tra vị trí dãn nhãn đã có nhãn sẵn sàng dán hay chưa. o Nếu có nhãn thì chai dầu sau khi đến vị trí dán nhãn sẽ được dán, sau khi
dán xong chai được băng tải vận chuyển đến quá trình tiếp theo. Nếu không có băng nhãn thì động cơ step motor sẽ được bật lên, số vòng quay được xác định theo độ dài của nhãn dãn, khi nhãn đưa ra đến vị trí chuyển bị dán cảm biến vị trí dãn sẽ xác nhận là có nhãn và motor step dừng lại.
53
Hình 3.31 Chai dầu và vị trí cảm biến
Quá trình chiết rót:
o Sau khi chai dầu đã được dán nhãn thành công, băng tải vẫn tiếp tục chạy và đưa các chai dầu đã dán nhãn đến vị trí chiết rót.
o Khi cả hai cảm biến phát hiện chai dầu tại vị trí chiết rót “xác nhận” đã có 2 chai dầu sãn sàng chiết rót quá trình chiết rót bắt đầu.
o Xylanh hạ ống chiết xuống để bắt đầu quá trình bơm dầu.
o Van 1_2 được mở ra, tiếp đó động cơ bơm dầu sẽ hoạt động tiến hành bơm dầu, cảm biến lưu lượng sẽ kiểm tra lượng dầu được bơm vào bình định mức, khi cảm biến lưu lượng báo đủ 450 xung (cảm biến lưu lượng đọc được 450 xung sẽ đủ 1 lít chất lỏng) thì động cơ bơm dầu dừng lại sau đó Van 1_2 đóng lại quá trịnh mức kết thúc. Trong trường hợp Van 1_2 mở ra mà sau 10s không cảm biến lưu lượng không nhận được tín hiệu, hệ thống cảnh báo hết dầu trong bồn chứa.
o Sau khi định mức đủ 1000 ml dầu hoặc mức dầu do người sử dụng yêu cầu, xylanh lại nâng ống cấp dầu lên để các chai dầu đi tới vị trí tiếp theo. o Sau quá trình xylanh chiết rót đi lên và Van 1_2 đóng lại, xylanh chặn mở
ra các chai đầu đã chiết đi ra chuẩn bị đón nắp. Cơ cấu chặn thiết kế khi mở thì không có chai dầu chưa chiết nào có thể đi vào khu vực chiết rót cho tới khi xylanh chặn đóng lại.
54
Hình 3.32 Các van và cảm biến trên đường ống
Hình 3.33 Xylanh chặn đi vào sau khi chiết rót xong
Quá trình cấp nắp và đóng nắp:
o Chai dầu sau quá trình chiết rót tiếp tục di chuyển trên băng tải qua cơ cấu cấp nắp tự động.
o Khi chai dầu được cảm biến vị trí đóng nắp nhận diện, xylanh chặn đi ra giữ cho chai dầu cố định, động cơ đóng nắp bật lên, xylanh đóng nắp di
55
chuyển bộ phận đóng nắp xuống dưới. Tới vị trí cảm biến độ cao đóng nắp, xylanh đi lên sau 1s động cơ đóng nắp tắt. Xylanh giữ đi về chai dầu được đưa tới cuối băng tải.
