Thiết kế, xây dựng mô hình cơ khí và hệ thống điện của hệ thống máy chiết rót đóng nắp chai

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hệ thống điều khiển PLC 2.1.1 Khái niệm và nguyên lý Hệ thống điều khiển là một tập hợp những dụng cụ, thiết bị điện tử… được kết nốivới nhau thành một hệ thống cho p

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Thiết kế, xây dựng mô hình cơ khí và hệ thống điện

của hệ thống máy chiết rót đóng nắp chai

dán nhãn chai tự động

I

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu đề tài

Hiện nay, nước uống đóng chai đóng vai trò rất quan trọng trong các hoạt độngthường ngày của con người Với như cầu sản lượng lớn thì công việc sản xuất chiếtrót, đóng nắp và dán nhãn bằng tay là không hiệu quả Do đó, việc tự động hóa trongquá trình sản xuất nước đóng chai mang một ý nghĩa hết sức to lớn Sự tự động hóatrong sản suất làm tăng năng suất, giảm giá thành và đặc biệt là nâng cáo chất lượngsản phẩm cũng như bảo quản Trong đồ án này chỉ tiến hành thiết kế một mô hình nhỏ

mô tả quá trình hình thành 1 chai nước hoàn chỉnh gồm các khâu chiết rót, đóng nắp

và dán nhãn tự động Dây chuyền sẽ hoạt động tự động dưới sự điểu khiển vận hành

và giám sát của con người

 Phần mền lập trình TIA Portal, SCADA, AutuCad

 Cảm biến vật cản hồng ngoại, cảm biến khe, động cơ giảm tốc

 Van điện từ, Relay và các linh kiện điện công nghiệp (tủ điện )

 Thiết kế và thi công mô hình

1.4 Phạm vi nghiên cứu

 Tìm hiểu cấu tạo của PLC S7-1200

- Ngõ vào, ra (Input, Output)

- Các cổng truyền thông

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 2/37

- Phạm vi ứng dụng

 Tìm hiểu phần mềm lập trình TIA Portal V14, SCADA, Autocad

 Tìm hiểu các khi cụ cơ khí như hàn tíc, máy cắt, máy tiện…

1.5 Dự kiến kết quả

Sau khi hoàn thành mô hình Sẽ có hai băng chuyền Một để đưa các chai vào đúng

vị trí trên mâm quay và vị trí dán nhãn Để nhận biết chai đứng vị trí ta sử dụng cáccảm biến vật cản hồng ngoại và cảm biến kim loại

- Bước 1: Khi chai rỗng được băng tải đưa vào vị trí chiết rót Tại đó, vanđiện từ sử dụng điện 220VAC thực hiện chức năng đóng mở sau khi nhận tínhiệu điều khiển từ PLC

- Bước 2: Sau khi chai được rót nước mâm quay sẽ đưa chai đên vị trí cấp nắpđồng thời thực hiện bước 1

- Bước 3: Sau khi chai được chiết rót xong Mâm quay sẽ đưa chai đã đượccấp nắp vào vị trí vặn và đồng thời thực hiện bước 1,2

- Bước 4: Sau khi chai được chiết rót xong Mâm quay đưa chai đã được vặnnắp về băng chuyền còn lại để qua phần dán nhãn và đồng thời thực hiệnbước 1,2,3

- Bước 5: Cảm biến vật cản hồng ngoại xác định vị trí chai và cho dừng băngchuyền để tiến hành dán nhãn

Quá trình được chạy tự động và liên tục cho đến khi nhấn Stop trên rủ điện hoặctrên màn hình giám Hệ thống có 2 chế độ điều khiển là từ xa và tại chỗ Từ xa sửdụng phần mền giám sát và điều khiển SCADA Tại chỗ sẽ có các nút được gắn tại tủđiện

 Hiểu nguyên lý, cách vận hành của dây chuyền chiết rót, đóng năp và dán nhãn

tự động

 Thiết kế hệ thống cơ khí, hệ thống điện của mô hình

 Nắm vững kiến thức cơ bản về PLC S7-1200 của hãng Simen và các thiết bị kếtnối liên quan

 Viết chương trình điều khiển giám sát chạy ổn định.

