Đồ án tốt nghiệp mô hình máy chiết rót đóng nắp chai dán nhãn tự động sử dụng PLC

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống tự động mô hình máy chiết rót đóng nắp chai dán nhãn tự động sử dụng PLC 71200. Ngày nay, nhu cầu công nghiệp thực phẩm ngày càng hiện đại phát triển, các nhà máy dây chuyền sản xuất tự động đòi hỏi tính năng suất cao. Do đó việc sử dụng các công nghệ điện tự động hóa ngày càng quan trọng. Đặc biệt là các dây chuyền sản xuất nước uống đóng chai hoàn toàn tự động được sản xuất ra số lượng rất lớn và trong thời gian rất ngắn. Dựa vào những kiến thức đã được học tập tại trường, trong quá trình thực tập tại công ty và tình hình phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước hiện nay. Nhóm 2 thành viên quyết định cùng nhau thực hiện đồ án tốt nghiệp này với tên đề tài “Thiết kế, xây dựng hệ thống tự động của mô hình máy chiết rót đóng nắp chai dán nhãn chai tự động”.

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

G IỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Ngày nay, nhu cầu công nghiệp thực phẩm ngày càng tăng, dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của các nhà máy sản xuất tự động với yêu cầu về năng suất cao Việc áp dụng công nghệ điện tự động hóa trở nên thiết yếu, đặc biệt trong các dây chuyền sản xuất nước uống đóng chai hoàn toàn tự động, cho phép sản xuất số lượng lớn trong thời gian ngắn Dựa trên kiến thức học tập và kinh nghiệm thực tập, nhóm 2 thành viên đã quyết định thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế, xây dựng hệ thống tự động của mô hình máy chiết rót đóng nắp chai dán nhãn chai tự động”.

Hình 1.1: Hệ thống tự động chiết rót dầu nhớt thực tế

Thiết kế, xây dựng hệ thống tự động của mô hình máy chiết rót đóng nắp chai dán nhãn chai tự động

SVTH: Đỗ Hoàng Hải Âu

M ỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Mục đích nghiên cứu mô hình là phát triển hệ thống tự động cho máy chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai với tính ổn định cao và chi phí hợp lý Bộ PLC đóng vai trò là bộ não trung tâm, kết nối với các cảm biến như cảm biến lưu lượng, cảm biến vật cản hồng ngoại, cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại và cảm biến dán nhãn để truyền tín hiệu về bộ điều khiển Nghiên cứu nhằm hiểu rõ nguyên lý hoạt động và cách lắp đặt hệ thống, đồng thời thiết kế mô hình kết nối các thiết bị để hoàn thiện hệ thống Giao diện giám sát trên SCADA được thiết kế để theo dõi và điều khiển hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn tự động, từ đó lập trình tính toán ổn định nhằm bảo vệ hệ thống và nâng cao hiệu quả kinh tế Mục tiêu cuối cùng là hoàn thiện tất cả các khâu của hệ thống một cách tốt nhất và không ngừng nâng cao kiến thức thực tế trong suốt quá trình thực hiện.

Đ ỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu đề tài này ta sẽ nghiên cứu và khảo sát như sau:

 Lập trình điều khiển trên PLC Siemens SIMATIC S7-1200 với CPU 1214C

 Động cơ bộ giảm tốc phẳng tốc độ 10rpm và 52rpm 40W

 Nghiên cứu Valve khí nén, Cylinder

 Nghiên cứu Valve điện từ điều khiển nước 220VAC (Được gắn với cảm biến lưu lượng nước để điều khiển tắt mở vlave xả nước)

 Các loại cảm biến lưu lượng nước, 2 cảm biến vật cản hồng ngoại, cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại, cảm biến dán nhãn và CTHT

 Phần mềm lập trình PLC là TIA Portal V14 SP1

 Nguồn tổ ong 220VAC, 24VDC, 5VDC Nút nhấn, đèn báo, dây dẫn

P HẠM VI NGHIÊN CỨU

Do hạn chế về thời gian, báo cáo đồ án tốt nghiệp sẽ không trình bày chi tiết toàn bộ hệ thống Chúng tôi sẽ tập trung vào việc lập trình điều khiển hệ thống, bao gồm điều khiển hai động cơ giảm tốc DC cho hai băng tải, hai động cơ giảm tốc DC cho động cơ nhãn dán, một động cơ giảm tốc DC để điều khiển vặt nắp chai, và một động cơ giảm tốc DC cho mâm đĩa xoay Ngoài ra, chúng tôi cũng sẽ xử lý tín hiệu HSC từ cảm biến lưu lượng, cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại, cảm biến vật cản hồng ngoại và cảm biến dán nhãn Thiết kế mô hình sẽ được điều chỉnh để đảm bảo độ chính xác, nhằm giảm thiểu rủi ro không mong muốn Cuối cùng, nghiên cứu và thiết kế giao diện SCADA sẽ được thực hiện để giám sát và điều khiển hệ thống hiệu quả.

