Bài tập lớn môn học cảm biến và cơ cấu chấp hành hệ thống tự Động hóa trong dây chuyền Đóng gói sản phẩm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆVŨ VĂN QUYẾT HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRONG DÂY CHUYỀN ĐÓNG GÓI SẢN PHẨM BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC : CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH EMA3017_5 HÀ NỘI -

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ VĂN QUYẾT

HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRONG DÂY CHUYỀN

ĐÓNG GÓI SẢN PHẨM

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC : CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH (EMA3017_5)

HÀ NỘI - 2024

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ VĂN QUYẾT

HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRONG DÂY CHUYỀN

ĐÓNG GÓI SẢN PHẨM

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC : CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH (EMA3017_5)

Cán bộ hướng dẫn : ThS Trương Xuân Hùng

TÓM TẮT

Tóm tắt : Bài tập lớn về "Hệ thống tự động hóa trong dây chuyền đóng gói sản phẩm

" tập trung vào hai nội dung chính: cảm biến và cơ cấu chấp hành, cùng với hệ thống

tự động hóa trong dây chuyền đóng gói sản phẩm Báo cáo phân tích chi tiết vai tròcủa cảm biến trong việc giám sát các thông số quan trọng như nhiệt độ, áp suất, cungcấp dữ liệu đầu vào cho hệ thống điều khiển tự động Đồng thời, nó mô tả các cơ cấuchấp hành như động cơ, băng tải, thực hiện các lệnh điều chỉnh

Báo cáo cũng tích hợp các hệ thống tự động hóa hiện đại như DCS, PLC, SCADA vàmạng truyền thông công nghiệp, làm rõ cách chúng tối ưu hóa quy trình đóng gói.Hơn nữa, các giải pháp như cảm biến thông minh và cơ cấu chấp hành tiết kiệm nănglượng được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả, giảm phát thải và đáp ứng yêu cầu sảnxuất bền vững Đặc biệt, báo cáo nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đào tạo nhân lực

để quản lý và vận hành công nghệ hiện đại

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

PHẦN MỞ ĐẦU 7

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH 8

1.1 Giới thiệu chung 8

1.1.1 Định nghĩa cơ bản của cảm biến và cơ cấu chấp hành 8

1.1.2 Vai trò, ứng dụng của cảm biến và cơ cấu chấp hành 9

1.2 Tổng quan về cảm biến 9

1.2.1 Phân loại chính của cảm biến 9

1.2.2 Các thông số kĩ thuật quan trọng của cảm biến 9

1.3 Tổng quan về cơ cấu chấp hành 9

1.3.1 Phân loại cơ cấu chấp hành 9

1.3.2 Các thông số kỹ thuật quan trọng của cơ cấu chấp hành 10

1.4 Tương tác giữa cảm biến và cơ cấu chấp hành 10

PHẦN 2 TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRONG DÂY CHUYỀN ĐÓNG GÓI SẢN PHẨM 11

2.1 Giới thiệu chung về quy trình công nghệ 11

2.1.1 Khái quát về dây chuyền đóng gói sản phẩm 11

2.1.2 Quy trình công nghệ đóng gói sản phẩm 12

2.1.3 Các yêu cầu đối với quy trình công nghệ 12

2.2 Hệ thống tự động hóa trong quy trình đóng gói 13

2.2.1 Vai trò của tự động hóa trong quy trình đóng gói 13

2.2.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống tự động hóa trong quy trình đóng gói 13

