Thiết kế và chế tạo máy đóng gói cà phê tự động

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MÁY ĐÓNG GÓI CÀ PHÊ 2.1 Các phương án thiết kế máy 2.1.1 Phương án 1: Máy đóng gói hoạt động theo nhịp Ở phương án này máy hoạt động theo nhịp sản xuất được tạo bở

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

MSSV: 101140075 SVTH2: NGUYỄN VĂN VƯƠNG

MSSV : 101140129 LỚP : 14C1B

Đà Nẵng, 2019

Năm học 2019 - 2020

LỜI NÓI ĐẦU VÀ LỜI CẢM ƠN

Góp phần không nhỏ vào kết quả tốt đẹp của Đồ Án Tốt Nghiệp là nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng nói chung, các thầy cô trong khoa Cơ Khí nói riêng đã dạy dỗ cho chúng

em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành trong suốt 5 năm học vừa qua, giúp chúng em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ chúng

em trong suốt quá trình học tập

Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Th.S Châu Mạnh Lực, giảng viên khoa Cơ khí Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng là người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình làm Đồ Án Tốt Nghiệp

Chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp

đỡ, động viên chúng em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành Đồ Án Tốt Nghiệp Cuối cùng chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các giáo viên Hội đồng bảo vệ và ủy viên Hội đồng đã cho chúng em những lời nhận xét quý giá

Đà Nẵng, ngày 25 tháng 05 năm 2017

Nhóm sinh viên

Lê Thành Đạt Nguyễn Văn Vương

CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong đồ án này là trung thực và chưa

hề được sử dụng để bảo vệ trong một đồ án tốt nghiệp nào Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện

đồ án này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong đồ án đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố

Đà Nẵng, ngày 25 tháng 05 năm 2017

Nhóm sinh viên

Lê Thành Đạt Nguyễn Văn Vương

MỞ ĐẦU

1 Mục đích của đề tài

Sử dụng tất cả các kiến thức đã biết, đã được học tại trường cũng như các kiến thức bản thân

tự tích lũy được, áp dụng vào thực tế thực hiện chế tạo sản phẩm đồ án tốt nghiệp Hơn nữa, nhóm muốn thực hiện được một sản phẩm thực tế với đời sống xã hội, một sản phẩm có ích,

phục vụ cho đời sống con người Nhóm đã quyết định “Thiết kế máy đóng gói cà phê tự động”

2 Mục tiêu của đề tài

Chế tạo thành công máy, đưa vào thử nghiệm, sản xuất được sản phẩm như mong muốn Từ

đó, phát triển và tối ưu hóa các thiết kế để đưa vào sản suất thực tế, đưa vào sử dùng trong

hộ gia đình

Tìm hiểu và kết hợp với các loại máy khác để tạo ra được các sản phẩm đa dạng và thực tế hơn nữa

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

− Phạm vi: các kiến thức từ thực tế, sách vở và internet

− Đối tượng nghiên cứu:

+ Các sản phẩm tương tự ngoài thực tế

+ Phần mềm và lập trình điều khiển

+ Các chi tiết cơ khí

+ Phương pháp tính toán và chế tạo chi tiết

4 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các sản phẩm tương tự đã được thiết kế Sau đó, tham khảo những ưu điểm, cải tiến các nhược điểm của các sản phẩm trên để áp dụng chế tạo được một sản phẩm tối ưu nhất

sự phát triển của các nghành công nghiệp, tạo ra một sản phẩm có chất lượng cao, giá thành

hạ, giảm bớt sức lao động cho con người, đặc biệt ở những nơi có môi trường độc hại như sản xuất giầy ra, hoá chất, kéo sợi, dệt may… Năng xuất lao động mà nhờ thế được nâng cao, thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nói chung Việc áp dụng tự động hoá vào quá trình sản xuất là nhờ các chương trình phần mềm được cài đặt sẵn theo yêu cầu của công nghệ sản xuất Trong nhà máy, đóng gói sản phẩm là khâu cuối cùng của một dây chuyền sản xuất, ví dụ như: đóng hộp, đóng gói,….Nhìn bề ngoài có vẻ đơn giản theo cách nghĩ thông thường, nhưng thực tế nó rất phức tạp, đòi hỏi có độ chính xác cao Sự phát triển nhảy vọt của khoa học kỹ thuật đã tạo được nhiều thành tựu to lớn ứng dụng trong đời sống

xã hội Do vậy việc nâng cao năng chất lượng sản phẩm là yếu tố sống còn của doanh nghiệp hiện nay, hiệu quả của nền sản xuất phải đảm bảo 5 yếu tố:

 Tốc độ sản xuất ra một sản phẩm của thiết bị và dây chuyền phải nhanh

 Giá nhân công và vật liệu làm ra sản phẩm phải hạ

 Chất lượng cao và ít phế phẩm

 Thời gian chết của máy móc là tối thiểu

 Máy sản xuất có giá rẻ

Nếu trước đây, công nghệ đóng gói sản phẩm còn bị coi nhẹ thì ngày nay, đây là khâu rất quan trọng quyết định sự hoàn hảo của sản phẩm, công nghệ đóng gói sản phẩm không những đảm bảo sự hoàn hảo của sản phẩm mà nó cũng dẫn tới sự thành công của một nhà máy hay xí nghiệp Công nghệ đóng đóng gói sản phẩm từng bao đòi hỏi độ chính xác cao, làm sao để mỗi lượng chảy vào bao được bằng nhau và định lượng theo yêu cầu đề ra một cách chính xác nhất Kết thúc công đoạn đóng gói sản phẩm thì sản phẩm được đưa đến khâu đóng thùng và cuối cùng, đó là dán nhãn Công đoạn này đòi hỏi người lao động phải

1.2.2 Đóng gói là gì ?

Đóng gói hàng hóa là hoạt động đóng gói khi hiểu rõ đặc tính của loại hàng hóa cũng như điều kiện tự nhiên mà nó phải chịu trong quá trình vận chuyển, vừa đảm bảo cho sự an toàn của hàng hóa nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả kinh tế cao nhất Bao bì hàng hóa là một loại sản phẩm công nghiệp đặc biệt được dùng để bao gói và chứa đựng nhằm bảo vệ giá trị sử dụng của hàng hóa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc bảo quản, vận chuyển, xếp dỡ và tiêu thụ sản phẩm

1.2.3 Yêu cầu đối với bao bì đóng gói hàng hoá

 Phù hợp với loại hình vận chuyển ( tàu biển, máy bay, xe tải, hàng rời, hàng container…)

 Có kích thước phù hợp để dễ dàng trong việc lưu kho bãi, trên pallet hoặc trong container

 Đáp ứng được yêu cầu về độ bền, dẻo dai để chịu được sự va chạm, kéo, đẩy trong quá trình lưu trữ, bốc xếp và vận chuyển đường biển, đường hàng không cũng như đường bộ

 Phù hợp với việc thay đổi khí hậu, thời tiết ở các khu vực khác nhau

 Đảm bảo tính năng bảo vệ sản phẩm của bao bì để không làm sản phẩm bị biến mùi, ẩm mốc, hư hỏng

 Thể hiện rõ những yêu cầu cần lưu ý trong quá trình xếp hàng, vận chuyển, bốc xếp … trên bao bì

1.2.4 Các loại hình đóng gói

 Đóng gói đơn vị: Cách đóng gói này tương ứng với các đơn vị mua của người tiêu dùng cuối cùng Bao bì đóng gói phải phù hợp với hàng hóa, được sử dụng trong 1 thời gian dài

và có mã vạch đi kèm phục vụ cho việc thanh toán và kiểm duyệt

 Đóng gói theo nhóm: Tương ứng với đơn vị mua bởi 1 nhà bán lẻ hoặc nhà phân phối Hàng hóa thường được đóng gói vào thùng giấy, carton rồi tập hợp trên pallet

 Đóng gói theo nhóm: Toàn bộ kiện hàng trên pallet sẽ được gắn thẻ SSCC (Serial Shipping Container Code – số seri hàng hóa vận chuyển bằng container) để xác định số lượng thùng/hộp carton của toàn bộ lô hàng, hạn sử dụng và số của lô hàng

 Đóng gói hàng trong kho: Các sản phẩm được lưu trữ trên hệ thống kệ/giá đỡ Kích thước bao bì phải phù hợp với kích thước của từng vị trí Bao bì sản phẩm quá khổ sẽ được đặt ở dưới cùng hoặc trên cùng của giá đỡ Kho đóng gói phải được mở hoặc đóng cửa thường xuyên; tránh độ ẩm mốc, côn trùng và các yếu tố ô nhiễm từ bên ngoài