Ngoài ra, ta cần lập trình để khi ta đang vận hành nếu có sự cố sẽ cảnh báo hệ thống và dừng hệ thống.

D Ự KIẾN KẾT QUẢ

Kết quả dự kiến sẽ cho phép điều khiển hệ thống một cách ổn định và chính xác, bao gồm động cơ băng tải, động cơ nhãn, và động cơ mâm đĩa xoay Hệ thống sẽ đọc dữ liệu từ cảm biến lưu lượng nước, cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại, cảm biến vật cản hồng ngoại, và cảm biến dán nhãn Sử dụng bộ não trung tâm PLC, quá trình điều khiển sẽ diễn ra theo đúng thứ tự, bao gồm điều khiển van khí nén và xy lanh, đồng thời nhận tín hiệu từ các cảm biến để lập trình theo yêu cầu của người dùng.

Hệ thống chiết rót tự động cung cấp lượng nước chính xác vào chai theo yêu cầu của người dùng, sau đó thực hiện quy trình đóng nắp và dán nhãn chai Đồng thời, hệ thống luân phiên thực hiện các chu trình chiết rót và đóng nắp, đồng thời đếm số lượng chai đã chiết rót Tất cả các hoạt động này được giám sát thông qua giao diện SCADA, giúp quản lý hiệu quả quá trình vận hành của hệ thống.

Dễ dàng ta có thể điều khiển và giám sát hệ thống trên giao diện SCADA trên phần mềm lập trình TIA Portal V14 SP1 được tích hợp sẵn

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

T ỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC

2.1.1 Giới thiệu điều khiển lập trình PLC

PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển thông qua ngôn ngữ lập trình riêng biệt.

Lập trình điều khiển PLC giống như một máy tính điện tử, cho phép điều khiển và giám sát thông qua hệ thống SCADA PLC đóng vai trò quan trọng trong việc đơn giản hóa các quy trình trong hệ thống điều khiển và thường được ứng dụng trong tự động hóa tại các nhà máy điện công nghiệp.

2.1.2 Ưu nhược điểm của PLC

Lập trình trên bộ PLC dễ dàng hơn so với vi điều khiển, cho phép thay đổi và sửa chữa chương trình một cách linh hoạt Khi cần điều chỉnh chương trình, người dùng có thể lập trình lại một cách trực tiếp và đơn giản Hiện nay, có nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau, và người lập trình thường được trang bị phần mềm tương thích cùng với các công cụ để kiểm tra và phát hiện lỗi phần mềm, phần cứng Nhờ đó, việc theo dõi và sửa chữa hệ thống trở nên thuận tiện hơn.

+ Bộ PLC có độ chính xác cao, hoạt động rất tốt, khả năng xử lý rất nhanh

+ Tín hiệu ngõ ra từ bộ PLC có độ tin cậy cao hơn so với tín hiệu từ bộ điều khiển relay

+ Bộ nhớ bộ PLC có dung lượng lớn, chứa được nhiều lệnh chương trình phức tạp nhưng khi download, kiểm tra lỗi, xóa chương trình rất đơn giản

Có khả năng giao tiếp hiệu quả với nhiều loại mạng và thiết bị máy tính khác nhau, đồng thời kết nối nhiều PLC và các thiết bị đối tác khác.

Nhiều hãng PLC cung cấp phần mềm và ngôn ngữ lập trình khác nhau, dẫn đến sự thiếu thống nhất trong việc viết chương trình.

Sử dụng PLC để lập trình cho hệ thống quy mô nhỏ có thể tốn kém do chi phí cao của PLC Nếu không tối ưu hóa việc sử dụng PLC, việc sử dụng relay để điều khiển sẽ là một giải pháp tiết kiệm hơn.

2.1.3 Cấu trúc chung của PLC

Có 5 bộ phận trong hệ thống của PLC: Nguồn cung cấp, bộ xử lý, bộ nhớ, thiết bị điều khiển, ngõ vào và ngõ ra

Hình 2.1: Các bộ phận trong hệ thống của PLC

 Bộ nguồn cung cấp: Mục đích để chuyển đổi điện áp AC sang DC cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện

Bộ xử lý trung tâm (CPU) được xem là bộ não của máy tính, có nhiệm vụ biên dịch các tín hiệu, xử lý chương trình lưu trữ trong bộ nhớ và truyền dữ liệu đến các thiết bị đầu vào và đầu ra.

