GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Đặt vấn đề
Với nhu cầu xã hội ngày càng tăng, nhiều sản phẩm tiện ích đã ra đời, thường được đóng gói trong hộp hoặc chai để dễ sử dụng và bảo quản Bên cạnh việc nâng cao chất lượng sản phẩm, cải thiện thiết kế bên ngoài, đặc biệt là nhãn dán, cũng rất quan trọng vì nó được xem là bộ mặt của sản phẩm Do đó, nhóm đã quyết định chọn đề tài này nhằm đáp ứng nhu cầu xã hội và củng cố kiến thức đã học.
Mục tiêu của đề tài
Đề tài tốt nghiệp “Thiết kế, thi công, vận hành cụm dán nhãn chai và đóng thùng tự động” tập trung vào việc ứng dụng bộ điều khiển PLC để tự động hóa quy trình sản xuất công nghiệp, nhằm nâng cao hiệu quả và tối ưu hóa vận hành Dây chuyền sản xuất được chọn làm ví dụ cụ thể để củng cố lý thuyết đã học trong bốn năm đại học Nhóm đã thực hiện nhiều nhiệm vụ để hoàn thành đề tài này.
Để điều khiển hiệu quả cụm dán nhãn chai và đóng thùng tự động, trước tiên cần tìm hiểu đối tượng điều khiển Việc nắm rõ nguyên lý và quy cách vận hành của các thiết bị sẽ giúp xác định được quy luật điều khiển phù hợp.
Thiết kế phần cứng và tiến hành hoàn thiện phần cứng
Thiết kế phần điện và tiến hành hoàn thiện phần điện
Tìm hiểu về công cụ điều khiển: Ở đề tài này nhóm đã sử dụng PLC S7_200 của hãng SIEMENS để điều khiển quy trình trên
Thực hiện điều khiển: cách thức đấu dây cũng như viết chương trình cho PLC điều khiển quy trình trên
Kiểm tra và hoàn thành
Mục tiêu chính của đề tài là vận hành hiệu quả hệ thống dán nhãn chai và đóng thùng tự động, áp dụng kiến thức về điện, cơ khí và lập trình Đồng thời, đề tài cũng nhằm nâng cao kỹ năng làm việc nhóm cho các thành viên tham gia.
Nội dung của đề tài
Chương I: Giới thiệu sơ về đề tài nghiên cứu
Chương II: Phân tích một số loại băng tải thường dùng và sẽ chọn loại băng tải phù hợp với đề tài, sau đó sẽ tính toán phần động cơ chạy băng tải
Chương III: Giới thiệu về động cơ không đồng bộ một pha và biến tần được sử dụng trong mô hình
Chương IV: Giới thiệu các thiết bị có trong mô hình
Chương V: Quá trình thiết kế và thi công mô hình
Chương VI: Kết quả và hướng phát triển của đề tài
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp khảo cứu tài liệu:
- Tham khảo, tra cứu từ các tài liệu có liên quan để thấu hiểu những kiến thức có liên quan đến đề tài đang thực hiện
- Tạp chí chuyên ngành; các sách kỹ thuật chuyên môn; các website, diễn đàn trực tuyến…
- Trực tiếp thi công mạch, từ những kinh nghiệm, những qui trình thực tế rút ra các kết quả chính xác đưa vào đồ án
- Trực tiếp thi công mạch, từ những kinh nghiệm, những qui trình thực tế rút ra các kết quả chính xác đưa vào đồ án.
CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI
Yêu cầu và phạm vi ứng dụng
Với nhu cầu ngày càng cao của xã hội, nhiều sản phẩm tiện ích đã ra đời, chủ yếu được đóng hộp hoặc trong chai để dễ dàng sử dụng và bảo quản Bên cạnh việc nâng cao chất lượng sản phẩm, việc cải thiện thiết kế bên ngoài cũng rất quan trọng, trong đó nhãn dán được xem là bộ mặt của sản phẩm Dán nhãn chai tự động hiện đang được sử dụng rộng rãi trong ngành sản xuất thực phẩm và y tế, với mục tiêu chính là đảm bảo nhãn dán đều, đẹp, không bị tróc và lệch.
Nhãn dán được sử dụng trong đồ án này là loại nhán dãn decal nhiệt được cung cấp sẵn ở dạng cuộn.
Phân loại máy dán nhãn tự động
Hiện nay, có nhiều loại máy dán nhãn phổ biến, bao gồm máy sử dụng băng ma sát, máy dùng con lăn di động và máy với cơ cấu kẹp thủy lực.
