CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Giới thiệu vấn đề nghiên cứu
Nghiên cứu, thiết kế mô phỏng máy đóng gói hạt giống tự động.
Định nghĩa máy đóng gói tự động
Máy đóng gói hạt giống là thiết bị tự động chuyên dụng cho việc đóng gói sản phẩm dạng hạt, giúp tiết kiệm sức lao động và nâng cao hiệu quả sản xuất Thiết bị này không chỉ đảm bảo quy trình đóng gói diễn ra nhanh chóng mà còn bảo quản sản phẩm một cách an toàn, giảm thiểu tối đa tỷ lệ hao hụt.
Máy đóng bao bì là thiết bị thiết yếu giúp doanh nghiệp duy trì hoạt động sản xuất liên tục và thay thế sức lao động của con người Mọi doanh nghiệp đều cần trang bị máy này để tận dụng những lợi ích vượt trội mà nó mang lại.
Có thể thay thế con người
Loại máy này được xem là giải pháp thay thế sức lao động con người, thực hiện nhanh chóng và chính xác các công đoạn đóng bao, đóng gói mà trước đây con người không thể làm Nhờ đó, máy móc không chỉ tăng cường năng suất hoạt động hàng ngày mà còn nâng cao hiệu quả công việc.
Máy móc có khả năng hoạt động liên tục trong suốt quá trình sản xuất, trong khi sức lao động của con người chỉ có thể duy trì từ 8-12 tiếng mỗi ngày.
Với cơ chế hoạt động liên tục như vậy, máy có thể đóng gói 25 túi/1 phút, đạt gấp
Máy móc hiện đại có hiệu suất gấp 2 hoặc 3 lần so với phương pháp thủ công Hơn nữa, hầu hết các máy hiện nay đều được trang bị cân định lượng, giúp xác định khối lượng nguyên liệu một cách chính xác nhất.
Khi hoàn thành nhiệm vụ đóng gói, hệ thống sẽ tự động chuyển hàng vị trí này sang vị trí khác rất nhanh chóng và tiết kiệm thời gian.
Ứng dụng nhiều loại sản phẩm
Máy đóng gói có thiết kế linh hoạt và cấu trúc đơn giản, cho phép ứng dụng cho nhiều loại sản phẩm khác nhau Sự kết hợp với các thiết bị hiện đại giúp máy được sử dụng phổ biến trong quy trình đóng gói các vật liệu dạng hạt như hạt điều, hạt cà phê và hạt đỗ đen.
Bảo quản tốt các sản phẩm hàng hóa
Một lợi ích quan trọng của máy đóng bao dạng hạt là khả năng bảo quản sản phẩm hiệu quả Đóng gói chắc chắn và bền bỉ giúp sản phẩm được giữ nguyên chất lượng, tránh hư hỏng khi lưu trữ lâu dài, đồng thời giảm thiểu tác động từ môi trường.
Thuận lợi cho quá trình vận chuyển
Trong quy trình sản xuất, vận chuyển sản phẩm là một yếu tố thiết yếu Để đảm bảo hàng hóa được phân phối hiệu quả và an toàn, việc đóng gói sản phẩm đóng vai trò quan trọng, giúp dễ dàng trong việc vận chuyển và giảm thiểu rủi ro.
Định nghĩa PLC
PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) là thiết bị cho phép lập trình thực hiện các thuật toán điều khiển logic Nó nhận tín hiệu từ các sự kiện bên ngoài qua ngõ vào (input) và thực hiện các hoạt động qua ngõ ra (output) PLC hoạt động bằng cách quét các trạng thái đầu ra và đầu vào, và khi có sự thay đổi từ ngõ vào, ngõ ra tương ứng sẽ thay đổi dựa trên logic của chương trình.
Ngôn ngữ lập trình phổ biến cho PLC hiện nay bao gồm Ladder và Step Ladder, nhưng mỗi nhà sản xuất PLC sẽ có ngôn ngữ lập trình riêng biệt Các hãng sản xuất PLC nổi tiếng hiện nay bao gồm Siemens, Mitsubishi, Rockwell, INVT và Delta.
Nguyên lý hoạt động của PLC là nhận thông tin từ các cảm biến hoặc thiết bị đầu vào, sau đó xử lý dữ liệu và kích hoạt đầu ra dựa trên các tham số đã được lập trình sẵn.
Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) có khả năng giám sát và ghi lại dữ liệu thời gian thực như năng suất máy và nhiệt độ trong quá trình vận hành Nó tự động khởi động và dừng các quy trình, đồng thời tạo ra cảnh báo khi máy gặp sự cố Với tính linh hoạt và sức mạnh vượt trội, PLC có thể thích ứng với hầu hết mọi ứng dụng công nghiệp.
