BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI THIẾT KẾ, THI CÔNG MÁY TRỘN SƠN TỰ ĐỘNG Ngành Kỹ thuật Điều khiển – Tự Động Hóa Giảng viên hướng dẫn TS LÊ QUANG ĐỨC Sinh viên thực hiện MSSV Lớp ĐỖ TRỌNG TÍN 1711050077 17DTDA1 PHAN VĂN SƠN 1711050284 17DTDA1 NGUYỄN ĐÌNH PHÚC 1711050070 17DTDA1 TP Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI THIẾT KẾ, THI CÔNG MÁY TRỘN SƠN TỰ ĐỘNG Ngành Kỹ thuật Điều k.
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Hiện nay, Việt Nam đang trong quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa, với việc đầu tư vào dây chuyền sản xuất tự động để giảm chi phí và nâng cao năng suất lao động Ngành xây dựng đang phát triển mạnh mẽ, và việc áp dụng công nghệ tự động hóa, đặc biệt trong kỹ thuật pha trộn sơn, là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu chất lượng của khách hàng.
Sơn là nguyên vật liệu chủ yếu trong ngành xây dựng, không chỉ bảo vệ mà còn trang trí cho công trình Màu sắc sơn rất quan trọng, nhưng hiện nay việc pha màu chủ yếu dựa vào phương pháp thủ công, dẫn đến độ chính xác thấp và năng suất không cao Để khắc phục những nhược điểm này và nâng cao sản lượng, PLC (Program Logic Control) đã được áp dụng rộng rãi trong việc điều khiển hệ thống trộn sơn nhờ vào những ưu điểm như giá thành thấp, dễ lắp đặt, dễ sửa chữa và chất lượng làm việc ổn định Xuất phát từ nhu cầu tìm hiểu về PLC, chúng tôi đã chọn đề tài “Thiết kế, thi công máy pha trộn sơn tự động” cho luận văn tốt nghiệp của mình.
Sơn là nguyên vật liệu thiết yếu trong ngành xây dựng, không chỉ bảo vệ bề mặt công trình mà còn đóng vai trò quan trọng trong yếu tố thẩm mỹ, với màu sắc sơn quyết định sự hấp dẫn của sản phẩm Trong các công trình lớn, việc sử dụng phương pháp thủ công dựa vào kinh nghiệm của thợ xây nhằm tiết kiệm chi phí thường dẫn đến độ chính xác và sự đồng đều màu không cao, gây lãng phí sức lao động và thời gian, đồng thời làm giảm năng suất.
Nhằm khắc phục những hạn chế hiện có, nhóm chúng tôi đã thiết kế và thi công hệ thống tự động pha trộn sơn và đóng nắp lon với những cải tiến đáng chú ý.
Xây dựng mô phỏng hoàn chỉnh, phần cứng thiết kế chắc chắn, ổn định
Lon và nắp được cấp hoàn toàn tự động
Chúng tôi cung cấp khả năng pha chế hơn 70 màu sắc với thể tích chính xác và đồng đều trong từng lần pha Mực nước sơn trong bể được theo dõi tự động thông qua cảm biến, đảm bảo chất lượng và độ chính xác cao.
Mô hình được giám sát và điều khiển tự động từ hệ thống SCADA
Trong nội dung luận văn này, nhóm em tập trung phát triển mô hình trong phạm vi sau:
Mô phỏng tạo ra được lon sơn hoàn chỉnh, pha được 73 màu sơn
Cơ cấu cấp lon, cấp nắp tối đa chỉ được 5, Công suất hoạt động của hệ thống:
Hệ thống được điều khiển, giám sát thông qua Webserver nhưng chỉ trong mạng nội bộ
Báo cáo của nhóm em bao gồm các chương sau :
Chương 1 : Giới thiệu tổng quan về đề tài Chương 2 : Tổng quan giải pháp về máy pha sơn Chương 3 : Yêu cầu hệ thống
Chương 4 : Thiết kế hệ thống Chương 5 : Thiết kế mô phỏng và kết quả thực hiện
TỔNG QUAN GIẢI PHÁP VỀ MÁY PHA SƠN
2 1 Tổng quan về màu sơn và pha trộn sơn
2 1 1 Tổng quan về màu sơn
Sơn là hỗn hợp chất lỏng đồng nhất hoặc có khả năng hóa lỏng, bao gồm thành phần mastic, khi được quét lên bề mặt sẽ tạo thành một lớp màng rắn Lớp màng này được hình thành từ chất tạo màng liên kết với các chất màu, giúp bám chắc trên bề mặt vật chất Hỗn hợp sơn được điều chỉnh với các phụ gia và dung môi phù hợp tùy thuộc vào tính chất của từng loại sản phẩm.
Sơn thường được sử dụng rộng rãi để :
Cung cấp kết cấu cho các đối tượng
Trên thị trường hiện nay, sơn nước là sản phẩm chủ yếu, nổi bật với sự phong phú và đa dạng về màu sắc Sản phẩm này có khả năng che phủ tốt và bám dính hiệu quả trên nhiều bề mặt khác nhau.
❖ Các thành phần chính của sơn:
Nhựa (40% - 60%): Alkyd, Acrylic, Epoxy, Polyurethane, Fluorocarbon
Tạo liên kết các thành phần của sơn
Tạo độ kết dính cho sơn
Tạo độ bền cho màu sơn
Bộ màu (7%- 40%): Bột màu gốc, bột màu bổ sung, bột chống gỉ
Tạo độ bền và độ cứng của màng sơn
Phụ gia (0% - 5%) là những chất giúp nâng cao độ bền cho sơn, bao gồm khả năng giữ màu sắc, chống chịu thời tiết, tăng độ bóng cứng và độ phủ, cũng như kéo dài thời gian bảo quản Ngoài ra, phụ gia còn mang lại một số tính chất đặc biệt khác cho sản phẩm sơn.
