Cải tiến dây chuyền làm mờ chai báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên

Chính vì vậy, bài toán đặt ra là làm thế nào để cải tiến quy trình công nghệ đảm bảo việc làm mờ chai với công nghệ trong nước.. Nhiệm vụ nghiên cứu: Dự án phải giải quyết các bất cập t

dáng của mỗi thương hiệu

Hình 1: Hình chai thủy tinh trước và sau khi làm mờ

 Một trong những sản phẩm mới nhất của công ty là sản phẩm rượu mạnh với đặc trưng là chai mờ

Hình 2: Sản phẩm của công ty

 Việc nhập dây chuyền công nghệ làm mờ chai của các công ty nước ngoài đã được công ty tính đến, nhưng không mang lại hiệu quả kinh tế Chính vì vậy, bài toán đặt ra là làm thế nào để cải tiến quy trình công nghệ đảm bảo việc làm

mờ chai với công nghệ trong nước

 Qua quá trình thực tập và làm việc tại công ty, nhóm sinh viên chúng em đã tiến hành khảo sát và đề nghị cải tiến quy trình công nghệ để ứng dụng trong dây

chuyền làm mờ chai của công ty Quy trình công nghệ đã được công ty chấp thuận và cho phép đưa vào triển khai sử dụng trong nhà máy

Mục đích nghiên cứu

 Thiết kế dây chuyền tự động làm mờ chai thủy tinh

 Thi công bể chứa, hệ thống palang vận chuyển, hệ thống điện, tủ điều khiển phục vụ cho quy trình công nghệ

 Nghiên cứu giải thuật điều khiển, đảm bảo đúng quy trình Khoảng cách ngâm

và thời gian ngâm phải ổn định

 Lập trình chương trình điều khiển hệ thống làm mờ chai Giảm thiểu sức lao động công nhân, nâng cao năng suất sản phẩm

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tƣợng nghiên cứu

 Tính toán lựa chọn trục tời nâng, hạ pallet có tới 300 chai thủy tinh và động cơ

di chuyển trên cầu trục(thanh rail sắt) làm việc chế độ dài hạn

 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống

 Lập trình điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống bằng PLC

Đề tài nghiên cứu đƣợc phân làm 4 giai đoạn

 Giai đoạn 1: Khảo sát công đoạn làm mờ chai của công ty, ghi nhận những yêu cầu trong quy trình làm mờ của công ty

 Giai đoạn 2: Phân tích các đặc điểm trong quy trình làm mờ chai, xây dựng các phương án thiết kế, trình phương án thiết kế

 Giai đoạn 3: Thiết kế tủ điều khiển, xây dựng chương trình, thi công lắp đặt tủ điều khiển tại công ty

 Giai đoạn 4: Chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh các yêu cầu điều khiển theo yêu cầu của công ty

Ý nghĩa khoa học

 Nắm vững được công nghệ làm mờ chai thủy tinh

Ý nghĩa thực tiển của đề tài nghiên cứu:

 Thiết kế, thi công và chuyển giao thành công dây chuyền làm mờ chai tự động

sử dụng PLC cho công ty sản xuất rượu đóng chai

 Thi công hệ thống đảm bảo được an toàn trong lao động, tiến độ thực hiện và ứng dụng đem lại lợi nhuận cho nhà đầu tư về nhân công, chất lượng và số lượng sản phẩm

 Đáp ứng được quy trình sản xuất của nhà máy, đảm bảo vận hành ổn định

Nhiệm vụ nghiên cứu:

Dự án phải giải quyết các bất cập trong quá trình sản xuất hiện tại của công ty, tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu k thuật chuyên môn do công ty với các nội dung sau:

 Giảm được số nhân công và sức lao động của công nhân làm việc trên dây chuyền

 Tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu công nghệ chuyên môn của công ty đặt ra (Thời gian nhúng chai trong hồ phải chính xác với từng loại chai khác nhau Độ sâu khi nhúng chai vào trong các hồ chất phải tuyệt đối chính xác và dễ dàng thay đổi tùy theo thực tế sản xuất)

