Thiết kế máy cắt lạng mủ cao su tự động báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên

CB là một khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch điện bằng phương pháp không tự động nhưng có khả năng cắt mạch tự động , có bảo vệ ngắt mạch và quá tải khi các tiếp điểm của nó có dòng điện

Hình 3 Cắt lạng mủ cao su

Hình 4 Phơi khô lạng mủ cao su

Mủ sau khi được cắt thành những tờ mủ mỏng, người ta có thể phơi mủ hoặc làm lò sấy bằng than đá hoặc củi, giữ nhiệt độ ở 500C trong vòng 4 đến 5 ngày

Hình 5 Đóng gói tờ mủ cao su Sau khi sấy khô, có thể đóng gói 33.33kg hoặc 111 kg dùng dung dịch bột talc quét trên bề mặt khối mủ sau khi ép

Phạm vi nghiên cứu đề tài

Thiết kế, chế tạo máy cắt lạng mủ cao su tự động theo yêu cầu của công ty TNHH một thành viên cao su Bình Thuận

Nội dung nghiên cứu

- PLC Kinco

- Biến tần Kinco

- Lập trình PLC

- Cấu hình biến tần

2 Yêu cầu

Hệ thống hoạt động tự động và cắt khối mủ ra từng miếng có độ dày tùy ý

3 Giới hạn đề tài

Chỉ thực hiện phần cắt cao su tự động, không thực hiện phần tự động đưa khối

mủ vào thùng chứa mủ khi cắt hết khối mủ

Phần Nội dung

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

1.1 Nút nhấn, switch

1.1.1 Giới thiệu chung

Nút nhấn là một loại khí cụ điện để đóng ngắt từ xa các thiết bị điện từ khác, các dụng cụ báo hiệu, và cũng để chuyển đổi các mạch điện điều khiển tín hiệu, liên động, bảo vệ…ở mạch điện một chiều điện áp đến 440V và điện áp xoay chiều điện áp đến 500V, tần số 50- 60Hz

Nút nhấn thường được dùng để khởi động, dừng và đảo chiều quay của động cơ điện bằng cách đóng và ngắt các mạch cuộn dây của contactor, khởi động từ mắc ở mạch động lực của động cơ

Đèn báo là thiết bị điện biến đổi tiến hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng Dùng để báo hiệu cho người sử dụng

1.3.1 Giới thiệu chung

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận những biến đổi của các đại lượng vật lý

và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và

xử lý được Cảm biến là một trong ba thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

Hình 1.3 Một số cảm biến

1.3.2 Cấu tạo cảm biến quang và cảm biến cảm ứng từ

Hình 1.4 Cấu tạo và phương thức đấu dây

1.4 Aptomat

1.4.1 Giới thiệu chung

Aptomat hay CB (Circuit Breaker ) hay cầu dao tự động là một khí cụ điện dùng trong công nghiệp để đóng cắt mạch điện động lực hạ thế

CB là một khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch điện (bằng phương pháp không tự động nhưng có khả năng cắt mạch tự động ), có bảo vệ ngắt mạch và quá tải khi các tiếp điểm của nó có dòng điện lớn hơn mức chỉnh đặt trước đi qua

Hình 1.5 Một số loại aptomat

1.4.2 Cấu tạo

Hình 1.6 Cấu tạo aptomat

- Tiếp điểm: Aptomat thường có 2 đến 3 loại tiếp điểm, tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ và hồ quang

- Buồng dập hồ quang: Thường sử dụng những tấm thép chia hộp thành nhiều ngăn cắt hồ quang thành nhiều đoạn ngắn để dập tắt

- Móc bảo vệ

1.4.3 Các thông số lựa chọn

Lựa chọn aptomat chủ yếu dựa vào các thông số sau:

- Điện áp định mức: là giá trị điện áp làm việc dài hạn của thiết bị điện được aptomat đóng ngắt

- Dòng điện định mức: là dòng điện làm việc lâu dài của aptomat, thường dòng định mức của aptomat bằng 1.2-1.5 lần dòng định mức của thiết bị được bảo vệ

- Dòng điện tác động I là dòng aptomat tác động, tuỳ thuộc loại phụ tải mà tính chọn tác động khác nhau Với động cơ điện không đồng bộ pha rotor lồng sóc thì thường Itd=1.2-1.5 It