2.2.1 Máy dán nhãn dùng con lăn di động
Hình 2.1 Máy dán nhãn dùng con lăn di động
+ Con lăn di động 4 + Con lăn dẫn hướng 5 + Cuộn nhãn vào 8 + Đôi bánh ma sát 9
Chai được cấp vào qua mâm cấp chai 1 và di chuyển qua băng tải 2, đi qua khe hở giữa con lăn di động và cố định Nhãn được cấp liên tục nhờ vào cặp bánh ma sát 9 Dưới tác động của băng tải và lực ép từ lò xo 7, nhãn sẽ được dán lên chai bởi các con lăn di động.
♦ Ưu diểm: Cơ cấu đơn giản, năng suất cao
Nhược điểm của phương pháp dán là khả năng dán chính xác thấp và dễ bị bung ra sau khi dán Yêu cầu sử dụng nhãn dán có keo hai mặt không chỉ làm tăng giá thành mà còn gây khó khăn trong việc giữ vệ sinh sau khi dán.
2.2.2 Máy dán nhãn dùng cơ cấu kẹp thủy lực
Hình 2.2 Máy dán nhãn dùng cơ cấu kẹp thủy lực
Cơ cấu kẹp thủy lực được dẫn hướng bởi hai rãnh, với hai xy lanh thủy lực được điều khiển dựa trên tín hiệu từ cảm biến màu Khi chai đạt khoảng cách xác định với nhãn, cảm biến màu sẽ nhận diện và điều khiển hai thanh kẹp để kẹp chai lại, đồng thời thực hiện việc dán nhãn lên chai.
♦ Ưu điểm: độ chính xác và năng suất cao
Máy móc phức tạp và khó chế tạo là những nhược điểm chính, yêu cầu sử dụng băng keo hai mặt dẫn đến chi phí cao Ngoài ra, việc giữ vệ sinh sau khi dán vào chai cũng gặp khó khăn do bề ngoài còn keo bám bụi, hoặc cần thêm công đoạn dán lớp nilong bên ngoài, làm tăng thêm giá thành.
2.2.3 Máy dán nhãn dùng cơ cấu băng ma sát
Hình 2.3 Máy dán nhãn dùng cơ cấu băng ma sát loại 1
Chai được di chuyển trên băng tải và quay tròn nhờ vào cơ cấu ma sát Băng ma sát được căng cuộn băng keo hai mặt, giúp chai lăn không trượt và cuốn theo nhãn chai Nhãn chai được dán chắc chắn nhờ vào quá trình lăn ép trên băng ma sát.
♦ Ưu điểm: độ chính xác cao, ít phế phẩm
Nhược điểm của các máy này là cần sử dụng nhãn có keo hai mặt, dẫn đến giá thành cao và gây khó khăn trong việc vệ sinh sau khi đã dán nhãn.
Hình 2.4 Máy dán nhãn dùng cơ cấu băng ma sát loại 2
Nhãn có thể bị bóc ra do băng dán bị gấp khúc đột ngột Chai được cung cấp từ cơ cấu cấp phôi và dán nhãn chặt nhờ băng ma sát Nếu chai không dính nhãn do sự cố, cảm biến quang sẽ nhận biết và chai đó sẽ được đưa ra ngoài qua cơ cấu gạt Việc nhận diện chai và nhãn được thực hiện nhờ các bộ cảm biến quang học và cảm biến màu.
♦ Ưu điểm: năng suất cao, cơ cấu đơn giản, đạt độ chính xác cao
♦ Nhược điểm: chi phí ban đầu cao do yêu cấu các cơ cấu chính xác
Sau khi phân tích kỹ lưỡng và xem xét các ưu nhược điểm của từng loại máy dán nhãn, nhóm đã đi đến quyết định chọn máy dán nhãn chai sử dụng băng ma sát loại 2.
Tính toán chọn động cơ băng tải
Việc tính toán công suất động cơ cho băng tải dựa trên công suất cản tĩnh là rất quan trọng Chế độ quá độ thường không ảnh hưởng nhiều do số lần đóng cắt ít, không tác động đến chế độ đảo của động cơ Phụ tải của băng tải thường ổn định, do đó không cần kiểm tra theo điều kiện phát nóng và quá tải Tuy nhiên, trong điều kiện làm việc nặng nề, cần phải xem xét các yếu tố khi mở máy để đảm bảo hiệu suất hoạt động của thiết bị.