 Đóng gói bao bì vận chuyển: Được xác định dựa trên tuyến đường vận chuyển thời gian vận tải, các phương tiện xếp dỡ, nâng hạ hàng hóa, khí hậu và môi trường của khu vực có liên quan Việc đóng gói bao bì vận chuyển tuân theo các chỉ tiêu bao bì quốc tế – đặc biệt

là ISO, Uỷ ban kĩ thuật 122 và WPO (World Packaging Organization – Tổ chức bao bì thế giới )

1.2.5 Giới thiệu các sản phẩm đóng gói hiện tại và các loại máy đóng gói hiện có trên thị trường

 Các loại máy đóng gói trên thị trường

DUT-LRCCHình 1.5 : Máy đóng gói cà phê

Hình 1.6 : Máy đóng gói bột ngũ cốc

DUT-LRCCHình 1.7: Máy đóng gói xi măng

Hình 1.8: Máy đóng sữa bột

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MÁY ĐÓNG GÓI CÀ PHÊ

2.1 Các phương án thiết kế máy

2.1.1 Phương án 1: Máy đóng gói hoạt động theo nhịp

Ở phương án này máy hoạt động theo nhịp sản xuất được tạo bởi ly hợp hay cơ cấu Man Vì làm việc theo nhịp, lực căng của bao của cuộn bao gói sẽ thay đổi liên tục do đó cần có cơ cấu điều hòa lực căng để máy hoạt động chính xác Thường áp dụng cho các cơ sở sản xuất quy mô nhỏ lẻ

Ưu điểm: Ưu điểm của dạng thiết kế này là hệ thống điều khiển đơn giản, mỗi khi cảm biến

quang phát hiện thấy vạch định vị thì bộ phận điều khiển sẽ phát lệnh cấp liệu và kẹp, do đó

không cần hệ thống bù vi sai hoạt động chính xác hơn

Nhược điểm: Nhược điểm lớn nhất của loại này là năng suất không cao do có khoảng thời

gian chờ giữa các động tác của các cơ cấu do ảnh hưởng của quán tính

Hình 2.1: Máy đóng gói bao bì hoạt động theo nhịp

2.1.2 Phương án 2: Máy đóng gói hoạt động liên tục

Quy trình đóng gói diễn ra liên tục Đây là phương án dùng phổ biến do có năng suất cao,thường được dùng trong các dây chuyền công nghiệp, có quy mô lớn

Ưu điểm: Cho năng suất cao, hệ thống hoạt động chính xác hơn

Nhược điểm: Nhược điểm của loại hệ thống này là các cơ cấu và hệ thống điều khiển phức

tạp, luôn xuất hiện sai số ở vị trí cắt giữa các gói, sai số này xuất hiện do nhiều nguyên nhân, trong đó nguyên nhân chủ yếu là sai số hệ thông của máy và sai số ngẫu nhiên ở khoảng cách của hai vạch liên tiếp trên bao ( do sư biến dạng nhiệt hoặc do in sai vị trí ) Do đó hệ thống này đòi hỏi phải có cơ cấu bù trừ sai số này, cơ cấu này phải hoạt động liên tục làm cho sai

số dao động trong một phạm vi cho phép Ngoài ra còn có thể bù sai số này bằng giải thuật điều khiển

Hình 2.2: Máy đóng gói hoạt động liên tục

 Qua phân tích trên, chúng tôi nhận thấy phương án 1 là phù hợp đối với mục đích thiết

kế của chúng tôi đó là thiết kế máy đóng gói cà phê cho các cơ sở sản xuất quy mô nhỏ lẻ,

cũng như phù hợp với điều kiện và khả năng của mình, nên chúng tôi chọn phương án 1

2.2 Nguyên lý hoạt động của máy

+ Sơ đồ nguyên lý:

các con lăn kéo màng bao, bố trí 2 thanh kẹp nhiệt để kẹp dọc tạo hình ống cho bao, phía dưới các con lăn bố trí 2 thanh kẹp nhiệt để kẹp ngang đóng thành sản phẩm, các thanh kẹp được gắn trên các xilanh khí nén