Phần mềm TIA Portal
TIA Portal, viết tắt của Totally Integrated Automation Portal, là phần mềm tích hợp cho quản lý tự động hóa và vận hành điện của hệ thống Đây là phần mềm tự động hóa đầu tiên sử dụng một môi trường chung để thực hiện các tác vụ và điều khiển hệ thống.
TIA Portal, được phát triển bởi các kỹ sư của Siemens vào năm 1996, cho phép người dùng nhanh chóng phát triển và viết phần mềm quản lý trên một nền tảng thống nhất Giải pháp này giúp giảm thiểu thời gian tích hợp các ứng dụng riêng lẻ, tạo ra một hệ thống đồng nhất và hiệu quả.
TIA Portal là phần mềm tích hợp tự động toàn diện, đóng vai trò nền tảng cho các phần mềm khác trong việc lập trình và cấu hình thiết bị Đặc điểm nổi bật của TIA Portal là khả năng chia sẻ cơ sở dữ liệu chung, giúp đảm bảo tính thống nhất và toàn vẹn cho hệ thống quản lý và vận hành ứng dụng.
TIA Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện các thao tác:
Thiết kế giao diện kéo nhã thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ đa dạng.
Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát.
Thực hiện go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị trong project để xác định bệnh, lỗi hệ thống.
Tích hợp mô phỏng hệ thống.
Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens.
Giới thiệu các nghiên cứu trong nước
Hiện nay có nhiều loại máy đóng gói khác nhau, để phân loại chúng người ta có thể phân theo:
Phân loại theo nguyên liệu đóng gói: đóng gói chất lỏng, đóng gói các sản phẩm dạng bột, dạng hạt,
Phân theo hình dạng túi bao gói: dạng túi vuông, dạng túi trụ tròn, dạng gối gói,
Phân theo ngành sản xuất: máy bao gói cho ngành thực phẩm, y dược, máy đóng gói cho ngành hóa chất,
Tuy nhiên thông thường người ta chia máy đóng gói thành hai dạng:
Máy đóng gói kiểu đứng có thiết kế túi đóng gói hình dạng từ trên xuống dưới, với nguyên vật liệu được đưa vào túi từ phía trên.
Hình 2-1 Máy đón gói bột ngũ cốc khô dạng đứng Ưu điểm
Kích thước máy nhỏ gọn.
Cơ cấu cấp liệu đơn giản.
Phù hợp với các nguyên liệu dạng dung dịch, bột mịn.
Giá thành chế tạo máy rẻ.
Năng suất máy thấp ( < 60 túi/phút).
Vị trí cơ cấu cấp liệu cao do chiều cao máy.
Máy đóng gói kiểu nằm tạo ra túi bao gói với hình dạng từ trái sang phải, trong đó nguyên vật liệu được đưa vào túi cũng theo chiều từ trái sang phải.
Hình 2-2 Máy đóng gói đa năng dạng nằm Ưu điểm:
Năng suất máy cao (có thể đạt 200 túi/phút)
Vị trí cơ cấu cấp liệu thấp.
Kết cấu máy phức hợp hơn kiểu đứng
Kích thước máy lớn hơn kiểu đứng
Cơ cấu cấp liệu phức tạp hơn.
Phù hợp với các nguyên liệu dạng đã được định hình trước.
Giá thành chế tạo máy đắt hơn.
Đưa ra vấn đề cho nghiên cứu của tác giả
Công nghệ bao gói sản phẩm và thiết bị đóng gói đã tồn tại từ lâu trên thế giới và có nhiều điểm tương đồng giữa các quốc gia Tuy nhiên, chất lượng sản phẩm bao gói và máy đóng gói trong nước thường thấp hơn so với các nước châu Âu, Mỹ và một số quốc gia châu Á, mặc dù phần cơ khí của thiết bị không có nhiều khác biệt Sự khác biệt chủ yếu nằm ở chất lượng và hiệu suất của sản phẩm.
Cấp phôi bao bì: Chủ yếu là cấp bao bì từ cuộn phôi, sau đó cho chạy qua hệ thống hàn miệng bao để hàn 3 mép bao còn lại.
Máy đóng gói trong nước chỉ có khả năng đóng gói các sản phẩm có chiều cao tối đa 85mm và không thể xử lý các loại túi có gấp hông.
Phần điều khiển: Hầu hết các máy đóng gói trong nước chỉ được điều khiển ở mức thấp.
