Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai diễn ra từ nửa cuối thế kỉ 19 đã thúc đẩy các ngành sản xuất biến chuyển nhanh chóng với hàng loạt dây chuyền sản xuất, tiêu chuẩn chất lượng, tự động hóa… Các hệ thống có sự tự động hóa ngày càng cao, cũng như độ chính xác trong quá trình làm việc. Dây chuyền sản xuất tự động hóa có thể ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp khác nhau như: Công nghiệp chế biến thực phẩm, công nghiệp chế tạo ô tô… Đặc biệt là trong sản xuất và đóng chai đồ uống, nhiều quốc gia có nhà máy sản xuất, đóng chai đồ uống rất lớn. Tự động hóa là sử dụng hệ thống điều khiển cho các thiết bị máy móc trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp, hạn chế tối đa sự can thiệp của con người. Hiện nay, có rất nhiều hệ thống tự động được sử dụng tại các dây chuyền sản xuất công nghiệp như dây chuyền chiết rót tự động, vận chuyển hàng hóa, vận chuyển xi măng, … Trong một hệ thống tự động hóa tổng hợp, việc điều khiển toàn bộ quá trình sản xuất có một chức năng trọng yếu. Đặc tính linh hoạt của quá trình được thể hiện ở tính liên tục, tính nhịp điệu, tính tỉ lệ, tính song song của các dòng vận động. Dưới con mắt tinh tế, mức độ tự động hóa của một cơ sở sản xuất không phải luôn luôn là tối đa, mà tùy thuộc vào những điều kiện cụ thể phải xác định được mức độ tự động hóa tối ưu, thích hợp với số lượng sản phẩm, đảm bảo chất lượng gia công cao nhất cũng như giá thành rẻ nhất. Thuật ngữ “tự động hóa”, lấy cảm hứng từ các máy tự động, chưa được sử dụng rộng rãi trước năm 1947, khi Ford thành lập một bộ phận tự động hóa. Trong thời gian này các ngành công nghiệp đã được áp dụng nhanh chóng điều khiển phản hồi, mà đã được giới thiệu trong những năm 1930.
Tổng quan về hệ thống
Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống
Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai (nửa cuối thế kỉ 19) đã tạo ra bước ngoặt lớn cho sản xuất, với sự xuất hiện của dây chuyền sản xuất, tiêu chuẩn chất lượng và tự động hóa Các hệ thống sản xuất ngày càng tự động hóa và chính xác hơn, nâng cao hiệu quả và năng suất lao động.
Dây chuyền sản xuất tự động hóa có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như chế biến thực phẩm, sản xuất ô tô, và đặc biệt là trong ngành sản xuất và đóng chai đồ uống, nơi nhiều quốc gia sở hữu các nhà máy quy mô lớn.
Tự động hóa là việc sử dụng hệ thống điều khiển để vận hành máy móc trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp, giảm thiểu tối đa sự can thiệp của con người Hiện nay, nhiều hệ thống tự động đang được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, ví dụ như dây chuyền chiết rót tự động, vận chuyển hàng hóa, vận chuyển xi măng, v.v.
Trong một hệ thống tự động hóa tổng hợp, việc điều khiển toàn bộ quá trình sản xuất có một chức năng trọng yếu Đặc tính linh hoạt của quá trình được thể hiện ở tính liên tục, tính nhịp điệu, tính tỉ lệ, tính song song của các dòng vận động Dưới con mắt tinh tế, mức độ tự động hóa của một cơ sở sản xuất không phải luôn luôn là tối đa, mà tùy thuộc vào những điều kiện cụ thể phải xác định được mức độ tự động hóa tối ưu, thích hợp với số lượng sản phẩm, đảm bảo chất lượng gia công cao nhất cũng như giá thành rẻ nhất Thuật ngữ “tự động hóa”, lấy cảm hứng từ các máy tự động, chưa được sử dụng rộng rãi trước năm 1947, khi Ford thành lập một bộ phận tự động hóa Trong thời gian này các ngành công nghiệp đã được áp dụng nhanh chóng điều khiển phản hồi, mà đã được giới thiệu trong những năm 1930
Dây chuyền sản xuất tự động hóa có thể được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau như: Công nghiệp chế biến thực phẩm, Công nghiệp chế tạo ô tô… Đặc biệt là trong sản xuất và đóng chai đồ uống, nhiều quốc gia có nhà máy sản xuất, đóng chai đồ uống rất lớn
Sự bùng nổ của thị trường nước uống đóng chai vào năm 1990 đã thúc đẩy sự phát triển và nghiên cứu mạnh mẽ về hệ thống chiết rót đóng nắp chai tự động.
Hình 1.1 Dây chuyền chiết rót nước đóng chai
Ngành sản xuất nước đóng chai đang bùng nổ, với nhu cầu tiêu thụ vượt xa sản lượng Sự cạnh tranh gay gắt từ các công ty đa dạng quy mô thúc đẩy phát triển thị trường và tự động hóa trở thành yếu tố cần thiết cho mọi nhà sản xuất.
Trên đà phát triển nền kinh tế của Việt Nam hiện nay, có rất nhiều doanh nghiệp sản xuất được hình thành và phát triển rất thành công
Doanh nghiệp phát triển đa dạng ngành nghề, từ nước giải khát, hàng may mặc đến hàng tiêu dùng Trong đó, ngành sản xuất nước giải khát chứng kiến sự tăng trưởng liên tục, với sản lượng sản phẩm ngày càng gia tăng.
Nước giải khát đóng chai hay lon là sản phẩm quen thuộc với người tiêu dùng Việt Nam Thị trường nước giải khát hiện nay rất sôi động với sự góp mặt của nhiều doanh nghiệp, họ không ngừng sáng tạo và cho ra đời những sản phẩm mới nhằm đáp ứng nhu cầu đa dạng của khách hàng.