Hoạt động : Ban đầu xilanh kẹp dọc sẽ hoạt động để ép 2 thành bên của màng bao lại với nhau tạo hình ống cho bao, sau đó trở về vị trí ban đầu Tiếp theo động cơ kéo các con lăn đưa màng bao xuống, khi đạt kích thước yêu cầu thì dừng lại Sau đó xilanh kẹp ngang sẽ hoạt động để tạo đáy cho màng , tiếp theo xilanh cấp liệu hoạt động đưa cà phê vào phễu chứa liệu rồi trở về vị trí ban đầu, sau đó xilanh kẹp dọc tiếp tục hoạt động để tạo hình cho bao tiếp theo, rồi các con lăn lại kéo màng bao xuống , cuối cùng xilanh kẹp ngang hoạt động để kẹp tạo thành sản phẩm hoàn chỉnh, chu trình tiếp tục lặp lại

+ Bộ phận căng màng bao gồm các thanh lăn tạo độ căng cho màng bao và một thanh trượt nằm giữa hai cảm biến, thông qua khoảng dịch chuyển của thanh trượt mà các cảm biến điều chỉnh đóng ngắt động cơ cấp màng bao nhằm tạo lực căng cho màng bao

Hình 2.4: Cơ cấu căn màng bao

+ Bô phận tạo hình được gắn liền với phễu cấp phôi liệu, gồm một rãnh trượt hình cung để tạo hình ban đầu cho màng bao trước khi kẹp định hình

+ Bộ phận con lăn kéo màng bao : Gồm 2 cặp con lăn nằm thẳng hàng theo chiều dọc máy, cách nhau khoảng 250mm Các cặp con lăn được nối với nhau bằng bộ truyền xích, các con lăn ăn khớp với nhau bằng bánh răng

Hình 2.6: Con lăn kéo màng bao

 Cơ cấu kẹp và gia nhiệt cho màng bao : gồm 4 xilanh mang điện trở nhiệt, 2 xilanh hàn

mí dọc của màng bao và 2 xilanh hàn mí ngang của màng bao tạo thành bao hoàn chỉnh

Hình 2.7: Xilanh mang kẹp ngang và kẹp dọc

 Cơ cấu định lượng: gồm một máng chứa liệu (cà phê) hình phễu gắn liền một con trượt, trên con trượt có rãnh chứa cà phê, đó là lượng cà phê cần đóng gói Con trượt được gắn với xilanh khí nén, trượt trên rãnh trượt, ở cuối rãnh trượt có bố trí lỗ thông với phếu cấp liệu Thông qua chuyển động tiến và lùi của xilanh, cấp liệu cho phễu Đường kính miệng lớn phễu khoảng 200 mm,đường kính miệng nhỏ (tiếp xúc với rãnh trên con trượt ) khoảng 34 mm, con trượt có chiều 350 mm, chiều cao 45 mm

Hình 2.8: Máng chứa liệu và cơ cấu định lượng

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY 3.1 Tính động học máy

+ Chọn năng suất sơ bộ của máy: Nsb = 10 gói /phút

+ Khối lương tịnh: 17g/ gói

+ Chiều dài 1 gói: L = 140 mm

+ Động cơ đươc sử dụng kéo trục con lăn là động cơ 24V DC, là động cơ có gắn hộp giảm tốc, chọn sơ bộ số vòng quay của động cơ là n = 40 vòng/phút Do yêu cầu cần có thời gian hoạt động theo chu kỳ khi vận hành và nên động cơ được điều chỉnh đóng ngắt thời gian hoạt động bằng bộ khả lập trình PLC

+ Chọn bộ truyền cho cơ cấu kéo con các con lăn là bộ truyền xích vì so với truyền động đai, truyền động xích làm việc không có sự trượt, do đó tỉ số truyền không đổi, hiệu suất cao (0,96 – 0,98), kích thướt bộ truyền nhỏ gọn hơn, lực tác dụng lên trục nhỏ hơn vì không cần lực căng ban đầu

 Tính toán sơ bộ đường kính con lăn kéo màng bao:

Chọn đường kính con cuốn d = 50 mm

Suy ra thời gian động cơ được chiều dài một bao là : t = 0.02 phút = 1,35s

Chọn thời gian gia nhiệt để dán bao : Xilanh gia nhiệt dọc : t1 = 2s

Xilanh gia nhiệt ngang : t2 = 2s

Xilanh cấp liệu: t3 = 1,5s

Thời gian chuyển tiếp giữa 2 bao : t4= 0,5s

Suy ra tổng thời gia để hoàn thành một bao hoàn chỉnh:

T = t + t1 +t2 +t3 +t4 = 1,35 + 2 + 2 +1,5 + 0,5 = 7,35 Vậy năng suất tính toán của máy trong 1 phút là

N = 60 / 7,35 = 8,1 gói/phút

Vận tốc dài của bao là : v = 8.1 x 0,14 = 1,13 m/ph ≈ 0,02 m/s

Vận tốc quay nhỏ nhất của cuộn bao (ứng với đường kính lớn nhất là dc = 200 mm):

3.2.1 Các chuyển động chính của máy

 Chuyển động quay của cuộn cấp màng bao

 Chuyển động quay của các con lăn

 Chuyển động tịnh tiến của các xilanh mang bộ phận gia nhiệt

 Chuyển động quay cấp liệu của vít xoắn

3.2.2 Các lực tạo ra tải trọng trong quá trình vận hành máy

 Lực ma sát tại các ổ lăn: trục đỡ cuộn bao, các trục căn bao, hai cặp ổ lăn của

cặp con lăn kéo màng bao

 Trọng lượng của một trục căn màng bao

 Lực ma sát giữa các con lăn kéo màng bao với màng bao

 Lực ma sát sinh ra giữa phễu cấp liệu với màng bao

 Trọng lượng của bao cà phê chưa cắt

 Hao phí trên các bộ truyền xích

 Hao phí trên hộp giảm tốc

Ở đây ta có 20 cặp ổ lăn như vậy lực kéo sẽ tăng them là : 1/0,9920 = 1,22 lần

b Trọng lượng của một trục căng màng bao bằng trọng lượng

Khi máy khởi động , động cơ cần sinh lực kéo đủ lớn để thắng được trọng lượng của thanh căn màng bao

Chon trọng lượng của trục điều hòa lực căn mang bao: Q = 10 N

Kích thước trục như sau :

c Lực ma sát giữa phễu cấp liệu và màng bao

Trước khi đi kéo màng bao qua phễu, động cơ cần lực kéo màng bao đi qua các trục căng màng bao Ta có tất cả 5 trục căng màng bao nên có 10 cặp ổ lăn

F1 = Q/ (0,995) = 10 / 0,995 = 10,51 N

Lực ma sát tại phễu cấp liệu :

Fms1 = F1 x K x cos 60o = 10,51 x 0,4 x cos 60o = 2,102 N Với K = 0,4 là hệ số ma sát giữa inox và màng bao

Như vậy lực kéo cần có sau khi màng bao đi qua phễu cấp liệu là :

F2 = F1 + Fms1 = 10,51 + 2,102 = 12,512 N

d Lực ma sát giữa con lăn kéo mang bao với màng bao

Lực ma sát sinh ra tại các con lăn kéo màng bao :

Fms2 = Fms1 + F1 x K x cos 0o = 2,102 + 10,5 x 0,4 x 1 = 6,122 N Lực kéo cần có của động cơ sau khi đi qua các cơ cấu:

F3 = F2 + Fms2 = 12,512 + 6,122 = 18,634 N Vậy lực kéo của động cơ sau khi trừ đi hao phí trên 2 cặp ổ lăn trên trục mang con lăn kéo lăn kéo màng bao là :

F4 = F3/nol4 = 18,634/0,994 = 19,398 N

e Trọng lượng của bao cà phê chưa cắt

Trọng lượng này cùng chiều với lực kéo của động cơ, do đó nó có tác dụng giảm tải trọng nhưng lại biến đổi theo chu kỳ ( khi có khi không ), nên ta không tính đến khi tính tải trọng

f Hao phí trên bộ truyền xích

Chọn hiệu suất của bộ truyền xích: nx = 0,96

Lực kéo cần có của động cơ sau bộ truyền xích là :

F5 = F4/nx =19,398/ 0,96 = 20,21 N

g Hao phí trên hộp giảm tốc

Ta chọn động cơ tích hợp hộp giảm tốc hai cấp, như vậy tổn thất trên hộp giảm tốc bao gồm tổn thức trên hai bộ truyền bánh răng ( hiệu suất banh răng nbr = 0,97) và tổn thức trên hai cặp

ổ lăn ( hiệu suất ổ lăn nol = 0,99 )

Từ các lực trên suy ra công trên trục công tác ( trục kéo con lăn màng bao):

Plv = F5 x v/1000 = 20,21 x 0,132/1000 = 0,003 kW Với: Plv : Công suất làm việc

v : vì thời gian mở máy đồi với động cơ có công suất nhỏ là rất nhanh nên chọn v= 0,132 m/s

