Lịch sử phát triển
Lịch sử phát triển ngành sơn thế giới
Sơn, hay còn gọi là chất phủ bề mặt, là vật liệu thiết yếu trong xây dựng và trang trí Ngành sơn đã có lịch sử lâu dài, và qua thời gian, các sản phẩm cũng như công nghệ sơn đã không ngừng được cải tiến.
Hình 1.1 Nhà máy sản xuất sơn hiện đại
Công nghệ sản xuất sơn là một trong những công nghệ lâu đời nhất trong lịch sử nhân loại, bắt nguồn từ hơn 25.000 năm trước khi các cộng đồng cổ đại sử dụng nguyên liệu tự nhiên để tạo ra loại sơn trang trí đầu tiên Những bức tranh được vẽ trong hang động từ thời kỳ này vẫn còn tồn tại đến ngày nay Các nền văn minh cổ đại như Ai Cập, Hy Lạp và La Mã đã phát triển các loại sơn mỹ thuật và sơn dầu béo, mặc dù màu sắc còn đơn điệu Đến thế kỷ 13, nhiều nước châu Âu mới biết đến công nghệ sản xuất sơn Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật thế kỷ 18 đã thúc đẩy việc xây dựng các nhà máy sản xuất sơn chuyên nghiệp, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng Qua 12 quá trình nghiên cứu và phát triển, ngành sơn đã cải tiến công nghệ sản xuất, nâng cao hiệu quả bảo vệ và trang trí, đồng thời giảm giá thành và an toàn cho sức khỏe con người Hiện nay, hơn 75% sơn là sơn gốc nước, với nhiều tính năng và chất lượng vượt trội, cùng với các công nghệ tiên tiến như công nghệ đan chéo, công nghệ hybrid và công nghệ sơn nano.
1.1.2 Lịch sử phát triển ngành sơn Việt Nam
Ngành công nghiệp sơn Việt Nam có thể lấy điểm khởi đầu phát triển là năm
Giai đoạn 1914 - 1920 đánh dấu sự xuất hiện của một số xưởng sơn dầu tại Việt Nam, nổi bật với công ty sơn của ông Nguyễn Sơn Hà, người được coi là tổ ngành sơn Việt Nam Tuy nhiên, do bối cảnh lịch sử xã hội, Việt Nam chỉ thực sự trở thành một quốc gia độc lập và thống nhất vào năm 1975, tạo điều kiện cho sự phát triển kinh tế - xã hội Từ đó, ngành sơn Việt Nam bắt đầu phát triển qua các giai đoạn khác nhau.
A Giai đoạn 1914 – 1954: có 3 hãng sơn lớn của người Việt Nam tại 3 khu vực thành phố lớn là: - Hà Nội: Công ty sơn Thái Bình – Cầu Diễn, Hà Nội (sau này Công ty Hóa chất sơn Hà Nội và hiện nay là Công ty cổ phần Hóa chất Sơn Hà Nội) - Hải Phòng: Công ty Sơn Nguyễn Sơn Hà – sau này đổi tên là Công ty Sơn Phú Hà (hậu duệ của ông Nguyễn Sơn Hà) và hiện nay là Công ty cổ phần sơn Hải Phòng - Sài Gòn (sau này là Thành phố Hồ Chí Minh): Công ty sơn Bạch Tuyết do ông Bùi Duy Cận (một cộng tác viên của ông Nguyễn Sơn Hà) vào Nam sáng lập, hiện nay là Công ty cồ phần sơn Bạch Tuyết
Hình 1.2 Sản xuất sơn thủ công thời kì 1914 - 1954
Trong giai đoạn này, sản phẩm sơn chủ yếu là sơn dầu và sơn alkyl gốc dung môi, với công nghệ sản xuất đơn giản và chất lượng chưa cao, chủ yếu phục vụ nhu cầu sơn trang trí xây dựng Các loại sơn công nghiệp chất lượng cao đều phải nhập khẩu Trong thời kỳ kháng chiến chống Pháp, tại vùng tự do cũng xuất hiện cơ sở sản xuất sơn của Việt Nam, nhưng sản phẩm chủ yếu là sơn dầu được chế biến từ nguyên liệu thiên nhiên sẵn có như nhựa thông và dầu chẩu.
B Giai đoạn 1954 – 1975: Bối cảnh lịch sử đất nước tạm thời chia cắt 2 miền
Miền Bắc và miền Nam Việt Nam có chế độ chính trị và điều kiện phát triển kinh tế khác nhau, dẫn đến sự khác biệt trong ngành sơn Ở miền Bắc, có ba nhà máy sơn lớn do Nhà nước quản lý, bao gồm Nhà máy Sơn Tổng Hợp Hà Nội, Nhà máy Hóa chất Sơn Hà Nội và Nhà máy Sơn Hải Phòng Sản phẩm chủ yếu là sơn dầu nhựa thiên nhiên và sơn Alkyd, nhưng chất lượng còn thấp, công nghệ lạc hậu và sản lượng không đủ đáp ứng nhu cầu do hạn chế nhập khẩu nguyên liệu Trong khi đó, miền Nam có 16 hãng sơn với tổng sản lượng khoảng 7.000 tấn/năm, trong đó nổi bật là Nhà máy sơn Bạch Tuyết và Huệ Phát, chuyên sản xuất sơn alkyd phục vụ cho ngành xây dựng.
Công ty cổ phần Sơn Á Đông, được hình thành từ việc sát nhập các nhà máy sơn Á Đông, Á Châu, Việt Điểu và Vĩnh Phát sau năm 1975, hiện chuyên sản xuất các loại sơn dầu, sơn alkyd và sơn nước phục vụ cho ngành trang trí xây dựng.
C Giai đoạn 1976 – 1989: Đặc điểm phát triển của ngành sơn giai đoạn này mang dấu ấn khó khăn chung của nền kinh tế sau chiến tranh thống nhất đất nước Đó là thời kỳ kinh tế bao cấp, mặc dầu đến năm 1986 nền kinh tế đã bắt đầu khởi động phát triển với mức đột phá “đổi mới” nhưng ngành công nghiệp sơn vẫn còn phát triển trì trệ mãi đến năm 1989
Hình 1.3 Sơn dầu Việt Nam giai đoạn 1976 - 1989
Trong thị trường sơn tiêu thụ nội địa, chỉ có sơn dầu được sử dụng, trong khi sơn nước hoàn toàn vắng mặt Nhà cửa và công trình xây dựng chủ yếu được trang trí bằng nước vôi màu Các loại sơn nhựa tổng hợp chất lượng cao như Alkyd và Epoxy chỉ được sản xuất với số lượng hạn chế do quy định về ngoại tệ nhập khẩu nguyên liệu.
Các loại sơn gốc dầu nhựa thiên nhiên chất lượng thấp được sản xuất nhiều hơn so với sơn nhựa tổng hợp do nguồn cung cấp nhựa tạo màng trong nước phong phú và giá rẻ, như nhựa thông và chai cục Tuy nhiên, sản lượng sơn lại bị hạn chế do thiếu nguyên liệu quan trọng khác như dung môi và bột màu, cần phải nhập khẩu bằng ngoại tệ Tóm lại, đặc điểm phát triển của ngành công nghiệp sơn trong giai đoạn này là sự lệ thuộc vào nguồn nguyên liệu nội địa nhưng vẫn phải nhập khẩu một số thành phần thiết yếu.
Tổng sản lượng sơn hiện nay chỉ đạt dưới 10.000 tấn/năm, không đáp ứng đủ nhu cầu thị trường Các loại sơn chất lượng cao được phân phối theo chỉ tiêu và giá bao cấp do Nhà nước quản lý, trong khi sơn chất lượng thấp (như sơn dầu) có sự phân phối rộng hơn nhưng vẫn phụ thuộc vào cơ chế hành chính “xin và cho” từ các cơ quan quản lý và phân phối của Nhà nước.
Số lượng công ty sản xuất sơn tại Việt Nam chủ yếu thuộc quyền sở hữu Nhà nước Tại miền Bắc, vẫn duy trì 3 công ty sơn (2 ở Hà Nội và 1 ở Hải Phòng) từ giai đoạn 1954 – 1975, cùng với một xưởng nhỏ sản xuất sơn của hải quân Ở miền Trung, có một xí nghiệp sơn nhỏ thuộc Công ty kỹ thuật hóa chất Đà Nẵng, thuộc Tổng Cục Hóa Chất Trong khi đó, miền Nam chỉ có một Công ty sơn Đồng Nai, được cải tạo từ hãng sơn tư nhân Hồng Phát, nhưng chưa kịp sản xuất trước khi nhà nước tiếp quản vào đầu năm 1975.
D Giai đoạn 1990 - 2008: Năm 1986, kinh tế Việt Nam bắt đầu bước vào thời kỳ
Ngành sơn Việt Nam đã trải qua một quá trình chuyển biến tích cực kể từ năm 1990, đánh dấu sự hội nhập và phát triển trong nền kinh tế thị trường Từ đó đến nay, ngành này đã duy trì mức tiêu thụ trung bình khoảng 10.000 tấn sơn trang trí mỗi năm Tuy nhiên, sản phẩm chủ yếu vẫn do trong nước sản xuất, với sơn dầu alkyd có chất lượng và công nghệ chưa cao, chưa đáp ứng đủ yêu cầu về số lượng, chất lượng và đa dạng chủng loại.
Hình 1.4 Dây chuyền sản xuất sơn hiện đại
- Nhận xét chung về thị phần và phân chia thị phần sơn Việt Nam thấy rằng:
+ Cho đến năm 2008 các doanh nghiệp có vốn đầu tư nước ngoài (khoảng hơn
30 doang nghiệp) vẫn chiếm 60% thị phần, 40% còn lại là phần các doanh nghiệp Việt Nam
Sơn trang trí chiếm 64-66% tổng sản lượng nhưng chỉ mang lại 41-45% giá trị, với mức tăng trưởng trung bình 15-20% mỗi năm Việt Nam đang trở thành “điểm nóng” thu hút đầu tư trong ngành công nghiệp sơn, dẫn đến sự gia tăng số lượng doanh nghiệp sản xuất Hiệp hội ngành nghề sơn - mực in Việt Nam (VPIA) được thành lập vào ngày 25/4/2008, quy tụ 112 hội viên, trong đó có 54 doanh nghiệp sản xuất sơn VPIA là thành viên chính thức của tổ chức APIC, mặc dù còn non trẻ với 64 hội viên sản xuất sơn - mực in trong tổng số khoảng 280 doanh nghiệp trong cả nước Trong bối cảnh khủng hoảng kinh tế toàn cầu, VPIA đang nỗ lực hội nhập và hy vọng ngành sơn mực in Việt Nam sẽ phục hồi và phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực sơn bảo vệ và tàu biển.
Mục tiêu đề tài
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và lựa chọn giải pháp công nghệ mang tính tối ưu cho hệ thống pha chế sơn tự động
- Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển phù hợp cho hệ thống pha chế sơn tự động
- Thiết kế và chế tạo mô hình pha chế sơn tự động theo các kích thước và đặc tính:
• Hệ thống điều khiển: bộ điều khiển PLC S7-1200
• Hệ thống cảm biến: cảm biến hồng ngoại, cảm biến lưu lượng
• Hệ thống chiết rót: van điện từ đóng mở,
• Hệ thống truyền động: động cơ điện một chiều, bộ truyền đai
• Cơ cấu đẩy và đóng nắp sản phẩm: xi lanh khí nén
• Hệ thống dẫn động: băng chuyền kích thước(dài x rộng) 700x80 mm
• Điện áp cung cấp: nguồn điện xoay chiều 220V.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp lý thuyết
Nghiên cứu các giáo trình và học liệu liên quan đến cảm biến, hệ thống đo lường và kỹ thuật tự động hóa là rất quan trọng Việc tham khảo và tổng hợp kiến thức từ nhiều nguồn như Internet, sách báo sẽ giúp nâng cao hiểu biết và ứng dụng hiệu quả trong lĩnh vực này.
- Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các loại cảm biến, các loại cơ cấu chấp hành được dùng trong đề tài
- Nghiên cứu và vận dụng các ứng dụng của bộ điều khiển PLC trong đề tài.
Phương pháp thực nghiệm
- Tìm hiểu các đề tài, mô hình thực tế trên thị trường đã có sẵn để nguyên cứu
- Thiết kế sản phẩm trên các phần mềm thiết kế 3D như: Iventor,NX…
- Lập trình và mô phỏng hệ thống trên phần mềm Tial Portal và WinCC, tối ưu hóa hệ thống trước khi gia công
- Gia công các chi tiết chưa có sẵn trên thị trường và tổng hợp các chi tiết chế tạo mô hình hoàn chỉnh
- Chạy thử nghiệm mô hình thực tế và đánh giá các tiêu chí nhằm cải tiến và nâng cấp mô hình đạt sự tối ưu vượt trội.
Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của hệ thống pha chế sơn
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống
Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
- Khi cấp nguồn điện và khí cho hệ thống, nhấn nút START hệ thống bắt đầu hoạt động, đèn START sáng
- Sau đó, nếu trong module cấp phôi có chứa phôi, cảm biến N1 báo có phôi và đưa tín hiệu về bộ điều khiển, băng chuyền bắt đầu hoạt động
- Khi băng chuyền hoạt động ổn định, xi lanh X1 có nhiệm vụ cấp phôi đẩy lon ra khỏi module và băng chuyền vận chuyển lon đến khâu chiết rót
Khi đến giai đoạn chiết rót, lon sẽ gặp cảm biến N2 để dừng lại và thực hiện quá trình chiết rót Sơn từ bể chứa sẽ chảy xuống lon thông qua các van điện từ được điều khiển đóng mở, và lượng sơn chảy vào lon sẽ được đo đạc chính xác nhờ cảm biến lưu lượng.
Khi lượng sơn được cung cấp đầy đủ theo yêu cầu của người vận hành, van điện từ sẽ khóa lại, và băng chuyền sẽ đưa lon đến khâu trộn sơn, bắt đầu tiến trình trộn sơn.
Khi đến giai đoạn trộn sơn, cảm biến N3 sẽ phát hiện lon và dừng băng chuyền Lúc này, xi lanh X2 sẽ di chuyển động cơ từ trên xuống dưới để thực hiện quá trình trộn sơn trong vòng 3 giây.
Sau khi lon được đưa vào khâu cấp nắp, cảm biến N4 sẽ phát hiện sự xuất hiện của lon và ngay lập tức dừng băng chuyền Đồng thời, cảm biến N5 sẽ kiểm tra sự có mặt của nắp trên module cấp nắp và gửi tín hiệu để điều khiển xi lanh X3 thực hiện quá trình cấp nắp cho hệ thống.
Xi lanh dập nắp X4 đảm nhận vai trò quan trọng trong việc đóng nắp lon Sau khi hoàn thành quá trình đóng nắp, băng chuyền sẽ di chuyển lon đến vị trí cuối cùng, đánh dấu sự kết thúc của một chu trình hoạt động trong hệ thống.
Trong quá trình vận hành, nút nhấn STOP đóng vai trò quan trọng trong việc dừng khẩn cấp hệ thống khi xảy ra sự cố, nhằm đảm bảo an toàn cho người sử dụng và thiết bị.
Hình 2.2 Sơ đồ vị trí các chi tiết của hệ thống tổng thể
Thông số đầu vào của hệ thống:
- Chiều dài băng chuyền: Lbc= 700 mm
- Chiều rộng băng chuyền: Rbc mm
- Kích thước lon (đường kính x chiều cao): 65x70 mm
- Thể tích sơn tối đa trong lon: 200 ml
- Trọng lượng lon: m max=0.2 kg, m min=0.1 kg
- Năng suất mong muốn: N= 4 (lon/phút)
Phương pháp pha chế sơn
Nguyên lý tạo màu
Màu cơ bản là nhóm màu có khả năng kết hợp để tạo ra dải màu hữu ích Trong các ứng dụng thực tiễn, ba màu cơ bản thường được sử dụng, tương ứng với các màu mà mắt người có thể nhận diện.
Màu cơ bản, hay còn gọi là màu gốc và màu sơ cấp, là những màu sắc không thể tạo ra bằng cách trộn lẫn các màu khác trong một không gian màu Các màu gốc có khả năng kết hợp với nhau để tạo ra mọi màu sắc khác trong không gian màu đó Trong trường hợp không gian màu được xem như một không gian véctơ, các màu gốc sẽ hình thành nên hệ cơ sở cho không gian đó.
Kết hợp các màu cơ bản để tạo ra các màu khác có nhiều cách:
Pha màu theo phép cộng màu:
- Pha màu theo phép cộng màu là phương pháp pha trộn ánh sáng màu phát ra từ nguồn sáng
Hình 2.3 Phối màu cộng trong hệ RGB
Pha màu theo phép cộng màu dựa trên ba màu chính: Đỏ, Xanh lục và Xanh dương Các màu sơ cấp này là nền tảng cho việc tổng hợp màu sắc trong quá trình pha trộn.
Mắt người nhạy cảm với ba vùng quang phổ chính, tương ứng với màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam Vì vậy, chỉ cần sử dụng ba nguồn sáng cơ bản này để tạo ra cảm giác về hầu hết các màu sắc.
Pha màu theo phép cộng màu là quá trình hoạt động với bất kỳ vật thể nào phát ra hoặc tỏa ra ánh sáng Khi các bước sóng ánh sáng khác nhau được trộn lẫn, chúng tạo ra những màu sắc đa dạng Sự gia tăng ánh sáng sẽ làm cho màu sắc trở nên sáng hơn và nhạt hơn.
Phương pháp pha màu theo phép cộng màu sử dụng ba màu chính là Đỏ, Xanh lá cây và Xanh dương (RGB), tạo nền tảng cho tất cả các màu hiển thị trên màn hình Trong phương pháp này, màu trắng là kết quả của sự kết hợp các màu sắc, trong khi màu đen biểu thị sự thiếu vắng màu sắc.
Pha màu theo phép trừ màu:
- Pha màu theo phép trừ màu là phương pháp hòa trộn màu trên bảng vẽ
Hình 2.4 Phối màu trừ từ 3 màu cơ bản: Đỏ, Vàng, Lam
Pha màu theo phép trừ màu dựa trên nguyên lý ánh sáng phản xạ, trong đó sắc tố đặc biệt phản chiếu các bước sóng ánh sáng khác nhau thay vì phát tán ánh sáng ra ngoài Sự phản chiếu này quyết định màu sắc mà mắt người nhìn thấy.
Với đề tài pha chế sơn tự động nhóm lựa trọn phương pháp pha chế màu theo phép trừ màu được sử dụng rộng rãi trong ngành hội họa.
Phương pháp pha chế
Cảm biến lưu lượng và bơm lưu lượng thường được sử dụng để đo lượng sơn của từng màu, giúp xác định tỷ lệ chính xác của các màu cơ bản Qua đó, quy trình này cho phép tạo ra nhiều màu sắc phong phú từ những màu cơ bản.
Một số phương pháp đo lưu lượng thường dùng:
- Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp-Differential Pressure
- Đo lưu lượng theo nguyên lý Vortex
- Đo lưu lượng theo nguyên lý từ tính
- Đo lưu lượng theo nguyên lý Turbine
- Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt
Với đề tài lần này nhóm lựa chọn cảm biến lưu lượng dạng Turbine để đo lượng sơn với giá thành rẻ và dễ dàng vận hành, bảo trì.
Tổng quan về PLC
Giới thiệu về PLC Siemens
2.3.1.1 Giới thiệu chung về PLC
Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng tạo từ những ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor vào năm
Năm 1968, sự phát triển của công nghệ máy tính đã dẫn đến sự ra đời của bộ điều khiển lập trình (PLC), mang lại nhiều ưu điểm trong ứng dụng điều khiển công nghiệp PLC được xem như một máy tính thu nhỏ với tiêu chuẩn công nghiệp cao và khả năng lập trình logic mạnh mẽ Đây là đầu não quan trọng và linh hoạt trong hệ thống tự động hóa, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.
Hình 2.5 Bộ điều khiển PLC Siemens
PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình PLC để thực hiện một chuỗi các sự kiện, được kích hoạt bởi các tín hiệu đầu vào hoặc thông qua các hoạt động có độ trễ như thời gian định thì và các sự kiện đếm PLC thường được sử dụng để thay thế các mạch relay trong các ứng dụng thực tế.
2.3.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của PLC
Bộ xử lý trung tâm (CPU) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống PLC, chứa bộ vi xử lý và thực hiện việc biên dịch các tín hiệu được nhập vào Sau đó, CPU sẽ thực hiện các hành động điều khiển dựa trên các lệnh được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC, đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả của toàn bộ hệ thống.
Bộ nguồn có vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện áp AC thành DC 24V, cung cấp năng lượng cần thiết cho các bộ vi xử lý và mạch điện trong module giao tiếp nhập và xuất.
- Bộ nhớ: Lưu trữ các chương trình để sử dụng cho các hoạt động dưới sự quản lý của bộ vi xử lý
Các thành phần giao tiếp nhập/xuất đóng vai trò quan trọng trong việc nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền tải đến các thiết bị điều khiển Tín hiệu đầu vào có thể đến từ công tắc hoặc cảm biến, trong khi tín hiệu đầu ra có thể được gửi đến động cơ hoặc biến tần.
- Chương trình điều khiển được nạp vào với sự giúp đỡ của bộ lập trình hay bằng máy vi tính
Hình 2.6 Cấu trúc chung của PLC
PLC hoạt động bằng cách quét các trạng thái của đầu ra và đầu vào Khi đầu vào có sự thay đổi, đầu ra sẽ phản ánh sự thay đổi đó.
Các tín hiệu từ thiết bị ngoại vi như cảm biến và công tắc được truyền vào CPU qua module đầu vào Sau khi tiếp nhận tín hiệu, CPU sẽ xử lý và gửi các tín hiệu điều khiển qua module đầu ra để điều khiển các thiết bị bên ngoài theo chương trình đã được lập trình sẵn.
Một chu kỳ quét, hay còn gọi là vòng quét, bao gồm các bước quan trọng như đọc tín hiệu đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội bộ, tự kiểm tra lỗi và gửi cập nhật tín hiệu đầu ra.
2.3.1.3 Ngôn ngữ lập trình PLC
PLC thường có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản sau:
Ngôn ngữ lập trình "liệt kê lệnh" (STL - Statement List) là một dạng ngôn ngữ lập trình phổ biến cho máy tính Chương trình trong ngôn ngữ này được cấu thành từ nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, với mỗi lệnh chiếm một dòng và có cấu trúc chung là "tên lệnh" cộng với "toán hạng".
- Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu là LAD (Ladder Logic) Đây là dạng ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển logic
Ngôn ngữ hình khối, hay còn gọi là FBD (Function Block Diagram), là một loại ngôn ngữ đồ họa phù hợp cho những người có kinh nghiệm trong thiết kế mạch điều khiển số.
Giới thiệu phần mềm Tia Portal và WinCC
Giới thiệu chung về Tia Portal và WinCC
Năm 2009, Siemens ra mắt PLC S7-1200 cùng phần mềm Tia Portal V10.5, tích hợp Step 7 Basic cho lập trình PLC và WinCC Basic cho màn hình KTP Kể từ năm 2010, Siemens đã liên tục cải tiến phần mềm này, nâng cấp từ V10.5 lên tới V17 Hiện nay, Tia Portal không chỉ hỗ trợ lập trình cho các bộ Controller mà còn cho phép thiết kế giao diện HMI, SCADA và cấu hình Driver của Siemens.
Hình 2.10 Giao diện phần mềm Tial Portal
- “1”: Tên của chương trình lưu ban đầu
- “2”: Device configuration: Cấu hình thêm phần cứng
- “3”: Main [OB1]: Nơi viết chương trình OB1
- “4”: Download tất cả cấu hình phần cứng và phần mềm cho PLC S7-1200
- “5”: Upload tất cả cấu hình phần cứng và phần mềm cho PLC S7-1200
- “8”: Chức năng cài đặt các thông số của cổng mạng
- “9”: Cài đặt địa chỉ ngõ vào ra số, tương tự, bộ đếm tốc độ cao…
TIA Portal là phần mềm mô phỏng và vận hành ảo, cho phép thiết kế kỹ thuật số hiệu quả cho các quy trình làm việc tích hợp và ứng dụng mở rộng với bộ điều khiển Simatic S7 và ổ đĩa Sinamic S210 WinCC của Siemens là phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện HMI và xử lý dữ liệu trong hệ thống SCADA Việc tích hợp WinCC vào TIA Portal mang lại sự "Tích hợp toàn diện", cho phép lập trình PLC và thiết kế giao diện HMI thực hiện trên cùng một chương trình Điều này giúp thông tin giữa PLC và SCADA dễ dàng trao đổi và có cấu trúc thống nhất.
Tính năng của phần mềm Tia Portal V15.1
Hỗ trợ lập trình truyền thông trực tiếp trên phần mềm như giao diện HMI, WinCC và truyền thông Profibus với giao diện và tập lệnh dễ sử dụng Người dùng có thể dễ dàng thiết lập cấu hình kết nối giữa các thiết bị trong mạng truyền thông Ngoài ra, phần mềm còn hỗ trợ mô phỏng trực quan các dòng PLC mới nhất của Siemens thông qua PLCSIM.
Tia Portal là phần mềm nền tảng cho việc tích hợp các phần mềm lập trình của Siemens, cho phép chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu Điều này tạo ra sự thống nhất về giao diện và tính toàn vẹn cho ứng dụng Ví dụ, người dùng có thể cấu hình tất cả các thiết bị và mạng truyền thông trên cùng một cửa sổ.
Tia Portal mang đến nhiều ứng dụng hữu ích cho người dùng, bao gồm các khái niệm về thư viện, quản lý dữ liệu, lưu trữ dự án, chẩn đoán lỗi và các tính năng online Tất cả các bộ điều khiển PLC, màn hình HMI và bộ truyền động của Siemens đều được lập trình và cấu hình trên nền tảng này, giúp tiết kiệm thời gian và công sức trong việc thiết lập truyền thông giữa các thiết bị Chẳng hạn, người dùng có thể dễ dàng sử dụng tính năng “kéo và thả” để chuyển một biến từ chương trình điều khiển PLC vào màn hình của chương trình HMI.
Tổng quan về hệ thống cơ khí
Băng tải
Băng tải là thiết bị cơ khí chuyên dụng để vận chuyển hàng hóa và vật tư từ vị trí này sang vị trí khác theo một lộ trình cố định Thiết bị này rất hữu ích trong việc di chuyển các vật liệu nặng và cồng kềnh, giúp tăng tốc độ và hiệu quả vận chuyển Ngoài ra, việc sử dụng băng chuyền còn giảm thiểu nguy cơ chấn thương cho người lao động, đặc biệt là các chấn thương liên quan đến lưng, đầu gối và vai.
Hình 2.11 Băng tải dây đai PVC
Cấu tạo băng tải gồm các cơ cấu như sau:
Nguyên lý hoạt động của băng tải dựa vào việc động cơ khởi động, khiến rulô quay nhờ lực ma sát, từ đó giúp dây băng tải di chuyển Tốc độ của dây băng có thể được điều chỉnh tùy theo nhu cầu vận chuyển Khi sản phẩm hoặc vật liệu được đặt lên bề mặt băng tải, chúng sẽ được di chuyển nhờ vào sự chuyển động của dây băng tải.
Băng tải xích bao gồm nhiều loại như xích tấm, xích gỗ, xích inox, xích nhựa và xích cào Việc lựa chọn loại động cơ phù hợp sẽ phụ thuộc vào kích thước, trọng lượng của hàng hóa cần vận chuyển và tốc độ vận chuyển yêu cầu.
Băng tải con lăn trọng lực được chế tạo từ các con lăn bằng thép hoặc inox, hoạt động dựa vào lực hấp dẫn để vận chuyển hàng hóa Khung chân của băng tải cũng được làm từ thép hoặc inox, cho phép sử dụng trên nền đất một cách ổn định, giúp dễ dàng đẩy băng tải ra để vận chuyển hàng hóa một cách hiệu quả.
Băng tải con lăn dùng động cơ kết hợp tính năng tự động hóa, giúp giảm sức lao động của con người Thiết bị này cho phép di chuyển, điều hướng và dừng hàng hóa dễ dàng thông qua các nút nhấn được thiết kế sẵn, mang lại sự tiện lợi trong quá trình vận chuyển.
Động cơ điện một chiều
Động cơ một chiều DC (từ viết tắt của Direct Current Motors) là loại động cơ hoạt động nhờ vào dòng điện có hướng xác định, tức là sử dụng nguồn điện áp một chiều (DC).
Hình 2.12 Động cơ điện một chiều
- Stator: thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện
- Rotor: là phần lõi có quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện
- Chổi than (brushes): nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp
- Cổ góp (commutator): nhiệm vụ tiếp xúc và chia điện cho các cuộn dây trên rotor Số lượng các điểm tiếp xúc tương ứng với số cuộn trên rotor
Hình 2.13 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều
- Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, tạo ra chuyển động quay của rotor
- Pha 2: Rotor tiếp tục quay;
- Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho sẽ đẩy từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1
Hình 2.14 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
Căn cứ vào phương pháp kích từ, có thể chia động cơ điện 1 chiều thành những loại như sau:
- Động cơ điện 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu
- Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
- Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp
- Động cơ điện 1 chiều kích từ song song
- Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp gồm 2 cuộn dây kích từ 1 cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn mắc song song với phần ứng.
Xi lanh khí nén
Xi lanh khí nén, hay còn gọi là ben khí nén, là một thiết bị cơ học sử dụng năng lượng từ khí nén để tạo ra lực, phục vụ cho các chuyển động trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Hình 2.15 Xi lanh khí nén
Xi lanh khí nén có cấu tạo gồm các bộ phận chính như sau:
- Lỗ cấp khí (cap-end port)
- Lỗ thoát khí (rod-end port)
Hình 2.16 Cấu tạo xi lanh khí nén
Xi lanh của máy nén khí chuyển hóa năng lượng khí nén thành động năng, giúp piston di chuyển theo hướng mong muốn của người dùng và truyền động đến thiết bị bên ngoài.
- Xi lanh khí nén tác động đơn
- Xi lanh khí nén tác động kép
- Xi lanh khí nén tròn
- Xi lanh khí nén vuông.
Bộ truyền đai
Bộ truyền động đai gồm ba thành phần chính: bánh dẫn, bánh bị dẫn và dây đai căng giữa hai bánh Dây đai có thể được chế tạo từ da thuộc, vải dệt nhiều lớp hoặc vải đúc kết hợp với cao su.
Hình 2.17 Bộ truyền đai dẹt
Bộ truyền đai hoạt động dựa trên nguyên lý ma sát, trong đó công suất từ bánh chủ động được truyền đến bánh bị động thông qua lực ma sát giữa dây đai và bánh đai.
- Theo tiết diện đai: bao gồm đai dẹt, đai hình thang, đai răng lược, đai tròn, đai răng, đai lục giác
- Theo kiểu truyền động: truyền động giữa hai trục song song cùng chiều, truyền động giữa hai trục song song ngược chiều, truyền động giữa các trục chéo nhau.
Tổng quan về hệ thống điện điều khiển
Cảm biến hồng ngoại phát hiện phôi
Cảm biến hồng ngoại (IR Sensor) là thiết bị điện tử có khả năng đo lường và phát hiện bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh.
Hình 2.18 Cảm biến hồng ngoại AMOS
Cấu tạo cảm biến hồng ngoại bao gồm các chi tiết sau:
- Đèn led hồng ngoại: thiết bị phát ra nguồn sáng hồng ngoại
- Máy dò hồng ngoại: thiết bị nhận tín hiệu và phát hiện bức xạ hồng ngoại phản xạ trở lại
- Điện trở: hiết bị có tác dụng cản trở cường độ dòng điện quá lớn chạy quá đèn led làm hệ thống chập cháy
Hình 2.19 Cấu tạo cảm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại hoạt động bằng cách sử dụng cảm biến ánh sáng để phát hiện bước sóng trong phổ hồng ngoại (IR) Khi sử dụng đèn LED phát ra ánh sáng cùng bước sóng, người dùng có thể đo cường độ ánh sáng nhận được Khi một vật thể lại gần cảm biến, ánh sáng từ đèn LED phản xạ từ vật thể vào cảm biến, tạo ra sự gia tăng cường độ ánh sáng, điều này có thể được phát hiện qua ngưỡng đã được thiết lập.
Cảm biến hồng ngoại được chia thành 2 loại là cảm biến hồng ngoại chủ động và cảm biến hồng ngoại thụ động.
Cảm biến hồng ngoại thụ động chỉ nhận các tia hồng ngoại phát ra từ các vật thể như người, động vật hoặc nguồn nhiệt khác mà không tự phát ra tia hồng ngoại Khi phát hiện nguồn nhiệt, cảm biến sẽ phân tích để xác định điều kiện báo động, do đó được gọi là thụ động, chỉ có chức năng phát hiện mà không phải là nguồn phát tia hồng ngoại.
Cảm biến hồng ngoại chủ động (Active Infrared) bao gồm hai thành phần chính: diode phát sáng và máy thu Khi một vật thể tiếp cận gần, ánh sáng hồng ngoại phát ra từ đèn LED sẽ phản xạ lại từ vật thể, giúp máy thu phát hiện sự hiện diện của nó Loại cảm biến này hoạt động như một cảm biến tiệm cận và thường được sử dụng để phát hiện các chướng ngại vật.
Cảm biến lưu lượng nước
Cảm biến lưu lượng, hay còn gọi là đồng hồ đo lưu lượng, là thiết bị điện tử dùng để đo và điều chỉnh tốc độ dòng chảy của chất lỏng và khí trong ống.
Hình 2.20 Cảm biến lưu lượng YF-S401
Cảm biến lưu lượng nước bao gồm:
- Một thiết bị phát hiện và đo tốc độ dòng chất lỏng
- Một bộ chuyển đổi tín hiệu đầu ra dưới dạng điện áp, dòng điện hoặc dạng xung vuông
Khi chất lỏng chảy qua cảm biến, thiết bị phát hiện dòng chảy như tuabine, thiết bị phát sóng siêu âm hoặc từ trường sẽ gửi tín hiệu đến bộ chuyển đổi Bộ chuyển đổi sau đó sẽ xuất tín hiệu đầu ra tương ứng với lưu lượng chất lỏng dưới dạng điện áp, dòng điện hoặc xung vuông.
- Cảm biến đo lưu lượng nước siêu âm
- Cảm biến đo lưu lượng nước điện từ
- Cảm biến đo nước dựa vào chênh lệch áp suất
- Cảm biến lưu lượng nước theo nguyên lý Coriolis
- Cảm biến đo lưu lượng nước Turbine
Van điện từ đóng mở
Van điện từ là thiết bị sử dụng từ trường để điều khiển việc đóng mở và kiểm soát lưu chất trong hệ thống ống dẫn Van này hoạt động với nguồn điện 24V, 220V xoay chiều hoặc một chiều, mang lại hiệu quả cao trong việc quản lý dòng chảy.
Hình 2.21 Van điện từ đóng mở UD-30
Thân van, thường được chế tạo từ đồng hoặc gang, là thành phần quan trọng trong các hệ thống nước, hơi và khí nén Đối với các môi trường có nhiệt độ cao hoặc hóa chất ăn mòn, thân van có thể được làm từ nhựa hoặc inox để đảm bảo độ bền và hiệu suất tối ưu.
Đệm van và màng van được chế tạo từ các vật liệu chất lượng như cao su EPDM, Teflon (PTFE), Buna và Viton Chúng có chức năng quan trọng trong việc làm kín, giúp ngăn chặn sự rò rỉ nước hiệu quả.
- Plunger (Piston): Là bộ phận trực tiếp giúp van đóng hoặc mở, được làm từ vật liệu inox
Lò xo van, được chế tạo từ inox với độ đàn hồi tốt, đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển trục van lên xuống để mở và đóng van Thông thường, lò xo của van điện từ được thiết kế với áp suất khoảng 8-10 bar, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
Coid (cuộn điện của van) là bộ phận quan trọng tạo ra từ trường cho van hoạt động Coid được quấn từ dây đồng và sử dụng nguồn điện phổ biến như 24V, 110V hoặc 220V.
Hình 2.22 Cấu tạo van điện từ đóng mở
Van hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, khi dòng điện chạy qua cuộn dây sẽ tạo ra từ trường Từ trường này kéo pit tông lên, làm cho pit tông rời khỏi vị trí ban đầu, từ đó điều chỉnh dòng lưu chất, có thể cho phép lưu chất đi qua hoặc chặn hoàn toàn.
Van điện từ đóng mở được chia làm hai loại sau:
- Van điện từ thường đóng
- Van điện từ thường mở
Van điện từ khí nén
Van điện từ khí nén là thiết bị điều khiển quan trọng trong hệ thống khí nén, giúp điều chỉnh chuyển động của thiết bị và kiểm soát áp lực cũng như lưu lượng khí cung cấp cho cơ cấu chấp hành Các loại van khí nén được phân loại theo chức năng riêng biệt, bao gồm nhiều loại cơ bản khác nhau.
Hình 2.23 Van điện từ khí nén AirTac 5/2
Thân van thường được chế tạo từ nhôm, mang lại trọng lượng nhẹ và độ bền cao trong quá trình vận hành Thiết kế của thân van bao gồm 2 vị trí truyền động và 5 cửa, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.
Nòng van, hay còn gọi là thanh trượt, là bộ phận quan trọng trong hệ thống điều khiển khí Khi nhận tín hiệu tác động, thanh trượt sẽ di chuyển qua lại, dẫn đến sự thay đổi vị trí của chốt van, từ đó thay đổi hướng dòng khí một cách hiệu quả.
- Tín hiệu tác động: Khi nhận được các tín hiệu tác động (dòng khí nén, cuộn dây điện ) sẽ đẩy thanh trượt của van di chuyển.
Hình 2.24 Cấu tạo van điện từ khí nén
Van hoạt động nhờ vào các nguồn cấp điện 12V, 24V, 110V và 220V
Trong van có một cuộn dây, khi được cấp điện, từ trường sinh ra trong cuộn dây làm piston thắng lực đàn hồi của lò xo, dẫn đến việc piston di chuyển lên, xuống hoặc qua lại tùy theo loại van (van mở) Khi ngừng cấp điện, lực đàn hồi của lò xo sẽ kéo hoặc đẩy piston trở về vị trí ban đầu, đóng van lại.
Cuộn dây trong van có chức năng chuyển đổi điện năng thành cơ năng và thực hiện lần lượt thao tác đóng/ mở van
Theo thiết kế cấu hình van:
Van điện từ khí nén được phân loại dựa trên số cửa, số vị trí và số tín hiệu điện thế, bao gồm các loại như van 2/2 hai cửa hai vị trí, van 3/2 ba cửa hai vị trí, van 4/2 bốn cửa hai vị trí, van 5/2 năm cửa hai vị trí và van 5/3 năm cửa ba vị trí.
Số cửa của van điện từ nén khí là số lỗ giúp dẫn khí nén vào hoặc ra Các loại van này thường có 2, 3, 4 hoặc 5 cửa, mặc dù trong một số trường hợp có thể có nhiều hơn, nhưng các loại 2 đến 5 cửa vẫn là phổ biến nhất.
Số tín hiệu điện thế từ cuộn coil là yếu tố quan trọng để điều khiển con trượt di chuyển giữa các vị trí khác nhau Thông thường, hệ thống này sử dụng một hoặc hai cuộn coil để thực hiện chức năng đẩy hoặc hút con trượt.
Vị trí của van được xác định bởi số chỗ định vị, thường là 2 hoặc 3 Tuy nhiên, trong một số trường hợp đặc biệt, số lượng vị trí có thể nhiều hơn.
Với cách phân loại này thì van điện từ khí nén được chia thành 3 loại sử dụng 3 nguồn điện khác nhau là: 220V, 24V và 12V
Van điện áp 220V là thiết bị phổ biến trong hệ thống điện dân dụng ở Việt Nam, trong khi van sử dụng dòng điện một chiều 12V và 24V lại ít được sử dụng và khá hiếm.
Gồm có 2 loại chính là:
- Van thường mở (NO): Van mở khi ngắt nguồn điện và đóng khi có nguồn điện chạy qua
- Van thường đóng (NC): Van mở khi có dòng điện chạy qua và đóng khi không có điện.
Nút nhấn
Nút nhấn là một loại khí cụ dùng để đóng ngắt từ xa các thiết bị điện, máy móc hoặc một số loại quá trình trong điều khiển
Cấu tạo của nút nhấn bao gồm:
Hình 2.26 Cấu tạo nút nhấn
Nút nhấn tự trả về vị trí ban đầu, có nghĩa là khi được tác động, các tiếp điểm của nó thay đổi trạng thái: tiếp điểm thường mở sẽ đóng lại, trong khi tiếp điểm thường đóng sẽ mở ra Khi không còn tác động, các tiếp điểm sẽ trở về trạng thái ban đầu.
Rơle trung gian
Rơle trung gian là thiết bị chuyển mạch tín hiệu điều khiển và khuếch đại chúng, có kích thước nhỏ gọn Thiết bị này được lắp đặt ở vị trí trung gian, kết nối giữa thiết bị điều khiển công suất nhỏ và thiết bị công suất lớn hơn.
Hình 2.27 Relay trung gian ECNKO
Cấu tạo của rơ le trung gian bao gồm 2 phần chính là:
- Mạch tiếp điểm (mạch lực)
Cuộn hút (nam châm điện) bao gồm ba thành phần chính: lõi thép động, lõi thép tĩnh và cuộn dây Cuộn dây có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh cường độ và điện áp, có thể được sử dụng để cuộn riêng từng yếu tố hoặc đồng thời cả hai.
Hình 2.28 Cấu tạo relay trung gian
Khi dòng điện đi qua rơ le, nó kích hoạt cuộn dây bên trong, tạo ra một từ trường hút Từ trường này tác động lên đòn bẩy, dẫn đến việc đóng hoặc mở các tiếp điểm điện, từ đó thay đổi trạng thái của rơ le Số lượng tiếp điểm điện thay đổi có thể là một hoặc nhiều, tùy thuộc vào thiết kế của rơ le.
Relay trung gian được phân loại theo số lượng chân như sau:
Van tiết lưu khí nén
Van tiết lưu khí nén là thiết bị giúp điều chỉnh và giảm tốc độ dòng chảy của khí nén trong mạch nén khí, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho máy nén khí và hệ thống khí nén.
Hình 2.29 Van tiết lưu khí nén
Cấu tạo của một van tiết lưu khí nén bao gồm:
Hình 2.30 Cấu tạo van tiết lưu khí nén
Khi môi chất chảy qua các van trong ống, áp suất sẽ giảm do sự xuất hiện của dòng xoáy và ma sát Mức độ giảm áp suất này phụ thuộc vào tính chất và trạng thái của môi chất, độ co hẹp của ống dẫn, cũng như tốc độ dòng chảy.
Việc điều chỉnh van tiết lưu khí nén có thể làm giảm hiệu suất của môi chất Tuy nhiên, trong một số trường hợp, việc tạo ra sự tiết lưu là cần thiết để điều chỉnh công suất của các thiết bị như đo lưu lượng và giảm áp.
Van tiết lưu 1 chiều điều khiển bằng tay
- Van có tiết diện không thay đổi được
- Van có tiết diện thay đổi được
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHA
Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí
Tính chọn động cơ
Yêu cầu bài toán: Tính toán công suất cần thiết trên trục động cơ P dc
Thông số đầu vào của bài toán:
- Tải trọng lon tối đa: P max =2N
- Năng suất mong muốn: N= 4 (lon/phút)
- t 1: Thời gian xilanh 1 đẩy lon ra (t 1 =1s)
- t 2: Thời gian trung bình các van điện đóng mở hoạt động (t 2 =5s)
- S 1: Quãng đường từ vị trí đầu băng chuyền đến vị trí chiết rót (S 1 8mm)
- S 2: Quãng đường từ vị trí chiết rót đến vị trí trộn (S 2 1mm)
- S 3: Quãng đường từ vị trí trộn đến vị trí dập nắp (S 3 5mm)
Công suất động cơ chuyền động cho băng chuyền được tính theo công thức:
- P dc : Công suất cần thiết trên trục động cơ
- P tt : Công suất tính toán trên máy công tác
- : Hiệu suất truyền động hệ thống
Trong quá trình vận chuyển, tải trọng băng chuyền không đổi:
P lv : Công suất làm việc trên trục máy công tác
Băng chuyền hoạt động dựa vào nguyên lý chuyển động nhờ lực ma sát giữa băng tải và con lăn, theo nguyên lý bộ truyền đai dẹt Việc tính toán băng chuyền cần được thực hiện tại thời điểm lon có khối lượng lớn nhất, khi lực tác dụng đạt mức cao nhất.
Hình 3.1 Phân tích lực trên băng chuyền
- P max : Trọng lực có khối lượng lớn nhất
- T: Lực căng của băng tải
- 𝜶: Góc võng của băng chuyền xét tại thời điểm chịu lực lớn nhất Áp dụng định luật II Newton ta có:
- F m s: Lực ma sát mà băng tải và con lăn tạo ra
- : Hệ số ma sát giữa con lăn và băng tải
2tan max tb lv k tb
- v tb : Vận tốc trung bình của băng chuyền
Thời gian lon đi hết một chu trình là:
Với hiệu suất mong muốn: N = 4 ( lon/phút)
Thay số vào công thức (3): v tb = 72 (mm/s)
: Hệ số ma sát giữa con lăn và mặt tiếp xúc bằng cao su
Băng tải có kích thước bé, tải trọng thấp cho nên góc võng là không đáng kể max 0,5
Tính : Động cơ truyền cho băng tải thông qua một bộ bánh đai và một cặp ổ lăn:
- d : Hiệu suất của bộ truyền đai để hở
- e : Hiệu suất của cặp ổ lăn được che kín
Tra bảng 2.3 sách “ Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động” tập 1, Trịnh Chất- Lê Văn Uyển
Lựa chọn động cơ băng tải:
Từ công suất tính toán được ở trên, nhóm tác giả lựa chọn động cơ JB37
- Tốc độ quay: 170 vòng/phút
Lựa chọn động cơ trộn sơn:
- Tốc độ không tải: 370 vòng / phút
Tính chọn xy lanh
Tính toán xilanh đẩy lon:
- Tính đường kính pistong của xi lanh đẩy lon: d d
Thông số đầu vào bài toán:
- Hệ số ma sát giữa đáy lon và modun cấp lon: m s = 0,3 (hệ số ma sát tính giữa hai vật liệu khô là từ 0,3 – 0,7)
- Phản lực lớn nhất giữa đáy lon và modun cấp lon: N ma x =1N
Hình 3.4 Phân tích lực trên lon Áp dụng định luật II Newton:
=> Để xilanh có thể đẩy được lon với khối lượng m: s x
- F d : Lực cần thiết để đẩy piston
- F s x m ma : Lực ma sát lớn nhất giữa mặt đáy và modun cấp lon
Hành trình đẩy của xilanh h = 75 (mm)
Dựa trên số liệu tính toán, chúng tôi đã lựa chọn 3 xy lanh cho hệ thống, bao gồm: xy lanh MAL16x75-S-CM dùng để cấp lon, xy lanh gá động cơ trộn và xy lanh cấp nắp.
Hình 3.5 Xylanh khí nén MAL16x75-CA
Tính toán xi lanh đóng nắp:
- Tính đường kính pistong của xi lanh đóng nắp: d n
Thông số đầu vào bài toán:
- Phản lực xuất hiện khi trục pistong tiếp xúc với nắp: N n 00 N (Với kích thước lon 65x70 mm)
- Áp suất khí nén, chọn P = 4.10 5 (N/m 2 )
Hình 3.6 Xylanh đóng nắp Áp dụng định luật II Newton:
F = N n n (3.30) Điều kiện để xilanh dập được nắp:
- F n : Là lực cần thiết để đẩy pistong
Chọn d = 25 n mm, hành trình h = 75 (mm)
Dựa vào số liệu tính toán, nhóm lựa chọn xy lanh MAL 25x75:
Hình 3.7 Xy lanh khí nén MAL 25x75
Tính toán bộ truyền đai răng
- Tính số răng của bánh răng chủ động: z1.
- Tính số răng của bánh răng bị động: z2.
- Tính khoảng cách trục giữa bánh răng chủ động và bánh răng bị động: a
Thông số đầu vào bài toán:
- Bán kính con lăn: R mm
- Tỷ số truyền của bộ truyền đai răng: k=2,5
- Vận tốc trung bình của băng tải: vtb = 72 mm/s
- Công suất trên bánh đai chủ động (bằng công suất động cơ): P=4 W
- Hệ số chiều rộng đai (chọn trong khoảng từ 6 đến 9): d =8
Tốc độ góc của động cơ:
= (rad/s) (3.32) Tốc độ quay của động cơ: n = 60 = 115 2
(vòng / phút) (3.33) Modun m của bộ truyền đai răng được xác định theo công thức:
Ta có bảng tra thông số các thông số theo modun m:
Bảng 3.1 Bảng thông số bộ truyền đai theo modul m
Theo bảng trên chọn m=1, k = 2,5 < 7,7 ( thỏa mãn yêu cầu của bảng)
Chiều rộng đai được tính theo công thức: b = d m = 8 ( ) mm (3.36) Với m = 1, chọn z1 = 16
=> z2 = K z1 = 2,5 16 = 40 ( thỏa mãn nhỏ hơn số răng lớn nhất 110)
Khoảng cách trục a được chọn theo điều kiện: amin ≤ a ≤ amax (3.37) Với : amin = 0,5m.( z1 + z2 ) + 2m ; amax = 2m.( z1 + z2)
Ta có công thức tính số răng đai
- p là bước đai ( Tra bảng 3.1 chọn p = 3,14)
Từ những kết quả trên, nhóm chọn puli GT2 loại 16 răng làm puli chủ động , puli GT2 loại 40 răng làm puli bị động
Thiết kế hệ thống cơ khí
3.1.4.1 Thiết kế module vận chuyển lon
Hình 3.9 Module vận chuyển lon
Hệ thống vận chuyển cho lon 200 ml có kích thước 65x70 sử dụng băng chuyền với chiều dài 700mm và chiều rộng 80mm Khung băng chuyền được chế tạo từ nhôm định hình, đảm bảo độ bền và chắc chắn.
Cấu tạo module vận chuyển lon:
- Động cơ điện 1 chiều JB37
3.1.4.2 Thiết kế module cấp lon
Nhóm tác giả đã chọn module cấp lon dạng trụ với sức chứa tối đa 4 lon, được chế tạo từ ống nhựa PVC có độ bền cao, nhằm tối ưu hóa kích thước nhỏ của hệ thống.
Hình 3.10 Module cấp lon dạng trụ
Cấu tạo module cấp lon:
- Cảm biến hồng ngoại phát hiện lon
3.1.4.3 Thiết kế module chiết rót và trộn sơn
Sau khi lon được cấp từ trụ chứa lon, lon được di chuyển đến module chiết rót và trộn sơn
Hình 3.11 Module chiết rót và trộn sơn
Cấu tạo module chiết rót và trộn sơn:
- Van điện từ đóng mở
- Xi lanh đưa động cơ trộn xuống vị trí trộn
- Thùng chứa sơn dạng trụ
3.1.4.4 Thiết kế module cấp nắp
Sau khi chiết rót và trộn đủ lượng sơn, động cơ băng tải tiếp tục hoạt động, đưa lon đến vị trí cấp nắp Tại đây, nhóm sử dụng module cấp nắp dạng máng trượt để thực hiện quá trình cấp nắp Nắp được phát hiện bởi cảm biến hồng ngoại, và quá trình đẩy nắp được thực hiện bởi xi lanh MAL 16x75.