Hình 1.2 Hệ thống chiết rót nước ngọt
Các vấn đề đặt ra
Để mô hình có thể hoạt động được và đạt được hiệu quả Các vấn đề cần quan tâm:
Làm thế nào để đưa chai vào hệ thống, giữ chai như thế nào để không bị đổ? Làm thế nào để xác định lượng nước cần rót ?
Làm thế nào để chai đúng vị trí và đóng nắp ?
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lí thuyết:
+ Tìm hiểu qua sách vở, tài liệu trên các diễn đàn
+ Tìm hiểu về các bài toán, mô hình hóa giúp cho việc tính toán và chọn các trang thiết bị điện và cơ khí
Bài viết này cung cấp kiến thức cơ bản về các loại động cơ, hệ thống cảm biến và bộ điều khiển phổ biến trong hệ thống chiết rót và đóng nắp chai, giúp bạn hiểu rõ hơn về hoạt động của quy trình này.
+ Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết, ứng dụng, viết chương trình điều khiển chiết rót và đóng nắp chai cho bộ điều khiển PLC
- Dựa trên cơ sở thực nghiệm:
+ Tính toán phần động lực, động học của hệ thống
+ Mô phỏng và vận hành hệ thống trên Tia Portal
+ Dùng phần mềm NX để thiết kế cơ cấu hệ thống.
Giới hạn, phạm vi nghiên cứu, thiết kế
Cùng với sự phát triển không ngừng nghỉ của các dây chuyền máy móc hiện đại tự động với các tính toán thiết kế chính xác, hiệu quả của nghiên cứu nên nhóm đã quyết định ứng dụng dây chuyền sản xuất hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động dựa trên hệ thống có sẵn của các nhà máy sản xuất với một phạm vi nghiên cứu hẹp, chưa được ứng dụng trong thực tế nếu như không có sự nghiên cứu và đầu tư thêm qua đó nhóm đã thực hiện được những mục tiêu, áp dụng những kiến thức mà mình đã học để đưa vào nghiên cứu và giải quyết một số vấn đề trong thực tiễn
- Về nội dung nghiên cứu: Đề tài của nhóm tập trung nghiên cứu vào phát triển hệ thống chiết rót và đóng lắp chai tự động
- Về hình thức nghiên cứu:
Nghiên cứu hoạt động của hệ thống từ đó đưa ra các phương án xây dựng và chế tạo hệ thống hợp lí
Tính toán, thiết kế hệ thống như lựa chọn băng tải, động cơ, tính toán vận tốc băng tải, năng suất của hệ thống, …
Nghiên cứu các phần mềm mô phỏng và thiết kế như: NX, TIA Portal, Factory IO, …
Cơ sở lý thuyết
Tổng quan về hệ thống chiết rót
2.1.1 Giới thiệu Để có thể xây dựng được một hệ thống như yêu cầu đặt ra, chúng ta cần phái tìm hiểu một số khái niệm, cơ sở liên quan đến hệ thống Các khái niệm về hệ thống chiết rót, các cách thức để giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi và các phần mềm được hỗ trợ đều được trình bày trong chương này
Có thể thấy các sản phẩm tiêu dùng hiện nay phần lớn chứa đựng trong các bao bì dạng chai lọ nhất là trong ngành thực phẩm ví dụ như: bia, rượu, nước giải khát… với nhiều ưu điểm nổi trội như giá thành hạ, cứng cáp, tính thẩm mỹ cao, dễ sản xuất Cũng chính vì lý do này các hệ thống máy chiết rót, đóng nắp chai tự động được sử dụng rộng rãi với nhiều những chủng loại khác nhau
Dây chuyền đóng nắp chai tự động có nhiều kích thước đa dạng, được sử dụng kết hợp chung với dây chuyền chiết rót chất lỏng Nó không chỉ được sử dụng trong các công ty lớn mà còn sử dụng ở các cơ sở sản xuất tư nhân nhỏ
2.1.2 Các hệ thống chiết rót có sẵn trên thị trường
2.1.2.1 Máy chiết rót bằng bơm bánh răng
Máy chiết rót bằng bơm bánh răng, hay còn gọi là máy chiết rót tự động 8 đầu, là giải pháp tối ưu cho việc chiết rót tự động các sản phẩm trong ngành thực phẩm và hóa mỹ phẩm, mang đến hiệu quả cao và năng suất vượt trội.
Hình 2.1 Máy chiết rót bằng bơm bánh răng
Máy chiết rót bằng bơm bánh răng có thể được trang bị cảm biến lưu lượng, cảm biến áp suất và cảm biến mực nước để nâng cao độ chính xác và đồng đều trong quá trình rót Những cảm biến này, kết hợp với hệ thống điều khiển, giúp đảm bảo chất lượng rót tối ưu.
Câu lệnh điều khiển có thể được thiết kế dựa trên thông tin từ các cảm biến Ví dụ, nếu cảm biến lưu lượng phát hiện lưu lượng cao hơn hoặc thấp hơn mức mong muốn, hệ thống điều khiển có thể điều chỉnh tốc độ bơm để đạt được lưu lượng mong muốn.
Sản phẩm này có cấu trúc điều khiển bao gồm bộ điều khiển logic hoặc tự động, kết hợp với mạch điện tử để thu thập dữ liệu từ cảm biến và đưa ra quyết định điều chỉnh dựa trên điều kiện hoạt động Điều này mang lại ưu điểm
+ Độ chính xác cao: Bơm bánh răng có khả năng cung cấp mức độ chính xác cao trong việc chiết rót, giúp đảm bảo sự đồng đều và đúng lượng của sản phẩm được chiết
+ Hiệu suất cao: Bơm bánh răng thường hoạt động ổn định và có hiệu suất cao, giúp tăng năng suất sản xuất và giảm thời gian rót
Máy chiết rót sử dụng bơm bánh răng có thiết kế đơn giản, dễ vận hành và bảo dưỡng, giúp giảm chi phí bảo trì và thời gian dừng máy, mang lại hiệu quả kinh tế cao cho người sử dụng.