2.3 Cảm biến sử dụng trong hệ thống 14

2.3.1 Cảm biến quang (Phát hiện vật) 14

2.3.2 Cảm biến nhiệt độ 15

2.3.3 Cảm biến vị trí (Position sensors) 15

2.3.4 Cảm biến hình ảnh (Vision sensors) 15

2.3.5 Cảm biến trọng tải (Load cells) 16

2.3.7 Bộ mã hóa (Rotary Encoders) 17

2.3.8 Cảm biến áp suất 17

2.4 Cơ cấu chấp hành của hệ thống 18

2.4.1 Băng tải (Conveyors) 18

2.4.2 Máy đóng gói tự động 19

2.4.3 Máy dán nhãn (Labelling machine) 20

2.4.4 Máy kiểm tra trọng lượng và đóng gói tự động (Weighing machine) 20

2.4.5 Hệ thống kiểm tra và kiểm soát chất lượng 21

2.4.6 Hệ thống cánh tay robot 22

KẾT LUẬN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

DANH MỤC HÌNH ẢNH

PHẦN 1

Hình 1 : Cảm biến 8

Hình 2 : Đầu dò 8

Hình 3 : Dây chuyền đóng gói 11

Hình 4 : Quy trình đóng gói sản phẩm 12

Hình 5 : Cảm biến quang 14

Hình 6 : Cảm biến khuyến tán 14

Hình 7 : Cảm biến nhiệt độ 15

Hình 8 : Cảm biến vị trí 15

Hình 9 : Cảm biến hình ảnh 16

Hình 10 : Cảm biến trọng tải 16

Hình 11 : Cảm biến phao 17

Hình 12 : Bộ mã hóa 17

Hình 13 : Cảm biến áp suất 18

Hình 14 : Băng tải con lăn xếp linh hoạt 18

Hình 15 : Băng tải con lăn trọng lực 19

Hình 16 : Băng tải con lăn có điện năng 19

Hình 17 : Máy đóng gói 19

Hình 18 : Máy dán nhãn 20

Hình 19 : Máy kiểm tra trọng lượng 21

Hình 20 : Hệ thống đếm số lượng sản phẩm 21

Hình 21 : Kiểm tra mã vạch 22

Hình 22 : Kiểm tra liêm phong gói hàng 22

Hình 23 : Robot khớp nối 23

Hình 24 : Robot Descartes 23

Hình 25 : Robot SCARA 23

Hình 26 : Robot Delta 24

PHẦN MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, điện tử, tự động hóathì việc ứng dụng các công nghệ điện tử, tự động hóa vào các dây chuyền sản xuất rất là quantrọng Nó đóng vai trò tích cực trong sự phát triển của các ngành công nghiệp, tạo ra các sảnphẩm có chất lượng cao, giá thành hạ, giảm bớt sức lao động của con người, năng suất lao độngnhờ thế mà được nâng cao, thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nói chung Việc áp dụng tựđộng hóa vào quá trình sản xuất nhờ các chương trình phần mềm được cài sẵn theo yêu cầu củacông nghệ sản xuất Để điều khiển hoạt động của các dây chuyền sản xuất đó, người ta sử dụngkết hợp những bộ điều khiển dùng vi mạch điện tử, các bộ xử lý, bộ điều khiển PLC và máy tínhđiều khiển

Đề tài "Hệ thống tự động hóa trong dây chuyền đóng gói sản phẩm" mang lại ý nghĩa khoahọc và thực tiễn sâu sắc Về mặt khoa học, đề tài làm rõ vai trò của cảm biến và cơ cấu chấp hànhtrong quá trình tự động hóa đóng gói sản phẩm, đồng thời góp phần phát triển các giải pháp côngnghệ mới cho ngành công nghiệp này Về thực tiễn, nghiên cứu cung cấp kiến thức và ứng dụngquan trọng nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí cho quá trìnhđóng gói sản phẩm

Đối tượng nghiên cứu tập trung vào các loại cảm biến và cơ cấu chấp hành sử dụng trongdây chuyền đóng gói sản phẩm Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là kết hợp lý thuyết với phântích, tổng hợp thông tin từ tài liệu chuyên ngành, khảo sát thực tế tại các dây chuyền, và phântích các hệ thống tự động hóa hiện đại

Trong học phần Cảm biến và cơ cấu chấp hành (EMA3017_5) tại trường Đại học Côngnghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội, em được ThS Trương Xuân Hùng giao đề tài: “Hệ thống tựđộng hóa trong dây chuyền đóng gói sản phẩm”

Em xin chân thành cảm ơn thầy Trương Xuân Hùng đã tận tình hướng dẫn, cung cấp cho

em nhiều kiến thức về đề tài cũng như các kiến thức thực tiễn khác trong học phần này Do cònhạn chế về trình độ, báo cáo của em có thể còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiếnđóng góp từ thầy và bạn bè để hoàn thiện đề tài hơn

PHẦN 2 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH

2.1 Giới thiệu chung

2.1.1 Định nghĩa cơ bản của cảm biến và cơ cấu chấp hành.

Cảm biến là thiết bị phát hiện hoặc đo đạc một đại lượng vật lý trong môi trường,

ghi lại hoặc chỉ thị hoặc một phản ứng khác đối với đại lượng đo được Ngày nay, đầu racủa cảm biến thường là tín hiệu điện (điện áp, dòng điện, điện trở )

Hình 2 : Đầu dò

• Thiết bị truyền động (Actuator) (ngược lại với cảm biến) chuyển tín hiệu điệnthành năng lượng không mang điện nói chung

Cơ cấu chấp hành là thiết bị đầu ra, chuyển tín hiệu điều khiển thành các hành

động cơ học, điện hoặc khí nén để thực hiện yêu cầu điều khiển Đây là “phần thực thi”của hệ thống, tác động trực tiếp lên môi trường thông qua chuyển động hoặc thay đổitrạng thái Các loại cơ cấu chấp hành phổ biến bao gồm động cơ điện, bơm thủy lực, vanđiều khiển khí nén và thiết bị điện từ

Cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống điều

khiển tự động Cảm biến cung cấp dữ liệu về trạng thái của hệ thống, bộ điều khiển sẽphân tích và đưa ra lệnh điều khiển, sau đó cơ cấu chấp hành thực hiện các hành động cầnthiết để đạt được mục tiêu

2.1.2 Vai trò, ứng dụng của cảm biến và cơ cấu chấp hành

Cảm biến và cơ cấu chấp hành là hai thành phần thiết yếu trong hệ thống điều

khiển tự động Cảm biến cung cấp dữ liệu đầu vào, giúp hệ thống theo dõi và điều chỉnhtrạng thái môi trường hoặc thiết bị, trong khi cơ cấu chấp hành thực hiện các lệnh điềukhiển, chuyển đổi tín hiệu thành hành động cụ thể như mở van hay điều khiển robot.Chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: trong công nghiệp, cảm biến giámsát nhiệt độ và độ ẩm, nâng cao năng suất sản xuất; trong nông nghiệp, cảm biến kết hợpvới hệ thống tưới tự động để tối ưu hóa canh tác; trong y tế, cảm biến sinh học đo nhịptim và huyết áp, kết hợp với bơm insulin tự động; và trong giao thông thông minh, chúnggiúp quản lý phương tiện và đảm bảo an toàn

2.2 Tổng quan về cảm biến

2.2.1 Phân loại chính của cảm biến

Phân loại theo chức năng: Cảm biến có thể được phân loại dựa trên các đại lượng

mà chúng đo lường và giám sát như: cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến vị trí,cảm biến chuyển động, cảm biến hóa học,…

Phân loại theo nguyên lý hoạt động: Cảm biến cũng có thể được phân loại theo cơ

chế vật lý mà chúng sử dụng để thu thập và chuyển đổi tín hiệu như: cảm biến điện, cảmbiến quang, cảm biến từ,…

Phân loại theo nguồn cấp năng lượng : Cảm biến chủ động (Active Sensor) (cảm

biến áp điện, cặp nhiệt điện, cảm biến điện dung), Cảm biến thụ động (Passive Sensor)

(nhiệt điện trở (RTD), cảm biến quang trở, cảm biến Hall)

2.2.2 Các thông số kĩ thuật quan trọng của cảm biến

• Độ chính xác (Accuracy)

• Độ nhạy (Sensitivity)

• Dải đo (Measurement Range)

• Độ phân giải (Resolution)

• Tốc độ phản hồi (Response Time)

• Tính tuyến tính (Linearity)

2.3 Tổng quan về cơ cấu chấp hành

2.3.1 Phân loại cơ cấu chấp hành

Cơ cấu chấp hành có thể được phân loại dựa vào nguyên lý hoạt động và dạng nănglượng mà chúng sử dụng để chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành hành động cơ học Dướiđây là các loại chính:

Cơ cấu chấp hành điện: động cơ điện DC, động cơ bước, động cơ đồng bộ, và

động cơ không đồng bộ

Cơ cấu chấp hành thủy lực: xi lanh thủy lực, động cơ thủy lực.

Cơ cấu chấp hành khí nén: xi lanh khí nén, động cơ khí nén.

Cơ cấu chấp hành nhiệt: cơ cấu chấp hành bimetallic (vật liệu kép) và các cơ cấu

nhiệt sử dụng chất lỏng giãn nở

Cơ cấu chấp hành cơ học: cơ cấu vít me, cơ cấu bánh răng.

2.3.2 Các thông số kỹ thuật quan trọng của cơ cấu chấp hành

• Tốc độ phản hồi

• Độ chính xác

• Công suất

2.4 Tương tác giữa cảm biến và cơ cấu chấp hành

Cảm biến và cơ cấu chấp hành là hai thành phần thiết yếu trong các hệ thống điều

khiển tự động, hoạt động cùng nhau để duy trì sự ổn định và hiệu quả của hệ thống Quátrình phối hợp giữa chúng thường diễn ra qua các bước sau:

• Thu thập dữ liệu từ cảm biến: Cảm biến liên tục giám sát các yếu tố vật lý

hoặc hóa học trong môi trường, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất, vị trí, hoặc lực Dữ liệunày được chuyển đổi thành tín hiệu điện và gửi đến bộ điều khiển

• Xử lý và phân tích tín hiệu điều khiển: Bộ điều khiển sử dụng các thuật toán

điều khiển (như PID hoặc Fuzzy Logic) để nhận tín hiệu từ cảm biến và so sánh với giátrị mục tiêu đã được thiết lập trước Nếu có sai lệch, bộ điều khiển sẽ tính toán và tạo ratín hiệu điều khiển phù hợp

• Truyền tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành: Bộ điều khiển gửi tín

hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành, yêu cầu nó thực hiện hành động điều chỉnh nhằmđưa hệ thống về trạng thái mong muốn Cơ cấu chấp hành sẽ thực hiện các hành động cơhọc như thay đổi vị trí, tốc độ, hoặc lực, tùy thuộc vào loại cơ cấu

• Điều chỉnh và phản hồi: Sau khi cơ cấu chấp hành thực hiện thay đổi, cảm

biến sẽ đo lại trạng thái của hệ thống Quá trình này tạo thành một vòng kín phản hồi(feedback loop), giúp hệ thống tự điều chỉnh để duy trì hiệu suất tối ưu

Ví dụ: Trong ứng dụng điều khiển nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ sẽ đo đạc nhiệt độtrong phòng và gửi tín hiệu tới bộ điều khiển Nếu nhiệt độ quá thấp, bộ điều khiển sẽkích hoạt cơ cấu chấp hành (như máy sưởi) để tăng nhiệt độ cho đến khi đạt được mục

Sự phối hợp giữa cảm biến và cơ cấu chấp hành giúp các hệ thống điều khiển tựđộng hoạt động một cách chính xác, hiệu quả và linh hoạt, đáp ứng kịp thời các thay đổitrong môi trường và các yếu tố bên ngoài.

PHẦN 3 TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRONG DÂY CHUYỀN ĐÓNG GÓI SẢN PHẨM.

3.1 Giới thiệu chung về quy trình công nghệ

3.1.1 Khái quát về dây chuyền đóng gói sản phẩm

Hệ thống đóng gói sản phẩm là hệ thống dây chuyền sử dụng các loại máy móc tựđộng để thực hiện tuần tự các công đoạn, phân đoạn đóng gói sản phẩm Đảm bảo quátrình sản xuất và lắp ráp diễn ra liên tục với dòng chảy và hiệu quả tối ưu Việc đóng gói

có thể thực hiện bằng máy đóng gói hoặc bằng cánh tay robot công nghiệp tải hộp, xếphàng hóa vào pallet – máy xếp pallet tự động

Hình 3 : Dây chuyền đóng gói

Nguyên lý hoạt động cơ bản: Nguyên lý vận hành cơ bản của hệ thống đóng gói

sản phẩm tự động là sự kết hợp nhịp nhàng giữa các bộ phận như: phần điện, phần mềm

và phần cơ để có thể đóng gói các sản phẩm vào bao bì Những bộ phận được điều khiểnbằng phần mềm qua các bảng mạch điện tử, PLC cùng các chi tiết cơ khí Bằng hệ thống

cơ khí được kết hợp với một hoặc nhiều motor trong hệ truyền dây đai, bánh răng, dâyxích, và được kết hợp với thiết bị trục quay để thay đổi chuyển động quay tròn thànhchuyển động tịnh tiến Sản phẩm được định lượng sau đó sẽ chuyển vào bao bì và niêmphong lại Chu trình của hệ thông cứ thế lặp đi lặp lại cho đến khi quá trình đóng gói củasản phẩm cuối cùng hoàn thành

Phần lớn mọi dây chuyền sản xuất đều có 3 bộ phận chính sau:

• Phần điện: Gồm có những thành phần như là PLC, bo mạch chính, motor,đồng hồ điều khiển nhiệt, điện trở, sensor quang…