Khi tính chọn công suất động cơ truyền động cho băng tải thường tính theo các thành phần sau:
+ Công suất P 1 để dịch chuyển vật liệu
+ Công suất P 2 để khắc phục tổn thất do ma sát trong các ổ đỡ, ma sát giữa băng tải và các con lăn khi băng tải không chạy
+ Công suất P 3 để nâng tải (do băng tải nằm ngang nên P 3 = 0)
Lực cần thiết để dịch chuyển vật liệu:
Với: L = Chiều dài băng tải σ = Khối lượng vật liệu trên 1m băng tải g = 9,81 m/s 2 β = 0 (băng tải nằm ngang) k 1 = Hệ số tính đến khi dịch chuyển vật liệu, k 1 = 0,9
Ta nhận thấy: L.σ = Khối lượng vật liệu trên cả băng tải
Do 1 chu trình chỉ có 1 chai nước nằm trên băng tải nên khối lượng vật liệu trên cả băng tải sẽ bằng khối lượng 1 chai nước Mà khối lượng 1 chai nước là m = 0,5 (kg)
Công suất cần thiết để dịch chuyển vật liệu:
Trong đó: v = 0,23 vận tốc băng tải (m/s)
Lực cản do các loại ma sát sinh ra khi băng tải chuyển động không tải:
Trong đó: σ b = khối lượng băng tải trên 1m chiều dài băng k 2 = là hế số tính đến lực cản khi không tải k 2 = 0.005
Ta nhận thấy: L.σ b = Khối lượng băng tải (khi không có tải) Ta có m b = 0,25 (kg) là khối lượng băng tải khi không tải
Công suất cần thiết để khắc phục lực cản ma sát:
Công suất tĩnh của băng tải:
Vậy công suất động cơ truyền động băng tải được tính theo biểu thức sau:
Trong đó: k 3 = Hệ số dự trữ về công suất (k 3 = 1,2 ÷ 1,25) η = 0.94: Hiệu suất truyền động
Chọn động cơ như sau: Động cơ ORIENTAL 3RK15GN – CW
CHƯƠNG III: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT PHA 3.1 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Dựa trên nguyên tắc của động cơ không đồng bộ 3 pha, động cơ không đồng bộ 1 pha được chế tạo với stator gồm 2 cuộn dây đặt lệch nhau một góc Một cuộn dây kết nối trực tiếp với mạng điện, trong khi cuộn dây còn lại được kết nối qua một tụ điện, tạo ra sự lệch pha giữa hai dòng điện và sinh ra từ trường quay Động cơ không đồng bộ 1 pha thường được sử dụng trong các thiết bị điện sinh hoạt và công nghiệp với công suất nhỏ, từ vài Watt đến hơn một ngàn Watt, và hoạt động với nguồn điện xoay chiều 1 pha 110V hoặc 220V.
Động cơ không đồng bộ 1 pha chỉ đạt khoảng 50% công suất so với động cơ không đồng bộ 3 pha, mặc dù cùng kích thước Điều này chủ yếu do khả năng quá tải thấp của động cơ 1 pha, ngoại trừ động cơ kiểu điện dung, trong khi động cơ 3 pha có hiệu suất cao hơn.
1 pha được sử dụng rộng rãi trong điện dân dụng và điện công nghiệp như máy giặt, tủ lạnh, máy bơm nước…
Động cơ không đồng bộ 1 pha có cấu trúc khác nhau do nguyên lý hoạt động và yêu cầu kỹ thuật đa dạng Tuy nhiên, cấu tạo chính của nó bao gồm hai phần cơ bản.
+ Phần tĩnh hay còn gọi là Stator
+ Phần quay hay còn gọi là Rotor
Phần tĩnh gồm: mạch từ, dây quấn, vỏ và nắp máy
Mạch từ là lõi thép làm bằng các lá thép kỹ thuật nối ghép lại thành hình trụ rỗng phía trong có cực từ để đặt dây quấn
Dây quấn Stator gồm dây quấn chính và dây quấn phụ có kết cấu thường không giống nhau, đặt lệch nhau góc 90 0
Phần quay của động cơ không đồng bộ 1 pha thường dùng dạng Rotor lồng sóc
Ngoài hai phần chính trên, còn có các bộ phận khởi động như tụ điện, ngắt điện ly tâm hay rơle dòng điện, rơle điện áp…
3.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ một pha
Động cơ không đồng bộ 1 pha một dây quấn tạo ra từ trường đập mạch, phân thành hai từ trường quay: một quay thuận và một quay nghịch Từ thông và lực điện từ tác động lên Rotor, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ.
