thiết kế hệ thống điều khiển cho máy đóng hộp tự động cho công nghệ

Một dây truyền đóng hộp tự động không còn là điều quá mới trong một nhà máy công nghiệp hiện đại .Máy đóng hộp là một thiết bị có thể hoàn toàn thay con ngời trong trong lĩng vực xác địn

thiết kế môn học điều khiển logic

Nhiệm vụ: thiết kế hệ thống điều khiển cho máy đóng hộp tự động cho công nghệ

1 1 quuyển thuyết minh

2 2 bản vẽ kỹ thuật cho khổ A0 cho sơ đồ nguyên lý và lắp ráp

yêu cầu:

Phơng pháp thiết kế: Ma trận trạng thái

Phơng án mạch lực và mạch điều khiển :Khí nén

Mục lục Lời nói đầu 3

Chơng 1 Giới thiệu về công nghệ I Giới thiệu về công nghệ và chức năng của máy đóng hộp 4

II Lựa chọn công nghệ 4

Chơng 2 Thiết kế mạch thống điều khiển I Hoạt động của sơ đồ công nghệ 5

II Chuyển sơ đồ sang các biến trạng thái 5

III Thiết kế sơ đồ nguyên lý 6

IV Hiệu chỉnh sơ đồ 12

Chơng 3 Tính chọn thiết bị và thiết kê sơ đồ lắp ráp I. Chọn các thiết bị: 15

1.Chọn phần tử logic 15

2.Chọn cảm biến vị trí 16

3.Chọn van phân phối 16

4.Chọn thiết bị chấp hành 17

5.Chọn nút ấn 18

II Thiết kế mạch lắp ráp 18

1.Chọn vị trí lắp đặt 18

2.Sơ đồ lắp ráp của mạch điều khiển hệ thống 19

Lời nói đầu

Hiện nay, các công nghệ tiên tiến, các dây chuyền và thiết bị hiện đại đang từng ngày, từng giờ đợc ứng dụng vào sản xuất Với chính sách mở cửa của Đảng và Nhà nớc ta, chắc chắn các công nghệ tiên tiến và hiện đại của thế giới sẽ ngày càng đợc

áp dụng hiệu quả vào Việt Nam với quy mô, số lợng, chất lợng một cách nhanh chóng Tác dụng của các công nghệ mới và dây chuyền sản xuất hiện đại đã góp phần thúc đẩy sự nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nớc

Với vai trò là mũi nhọn của kỹ thuật hiện đại, lĩnh vực tự động hoá đang phát triển với tốc độ ngày càng cao Trong quá trình sản xuất, việc tự động hoá một dây chuyền sản xuất đóng vai trò rất quan trọng Nó là cầu nối giữa các hạng mục sản xuất, giữa các phân xởng trong nhà máy, giữa các máy công tác trong một dây

chuyền Việc điều khiển hoạt động của các dây chuyền hiện đại, tiên tiến cũng ngày càng đa dạng và phức tạp

Một dây truyền đóng hộp tự động không còn là điều quá mới trong một nhà máy công nghiệp hiện đại Máy đóng hộp là một thiết bị có thể hoàn toàn thay con ngời trong trong lĩng vực xác định trọng lợng sản phẩm đợc đóng trong hộp và tự đọng đa

ra dây truyền khác qua một hệ thống băng tải, năng suất của máy đóng hộp góp phần rất lớn đến đến năng suất chung của nhà máy Vì vậy, các thiết bị điện và hệ thống

điều khiển của máy phải đảm bảo việc tiện lợi, có năng suất cao, vận hành an toàn và thao tác đơn giản, cũng nh đáp ứng đầy đủ các đặc điểm, yêu cầu công nghệ của hệ thống

Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển đóng hộp tự động “ ” nhằm mục đích cho sinh viên tiếp xúc làm quen với các hệ thống tự động trong công nghiệp Sử dụng những phơng pháp tổng hợp hệ thống đã học vào thực nghiệm, làm quen với các thiết bị điều khiển truyền động, ghép nối mạch điều khiển Trang bị cho chúng ta những kiến thức cơ bản trớc khi ra trờng

Trong quá trình thiết kế, với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn

và ý kiến của các bạn, em đã hoàn thành đợc bản đồ án này Nhng do thời gian tơng

đối ngắn và kinh nghiệm còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đợc sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn sự hớng dẫn tận tình của thầy giáo