Máy đóng gói thường chỉ có khả năng đóng gói một lượng nguyên liệu cố định theo thiết kế cơ khí, dẫn đến việc không đạt được khối lượng yêu cầu một cách chính xác Hơn nữa, chúng cũng không linh hoạt trong việc điều chỉnh khối lượng đóng gói theo nhu cầu của người sử dụng.
Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng mặc dù có sự quan tâm đến việc nâng cấp công nghệ đóng gói trong nước, nhưng vẫn còn thiếu sót trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm đóng gói, cải thiện hiệu quả quá trình đóng gói và tối ưu hóa kích thước, hình dạng túi bao gói Bên cạnh đó, việc sử dụng bao bì chế tạo sẵn và Loadcell để tăng độ chính xác khối lượng sản phẩm, cũng như áp dụng giải pháp tự động hóa hiện đại để điều chỉnh linh hoạt khối lượng sản phẩm, vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ.
Nhóm chọn đề tài nghiên cứu “ Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng máy đóng gói hạt giống” dựa trên các tiêu chí sau để thực hiện:
Máy đóng gói sử dụng Loadcell để cân đo khối lượng sản phẩm, đảm bảo độ chính xác và đáp ứng yêu cầu Thiết bị này cho phép điều chỉnh khối lượng từng sản phẩm một cách linh hoạt.
Máy đóng gói với cơ cấu cấp bao bì được gia công sẵn nhằm đáp ứng các nhu cầu khác nhau của người sảu dụng.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
Giới thiệu tổng quan về hệ thống
1 Thùng đựng hạt giống 9 Pitong định hình và ép nhiệt
2 Chốt điện mở van thùng hạt giống 10 Pitong mở miệng bao
3 Pitong nâng/ hạ phễu đong 11 Thùng bao bì
4 Cảm biến Loadcell 12 Thanh nhiệt ép hàn miệng bao
5 Chốt điện mở van phễu cân 13 Động cơ cấp bao bì
7 Phễu đong 18 Máng rơi sản phẩm
Lựa chọn phương án truyền động
Công đoạn cấp bao bì: Động cơ (13) sẽ lấy bao bì từ thùng bao bì (11), quay 270 độ để đứa bao bì vào vùng cấp giống.
Công đoạn cấp hạt giống: Các chốt điện sẽ mở ra, đóng lại theo tín hiệu từ PLC.
Trong công đoạn định hình và ép nhiệt, pitong sẽ tiến vào cùng lúc với thanh định hình bao bì phía dưới, vì thanh này được bố trí trước Sau đó, thanh nhiệt ép hàn miệng bao sẽ vào sau nhờ cơ cấu lò xo liên kết với thanh định hình dưới.
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.
Sơ đồ khối, sơ đồ mạch điện
Hình 4-3 Sơ đồ khối hệ thống
Các thành phần của hệ thống điều khiển
4.2.1 Tổng quan về PLC S1200 1214C AC/DC/RLY:
Hình 4-4 PLC S1200 1214C AC/DC/RLY
Số đầu vào PLC IO: 14 DI
Số đầu ra PLC QO: 10 DO
Số đầu vào Analog: 2 AI (0-10V)
4.2.2 Tổng quan về module mở rộng SIMATIC S7-1200 SM 1223:
Hình 4-5 Module mở rộng SIMATIC S7-1200 SM 1223
Số đầu vào PLC IO: 8 DI
Số đầu ra PLC QO: 8 DO
4.2.3 Tổng quan tín hiệu đầu vào PLC:
2 Cảm biến quang (đếm số lượng sản phẩm, phát hiện bao bì trong máng)
1 Cảm biến quang thu phát độc lập (phát hiện hạt giống trong máng)
1 Cảm biến loadcell (định lượng hạt giống vào bao)
1 cảm biến nhiệt độ ( đo nhiệt độ thanh nhiệt ép miệng bao)
8 cảm biến vị trí pitong
2 cảm biến limit switch ( đóng ngắt hành trình động cơ giảm tốc)
1 switch lấy tín hiệu on/off áp suất
Các nút nhấn: RUN/STOP/RESET, switch: AUTO/MANUAL: hiện thị trên HMI+ hiện trường
Hình 4-6 Cảm biến quang E3F-DS10C4
Đầu ra NPN– Kết Nối
Dây Màu Nâu: 6 -36V (Khuyến cáo dùng 6 -24V DC)
Dây Màu Đen: Tín hiệu NPN thường mở
Cảm biến quang thu phát độc lập:
Hình 4-7 Cảm biến quang thu phát độc lập Omron E3Z E3Z-D61
Phát hiện khoảng cách: 5-100mm
Đầu ra NPN– Kết Nối
Cảm biến Loadcell + module chuyển đổi tín hiệu KM02A:
Hình 4-8 Cảm biến Loadcell 1kg YZC – 133
Dây xanh lá (ngõ ra +)
Hình 4-9 Module chuyển đổi tín hiệu KM02A
Tín hiệu đầu ra bao gồm :VOUT IOUT GND GND 24V để kết nối trực tiếp với PLC (4-20mA, 0-5V, 0-10V).