+ Chi phí cao: Máy chiết rót sử dụng bơm bánh răng thường có chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với các loại máy chiết rót khác
Mặc dù dễ bảo dưỡng, bơm bánh răng vẫn cần được kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ để hoạt động hiệu quả và tránh sự cố Việc này giúp đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất tối ưu cho thiết bị.
Bơm bánh răng có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ và áp suất, đặc biệt khi làm việc với các chất liệu nhạy cảm, ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của thiết bị.
2.1.2.2 Máy chiết rót bằng bơm pistong
Máy chiết rót bằng bươm piston hay còn gọi là máy chiết rót tự động 6 đầu (bơm piston) có thiết kế đầu bơm piston phù hợp trong các công việc chiết rót các chất lỏng không hạt như dầu ăn, sữa tắm, dầu gội
Máy chiết rót bằng bơm piston hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển động của piston, truyền nguyên liệu từ bồn chứa sang van và từ đó xuống piston theo thể tích đã định trước.
Piston được kết nối với hộp số để tạo ra lực đẩy nguyên liệu Hộp số hoạt động, đẩy piston di chuyển, khiến nguyên liệu trong piston di chuyển về phía van Quá trình này cho phép máy chiết rót đưa chất lỏng từ phễu cấp liệu thông qua piston di chuyển lên xuống trong xi lanh, từ đó chất lỏng được đưa qua van và vòi chiết ra ngoài.
+ Độ chính xác cao: Bơm piston có khả năng cung cấp mức độ chính xác cao trong việc chiết rót, đảm bảo đúng lượng sản phẩm được rót
Hình 2.2 Máy chiết rót bằng bơm pistong
Bơm piston phù hợp với nhiều loại sản phẩm, từ chất lỏng đến chất nhầy như mật ong hoặc mỡ, mang đến sự linh hoạt trong ứng dụng.
Hệ thống điều khiển
2.2.1 Bộ điều khiển PLC a, Lịch sử ra đời của PLC
Bộ điều khiển lập trình PLC được sáng tạo ra nhờ ý tưởng ban đầu của nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor của Mỹ vào năm 1968 Những năm gần đây bộ điều khiển lập trình PLC ngày càng được sử dụng rộng rãi trong điều khiển công
PLC, với 11 nghiệp, là giải pháp lý tưởng cho tự động hóa sản xuất So với các thiết bị điều khiển truyền thống, PLC sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội.
- Dễ dàng trong việc lập trình và lập trình lại
- Cho phép nhanh chóng thay đổi chương trình điều khiển
- Có nhiều module chức năng cho phép thực hiện các điều khiển phức tạp
- Có khả năng truyền thông cho phép nối mạng ở nhiều cấp độ
- Đơn giản trong bảo dưỡng và sửa chữa
- Làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp
- Cấu trúc nhỏ gọn và giá thành ngày càng thấp
Trên thế giới hiện nay có nhiều tập đoàn sản xuất bộ điều khiển PLC Tại Việt Nam, bộ điều khiển PLC được giới thiệu lần đầu tiên vào khoảng năm [năm cụ thể].
1990 trong một số nhà máy sản xuất xi măng (ví dụ nhà máy xi măng Hoàng Thạch sử dụng bộ điều khiển S5 của hãng Siemens) Hiện nay ở nước ta có rất nhiều bộ điều khiển lập trình PLC của nhiều hãng khác nhau, ví dụ: PLC của hãng OMRON, PLC của hãng SIEMENS, PLC của hãng MITSUBISHI, PLC của hãng FUJI, PLC của LG, b, Khái niệm PLC
PLC là viết tắt của Programmable Logic Controller, nghĩa là bộ điều khiển logic lập trình được Ngoài chức năng điều khiển logic cơ bản, PLC ngày nay còn tích hợp nhiều chức năng điều khiển nâng cao, biến nó thành một máy tính công nghiệp thực thụ Bài viết sẽ đi sâu vào cấu trúc chính của PLC.
Hình 2.4 Cấu trúc chính của PLC
CPU là bộ xử lý trung tâm, đóng vai trò điều khiển và quản lý mọi hoạt động trong PLC Thông tin được trao đổi giữa CPU, bộ nhớ và cổng vào/ra thông qua hệ thống bus, dưới sự điều khiển của CPU.
- Bộ nhớ: Tất cả các loại PLC đều sử dụng 3 loại bộ nhớ sau:
Bộ nhớ ROM (Read Only Memory) là loại bộ nhớ chỉ đọc, được sử dụng trong PLC để lưu trữ chương trình điều hành của nhà sản xuất Chương trình này được nạp một lần duy nhất và không thể thay đổi.
RAM (Random Access Memory) trong PLC là bộ nhớ tạm thời lưu trữ dữ liệu hoặc kết quả tính toán Dữ liệu trong RAM sẽ bị xóa khi mất nguồn Để tránh mất dữ liệu, RAM của PLC thường được trang bị nguồn phụ từ tụ điện hoặc pin để duy trì hoạt động khi mất nguồn chính.
Bộ nhớ EEPROM (Electrical Erasable Programmable ROM): Là bộ nhớ ROM có thể xoá và nạp lại bằng tín hiệu điện, tuỳ thuộc từng loại mà EEPROM cho phép xoá đi nạp lại từ vài nghìn tới vài chục nghìn lần Bộ nhớ EEPROM được dùng để lưu giữ chương trình ứng dụng trong PLC
PLC hoạt động với điện áp nội bộ +5VDC hoặc +15VDC, phù hợp với các IC TTL hoặc CMOS Tuy nhiên, tín hiệu điều khiển bên ngoài PLC thường sử dụng chuẩn công nghiệp là 24VDC hoặc 240VAC Khối cổng vào/ra đóng vai trò trung gian chuyển đổi tín hiệu giữa hai mức điện áp này.
13 đóng vai trò là cầu nối quan trọng giữa các mạch điện tử bên trong PLC và các mạch công suất bên ngoài, đảm nhiệm chức năng chuyển đổi mức tín hiệu và cách ly, góp phần tạo nên khả năng điều khiển linh hoạt và an toàn cho hệ thống tự động hóa.
PLC của hầu hết các hãng đều sử dụng 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản: Ngôn ngữ hình thang, ngôn ngữ liệt kê câu lệnh và ngôn ngữ biểu đồ chức năng.
- Ngôn ngữ hình thang (LADDER):
LAD là ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa Nhữnh thành phần cơ bản dùng trong tương ứng với những thành phần cơ bản dùng trong bảng mạch rơle
Hình 2.5 Ngôn ngữ lập trình LADDER
- Ngôn ngữ liệt kê câu lệnh (STL):
Ngôn ngữ liệt kê câu lệnh sử dụng một tập lệnh giống như tập lệnh của vi xử lý, dùng các phép toán đại số logic kết nối các lệnh này lại ta sẽ được chương trình điều khiển
Hình 2.6 Ngôn ngữ lập trình STL
- Ngôn ngữ khối chức năng (FBD):
Giống như ngôn ngữ LAD, ngôn ngữ FBD cũng là một ngôn ngữ lập trình đồ họa FBD sử dụng các biểu tượng logic đồ họa để hiển thị mạch logic, dựa trên đại số Boolean.
Hình 2.7 Ngôn ngữ lập trình FBD
Module mở rộng I/O S7-1200 được thiết kế dạng module nhỏ gọn, linh hoạt
Module S7-1200 là một giải pháp tự động hóa toàn diện, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau Nó sở hữu giao diện truyền thông đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất của truyền thông CN và được tích hợp đầy đủ các tính năng công nghệ mạnh mẽ.
Kết cấu hệ thống đo và xử lí tín hiệu
2.3.1 Rơ le trung gian a) Khái niệm
Rơ le trung gian là một thiết bị tự động đóng/mở tiếp điểm để khởi động thiết bị hoặc quá trình, điều khiển hoặc bảo vệ Nó thường được dùng để cắt đóng cuộn dây điều khiển của máy cắt điện, aptomat và công tắc tơ Về cơ bản, rơ le trung gian là một nam châm điện tích hợp thêm hệ thống tiếp điểm, hoạt động như một công tắc chuyển đổi điện với hai trạng thái ON và OFF.
Rơ le ở trạng thái ON hay OFF phụ thuộc vào có dòng điện chạy qua rơ le hay không b) Cấu tạo của rơ le trung gian
Thiết bị nam châm điện này có thiết kế gồm lõi thép động, lõi thép tĩnh và cuộn dây Cuộn dây bên trong có thể là cuộn cường độ, cuộn điện áp, hoặc cả cuộn điện áp và cuộn cường độ Lõi thép động được cấu tạo bởi lò xo cùng định vị bằng một vít điều chỉnh Cơ chế tiếp điểm bao gồm tiếp điểm thuận và tiếp điểm nghịch c) Nguyên lý hoạt động
Khi có dòng điện chạy qua rơ le, dòng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên trong và tạo ra từ trường hút Từ trường hút này tác động lên một đòn bẩy bên trong làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện và như thế sẽ làm thay đổi trạng thái của rơ le Số tiếp điểm điện bị thay đổi có thể là một hoặc nhiều, tùy vào thiết kế
Rơ le có 2 mạch độc lập nhau hoạt động Một mạch là để điều khiển cuộn dây của rơ le: Cho dòng chạy qua cuộn dây hay không, hay có nghĩa là điều khiển rơ le ở trạng thái ON hay OFF Một mạch điều khiển dòng điện ta cần kiểm soát có qua được rơ le hay không dựa vào trạng thái ON hay OFF của rơ le d) Công dụng của rơ le trung gian trong hệ thống
Công dụng của rơ le trung gian là làm nhiệm vụ trung gian chuyển tiếp mạch điện cho một thiết bị khác
Sử dụng điều khiển các động cơ băng tải, cấp chai, bơm nước, van điện tử
Cảm biến là thiết bị điện chuyển đổi các tín hiệu vật lý như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, tốc độ thành tín hiệu điện tiêu chuẩn, cung cấp dữ liệu cho bộ điều khiển phân tích Một ví dụ điển hình là cảm biến quang, được sử dụng để đo cường độ ánh sáng.
Cảm biến quang điện hoạt động dựa trên nguyên lý phát ra chùm tia sáng chiếu vào vật thể hoặc gương Khi vật thể đi qua, tần số của bộ thu sáng bị thay đổi, tạo ra tín hiệu điện thông qua hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot do ánh sáng chiếu vào.
- Các loại cảm biến quang
Cảm biến quang thu phát
Cảm biến quang phản xạ gương
Cảm biến quang khuếch tán
- Cảm biến quang cấu tạo gồm 3 phần chính:
Bộ mạch xử lí tín hiệu
- Chức năng của từng phần như sau:
Bộ phát ánh sáng là thiết bị phát ra ánh sáng dạng xung với tần số được thiết kế riêng biệt bởi nhà sản xuất để bộ thu ánh sáng có thể nhận biết và phân biệt ánh sáng từ cảm biến với ánh sáng từ các nguồn khác như ánh sáng tự nhiên (ban ngày) hoặc bóng đèn.
Bộ thu ánh sáng: Có nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng từ bộ phát sáng, nó được gọi là phototransistor (tranzito quang)
Mạch xử lý tín hiệu điện: Khi tiếp nhận tín hiệu từ bộ thu ánh sáng Mạch điện tử sẽ chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu ON / OFF được khuếch đại Tín hiệu ngõ ra thường dùng nhất là NPN, PNP…
Hình 2.15 Hình ảnh cảm biến quang
Cảm biến tiệm cận xy lanh D-A73 là dòng cảm biến chuyên dụng cho xylanh SMC, được sử dụng trong các ứng dụng phát hiện vị trí trục của xylanh trong thiết bị điều khiển và tự động hóa công nghiệp.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị dựa trên việc cảm biến phát hiện vòng từ trong thân xylanh, đóng mạch điện và truyền tín hiệu về PLC, từ đó điều khiển cơ cấu chấp hành.
Hình 2.16 Cảm biến tiệm cận
2.3.4 Phần tử điều khiển khác a) Aptomat
Aptomat là tên thường gọi của thiết bị đóng ngắt tự động (cầu dao tự động), có chức năng bảo vệ quá tải và ngắn mạch trong hệ thống điện
Aptomat thường có cấu tạo gồm hai cấp tiếp điểm (tiếp điểm chính và hồ quang) hoặc ba tiếp điểm (tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ và hồ quang) Khi mạch điện được đóng lại, các tiếp điểm sẽ đóng theo thứ tự: hồ quang, tiếp điểm phụ và cuối cùng là tiếp điểm chính Ngược lại, khi mạch điện bị ngắt, các tiếp điểm sẽ mở theo thứ tự ngược lại.
- Phân loại theo cấu tạo: Aptomat dạng tép MCB, Aptomat dạng khối MCCB
- Phân loại theo chức năng: Aptomat thường (bảo vệ ngắn mạch, quá tải), Aptomat chống rò
- Phân loại theo số pha, số cực:
Aptomat 1 pha + 1 trung tính: 2 cực
Aptomat 3 pha + 1 trung tính: 4 cực
- Phân loại theo khả năng chỉnh dòng:
Aptomat có dòng định mức không đổi
Aptomat chỉnh dòng định mức
Hình 2.17 Hình ảnh Aptomat b) Nút nhấn
Nút ấn là thiết bị điều khiển đóng ngắt các thiết bị điện từ xa, thường được đặt trên bảng điều khiển hoặc tủ điện Thao tác sử dụng nút ấn cần dứt khoát để đảm bảo mạch điện được mở hoặc đóng một cách chính xác.
Hình 2.18 Cấu tạo nút nhấn
Nút ấn thường gồm hệ thống lò xo, hệ thống các tiếp điểm thường hở, đóng và vỏ bảo vệ Khi tác động vào nút ấn, các tiếp điểm chuyển trạng thái, khi không có tác động, các tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu
Theo chức năng trạng thái hoạt động của nút ấn: nút ấn đơn, nút ấn kép Theo cấu trúc: Loại hở, loại kín, chống cháy nổ, loại có đèn báo
Theo kết cấu bên trong: Có đèn báo, không có đèn báo.
Tổng quan về phần mềm hỗ trợ
TIA portal – phần mềm cơ sở tích hợp tất cả các phần mềm lập trình cho các hệ thống tự động hóa và truyền động điện Phần mềm lập trình này giúp mọi người sử dụng phát triển, tích hợp các hệ thống hóa một cách nhanh chóng, do đó giảm nhiều thời gian trong việc tích hợp, xây dựng tất cả các bộ điều khiển PLC, màn hình HMI, các bộ truyền của Siemens đều được lập trình, cấu hình trên TIA portal Việc này giúp giảm thời gian, công sức trong việc thiết lập truyền thông giữa các thiết bị này Ví dụ người sử dụng có thể sử dụng tính năng “kéo và thả” một biến trong chương trình PLC và một màn hình của chương trình HMI Biến này sẽ được gán vào chương trình HMI và sự kết nối giữa PLC-HMI đã được tự động thiết lập, không cần bất cứ sự cấu hình nào thêm
Phần mềm Simatic Step 7 tích hợp trên TIA portal, để lập trình cho S7-
1200, 1500, 300 và hệ thống tự động PC-based Simatic WinAC Simatic Step 7 được chia thành các module khác nhau, tùy theo nhu cầu của người sử dụng Simatic Step 7 cũng được hỗ trỡ tính năng chuyển đổi chương trình PLC, HMI đang sử dụng sang chương trình mới trên TIA portal
Phần mềm Simatic WinCC cũng được tích hợp trên TIA Portal, dùng để làm cấu hình cho các màn hình TP và MP hiện tại, màn hình mới Comfort, cũng như để giám sát điều khiển hệ thống trên máy tính (SCADA)
Phần mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và lưu dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa
WinCC là viết tắt của Windows Control Center, cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập giao diện điều khiển trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT, Windows 2000, XP, Vista 32bit (không hỗ trợ SP1).
NX (trước đây được biết đến là Siemens NX hoặc Unigraphics NX) là một nền tảng CAD/CAM/CAE toàn diện được phát triển bởi Siemens Digital Industries Software NX cung cấp các công cụ cần thiết cho thiết kế, mô phỏng và sản xuất các sản phẩm phức tạp, phục vụ đa dạng ngành công nghiệp như ô tô, hàng không, y tế và hàng không vũ trụ.
NX là một phần mềm thiết kế mô hình 3D mạnh mẽ, cung cấp nhiều công cụ để tạo và chỉnh sửa các mô hình phức tạp Tính linh hoạt của NX cho phép kỹ sư thực hiện các thiết kế đa dạng, từ đơn giản đến rất phức tạp.
Mô phỏng và phân tích: NX cung cấp các công cụ mô phỏng và phân tích để đảm bảo rằng sản phẩm được thiết kế sẽ hoạt động đúng cách trong điều kiện thực tế Điều này bao gồm mô phỏng chuyển động, mô phỏng dòng chảy, và phân tích cấu trúc
Sản xuất và gia công: NX cung cấp các công cụ để tối ưu hóa quy trình sản xuất và gia công Từ việc tạo các chương trình gia công CNC đến tạo các bản vẽ kỹ thuật và tạo các khuôn mẫu, NX hỗ trợ toàn diện tron g quy trình sản xuất
NX tích hợp chặt chẽ với các công cụ PLM của Siemens, cho phép quản lý dữ liệu sản phẩm và quy trình thiết kế một cách hiệu quả, tối ưu hóa luồng công việc và nâng cao hiệu suất thiết kế.
Tính toán, thiết kế hệ thống
Tính toán, thiết kế và lựa chọn thiết bị cho hệ cơ khí
3.1.1 Tính toán thiết kế băng tải a, Thông số đầu vào
Chiều dài đai hình học: 𝐿 𝐺 = 1,05(𝑚)
Tính toán khối lượng trên băng tải:
Số chai rỗng tối đa trên băng tải: 𝑁 𝐶1 = 1
Số chai đã có nước tối đa trên băng tải: 𝑁 𝐶2 = 4
Tổng khối lượng chai trên băng tải:
∑𝑚 = 𝑁 𝐶2 𝑚 𝐶2 = 900 ∗ 4 = 3.6(𝑘𝑔) b, Tính công suất truyền dẫn yêu cầu Đầu tiên, chúng ta cần tính lực cần thiết F, sau đó sẽ sử dụng nó trong công thức để tính toán công suất P
Lực cần thiết để vận hành băng tải bao gồm:
Trọng lượng của tải trên băng tải (W)
Trong đó μ là hệ số ma sát giữa con lăn và bề mặt của băng tải
Lực cản không đồng nhất (Fi) nếu có
F= W+Fr+Fi= 3.6+ 3.42= 7.02 (N) Để tính toán công suất động cơ cần thiết để vận hành băng tải con lăn, chúng ta sử dụng công thức:
Trong đó: P là công suất cần thiết của động cơ (đơn vị: Watt)
+ F là lực cần thiết để vận hành băng tải (đơn vị: Newton)
+ v là tốc độ di chuyển của băng tải (đơn vị: m/s)
+ η là hiệu suất của hệ thống
Như vậy ta sẽ chọn động cơ cho băng tải có công suất là 7,27 (watt)
3.1.2 Tính toán hệ thống chiết rót
Tính toán thời gian chiết rót
Dung tích chai nước: V0 ml
Thời gian để bơm đầy 1 chai nước là:
Tính toán, thiết kế và lựa chọn thiết bị cho hệ thống điện
3.2.1 Tính chọn động cơ DC giảm tốc
Từ dữ liệu tính toán nhóm đã chọn động cho băng tải là động cơ giảm tốc TH37-JB530
Hình 3.1 Động cơ giảm tốc XD-37GB3525 Bảng 3.1 Bảng thông số kĩ thuật của động cơ giảm tốc TH37-JB530 Điện áp định mức 24v
Dòng điện định mức 52mA
Máy bơm chìm, hay máy bơm chìm điện, là loại máy bơm hoạt động hoàn toàn ngập trong nước Động cơ của máy được đóng kín và gắn chặt với thân máy bơm.
Bảng 3.2 Bảng thông số kĩ thuật bơm chìm RS-701 Điện áp 220V
Công suất 3W Độ cao cột nước 0.5m
Tính toán, thiết kế, lựa chọn thiết bị cho hệ điều khiển và giao diện 32 1 Tính chọn cảm biến
Thiết bị đầu vào của PLC là các thiết bị cung cấp tín hiệu đầu vào cho khối đầu vào, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương tự Những tín hiệu này sau đó được chuyển đổi thành các tín hiệu cấp vào CPU của bộ điều khiển PLC.
Thiết bị đầu ra là các thiết bị nhận tín hiệu từ PLC, tiến hành điều khiển các cơ cấu chấp hành:
Rơ-le được sử dụng để điều điều khiển động cơ DC
Van khí nén được sử dụng để điều khiển xy lanh
Yêu cầu: Lựa chọn các cảm biến có độ chính xác và thời gian đáp ứng phù hợp với từng cơ cấu cơ khí cụ thể Đối với các cơ cấu chấp hành thì phải lựa chọn thiết bị điều khiển phù hợp nhất để vừa đảm bảo tính kỹ thuật và tính kinh tế của đồ án
Với mục đích phát hiện chai nhựa trên băng tải, nhóm đã lựa chọn sử dụng loại cảm biến quang bởi những ưu điểm của nó như:
+ Không tiếp xúc với vật thể cần phát hiện
+ Có thể phát hiện vật từ khoảng cách xa
+ Không bị hao mòn, tuổi thọ cao
+ Có thời gian đáp ứng nhanh
Hệ thống có khả năng phát hiện đa dạng vật thể và vật liệu Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn kỹ lưỡng các cảm biến phù hợp với từng cơ cấu cơ khí, đảm bảo tính kỹ thuật và kinh tế cho dự án.
+ Cảm biến vật cản gương phản xạ hồng ngoại E3F-R2C1: Dùng để nhận biết chai
Cảm biến tiệm cận xi lanh D-Z73: Dùng để xác định hành trình của xy lanh
3.3.1.1 Cảm biến vật cản gương phản xạ hồng ngoại E3F-R2C1
Cảm biến vật cản gương phản xạ hồng ngoại E3F-R2C1 sử dụng ánh sáng hồng ngoại để làm việc, giúp ta phát hiện vật theo nguyên tắc thu phát qua gương
Bộ phận phát ra ánh sáng hồng ngoại mã hóa theo tần số riêng, tránh nhiễu từ các nguồn sáng khác Nếu không có vật cản, ánh sáng phản xạ ngược về bộ thu, không tạo tín hiệu Khi có vật đi qua, ánh sáng bị gián đoạn, cảm biến thay đổi tín hiệu ngõ ra, báo hiệu sự hiện diện của vật.