1.5 Động cơ

1.5.1 Giới thiệu chung

Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng

cơ

Hình 1.7 Một số loại động cơ 3 pha

1.5.2 Cấu tạo

Hình 1.8 Cấu tạo động cơ

1.5.3 Các thông số để lựa chọn động cơ

- Công suất định mức Pđm (KW) hoặc (HP)

- Điện áp dây định mức Uđm(V)

- Dòng điện dây định mức Iđm (A)

- Tần số dòng điện f (Hz)

- Tốc độ quay roto nđm (vòng/phút ) hoặc (rpm)

- Hệ số công suất cosφ

- Loại động cơ 3 pha hoặc 1 pha

1.6 Encoder

1.6.1 Giới thiệu chung

Encoder là đo lường dịch chuyển thẳng hoặc góc Đồng thời chuyển đổi vị trí góc hoặc vị trí thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác định được

vị trí trục hoặc bàn máy Tín hiệu ra của Encoder cho dưới dạng tín hiệu số Encoder được sử dụng làm phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi trong các máy CNC và robot Trong máy công cụ điều khiển số, chuyển động của bàn máy được dẫn động từ một động cơ qua vít me đai ốc bi tới bàn máy Vị trí của bàn máy có thể xác định được nhờ encoder lắp trong cụm truyền dẫn

Hình 1.9 Encoder trên thực tế

1.6.2 Cấu tạo

Hình 1.10 Cấu tạo của encoder

- Gồm bộ phát và thu của cảm biến quang

- Đĩa quay có nhiều lỗ

1.6.3 Các thông số lựa chọn

- Độ phân giải encoder

- Điện áp ngõ vào, ngõ ra

1.7 Contactor

1.7.1 Giới thiệu chung

Contactor là một loại khí cụ điện dùng để đóng ngắt từ xa, tự động hoặc bằng nút nhấn các mạch động lực có phụ tải điện áp đến 500V, dòng điện đến 600A Contactor có hai vị trí là đóng và ngắt Contactor hoạt động dựa trên nguyên tắc hút nhả của nam châm điện để đóng, ngắt các tiếp điểm Điều khiển các kiểu đấu dây và đóng ngắt nguồn cho phụ tải Tần số đóng có thể tới 1500 lần một giờ

Hình 1.11 Một số loại contactor

1.7.2 Cấu tạo

Hình 1.12 Cấu tạo Contactor Cuộn dây và mạch từ: Có thể sử dụng điện áp một chiều hoặc xoay chiều Cuộn dây có tác dụng hútt mạch từ khi có dòng điện

Các tiếp điểm: Bao gồm các tiếp điểm tĩnh và các tiếp điểm động…có tác dụng dẫn điện khi hai tiếp điểm đóng lại

Lò xo: Có tác dụng làm hở mạch ra khi cuộn dây không còn cấp điện

1.7.3 Các thông số lựa chọn contactor

- Dòng điện định mức (In)

- Điện áp định mức của cuộn coil

- Tần số đóng ngắt của tiếp điểm

- Loại contactor (1 pha hay 3 pha)

1.8 Biến tần

1.8.1 Giới thiệu chung

Biến tần là một thiết bị được dùng để điều khiển tốc độ quay của động cơ dòng điện xoay chiều bằng cách điều khiển tần số của điện năng cung cấp cho động cơ

Hình 1.13 Biến tần của một số hãng

1.8.2 Cấu tạo

Hình 1.14 Cấu tạo của biến tần

Hình 1.15 Sơ đồ kết nối nguyên lý

1.8.3 Phương pháp điều khiển

- Multi-speed: với 6 ngõ điều khiển điều khiển 16 cấp tốc độ

- V/f control:

Hình 1.16 Đặc tuyến V/f

1.8.4 Các module biến tần

- Kinco:

+ MV100-2S-0004-G: 1P/3P AC 220V 50/60Hz, P = 0,4KW, Iđm=2,5A + MV100-4T-0007-G: 3P AC 380V 50/60Hz, P = 0,75KW, Iđm = 2,7A + MV100-4T-0022-G: 3P AC 380V 50/60Hz, P = 2,2KW, Iđm = 5A + EV100-2S-0004-G: 1P/3P AC 220V 50/60Hz, P = 0,4KW, Iđm=2,5A + EV100-2S-0037-G: 1P/3P AC 220V 50/60Hz, P = 3,7 KW, Iđm =16,5A + EV100-4T-0037-G: 3P AC 380V 50/60Hz, P = 3,7 KW, Iđm =8,6A + EV100-4T-300-G: 3P AC 380V 50/60Hz, P = 30 KW, Iđm =65A