 Bộ nhớ: Lưu trữ chương trình điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ xử lý

Thiết bị điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc nhập chương trình vào bộ nhớ của bộ xử lý Chương trình này được thiết kế dựa trên các thiết bị cụ thể và có nhiệm vụ truyền dữ liệu tới bộ nhớ của PLC.

Ngõ vào và ngõ ra là các thành phần quan trọng trong hệ thống xử lý thông tin, nơi bộ xử lý tiếp nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài Tín hiệu ngõ vào thường được nhận từ các nút nhấn hoặc cảm biến, trong khi thiết bị ngõ ra thường bao gồm relay, động cơ và van điều khiển.

2.1.4 Nguyên lý hoạt động của PLC

Chương trình của bộ PLC hoạt động theo chu kỳ lặp, trong đó mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét Trong mỗi vòng quét, PLC sẽ đọc dữ liệu từ các ngõ vào và thực hiện chương trình từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc Sau khi hoàn tất việc thực hiện, PLC sẽ kiểm tra lỗi và xử lý chương trình để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

Vòng quét kết thúc sẽ chuyển thông tin dữ liệu để điều khiển các ngõ ra

T ỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ

2.2.1 Động cơ một chiều DC

Khái quát động cơ một chiều DC:

Động cơ một chiều DC, viết tắt của "Direct Current Motors", là loại động cơ hoạt động bằng nguồn điện một chiều và được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, từ các thiết bị nhỏ như đầu đĩa CD đến máy khoan Động cơ này thường vận hành với một tốc độ cố định khi được cấp điện Để điều khiển chiều quay và tốc độ, người ta có thể sử dụng các mạch tích hợp sẵn PWM hoặc lập trình điều khiển xung PWM thông qua phần mềm PLC.

Cấu tạo động cơ một chiều DC:

Gồm 3 phần chính: Stator (Phần cảm), rotor (Phần ứng), phần cổ góp

 Stator: Một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu tạo ra 1 từ trường không đổi

 Rotor: Một cuộn dây quấn được nối với nguồn điện DC (Phần quay)

 Phần cổ góp chỉnh lưu: Có nhiệm vụ đảo chiều dòng điện khi chuyển động quay của rotor liên tục

2.2.2 Động cơ DC giảm tốc

Khái quát về động cơ DC giảm tốc:

Động cơ DC giảm tốc là thiết bị quan trọng trong nhiều ứng dụng giảm tốc độ, bao gồm động cơ điện và hộp giảm tốc Hộp giảm tốc chứa các bộ phận như trục vít và bánh răng, giúp giảm tốc độ vòng quay, giảm vận tốc góc và tăng mô men xoắn Đây là bộ phận trung gian giữa động cơ điện và thiết bị làm việc, kết nối với tải ở đầu còn lại.

Động cơ DC giảm tốc có chức năng giảm tốc độ quay của thiết bị truyền động thông qua việc ăn mòn khớp trực tiếp, trong khi tỉ số truyền vẫn được giữ nguyên.

Việc chế tạo động cơ điện với tỉ số truyền mong muốn, tức là số vòng quay và mô men xoắn, gặp nhiều khó khăn do chúng có mối quan hệ tỉ lệ nghịch.

T ỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN

2.3.1 Cảm biến phát hiện vật cản hồng ngoại

Hình 2.5: Cảm biến phát hiện vật cản bằng hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản được sử dụng để xác định sự hiện diện của các đối tượng tại một vị trí cố định Thiết bị này thường được áp dụng trong các hệ thống đếm sản phẩm, nhận diện chai cho quá trình chiết rót, cũng như phát hiện các điểm đen trong quy trình sản xuất.

Cảm biến này sử dụng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách đến vật cản, với khả năng phản hồi nhanh chóng và ít bị nhiễu nhờ vào việc sử dụng mắt thu và phát tia hồng ngoại.

Có thể dùng biến trở để điều chỉnh khoảng cách mong muốn

2.3.2 Cảm biến lưu lượng nước

Hình 2.6: Cảm biến lưu lượng nước

Cảm biến lưu lượng nước là thiết bị quan trọng thường được sử dụng trong các máy bơm nước nóng và máy bơm nhỏ Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý cánh quạt nước kết hợp với cảm biến, giúp theo dõi và điều chỉnh lưu lượng nước một cách hiệu quả.