Cảm biến nhiệt độ + Bộ chuyển đổ tín hiệu SENECA k109pt:
Hình 4-10 Cảm biến nhiệt độ Pt100, Bộ chuyển đổ tín hiệu SENECA k109pt
Nguồn cấp : nguồn cấp độc lập 19.2 … 30Vdc / 50-60Hz.
Công suất tiêu thụ : 500mW.
Dòng điện Analog : 0-20mA hoặc 4-20mA dạng Active hoặc Passive
Cảm biến vị trí pitong:
Hình 4-11 Cảm biến từ xi lanh AIRTAC CS1-U
Cảm biến từ xi lanh AIRTAC CS1-U chuyên dùng cho các loại xi lanh khí nén.
Điện áp sử dụng: 5 ~ 240V AC/DC
Là loại sensor thường mở (NO)
Hình 4-12 Công tắc hành trình Omron Z-15GW2-B
Cần có bánh xe và bản lề dài, song song, đầu nối vít, 250VAC, 15A
4.2.4 Tổng quan tín hiệu đầu ra PLC:
4 van khí 5/2 điện tác động 1 bên (tương ứng 4 xi lanh)
2 van khí 3/2 điện (đóng ngắt cho cuốn hút)
1 động cơ DC giảm tốc (cấp bao bì)
2 chốt điện (đóng/ mở luồng chảy hạt giống)
5 đèn báo: 2 đèn chế độ vận hành(auto/manu), 2 đèn run/stop, 1 đèn Alarm: hiện thị trên HMI+hiện trường
Các thiết bị động lực gồm: 1 động cơ giảm tốc 24VDC, 4 Pitong, 1 thanh hàn nhiệt.
Van khi 5/2 tác động 1 bên:
Hình 4-13 Van điện từ khí nén 5/2 AIRTAC 4V210-08 24VDC
Van điện từ khí nén 5/2 AIRTAC 4V210-08 24VDC (1 cuộn hút)
Van khí 3/2 tác động 1 bên:
Hình 4-14 Van điện từ khí nén 3/2 AIRTAC 3V210-08 NC 24VDC
Van điện từ khí nén 3/2 AIRTAC 3V210-08 NC 24VDC (1 cuộn hút)
Hình 4-15 Chốt điện từ JF-Z06
Chốt điện tử JF-Z06 sử dụng nam châm điện với lực kéo 45N, hoạt động ở điện áp 12VDC và tiêu thụ dòng điện 400mA Sản phẩm có thân vỏ bằng thép với kích thước 50x30x20mm, chiều dài tổng cộng (bao gồm cả chốt) là 83mm.
Động cơ giảm tốc 24VDC:
Hình 4-16 Động có chổi than MY1020ZXF 450W 24V
Số vòng quay động cơ: 1800v/p
Số vòng quay sau khi qua hộp số: 400 v/p
Hộp giảm tốc bánh răng kim loại
Hình thức hoạt động: Tác động kép
Lưu chất hoạt động: Khí nén (được lọc với độ hạt tiêu chuẩn 40μm)
Áp suất vận hành:0.1~0.9Mpa(1~9kgf/cm 2 )
Áp suất tối đa: 1.35Mpa(1.35kgf/cm 2 )
Hoạt động phạm vi tốc độ: 30~800mm/giây
Giảm chấn: giảm chấn linh động
Thanh giảm chấn có thể điều chỉnh: 32
Vật liệu thân: Nhôm nguyên khối
Phớt: hai phớt nâu Nhật Bản
Lưu đồ giải thuật
KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂU CỦA ĐỀ TÀI
Kết quả đạt được
Nhóm đã thiết kế và mô phỏng thành công máy đóng gói hạt giống tự động trênWINCC.
Nhận xét đánh giá
Mô phỏng trên WINCC còn chưa trực quan.
Chương trình vẫn chưa tối ưu nhất.
Hệ thống đôi lúc vẫn gặp lỗi.
Hướng dẫn phát triển của đề tài
Tăng tốc độ làm việc của máy.
Sử dụng động cơ AC 1 pha, nhằm tăng momen phần cấp phôi.
Thay thế tất cả các chốt điện bằng xi lanh nhằm tăng sự ổn định.