Địa chỉ vào ra của hệ thống
Bảng 3.7 Địa chỉ vào ra của hệ thống điều khiển PLC s7-1200
STT Tên Địa chỉ Chú thích
1 I_mode I0.0 Nút chọn chế độ
2 I_start I0.1 Nút start
3 I_stop I0.2 Nút stop
4 I_reset I0.3 Nút reset
5 I_cb_dan_nhan I0.4 Cảm biến vị trí dán nhãn
6 I_cb_vt_bom_1 I0.5 Cảm biến vị trí bơm 1
7 I_cb_vt_bom_2 I0.6 Cảm biến vị trí bơm 2
8 I_cb_vt_dong_nap I0.7 Cảm biến vị trí đóng nắp
9 I_cb_xilanh_dong_nap I1.0 Cảm biến xilanh đóng nắp, điểm dưới
10 I_cb_xilanh_rot I1.1 Cảm biến xilanh chiết rót, điểm dưới
11 I_cb_luu_luong_1 I1.2 Cảm biến lưu lượng ống 1
12 I_cb_luu_luong_2 I1.3 Cảm biến lưu lượng ống 2
13 I_cb_phat_hien_chai I1.4 Cảm biến phát hiện chai đầu vào
14 Q_dc_dan_nhan1 Q0.0 Điều khiển động cơ dán nhãn
15 Q_dc_dan_nhan2 Q0.1 Điều hướng động cơ dán nhãn
16 Q_bangtai Q0.2 Động cơ băng tải
17 Q_dc_dong_nap Q0.3 Động cơ đóng nắp
56
19 Q_xilanh_dong_nap Q0.5 Xylanh đóng nắp
20 Q_xilanh_chan_chiet_rot Q0.6 Xylanh chặn phần chiết rót 21 Q_xilanh_chan_dong_nap Q0.7 Xylanh chặn phần đóng nắp
22 Q_van_1_2 Q1.0 Van ON/OFF 1,2
23 Q_DC_1_2 Q1.1 Động cơ bơm dầu
24 Q_lamp_auto Q1.2 Đèn chế dộ auto
25 Q_lamp_manu Q1.3 Đèn chế độ manu
57
Lưu đồ thuật toán hệ thống
58
59
60
61
3.5 Kết quả quá trình mô phỏng hệ thống Kết quả thiết kế và mô phỏng hệ cơ khí Kết quả thiết kế và mô phỏng hệ cơ khí
Hình 3.38 Thiết kế và mô phỏng hệ thống trên phần mềm Sloidwork
62
Kết quả mô phỏng điều khiển
Hình 3.40 Chế độ điều khiển bằng tay khi chạy mô phỏng
Khi chạy chế độ bằng tay người sử dụng sẽ can thiệp được vào điều khiển vào các thiết bị một cách độc lập. Trên hình (Hình 4.1) chế độ điều khiển bằng tay được kích hoạt, xylanh 1, 2, 3, 4 và motor 1_2 được bật lên để kiểm tra hoạt động mà không cần bật tất cả các thiết bị khác của hệ thống. Các thiết bị được điều khiển bởi bảng điều khiển bới các nút nhấn trên màn hình (Hình 4.1).
Hình 3.41 Chế độ chạy tự động của hệ thống
Trên (Hình 4.2) người điều khiển sẽ cài đặt các thông số của hệ thống như: Số lượng sản phẩm, lượng dầu cần chiết. Các thống số về lưu lượng dầu và lượng dầu đã được chiết cũng được biểu thị trên màn hình.
63
Hình 3.42 Cảnh báo lỗi hết dầu khi trong bồn không còn dầu
Trong quá trình đang chạy tự động, khi các chai dầu di chuyển tới vị trí chiết mà hết dầu trong bình chứa thì hệ thống sẽ tự động ngắt các hoạt động, rồi chuyển tới trạng thái cảnh báo cho người giám sát thông qua tín hiệu đèn cảnh báo.
64
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4.1 Kết quả đạt được
Thiết kế thành công mô hình cơ khí 3D hệ thống dán nhãn, chiết rót và đóng nắp chai tự động trên phần mềm Solidworks. Tính toán, hiệu chỉnh các thống số và vật liệu chế tạo để đưa vào chế tạo thực tiễn. Xây dựng được hệ thống đấu nối mạch điện của các linh kiện điện tử với PLC s7-1200 gồm sơ đồ đi dây, sơ đồ nguồn. Thiết kế thành công giao diện người dùng cho hệ thống. Lập trình điều khiển thành công hệ thống bằng ngôn ngữ ladder của PLC s7-1200. Mô phỏng được hệ thống trên phần mềm TIA potal và đáp ứng các yêu cầu của hệ thống. Hiểu được nguyên lý, cách thức vận hành, làm việc của hệ thống chiết rót, dán nhãn và đóng nắp chai dầu tự động.