 Thực hiện điều khiển giám sát thông qua giao diện HMI Win CC

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Hệ thống điều khiển (PLC)

2.1.1 Khái niệm và nguyên lý

Hệ thống điều khiển là một tập hợp những dụng cụ, thiết bị điện tử… được kết nốivới nhau thành một hệ thống cho phép ta điều khiển chính xác sự chuyển đổi nhịpnhàng của một quy trình hoặc hoạt động sản xuất

PLC (Programmable Logic Controllẻ) là một hệ thống điều khiển tự động hóa hoàntoàn, được sử dụng kết hợp với máy tính chủ hoặc bẳng điều khiển hay động cơ… Làmột thiết bị điện phức tạp, có nhiều loại di nhiều hãng sản xuất nhằm đáp ứng nhu cầucủa nền sản xuất hiện đại Trong một hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hiện đại có

sử dụng bộ điều khiển PLC, thì thiết bị này được coi là trung tâm, là bộ não của hệthống PLC nhận về trạng thái của hệ thống và điều khiển các bộ truyền động theo mộttrình tự xác đinhn trong danh sách lệnh, nhận các yêu cầu của đầu vào, điều khiển cácyêu cầu đầu ra theo thứ tự lệnh yêu cầu của bộ xử lý Danh sách lệnh là do người lậptrình và được lưu trữ trong bộ nhớ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 4/37

Hình 2-1: Một hệ thống tự động sử dụng PLC

Sự thông minh của hệ thống tự động hóa phụ thuộc vào khả năng đọc các tín hiệu

từ cảm biến Hình thức giao diện của PLC và các thiết bị nhập là: Nút nhất, công tắttrạng thái, công tắc giới hạn, cảm biến Các dạng tín hiệu nhập đến PLC phải là trạngthái Logic ON/OFF hoặc tín hiệu Analog Nhứng tín hiệu ngõ vào này được giao tiếpvới PLC thông qua các modun nhập

Tín hiệu ngõ ra Output có thể điều khiển: Động cơ, nam châm, cuộn dây, relay…Thông qua hoạt động của động cơ, relay PLC có thế điều khiển một hệ thống từ đơngiản đến phức tạp

2.1.2 Các bước thiết kế một hệ thống điều khiển dùng PLC

 Xác định quy trình công nghệ

Trước tiên ta phải xác định thiết bị hay hệ thống nào muốn điều khiển Mục đíchcuối của bộ điều khiển là điều khiển một hệ thống hoạt động theo ý muốn và đúng quytrình Sự vận hành của hệ thống được kiểm tra bởi các thiết bị đầu vào Nó nhận tínhiệu và gửi tín hiệu đến CPU, CPU xử lý tín hiệu và gửi kết quả đến thiết bị xuất đểđiều khiển sự hoạt động của hệ thống như lập trình sẵn trong chương trình

 Xác định ngõ vào ngõ ra

Tất cả các thiết bị xuất, nhập bên ngoài đều được kết nối với bộ điều khiển Thiết

bị nhập là những cảm biến, contact Thiết bị xuất là những cuộn dây, valve điện từ,motor Sau khi xác định tất cả các thiết bị xuất, nhập cần thiết ta định vị các thiết bịvào, ra tương ứng cho các ngõ vào, ra trên PLC trước khi viết chương trình

 Viết chương trình điều khiển

Khi viết chương trình dạng ladder phải theo sự hoạt động tuần tự từng bước của hệthống

 Nạp chương trình vào bộ nhớ

Sau khi viết chương trình điều khiển ta có thể cấp nguồn cho bộ điều khiển có lậptrình thông qua các cổng I/O Sau đó nạp chương trình vào bộ nhớ thông qua phầnmềm lập trình

2.1.3 Ứng dụng hệ thống điều khiển PLC

Hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong côngnghiệp như:

- Giám sát quy tiình trong nhà máy thủy, nhiệt điện

- Dây chuyền đóng gói

- Dây chuyền sản xuất bia rượu

- Dây chuyền chiết rót và nhãn nhãn chai

- Hệ thống bơm nước sinh hoạt, xử lý chất thải

- Quản lý bãi giữ xe tự động

- Điều khiển thang máy

- Dây chuyền công nghệ chế biến thực phẩm, may mặc

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 6/37

Ngoài ra PLC còn được ứng dụng giám sát quá trình trong các nhà máy cán tôn.Cán thép, dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử trong các nhà máy, robot, dây chuyềnkiểm tra chất lượng sản phẩm… bằng các công tắc hành trình hoặc các sensor và nhấtnhiều các ứng dụng nữa

 Bộ nhớ (Memory)

Có nhiều loại bộ nhơ khác nhau Đây là nơi lưu giữ trạng thái hoạt động của

hệ thống và bộ nhớ của người xử dụng Để đảm bảo PLC hoạt động, phải cần

có bộ nhơ để lưu trữ chương trình Có thể mở rộng thêm bộ nhớ nhằm thực hiệncác chương trình lớn như:

- Vùng đệm tạm thời, lưu trữ trạng thái của các kênh xuất/nhập được gọi làRAM xuất/nhập

- Lưu trữ tạm thời các chức năng bên trong: Timer Counter,Relay…

- Bộ nhớ gồm có những loại sau:

+Bộ nhớ chỉ đọc (ROM: Read Only Memory ): không phải là một bộ nhớkhả biến, nó có thể lập trình cho 1 lần Do đó không thích hợp cho việc điềukhiển “mền” của PLC ROM ít phổ biến so với các loại bộ nhớ khác

+ Bộ nhớ ghi đọc (RAM: Random Access Memory): là bộ nhớ thường đượcdùng để lưu dữ liệu và chương trình của người sử dụng Dữ liệu trong RAM sẽmất nếu nguồn điện bị mất Tuy nhiên vấn đề này được giải quyết bằng cáchgắn thêm vào RAM một nguồn điện dự phòng

Ngày nay, trong kỹ thuật PLC Người ta sử dụng CMOSRAM nhờ sựtiêu tốn năng lượng khá thấp và cung cấp nguồn oin dự phòng cho các RAMnày

+ Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xóa được bằng điện (EEPROM: ElectricErasable Programmable Only Memory): EEPROM kết hợp khả năng truy linhđộng của RAM và tính khả biến của EPROM, trên nội dung EEPROM có thể bịxóa và lập trình bằng điện, tuy nhiên chỉ giới hạn trong một số lần nhất định

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc trạng thái của các thiết bị ngoại vi thôngqua ngỗ vào, sau đó thực hiện các chương trình trông bộ nhớ như: một bộ đếm sẽ nhậnlệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh để thi hành Chương trình được viết

ở dạng STL (Statemen List – dạng liệt kê) hay LADDER (dạng hình thang) sẽ đượcdịch sang ngôn ngữ máy Sau khi thực hiện xong chương trình, sau đó là truyền thôngnội bộ và kiểm soát lỗi Sau đó CPU thực hiện gửi tín hiệu tới các thiết bị được điềukhiển thông qua các Modun xuất

Một vong quét xảy ra với thời gian rất ngắn, một vòng quét (Single scan) có thờigian thực hiện một vòng quét từ 1ms đến 100ms Việc thực hiệu một chu kỳ quét dàihay ngắn còn phụ thuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC

và các thiết bị ngoại vi

Đọc tín hiệu ở ngõ vào

Truyền thông và tự kiểm

tra lỗi

Chu kỳ quétScanning

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 10/37

Hình 2-4: Hình ảnh thực tế động cơ DC giảm tốc hộp số vuông 45 rmp

Hình 2-5: Thông số động cơ DC giảm tốc hộp số vuông 45 rmp

Màu nâu: VCC, nguồn dương 5VDC.

Màu xanh dương: GND, nguồn âm 0VDC

Màu đen: Chân tín hiệu ngõ ra cực thu hở NPN, cần phải có trở kéo để tạo thành mức cao.