Chơng 1

tìm hiểu công nghệ

Máy đóng hộp là thiết bị tự động quan trọng trong những nhà máy có các sản phẩm đóng chai nh nhà máy bia, nớc giải khát hay các nhà máy chế biến đồ hộp vv…

Nếu không có thiết bị đóng hộp thì sẽ tốn rất nhiều lao động trong việc thay thế chúng bằng sức lao động của con ngới hơn nữa lại khó khăn trong xác định chính xác trọng lợng (số lợng) sản phẩm đóng trong hộp

Một dây truyền đóng hộp tự động yêu cầu phải có sơ đồ điều khiển đơn giản hoạt

động tin cậy Do có rất nhiều các biến phải kiểm tra trong quá trình thực hiện một chu trình nên phải có sự đồng bộ trong các khâu Quá trình vận hành luôn luôn phải thực hiện chính xác có độ ổn định cao

Trong thuật toán điều khiển phải yêu cầu không có điểm ngắt ở giữa, tức là hệ thống khi bị ngắt ở đâu khi khởi động lại tiếp tục quá trình đó

Dây truyền yêu cầu an toàn và chính xác trong sản xuất nên hệ thông truyền

động của dây truyền đóng hộp thờng sử dụng cơ cấu truyền động bằng khí nén

II Lựa chọn công nghệ:

-Bộ truyền động: Toàn bộ chuyển động do hai pittong khí nén pittông A cho phép chuyển động theo phơng nằm ngang: đẩy hộp vào nơi rót sản phẩm, pittong B cũng chuyển động theo phơng nằm ngang: đẩy hộp đã đày sản phẩm ra dây truyền.Ngoài ra còn có hai pittông C,D đóng mở các cửa C, D để điều khiển cho hay không cho nguyên liệu từ đó chảy xuống hộp.Ta chọn hai van A,B là các van hai chiều (điều khiển cả hai chiều ),còn pittông C,D là các pittông 1 chiều (loại pittông tự phục hồi )

-Bộ cảm biến : gồm 4 cảm biếm vị trí : ao, bo xác định vị trí ban đầu của 2 pit tông A,B cảm biến a1,b1 xác định vị trí cuối hành trình A+,B+ của các pittông A,B -Cân trọng lợng xác định 3 trọng lợng và đa ra 3 tín hiệu d1,d2,d3

từ các đờng C,D chảy vào hộp Trong đó đờng C,D có kích thớc lớn cho nguyên liệu chảy vào nhiều còn ,đờng Dcókíchthớc bé cho nguyên liệu chảy từ từ Sau khi hộp

có khối lợng d2 thì cảm biến phát ra tín hiệu để đóng đờng dẩn lớn C lại ,để đờng dẩn

D vẩn cho nguyên liệu vào từ từ ,đảm bảo cân xác định đợc chính xác khối lợng

d3.Khi hộp có khối lợng d3 thì cảm biến phát ra tín hiệu đóng đờng dẩn D lại sau đó píttông B đẩy hộp ra ngoài và hộp lại đợc pittong A đẩy vào cân

II)Chuyển sơ đồ sang các biến trạng thái:

Nh vậy từ việc mô tả hoạt động của sơ đồ công nghệ ta sẽ chọn các biến vào và

ra nh sau:

a0: a0=1 khi pittong ở A có tín hiệu để pittong B đẩy hộp vào cân

a0=0 khi pittong A ra khỏi vị trí A

a1: a1=1 tín hiệu đẩy pittong A về vị trí A khi pittong ở vị trí N

a1=0 khi pittong A ra khỏi vị trí N

b0: b0=1 khi pittong B ở B có tín hiệu cho pittong chạy vào cân đẩy hộp ra ngoài

b0=0 khi pittong B ra khỏi vị trí B

b1: b1=1 tín hiệu đẩy pittong B về vị trí B khi pitong ở vị trí M

b1=0 khi pittong B ra khỏi vị trí M

d1: d1=1 tín hiệu lùi các pittong C,D cho vật liệu chảy xuống khi cảm biến nhận

A0: pittong A bắt đầu chạy thuận (đẩy hộp vào cân)

A1 :pittong A bắt đầu chạy ngơc (về phía A)

B0: pittong B bắt đầu chạy thuận (đẩy hộp ra khỏi cân)

B1: pittong B bắt đầu chạy ngợc (ra xa cân)

C0: pittong C bắt đầu chạy thuận (chiều mở đờng dẩn C)

C1: pittong C bắt đầu chạy ngợc (đóng đờng dẩn C)

D0: pittong C bắt đầu chạy thuận (mở đờng dẩn D)