 Máy phải vận hành ổn định làm việc ở chế độ dài hạn với độ tin cậy về sự ổn định và chính xác cao

 Máy phải dễ thao tác, thân thiện với người điều khiển và hiển thị các thông số một cách trực quan

 Máy phải có khả năng nhớ được các bước đã thực hiện khi có sự cố mất điện

để khi có điện lại máy s tiếp tục thực hiện các công việc tiếp theo tránh việc làm h ng một m sản phẩm khi xảy ra sự cố mất điện

 Máy phải đảm bảo an toàn cho người sử dụng c ng như an toàn cho các thiết bị

 Máy phải được thiết kế với tiêu chuẩn, chất lượng tốt nhất và tính thẩm m cao

để bản thân thiết bị là một kênh quảng cáo mỗi khi có khách hàng tới tham công

ty

 Chi phí thiết kế và thi công phải là phù hợp nhất

 Từ những yêu cầu trên chúng em đã ngh tới việc lựa chọn một phương án điều khiển cho hệ thống đó là sử dụng PLC kết hợp với các khí cụ điện dùng trong công nghiệp để vừa đảm bảo tính mềm d o, đảm bảo độ bền, tính ổn định và chính xác c ng như tính thẩm m của thiết bị

Phương pháp nghiên cứu:

 Nghiên cứu quy trình công nghệ

 Thiết kế quy trình sản xuất

 Thi công, lắp đặt hệ quy trình sản xuất để đảm bảo yêu cầu đặt ra

 Viết chương trình và chạy thử nghiệm tại công ty

Kết quả nghiên cứu:

 Giai đoạn 1: Thi công tủ điều khiển và lắp đặt hệ thống cầu trục

 Giai đoạn 2: Lập trình và chạy thử nghiệm tại công ty

 Giai đoạn 3: Hoàn thành điều khiển cầu trục và đưa và sử dụng tại công ty

Hình 1 1: Quy trình làm mờ chai

Chai được đưa vào bể 1 chưa dung dịch làm sạch bề mặt chai (dung dịch acid HCL loãng (30 ÷ 36) % kết hợp với nước theo tỷ lệ 2:1) và ngâm trong khoảng thời gian 1 phút, sau đó chai được vận chuyển sang bể 2 để rửa sạch dung dịch ở bể 1 và ngâm trong vòng 1 phút Sau khoảng thời gian đó, chai được đưa sang bể 3 ngâm 1- 3 phút trong dung dịch làm mờ chai Chai sau đó được rửa sạch ở bể 4 trong 1 phút và đưa ra ngoài làm khô chai

1 1 2 Nhận xét :

 Quy trình công nghệ trên có các thành phần acid HCL và dung dịch gây ảnh hưởng rất lớn đến sức kh e của công nhân vận hành → cần cải tiến quy trình công nghệ để người công nhân không can thiệp vào quy trình

 Số lượng chai trên mỗi m khi người công nhân làm việc là 30 chai → cần nâng cải tiến để nâng cao năng suất làm việc

Có 2 phương án được đề nghị :

 Sử dụng cầu trục với sự điều khiển của con người Ưu điểm : nâng cao số lượng chai trên mỗi m Nhược điểm : Điều khiển định vị vào các bể không chính xác; Dao động của palang lớn, gây nguy hiểm cho người điều khiển; Thời gian ngâm chai ở các giai đoạn không đảm bảo Điều này dẫn đến → Thao tác chậm, không khai thác hết năng suất của máy, tỉ lệ hư chai là rất cao

 Sử dụng palang kết hợp với việc điều khiển hệ thống tự động dùng PLC Ưu điểm : Khắc phục được hết các nhược điểm ở phương án 1; Nhược điểm : Giá thành cao

1.1.3 Phương án lựa chọn:

Sau quá trình nghiên cứu, công ty đã nhất trí với phương án 2 của nhóm với yêu cầu bổ sung: Chọn PLC là bộ điều khiển, vị trí hạ trục tời, khoảng cách hạ để ngâm chai phải chính xác, thời gian ngâm của mỗi hồ công nhân có thể thay đổi được Phải có thời gian mặc định ban đầu