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 12/37

2.1.8 Cảm biến tiệm cận kim loại

Cảm biến phát hiện kim loại tiệm cận ở khoảng cách 0>8mm, thích hợp làm công tắc tự động, xe dò line sắt, Đường kính cảm biến là 18mm

Màu đen: Ngõ ra NPN cực thu hở (cần phải có trở kéo lên VCC)

2.1.9 Cảm biến khe

là một bộ nhận tín hiệu từ tia hồng ngoại nó phát ra Nó là bộ phận dùng để hiểu kích thước cũng như chất liệu giấy Cách để

nó nhận ra kích thước giấy là khe hở bằng đế lắc-xin giữa 2 con tem (đối với chế độ “die cut label”) hoặc điểm đánh dấu (chế

độ “label with mark”)

2.1.10 Cảm biến lưu lượng

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 14/37

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

3.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Sau khi tìm hiểu về PLC và các thành phần của hệ thống gồm cảm biến cân

(loadcell), bộ khuếch đại tín hiệu, động cơ và các thiết bị liên quan khác Tôi đưa ra sơ

đồ khối của hệ thống như sau:

Hình 3.28:

Mỗi khối của nó đều đóng vai trò riêng của nó và đều quan trọng, mỗi khối như một mắt xích của hệ thống Nhưng quan trọng nhất vẫn là khối PLC điều khiển, nó như bộ não của hệ thống Việc lâp trình cho khối này cũng mất khá nhiều thời gian so với tổng số thời gian khi thực hiện đồ án này

3.1.1 Khối nguồn và tủ điện điều khiển

 Chức năng

- Điều khiển và chuyển đổi nguồn điện 220V AC sang 24V DC, cấp nguồncho PLC, các cảm biến và các động cơ giảm tốc

 Linh kiện chính sử dụng

- PLC của hang Simen: S7-1214C DC/DC/DC

- Nguồn tổ ong: 220V AC – 24V DC, 5A

- Động cơ giảm tốc: 24V DC

- Realy: Ta không thể sử dụng trực tiếp ngõ ra của PLC cho động cơ DC vàcác van điện từ vì lúc này sẽ gây sụt áp trên PLC làm cho PLC hoạt độngkhông ổn đinh nên ta phải thông qua Relay để điều khiển động cơ

- Nút nhấn: START, STOP, RESET, E-STOP

- Đèn báo nguồn

- Tủ điện 30x30x15

 Bản vẽ thiết kế

Hình 3.28:

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- Khung băng tải: INOX 201 Ø 100 mm - Ø 400 mm

- Dây băng tải: Băng tải PVC xanh (Mặt trên trơn láng – mặt dưới là lớp bốdệt), có độ dày 3mm

- Bộ truyền động: Bạc đạn, dây xích, bánh răng…

- Động cơ giảm tốc: 24V DC

 Bản vẽ thiết kế

Hình 3.28: 3.1.3 Khối chiết rót

 Chức năng

- Chứa nước

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- Cảm biến tiệm cận xác đinh kim loại: LJ12A3 (khoảng cách 4mm)

 Dây màu nâu: Nguồn 6 – 36V DC

 Dây màu xanh dương: GND

 Dây màu đen: Ngõ ra NPN cực thu hở (phải có trở kéo lên)

- Bộ truyền động: Bạc đạn, dây xích, bánh rang…

 Bản vẽ thiết kế

Hình 3.28: 3.1.5 Khối đóng nắp

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- Cảm biến: Cảm biến vật cản hồng ngoại và cảm biến khe

 Cảm biến khe: 914C-1 404 Ê-SPX5Z0 là một bộ phận tín hiệu từ tiahồng ngoại nó phát ra Là bộ phận để hiểu kích thước cũng như chấtliệu giấy Bao gồm một bên thu và một bên phát Bình thường thì đầuphát trực tiếp đến đầu thu thì Output là 0 Khi có vật cản giữ thì đầuthu không nhận được Output là 1

- Bộ truyền động: Xi lanh khí nén, bạc đạn, dây xích, bánh rang…

 Bản vẽ thiết kế

Hình 3.28:

3.2 Bản thiết kế tổng quát

Sau khi thiết kế chi tiết từng khối Tiến hành xắp xếp các khối lại với nhau sao chođảm bảo sự chính xác của các khâu và đạt được độ thẩm mĩ cao