Khi nối dây quấn 1 pha Stator vào lưới điện áp u 1 thì trong dây quấn có dòng điện xoay chiều hình sin chạy qua:
Dòng điện này sinh ra từ trường Stator có phương không đổi nhưng có độ lớn thay đổi hình sin theo thời gian, gọi là từ trường đập mạch:
Ta phân sức từ động đập mạch thành 2 sức từ động quay:
Hai sức từ động quay này có:
So với Rotor có hệ số trượt:
Từ cảm tổng hình thành từ trường quay Ellip
Từ trường quay thuận B 1 tác dụng với dòng điện Rotor sẽ tạo ra momen quay thuận M 1 Còn từ trường quay ngược
B 2 tác dụng với dòng điện Rotor sẽ tạo ra momen quay ngược M 2 Tổng đại số 2 momen này cho ta đặc tuyến momen – vận tốc
Từ đặc tuyến này ta thấy rằng lúc mở máy (n = 0, s = 1),
M 1 = M 2 và ngược chiều nhau nên M = 0, vì vậy động cơ không thể tự quay được Tuy nhiên nếu ta tác động quay
Rotor theo một chiều nào đó, s # 1 tức M # 0 thì động cơ tiếp tục quay theo chiều tác động ban đầu
Để động cơ một pha hoạt động hiệu quả, cần có biện pháp mở máy, tức là phải tạo ra một momen mở máy khi Rotor vẫn đứng yên.
3.1.4 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
A - Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp nguồn cấp vào phần cảm (Stator)
Hình 3.2 Đặc tuyến momen vận tốc của động cơ không đồng bộ một pha
- Để thay đổi điện áp cấp vào cho phần cảm phải dùng bộ biến đổi điện áp xoay chiều
- Phương pháp này chỉ cho thay đổi về phía giảm áp (U < U dm ) nên chỉ thay đổi về tốc độ phía giảm
Động cơ không đồng bộ thường có độ trượt nhỏ, vì vậy phương pháp tăng điện trở phụ mạch phần ứng được áp dụng để tăng độ trượt tới hạn, nhưng chỉ hiệu quả với động cơ không đồng bộ Rotor dây quấn.
B - Điều chỉnh tốc độ bằng mắc nối tiếp với động cơ điện trở hay cuộn dây điện cảm
C - Điều chỉnh nguồn cung cấp cho động cơ không đồng bộ bằng các bộ biến tần
Trong số các phương pháp, chúng ta chú trọng đến phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ, vì tốc độ của động cơ xoay chiều đòi hỏi dải điều chỉnh cao và các tính chất động học Điều này chỉ có thể đạt được khi sử dụng biến tần, tùy thuộc vào cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển biến tần - động cơ, do đó, các hệ thống này được phân loại thành nhiều loại khác nhau.
Biến tần trực tiếp là loại biến tần có tần số đầu ra luôn nhỏ hơn tần số lưới f1, thường dưới 50% f1 Loại biến tần này thường được sử dụng cho các hệ truyền động công suất lớn.
Biến tần gián tiếp là thiết bị thường được sử dụng cho các hệ thống truyền động với nhiều động cơ, cho phép điều chỉnh tần số và điện áp một cách liên tục Nội dung chi tiết về các loại biến tần này sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.
Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể thay đổi được
Nhóm nghiên cứu sử dụng biến tần để chuyển đổi dòng điện xoay chiều 1 pha thành dòng điện xoay chiều 3 pha có tần số điều chỉnh Biến tần được lắp đặt trong tủ điện, giúp việc điều chỉnh trở nên thuận tiện hơn.
- Mạch động lực: chỉnh lưu, nghịch lưu, bộ lọc
- Mạch điều khiển: phát xung, phân phối xung, khuếch đại xung để điều khiển transistor/thyristor
Hình 3.3 Điều khiển biến tần
- Chỉnh lưu: sử dụng D hoặc SCR
- Bộ lọc: sử dụng tụ C hoặc cuộn I
- Nghịch lưu: sử dụng transistor hoặc SCR Transistor được sử dụng phổ biến hơn
Hình 3.4 Sơ đồ hoạt động của biến tần
3.2.2 Nguyên lý hoạt động của biến tần
Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều một pha hoặc ba pha được chuyển đổi thành nguồn một chiều ổn định thông qua quá trình chỉnh lưu và lọc Bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện thực hiện công đoạn này, đảm bảo điện đầu vào có điện áp và tần số cố định.
Điện áp một chiều được lưu trữ trong giàn tụ điện ở mức cao, sau đó được biến đổi thành điện áp xoay chiều ba pha đối xứng thông qua bộ biến đổi IGBT IGBT hoạt động như một công tắc nhanh, sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để tạo ra dạng sóng đầu ra cho biến tần, nhờ vào sự phát triển của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn.
Trang 14 dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ
