TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Gần đây, con người đang trải qua sự thay đổi mạnh mẽ nhờ vào các ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến, dẫn đến một nền văn minh hiện đại hơn.
Sự tiến bộ trong kỹ thuật điện tử đã dẫn đến sự ra đời của nhiều thiết bị nổi bật với độ chính xác cao và tốc độ nhanh, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của con người.
Tự động hóa đã trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các lĩnh vực khác nhau và nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày Trong xã hội hiện đại, nhu cầu ăn uống của người dân ngày càng được nâng cao, dẫn đến sự gia tăng số lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp thực phẩm đóng gói và nước uống đóng chai trên thị trường.
Theo khảo sát của Euromonitor vào năm 2015, thị trường đồ uống đóng chai đã đạt gần 170 tỉ USD và dự kiến sẽ tăng gần 10% đến năm 2020 Trong phân khúc này, nước chiếm ưu thế với hơn 35% thị phần, trong khi đồ uống có ga đạt khoảng 22% Sự gia tăng nhanh chóng của nước uống đóng chai được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng về các sản phẩm nước bổ sung năng lượng.
Thị trường nước giải khát tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ với sự gia tăng tiêu thụ nước uống đóng chai, nước ngọt có ga, cà phê và các loại đồ uống có cồn Trung bình, mỗi người Việt tiêu thụ hơn 23 lít nước giải khát mỗi năm, nhờ vào đời sống ngày càng nâng cao và sự cạnh tranh khốc liệt giữa nhiều nhãn hàng.
Hình 1.1: Biểu đồ thống kê sản lượng nước uống đóng chai sản xuất ở Việt Nam
Hệ thống chiết rót tự động đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất và đóng chai trong ngành thực phẩm và đồ uống Hệ thống này đảm bảo chiết rót chính xác một lượng chất lỏng nhất định vào các loại chai, lọ, bình với hiệu suất cao Đặc biệt, hệ thống cần tuân thủ các tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm để bảo vệ chất lượng và an toàn cho sản phẩm chiết rót.
Các hệ thống chiết rót thông dụng trên thị trường:
Máy chiết rót bằng bơm bánh răng
Hệ thống chiết rót bằng đầu bơm rotary (bơm bánh răng) và điều khiển bởi motor
AC với biến tần cung cấp nhiều lợi ích và tiện ích trong quá trình chiết rót sản phẩm Hệ thống này giúp tối ưu hóa hiệu suất, tiết kiệm năng lượng và nâng cao độ chính xác trong quy trình sản xuất Sử dụng AC với biến tần không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu chi phí vận hành, mang lại hiệu quả kinh tế cao cho doanh nghiệp.
Rót mềm mại và dễ dàng điều chỉnh lưu lượng với motor AC tích hợp biến tần, cho phép linh hoạt kiểm soát tốc độ và lưu lượng bơm.
- Hạn chế tạo bọt: Hệ thống bơm bánh răng thường có khả năng hạn chế tối đa việc tạo bọt trong quá trình chiết rót
Máy chiết bơm bánh răng có dung tích chiết rót đa dạng, từ 250ml đến 5000ml, mang lại sự linh hoạt trong việc đáp ứng các yêu cầu sản xuất khác nhau.
Vòi ngâm không làm tràn giúp ngăn ngừa sự rò rỉ chất lỏng ra ngoài chai và băng tải, đảm bảo quá trình chiết rót diễn ra sạch sẽ và hiệu quả.
Hệ thống bơm và động cơ băng tải cần được bảo vệ toàn diện để ngăn chặn sự sụt áp và các sự cố khác, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định trong quá trình vận hành.
Hình 1.2: Máy chiết rót bằng bơm bánh răng Máy chiết rót bằng bơm trục vít:
Máy chiết rót bằng bơm trục vít, hay còn gọi là máy chiết rót tự động 8 đầu bơm trục vít, là thiết bị quan trọng trong ngành sản xuất dầu nhớt và dầu thủy lực.
Bơm trục vít đảm bảo chiết rót chính xác và ổn định, giúp lượng dầu đóng gói vào chai luôn đạt tiêu chuẩn quy định.
Bơm trục vít là lựa chọn lý tưởng cho việc bơm dầu nhớt và dầu thủy lực, nhờ vào thiết kế đặc biệt cho phép xử lý các chất lỏng có độ nhớt cao một cách hiệu quả.
Máy chiết rót bằng bơm trục vít được thiết kế với đầu chiết nắp tích hợp, giúp tự động hóa quy trình chiết rót và đóng nắp một cách liền mạch và hiệu quả.
Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài là thiết kế và thi công mô hình chiết rót và đóng nắp chai tự động, đảm bảo lượng nước chiết rót vào chai phù hợp với quy trình giám sát Hệ thống được thiết kế với tính năng cho phép người dùng giám sát và điều khiển trực tiếp.
Trong đề tài này, chai được chiết rót có dung tích 330ml, với lượng nước chiết rót là 220ml, sử dụng nước lọc không màu Các nguyên liệu đầu vào bao gồm nắp chai PET, nước từ bồn chứa và vỏ chai rỗng được cấp bằng tay Mô hình hoạt động của quy trình này đạt năng suất cao.
2 chai/phút và độ chính xác 90% Thiết kế màn hình HMI để cài đặt thông số cho các thiết bị trong mô hình
Mô hình được xây dựng dựa trên nhiều mẫu hệ thống có sẵn trên internet, từ đó tạo ra bảng phác thảo và danh sách thiết bị cần mua cho phần thi công phần cứng Tiếp theo, hệ thống được chia nhỏ thành các phần để tiến hành điều khiển và đánh giá theo các tiêu chí đã đề ra Cuối cùng, các phần này sẽ được lắp ráp thành một hệ thống hoàn chỉnh.
Nhóm áp dụng phương pháp “thử và sai” để kiểm tra và điều chỉnh hệ thống thi công, nhằm xác định giải pháp tối ưu nhất Bên cạnh đó, việc sử dụng vật liệu dễ tháo lắp và gia công trong quá trình thực hiện mô hình giúp tiết kiệm thời gian cho việc chỉnh sửa và nâng cấp.
Phương pháp nghiên cứu
Mô hình này được xây dựng dựa trên nhiều mẫu hệ thống có sẵn trên internet, từ đó tạo ra bảng phác thảo và danh sách thiết bị cần thiết cho việc thi công phần cứng Tiếp theo, hệ thống được chia nhỏ thành các phần để tiến hành điều khiển và đánh giá theo các tiêu chí đã được nhóm đề ra Cuối cùng, các phần này sẽ được lắp ráp lại thành một hệ thống hoàn chỉnh.
Nhóm áp dụng phương pháp "thử và sai" trong thi công hệ thống để kiểm tra và điều chỉnh, từ đó tìm ra giải pháp tối ưu nhất Bên cạnh đó, việc sử dụng các vật liệu dễ tháo lắp và gia công trong quá trình thực hiện mô hình giúp tiết kiệm thời gian cho việc chỉnh sửa và nâng cấp.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ sở lý thuyết
Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai có vai trò quan trọng trong việc chuyển nước từ nơi chứa đến các bình chứa, nhằm sản xuất sản phẩm đóng chai theo yêu cầu.
Hệ thống chiết rót đóng nắp chai tự động bao gồm các bộ phận thiết yếu như đường ống dẫn nước vào bình chứa, đảm bảo định lượng chính xác từ nguồn chứa dung dịch chất lỏng bên ngoài đã được thiết lập trước.
Mạng lưới dây chuyền chiết rót dung dịch chất lỏng (nước ngọt không có ga, nước khoáng,…):
- Đường ống dẫn nước từ két chứa dung dịch chất lỏng đến vòi nước
- Vòi nước dẫn dung dịch chất lỏng đến các bình chứa, chai, lọ,…
Các dụng cụ chứa dung dịch chất lỏng và thiết bị điều chỉnh, đóng mở là rất quan trọng để đảm bảo việc vận chuyển chất lỏng đến các thiết bị vệ sinh Ngoài ra, một số công trình khác như két nước, bể chứa và trạm khí ép cũng đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống này.
Các yêu cầu cơ bản đối với một hệ thống chiết rót đóng nắp chai tự động:
- Bảo đảm đưa đầy đủ và liên tục lượng chất lỏng cần thiết đến các bình chứa, chai, lọ…
- Bảo đảm chất lượng chất lỏng đáp ứng các yêu cầu sử dụng đã đặt trước
- Giá thành xây dựng và quản lý rẻ
- Thi công quản lý dễ dàng thuận tiện, có khả năng tự động hóa và cơ giới việc khai thác, xử lý và vận chuyển sản phẩm đóng chai,…
Quy trình công nghệ yêu cầu
Bơm chính xác mực nước trong chai với độ sai số tối đa 10% bằng cách đo chiều cao dung tích cần chiết rót là 220ml Sau đó, đặt cảm biến chất lỏng không chạm gần thành chai để khi chất lỏng dâng đến tầm phát hiện của cảm biến, sẽ có tín hiệu báo đầy gửi về PLC nhằm điều chỉnh tốc độ máy bơm.
❖ Nắp chai đã đóng phải kít, không lung lay
Sử dụng xi lanh để tạo lực ép dọc bằng cách đẩy từ trên xuống Để tăng cường lực ma sát, cần lót một miếng cao su tại điểm tiếp xúc giữa cơ cấu đóng nắp chai và nắp cần đóng.
❖ Có chế độ hoạt động nhanh chạy song song với chế độ vận hành giám sát đầy đủ
Thiết kế các nút nhấn cơ bản như start, stop và emergency stop giúp vận hành hệ thống một cách nhanh chóng mà không cần đến màn hình giám sát đầy đủ.
Cơ cấu chiết rót chính của hệ thống
Hệ thống chiết rót mâm xoay là phương pháp chiết rót tự động hóa phổ biến, nổi bật với nhiều ưu điểm và khả năng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cao, do đó trở thành lựa chọn ưa thích trong ngành công nghiệp hiện đại.
Có hai kiểu dây chuyền chiết rót mâm xoay phổ biến là kiểu hoạt động theo chu kỳ và kiểu vận hành liên tục
2.2.1 Kiểu dây chuyền hoạt động theo chu kỳ
Hình 2.1: Mô hình chiết rót theo cơ cấu dây chuyền hoạt động theo chu kỳ
Mâm xoay hoạt động theo chu kỳ là một hệ thống chiết rót phổ biến, với các vòi chiết được bố trí xung quanh mâm xoay Hệ thống này hoạt động theo chu kỳ, giúp tối ưu hóa quy trình chiết rót Ngoài ra, cơ cấu đóng nắp được sắp xếp ở vị trí ngõ ra, đảm bảo việc cấp nắp và đóng nắp cho sản phẩm diễn ra hiệu quả.
Hệ thống chiết rót và đóng nắp được bố trí dọc theo băng tải, với mâm xoay chiết rót hoạt động khi băng tải dừng lại để chuyển chai đến vị trí chiết rót Các vòi chiết sẽ bắt đầu hoạt động để thực hiện quá trình chiết rót Sau khi hoàn tất, băng tải sẽ di chuyển chai đã chiết rót đến khu vực đóng nắp, trong khi chai mới tiếp tục được chiết rót Khi quá trình đóng nắp hoàn tất, băng tải sẽ đưa chai thành phẩm ra khỏi dây chuyền.
- Cơ cấu đơn giản, gọn nhẹ, quan sát dễ dàng, dễ dàng vận hành
Các chi tiết và cơ cấu định vị, kẹp chai được vận hành bằng khí nén giúp giảm trọng lượng, mang lại sự nhẹ nhàng và dễ dàng di chuyển cho hệ thống.
- Năng suất thấp do phải chờ đến khi một chu kì hoàn thành trước khi bắt đầu một chu kì mới
- Chỉ thích hợp cho các kiểu chiết rót đơn giản
- Hạn chế số lượng đầu chiết
- Lực ma sát trên băng tải cao
2.2.2 Kiểu dây chuyền vận hành liên tục
Hình 2.2: Mô hình chiết rót theo cơ cấu dây chuyền liên tục
Dây chuyền chiết rót dạng mâm xoay liên tục là lựa chọn phổ biến cho các kỹ sư chế tạo máy nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật Hệ thống này cho phép sản xuất liên tục với tốc độ cao, nhưng yêu cầu một hệ thống điều khiển phức tạp để đồng bộ hóa các quá trình và đảm bảo sự ổn định trong sản xuất Để duy trì hiệu suất và độ bền của dây chuyền, việc vận hành đúng cách và bảo trì định kỳ là rất quan trọng.
- Tăng năng suất và hiệu suất của quy trình sản xuất
- Tính liên tục và đồng bộ hóa theo tốc độ vận hành của máy
- Dây chuyền thường được thiết kế nhỏ gọn và sử dụng không gian một cách hiệu quả
- Các thiết bị định vị, chụp chai, đặt nắp được điều khiển chính xác để đảm bảo sự chính xác và đồng nhất của quy trình sản xuất
- Tính toán máy phức tạp
Giá thành của dây chuyền hoạt động theo chu kỳ thường cao, nhưng được đánh giá là phù hợp với yêu cầu thiết kế và khả năng đáp ứng chính xác Với kết cấu cơ khí không quá phức tạp, lựa chọn này giúp giảm chi phí và đảm bảo hiệu quả Do đó, nhóm quyết định hướng đến kiểu dây chuyền này để thi công mô hình cho hệ thống.
Cơ cấu định lượng chất lỏng trong hệ thống
2.3.1 Định lượng bằng chiều cao chất lỏng
Phương pháp định lượng này sử dụng cảm biến để kiểm soát chiều cao mức chất lỏng trong vật chứa Thể tích chất lỏng được rót mỗi lần tương ứng với thể tích khoang bên trong của chai tại một độ cao nhất định, như thể hiện trong hình 2.3.
Hình 2.3: Phương pháp định lượng bằng chiều cao chất lỏng
- Cấu trúc của phương pháp tương đối đơn giản
- Không đòi hỏi thiết bị phụ trợ và dễ dàng sử dụng
- Dễ dàng thay đổi thể tích dung dịch bơm vào chai
- Không thích hợp với các yêu cầu đòi hỏi độ chính xác định lượng cao
- Độ chính xác thể tích của vỏ chai cũng có thể ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của lưu lượng rót
Là phương pháp dùng bộ đếm thời gian của các loại vi xử lý để xác định thời gian cần thiết đề bơm đúng lượng nước định trước
- Phương pháp không cần phải thêm phần cứng ngoài
- Dễ dàng thay đổi dung tích bơm theo thời gian
- Có thể lưu trữ được giá trị để tiến hành theo dõi giám sát
- Cần phải thí nghiệm cẩn thận trước khi đưa vào chạy thực tế
- Không thể kiểm tra được độ chính xác khi chạy thực tế nếu không kết hợp thêm phần cứng ngoài
2.3.3 Định lượng bơm định lượng bằng piston
Bơm piston hoạt động dựa trên nguyên lý buồng bơm hình xylanh, trong đó thể tích buồng bơm thay đổi nhờ chuyển động tiến tới của piston Lưu lượng của bơm có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ dài hành trình của piston.
Hình 2.5: Phương pháp định lượng bơm định lượng bằng piston
- Định lượng chính xác dung tích chất lỏng cần bơm
- Dễ dàng thay đổi thể tích chất lỏng bơm vào chai
- Lưu lượng nước bơm vào chai rất mạnh, giảm thời gian của quá trình bơm
Hệ thống cơ khí có quy mô lớn, tuy nhiên, đối với những dự án nhỏ với yêu cầu sai số không quá nghiêm ngặt, phương pháp định lượng bằng timer là lựa chọn phù hợp Để giảm thiểu sai số thiết bị, có thể thực hiện thí nghiệm và đo đạt, từ đó giảm chi phí thi công hiệu quả.
Cơ cấu xoay cho mâm quay
Cơ cấu Man, hay còn gọi là cơ cấu biến đổi liên tục thành gián đoạn, là một loại cơ cấu quan trọng trong việc chuyển đổi chuyển động liên tục thành chuyển động quay.
13 gián đoạn Cơ cấu này thường bao gồm hai phần chính: khâu dẫn có chốt và khâu bị dẫn có rãnh tiếp xúc không liên tục
Mâm xoay được cố định bằng kết cấu cơ khí, mang lại độ bền cao và khả năng chống lại tác động từ bên ngoài, đảm bảo không bị dịch chuyển khỏi vị trí xác định.
- Quay các góc mâm xoay đến các góc độ chính xác
- Cần tính toán nhiều trước khi thi công
- Có thể bị trật khớp khi đo đạt hoặc gia công không chính xác
2.4.2 Cơ cấu truyền động dùng động cơ encoder gắn bộ puly và dây đai
Hình 2.7: Cơ cấu truyền động dùng động cơ encoder gắn bộ puly và dây đai
Cơ cấu hệ thống bao gồm hai puly kết nối với động cơ encoder và phần gốc của mâm xoay PLC được sử dụng để xử lý hàm PID nhằm điều khiển động cơ, trong khi dữ liệu hồi tiếp được lấy từ giá trị encoder Động cơ sẽ kéo mâm xoay qua dây đai đến từng vị trí cố định một cách tuần tự.
Lựa chọn tỷ số truyền động giữa hai puly giúp tăng độ chính xác trong quá trình xoay và giảm lực kéo cần thiết từ động cơ để quay mâm xoay.
- Mâm xoay có khả năng tự quay về các vị trí xác định bằng hồi tiếp encoder khi bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài
- Cần phải lựa chọn thông số pid chuẩn xác để động cơ hoạt động hiệu quả
- Nếu lực giữ của đầu trục động cơ không lớn sẽ làm mâm xoay bị lệch khỏi những vị trí xác khi bị tác động từ ngoại lực
2.4.3 Cơ cấu sử dụng hộp giảm tốc cho động cơ bước
Hình 2.8: Sử dụng hộp giảm tốc cho động cơ bước
Hộp giảm tốc là thiết bị cơ khí thiết yếu, giúp giảm tốc độ quay của động cơ và truyền động đến cơ cấu mâm xoay Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý bánh răng với kích thước khác nhau, chuyển đổi tốc độ quay lớn thành tốc độ quay nhỏ hơn, mang lại hiệu quả cao trong quá trình vận hành.
Hộp giảm tốc trong cơ cấu mâm xoay cho phép điều chỉnh tốc độ quay một cách linh hoạt bằng cách thay đổi bánh răng hoặc thiết lập khác nhau của hộp giảm tốc.
- Hộp giảm tốc cho phép tăng hoặc giảm hoặc giảm tốc độ quay dể dàng phù hợp với yêu cầu sản suất và quá trình chiết rót
Hộp giảm tốc giúp giảm tải cho động cơ, từ đó kéo dài tuổi thọ của động cơ và cơ cấu mâm xoay Ngoài ra, nó còn giữ cho tốc độ quay ổn định và ngăn chặn các dao động không mong muốn.
Việc sử dụng hộp giảm tốc có thể dẫn đến việc mất một phần công suất trong quá trình truyền động từ động cơ đến cơ cấu mâm xoay, điều này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của hệ thống.
Hộp giảm tốc cần được bảo trì và kiểm tra định kỳ để duy trì hoạt động ổn định và ngăn ngừa hỏng hóc Mặc dù việc bảo trì có thể tốn kém về chi phí và thời gian, nhưng việc này rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác cao Do đó, nhóm đã quyết định sử dụng hộp giảm tốc cho động cơ bước nhằm điều khiển cơ cấu mâm xoay hiệu quả.
Chỉ số đánh giá
Hình 2.9: Cảm biến màu Adafruit_TCS34725
Sử dụng cảm biến màu Adafruit_TCS34725 để nhận diện nút chai, hệ thống kiểm tra xem chai có nút ở bên trên sau khi qua cơ cấu đóng nắp hay không Nếu chai có nút, sản phẩm được đánh giá là đạt tiêu chuẩn; ngược lại, nếu không có nút, chai sẽ bị coi là lỗi và bị loại bỏ.
2.5.2 Độ khít của nắp chai
Hình 2.10: Độ khít của nắp chai
Giá trị X được xác định là khoảng cách giữa hai điểm, đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá độ khít của nắp chai sau khi quá trình đóng nắp hoàn tất Nếu X ≤ 2mm, sản phẩm được coi là đạt yêu cầu; ngược lại, nếu X ≥ 2mm, chai sẽ được đánh giá là sản phẩm lỗi.
2.5.3 Độ chính xác về thể tích trong chai
Hình 2.11: Độ chính xác về thể tích trong chai
Hệ thống áp dụng phương pháp định lượng chất lỏng dựa trên chiều cao, trong đó H (khoảng cách từ đáy chai đến mực chất lỏng hiện tại) được sử dụng để đánh giá mực nước Khi H nằm trong khoảng từ 180mm đến 185mm, mực nước của chai thành phẩm được coi là đạt yêu cầu.
H 180mm hoặc H 185mm thì chai được đánh giá là sản phẩm lỗi
Kết luận: Chai thành phẩm chỉ được coi là đạt yêu cầu khi đáp ứng đủ ba tiêu chí: nút chai phải được đóng nắp, kích thước chiều cao không vượt quá 2mm và chiều cao phải nằm trong khoảng từ 180mm đến 185mm Bất kỳ chai nào không đáp ứng các tiêu chí này sẽ được xem là sản phẩm lỗi.
Tiêu chuẩn an toàn
Trong thời đại 4.0 với xu hướng "Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa", sự phát triển công nghệ hiện đại đã làm nổi bật tầm quan trọng của thực phẩm Tiêu chuẩn an toàn thực phẩm hiện nay đang được nhiều người quan tâm, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và đời sống hàng ngày của con người.
Thực phẩm nước uống đóng chai rất quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của con người Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là liệu nước uống đóng chai mà chúng ta sử dụng có đảm bảo an toàn cho sức khỏe hay không.
Yêu cầu đối với hệ thống chiết rót đóng nắp chai tự động là:
- Có đủ diện tích để xây dựng các bể chứa chất lỏng đúng tiêu chuẩn và thuận tiện để vận chuyển đường nước
- Không bị ngập nước, đọng nước
Yêu cầu với trang thiết bị dụng cụ:
- Đủ trang thiết bị để kiểm soát được áp suất, mức nước trong bình chứa, chai, lọ,… theo yêu cầu kỹ thuật mà hệ thống đưa ra
Hệ thống được trang bị cầu dao chống quá dòng và quá tải, đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành Tủ PLC được bảo vệ bằng keo nến trên các thiết bị nhằm ngăn chặn rò rỉ điện trong quá trình tiếp xúc.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Yêu cầu thiết kế
Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai chuyên dụng được thiết kế dành riêng cho vỏ chai 320ml, với hai chế độ hoạt động linh hoạt: chế độ vận hành nhanh thông qua nút nhấn và chế độ vận hành tự động.
Hệ thống điện sử dụng có thể là 1 pha 220V, 50Hz hoặc 3 pha 380V, 50Hz, với dòng tải thường không nhỏ hơn 5A, tùy thuộc vào công suất bơm và các thiết bị ngoại vi khác Để đảm bảo an toàn điện, hệ thống được trang bị cầu dao chống giật và các thiết bị điện khác, cùng với nút tắt khẩn cấp để xử lý sự cố khi cần thiết.
Khung sườn thiết bị được chế tạo từ thép sắt vuông, có khả năng chịu lực rung vừa phải Ống dẫn nước được làm từ nhựa tinh khiết, đảm bảo an toàn vệ sinh và không gây ra cặn bẩn hay nấm mốc vi sinh.
Các thiết bị đựng nước: vật tư, các bình chứa khác
Hệ thống phải thỏa các chỉ tiêu:
- Mực nước trong chai là: 220 ml10%
- Tốc độ sản suất là: 2 chai/phút
- Hoạt động ổn định trong thời gian dài
Từ yêu cầu thiết kế các phương án thi công đề xuất
1 Lắp đặt băng tải, mâm xoay, cơ cấu chiết rót, cơ cấu đóng nắp chai
3 Viết chương trình điều khiển hệ thống
Bảng 3.1 Phương án thi công
Quy trình hệ thống
Hệ thống này bao gồm:
Băng tải đầu vào (băng tải 1): đưa chai rỗng đến vị trí mâm xoay
Cơ cấu bơm nước (chiết rót): bơm nước vào chai theo đúng thể tích 280ml đã quy định
Mâm xoay: đưa chai đến các vị trí để thực hiện các chức năng bơm nước, cấp nắp, đóng nắp và vặn nắp
Cảm biến: kiểm tra chất lượng đầu ra của chai xem đã đạt chuẩn chưa
Băng tải đầu ra (băng tải 2): đưa chai đã được vặn nắp đến vị trí đóng gói.
Mâm xoay
Mâm xoay có chức năng mang chai rỗng đến lần lượt các vị trí bơm nước, đóng nắp và vặn nắp chai
Thông số đầu vào của mâm xoay Đường kính mâm xoay DT = 345 [mm] Độ dày mâm xoay LT = 6 [mm] Đường kính chai Dw P [mm] Độ cao chai Lw = 145 [mm]
Vật liệu mâm xoay Mica (khối lượng riêng của nước 𝜌 2,88.10 3 [ 𝑘𝑔
𝑚 3 ]) Vật liệu chai nước Nước (khối lượng riêng của nước 𝜌 1 997[ 𝑘𝑔
Số chai mâm xoay 4 chai (mỗi chai qua góc 90 0 )
Khoảng cách từ tâm mâm xoay đến tâm chai nước
Tỉ số truyền i và độ phân giải trên mỗi xung 𝜃 𝑠 = 0,255° là yếu tố quan trọng trong việc điều khiển động cơ bước Đối với động cơ bước có góc bước 1.8°, khi sử dụng driver TB6600 ở chế độ micro step 8, góc bước thực tế sẽ được điều chỉnh tương ứng.
Bảng 3.2: Bảng thông số cài đặt phần cứng trên driver TB6600
8 = 0.225 ° Xác định cách thức hoạt động mẫu
Tính toán xung hoạt động A [xung]
𝜃: góc định vị (do yêu cầu đặt ra khi có xung phát ra từ PLC thì động cơ quay được
A: số xung hoạt động [xung]
Xác định thời gian tăng tốc (giảm tốc)
T1 [s] Thời gian tăng tốc, giảm tốc là 25% thời gian định vị phù hợp
100∗ 0,5 = 0,125 [𝑠] t 1 : thời gian tăng tốc/ giảm tốc [s] t 0 : thời gian định vị [s]
Tính tốc độ xung hoạt động
Tốc độ xung hoạt động có thể được tìm thấy từ số lượng xung hoạt động “A”, thời gian định vị “t 0 ”, thời gian tăng tốc và giảm tốc “t 1 ”
Tính tốc độ vận hành
Phạm vi tốc độ động cho động cơ bánh răng PN với tỉ số truyền 10 là từ 0 đến 300 vòng/ phút
Tính toán yêu cầu moment xoắn TM [N.m]
Tính toán moment xoắn tải TL [N.m]
Ma sát tải trọng là không đáng kể và do đó được bỏ qua Moment xoắn tải giả định là
Tính toán moment xoắn tăng tốc Ta [N.m]
Tính toán moment quán tính tải JL [kg.m 2 ]
Moment quán tính của mâm
32 2880 (3.10 −3 ) (345.10 −3 ) 4 ≈ 120,16.10 −4 [𝑘𝑔 𝑚 2 ] Moment quán tính của chai nước
32 997 (145.10 −3 ) (50.10 −3 ) 4 ≈ 0,899.10 −4 [𝑘𝑔 𝑚 2 ] Khối lượng của chai nước
Moment quán tính Jw [kg.m²] tính từ tâm xoay có thể được xác định dựa trên khoảng cách L [mm] giữa tâm chai nước và tâm vòng quay của mâm xoay, cùng với khối lượng của chai nước mw.
[kg] và quán tính của chai nước (trục trung tâm của tải) Jw1 [kg.m 2 ]
Vì số lượng chai nước trên mâm xoay, n = 3
Moment quán tính chai nước trên mâm xoay
𝐽 𝐿 = 304,35.10 −4 [𝑘𝑔 𝑚 2 ] Tính toán moment xoắn tăng tốc
Tính toán moment xoắn yêu cầu TM [N.m]
Yếu tố an toàn Sf =2
Lựa chọn động cơ dự kiến
Mẫu động cơ Moment quán tính rotor
Cơ cấu bơm nước
Có nhiều phương án thiết kế cơ cấu bơm nước, về số lượng bơm, và vị trí đặt cơ cấu bơm (trên băng tải, trên mâm xoay, )
Với quy mô đồ án, nhóm đã lựa chọn phương án sử dụng 1 bơm, bơm tại 1 vị trí trên mâm xoay Phương án này có ưu điểm:
Việc đồng bộ hóa thời gian giữa cơ cấu đóng nắp và vặn nắp là rất quan trọng Bằng cách đặt bơm nước trên mâm xoay, quy trình chiết rót và đóng nắp có thể diễn ra đồng thời, từ đó đảm bảo sự nhất quán trong quy trình sản xuất và mang lại sản phẩm cuối cùng hoàn chỉnh.
Cơ cấu bơm nước bao gồm:
Cảm biến tiệm cận (đếm chai)
Tính chọn động cơ bơm nước
Trong ngành công nghiệp, động cơ bơm nước xoay chiều AC thường được sử dụng cho các dây chuyền chiết rót nhờ vào công suất lớn, tuổi thọ cao và khả năng hoạt động liên tục Tuy nhiên, với quy mô đồ án nhỏ của nhóm, động cơ bơm nước một chiều DC là sự lựa chọn hợp lý hơn, nhờ vào những ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và giá thành rẻ.
Cột nước bơm: H@cm=0,4m (do bình chứa cung cấp nước để bơm cho chiều cao tầm 40cm)
Lựa chọn động cơ bơm
0,43 ≈ 3𝑊 Nhóm chúng em đã lựa chọn động cơ bơm nước DC385 với thông số kỹ thuật như sau:
Hình 3.2: Động cơ bơm nước DC 385
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật động cơ bơm nước DC 385
Cơ cấu cấp nắp tự động
Cơ cấu cấp nắp tự động là hệ thống tự động cung cấp nắp cho chai sau khi đã được bơm đầy nước Hệ thống này được lắp đặt ở vị trí trước bước đóng nắp và sau bước vặn nắp, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Loại động cơ DC 385 Điện áp sử dụng 12VDC
Lưu lượng bơm tối đa 1,8 ± 0,1l/phút
25 này đòi hỏi khả năng tự động và độ chính xác để đảm bảo nắp được cấp và đặt chính xác lên chai
Cấu tạo cơ cấu cấp nắp được thể hiện ở hình 2.8, bao gồm:
1 Rãnh chứa nắp 2 Thanh gá
3 Lò xo 4 Thanh gạt nắp
Hình 3.3: Cấu tạo cơ cấu cấp nắp
Nguyên lý hoạt động cơ cấu cấp nắp:
Cơ cấu cấp nắp lắp đặt chính xác giúp đảm bảo nắp được đưa đúng vị trí trên miệng chai khi mâm xoay quay, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.
Hệ thống giữ nắp sử dụng lực ép từ lò xo để ngăn nắp rơi ra khỏi rãnh, đồng thời đảm bảo nắp không bị giữ quá chặt khi chai xoay Lực của lò xo đủ mạnh để giữ nắp an toàn, và khi chai đến vị trí cấp nắp, lực tác động lên thanh giữ nắp sẽ nén lò xo vừa đủ để dễ dàng lấy nắp ra.
Thanh gạt nắp giúp gạt phẳng nắp chai, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vặn nắp chặt và chính xác Điều này đảm bảo nắp không bị lệch so với miệng chai, giúp quá trình vặn nắp diễn ra một cách hiệu quả và an toàn.
Hình 3.4: Kích thước thanh gạt nắp chai.
Cơ cấu đóng và vặn nắp chai
Cơ cấu bao gồm hai bộ phận chính: bộ phận đóng nắp và bộ phận vặn nắp Cả hai đều hoạt động dựa trên cơ chế chuyển động tịnh tiến lên xuống nhờ vào xy lanh đôi Đặc biệt, bộ phận vặn nắp còn được trang bị động cơ quay để thực hiện việc vặn chặt nắp hiệu quả.
Cơ cấu tịnh tiến chung
Lực đóng nắp vừa đủ để không làm hỏng nắp và cân bằng nắp trước khi vặn
Momen quay vừa đủ để vặn chặt nắp chai
Cơ cấu truyền chuyển động:
Phương án thiết kế của nhóm sử dụng các thành phần sau:
Xy lanh đôi được sử dụng để truyền động tịnh tiến cho bộ phận vặn nắp Chúng được lắp đặt sao cho chuyển động tịnh tiến của xy lanh tương ứng với chuyển động của bộ phận vặn nắp, đảm bảo hoạt động hiệu quả và chính xác.
Động cơ DC giảm tốc để truyền động quay cho bộ phận vặn nắp Động cơ
DC giảm tốc được lựa chọn giúp cung cấp momen quay đủ để vặn chặt nắp chai
Hình 3.5: Cấu tạo cơ cấu vặn nắp chai
Chai sau khi được cấp nắp sẽ được đưa đến vị trí đóng nắp qua mâm xoay Tại vị trí này, xi lanh hạ xuống với đầu đóng nắp để nắp chai được cân bằng Sau khi nắp chai đã được cân bằng, động cơ DC sẽ hoạt động để vặn chặt nắp chai.
Đầu vặn nắp chai được thiết kế với kích thước phù hợp, đảm bảo vừa vặn với hình dạng của nắp chai Thiết kế này giúp tạo ra sự tiếp xúc chính xác giữa đầu vặn và nắp, từ đó ngăn chặn tình trạng trượt hoặc lệch khi vặn nắp.
Bề mặt trong của đầu vặn cần có độ nhám tốt để đảm bảo tiếp xúc hiệu quả, giúp truyền momen quay đến nắp chai mà không bị trượt Thiết kế chắc chắn và cố định của đầu vặn vào trục động cơ mang lại sự ổn định và độ chính xác trong quá trình vặn nắp.
Hình 3.6: Cấu tạo đầu vặn nắp chai
Yêu cầu: Động cơ tạo ra momen đủ để vặn chặt được nắp chai
Momen cần thiết để nắp chai được vặn chặt là 2,8 Nm Đây cũng chính là yêu cầu tối thiểu của momen động cơ vặn nắp
Lựa chọn động cơ: Động cơ DC giảm tốc HN-GH12-1632
Hình 3.7: Động cơ giảm tốc HN-GH12-1632 Điện áp định mức 12VDC
Dòng điện định mức 70 mA Dòng hoạt động < 450mA Momen xoắn cực đại 5,5 kG.cm
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật động cơ DC giảm tốc HN-GH12-1632
Xy lanh đôi TN16X40 – S được lựa chọn dựa trên yêu cầu và hành trình của piston
Xy lanh có có khả năng thực hiện chuyển động tịnh tiến lên xuống với hành trình 40mm bao gồm một số ưu điểm như:
Cấu trúc đôi: Xylanh đôi có hai piston hoạt động đồng thời, tạo ra một lực đẩy mạnh và ổn định trong quá trình chuyển động tịnh tiến
Cơ cấu chống xoay của xy lanh được thiết kế đặc biệt nhằm ngăn chặn sự lung lay trong quá trình động cơ vặn nắp hoạt động Điều này giúp đảm bảo hiệu suất và độ bền của thiết bị.
Hình 3.8: Xi lanh đôi TN16X40 - S
Xi lanh D (mm) d (mm) s (mm)
Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật của xy lanh TN16X40 – S
Cơ cấu gắp chai
Cơ cấu sử dụng hai xylanh đơn để điều khiển bộ khung được chế tạo từ ống thép không gỉ, đảm bảo lực kẹp đủ chặt để giữ chai mà không làm biến dạng cổ chai Đồng thời, cơ cấu này còn phải chịu được lực khi đưa chai xuống thùng, giảm thiểu rung lắc trong quá trình vận chuyển.
Nguyên lý hoạt động của cơ cấu:
Sau khi kiểm tra chất lượng chai thành phẩm, chai sẽ được đẩy bằng xylanh đôi đến cơ cấu gắp chai Tại đây, sau khi đếm đủ 4 chai, cơ cấu gắp chai sẽ hoạt động để kẹp chặt 4 chai ở phần cổ và đưa chúng xuống thùng trong hầm của mô hình.
Hình 3.9: Cấu tạo cơ cấu gắp chai
Lựa chọn xylanh đơn MAL16X50 có khả năng chịu được lực vừa và giúp cho cơ cấu vững chắc không bị rung lắc khi kẹp chai
Xi lanh Đường kính trong xylanh (mm) Hành trình (mm) Áp suất tối đa (MPa)
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật của Xylanh MAL16X50
Băng tải
Băng tải là giải pháp cơ khí hiệu quả cho việc vận chuyển đồ vật trong sản xuất và kinh doanh, tự động hóa quá trình này giúp giảm phụ thuộc vào công nhân và tiết kiệm sức lao động Nhờ vào khả năng tự động, băng tải không chỉ tăng năng suất lao động mà còn nâng cao hiệu quả làm việc Công nghệ băng tải đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, giúp tiết kiệm thời gian, công sức và tạo ra môi trường làm việc an toàn và hiệu quả.
Các loại băng tải thông dụng hiện nay:
Khung băng tải có thể sử dụng một số vật liệu như:
Các cơ cấu truyền động có thể sử dụng động cơ DC giảm tốc hoặc kết hợp động cơ DC với bộ truyền xích hoặc bộ truyền đai
Với quy mô đồ án hiện tại, nhóm đã lựa chọn phương án thiết kế như sau:
Khung băng tải sử dụng kết hợp nhôm định hình và thanh thép lỗ
Truyền động bởi động cơ DC giảm tốc
Khung băng tải sử dụng kết hợp nhôm định hình và thanh thép lỗ:
Dễ tháo lắp, có thể điều chỉnh và di dời
Đa dạng về kích thước
Đảm bảo tính chắc chắn, ổn định
Đảm bảo độ đồng phẳng của băng tải
Có khả năng đàn hồi cao, chịu được nhiệt
Giá thành rẻ, độ bền cao
Vì đường kính chai nước d = 60 mm nên lựa chọn băng tải có bề rộng
B = 100 mm Chiều dài làm việc của băng tải L = 850 mm
Yêu cầu về động cơ DC giảm tốc truyền động băng tải:
Kích thước nhỏ gọn, dễ gá đặt
Mạch điều khiển đơn giản
Tính chọn động cơ DC giảm tốc:
Tổng khối lượng của dây đai và tải M1 = 4 [kg]
Hệ số ma sỏt trượt à = 0.3 Đường kính con lăn D = 60 [mm]
Khối lượng con lăn M2 = 1 [kg]
Hiệu suất dây đai và con lăn Ƞ = 0.9
Vận tốc băng tải V = 150 mm/s
Dòng điện 1 pha – 24VDC – 60Hz
Thời gian làm việc 8 tiếng/ngày
Tính chọn tốc độ động cơ:
Xác định tỷ số truyền
Tốc độ ở trục đầu ra bánh răng
Vì tốc độ định mức cho động cơ 4 cực ở 60Hz là 1450 đến 1550 r/min, tỷ số truyền được tính như sau:
Tính toán momen xoắn cần thiết
Tổng lực F tác động lên băng tải
𝐹 = 11,76 (𝑁) Momen xoắn được xác định là
Chọn động cơ băng tải thỏa mãn tỷ số truyền i = 30 và momen xoắn TL = 0,392 N.m
Chọn động cơ GB37-3530 có thông số như sau:
Tốc độ không tải: 480 RPM
Momen xoắn tối đa: không quá 4,5 kg.cm
Dòng điện không tải: không quá 50mA
Tổng thể hệ thống chiết rót và đóng nắp chai
Kết cấu của toàn bộ hệ thống được thể hiện ở hình 2.21
Hình 3.13: Hệ thống cơ khí sau khi hoàn thiện thiết kế
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ hoạt động của hệ thống
Từ phần cơ sở lý thuyết, ta đả đưa ra được sơ đồ khối hệ thống điều khiển và giám sát mức nước trong bồn chứa như sau:
Với sơ đồ khối đưa ra ta sẽ tiến hành phân tích và lựa chọn các thiết bị phù hợp với hệ thống như sau:
Khối tín hiệu
Cảm biến chất lỏng không tiếp xúc sử dụng sóng từ để truyền vào không gian thùng chứa nước, giúp đo lường mực nước hiệu quả Khi sóng lan truyền đến bề mặt chất lỏng, chúng sẽ phản xạ trở lại cảm biến, cho phép thu thập và phân tích thông tin về vận tốc và thời gian Từ đó, cảm biến có thể tính toán mức chất lỏng trong thùng chứa Đặc biệt, đầu đo mực nước ở bể chứa ngầm giúp xác nhận nguồn nước có tồn tại hay không; nếu không có nước, hệ thống sẽ tự động ngưng hoạt động.
Cảm biến đo mực nước trong thùng chứa được sử dụng để xác định chính xác mức nước trong thùng có chiều cao cụ thể Do đó, việc lựa chọn cảm biến với tầm đo phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả trong việc giám sát mức nước.
Chọn cảm biến mực chất lỏng không tiếp xúc XKC – Y25 – V
Hình 4.1: Cảm biến mực chất lỏng không tiếp xúc hiệu XKC – Y25 – V Các thông số kỹ thuật cơ bản của cảm biến mực chất lỏng không tiếp xúc XKC – Y25 – V:
- Điện áp sử dụng: 5 - 12VDC
- Độ dày thành bồn có thể xuyên qua: 0~20mm
- Chất liệu bồn chứa có thể cảm biến được: Phi Kim
- Nhiệt độ hoạt động: -20~100 độ C
Trong quá trình chiết rót, hệ thống cần phát hiện các chai khi chúng được đưa từ băng tải vào khu vực chiết rót chất lỏng Để đạt được điều này, cảm biến hồng ngoại được sử dụng nhằm phát hiện vật cản, đảm bảo quy trình diễn ra suôn sẻ và hiệu quả.
Chính vì yêu cầu cần thiết từ hệ thống về cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản nên chọn sử dụng cảm biến tiệm cận hồng ngoại E18-D80NK
Hình 4.2: Cảm biến tiệm cận hồng ngoại E18 – D80NK Các thông số kỹ thuật cơ bản của cảm biến tiệm cận hồng ngoại E18 – D80NK:
- Nguồn điện cung cấp: 5VDC
- Khoảng cách phát hiện: 3 ~ 80cm
- Dòng kích ngõ ra: 300mA
- Chất liệu sản phẩm: nhựa
Khối dữ liệu
PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị cho phép lập trình các thuật toán điều khiển logic, thay thế các thiết bị điều khiển cũ nhằm mang lại sự dễ sử dụng và khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau Nó nhận tín hiệu từ các ngõ vào như nút nhấn, công tắc và cảm biến, sau đó thực hiện hoạt động qua ngõ ra PLC hoạt động dựa trên nguyên tắc quét trạng thái của đầu vào và đầu ra, khi trạng thái đầu vào thay đổi, ngõ ra sẽ được điều chỉnh tương ứng theo chương trình đã lập trình.
Bộ lập trình PLC Mitsubishi FX1S-30MT được sử dụng trong đồ án này không chỉ vì mục đích ban đầu mà còn do tính phổ biến của dòng PLC này Đây chính là khu vực trung tâm và phần quan trọng nhất của hệ thống.
Hình 4.3 Bộ lập trình PLC Mitsubishi FX1S-30MT
- FX1S-30MT-001: Nguồn cấp 220V, ngõ vào cấp sẵn nguồn nội 24VDC của PLC
- FX1S-30MT-001: 14 ngõ vào cách ly/ 10 ngõ ra transistor
- Bộ nhớ chương trình: 2000 bước lệnh
- Chu kỳ xử lý lệnh: 0.55 – 0.7 às
- Phát xung tốc độ cao: 2 chân phát xung max 100k
Thiết kế và kết nối các phần điện của mô hình
4.4.1 Kết nối các thành phần
Hình 4.4: Sơ đồ thiết bị điện của mô hình Quy trình mạch điều khiển
PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến màu sắc, cảm biến chất lỏng, cảm biến hồng ngoại và aduino uno
Cảm biến được lắp đặt trên thân xylanh cùng với đầu và cuối hành trình giúp nhận biết trạng thái hoạt động của xylanh Các cảm biến này sẽ truyền tín hiệu về PLC để đảm bảo quá trình điều khiển chính xác và hiệu quả.
Output của PLC được nối với các van điều khiển xylanh cũng như các động cơ
HMI kết nối với PLC để tạo giao diện điều khiển cho người dung ĐỊA CHỈ LOẠI GHI CHÚ
X0 Digital Input Tín hiệu động cơ encoder Xung tốc độ cao X1 Digital Input Relay cảm biến màu sắc 0VDC
X3 Digital Input Cảm biến hồng ngoại NPN 0VDC
X4 Digital Input Cảm biến hồng ngoại NPN 0VDC
X5 Digital Input Cảm biến hồng ngoại NPN 0VDC
X6 Digital Input Cảm biến hồng ngoại NPN 0VDC
X7 Digital Input Nút nhấn START 0VDC
X10 Digital Input Nút nhấn STOP 0VDC
X11 Digital Input Cảm biến hồng ngoại NPN 0VDC
X12 Digital Input Cảm biến mức chất lỏng 0VDC
Bảng 4.1: Input của PLC FX1S-30MT ĐỊA CHỈ LOẠI GHI CHÚ
Y0 Digital Output Phát xung đến động cơ bước Xung tốc độ cao
Y1 Digital Output Điều khiển hướng động cơ bước
Y5 Digital Output Solenoid Van 1 0VDC
Y6 Digital Output Động cơ băng tải 1 0VDC
Y7 Digital Output Động cơ băng tải 2 0VDC
Y10 Digital Output Động cơ máy bơm nước 0VDC
Y11 Digital Output Solenoid Van 2 0VDC
Y12 Digital Output Solenoid Van 3 0VDC
Y13 Digital Output Solenoid Van 4 0VDC
Y14 Digital Output Solenoid Van 5+ 0VDC
Y15 Digital Output Solenoid Van 5- 0VDC
Bảng 4.2: Output của PLC FX1S-30MT
Hình 4.5: Sơ đồ chân input của PLC
Hình 4.6: Sơ đồ chân output của PLC
Hệ thống được điều khiển và giám sát qua viêc thiết kế một giao diện HMI với các thiết kế yêu cầu:
Thể hiện được hình ảnh và trạng thái tổng quan của hệ thống
Cho phép chuyển đổi 2 chế độ chạy tuần hoàn, chạy theo số lượng
Hiển thị được các thông số cài đặt quan trọng trong hệ thống
Khi trong chế độ điều khiển tại hệ thống người vận hành hệ thống sẽ được quyền cài đặt các thông số hệ thống
Báo cáo sự cố khi hệ thống gặp lỗi và đưa ra các thông tin giải quyết sơ bộ cho khách
Thiết kế màn hình cấp 1
Hình 4.7: Màn hình đăng nhập
Thiết kế màn hình cấp 2
Hình 4.8: Màn hình tổng quan quá trình vận hành hệ thống ở chế độ auto
Trên màn hình hiển thị, khi hệ thống chưa hoạt động, đèn STOP sẽ sáng màu đỏ Người dùng có thể nhấn nút “LOG OUT” để trở về màn hình cấp 1 Trong quá trình vận hành, màn hình sẽ hiển thị hai chế độ: “sequential mode” và “product mode” Nếu chọn chế độ sản phẩm, HMI sẽ chuyển sang cấp 3 yêu cầu nhập số lượng sản phẩm Khi hệ thống hoạt động, số chai hoàn thành sẽ được hiển thị trên màn hình, cùng với trạng thái “No bottle cap” nếu chai không có nắp.
Khi hệ thống hoạt động và gặp sự cố, đèn cảnh báo sẽ phát sáng màu đỏ, giúp người dùng nhận biết rằng hệ thống đang gặp lỗi.
Hình 4.9: Màn hình tổng quan quá trình vận hành ở chế độ manual
Trong chế độ manual, người dùng có thể kiểm soát các chức năng của máy điều khiển một cách thủ công Bằng cách nhấn nút, người dùng có thể điều chỉnh động cơ và cylinder, cũng như hiệu chuẩn vị trí cảm biến cho phù hợp Chế độ này không chỉ giúp kiểm tra và hiệu chuẩn các thiết bị mà còn hỗ trợ bảo trì khi máy hoạt động không đúng Ngoài ra, chế độ manual cho phép người dùng tìm hiểu nguyên nhân sự cố và kiểm tra các bộ phận trước khi tiến hành sửa chữa hoặc bảo trì.
Hình 4.10: Màn hình tổng quan quá trình vận hành ở chế độ dữ liệu máy bơm nước
Hình 4.11: Màn hình tổng quan quá trình vận hành ở chế độ dữ liệu mâm xoay
Hình 4.12: Màn hình tổng quan quá trình vận hành ở chế độ dữ liệu cylinder
Màn hình được thiết kế dựa trên các yêu cầu thiết kế và thông số vận hành của thiết bị như bơm, cơ cấu đóng nắp và mâm xoay Nó hiển thị và cho phép điều chỉnh thời gian hiện tại của máy bơm, chu kỳ và tần số của động cơ mâm xoay, cũng như thời gian delay của cylinder.
Hình 4.13: Màn hình tổng quan hệ thống lỗi do vấn đề sự cố
Khi hệ thống gặp sự cố, người dùng nên liệt kê các bảng lỗi và tìm hiểu cách khắc phục để tự sửa chữa nếu có khả năng Đối với những sự cố nghiêm trọng hơn, người dùng nên liên hệ với chuyên gia để đảm bảo sửa chữa chính xác, tránh những sai sót đáng kể trong quá trình khắc phục.
Với những mã lỗi được cài đặt sẵn trước đó như hình đã liệt kê và dành cho danh sách lỗi
Hình 4.14: Danh sách lỗi 1 và 2 hệ thống
Hình 4.15: Danh sách lỗi 3 và 4 hệ thống
Quy trình điều khiển
Hình 4.16: Sơ đồ quy trình hoạt động của mô hình Bước 1: Băng tải 1 hoạt động đưa chai rỗng đến mâm xoay
Bước 2: Mâm xoay đưa chai rỗng đến cơ cấu chiết rót Động cơ bơm hoạt động rót nước vào chai
Bước 3: Sau khi chiết rót xong chai được mâm xoay đưa đến cơ cấu cấp nắp Nắp được gá hờ vào miệng chai
Bước 4: Mâm xoay sẽ di chuyển chai đến vị trí của cơ cấu vặn nắp Tại đây, xy lanh đôi sẽ đưa động cơ vặn nắp vào vị trí, sau đó động cơ sẽ hoạt động để đóng chặt nắp chai.
Mâm xoay sẽ chuyển chai đến băng tải 2, nơi các cảm biến kiểm tra tiêu chuẩn về lượng nước và độ kín của nắp chai Sau khi hoàn tất kiểm tra, chai sẽ được đưa đến cơ cấu gắp chai thông qua xylanh đơn trên băng tải 2 Khi đếm đủ 4 chai, cơ cấu gắp chai sẽ thực hiện thao tác gắp.
4 chai xuống thùng Kết thúc quá trình chiết rót và đóng nắp chai
KẾT QUẢ, THỰC NGHIỆM, NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ
Kết quả
Hoàn thiện cơ cấu vặn nắp
Hình 5.1: Ảnh bên ngoài thực tế của cơ cấu vặn nắp Hoàn thiện cơ cấu cấp nắp
Hình 5.2: Ảnh bên ngoài thực tế của cơ cấu cấp nắp
Hình 5.3: Ảnh thực tế của mâm xoay Hoàn thiện cơ cấu gắp chai
Hình 5.4: Ảnh thực tế của cơ cấu gắp chai
Xylanh đẩy chai thành phẩm đến cơ cấu gắp chai
Hình 5.5: Xylanh đẩy chai thành phẩm Hoàn thiện bảng điện
Hình 5.6: Bảng điện thực tế
Hình 5.7: Mô hình hoàn thiện Chai thành phẩm
Thực nghiệm kiểm tra mực nước chiết rót
Lượng nước trong chai phải đúng 220ml hay gần đúng với sai số 10%
Do PLC hiện tại không đủ khả năng xử lý chương trình với tốc độ micro giây (𝜇𝑆), nhóm đã quyết định sử dụng Arduino Mega để thu thập dữ liệu khoảng cách từ cảm biến HC-SR04 Máy bơm được kết nối với Arduino thông qua relay, giúp điều khiển hoạt động hiệu quả hơn.
Với dữ liệu nhận được từ cảm biến, tiến hành lấy mẫu nhiều lần và tính trung bình cộng
Chọn hệ quy chiếu hướng lên với điểm gốc là X0
Với X1: giá trị trung bình trạng thái mực nước cần đạt
X0: giá trị trung bình trạng thái khi chưa có nước
Hình 5.9: Biểu đồ chiều cao mực nước theo thời gian và giá trị trung bình X0
Hình 5.10: Biểu đồ chiều cao mực nước theo thời gian và giá trị trung bình X1
Ta thu được số liệu sau khi đo: X0 = 124.75 mm, X1 = 102.25 mm
Do gắn cảm biến ở đỉnh chai nên dữ liệu đầu vào có hệ quy chiếu ngược với điểm được chọn nên:
Giá trị độ cao mực nước gốc
𝑋0 𝑔 = 𝑋0 − 124.75 = 0 𝑚𝑚 Giá trị mực nước cần đạt
𝑋1 𝑔 = |𝑋1 − 𝑋0| = |102.25 − 124.75| = 22.5 𝑚𝑚 Chiều cao mực nước tối đa
𝐻𝑚𝑎𝑥 𝑔 = 𝑋1 𝑔 = 22.5 𝑚𝑚 Việc lựa chọn giá trị thời gian để kích hoạt máy bơm sẽ dựa vào các thí nghiệm sau:
Thí nghiệm 1: Cho máy bơm hoạt động liên tục Để xác định điểm dừng của máy bơm (P1)
Hình 5.11: Biểu đồ chiều cao mực nước theo thời gian thí nghiệm 1
Theo thí nghiệm 1: Chọn được P1(5831.25, 22.5) là điểm dừng của máy bơm
Thí nghiệm 2: Cho máy bơm hoạt động tới điểm dừng (P1) để xác định mực quán tính (P2)
Hình 5.12: Biểu đồ chiều cao mực nước theo thời gian thí nghiệm 2
Theo thí nghiệm chọn được P2(6293.25, 24.00) là điểm quán tính của dòng nước với P1(6035.25, 22.5) điểm dừng máy bơm
Vậy thời sai số là:
Thí nghiệm 3: Xác nhận lại với thời gian mới T=𝟓𝟗𝟒𝟓 𝟐𝟓
Hình 5.13: Biểu đồ chiều cao mực nước theo thời gian thí nghiệm 3
Theo thí nghiệm 3: Ta xác định lại được P1(5945.25;21.9)
Sai số hệ thống trong quá trình đo đạc vẫn còn lớn do dao động mực nước, nhưng có thể kết luận rằng kết quả là tương đối chính xác khi chờ sau thời gian 7000ms.
Kiểm tra 10 lần chai khi chiết rót nước với mức thời gian là 5945ms thu được
Hình 5.14: Biểu đồ thời gian lấy mẫu khoảng cách cảm biến trả về
Thu được giá trị nhỏ nhất, min= 20.56 mm
Thu được giá trị lớn nhất, max= 23.6 mm
Giá trị cần đạt là 22.5mm Để tính sai số, cần thực hiện hai lần đo để thu được giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất Giá trị trung bình sẽ được xác định dựa trên hai kết quả này.
Sai số giá trị cần đạt được bằng cách tính độ chênh lệch giữa giá trị trung bình và giá trị cần đạt:
𝑠𝑎𝑖 𝑠ố = |20.05 − 22.5| = 2.45 𝑚𝑚 Với mức sai số này phù hợp với đều kiện đặt ra chai chiết rót thể thích nước 220𝑚𝑙 ± 10%
Vậy sai số tương đối:
Thực nghiệm kiểm tra nút chai
Sử dụng cảm biến màu sắc Adafruit_TCS34725, chúng ta có thể xác định và đánh giá chai có nắp hay không có nắp bằng cách đo giá trị nhiệt độ màu của nguồn sáng Ứng dụng này cho phép phân biệt màu sắc của các mẫu chai nước, giúp nhận biết sự khác biệt giữa chai có nắp và không có nắp.
Cảm biến màu sắc chuyển đổi màu sắc thành tín hiệu điện, giúp xác định các thông số như màu đỏ (R), xanh lá (G), xanh dương (B), ánh sáng (CLEAR), độ sáng (LUX) và nhiệt độ màu (ColorTemp).
Lựa chọn cảm biến cho 3 trường hợp:
Trong trường hợp không có mẫu chai nước, mục tiêu chính là kiểm tra hoạt động của cảm biến mà không cần đo màu sắc từ mẫu chai Việc đo màu không gian sẽ được thực hiện mà không có sự hiện diện của mẫu chai.
Trong trường hợp có hai mẫu chai nước với nắp chai, việc đo màu sắc của mẫu chai sẽ được thực hiện khi nắp chai được đậy kín Mục tiêu của quá trình này là xác định xem cảm biến có khả năng phân biệt được màu sắc của vật liệu nắp chai hay không.
Trong trường hợp ba mẫu chai nước không có nắp, việc đo màu sắc của nước là cần thiết Mục tiêu chính là xác định màu sắc của vật liệu chai khi không được che đậy bằng nắp.
Để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của cảm biến màu sắc, cần xác định các thông số phù hợp và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị đo.
Mô tả thông số cho 3 trường hợp
Biểu đồ Lux hiển thị giá trị đo Lux từ cảm biến màu sắc, cho phép xác định mức độ sáng trong môi trường Nếu các giá trị Lux thu được ổn định và không có sự dao động lớn trong cùng một điều kiện đo, điều này cho thấy cảm biến màu sắc hoạt động hiệu quả và tính khả thi của quá trình đo là cao.
Biểu đồ ColorTemp hiển thị giá trị nhiệt độ màu của nguồn sáng dựa trên dữ liệu từ cảm biến màu sắc Nếu các giá trị ColorTemp ổn định và không có biến động lớn trong điều kiện đo, điều này cho thấy cảm biến màu sắc có khả năng ước tính chính xác nhiệt độ màu của nguồn sáng, đồng thời khẳng định tính khả thi của quá trình đo là tốt.
Biểu đồ màu đỏ, xanh lá cây, xanh dương và Clear thể hiện các giá trị màu cơ bản và tổng hợp Nếu các giá trị này ổn định mà không có biến động lớn trong quá trình đo, cảm biến màu sắc có khả năng ước tính chính xác giá trị màu của mẫu, cho thấy tính khả thi của quá trình đo là tốt.
Tiến hành đo nhiều lần để lấy giá trị trung bình
Trong trường hợp không có mẫu chai nước, cần thực hiện ba lần đo để lấy mẫu và ghi lại giá trị, từ đó xác định khoảng ngưỡng giá trị tối thiểu và tối đa Sau khi thu thập dữ liệu, sử dụng đồ thị trung bình của ba lần đo để so sánh các giá trị đọc được như colorTempt, lux, red, green, blue và clear.
Hình 5.15: Giá trị đo cảm biến trường hợp 1
Bảng 5.1: Ngưỡng giá trị so sánh ở trường hợp 1
Trong trường hợp thứ hai, mẫu chai nước có nắp được đo năm lần để lấy giá trị, nhằm xác định khoảng ngưỡng giá trị tối thiểu và tối đa Dựa trên đồ thị trung bình của năm lần đo, tiến hành so sánh các giá trị đọc được như colorTempt, lux, red, green, blue và clear.
Hình 5.16: Giá trị đo cảm biến màu sắc trường hợp 2
Bảng 5.2: Ngưỡng giá trị so sánh ở trường hợp 2
Trong trường hợp 3, mẫu chai nước không có nắp sẽ được đo năm lần để ghi nhận giá trị Sau đó, xác định khoảng ngưỡng giá trị tối thiểu và tối đa Cuối cùng, sử dụng đồ thị trung bình của năm lần đo để so sánh các giá trị đọc được về colorTempt, lux, red, green, blue và clear.
Hình 5.17: Giá trị đo cảm biến màu sắc trường hợp 3
Bảng 5.3: Ngưỡng giá trị so sánh ở trường hợp 3
So sánh kết quả giữa các trường hợp trên: Đặc điểm chung cho 3 trường hợp có các giá trị trên biểu đồ giá trị red< lux