+ EV100-4T-1600-G: 3P AC 380V 50/60Hz, P = 160 KW, Iđm =305A

- Mitsubishi:

+ FR-A740-0.4K: 3P 380-480VAC 50/60Hz, P=0.4KW, Iđm=1,5A

+ FR-A740-0.75K: 3P 380-480VAC 50/60Hz, P=0.75KW, Iđm=2,5A + FR-A740-3.7K: 3P 380-480VAC 50/60Hz, P=3.7KW, Iđm=9A

+ FR-E740-0.75K: 3P 380-480VAC 50/60Hz, P=0.75KW, Iđm=1,5A + FR-E740-7.5K: 3P 380-480VAC 50/60Hz, P=7.5KW, Iđm=17A

+ FR-D740-0.75K: 3P 380-480VAC 50/60Hz, P=0.75KW, Iđm=2,2A + FR-A720-15K: 3P 220-240VAC 50/60Hz, P=15KW, Iđm=61A

+ FR-E720-0.75K: 3P 220-240VAC 50/60Hz, P=0.75KW, Iđm=5A

1.9.1 Giới thiệu chung

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 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 bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ

ra tại các thời điểm đã lập trình

Hình 1.17 Một số loại PLC

1.9.2 Cấu tạo

Hình 1.18 Cấu tạo PLC

Hình 1.19 Sơ đồ khối của PLC

+ K308-40AR (24DI x 16VDC, 10DO, ngõ ra relay, điện áp ngõ nguồn AC (85-265VAC ) )

+ K308-40AX (14DI x 24VDC, 4DO x 24VDC, 12DO x relay, điện áp ngõ nguồn AC (85-265VAC ) )

- PLC Fuji:

+ NP1PS-32: cpu 32-bit, bộ nhớ I/O 512 words

+ NP1PS-74: cpu 32-bit, bộ nhớ I/O 512 words

+ NP1PS-117: cpu 32-bit, bộ nhớ I/O 512 words

+ NP1PS-32R cpu 32-bit, bộ nhớ I/O 512 words

+ NP1PS-74R: cpu 32-bit, bộ nhớ I/O 512 words

+ NP1PS-117R: cpu 32-bit, bộ nhớ I/O 512 words

+ NP1PH-08: cpu 16-bit, bộ nhớ I/O 512 words

+ NP1PH-16: cpu 16-bit, bộ nhớ I/O 512 words

+ S7-200 CPU221: nguồn cung cấp 24VDC, 6DI, 4DO

+ S7-200 CPU222: nguồn cung cấp AC, 8DI, 6DO

+ S7-200 CPU224: nguồn cung cấp 24VDC, 14DI, 10DO

+ S7-200 CPU224XP: nguồn cung cấp 24VDC, 14DI, 10DO, ngõ

ra relay, 2AI, 1AO

+ S7-200 CPU226: nguồn cung cấp 24VDC, 24DI, 16DO

- PLC Omron:

+ CP1E-E10/14/20/30/40DR-A (6/8/12/18/24 vào, 4/6/8/12/16 ra)

+ CP1E-N14/20DR/T/T1-A/D (8/12 vào, 6/8 ra)

+ CP1E-N30DR/T/T1-A/D (18 vào, 12 ra)

+ CP1E-N40/60DR/T/T1-A/D (24/36 vào, 16/24 ra)

+ CP1L-L10DR/T/T1-A/D (6 vào, 4 ra)

+ CP1L-L20DR/T/T1-A/D (12 vào, 8 ra)

+ CP1L-M30DR/T/T1-A/D (18 vào, 12 ra)

+ CP1L-M40DR/T/T1-A/D (24 vào, 16 ra)

+ CP1L-M60DR/T/T1-A/D (36 vào, 24 ra)

Trong đó:

DR/T/T1 là ngõ ra relay/ transistor NPN/ transistor PNP

A/D là nguồn cung cấp AC (100-240VAC )/ DC (24VDC )

110-Chương 2: Thiết kế và thi công máy cắt lạng mủ

cao su tự động

2.1 Sơ đồ khối của máy

Hình 2.1 Sơ đồ khối của máy cắt lạng mủ cao su

2.2 Chức năng của từng khối

2.2.1 Tín hiệu ngõ vào

Bao gồm: nút nhấn, cảm biến (cảm biến quang và cảm biến cảm ứng từ ) và encoder

Biến đổi các tín hiệu vật lý thành các tín hiệu điện đưa về khối điều khiển

2.2.2 Khối điều khiển

Nhận tín hiệu từ tín hiệu ngõ vào, xử lý tín hiệu theo lập trình sẵn và đưa tín hiệu ra điêu khiển các cơ cấu chấp hành

Bao gồm : PLC và biến tần

2.2.3 Khối chấp hành

Gồm 2 động cơ dùng để điều khiển cơ cấu cơ khí Cơ cấu cơ khí bao gồm: + Thùng mủ: Là nơi chứa khối mủ đông trong quá trình cắt khối mủ (Hình 2.2)

+ Cơ cấu nâng khối mủ: Là cơ cấu dùng để nâng khối mủ lên và hạ khối

mủ xuống (Hình 2.3, 2.4)

+ Ray trượt: Định hướng cho thùng mủ dịch chuyển qua lại, có độ dài lớn hơn hai lần chiều dài thùng mủ (Hình 2.5)

+ Cơ cấu dịch chuyển thùng mủ: Là cơ cấu có tác dụng di chuyển thùng

mủ trên ray trượt định sẵn (Hình 2.6, 2.7)

Hình 2.2 Thùng mủ

Hình 2.3 Cơ cấu nâng khối mủ

Hình 2.4 Cơ cấu nâng thực tế

Hình 2.5 Ray trượt

Hình 2.6 Cơ cấu dịch chuyển thùng mủ

Hình 2.7 Cơ cấu dịch chuyển thùng mủ thực tế

Hình 2.8 Mô hình thiế kế hoàn chỉnh

Hình 2.9 Máy cắt thực tiễn

2.3 Nguyên lý hoạt động của máy

MANUAL

ĐỘNG

CƠ X CHẠY THUẬN

ĐỘNG

CƠ X CHẠY NGHỊCH

ĐỘNG

CƠ Z CHẠY THUẬN

ĐỘNG

CƠ Z CHẠY NGHỊCH

END

X-LE M-S

X-LF M-S

Z-LE M-S

Z-LF M-S

ĐỘNG

CƠ X DỪNG

ĐỘNG

CƠ X DỪNG

ĐỘNG

CƠ Z DỪNG

ĐỘNG

CƠ Z DỪNG

Khi nhấn nút M-XR thì động cơ X (động cơ kéo di chuyển thùng) kéo thùng mủ

di chuyển theo chiều nghịch (chiều đi về vị trí ban đầu), động cơ X sẽ dừng lại khi thùng mủ đi đến đến hết hành trình và gặp cảm biến hành trình cuối (X-LF) hoặc khi nhấn nút M-S (nút stop)

Khi nhấn nút M-ZF thì động cơ Z (động cơ di chuyển mâm) nâng mâm theo chiều thuận (chiều nâng khối mủ lên), động cơ Z sẽ dừng lại khi thùng mủ đi đến hết hành trình và gặp cảm biến hành trình cuối (Z-LF) hoặc khi nhấn nút M-S ( nút stop)

Khi nhấn nút M-ZR thì động cơ Z (động cơ di chuyển mâm) nâng mâm đi chuyển theo chiều nghịch (chiều đi hạ khối mủ xuống), động cơ Z sẽ dừng lại khi thùng mủ đi đến đến hết hành trình và gặp cảm biến hành trình cuối (Z-LE) hoặc khi nhấn nút M-S (nút stop)

START

HẠ KHỐI MỦ

20MM

THÙNG DI CHUYỂN

VỀ CUỐI HÀNH TRÌNH

HT X CUỐI

THÙNG DI CHUYỂN

VỀ ĐẦU HÀNH TRÌNH

HT X ĐẦU

SL MỦ

END

YES NO

YES NO

YES NO

YES NO

YES NO

YES NO

CÀI ĐẶT HSC, TÍNH Z,THÙNG

VỀ VỊ TRÍ ĐẦU

Hình 2.12 Lưu đồ thuật giải tự động Khi nhấn nút start (M-ST) thì thùng sẽ chạy về vị trí ban đầu, cài đặt HSC0, gọi chương trình tính chiều dài khối mủ và số lượng lát cắt khối mủ Mâm sẽ đưa khối mủ xuống cho đến khi hết hành trình và chạm cảm biến hành trình cuối (Z-LE), sau đó mâm sẽ đi lên cho đến khi chạm cảm biến hành trình đầu (Z-LF), mâm tiếp tục đi lên 20mm Sau đó thùng mủ sẽ di chuyển qua máy cắt và thực hiện quá trình cắt mủ, khi

đi hết hành trình và chạm cảm biến cuối (X-LE) thì thùng mủ sẽ quay trở lại vị trí ban đầu Sau đó mâm sẽ nâng khối mủ lên 20mm và thực hiện lại quá trình cho đến khi cắt hết khối mủ Khi cắt hết khối mủ thì kết thúc quá trình tự động, chờ công nhân tiếp khối mủ và nhấn nút start (M-ST)

Khi nhấn đang thực hiện quá trình tự động nếu nhấn nút stop (M-S) thì quá trình sẽ dừng lại Khi nhấn nút start (M-ST) thì quá trình tiếp tục thực hiện ngay lúc dừng cho đến khi cắt hết khối mủ và dừng lại

2.4 Tính toán thiết kế thiết bị điện điều khiển

2.4.1 Tính toán hệ thống chuyển động

Vấn đề dặt ra 1 chu kỳ làm việc của hệ thống là 6s, trong đó:

- Thời gian nâng khối mủ là tZ = 1.5s

- Thời gian động cơ x thực hiện chuyển động là tX = 4s, bao gồm:

+ Thời gian vật (Khối mủ + thùng + động cơ) chạy về vị trí đầu:

t1X = 1,8s + Thời gian vật (Khối mủ + thùng + động cơ) đi cắt lạng mủ:

t2X = 2,2s

- Thời gian chuyển mạch là 0.5s

Giải quyết vấn đề đặt ra: yêu cầu của bài toán quy về tính chuyển động lên của động cơ theo trục z, và chuyển động ngang của động cơ theo trục x

Theo hướng chuyển động ta có 2 đông cơ: động cơ x và động cơ z

Ta có:

Tỷ số truyền của động cơ z qua hộp số: Jz = nđcz/ nlvz = 40

Tỷ số truyền của động cơ x qua hộp số: Jx = nđcx/ nlvx = 30

nđcx: tốc độ quay của động cơ x

nlvx: tốc độ làm việc theo trục x

Tính toán chuyển động theo trục z:

Khối mủ có khối lượng mz = 50Kg được nâng lên 1 đoạn DDZ20 =20mm trong thời gian tZ = 1,5s:

tZ (s) là khoảng thời gian động cơ z nâng khối mủ 20mm

Tính toán chuyển động theo trục x:

Khối mủ + thùng + động cơ có tổng khối lượng khoảng mx = 140Kg di chuyển

1 đoạn DDX = 850mm trong khoảng thời gian tX = 4s (t1X = 1,8s và t2X = 2,2s):

Tốc độ di chuyển của vật (Khối mủ + thùng + động cơ) theo trục x trong khoảng thời gian t1X :

Tốc độ quay của động cơ x khi vật đi cắt lạng mủ:

n = 1500 vòng/ phút là tốc độ định mức của đông cơ

p = 2 là số đôi cặp cực của động cơ Theo tính toán tốc độ quay của động cơ, ta có:

P P



 [2.9]

Trong đó:

Px là công suất trên trục động cơ ( W)

Ptx là công suất máy làm việc ( W)

1372.473

649( )

1000 1000

X X tX

F V

[2.10]

Vx = 473mm/s là vận tốc làm việc của thùng mủ

Fx là lực kéo của băng tải

η1= 0,96 là hiệu suất của bộ truyền đai

η2= 0,97 là hiệu suất của hộp số

η3= 0,99 là hiệu suất của cặp ổ lăn

ηx = 0,96.0,97.(0,99)2 = 0,91 [2.13]

649

713, 2(W)0.91

tx x x

P P

F V

[2.15]

98110(W)0,89

tz z z

P P

Theo tính toán động cơ thì ta có 2 động cơ được dùng trong đề tài này:

-Động cơ trục x: 3P 380VAC/ 50Hz, công suất P1 = 0.75KW, n =1500 vòng/phút

- Động cơ trục z: 3P 380VAC/ 50Hz, công suất P2= 0.45KW, n =1500 vòng/phút

Với cosφ= 0,85, Kmm= 3, Kat= 1,2