Bảng 3.3 Bảng thông số kỹ thuật Cảm biến quang E3F – R2C1
Model E3F-R2C1 Điện áp làm việc 6-36 VDC
Cảm biến khoảng cách 10-300cm
Thời gian đáp ứng 2ms
Dòng điện ngõ ra 80-300mA Đường kính cảm biến 18mm
Bảo vệ chức năng Phân cực bảo vệ, bảo vệ ngắn mạch
Chế độ đầu ra NPN
Chế độ bảo vệ IP65
3.3.1.2 Cảm biến tiệm cận xi lanh D-A73
Cảm biến tiệm cận xy lanh D-A73 là dòng cảm biến chuyên dùng cho xylanh SMC, D-A73 được dùng trong các ứng dụng phát hiện vị trí trục của xylanh trong các thiết bị điều khiển, tự động hóa công nghiệp
D-A73 là cảm biến loại 2 dây, sử dụng nguồn 1 chiều 24vdc D-A73 thích hợp cho các ứng dụng PLC, rơle
Nguyên lý hoạt động của thiết bị dựa trên việc vòng từ trong thân xylanh gặp cảm biến, đóng mạch và truyền tín hiệu điện về PLC để điều khiển cơ cấu chấp hành.
Hình 3.4 Cảm biến tiệm cận xy lanh D-A73
Bảng 3.4 Thông số kĩ thuật của cảm biến tiệm cận xy lanh D-A73
Kiểu nối dây 2 dây Điện áp làm việc 24VDC
3.3.2 Tính chọn Rơ le trung gian
Rơle trung gian đóng vai trò cầu nối, chuyển tiếp mạch điện cho thiết bị khác Chúng được ứng dụng rộng rãi trong việc điều khiển các động cơ băng tải, cấp chai, bơm nước và van điện từ.
Hình 3.5 Relay Omron MY2N-GS Bảng 3.5 Bảng thông số kĩ thuật của Relay Omron MY2N-GS
Loại role Rơle 8 chân Điện áp 24DVC
Kiểu lắp đặt Bắt vít, chân cắm, chân hàn, có đèn
Tiếp điểm DPDT 5A Độ bền đóng ngắt 500000 lần
3.3.3 PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC
Khối điều khiển PLC S7 1200 CPU 1214C DC/DC/DC
Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 CPU 1214C được thiết kế theo dạng compact CPU được tích hợp sẵn các ngõ I/O Tuy nhiên PLC S7-1200 vẫn được trang bị thêm các module I/O để mở rộng khả năng của PLC PLC S7-1200 với thiết kế nhỏ gọn, đa năng, đơn giản nhưng mang đến độ chính xác cao trong hệ thống tự động Với những điểm nổi bật như:
CPU 1214C có 3 versions với điện áp nguồn và điện áp điều khiển khác nhau
Tích hợp nguồn 24 V cho encoder hoặc cảm biến Nguồn dòng 300 mA sử dụng cho các loại tải khác
Hình 3.6 PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC Bảng 3.6 Bảng thông số kĩ thuật của PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC
Số lượng đầu vào 14 (DI)
Số lượng đầu ra 10 (DO)
Bộ nhớ làm việc 100kbyte
Ngôn ngữ lập trình LAD, FND, SCL
Nhiệt độ môi trường hoạt động 0-60°C
Hình 3.7 Module mở rộng 6ES7223-1QH32-0XB0 Bảng 3.7 Bảng thông số kỹ thuật module mở rộng 6ES7223-1QH32-0XB0
Mã sản phẩm 6ES7223-1QH32-0XB0
Dòng sản phẩm SIMATIC S7-1200 SM 1223
Số lượng đầu vào số 8 DI 120/230 V AC
Số lượng đầu ra số 8 DO relay 2 A
Nguồn cung cấp 24 V DC (20.4-28.8 V DC)
Van điện từ SY3120-5LZ-M5 là loại van điện từ 5/2 tác động điện từ đầu 14, đầu 12 tác động bằng lò xo, 5 cửa và 2 vị trí làm việc
Hình 3.8 Van khí nén SY3120-5LZ-M5
Bảng 3.8 Bảng thông số kỹ thuật Van khí nén SY3120–5LZ–M5 Áp suất hoạt động 0.15 - 0.7 MPa Điện áp van điện từ 24V DC
3.3.5.1 Xylanh cho cơ cấu đẩy chai, chặn chai
Để đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác, lựa chọn xylanh 2 trục TN10x100-S của SNS là giải pháp tối ưu Xylanh này được thiết kế với kết cấu cứng vững, hạn chế lệch hướng trong quá trình dịch chuyển, đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật.
Bảng 3.9 Bảng thông số xylanh 2 trục TN10x50-S Đường kính trong xylanh Hành trình Kiểu tác động Áp suất vận hành Áp suất tối đa 10mm 50mm Tác động đơn 0,15- 1.0Mpa 1,35Mpa
Hình 3.9 Hình ảnh xylanh 2 trục TN10x50-S
3.3.5.2 Xylanh cho cơ cấu đẩy chai vào thùng
Để đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác, cần lựa chọn xylanh 2 trục TN10x150-S của SNS với cấu trúc cứng vững, chống lệch hướng trong quá trình dịch chuyển Xylanh này được đánh giá cao về độ bền và hiệu suất, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.
Bảng 3.10 Bảng thông số xylanh 2 trục TN10x100-S Đường kính trong xylanh Hành trình Kiểu tác động Áp suất vận hành Áp suất tối đa 10mm 100mm Tác động đơn 0,15- 1.0Mpa 1,35Mpa
3.3.5.3 Xylanh cho cơ cấu dập nắp
Để đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác, cần lựa chọn xylanh 2 trục CXSM10-60 của SMC với độ cứng vững và không lệch hướng trong quá trình dịch chuyển.
Bảng 3.11 Bảng thôgn số xylanh 2 trục CXSM10-50 Đường kính trong xylanh Hành trình Kiểu tác động Áp suất vận hành Áp suất tối đa
10mm 50mm Tác động đơn 0,15Mpa 0.7Mpa
Hình 3.11 Hình ảnh xylanh 2 trục CXSM10-50
3.3.6 Phần điện Động cơ băng tải, động cơ đóng nắp sử dụng nguồn 24VDC, dòng điện tiêu thụ tối đa 2A
Cảm biến tiệm cận, cảm biến hồng ngoại sử dụng điện áp từ 6VDC đến 36VDC, dòng tiêu thụ tối đa 300mA
PLC S7 1200 CPU 1214DC/DC/DC sử dụng điện áp 24VDC, dòng tiêu thụ tối đa 1500mA
Hệ thống điều khiển khí nén, relay trung gian sử dụng điện áp 24VDC
Dựa trên phân tích thông số kỹ thuật, điện áp sử dụng và dòng điện tiêu thụ, nhóm đã lựa chọn nguồn tổ ong 24VDC – 5A để cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống.
Hình 3.12 Nguồn tổ ong 24VDC Bảng 3.12 Bảng thông số kỹ thuật nguồn tổ ong 24 VDC Điện áp đầu vào AC 220V Điện áp đầu ra DC 24V 5A
Công suất 120W Điện áp ra điều chỉnh +/- 10%
Phạm vi điện áp đầu vào 85~132VAC/ 180 ~ 264 VAC
Thiết kế hệ thống
3.4.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.13 Sơ đồ khối hệ thống
- Khối nguồn: có chức năng cung cấp nguồn cho hệ thống
- Khối nút nhấn: có chức năng điều khiển hệ thống
- Khối cảm biến: có chức năng xác định vị trí chai và kiểm tra phân loại
- Khối cấp nắp: có chức năng cấp nắp cho chai nước
- Khối đóng nắp: có chức năng đóng nắp chai
- Khối băng tải: có chức năng di chuyển chai đến vị trí xử lý khác
- Khối chiết rót: có chức năng cung cấp nước
- Khối xử lý trung tâm: có chức năng nhận, xử lý thông tin và điều khiển các khối khác
3.4.3 Thiết kế hệ thống điều khiển
3.4.3.1.Thiết kế hệ thống điều khiển trên phần mềm Tia Portal a, Bảng địa chỉ vào ra
Bảng địa chỉ vào/ra giúp xác định vị trí và chức năng của tín hiệu trong hệ thống PLC Mỗi tín hiệu có một địa chỉ duy nhất, cho phép lập trình viên dễ dàng phân biệt và truy cập, đơn giản hóa quá trình lập trình và gỡ lỗi.
Hình 3.14 Địa chỉ đầu vào
Hình 3.15 Địa chỉ đầu ra b,Bảng địa chỉ các bit mô phỏng
Hình 3.16 Địa chỉ mô phỏng
3.4.4.2 Mô phỏng trên phần mềm Festo fluidsim
Hình 3.19 Mô phỏng hệ thống trên Festo fluidsim
Xylanh 1 đang từ vị trí 1S1 tiếp điểm thường mở đóng lại=> Rơ le 1 có điện=> tiếp điểm thường mở K1 đóng duy trì dòng điện qua rơle => Tác động vao cuộn hút Y1 => xylanh_1 đi ra
Khi xylanh 1 di chuyển đến vị trí 1S2, công tắc hành trình 1S2 đóng lại, đồng thời K1 cũng đóng Điều này khiến dòng điện đi qua K2, duy trì trạng thái đóng của K2 K2 đóng điện tác động lên cuộn hút Y2, Y3, khiến xylanh 2 và xylanh 3 di chuyển ra.
Xylanh_3 đi ra đến vị trí 3S2 => tiếp điểm thường đóng 3S2 mở ra làm ngắt dòng điện qua role K1, K2
Khi cảm biến 3 bị tắc động, tiếp điểm thường mở ở vị trí 4S1 đóng lại, cung cấp điện cho Role 4 Điều này làm cho tiếp điểm thường mở K4 đóng, duy trì dòng điện và tác động lên cuộn hút Y4, dẫn đến xylanh 4 di chuyển ra.
Xylanh 4 đi ra đến vị trí 4S2=> tiếp điểm thường đóng 4S2 mở ra ngắt dòng điện K4
3.4.4.3 Mô phỏng trên màn hình WinCC
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và phát triển mô hình hệ thống chiết rót chi tiết trên phần mềm WinCC, nhằm mục tiêu thể hiện ý tưởng về hệ thống một cách hoàn thiện và sát thực tế.
Hình 3.20 Mô phỏng hệ thống trên WINCC
Đánh giá và đề xuất
Kết quả đạt được
- Quy trình thiết kế, tính toán hệ thống
- Thiết lập chương trình điều khiển
- Mô phỏng hoạt động của hệ thống
Mặc dù đã tiến hành nghiên cứu, tính toán và mô phỏng hệ thống chiết rót và đóng nắp chai, nhóm em vẫn chưa thể thực hiện các bước phát triển tiếp theo.
Đề xuất định hướng phát triển
Trong quá trình nghiên cứu và thiết kế đề tài, nhóm em nhận thức được những hạn chế và sai sót nhất định Do đó, nhóm đưa ra định hướng phát triển thêm để hoàn thiện đề tài một cách tốt nhất.
- Tiếp tục hoàn thiện tính toán và chương trình điều khiển
- Cải tiến thêm các chức năng của hệ thống
- Chế tạo và thử nghiệm hệ thống qua mô hình
Dựa vào những kết quả đạt được trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm em mong muốn sau này có thể xây dựng mô hình thực tế để ứng dụng trong các nhà máy
