Thiết kế, chế tạo mô hình chiết rót và đóng nắp chai tự động

Ngày nay, với sự ứng dụng của khoa học kỹ thuật, thế giới đã có những chuyển biến rõ rệt và ngày càng tiên tiến hơn, hiện đại hơn. Sự phát triển của công nghệ, đặc biệt là công nghệ tự động đã tạo ra hàng loạt dây chuyền sản xuất, thiết bị máy móc hiện đại với những đặc điểm vượt trội như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, khả năng thích ứng, sự chuyên môn hóa đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nền công nghiệp hiện đại. Công nghệ tự động hóa đang trở thành một ngành kỹ thuật đa nhiệm vụ, nó đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành khác như trong công nghiệp, xây dựng, y tế…kể cả trong nông lâm nghiệp và càng được ứng dụng nhiều trong thực tế đời sống hàng ngày. Trong công nghiệp, trong những nhà máy sản xuất nước đóng chai thì dây chuyền chiết rót đóng nắp kiểm tra dung tích chai là một trong những khâu không thể thiếu và rất quan trọng. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, em đã xây dựng đề tài “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP CHAI TỰ ĐỘNG” để nghiên cứu hệ thống có độ chính xác cao để có thể giải quyết nhu cầu hiện tại.

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiệp, chúng em đã học hỏi được rất nhiều điều bổ ích từ các thầy cô trong khoa Điện - Điện Tử và các bạn

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy giáo, cô giáo Điện –Điện Tử

đã dạy bảo, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong suốt những năm học tập tại trường

Đặc biệt, nhóm sinh viên chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới

Th.S PHẠM THỊ LÝ, người đã trực tiếp hướng dẫn, cung cấp những tài liệu,

kiến thức quý giá và tạo mọi điều kiện về trang thiết bị trong suốt quá trình làm

đồ án để chúng em có thể hoàn thành đồ án này một cách tốt nhất

Sau cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và những người bạn trong lớp Điều khiền và tự động hóa k55 cùng toàn thể các bạn sinh viên trong khoa Điện - Điện Tử đã luôn bên cạnh giúp đỡ, động viên và đóng góp ý kiến cho chúng em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành

đồ án tốt nghiệp

HỒ CHÍ MINH , ngày … , tháng … , năm …

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ

ĐÓNG NẮP CHAI TỰ ĐỘNG

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, với sự ứng dụng của khoa học kỹ thuật, thế giới đã có những chuyển biến rõ rệt và ngày càng tiên tiến hơn, hiện đại hơn Sự phát triển của công nghệ, đặc biệt là công nghệ tự động đã tạo ra hàng loạt dây chuyền sản xuất, thiết bị máy móc hiện đại với những đặc điểm vượt trội như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, khả năng thích ứng, sự chuyên môn hóa đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nền công nghiệp hiện đại

Công nghệ tự động hóa đang trở thành một ngành kỹ thuật đa nhiệm vụ, nó đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành khác như trong công nghiệp, xây dựng, y tế…kể cả trong nông lâm nghiệp và càng được ứng dụng nhiều trong thực tế đời sống hàng ngày

Trong công nghiệp, trong những nhà máy sản xuất nước đóng chai thì dây chuyền chiết rót đóng nắp kiểm tra dung tích chai là một trong những khâu không thể thiếu và rất quan trọng Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, em đã xây

dựng đề tài “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP CHAI TỰ ĐỘNG” để nghiên cứu hệ thống có độ chính xác cao để có thể giải

quyết nhu cầu hiện tại

1.2 Các loại máy đóng nắp chai trong thực tế

1.2.1 Máy đóng nắp chai bán tự động

Hình 1.1 Máy xiết nắp chai bán tự động

1.2.2 Máy chiết rót, đóng nắp chai tự động

Hình 1.5 Máy chiết rót, đóng nắp chai tự động

1.3 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, với sự ứng dụng của khoa học kỹ thuật, thế giới đã có những chuyển biến rõ rệt và ngày càng tiên tiến hơn, hiện đại hơn Sự phát triển của công nghệ, đặc biệt là công nghệ tự động đã tạo ra hàng loạt dây chuyền sản xuất, thiết bị máy móc hiện đại với những đặc điểm vượt trội nhờ sự chính xác cao, tốc độ nhanh, khả năng thích ứng, sự chuyên môn hóa…đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nền công nghiệp hiện đại

Công nghệ tự động hoá đang trở thành một nghành kỹ thuật đa nhiệm vụ,nó đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các nghành khác như trong công nghiệp, xây dựng, y tế… kể cả trong nông lâm nghiệp và ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế đời sống hàngngày

Nhờ công nghệ thông tin, công nghệ điện tử đã phát triển nhanh chóng làm xuất hiện một loại thiết bị điều khiển khả trình PLC

Để thực hiện công việc một cách khoa học nhằm đạt được số lượng sản phẩm lớn, nhanh mà lại tiện lợi về kinh tế Các công ty, xí nghiệp sản xuất thường sử dụng công nghệ lập trình PLC Dây chuyền sản xuất tự động PLC giảm sức lao động của công nhân mà sản xuất lại đạt hiệu quả cao đáp ứng kịp thời cho đời sống xã hội

Trong công nghiệp, trong những nhà máy sản xuất nước uống đóng chai thì dây chuyền chiết rót đóng nắp là một khâu không thể thiếu và rất quan trọng

Với ý nghĩa đó em chọn đề tài: “Thiết kế điều khiển giám sát cho hệ thống chiết rót, đóng nắp chai sử dụng PLC S7-1200 và WinCC”

1.4 Các phương pháp chiết rót chai

Định lượng sản phẩm lỏng là chiết một thể tích nhất định sản phẩm lỏng và rót

vào trong chai, bình, lọ, Định lượng sản phẩm lỏng bằng máy được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất thực phẩm Khi định lượng bằng máy thì cải thiện được điều kiện vệ sinh, đảm bảo được năng suất cao và định lượng sản phẩm một cách chính xác

Trong công nghiệp thực phẩm, máy định lượng - chiết rót sản phẩm lỏng đựơc áp dụng cho nước giải khát, nuớc trái cây, bia, rượu, nước giải khát có ga, sữa, mứt, các loại dung dịch thực phẩm cô đặc,

Có 3 phương pháp định lượng chủ yếu:

 Định lượng bằng bình định mức: chất lỏng được định lượng chính xác nhờ bình định mức trước khi rót vào chai

 Định lượng bằng chiết tới mức cố định: chất lỏng được chiết tới mức

cố định trong chai bằng cách chiết đầy, sau đó lấy khối thể tích bù trừ ra khỏi chai; khi đó mức lỏng trong chai sẽ sụt xuống một khoảng như nhau bất kể thể tích của các chai có bằng nhau hay không Ngoài

ra còn sử dụng ống thông hơi, chất lỏng được chiết tới khi ngập miệng ống thông hơi sẽ dứng lại Phương pháp này có độ chính xác không cao, tuỳ thuộc độ đồng đều của chai

 Định lượng bằng cách chiết theo thời gian: cho chất lỏng chảy vào chai trong khoảng thời gian xác định, có thể xem như thể tích chất

lỏng chảy là không đổi Phương pháp này chỉ áp dụng cho các sản phẩm có giá trị thấp, không yêu cầu độ chính xác định lượng

1.5 Các phương pháp đóng nắp chai

1.5.1 Tìm hiểu chung về đóng nắp chai

Đây là một phần trong quá trình sản xuất sữa trái cây, sau khi chiết nước vào chai, chai được thiết bị cấp chai đưa vào bộ phận đóng chai để thực hiện quá trình đóng nắp chai Do yêu cầu sản xuất ngày nay một tăng vì vậy đòi hỏi một quy trình có tính tự động hóa cao, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm, đảm bảo sức khỏe cho người tiêu dùng Và quá trình chiết rót và đóng nắp chai sữa nutriboost là loại chai được thực hiện trong đề tài này (hình 1.6)

Hình 1.6 C2 chai tham khảo 1.5.2 Các phương pháp sử dụng trên thị trường

Đóng nắp chai bằng phương pháp vặn xoắn: Phương pháp này áp dụng cho loại nắp bằng nhựa ren, ứng dụng trong dây chuyền sản xuất uống đóng chai, nước giải khát

Đóng nắp chai bằng phương pháp dùng lực tác dụng: Áp dụng cho loại nắp

có chất liệu bằng cao su hoặc kim loại (nhôm, inox,…), ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất bia rượu, hóa chất, dược phẩm, các sản phẩm dùng trong y học,…

1.6 Mục tiêu đề tài

- Chế tạo thành công mô hình chiết ró t và đóng nắp chai

- Sử dụng PLC S7-1200 để xây dựng chương trình điều khiển

- Thiết kế giao diện giám sát, điều khiển trên WinCC

- Mô hình hoạt động ổn đi ̣nh, linh hoa ̣t

1.7 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu

Do chúng em chưa có kinh nghiệm chế tạo mô hình thật nên gặp nhiều khó khăn trong việc thiết kế, chế tạo vào kết nối sản phẩm với bộ PLC S7- 1200 Nhóm thực hiện đề tài sử dụng các phương pháp chủ yếu:

- Phương pháp mô phỏng bằng mô hình nhỏ, thiết kế trên lý thuyết: Chúng

em đã thực hiện thiết kế và chế tạo sản phẩm

- Phương pháp tính toán: Tính toán lựa chọn các linh kiê ̣n, từ thực nghiệm điều chỉnh các thông số cho phù hợp công nghệ

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH TRONG

PHÒNG THÍ NGHIỆM 2.1 Tổng quan về mô hình

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của mô hình

chứa được nối vào hệ thống (Hệ thống thực tế)

- Băng tải hoạt động đưa chai rỗng di chuyển Chai Nutri sẽ được cảm biến phát hiện vật phát hiện, nó sẽ được chặn lại tại vị trí chiết rót bằng Xylanh chặn

1 Khi chai được giữ tại vị trí chiết rót sau thời gian trễ khoảng 1s xi lanh bơm sẽ đưa vòi nước đi xuống Khi vòi nước đã đưa vào miệng chai, PLC điều khiển máy bơm nước hoạt động, thể tích nước được kiểm soát thông qua cảm biến lưu lượng (thể tích nước có thể điều chỉnh được) Khi nước đã bơm đủ, bơm tắt xi lanh bơm đưa bơm lên Khi vòi nước được đưa lên xi lanh chặn sẽ về vị trí 0

- Nắp chai C2 được lấp đầy trong máng chứa và được đưa vào ngay đầu chai khi chai chạy qua

- Sau đó chai được đưa vào vị trí đóng nắp chai Chai được cảm biến vật phát hiện Cảm biến đưa tín hiệu về PLC điều khiển xi lanh chặn số 2 tác động chặn chai lại.Sau thời gian trễ 1s động cơ vặn nắp hoạt động và xi lanh vặn nắp đưa động cơ vặn nắp xuống Khi nắp chai được vặn chặt (Điều khiển thời gian vặn qua Timer) thì động cơ vặn nắp dừng và xi lanh vặn đi lên Khi xi lanh vặn

đi lên hết hành trình thì xi lanh chặn về vị trí 0, băng tải đưa chai sang khâu tiếp theo

- Hệ thống sử dụng PLC của Siemens làm khối điều khiển trung tâm, điều khiển xuyên suốt hệ thống Và toàn bộ quá trình sẽ được giám sát, điều khiển trên máy tính sử dụng phần mềm WinCC

2.1.3 Yêu cầu thiết kế

- Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống chiết rót, đóng nắ p chai hoạt động ổn định tin cậy

- Giám sát bằng WinCC đủ các quá trình trong hệ thống

- Khung sườn thiết bị: được thiết kế bằng thép không gỉ và gỗ, chắc chắn chịu được lực rung trong quá trình vận chuyển

- Ống dẫn nước: ống chịu áp lực cao bằng PVC, đảm bảo an toàn vệ sinh, không đóng cặn, gỉ sét và gây ra các nấm mốc vi sinh

2.1.4 Các chức năng chính của mô hình

- Mô hình kết hợp2 khâu: chiết rót và đóng nắp chai thành 1 đoạn dây chuyền

- Mạch điều khiển trung tâm PLC S7-1200 của Siemens: điều khiển xuyên suốt hệ thống chiết rót, đóng nắp Hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống trên phần mêm mô phỏng và giám sát WinCC Khi có sự cố xảy ra, hệ thống dừng khẩn cấp, khi nhấn nút stop hệ thống Reset lại, nhấn Stat để khởi động lại hệ thống

2.1.5 Các công nghệ chiết rót và đóng nắp chai

a, Chiết nước vào chai

Hiện nay có khá nhiều công nghệ chiết nước vào chai, tùy loại chất lỏng sẽ

có cách chiết khác nhau như: nước có gaz, nước không gaz, chất lỏng cô đặc Định lương sản phẩm lỏng là chiết một thể tích nhất định sản phẩm lỏng và rót vào chai, bình, lọ … Định lượng sản phẩm lỏng bằng máy được sử dụng rộng rãi trong nhiều nghành sản xuất thực phẩm.khi định lượng bằng máy thì cải thiện được điều kiện vệ sinh, đảm bảo được năng suất cao, định lượng một cách chính xác