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 3.28:

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 24/37

Hình 3.28:

 Thi công tủ điện

Hình 3.28:

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 26/37

Hình 3.28: 3.3.2 Thi công băng tải

 Bản vẽ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 28/37

Hình 3.28:

 Thi công

Hình 3.28:

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 30/37

3.3.3 Thi công khối chiết rót

Hình 3.28: 3.3.4 Thi công mâm quay

 Bản vẽ

Hình 3.28:

 Thi công

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 32/37

Hình 3.28: 3.3.5 Thi công phần dán nhãn

 Bản vẽ

Hình 3.28:

 Thi công

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 34/37

Hình 3.28:

CHƯƠNG 4 Giải thuật và điều khiển

4.1 Cơ sở lý thuyết

Trình bày sơ lược

4.2 Lưu đồ giải thuật trên PLC



4.3 Lưu đồ giải thuật trên SCADA

Hình 3.9: Hàn các ống dẫn nước trên cao

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bước 2: Chọn chế độ chạy bằng tay hay tự động trên màn điều khiển

Bước 3: Nhấn Reset trên tủ điện để mâm quay và nhãn dán về đúng vị trí cảm biến.Bước 4: Nhấn Start, dây chuyền sẽ chạy tự động hoàn toàn

Sau khi mâm quay và nhãn dán vào đúng vị trí thì băng tải bắt đầu hoạt động đưachai rỗng vào vị trí chiết rót

Sau khi chai vào vị trí chiết rót Cảm biến vật cản hồng ngoại đưa tín hiệu về PLC.PLC xuất tín hiệu mở van điện để chiết rót nước vào chai

Sau khi chai được rót đầy thì van điện được đóng lại và mâm quay đưa chai tới vịtrí cấp nắp, đồng thời băng chuyền tiếp tục đưa chai rỗng vào vị trí để tiếp tục chiếtrót

Sau khi chiết rót xong chai tiếp theo mâm quay sẽ đưa chai trước đó đã được cấpnắp vào vị trí vặn nắp Khi nén đưa bộ vặn nắp gồm động cơ và quay Trong lúc đóbăng chuyền tiếp tục đưa chai trỗng vào vị trí chiết rót là mâm quay đưa chai vừa đượcchiết rót vào vị trí cấp nắp

Sau khi chiết rót xong chai tiếp theo mâm quay đưa chai đã được văn nắp vào băngchuyền để băng chuyền đưa chai tới vị trí dán nhãn Đồng băng chuyền tiếp tục đưachai rỗng vào vị trí để tiếp tục chiết rót và mâm quay lại đưa chai tới bị trí cấp nắp vàvặn nắp

Khi chai được băng chuyền đưa đến vị trí cảm biến vật cản hồng ngoại băng tải sẽdừng lại và xi lanh đẩy kẹp chai giữu cố định và bắt đầu dán nhãn.

Dây chuyền chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai chạy tự đông và tuần hoàn khinhấn Stop sẽ dừng lại

5.3 Kết luận thực nghiệm

Kết quả thưc nghiệm đúng với dự kiến ban đầu sai lệch nhỏ không đáng kể

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 38/37

CHƯƠNG 6. Kết luận

6.1 Ưu điểm

- Hệ thống sử dụng PLC điều khiển nên công suất tiêu thụ ít

- Dễ bảo quản và sửa chữa

- Dây kết nối giảm 70-80% so với hệ thống

- Động cơ quay chính xác

- Màn hình hiển thị đúng với ý tưởng vè giao diện thiết kế

6.2 Nhược điểm

- Do chưa có kinh nghiệm nên thiếu chính xác về một số khâu, bộ phận cơ khí

- Do thực hiện đề tài với mô hình và chưa có kinh nghiệm thiết kế mô hình nêngặp nhiều khó khăn trong quá trình làm mô hình

- Hạn chế về ngõ ra nên chưa đưa ra được một số cảnh báo lỗi

- Thiết kế điều khiển dây chuyền trên Web server

- Thêm ngõ ra điều khiển, tạo thêm các cảnh báo lỗi