1 2 PLC S7-200 CPU 224 và Phần mềm STEP7 Micro WIN

1 2 1 Tổng quan PLC S7-200 CPU 224

 PLC S7-200 của hãng Siemens sản xuất thuộc dòng PLC nh (micro PLC), với ứng dụng điều khiển tự động đa dạng, nó được thiết kế nh gọn, lệnh hổ trợ mạnh cho chương trình ứng dụng trong điều khiển tự động

 Các dòng CPU của S7-200 bao gồm: CPU 210, CPU 212, CPU 214, CPU

215, CPU 216, CPU 221, CPU 222, CPU 224, CPU 224XP, CPU 226, CPU 226XM

 CPU 224 mang đặc tính chung với dòng PLC S7-200:

Hình 1 2: PLC S7-200 CPU 224

 Giao tiếp RS485

 Sử dụng chung phần mềm STEP7 Micro/WIN

 Kết nối với màn hình HMI OP73, TP 177(WinCC Flexible)

 Khả năng mở rộng được 7 modul

 Kết nối Simatic net CP 243-2 AS-I

 Kết nối Simatic net CP 241-1 enthernet…

 Kết nối với modul mở rộng EM 22x…

 Khả năng mở rộng được 256 I/O

 Có 6 bộ đếm tốc độ cao: HSC0 đến HSC5 tần số đáp ứng từ 4 đến 20kHz

 Xử lý dấu chấm động trong phép toán của chương trình

 Truy cập các vùng nhớ như: V, I, Q, S, M, SM, T, C, L truy cập được bit, bytes, word, double word

1 2 2 Phần mềm viết chương trình STEP7 Micro WIN

1 2 2 1 Phần mềm STEP7 Micro WIN

Là phần mềm viết chương trình cho PLC S7-200 Thao tác định dạng và cấu hình chương trình cho PLC

Phần Project cho phép lựa chọn các dòng CPU thuộc họ S7_200 Cấu hình modul cho PLC khi kết nối modul mở rộng và truyền thông

Cho phép giám sát hoạt động chương trình của PLC khi chuyển sang Program Status Dùng để kiểm tra theo dõi chương trình đang viết cho PLC Điều khiển trực tiếp các thông số từ máy tính truyền xuống cho PLC và ngược lại qua khối Status Chart

Phần mềm được hổ trợ mạnh về khối lệnh tính toán và xử lý số liệu, dễ sử dụng cho người lập trình

STEP7 Micro WIN cho phép người dùng viết các dạng ngôn ngữ sau: STL, Ladder, FBD Rất dễ cho người viết chương trình thuận ngôn ngữ, cho phép chuyển đổi các ngôn ngữ

Hình 1 3: Giao diện chương trình Step7 Micro/WIN

1 2 2 2 Các chức năng của các thanh công cụ:

Read và write

 Thanh tạo file, mở file, lưu file

 Thanh biên dịch (compile và compile all): Biên dịch chương trình trước khi đổ chương trình xuống PLC

 Thanh lấy chương trình và đổ chương trình cho PLC (upload và download)

Hình 1 5: Download chương trình xuống PLC

 Thanh cho chạy và dừng chương trình (run và stop) Cho phép PLC hoạt động

 Thanh xem trạng thái hoạt động của chương trình viết cho PLC (program status)

Hình 1 6: Chương trình chạy Program Status

 Thanh chạy chương trình trạng thái (status chart)

 Thanh xem số liệu khi chạy chương trình trạng thái(read và write)

 Thanh cho phép giá trị vào chương trình trạng thái (force và unforce)

 Instructions: thanh cung cấp lệnh lập trình như so sánh, hàm toán, hàm chương trình con, hàm chương trình ngắt

Hình 1 7: Khối instructions STEP7 MicroWIN

1 3 Khí cụ điện thiết kế tủ điều khiển

1 3 1 Nút nhấn

Nút nhấn còn gọi là nút điều khiển là một loại khí cụ điện dùng đóng ngắt từ xa các thiết bị khác nhau Ở mạch điện một chiều điện áp lên đến 440V và xoay chiều lên đến 500V, tần sồ 50 đến 60 Hz

Nút nhấn dùng để khởi động, đảo chiều quay của động cơ và ngắt động cơ, bằng cách đóng và ngắt các cuộn dây contactor

Nút nhấn thường được đặt trên bảng điều khiển, tủ điều khiển và hộp nút nhấn Nút nhấn có độ bền lên tới 1000000 lần đóng khi không tải và 200000 khi có tải

Cấu tạo: Nút nhấn gồm hệ thống lò xo, hệ thống tiếp điểm thường đóng và thường hở và v bảo vệ

Chọn CB phải thoả mãn ba yêu cầu sau:

 Chế độ làm việc ở định mức của CB thải là chế độ làm việc dài hạn, ngh a là trị số dòng điện định mức chạy qua CB lâu tuỳ ý Mặt khác, mạch dòng điện của CB phải chịu được dòng điện lớn (khi có ngắn mạch) lúc các tiếp điểm của nó đã đóng hay đang đóng

 CB phải ngắt được trị số dòng điện ngắn mạch lớn, có thể vài chục KA Sau khi ngắt dòng điện ngắn mạch, CB đảm bảo vẫn làm việc tốt

 Để nâng cao tính ổn định nhiệt và điện động của các thiết bị điện, hạn chế sự phá hoại do dòng ngắn mạch gây ra, CB phải có thời gian cắt bé Muốn vậy thường phải kết hợp thao tác cơ học và thiết bị dập hồ quang bên trong Nguyên lý hoạt động của CB

Hình 1 11: Cấu tạo của CB

 Bật CB ở trạng thái ON, với điện áp định mức nam châm điện 11 và phần tử 10 hút lại với nhau

 Khi sụp áp nam châm 11 s nhả phần tử 10, lò xo 9 kéo móc 8 bật lên, móc 7 thả tự do, kết quả tiếp điểm của CB mở ra, mạch điện được ngắt

 Lựa chọn CB:

 Dòng điện tính toán khi đi qua mạch

 Dòng điện quá tải

 CB thao tác có tính chọn lọc

thường việc lựa chọn như sau: ICB=(1,2 đến 1,5) Itt hoặc lớn hơn

Hình 1 12: Khởi động từ của hãng ABB

Phân loại Contactor trong tủ điện tuỳ theo các đặc điểm sau:

Theo nguyên lý truyền động: ta có Contactor kiểu điện từ (truyền điện bằng lực hút điện từ), kiểu hơi ép, kiểu thuỷ lực Thông thường trong tủ điện sử dụng Contactor kiểu điện từ

Theo dạng dòng điện: Contactor một chiều và Contactor xoay chiều (Contactor

1 pha và 3 pha)

Contactor được cấu tạo gồm các thành phần: Cơ cấu điện từ (nam châm điện),

hệ thống dập hồ quang, hệ thống tiếp điểm (tiếp điểm chính và phụ)

Hình 1 13: Cấu tạo của khởi động từ

Nam châm điện:

Namchâm điện gồm có 4 thành phần:

Cuộn dây dùng tạo ra lực hút nam châm

Lõi sắt (hay mạch từ) của nam châm gồm hai phần: Phần cố định và phần nắp

di động

Lõi thép nam châm có thể có dạng EE, EI hay dạng CI

Lò xo phản lực có tác dụng đẩy phần nắp di động trở về vị trí ban đầy

Hệ thống dập hồ quang điện tủ điện điều khiển:

Khi Contactor trong tủ điện chuyển mạch, hồ quang điện s xuất hiện làm các tiếp điểm bị cháy, mòn dần Vì vậy cần có hệ thống dập hồ quang gồm nhiều vách ngăn làm bằng kim loại đặt cạnh bên hai tiếp điểm tiếp xúc nhau, nhất là ở các tiếp điểm chính của Contactor trong tủ điện

Hệ thống tiếp điểm của Contactor trong tủ điện liên hệ với phần lõi từ di động qua bộ phận liên động về cơ Tuỳ theo khả năng tải dẫn qua các tiếp điểm, ta có thể chia các tiếp điểm cuẩ Contactor thành hai loại:

Tiếp điểm chính của Contactor trong tủ điện: Có khả năng cho dòng điện lớn đi qua (từ 10A đến vài nghìn A, thí dụ khoảng 1600A hay 2250A) Tiếp điểm chính là tiếp điểm thường hở đóng lại khi cấp nguồn vào mạch từ của Contactor trong tủ điện làm mạch từ Contactor hút lại

thái hoạt động Ngược lại là tiếp điểm thường hở

Như vậy, hệ thống tiếp điểm chính tủ điện điều khiển thường được lắp trong mạch điện động lực, còn các tiếp điểm phụ s lắp trong hệ thống mạch điều khiển của Contactor trong tủ điện (dùng điều khiển việc cung cấp điện đến các cuộn dây nam châm của các Contactor theo quy trình định trước)

Nguyên lý hoạt động contactor: Khi cấp nguồn trong tủ điện điều khiển bằng giá trị điện áp định mức của Contactor vào hai đầu của cuộn dây quấn trên phần lõi từ

cố định thì lực từ tạo ra hút phần lõi từ di động hình thành mạch từ kín (lực từ lớn hơn phản lực của lò xo), Contactor ở trạng thái hoạt động Lúc này nhờ vào bộ phận liên động về cơ giữa lõi từ di động và hệ thống tiếp đi m làm cho tiếp điểm chính của Contactor trong tủ điện đóng lại, tiếp điểm phụ chuyển đổi trạng thái (thường đóng s

mở ra, thường hở s đóng lại) và duy trì trạng thái này Khi ngưng cấp nguồn cho cuộn dây thì Contactor ở trạng thái nghỉ, các tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu

1 3 5 Relay nhiệt

Relay nhiệt là một loại khí cụ để bảo vệ động cơ và mạch điện khi có sự cố quá tải relay nhiệt không tác động tức thời theo trị số dòng điện vì nó có quán tính nhiệt lớn, phải có thời gian phát nóng, do đó nó làm việc có thời gian từ vài giây đến vài phút Thường người ta dùng kèm theo cầu chì để bảo vệ ngắn mạch

Hình 1 14: Nguyên lý cấu tạo và làm việc của relay nhiệt

Nguyên lý chung của rơle nhiệt là dựa trên cơ sở tác dụng nhiệt của dòng điện làm giãn nở phiến kim loại kép Phiến kim loại kép gồm hai lá kim loại có hệ số giãn

nở khác nhau ( kém nhau 20 lần) ghép chặt vơi nhau thành 1 phiến bằng phương pháp cán nóng hoặc hàn Khi có dòng quá tải đi qua phiến lư ng kim loại được đốt nóng uốn cong về phía kim loại có hệ số giãn nở bé, đẩy cần gạt làm lò xo co lại và chuyển đổi hệ thống tiếp điểm phụ Để rơle nhiệt làm việc trở lại phải đợi phiến kim loại nguội

và kéo cần reset của relay nhiệt

Trong thực tế cách lựa chọn phù hợp là chọn dòng điện định mức của động cơ điện cần bảo vệ, rơle s tác động ở giá trị từ(1 2 ÷ 1 3 Iđm ) Bên cạnh chế độ làm việc của phụ tải và nhiệt độ môi trường xung quanh được xem xét

Ứng dụng: Relay nhiệt được dùng để bảo vệ các thiết bị (động cơ ) kh i bị quá tải Nó được sử dụng rộng rãi trong mạng điện gia đình và trong công nghiệp

cảm biến được lựa chọn phải đáp ứng được các yêu cầu về môi trường làm việc, điện

áp làm việc, độ an toàn, kích thước cảm biến, thời gian đáp ứng, kiểu kết nối

Hình 1 16: Cảm biến kim loại Thông số lựa chọn cảm biến

nhiệt điện thường lắp đặt cầu trục xếp d (cầu trục vận chuyển) Trên các công trường xây dựng dân dụng và công nghiệp thường lắp đặt các loại cổng trục và cần cẩu tháp v v…

Động cơ truyền động các cơ cấu của cầu trục làm việc trong điều kiện rất nặng nề Chế độ làm việc của các động cơ là chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại với tần số đóng cắt lớn, mở máy, hãm dừng liên tục Do những đặc điểm đặc thù trên, ngành công nghiệp chế tạo máy sản xuất loại động cơ chuyên dùng cho cầu trục Các loại động cơ