Chất làm khô sức căng bề mặt
Dung môi (10% - 30%) : Hòa tan nhựa và bột màu
Hình 2.2: Quy trình công nghệ sản xuất sơn
2 2 Công nghệ sản xuất sơn
2 2 1 Qui trình công nghệ sản xuất sơn
Quy trình sản xuất sơn bao gồm 4 bước, bắt đầu với quá trình ủ muối Trong bước này, các nguyên liệu như bột màu (oxit kim loại như oxit titan, thiếc, chì), bột độn (CaCO3, silica, đất sét), phụ gia (chất phân tán, chất hoạt động bề mặt, chất tạo bọt), một phần chất tạo màng là nhựa latex (vinyl-acrylic, styrene-acrylic) và dung môi hữu cơ (nước sạch) được đưa vào thùng muối ủ và khuấy ở tốc độ thấp Quá trình ủ muối diễn ra trong vài giờ để đảm bảo các thành phần thấm ướt tốt, tạo ra hỗn hợp nhão (paste) cho công đoạn nghiền tiếp theo.
Nghiền sơn là giai đoạn quan trọng trong quy trình sản xuất sơn nước, nơi hỗn hợp nhão các nguyên liệu được đưa vào thiết bị nghiền Quá trình này tạo ra dung dịch sơn mịn và nhuyễn, với thời gian nghiền phụ thuộc vào loại bột màu, bột độn và yêu cầu độ mịn Để đảm bảo chất lượng, thiết bị nghiền cần sử dụng nước làm lạnh, giữ nhiệt độ paste không tăng quá cao, nhằm hạn chế bay hơi dung môi và bảo vệ các thành phần trong paste Nước sử dụng phải được làm lạnh xuống 5 – 7 độ C trước khi đưa vào máy nghiền.
Khuấy sơn là bước quan trọng sau khi nghiền sơn, nơi các nguyên liệu nhão (paste) được pha trộn để tạo thành sản phẩm cuối cùng Paste thành phẩm được chuyển vào bể khuấy, nơi có máy khuấy hoạt động liên tục để đảm bảo độ đồng nhất Trong quá trình này, các chất tạo màng, dung môi và phụ gia cần thiết được bổ sung Khi đạt được độ đồng nhất mong muốn, sản phẩm sẽ được chuyển sang công đoạn đóng gói Đóng gói có thể thực hiện bằng dây chuyền tự động hoặc thủ công, với bao bì thường là nhựa hoặc kim loại tùy thuộc vào loại sơn Sau khi hoàn tất, sản phẩm sẽ được luân chuyển vào kho chứa, nơi quy trình nhập kho được thực hiện chặt chẽ và các kho phải được trang bị đầy đủ phương tiện phòng chống cháy nổ do nguy cơ cháy nổ cao từ sản phẩm sơn dung môi hữu cơ.
Ngoài ra, các quá trình phụ trợ như vệ sinh thùng chứa sơn và làm mát để ngăn chặn sự bay hơi của dung môi cũng rất quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Một số dây chuyền, nhà máy sản xuất sơn hiện nay:
Hình 2.3: Nhà máy sơn xuất Caparol-Dubai
Máy pha sơn được sử dụng hiện nay :
Hình 2.4: Nhà máy sản xuất sơn ICI Dulux, Khu công nghiệp Mỹ Phước 2
Hình 2.5: Máy pha sơn hãng My Kolor
Hình 2.6: Máy pha sơn TOA
Việc phát triển hệ thống máy pha màu sơn mang lại sự chủ động cho các nhà đại lý trong việc lựa chọn màu sắc Họ chỉ cần nhập các base màu cơ bản từ nhà sản xuất và pha màu theo công thức được cung cấp Sản phẩm sau khi pha sẽ đảm bảo đúng màu như trên cây màu của hãng.
Trong bối cảnh thị trường sơn nước cạnh tranh gay gắt, các hãng sơn phải không ngừng cải thiện chất lượng sản phẩm và ra mắt bộ sưu tập màu mới Việc sử dụng máy vi tính để pha màu sơn đã trở thành yếu tố cần thiết, giúp các đại lý linh hoạt trong việc cung cấp đúng màu theo yêu cầu của khách hàng mà không cần thông qua nhà sản xuất Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là giá thành màu sơn sẽ cao hơn khoảng 10 – 15% so với sơn pha sẵn.
2 2 2 Quy luật pha sơn màu
Khi ánh sáng trắng đi qua lăng kính, nó phân tách thành bảy sắc màu: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm và tím Đây là hiện tượng quang học thể hiện sự phân tán của ánh sáng.
Màu sắc của sơn nước được thể hiện qua bảng mã màu với các bước sóng khác nhau Về mặt quang học, màu sắc chính là ánh sáng, và những gì chúng ta nhìn thấy từ các vật thể là sự phản chiếu ánh sáng từ chúng vào mắt.
❖ Ba yếu tố cơ bản của màu sắc:
Sắc (Tone): Độ đậm hoặc nhạt của một màu nào đó khi pha trắng hoặc pha đen
Quang độ, hay giá trị màu sắc, đề cập đến độ sáng hoặc tối của một màu, thể hiện sự liên kết giữa các sắc thái khác nhau Trong vòng thuần sắc, màu vàng có quang độ sáng nhất, trong khi màu tím lại có quang độ tối nhất do sự tương phản mạnh mẽ.