 Các phương pháp định lương chủ yếu có:

- Định lượng bằng định mức: chất lỏng được định lượng chính xác nhờ bình định mức trước ki rót vào chai

- Đinh lượng bằng chiết tới mức cố định: chất lỏng được chiết tới mức cố định trong chai bằng cách chiết đầy, sau đó lấy khối thể tích bù trừ rakhỏi chai; khi đó mức lỏng trong chai sẽ sụt xuống một khoảng như nhau bất

kể thể tích của các chai có bằng nhau hay không Ngoài ra còn sử dụng ống thông hơi, chất lỏng được chiết tới khi ngập miệng ống thông hơi sẽ

dừng lại Phương pháp này có độ chính xác không cao, tùy thuộc vào độ đồng đều của chai

- Định lượng bằng cách chiết theo thời gian: cho chất lỏng chảy vào trong chai trong khoảng thời gian xác định, có thể xem như thể tích chất lỏng chảy là không đổi Phương pháp này chỉ sử dụng cho các sảm phẩm có giá trị thấp, không yêu cầu chính xác về định lượng

 Các phương pháp chiết rót gồm có:

- Phương pháp rót áp suất thường: chất lỏng tự chảy vào trong chai do chênh lêch về độ cao thủy tĩnh Tốc độ chảy chậm nên chỉ thích hợp với các chất lỏng ít nhớt

- Phương pháp rót chân không: Nối chai với một hệ thống hút chân không chất lỏng sẽ chảy vào trong chai do chênh lệch áp suất giữa thùng chứa

và áp suất trong chai Lượng chất lỏng chảy vào trong chai thông thường cũng được áp dụng phương pháp bù trừ hoặc chiết đầy chai

- Phương pháp rót đẳng áp: Phương pháp này được áp dụng cho các sản phẩm có gaz như bia, nước ngọt Trong khi rót, áp suất trong chai lớn hơn áp suất khí quyển nhằm tránh không cho gaz thoát khỏi chất lỏng với phương pháp rót đẳng áp thông thường, người ta nạp khí CO2 vào trong chai cho đến khi áp suất trong chai bằng áp suất trong bình chứa, sau đó cho sản phẩm từ bình chứa chảy vào trong chai nhờ sự chênh lệch

độ cao

- Một số hình ảnh chiết rót như sau:

Hình 2.2 Công đoạn chiết nước vào chai

Hình 2.3.Công đoạn chiết nước vào chai

b, Đóng nắp chai

Máy đóng nắp chai được ứng dụng rộng rãi trong nghành sản xuất đồ uống, thực phẩm, mỹ phẩm, hóa chất công nghiệp Máy có tác dụng đóng bao kín các loại chai thủy tinh, nhựa đảm bảo việc niêm phong kín, không rò rỉ chất lỏng ra ngoài

Nắp chai được dẫn từ thùng chứa xuống đường dẫn đồng thời được sắp xếp đúng chiều, chai nước được đưa vào vị trí dập nắp và cố định để hệ thống dập nắp hoạt động Sau khi dập nắp chai sẽ được đưa tới bộ phận vặn nắp để chắc chắn rằng tất cả các nắp phải được đóng kín

Hình 2.4 Công đoạn vặn nắp chai

2.2 Giải thích thiết bị trong mô hình

2.2.1 Băng tải

Một hệ thống đang được sử dụng nhiều trong các nhà máy cơ sở sản xuất tiết kiệm sức lao động, nhân công, thời gian và tăng hiệu quả rõ rệt đó chính là băng tải, băng chuyền

Hiểu một cách đơn giản nhất thì có thể hiểu băng tải là một cơ chế hoặc máy có thể vận 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 hệ thống băng chuyền là một trong những bộ phận quan trọng trong dây chuyền sản xuất, lắp ráp của các doanh nghiệp, nhà máy 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

a Cấu tạo của băng tải

 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

b Vật liệu làm băng tải

- Ngoài ra còn làm bằng vật liệu khác như: Da, sợi kết thành, vải, …

- Kích thước băng tải: Bề dầy từ 2mm – 15mm, thông thường khi tháo lắp hoặc thay thế thì các máy móc, thiết bị thường đi kèm các thiết bị gas lắp riêng Tất cả các băng tải khi dường máy đều có động cơ để kéo trùng băng tải để bảo

vệ băng tải không bị giãn, không bị nứt hoặc căng bề mặt

c Phân loại và quy mô sử dụng

• Từ cầu tạo và chức năng của băng tải được phân thành các loại chính sau:

- Băng tải dạng thảm: lắp đặt dễ dàng

Hình 2.7 Băng tải con lăn

- Băng tải đứng: dùng để vận chuyển hàng hóa ở những độ cao khác nhau

Hình 2.8 Băng tải đứng

- Băng tải xoắn ốc:

Hình 2.9 Băng tải xoắn ốc

- Băng tải linh hoạt:

Hình 2.10 Băng tải linh hoạt

- Băng tải rung:

Hình 2.11 Băng tải rung

• Kết luận: Để đáp ứng được yêu cầu của đề tài đưa ra chúng em chọn băng tải thẳng dạng thảm

2.2.2 Động cơ

a Động cơ điện xoay chiều

Hình 2.12 Động cơ xoay chiều

• Ưu điểm của động cơ xoay chiều:

- Ít phải bảo dưỡng do không có cổ góp

- Kết cấu bền vững

- Khả năng điểu khiển tốc độ quay đa dạng

- Dùng nguồn trực tiếp từ lưới, sử dụng dễ dàng

- Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ

• Nhược điểm của động cơ xoay chiều:

- Khi dùng trọng tải lớn thì chịu quá tải kém

- Luôn vận hành gắn với hệ thống xoay chiều có sẵn

- Cấu trúc điều khiển phức tạp khó mô tả toán học

b Động cơ một chiều

Hình 2.13 Động cơ một chiều

• Ưu điểm của động cơ điện một chiều:

- Điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà không ảnh hưởng tới điện áp cung cấp Dễdàng điều chỉnh tốc độ hơn động cơ xoay chiều

- Có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau

- Có momen khởi động và làm việc lớn ổn định khi thay đổi

- Chịu quá tải tốt momen khởi động lớn ổn định khi tải thay đổi

• Nhược điểm của động cơ một chiều:

- Là phức tạp về phần điều khiển và khó khăn khi bảo trì bảo dưỡng

- Cấu tạo động cơ điện một chiều cũng phức tạp

Kết luận: Trong mô hình chúng em chọn động cơ điện một chiều kích từ

độc lập bằng nam châm vĩnh cửu để sử dụng để làm động cơ vặn nắp chai và động cơ kéo băng tảivì tính thuận tiện và công suất nhỏ dễ kiếm trên thị trường

2.2.3.Lựa chọn hệ thống khí nén

• Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng khí nén

Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển khí nén

a.Xy lanh

Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng (xilanh) hoặc chuyển động quay (động cơ khí nén)

Bảng 2.1 Các loại xilanh thường gặp

b.Van khí

• Van 2/2

- Van 2/2 có hai cổng vào (1) và ra (2), hai trạng thái

- Van 2/2 có thể sử dụng làm khóa ON/OFF đóng mở

nguồn khí nén hoặc rẽ mạch khí nén

- Van 2/2 được chế tạo điều khiển bằng tay, bằng tiếp

xúc cơ khí, bằng khí nén hay điện- khí nén

• Van 3/2

- Van 3/2 có 3 cổng làm việc vào(1), ra(2) và cổng xả(3)và

hai trạng thái

- Các van 3/2 được chế tạo rất đa dạng và ứng dụng cũng

rất phong phú Dạng tác động có thể bằng tay, bằng tiếp xúc cơ khí, bằng khí nén hay bằng điện từ ở một phía hoặc cả hai phía Các van điều khiển bằng khí nén hay bằng điện từ cả hai phía có đặc tính như một phần tử chuyển mạch có nhớ trạng thái ( Flip-Flop) hay còn gọi là van xung

• Van 4/2

- Van 4/2 có 4 cổng làm viêc vào(1), ra (2,4) và chung

một cổng xả (3), hai trạng thái Van 4/2 được ghép bởi

hai van 3/2 trong một vỏ, một thường đóng, một thường

mở

- Van 4/2 cũng có thể điều khiển bằng cơ khí, bằng khí nén hay điện một phía hoặc cả hai phía Các van điều khiển bằng khí nén hay điện cả hai phía cũng có đặc điểm như một phần tử nhớ hai trạng thái

- Van 4/2 được sử dụng làm van đảo chiều xilanh kép hoặc động cơ

• Van 5/2

- Van 5/2 có 5 cổng làm việc vào(1), ra (2, 4) và hai cửa xả riêng cho mỗi trạng thái (3,5), có hai trạng thái

- Van 5/2 cũng có thể điều khiển bằng cơ khí, bằng khí nén

hay điện một phía hoặc cả hai phía Các van điều khiển