đó là: động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc, roto dây quấn, đông cơ điện một chiều kích từ song song hoặc nối tiếp

1 4 1 Cơ cấu di chuyển

Hình 1 17: Cơ cấu di chuyển

Cơ cấu di chuyển là cơ cấu mang toàn bộ khối lượng hàng hóa và khối lượng bản thân di chuyển trên cầu trục(thanh rail sắt)

Đối với cơ cấu di chuyển, lực cản t nh phụ thuộc vào khối lượng hàng (G) và khối lượng của cơ cấu Trạng thái đường đi của cơ cấu di chuyển trên nó, cấu tạo và chế độ bôi trơn cho cơ cấu (cổ trục, khớp nối, bản lề v v…) Đối với cầu trục lắp đặt ngoài trời còn chụi tác động phụ của gió Hình 1 17 biểu diễn sơ đồ lực tác dụng lên

cơ cấu di chuyển trên đường ray

Việc chọn công suất phù hợp rất quan trọng đối với cơ cầu trục

1 4 2 Cơ cấu nâng hạ

Động cơ truyền động cơ cấu nâng - hạ hàng đóng vai trò quan trọng trong các máy nâng - vận chuyển giảm thiểu sức lao động của công nhân Trên hình 1 21 mô tả

sơ đồ động học của cơ cấu nâng - hạ hàng với cơ cấu bốc hàng dùng móc

Hình 1 18: Cơ cấu nâng hạ

1 Trục vít; 2 Bánh vít; 3 Truyền động bánh răng;

4 Tang máy; 5 Cơ cấu móc hàng; 6 Móc

7 Động cơ truyền động

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ THI CÔNG

2 1 Cấu tạo và mô tả cầu trục:

2 1 1 Cấu tạo hệ thống làm mờ gồm:

 Cơ cấu nâng_hạ hàng

 Cơ cấu di chuyển cầu trục trên thanh rail

 Tủ điều khiển của cầu trục

 Vị trí nâng hạ chai gồm 4 cái hồ, hai đầu nơi sắp chai và làm khô chai

Hình 2 1: Hình mô tả hệ thống

2 1 2 Mô tả hoạt động hệ thống

Khi máy được khởi động các điều kiện an toàn được th a mãn Máy s từ vị trí đầu chạy tới hồ thứ nhất để nhúng chai vào trong dung dịch axit trong thời gian 1 phút cho mục đích làm sạch v chai

Sau khi đã nhúng chai trong dung dịch axit làm sạch v chai, xong máy s kéo chai lên để chạy tới hồ thứ hai và nhúng chai trong nước rửa v chai trong một thời gian 1 phút

Sau khi đã nhúng chai trong nước chứa trong hồ thứ hai, máy s kéo chai lên và

đi tới hồ thứ ba để nhúng chai trong dung dịch hóa chất làm mờ chai trong thời gian khoảng 3 phút

Sau khi đã đợi để nhân viên vận hành tháo pallet sản phẩm ra máy s chạy tới điểm lấy pallet để công nhân vận hành gắn pallet không vào máy

Khi máy đã được gắn pallet không vào máy s đợi cho nhân viên vận hành nhấn nút finish cycle Lúc này máy s kéo pallet không lên và chạy về vị trí b pallet không Sau đó máy s ngưng một thời gian vừa đủ để cho nhân viên vận hành tháo pallet không ra Khi hết thời gian chờ máy s chạy tới vị trí bắt đầu và kết thúc một chu kì

2 2 Tính toán, lựa chọn cơ cấu nâng, hạ và cơ cấu di chuyển:

2 2 1 Tính toán nâng, hạ:

Tổng khối lượng chai và pallet mhàng=400kg

Vậy cần trục có sức nâng là msn >=mnâng

Theo thông số từ catalog của nhà sản xuất ta nên chọn loại 1000kg

Ta áp dụng công thức

60.2

: Hiệu suất cơ cấu

M: Momem tang quay(Nm)

F: Lực kéo của cần trục(N)