• Phần mềm: Gồm ngôn ngữ lập trình PLC được các phương pháp viên cài đặtlên PLC

• Phần cơ khí: Có những chi tiết cụ thể khung máy đóng gói hàng hóa, phễu đểchứa nhiên liệu, máng tạo túi, dao cắt, hộp mau chóng, trục quay…

3.1.2 Quy trình công nghệ đóng gói sản phẩm

Hình 4 : Quy trình đóng gói sản phẩm

Chu trình đóng gói tự động(Automated Packaging Cycle) là một quy trình kết hợpnhiều công nghệ và thiết bị để tự động hóa toàn bộ giai đoạn đóng gói sản phẩm Nó đi từgiai đoạn sản xuất đến khi sản phẩm được đóng gói, dán nhãn, kiểm tra chất lượng, xếpvào thùng hoặc pallet, lưu trữ và cuối cùng là vận chuyển đến tay người tiêu dùng Mỗibước trong chu trình này đều được tự động hóa để tối ưu hóa hiệu quả và chất lượng sảnphẩm

Đặc điểm của quy trình:

 Tự động hóa cao: Giảm can thiệp con người, hoạt động liên tục

 Chính xác và đồng nhất: Đảm bảo chất lượng và độ chính xác trong từng bước

 Linh hoạt: Dễ dàng điều chỉnh cho nhiều loại sản phẩm và mở rộng quy mô sảnxuất

 Công nghệ tiên tiến: Sử dụng cảm biến hiện đại và hệ thống điều khiển thôngminh (PLC, HMI)

 Tối ưu chi phí: Giảm chi phí lao động và lãng phí nguyên liệu

 An toàn lao động: Giảm rủi ro cho nhân viên, giám sát an toàn tự động

 Quản lý dữ liệu: Theo dõi hiệu suất và tích hợp với các hệ thống quản lý khác(như ERP)

3.1.3 Các yêu cầu đối với quy trình công nghệ

• Chất lượng sản phẩm: Đảm bảo sản phẩm an toàn, đạt tiêu chuẩn chất lượng cao

• Tính chính xác: Đảm bảo độ chính xác trong đo lường và niêm phong

• Tính linh hoạt: Dễ dàng điều chỉnh cho nhiều loại sản phẩm.

• Độ tin cậy: Thiết bị hoạt động ổn định, giảm thời gian ngừng hoạt động

• An toàn lao động: Có biện pháp bảo vệ nhân viên trong quá trình vận hành

• Quản lý dữ liệu: Thu thập và phân tích dữ liệu để tối ưu hóa quy trình

• Chi phí vận hành: Tối ưu hóa để giảm chi phí sản xuất

3.2 Hệ thống tự động hóa trong quy trình đóng gói

3.2.1 Vai trò của tự động hóa trong quy trình đóng gói

Hệ thống tự động hóa trong đóng gói sản phẩm không chỉ giúp tăng năng suất và

giảm chi phí mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng cường an toàn lao động

Việc áp dụng tự động hóa ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh cạnh tranh ngày

càng gay gắt, giúp doanh nghiệp nâng cao hiệu quả sản xuất và đáp ứng nhanh chóng

nhu cầu thị trường.

3.2.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống tự động hóa trong quy trình đóng gói

• Cảm biến (Sensors): Đóng vai trò giám sát và thu thập thông tin trong quá trình

đóng gói, giúp hệ thống hoạt động chính xác và hiệu quả Cảm biến thu thập cácthông số quan trọng từ quá trình đóng gói như: vị trí trên băng chuyền, trọnglượng, hình dạng, kích thước, màu sắc, nhiệt độ của sản phẩm

• Hệ thống điều khiển (Controllers): Các hệ thống điều khiển, thường là PLC

(Programmable Logic Controllers), nhận tín hiệu từ các cảm biến và thực hiện cáclệnh điều khiển dựa trên lập trình đã được cài đặt Hệ thống này điều khiển các thiết bị: băng chuyền, máy đóng gói, máy ghi nhãn và các cảm biến

• Cơ cấu chấp hành (Actuators): Thực hiện các tác vụ trong quy trình đóng gói,

bao gồm di chuyển, cắt, gấp và niêm phong sản phẩm

• Giao diện điều khiển người-máy (HMI): Cung cấp nền tảng cho người vận

hành để theo dõi, điều khiển và quản lý quy trình đóng gói

Cảm biến Hệ thống điều khiển Cơ cấu chấp

hành

HMI