Ngoài kiến thức chuyên môn, thông qua đồ án nhóm hiểu hơn về quá trình chiết rót các loại chất lỏng trong thực tế. Các công nghệ hiện đại mà các công ty, xí nghiệp hiện đang sử dụng, từ đó trang bị được những kiến thức thực tế cần thiết cho công việc sau này.
Hạn chế cần khác phục
Bên cạnh những kết quả đã đạt được thì đồ án vẫn còn một số hạn chế cần khác phục như: Phần thiết kế cơ khí mới chỉ thiết kế mô phỏng 3D, các loại vật liệu thực tế có thể có những sự thay đổi. Phần code cần phải tối ưu hơn từ đó mới tăng được năng suất hoạt động của hệ thống.
Một số thiết kế chưa được tối ưu như cơ cấu đóng nắp, dán nhãn nó làm cho việc thi công thực tế có thể gặp nhiều khó khăn trong quá trình chế tạo.
4.2 Phương hướng phát triển
Hệ thống dán nhãn, chiết rót và đóng nắp sản phẩm là một thiết bị quan trọng và có thể được tích hợp và cải tiến để phù hợp với nhiều loại chai lọ khác nhau. Lượng dầu chiết thay đổi lịch hoạt hơn trong quá trình sản xuất để tăng năng xuất của hệ thống. Tích hợp thêm các công nghệ phát hiện lỗi, tự động sửa lỗi khi có lỗi trong quá trình dán nhãn hoặc đóng nắp sản chai.
Tiếp tục tiến hành cải tiến, tối ưu hóa các cơ cấu cơ khí của hệ thống. Nâng cấp chương trình điều khiển và lập trình của hệ thống, từ đó nâng cao năng suất của hệ thống
65
trong quá trình hoạt động. Kết hợp các công nghệ hiện đại vào việc giám sát hệ thống như: xử lý ảnh, điều khiển qua internet, xuất các file báo cáo làm việc. Tiến hành chế tạo mô hình thử nghiệm, vận hành thực tế.
66
KẾT LUẬN
Nghiên cứu về hệ thống chiết rót đóng chai là một đề tài không còn mới,tuy nhiên lại mang tính thực tế rất cao. Nhóm đã cố gắng tìm kiếm và bổ sung nhiều tài liệu tài liệu liên quan để đề tài có thể ứng dụng tốt hơn trong thực tế nghiên cứu. Qua thời gian thực hiện Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Cơ điện tử, với sự nỗ lực không ngừng, nhóm hoàn thành Đồ án tốt nghiệp đúng thời gian, mục tiêu, nhiệm vụ và yêu cầu đề ra.
Qua đó nhóm đã nghiên cứu, tìm hiểu và tích lũy được nhiều kiến thức bổ ích về những vấn đề:
o Lý thuyết về hệ thống cơ khí, cụ thể là băng tải, cơ cấu chiết rót và cơ cấu dán nhãn trong dây chuyền sản xuất hiện đại.
o Lý thuyết về điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất chai dầu nhớt thông qua PLC và giao diện Wincc
Kết quả nhóm đã thành công mô hình hóa và mô phỏng hệ thống trên phần mềm Tia Portals, Solidworks; quá trình chiết rót diễn ra đúng theo yêu cầu mà nhóm đã đặt ra. Mặc dù còn nhiều thiếu sót trong việc thiết kế và tính toán, cũng như nhóm chỉ giới hạn trong việc mô phỏng hệ thống mà không thiết kế sản phẩm thực tiễn, song kết quả đạt được cũng đã đáp ứng được yêu cầu của thầy cô đã đề ra. Cùng với đó, nhóm đã đưa ra phương hướng phát triển trong tương lai để hệ thống trở nên hoàn thiện hơn, sớm được đưa vào áp dụng trong sản xuất thực tế.
67
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trịnh Chất - Lê Văn Tuyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Hà Nội: NXB giáo dục, 2014.