D1: pittong D bắt đầu chạy ngợc (đóng đờng dẩn D)

Nh vậy ta sẽ có 8 tín hiệu ra là A0 , A1 ,B0 , B1 ,C0 ,C1 ,D0 , D1

III) Thiết kế sơ đồ nguyên lý:

Trên cơ sở sơ việc mô tả công nghệ ở trên ta có thể thiết kế sơ đồ nguyên lý cho công nghệ đã cho nh sau:

B ớc 1:

Sơ đồ chuyển trạng thái:

1 0 1 0 1 0 1 0

3 2 1

D D C C B B A A

d d abd

Các ô trống đợc nhập lại với nhau thành ô trống

ô trạng thái vững nhập với ô trạng thái không vững thành ô trạng thái vững ô trạng thái không vững nhập với ô trống thành ô trạng thái không vững

ô trạng thái vững nhập với ô trống thành ô có trạng thái vững

các ô trạng thái vững nhập với nhau thì thành ô trạng thái vững

Hình dới đâylà bảng ma trận trạng thái thứ nhất và thứ 2 của mạch điều khiển:

ớc 3: Mã hóa các trạng thái:

Số biến trung gian cần dùng là:

2s≥2 ⇒s=1

Gọi X là biến trung gian

Ta có các bảng các nô đê xác định các hàm của biến đầu ra và biến trung gian Trong đó chú ý là đối với biến trung gian thì ta giữ lại tất cả các trạng thái vững

và trạng thái không vững để lập bảng các nô.Còn đối với biến ra thì ta chỉ giữ lại các trạng thái vững để lập bảng

B

ớc 4: Lập bảng caro cho các biến vào và biến trung gian:

Bảng ca ro cho biến trung gian X:

f(D-)=d3

B

ớc 5 : Sơ đồ cấu trúc cho mạch điều khiển:

Hoạt động của sơ đồ này nh sau:

Sau khi ấn nút M thì mạch đợc cấp khí lúc này tín hiệu b0 có, do vậy A+ có khí sẽ chuyển động về phía cân đa hộp về cân Sau khi đến cân cảm biến nhận đợc tín hiệu

a1 thì X có tín hiệu sẽ làm mất tín hiệu A+,còn A- có tín hiệu nên pittông A sẽ chuyển

động lùi lại để chuẩn bị cho lần đẩy hộp tới,khi a1 mất đi thì trạng thái lùi của

pittông vẩn đợc duy trì do cha có A- cho tới khi có tín hiệu a0 thì pitông dừng lại ở cuối hành trình Khi cân xác định đợc khối lợng d1 thì sẽ phát ra tín hiệu d1 ,lúc này

C+ ,D+ có tín hiệu ,nh vậy các pittông C,D sẽ lùi lại để vật liệu đợc đa xuống hộp và trạng thái này duy trì cho tới khi nào có tín hiệu C-,D- ,vì trạng thái của pitông là có nhớ.Khi có tín hiệu d2 ,C- có tín hiệu do vậy pittông C sẽ chạy theo chiều ngợc lại để

đóng nguồn vật liệu từ cửa C xuống hộp ,lúc này chỉ còn cửa D cho vật liêu xuống hộp Trạng thái này của pittông C,D đợc duy trì cho tới khi có C+,D-.Khi có tín hiệu

cân ,lúc này tín hiệu b0 mất ,do vậy X cũng không có tín hiệu ,tuy nhiên A+ vẩn cha

có tín hiệu.Khi cảm biến vị trí nhận đợc tín hiệu b1 thì pittông B sẽ lùi lại chờ lần làm việc tiếp theo,lúc này tín hiêu b0 xuất hiện trở lại ,X cha có nên A+ có tín hiệu do vậy pittông A lại đẩy hộp vào Đến đây ta đợc một chu kỳ công nghệ của sơ đồ Để dừng hoạt động của sơ đồ ta ấn nút D thì sơ đồ sẽ dừng hoạt động

Khi hoạt động ta phải đảm bảo đợc các sự cố xảy ra nh khi mất khí thì yêu cầu là các pittông C,D phải tự động đóng lại để vật liệu không bị chảy ra ngoài.Muốn vậy thì ta phải dùng pittông tự phục hồi, khi đó ta cũng chọn loại van phân phối tự phục hồi cấp cho các pittông tự phụchồi C,D Lúc này ta dùng thêm hai biến trung gian Y,Z để thực hiện yêu cầu này Để cho B+ có chậm hơn so với thời điểm mất D+ một chút thì tín hiệu d3 trớc khi tới B+ ta làm trễ đi một chút bằng cách dùng rơle trễ nh vậy thì sẽ chắc chắn sau khi pittông D đóng thì pittông B mới đẩy hộp ra ngoài Sơ đồ sau khi hiệu chỉnh nh sau:

Sơ đồ này hoạt động nh sơ đồ trên chỉ có khác là tín hiệu Y có trong suốt

khoảng thời gian xuất hiện d1 tới d2 nh vậy chắc chắn pittông C chỉ mở trong khoảng

thời gian đó Còn tín hiệu Z có trong suốt khoảng thời gian từ khi có d1 tới d3 nó cũng đảm bảo cho pittông D chỉ hoạt động trong khoảng thời gian đó.

Với sơ đồ này thì sẽ đảm bảo chắc chắn rằng khi mất nguồn khí thì pittông C,D sẽ tự

động đóng các cửa nhả vật liệu xuống hộp

Để khởi động hệ thống ta bật nút START hệ thống sẽ hoạt động

Muốn dừng hệ thống chỉ cần ngắt nguồn khí thì toàn bộ hệ thống sẽ hoạt động Khi có một trục trặc nào đó làm cho hệ thống ngừng hoạt động không theo ý muốn của chúng ta thì trớc khi khởi động hệ thống ta bấm nút RESET để thiết lập hệ thống lại trạng thái đầu ,nh khi các pittông A,B đang dừng lại giữa hành trình thì tín hiệu RESET sẽ đa pittông A về vị trí cuối cùng của nó (thực hiện A-), còn pittông B

sẽ tiếp tục thực hiện hành trình B+ để đẩy hộp ra khỏi cân nếu nh có hộp trên cân và sau đó sẽ thực hiện hành trình B- trở lại trạng thái đầu.Sau khi thực hiện tín hiệu RESET xong thì chúng ta bấm nút START để hệ thống hoạt động

Hình dới là sơ đồ mạch nguyên lý của mạch điều khiển , mạch lực của công nghệ:

Trong sơ đồ điều khiển sử dụng 6 phần tử AND,do vậy ở đây ta sử dụng hai mạch

tích hợp loại ZK-PK-3-6/3, của hãng Festo(Đức) mỗi mạch có 3 phần tử AND hai

Nhiệt độ xung quanh nhỏ nhất cho phép -100CNhiệt độ xung quanh lớn nhất cho phép 600CTốc độ luồng khí tiêu chuẩn 100l/min

Phần tử hoặc:

Trong sơ đồ điều khiển ta sử dụng 6 phần tử hoặc.ở đây ta dùng hai mạch tích

hợp loại OS-PK-3-6/3, mỗi mạch có 3 phần tử OR có hai đầu vào, một đầu ra và một

+Với loại OS-PK-3-6/3 có các thông số kỹ thuật sau:

Số đầu ra khí III

Nhiệt độ xung quanh nhỏ nhất cho phép -100CNhiệt độ xung quanh lớn nhất cho phép 600CTốc độ luồng khí tiêu chuẩn 100l/min

áp suất làm việc nhỏ nhất 0.03 bar

áp suất làm việc lớn nhất 8 bar

Nhiệt độ xung quanh nhỏ nhất cho

3)Chọn van phân phối:

Ta chọn van phân phối loại VL-5/2-D-02 (có hình vẽ dới) của hãng Festo (Đức)

Đây là loại van 5/2 với đầu nối (1) là đầu vào khí nén, các đầu nối (2) và (4) là các

đầu ra của khí nén còn các đầu nối (3) và (5) là các đầu xả khí Các thông số của thiết bị đợc cho trong bảng dới đây:

Nguyên tắc khởi động / reset pneumatic

Dải nhiệt độ xung quanh cho phép -10ữ60oC

Ngoài ra ta còn chọn hai van phân phối loại một chiều

4).Chọn thiết bị chấp hành:

Trong cơ cấu truyền động, ta sẽ sử dụng 2 pittông hai chiều tác dụng

DNU-100-500PPV-A (có hình vẽ dới) của tập đoàn Festo (Đức) Các thông số cơ bản của thiết

bị nh sau:

Dải nhiệt độ xung quanh cho phép -20ữ80oC

Lực hiệu dụng ở áp suất 6 bar khi chạy thuận 4496N

Lực hiệu dụng ở áp suất 6 bar khi chạy nghịch 4221N

Lợng khí tiêu tốn trong chu trình thuận 29,5l

Ngoài ra ta còn cần dùng hai pittông một chiều (loại tự phục hồi)

5)Chọn nút ấn:

Trong sơ đồ nguyên lý điều khiển ta sử dụng hai nút ấn cho việc khởi động và

Reset lại hệ thống loại K/O-3-PK-3 của hãng Festo(Đức) có giao diện và thông số kỹ

thuật nh sau

Giới hạn áp suất làm việc 0-8 (bar)

Giới hạn nhiệt độ môi trờng

0C)Tôc độ luông khí tiêu chuẩn 80l/min

Thiết kế lắp ráp là công việc cuối cùng khi thiết kế hệ thống điều khiển tự động truyền động điện Khi thiết kế lắp ráp cần phải đảm bảo nâng cao các yêu cầu về chỉ tiêu chất lợng và phải chấp hành đầy đủ các tiêu chuẩn, các quy phạm kỹ thuật hiện hành của Nhà nớc về lắp đặt thiết bị điện

1)Lựa chọn vị trí lắp đặt thiết bị:

Các thiết bị động lực để truyền động cơ cấu sản xuất cùng với các công tắc hành trình, các nút ấn điều khiển phải đợc bố trí trực tiếp trên cơ cấu sản xuất

Việc bố trí các thiết bị điều khiển trên tủ điện dựa vào các nguyên tắc sau:

Nguyên tắc nhiệt độ: Các thiết bị toả nhiệt lớn khi làm việc phải để ở phía trên,

các thiết bị có chịu ảnh hởng lớn về nhiệt độ cần phải đặt xa các nguồn sinh nhiệt

Nguyên tắc trọng lợng: Các thiết bị nặng phải đặt dới thấp để tăng cờng độ vững

chắc của bảng điện, giảm nhẹ các điều kiện để cố định chúng

Nguyên tắc nối dây tiện lợi: Đờng nối dây ngắn nhất và ít chồng chéo nhau.

Dựa vào các nguyên tắc trên, kết hợp với những yêu cầu đặc biệt trong từng trờng hợp cụ thể, tiến hành bố trí thiết bị trên panel Khi bố trí thiết bị cần bố trí thành từng nhóm riêng biệt để tiện việc kiểm tra, sửa chữa Các phần tử trong một nhóm phải bố trí gần nhau nhất sao cho dây nối giữa chúnglà ngắn nhất Giữa các nhóm khác nhau phải bố trí sao cho thuận tiện cho việc tiến hành lắp đặt, sửa chữa, hiệu chỉnh Các thiết bị dễ hỏng, các thiết bị cần điều chỉnh phải để nơi dễ dàng thay thế,

điều chỉnh, sửa chữa

Bảng vẽ bố trí phải vẽ theo một tỷ lệ xích tiêu chuẩn trong đó phải ghi rõ các kích thớc hình chiếu của thiết bị, các kích thớc lỗ định vị trên tấm lắp, các kích thớc tơng quan giữa chúng cũng nh kích thớc ngoài của tấm lắp

Các phần tử tiếp điểm rơle, côngtắctơ đợc vẽ trên sơ đồ lắp ráp thành những hình chữ nhật với tỷ lệ xích đã chọn trên đó thể hiện các cuộn dây, các tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ kèm theo số các cực nối của chúng trùng với số trên sơ đồ nguyên lý.

2).Sơ đồ lắp ráp của mạch điều khiển hệ thống:

từ sơ đồ nguyên lý ta có thể đánh số các đầu nối dây để từ đó thiết kế đ ợc mạch lắp ráp Để không bị nhầm lẩn trong lắp ráp ta sẽ đánh số từ 1 trở đi cho các đầu nối vào (nh tín hiệu từ cân,từ các nút ấn ,từ các cảm biến vị trí ) Đánh số từ 50 trở đi cho các phần tử logic AND,OR,NOT,Rơ le.Đánh số từ 100 trở đi cho các đầu nối của thiết bị phân phối Đánh số từ 400 trở đi cho các thiết bị chấp hành là các pittông

Nh vậy việc đánh số đó sẽ phân đợc thành các vùng là vùng đầu nối vào ,vùng các thiết bị điều khiển ,vùng cho các van phân phối và vùng cho các thiết bị chấp hành.Thứ tự của các vùng đợc thể hiện trên bảng lắp ráp

Từ bảng bố trí trí thiết bị và sơ đồ nguyên lý ta sẽ lập đợc bảng đấu dây