Cường độ (Intensity): Là mức độ mạnh hay yếu của một màu nào đó
(thị giác cảm nhận được độ tươi thắm) do sự kích thích thị giác
Ví dụ: Vàng - Quang độ sáng Cam - Cường độ mạnh
Hình 2.8: Thang màu từ đỏ tới tím
Hình 2.9: Thang màu vô sắc
❖ Các quy luật pha màu
Có 2 quy luật pha màu là: Cộng màu và trừ màu:
Ba màu sơ cấp (hay cơ bản) trong ánh sáng là đỏ (Red - R), lục (Green - G) và lam (Blue - B)
+ Ánh sáng đỏ hòa với ánh sáng lục cho ánh sáng vàng (Yellow - Y)
+ Ánh sáng lục hòa với ánh sáng lam cho ánh sáng màu da trời (Cyan - C) + Ánh sáng lam hòa với đỏ cho ánh sáng tím hồng (Magenta - M)
Tím hồng là màu khá gần với màu tím (Violet) Tím hồng (Magenta) là màu không có trong phổ ánh sáng tự nhiên
Màu tím hồng (M), vàng (Y) và da trời (C) là các màu thứ cấp của ánh sáng, được hình thành từ sự hòa trộn của hai chùm ánh sáng màu sơ cấp (R, G, B) Khi kết hợp cả ba chùm ánh sáng sơ cấp này, ta sẽ tạo ra ánh sáng trắng, thể hiện quy luật cộng màu.
Hình 2.10: So sánh tương quan giữa quang độ và cường độ
Trong màu hóa chất như mực in, phẩm nhuộm, sơn thì ngược lại: Ba màu sơ cấp là tím hồng (Magenta - M), da trời (Cyan - C), và vàng (Yellow - Y)
+ Tím hồng (M) hòa da trời (C) cho lam (Blue - B)
+ Da trời (C) hòa với vàng (Y) cho lục (Green - G)
+ Vàng (Y) hòa với tím hồng (M) cho đỏ (Red - R)
Trong màu hóa chất, đỏ, lục và lam là ba màu thứ cấp Khi hòa trộn ba màu sơ cấp hóa chất M (đỏ), C (lam), và Y (vàng), nguyên tắc lý thuyết cho ra màu đen Tuy nhiên, do các màu hóa chất không hoàn toàn tinh khiết, nên cần có màu đen riêng Trong in ấn, chỉ cần sử dụng bốn màu cơ bản: da trời (C), tím hồng (M), vàng (Y) và đen (K) để tạo ra tất cả các màu sắc, ngoại trừ màu trắng, là màu của giấy.
Hình 2.11: Quy luật cộng màu hệ RGB
Màu sắc của hóa chất tuân theo quy luật trừ màu vì vật chất bản thân không có màu sắc, mà chỉ tán xạ và hấp thụ các bước sóng ánh sáng Khi ánh sáng trắng chiếu vào một vật, nếu vật đó có màu đỏ, nó sẽ hấp thụ ánh sáng lục và lam, chỉ phản chiếu ánh sáng đỏ Ngược lại, một vật màu đen hấp thụ tất cả ánh sáng, trong khi vật màu trắng phản xạ tất cả các bước sóng ánh sáng.
Hình 2.13: Quy luật trừ màu trong hệ CMYK
Hình 2.12: Sự khác biệt khi kết hợp hai màu của sơn và ánh sáng
❖ Lựa chọn quy luật pha màu cho đề tài
Trên thực tế các hạt màu trong màu sơn không phải là các màu sơ cấp lý tưởng
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Phần cơ khí của mô hình cần được thiết kế chắc chắn, ổn định và chính xác để giảm thiểu lỗi trong quá trình vận hành Hệ thống pha trộn sơn và đóng nắp lon tự động bao gồm bốn khâu chính.
• Khâu cấp lon: Lon được đặt trong 1 ống hình hộp chữ nhật, cơ cấu cấp lon được thực hiện bởi 1 xylanh đẩy
Khâu chiết rót bao gồm một xilanh cố định vị trí lon, bốn cảm biến lưu lượng đọc xung tốc độ cao và bốn van điện từ để rót sơn vào lon theo tỉ lệ màu chính xác Mực nước sơn trong bể được theo dõi bởi bốn cảm biến siêu âm.
Khâu đóng nắp bao gồm một xylanh cố định vị trí, một băng tải để cấp nắp, một xylanh chân không để không hút nắp, một xylanh đưa nắp theo phương thẳng đứng, một xylanh di chuyển theo phương ngang và một xylanh đập nắp.
• Khâu trộn sơn: Gồm 1 xylanh đưa lon vào cơ cấu trộn, 1 xylanh kéo lon ra và
1 xylanh chân không hút lon Lon sơn được lắc đều nhờ 1 động cơ DC
Phần điện của mô hình bao gồm hai nguồn chính: nguồn điện xoay chiều 220V cho van điện từ và adapter 5V cho board Arduino, cùng với nguồn cho switch chia mạng Nguồn điện một chiều 24V cung cấp cho PLC chính, module mở rộng, cảm biến, đèn báo, buzzer, van khí nén và động cơ DC Thiết kế điện cần đảm bảo tính hợp lý và an toàn, với các kết nối chính xác Tủ điện phải được thiết kế gọn gàng, ngăn nắp, dễ dàng cho việc vận hành, bảo trì và sửa chữa.
Giao diện SCADA bao gồm bốn màn hình: màn hình chính để đăng nhập, màn hình chọn màu sơn và số lượng, màn hình thêm màu sơn mới, và màn hình vận hành với các nút điều khiển, hiển thị số lượng lon hiện tại cùng thể tích của bốn bể sơn Thiết kế của SCADA cần phải đẹp mắt, trực quan và cung cấp đầy đủ thông tin cần thiết.
Giao diện Webserver cung cấp một trang trực quan cho phép người dùng dễ dàng chọn màu sơn và số lượng lon cần thiết Các nút điều khiển được thiết kế thân thiện, giúp người dùng thao tác một cách thuận tiện.
3 2 Quy trình vận hành của hệ thống
- Chọn mã màu sơn và số lượng lon cần pha từ màn hình SCADA hoặc trên giao diện Webserver
Kiểm tra mực nước sơn trong bể là bước quan trọng Nếu thể tích của bất kỳ bể sơn nào trong bốn bể thấp hơn mức cảnh báo, hệ thống sẽ không cho phép bắt đầu quy trình Đồng thời, còi báo sẽ vang lên để thông báo cho người vận hành biết cần bổ sung sơn vào bể.
Sau khi xác nhận mã màu sơn và số lượng lon hợp lệ, cần đảm bảo thể tích sơn trong bể đạt yêu cầu trước khi khởi động hệ thống hoạt động.
Băng tải hoạt động khi xylanh 1 bắt đầu cấp lon Khi cảm biến 1 phát hiện lon, băng tải sẽ dừng lại Xylanh chặn lon hành trình ra để giữ lon cố định Sau đó, van điện từ tiến hành rót sơn theo đúng tỉ lệ đã được thiết lập Khi quá trình rót sơn hoàn tất, xylanh sẽ chặn lon hành trình và băng tải tiếp tục hoạt động.
Khi cảm biến 2 phát hiện lon, băng tải sẽ dừng lại và xylanh chặn lon 2 sẽ hoạt động để giữ lon lại Tiếp theo, xylanh 3 sẽ hạ xuống và xylanh chân không 4 sẽ hút nắp, sau đó xylanh 3 sẽ nâng lên Xylanh 5 sẽ đẩy ra, rồi xylanh 3 lại hạ xuống, trong khi xylanh chân không 4 thả nắp vào lon Sau đó, xylanh 5 sẽ thu vào, và xylanh dập nắp 6 sẽ đẩy ra để dập nắp vào lon rồi rút về Sau khi quá trình đóng nắp hoàn tất, xylanh chặn lon 2 sẽ thu vào, và băng tải cấp nắp sẽ hoạt động trong 2 giây trước khi dừng lại để đưa nắp vào đúng vị trí, cho phép băng tải chính tiếp tục hoạt động.
Khi cảm biến 3 phát hiện lon, băng tải chính sẽ dừng lại, xylanh đẩy lon 7 hành trình ra và đưa lon vào cơ cấu trộn sơn Sau đó, động cơ lắc sơn sẽ quay để đảm bảo sơn trong lon được trộn đều.
- Nếu số lon đưa vào băng tải nhỏ hơn số lon yêu cầu thì xylanh tiếp tục cấp lon vào băng tải
Sau khi trộn sơn, xylanh đẩy lon hành trình ra, tiếp theo là xylanh 8 hành trình và xylanh chân không 9 hút lon Sau đó, xylanh đẩy lon hành trình vào và xylanh chân không 9 thả lon Cuối cùng, xylanh 8 hành trình vào và băng tải hoạt động đưa lon tới cuối dây chuyền.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
4 1 Thiết kế phần cứng và bản vẽ
❖ Bản vẽ phần cứng 3D Solidworks
Bản vẽ của mô hình được nhóm em thiết kế trên phần mềm Solidwork, đúng với yêu cầu hệ thống đã đề ra
Hình 4.1: Bản vẽ phần cứng mô hình mặt ngang
❖ Bản vẽ 2D thiết kế máy
Hình 4.3: Bản vẽ CAD mặt trên Hình 4.4: bản vẽ CAD mặt mặt trước
4 Ống hình hộp chữ nhật cấp lon sơn
7 Đóng nắp ( Van điện từ, Van hút chân không dùng khí nén và giác hút, Xylanh khí, Xylanh Airtac, xy lanh kép )
8 Trộn lon sơn ( cảm biến vật cản hồng ngoại, Cảm biến quang chữ U, Động cơ giảm tốc, Xylanh tròn PVN, Xylanh compact SMC )
4 2 Sơ đồ khối hệ thống Đây là sơ đồ tổng thể tất cả các khối chức năng trong hệ thống
Khối xử lý trung tâm và các module mở rộng đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý tín hiệu của hệ thống Nó thực hiện giao tiếp với cảm biến, thu thập và xử lý tất cả các tín hiệu từ cảm biến Bên cạnh đó, khối này còn tính toán và xuất tín hiệu ra các chân Output để điều khiển động cơ, van khí nén và đèn tín hiệu Đồng thời, nó cũng tạo kết nối với hệ thống SCADA để giám sát toàn bộ hoạt động của hệ thống.
+ Khối cảm biến: xử lý và gửi tín hiệu cho PLC
+ Nguồn cấp khí: cung cấp khí cho các van khí nén
+ Van khí nén: điều khiển các xylanh
+ Khối động cơ, van điện từ: Động cơ cho các băng tải, động cơ động cơ Van điện từ đảm nhiệm việc rót sơn vào lon sơn
Xylanh đóng vai trò quan trọng trong quy trình tự động hóa, thực hiện các chuyển động cần thiết như cấp lon, cố định lon ở vị trí chính xác, hút và đóng nắp, đẩy lon đi, cũng như hỗ trợ cơ cấu trộn và kéo lon ra.
Hình 4.6: Sơ đồ khối hệ thống
+ Khối Webserver điều khiển từ xa: Cho phép điều khiển hệ thống thông qua mạng Ethernet
Khối SCADA đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát hệ thống, cho phép giao tiếp hiệu quả giữa con người và hệ thống Chức năng chính của khối này là theo dõi và điều hành quá trình hoạt động, đồng thời phát hiện và thông báo các lỗi xảy ra để nhanh chóng thực hiện biện pháp khắc phục.
+ Khối dữ liệu SQL Server: Khối này giúp lưu trữ thông tin về mã màu sơn, số lượng lon đã thực hiện, thể tích sơn trong bể
Khối Website cho phép hiển thị trực tuyến các dữ liệu lưu trữ trong cơ sở dữ liệu, đồng thời cung cấp khả năng truy xuất lịch sử thông tin một cách nhanh chóng và dễ dàng.
4 3 1 Sơ đồ mạch động lực
Mạch động lực 220VAC được đấu với 4 van điện từ nước
Hình 4.7: Sơ dồ mạch động lực 220VAC
Mạch động lực 24VDC được đấu với 3 động cơ chính : Băng tải chính , Băng tải cấp nắp và động cơ trộn
4 3 2 Sơ đồ kết nối PLC
Hình 4.8: Sơ đồ mạch động lực 24VDC
Hình 4.9: Sơ đồ kết nối PLC 1212C
Hình 4.11: Sơ đồ nối dây module SM 1223 8DI/DO
Hình 4.10: Sơ đồ nối dây module SM 1222 16 DO Relay
Module Địa chỉ Ký hiệu Thiết bị
I0.0 S1 Cảm biến lưu lượng 1 (đỏ) I0.1 S2 Cảm biến lưu lượng 2 (trắng) I0.2 S3 Cảm biến lưu lượng 3 (vàng) I0.3 S4 Cảm biến lưu lượng 4 (xanh)
Q0.4 M1 Động cơ băng tải chính K5
Q0.5 M2 Động cơ băng tải cấp nắp K6
I8.0 S5 Cảm biến phát hiện 3 (vị trí trộn sơn) I8.1 S6 Cảm biến phát hiện 1 (vị trí chiết rót) I8.3 S8 Cảm biến HOME (trộn cơ trộn sơn)
Q8.0 M3 Động cơ trộn sơn K7 Q8.1 D1 Buzzer báo hết nước sơn
Q12.3 X4 Xylanh ngang cấp nắp Q12.5 X5 Xylanh dọc hút nắp
Q13.0 X8 Xylanh chân không hút nắp
Bảng 4.1: Bảng địa chỉ ngõ vào/ra PLC và các thiết bị và ký hiệu các thiết bị
4 4 Thiết bị sử dụng trong mô hình
❖ Tên cảm biến: Cảm biến lưu lượng YF-S201
❖ Mục đích: Đo lượng sơn chảy xuống lon ở khâu chiết rót
Van cảm biến nước được làm từ chất liệu nhựa, tích hợp cánh quạt nước và cảm biến Hall Khi nước chảy qua van, cảm biến sẽ kích hoạt động cơ quay, tạo ra sự thay đổi trong trạng thái đầu ra của cảm biến Hall, từ đó phát sinh tín hiệu xung.
❖ Thông số kỹ thuật: Điện áp làm việc: 5-24V
Dòng điện tối đa:15mA (Với đầu vào 5V)
Giới hạn lưu lượng: 1-30 lít/phút
Nhiệt độ làm việc :0-80 độ C Độ chính xác :90%
Tần số tín hiệu đầu ra: F=7.5xQ (L /Phút)
Q: Lưu lượng nước F: Tần số tín hiệu đầu ra (Hz) 7.5: Hằng số
VD: 1L nước sẽ có công thức: 1x7.5x60 = 450 xung
4 4 2 Cảm biến vật cản hồng ngoại
❖ Tên cảm biến: Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4
❖ Mục đích: Nhận biết vị trí của lon, dừng băng tải khi cảm biến phát hiện lon đã đến vị trí của các khâu
Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 sử dụng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách đến vật cản, mang lại độ phản hồi nhanh và ít nhiễu nhờ vào việc phát và nhận tia hồng ngoại với tần số riêng biệt Người dùng có thể điều chỉnh khoảng cách báo mong muốn thông qua biến trở Đầu ra của cảm biến ở dạng cực thu hở, do đó cần thêm một trở treo lên nguồn ở chân output khi sử dụng.
Nguồn điện cung cấp: 6 ~ 36VDC
Khoảng cách phát hiện: 5 ~ 30cm
Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở
Dòng kích ngõ ra: 300mA
Ngõ ra dạng NPN với cực thu hở cho phép tùy chỉnh điện áp ngõ ra linh hoạt Cụ thể, trở treo được điều chỉnh lên mức nào sẽ tạo ra điện áp ngõ ra tương ứng với mức đó.
Chất liệu sản phẩm: nhựa
Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ
❖ Tên thiết bị: Cảm biến siêu âm HC-SR04
❖ Mục đích: Đo khoảng cách mực sơn chứa trong bể và truyền tín hiệu cho vi điều khiển Arduino UNO
Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ sóng siêu âm, bao gồm hai module: một module phát sóng siêu âm với tần số 40kHz và một module thu nhận sóng phản xạ Khi sóng siêu âm gặp chướng ngại vật, chúng sẽ phản xạ trở lại và được module thu nhận Bằng cách đo thời gian từ khi phát đến khi nhận sóng, cảm biến có thể xác định khoảng cách đến chướng ngại vật một cách chính xác.
Khoảng cách = (thời gian * vận tốc âm thanh (340 m/s) / 2
❖ Thông số kĩ thuật : Điện áp : 5V DC
Dòng dòng hoạt động: < 2mA
Khoảng cách : 2 cm – 450 cm ( 4.5m ) Độ chính xác: 3mm
Kết nối: VCC (5V), trig (chân điều khiển phát), echo (chân nhận tín hiệu phản hồi), GND (đất)
❖ Tên thiết bị: Cảm biến quang chữ U Omron EE-SX674
❖ Mục đích: Cảm biến đếm số lần quay trộn sơn, tín hiệu của cảm biến cho phép dừng hộp quay đúng vị trí vuông góc với băng tải
Khoảng cách cảm biến: 5 mm (slot width)
Vật chuẩn cảm biến: 2 × 0.8 mm min
LED hiển thị (red): không có vật thì LED sáng (Incident light)
Tần số đáp ứng: max 1 kHz
+ NPN open collector: 5 to 24 VDC, 100 mA max
Chế độ Dark-ON/Light-ON cho phép phát hiện sự hiện diện của vật thể bằng cách kích hoạt ngõ ra Để chọn chế độ Light-ON, bạn cần kết nối chân 2 với nguồn 24VDC.
Nguồn cấp: 5 to 24 VDC ±10%, ripple (p-p): 10% max
❖ Tên thiết bị: Van điện từ nước UNI-D UW15
❖ Mục đích: Đóng ngắt van chảy sơn ở khâu chiết rót
Nhiệt độ thiết kế: 5 đến 80°c Áp suất làm việc: 0 đến 7kgf/cm²
Chất liệu: Đồng thau, inox 304
Port size: 3/4" inch Đường kính: 15mm
Kiểu kết nối với đường ống: Kiểu ren
Kiểu tác động: Tác động trực tiếp
Trạng thái của van: Van thường đóng
4 4 6 Van điện từ khí nén
❖ Tên thiết bị: Van điện từ khí nén SMC SY3140 5LZE (24VDC)
❖ Mục đích: dùng để đóng mở đường dẫn của khí nén và điều chỉnh hướng của khí nén, từ đó điều khiển hoạt động của các xylanh
❖ Thông số kĩ thuật: Điện áp: 24 VDC Áp suất: 0.15 - 0.7 MPa
❖ Tên thiết bị: Van điện từ Airtac 4V210-08 (Van 5/2)
❖ Mục đích: dùng để đóng mở đường dẫn của khí nén và điều chỉnh hướng của khí nén, từ đó điều khiển hoạt động của xylanh dập nắp
❖ Thông số kĩ thuật: Điện áp: 24VDC kích thước cổng xả: 1/8" (ren 9.6) Áp suất hoạt động: 0.15 - 0.8 MPa
Loại van hơi 5 cửa 2 vị trí (1 đầu coil điện)
Hãng sản xuất: AIRTAC (Đài Loan)
Dòng series 4V200 có 3 loại như sau:
4 4 8 Van hút chân không dùng khí nén
❖ Tên thiết bị: Vacuum ejector Koganei MED10 – E1 – PSL-1L
❖ Mục đích: tạo chân không cho giác hút chân không hút nhả nắp và kéo lon từ trong hộp lắc ra ngoài
❖ Thông số kĩ thuật: Điện áp 24VDC ư Kớch thước cổng: ẳ” (ren 13mm) Áp suất: 1~9.9 Bar (0.1~0.99 Mpa)
❖ Tên thiết bị: Xy lanh kép SMC CXSM10-15-Y59BL
❖ Mục đích: Cố định vị trí của lon ở từng khâu, tránh rung lắc, đổ ngã
❖ Thông số kỹ thuật: Đường kính xy lanh: 10 mm
❖ Tên thiết bị: Xylanh compact SMC CDQSB12-10DC
❖ Mục đích: Di chuyển vào trong hộp lắc, kết hợp vs giác hút chân không để kéo lon từ hộp lắc ra ngoài băng tải
Hành trình tiêu chuẩn: 10 mm
❖ Tên thiết bị: Xylanh tròn PVN Pneumatic Equipment
❖ Mục đích: Đẩy lon vào trong hộp lắc
Kích thước cổng: ren 9,6mm(1/8”) Áp suất: 0.1~1Mpa(1~9kg)
❖ Tên thiết bị: Động cơ giảm tốc Tsukasa TG-85E-CH-77-D919
❖ Mục đích: Động cơ quay băng tải, động cơ quay hộp lắc, động cơ băng tải cấp nắp
❖ Thông số kỹ thuật: Điện áp định mức: 24VDC Điện áp làm việc: 12V - 24VDC
Dòng điện khi không tải: 100mA
Dòng điện khi có tải là: 500mA
Tốc độ khi không tải:134 vòng/phút
Tốc độ khi có tải: 83 vòng/phút
Momen định mức: 7,5 kgf.cm
Momen xoắn tối đa: 13 kgf.cm
4 5 Thiết bị trong đủ điện
❖ Tên thiết bị: SIMATIC S7-1200, CPU 1212C DC/DC/DC (compact CPU)
Mục đích của hệ điều hành và chương trình ứng dụng là để lưu trữ và xử lý thông tin, thực hiện các phép tính theo thuật toán được lập trình sẵn.
❖ Thông số kĩ thuật: Điện áp nguồn cấp: 24VDC
8 ngõ vào số, 6 ngõ ra số
2 ngõ vào tương tự, 0 ngõ ra tương tự
Có thể mở rộng thêm 2 module tín hiệu SM
❖ Tên thiết bị: Mô đun SIMATIC S7-1200 DIGITAL INPUT SM 1223 8DI /8DO 24V (6ES7223-1BH30-0XB0)
❖ Mục đích: Mở rộng ngõ vào và ra để đáp ứng nhu cầu sử dụng của hệ thống
❖ Tên thiết bị: Mô đun SIMATIC S7-1200, DIGITAL OUTPUT SM 1222, 16
DO RELAY (6ES7222-1HH30-0XB0)
❖ Mục đích: Mở rộng ngõ ra để đáp ứng nhu cầu sử dụng của hệ thống
❖ Mục đích: Chuyển nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều để cung cấp cho CPU, các module mở rộng và các thiết bị cảm biến
❖ Thông số kĩ thuật: Điện áp ngõ ra DC: 24V
Công suất: 200W Điện áp ngõ vào AC: 85~264VAC
Phương thức làm mát: được làm mát bằng quạt DC
❖ Tên thiết bị: Relay Omron G2R-1-SND 24VDC
Mục đích của việc sử dụng hệ thống này là để điều khiển hoạt động của các van điện từ nước cũng như các động cơ như động cơ quay băng tải, động cơ trộn và động cơ băng tải cấp nắp.
Nguồn của các tiếp điểm: 250VAC 10A/ 30 VDC 10A
Kiểu đầu nối: chân hàn
Tiếp điểm: SPDT (NO+NC)
❖ Tên thiết bị: Double level terminal blocks JUKK 5
❖ Mục đích: sử dụng để kết nối các đầu cuối của các thiết bị điện để tạo ra một mạch điện
Dòng sản phẩm Domino 2 tầng
Kiểu nối dây : Bắt vít
Kiểu lắp đặt : Gắn thanh rail DIN 35mm
Aruduino Uno là một bo mạch vi điều khiển dựa trên chip ATmega 168 hoặc ATmega 328 Cấu trúc chung bao gồm:
14 chân vào ra bằng tín hiệu số, trong đó có 6 chân có thể dử dụng để điều chế độ rộng xung
Có 6 chân đầu vào tín hiệu tương tự cho phép chúng ta kết nối với các bộ cẩm biến bên ngoài để thu thập số liệu
Sử dụng một dao động thạch anh tần số dao động 16Mhz
Có 1 cổng kết nối bằng chuẩn USB để chúng ta nạp chương trình vào bo mạch và một chân cấp nguồn cho mạch, một nút reset
Nó cung cấp mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, với nguồn cung cấp cho Arduino có thể đến từ máy tính qua cổng USB hoặc từ bộ nguồn khác.
Hình 4.14: Board Ardunio UNO R3 nguồn chuyên dụng được biến đổi từ xoay chiều thành một chiều hoặc là nguồn lấy từ pin
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật Ardunio UNO R3
❖ Tên thiết bị: SHIELD ETHERNET W5100 ARDUINO
❖ Mục đích: Thực hiện truyền dữ liệu từ arduino qua PLC S7-1200 của hãng
Simens thông qua giao thức modbus TCP/IP
Shiel Ethernet W5100 Arduino được trang bị IC W5100, cho phép truyền dữ liệu qua hai giao thức chính là TCP và UDP Thiết bị này hỗ trợ tối đa 4 đường truyền dữ liệu song song, mang lại hiệu suất cao trong việc kết nối và giao tiếp mạng.
❖ Thông số kỹ thuật: Để sử dụng phải có board mạch Arduino đi kèm
Hoạt động tại điện áp 5V (được cấp từ mạch Arduino)
Chip Ethernet: W5100 với buffer nội 16KB
Tốc độ kết nối: 10/100Mb
Kết nối với mạch Arduino qua cổng SPI
4 5 9 Thiết bị chuyển mạch mở rộng hệ thống mạng
❖ Tên thiết bị: Switch 5 port Tenda 100m
❖ Mục đích: cho phép các thiết bị kết nối với nhau qua mạng Ethernet
Tốc độ kết nối: 100Mbps
Chuẩn giao tiếp: IEEE 802.3, IEEE 802.3u, IEEE 802.3x
Phương pháp truyền dẫn (Transmission Method): Store-and-Forward
Giao thức bảo mật: CSMA/CD
Giao thức Routing/Firewall: TCP / IP.
THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ THỰC HIỆN 44 5 1 Kết quả giao diện SCADA
5 1 Kết quả giao diện SCADA
Sử dụng tính năng User Administration trong WINCC Professional nhằm thiết lập bảo vệ truy cập cho dữ liệu và chức năng ở chế độ Runtime
Hình 5.1: Màn hình trang chủ
Hình 5.2: Giao diện đăng nhập
Thao tác trong giao diện:
Log in: đăng nhập vào hệ thống Có 2 quyền đăng nhập vào hệ thống:
+ Quyền ADMIN: có tất cả các quyền bao gồm chọn màu sơn, số lượng, điều khiển các nút nhấn và sử dụng chức năng thêm mã màu mới
+ Quyền User: không thể thực hiện chức năng thêm màu mới
Activated: khóa các chức năng khi chưa đăng nhập và kích hoạt các chức năng sau khi đăng nhập
Color: chuyển đến giao diện chọn màu sơn và số lượng
Data: chuyển đến giao diện dữ liệu màu
5Exit: Thoát khỏi chế độ Runtime
❖ Giao diện chọn màu và số lượng sản phẩm:
Giao diện này cung cấp cho người dùng một bảng màu gồm 73 màu sắc với các tỉ lệ pha trộn khác nhau Bằng cách nhấn chọn vào từng màu, người dùng có thể xem tỉ lệ pha màu trong bảng cài đặt Sau khi nhập số lượng lon và nhấn Confirm, hệ thống sẽ chuyển đến giao diện vận hành.
Hình 5.3: Đăng nhập bằng với quyền ADMIN
Thao tác trong giao diện:
Chọn 1 trong 73 màu có trong bảng màu
Nhập số lượng lon vào ô Quantity
+ Nếu số lượng nhập vào bằng 0, sẽ có thông báo yêu cầu nhập lại
+ Nếu số lượng lớn hơn 0, sẽ có thông báo xác nhận lần cuối và tự động chuyển đến giao diện vận hành
Data: chuyển đến giao diện màu
Operation: chuyển đến giao diện vận hành
Hình 5.4: Giao diện chọn màu và số lượng cho sản phẩm
❖ Giao diện bảng dữ liệu màu
Giao diện hiển thị tỷ lệ phần trăm của các màu đỏ, vàng, xanh dương và trắng cho từng mã màu trong mô hình Người dùng có thể thêm màu mới với tỷ lệ mới, nhưng tổng tỷ lệ của bốn màu phải bằng 100%; nếu không, hệ thống sẽ cảnh báo Màu mới sẽ được cập nhật trong bảng cài đặt của giao diện chọn màu.
Thao tác trong giao diện:
Chọn New để thêm vào mã màu mới
Nhập vào tỉ lệ mong muốn
Nhấn Add để thêm vào bảng Nếu tỉ lệ sai sẽ hiển thị hộp thoại cảnh báo
Nhấn Clear để xóa màu vừa được thêm vào
Giao diện SCADA không chỉ giám sát từng quy trình của hệ thống mà còn có khả năng mô phỏng hoạt động của hệ thống một cách trực quan.
Hình 5.6: Giao diện dữ liệu màu
Trong quá trình hệ thống hoạt động sẽ có bảng Control Panel các nút nhấn điều khiển :
+ Nhấn nút START để hệ thống bắt đầu làm việc một cách
Hình 5.8: Giao diện mô phỏng và SCADA
Hình 5.7: Giao diện khi hệ thống đang hoạt động
+ Nhấn nút PAUSE, hệ thống sẽ chạy hết khâu hiện tại rồi dừng Nhấn nút RESUME để hệ thống tiếp tục hoạt động
+ Nhấn nút STOP, hệ thống sẽ không cấp lon mới Xử lý hết lon sơn còn lại trên băng tải rồi dừng
STATUS : Thể hiện trạng thái các đền Progress, Stop, Pause, EMO
Trong khi hệ thống đang hoạt động, bảng hiển thị trạng thái sản phẩm
• ID là mã màu sơn đang sản xuất
• Setting là số lượng lon sơn đã nhập
• Current Con là số lon sơn đang trên băng tải
• Current là số lon sơn đã được hoàn thành
VOLUME TANK: Thể thích sơn hiện tại của các bể, ở chế độ mô phỏng thể tích của các bể màu là 1000
Hình 5.9: Bảng hiển thị trạng thái số lượng sản phẩm
Hình 5.10: Ô hiển thị thể tích sơn trong các bể
Color ID là mã màu đã chọn
Quantity là số lon đã chiết rót và trộn sơn hoàn thành
Nhấn nút EMO_STOP để reset tất cả các cơ cấu chấp hành và khắc phục lỗi nếu có Để hoạt động trở lại, cần đưa nút EMO_STOP về trạng thái ban đầu.
Hình 5.11: Giao diện thông báo hoàn thành
Hình 5.12: Giao diện thông báo lỗi
Khi đủ số lượng lon yêu cầu được pha, hệ thống Buzzer_Done sẽ hoạt động và hiển thị thông báo trên màn hình SCADA Thông tin liên quan đến ID màu sơn, số lượng lon, thời gian hoàn thành và thời gian thực hiện sẽ được gửi và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu SQL.
5 2 Kết quả cơ sở dữ liệu SQL
Cơ sở dữ liệu gồm 2 bảng chính:
Bảng lưu lại quá trình sản xuất sơn: gồm ID màu sơn, số lượng lon yêu cầu, thời gian pha sơn, tổng thời gian thực hiện
Bảng lưu trữ thể tích bể bao gồm các thông tin về thể tích của bể sơn đỏ, bể sơn xanh, bể sơn vàng và thời gian cập nhật.
Hình 5.13: Database lưu trữ quá trình sản xuất trong phần mềm SQL server
Bảng 5.1: Bảng dữ liệu thông tin sản phẩm đã sản xuất
Bảng 5.2: Kết quả lưu trữ dữ liệu sản phẩm đã hoàn thành
Bảng 5.4: Bảng dữ liệu thông tin thể tích các bể màu
5 3 Kết quả pha sơn và đánh giá
Trong chế độ mô phỏng, công suất sản xuất thực nghiệm đạt 5 lon trong 298 giây Do đó, ước tính trong 1 giờ, có thể sản xuất khoảng 60 lon.
• Hệ thống chạy liên tục vì thế có thể tăng năng suất so với các hệ thống trước đây
• Khi chọn cùng một mã màu, màu sắc và thể tích đồng nhất giữa các lon
5 4 Những công việc đã làm được
Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu, nhóm em đã hoàn thành được những công việc :
Hiểu được lý tổng quan về thành phần cấu tạo màu sơn và phân loại các loại sơn phổ biến hiện nay
Hiểu được vận hành hệ thống sản xuất sơn và quy trình pha màu sơn trong các nhà máy sơn hiện nay
Hiểu được mục địch, tính năng các thiết bị sử dụng trong mô hình, tính toán và lựa chọn các thiết bị phù hợp cho dây chuyền sản xuất
• Về phần chương trình điều khiển :
Hiểu được đặc điểm, cách thực hiện chương trình điều khiển bằng PLC, tập lệnh lập trình
Chương trình điều khiển bằng PLC hoạt động ổn định, chính xác, có thể xử lý hầu hết các lỗi có thể xảy ra
Tạo ra một giao diện điều khiển giám sát SCADA trực quan và dễ sử dụng, cho phép lưu trữ và thu thập dữ liệu vào cơ sở dữ liệu SQL, đồng thời xuất báo cáo về quy trình sản xuất trên web nội bộ.
Biết được các bước để thực hiện giao tiếp giữa vi điều khiển Arduino với PLC thông qua chuẩn Modbus TCP/ IP
Biết được cách thiết kế trang webserver điều khiển và giám sát hoạt động PLC từ xa thông qua trình duyệt web
Bộ phận cấp lon và cấp nắp chưa chứa được nhiều lon và nắp
Chưa có khâu đóng thành thùng , dán nhãn và mã vạch
Màu pha của sản phẩm mang tính chính xác tương đối vì dựa vào thị giác và độ chính xác của cảm biến lưu lượng.
ĐÁNH GIÁ KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, nhóm em đã tích lũy được nhiều kiến thức mới từ Thầy Cô, bạn bè và sách vở, qua đó nâng cao vốn hiểu biết của bản thân.
Vở và Internet là những công cụ hữu ích giúp chúng ta tích lũy kiến thức và kỹ năng làm việc nhóm Việc hợp tác cùng nhau không chỉ nâng cao khả năng làm việc mà còn tìm ra những giải pháp thiết thực nhằm phục vụ cho sự phát triển của cuộc sống.
Mở rộng dây chuyền để có thể pha được các loại sơn có dung tích lớn hơn
Phát triển quy trình dán nhãn và khắc nhãn, mã vạch, ngày sản xuất bằng công nghệ laser, cùng với khâu đóng thùng sản phẩm Đồng thời, điều khiển và giám sát hoạt động của PLC từ xa qua Internet để nâng cao hiệu quả sản xuất.