Công suất trên trục ra của hộp giảm tốc:

P1 = Plv/nx =0,003/0,96 =0,00313 kW Công suất trên trục động cơ :

P2 = P1/(nol2 x nbr2) = 0,0035 kW Với công suất trên ta chọn động cơ

3.3 Lựa chọn các phần tử sử dụng trong máy

 Chọn động cơ kéo các con lăn

Động cơ kéo con lăn với các thông số sau:

+ Động cơ điện sử dụng điện áp một chiều 24V

+ Có gắn hộp giảm tốc

+ Đường kính trục : 6 mm

 Chọn con lăn kéo màng bao, trục mang con lăn và các thanh lăn căn màng bao

+ Con lăn kéo màng bao: Có dạng hình trụ tròn, số lượng 4 con, với đường kính 50 mm, chiều dài 50 mm

+ Chọn trục mang con lăn: Có đường kính D= 20 mm, chiều dài trục : L= 200 mm

+ Chọn các thanh lăn căn màng bao : Chiều dài L= 400 mm, đường kính D = 15 mm

+ Độ rộng trong con lăn: W = 3,175 mm

+ Đường kính con lăn: D = 3.302 mm

+ Đường kính trục trong con lăn: d = 2,286 mm

+ Dài trục trong con lăn: L1 = 8,636 mm

+ Dài trục trong khóa xích: L2 = 9,398 mm

+ Độ dày má xích: T = 0,762 mm

+ Khoảng cách tâm hai dãy xích kép: C = 0.125mm

Chọn số răng sơ bộ của đĩa xích dẫn: Z1 = 25 , do tỷ số truyền i = 1 ,suy ra số răng trên đĩa xích bị dẫn là Z2 = i.Z1 = 25 < Zmax =120

Các hệ số điều kiện sử dụng xích: K = KoKaKdcKbKrKlv

Trong đó: Ko = 1.25 – Hệ số xét đến ảnh hưởng của vị trí bộ truyền

P F

v

   N Chọn khoảng cách trục sơ bộ: a = (30÷50) Pc, chọn a = 100 mm

a X

Động cơ điều chỉnh cấp màng bao có hộp giảm tốc, hoạt động ở điện áp một chiều 24VDC

4.1.2 Các phương pháp điều khiển

Với các cơ cấu và động cơ truyền động như trên ta có thể sự dụng một trong các phương pháp điều khiển sau:

+ Điều khiển bằng khí nén

+ Điều khiển bằng vi điều khiển

+ Điều khiển bằng khí nén kết hợp với bộ khả lập trình PLC

4.1.3 Phân tích lựa chọn phương án điều khiển

a) Điều khiển bằng điện khí nén

 Thực hiện khó khăn khi cần điều khiển nhiều phần tử

 Thay thế chu trình hoạt động tốn nhiều thời gian

 Hệ thống lắp ráp phức tạp, rườm rà

 Khó sửa chữa

b) Điều khiển bằng vi điều khiển

− Ưu điểm

 Chi phí tương đối thấp

 Tiêu thụ điện năng thấp

 Tiết kiệm không gian

− Nhược điểm

 Mỗi lần muốn thay đổi chương trình phải lắp đặt lại toàn bộ

 Tốn khá nhiều thời gian cho việc thiết kế lắp đặt

 Quy trình lập trình phức tạp

 Độ độ bền và tin cậy không cao

c) Điều khiển bằng khí nén kết hợp với PLC

− Ưu điểm

 Công suất tiêu thụ ít

 Thời gian lắp đặt nhanh hơn

 Tiết kiệm không gian

 Dễ dàng thay đổi chương trình

 Bảo trì và sửa chữa dễ dàng

 Độ bền và tin cậy vận hành cao

 Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng, ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng

 Dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của nó

 Thích ứng trong môi trường khắc nghiệt như môi trường ẩm ướt như ở nước ta, môi trường

có nhiệt độ thay đổi, điện áp dao động, tiếng ồn, oxi hóa

 Chuẩn bị hoạt động nhanh

 Chuẩn hóa được phần cứng điều khiển

Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (programmable controller) đã được những nhà thiết

kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Motor - Mỹ) Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập

cổ điển Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là: dạng lập trình dùng giản đồ hình thang (The diagroom format) Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hổ trợ (arithmetic), “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (data manipulation) Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn

Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975cho đến nay đã làm cho

hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệ thống ngõ vào/ra có thể tăng lên đến 8.000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128.000 từ

bộ nhớ (word of memory) Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp số lượng cổng ra/vào lớn

Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam… ngoài

ra các nhà thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển “thông minh” (intelligence) còn gọi là các siêu PLC (super PLCS) cho tương lai

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một

+ Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản, sửa chữa

+ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

+ Hoàn toàn tin cậy trog môi trường công nghiệp

+ Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các module mở rộng

+ Giá cả cá thể cạnh tranh được

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiể̉̉̉n dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dể dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay Relay

Bảng 4.1: Những ưu – nhược điểm kỹ thuật của các bộ điều khiển:

Chỉ tiêu so sánh Role Mạch số Máy tính PLC

Mất thời gian để thiết

kế

Lập trình phức tạp và tốn thời gian

Lập trình và lắp đặt đơn giản

Theo bảng so sánh ta nhận thấy được bộ điều khiển lập trình PLC với những ưu điểm về phần cứng và phần mềm có thể đáp ứng được hầu hết các yêu cầu chỉ tiêu trên Mặt khác, PLC có khả năng kết nối mạng và kết nối các thiết bị ngoại vi rất cao giúp cho việc điều khiển được dễ dàng

4.2.2 Cấu trúc của PLC

Tất cả các PLC đều có thành phần chính là :

+ Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong ( có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM )

+ Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC

+ Các Module vào /ra

Hình 4.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lập trình là đơn vị xách tay , RAM thường là

loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẳn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hổ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458, …

Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm ba phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp

Hình 4.2: Sơ đồ khối tổng quát của CPU

a) Đơn xị xử lý trung tâm

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi Và toàn

bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ

b) Hệ thống bus

Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:

− Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Module khác nhau

− Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu

− Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC

Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các module vào ra thông qua Data Bus Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của 1

byte một cách đồng thời hay song song Nếu một module đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ chuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, module đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data bus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC.Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế

Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 18 MHZ Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống

c) Bộ nhớ

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp:

− Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O

− Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ

Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý Bộ

vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đấu ra, quá trình này được gọi là quá trình đọc

Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bỡi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng chứa 2000 ÷ 16000 dòng lệnh, tùy theo loại vi mạch Trong PLC các bộ nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng

RAM (Random Access Memory) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ nội dung bất kỳ lúc nào Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được Nội dung của EPROM không

bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵn trong máy, đã được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều

Kích thước bộ nhớ:

− Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 ÷1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo

− Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K ÷ 16K, có khả năng chứa từ 2000 ÷16000 dòng lệnh

Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM , EPROM

d) Các ngõ vào ra I/O

Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối với các module vào (các đầu vào của PLC), các cơ cấu chấp hành được nối với các module ra (các đầu ra của PLC)

Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12/24VDC hoặc 100/240VAC

Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I/O được cung cấp bỡi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên

− Thực hiện chương trình: bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong chương trình Trong ghi đọc và xử lý các lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầu vào, thực hiện các phép toán logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạng thái của các đầu ra

− Xử lý những yêu cầu truyền thông: suốt thời gian CPU xử lý thông tin trong chu trình quét PLC xử lý tất cả thông tin nhận được từ cổng truyền thông hay các module mở rộng

− Thực hiện tự kiểm tra: trong 1 chu kỳ quét, PLC kiểm tra hoạt động của CPU và trạng thái của modul mở rộng

− Xuất tín hiệu ngõ ra: bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các module đầu ra

− Lưu ảnh quá trình xuất nhập

Hầu hết các PLC loại lơn có thể có vài trăm I/O, vì thế CPU chỉ có thể xử lý một lệnh ở một thời điểm Trong suốt quá trình thực thi, trạng thái mỗi ngõ nhập phải được xét đến riêng

lẻ nhằm dò tìm các tác động của nó trong chương trình Do chúng ta yêu cầu relay 3ms cho mỗi ngõ vào, nên tổng thời gian cho hệ thống lấy mẫu liên tục, gọi là chu kỳ quét hay thời gian quét, trở nên rất dài và tăng theo số ngõ vào

Để làm tăng tốc độ thực thi chương trình, các ngõ I/O được cập nhật tới một vùng đặc biệt trong chương trình Ở đây, vùng RAM đặc biệt này được dùng như một bộ đệm lưu trạng thái