Cấu tạo module cấp nắp:
- Cảm biến phát hiện có nắp
- Khung đỡ xi lanh và máng trượt
3.1.4.5 Thiết kế module đóng nắp
Sau khi nắp được cấp, hệ thống tiến hành bước cuối cùng là đóng nắp sản phẩm Nhóm sử dụng module đóng nắp dạng ép, kết hợp với xi lanh khí nén có lực ép lớn để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Cấu tạo module đóng nắp:
- Cảm biến hồng ngoại phát hiện lon đến vị trí đóng nắp
- Khung đỡ xi lanh đóng nắp
3.1.4.6 Hệ thống cơ khí tổng thể
Hình 3.14 Thiết kế hệ thống trên phần mềm 3D
Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển
Khối đầu vào
Cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4 cho phép điều chỉnh khoảng cách báo mong muốn thông qua biến trở, mang lại sự linh hoạt trong ứng dụng Với dải điện áp rộng, cảm biến này rất phù hợp để sử dụng với PLC, đảm bảo hiệu suất ổn định và chính xác.
Hình 3.16 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 NPN 6-36V – YUJW
- Khoảng cách phát hiện: 10-30 cm
Nhóm đã sử dụng cảm biến lưu lượng dạng Turbine YF-S401 cho hệ thống pha chế sơn, nhờ vào giá thành hợp lý, dễ vận hành và độ chính xác cao.
Hình 3.17 Cảm biến lưu lượng YF-S401
- Dòng điện max: 15 mA (DC 5V)
- Độ ẩm bên ngoài: 25%~90%RH
3.2.1.3 Cảm biến từ xi lanh
Cảm biến từ xi lanh AirTac CS1-J là một giải pháp phổ biến trong ngành công nghiệp nhờ vào chi phí hợp lý và độ ổn định vượt trội Loại cảm biến này thường được lắp đặt ở vị trí đầu và cuối hành trình của xi lanh, giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc.
Hình 3.18 Cảm biến từ xy lanh CS1-J
- Điện áp hoạt động: 5-240V DC/AC
- Dòng chuyển đổi tối đa: 100mA
- Tần số chuyển đổi tối đa: 200Hz
Nhóm sử dụng nút nhấn nhả CLM LA39:
Hình 3.19 Nút nhấn nhả CLM LA39
Khối xử lý trung tâm
Nhóm sử dụng bộ điều khiển PLC S7-1200 -CPU 1214C DC/DC/DC với tốc độ xử lý nhanh, tính ổn định cao, số lượng đầu vào và đầu ra lớn
Hình 3.20 Bộ điều khiển Siemens CPU S7-1200
- Có sẵn: CPU 1214 DC/DC/DC
- Bộ nhớ: 150 KB work memory và 4 MB Load memory
- 6 bộ đếm xung tốc độ cao với tối đa 1MHz
- Tích hợp I/O: 14 DI, 10 DQ, 2 AI và 2 AQ
- Khả năng mở rộng: 1 signal board (SB) 8 signal modules (SM) 3 communication modules (CM)
Khối điều khiển
Nhóm lựa chọn loại van AIRTAC 5/2 4V210-08:
Hình 3.21 Van điện từ khí nén AIRTAC 5/2 4V210-08
- Kích thước cổng xả: 1/8" (ren 9.6)
- Điện áp sử dụng: 24VDC
- Áp suất hoạt động: 0.15 - 0.8 MPa
- Loại van hơi 5 cửa 2 vị trí (1 đầu coil điện)
- Nhóm sử dụng van tiết lưu khí nén có tiết diện điều chỉnh:
Hình 3.22 Van tiết lưu khí nén AIRTAC PSL
3.2.3.3 Van điện từ đóng mở
Dựa vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động của van, nhóm lựa chọn loại van VPS với kích thước nhỏ và giá thành phù hợp
Hình 3.23 Van điện từ đóng mở VPS
- Kích thước cổng: 1/4" (ren 13mm)
- Áp suất hoạt động: 0 ~ 0.8 MPa
Hình 3.24 Relay MY2N-GS-DC12
- Điện áp định mức: 24VDC
- Dòng điện định mức: 72.7/75 mA
- Điện áp tiếp xúc cực đại: 250 VAC, 220 VDC
- Dòng điện tiếp xúc cực đại: 5 A
- Loại tiếp điểm: 2 tiếp điểm DPDT (DPDT-NO, NC), 2 cực
- Có tích hợp đèn LED và chỉ thị cơ học báo tiếp xúc đóng ngắt
- Chân cắm: 8 chân dẹp nhỏ loại bắt vít.
Khối đầu ra
Khối đầu ra bao gồm các cơ cấu chấp hành điện và khí nén:
- Động cơ băng chuyền JB-37
- Xi lanh cấp lon MAL16X575-S-CM
- Xi lanh cấp nắp MAL16X75-S-CM
- Xi lanh đưa động cơ trộn xuống vị trí trộn MAL16X75-S-CM
- Xi lanh đóng nắp MAL 25X75-S-CM
Khối nguồn
Hình 3.25 Nguồn tổ ong đầu ra 24V-2A
- Công suất : 120W - Kích thước: 199x98x38mm
- Đầu vào : 200-220V 50Hz - Trọng lượng: 0,52kg
- Điện áp ngõ vào: 100~240VAC, 50/60Hz
- Điện áp ngõ ra: 5VDC
- Dòng điện ngõ ra tối đa: 2A (nếu sử dụng liên tục nên cung cấp ở mức 80% công suất)
- Kiểu giắc ngõ ra: Chuẩn Jack DC tròn 5.5*2.1~2.5mm và 4.0*1.7mm.
Sơ đồ nối dây hệ thống điện điều khiển
Hình 3.28 Sơ đồ nối dây hệ thống điện điều khiển
Lưu đồ thuật toán
Hình 3.29 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống
Bảng địa chỉ vào ra
Bảng 3.2 Địa chỉ đầu vào hệ thống
Ký hiệu Địa chỉ Chú thích
Cb_LL_Đ I0.0 Cảm biến lưu lượng đo mức sơn đỏ
Cb_LL_V I0.1 Cảm biến lưu lượng đo mức sơn vàng
Cb_LL_V I0.2 Cảm biến lưu lượng đo mức sơn xanh
Cảm biến phát hiện có lon trong thùng chứa giúp xác định sự hiện diện của lon, trong khi cảm biến phát hiện lon đến vị trí chiết rót đảm bảo quá trình chiết rót diễn ra chính xác Ngoài ra, cảm biến phát hiện lon đến vị trí trộn cũng đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát quá trình trộn, đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
Cb_N4 I0.6 Cảm biến phát hiện lon đến vị trí cấp nắp Cb_N5 I0.7 Cảm biến phát hiện có nắp trong máng trượt Cb_S1 I1.0 Cảm biến từ xi lanh X2
Cb_S2 I1.1 Cảm biến từ xi lanh X4
Bảng 3.3 Địa chỉ đầu ra hệ thống
Ký hiệu Địa chỉ Chú thích bao gồm: Đen_Error Q0.0 là đèn báo hệ thống lỗi, Đen_Run Q0.1 là đèn báo hệ thống hoạt động bình thường, và Van_Đ Q0.2 là đầu ra van đóng mở bể sơn đỏ.
Van_V Q0.3 Đầu ra van đóng mở bể sơn vàng
Van_X Q0.4 Đầu ra van đóng mở bể sơn xanh
Van_X4 Q0.5, Van_X3 Q0.6, Van_X2 Q0.7 và Van_X1 Q1.0 là các van điện từ điều khiển các xi lanh X4, X3, X2 và X1 tương ứng Ngoài ra, DC1 Q1.1 là đầu ra relay dùng để điều khiển động cơ băng tải.