Hall bên trong Khi nước chảy qua cảm biến thì cánh quạt sẽ quay => cảm biến Hall

=> Tín hiệu xung vuông (NPN)

2.3.3 Cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại

Hình 2.7: Cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại

Cảm biến tiệm cận (Proximity sensor) là thiết bị xác định khoảng cách, vị trí hoặc sự hiện diện của vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp Nhờ vào đặc điểm này, cảm biến tiệm cận có tuổi thọ cao và độ bền tốt, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng công nghiệp và tự động hóa.

Có 3 loại cảm biến tiệm cận:

 Cảm biến điện dung (Capacitive Sensor)

 Cảm biến từ cảm (Inductive Sensor)

 Cảm biến siêu âm (Utrasonic Sensor)

2.3.4 Cảm biến nhận nhãn dán

Hình 2.8: Cảm biến nhận nhãn dán

Cảm biến nhận nhãn dán gồm hai phần: một bên phát và một bên thu, có chức năng phát hiện kích thước và chất liệu của giấy Ban đầu, tín hiệu từ đầu phát sẽ được truyền trực tiếp đến đầu thu để thực hiện quá trình nhận diện.

(Tín hiệu ngõ ra bằng 0) Khi có vật cản giữa khe thì đầu thu không nhận tín hiệu từ đầu phát (Tín hiệu ngõ ra bằng 1).

T ỔNG QUAN VỀ VAN ĐIỆN TỪ ĐIỀU KHIỂN NƯỚC

Hình 2.9: Valve điện từ điều khiển nước

Van điện từ (solenoid valve) hoạt động với điện áp 24VDC hoặc 220VAC, sử dụng lực hút từ cuộn dây để đóng mở Các van này thường được ứng dụng trong hệ thống khí nén và nước, do đó chúng được gọi là van điện từ khí nén và van điện từ nước.

Van điện từ có nhiều loại với cấu tạo khác nhau Đối với van 2 cửa, cửa vào và cửa ra hoạt động luân phiên, tức là khi cửa vào mở thì cửa ra đóng và ngược lại.

Loại valve 3 cửa thì 2 cửa đóng mở thay phiên nhau Những hệ thống lớn khá phức tạp thường được ghép nhiều valve lại với nhau

Hình 2.10: Cấu tạo của valve điện từ

Van điện từ NC hoạt động dựa trên nguyên lý cuộn điện từ, bao gồm một lò xo và một lõi sắt, với lõi sắt được gắn vào đầu cao su Khi không có điện, lò xo sẽ nén lõi sắt để giữ van đóng Khi cấp điện, cuộn dây tạo ra từ trường mạnh hơn lực nén của lò xo, khiến van mở ra.

T ỔNG QUAN VỀ VAN VÀ XY LANH KHÍ NÉN

Xy lanh khí nén (Cylinder)

Xy lanh khí nén là thiết bị cơ cấu vận hành chuyển đổi năng lượng từ khí nén thành động năng để thực hiện các chuyển động Còn được gọi là pen khí nén, xy lanh này tạo ra lực và thường được sử dụng kết hợp với máy khí nén để vận hành hiệu quả.

Xy lanh khí nén có nhiều loại thiết kế khác nhau cho phù hợp yêu cầu chế tạo máy như xy lanh vuông, tròn, kẹp, xoay, trượt, compact…

Hình 2.11: Xy lanh khí nén (Cylinder)

Van khí nén 5 cửa 2 vị trí được phân loại dựa trên số lượng cửa và vị trí của van điện từ Ngoài ra, điện áp của cuộn coil van điện từ cũng là yếu tố quan trọng, thường là 24VDC.

Số vị trí của van điện từ khí nén thường xác định vị trí con trượt, với các loại van này thường có 2 hoặc 3 vị trí, và trong một số trường hợp, có thể có nhiều hơn.

Số cửa: Là số lỗ để dẫn khí nén vào hoặc ra, số cửa của van thường là 2

Số tín hiệu điện từ cuộn coil là yếu tố quan trọng trong việc điều khiển chuyển động của con trượt, giúp nó di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác Có thể có một hoặc hai cuộn coil, tùy thuộc vào thiết kế và yêu cầu của hệ thống.

Van khí nén 5/2 là van có số cửa là 5 và có 2 vị trí (2 trạng thái làm việc) và được thể hiện như sau:

 Cửa 1 (Cửa P): Cửa vào nối với nguồn khí nén

 Cửa 2 (Cửa A): Cửa ra khí nén nối với xi lanh

 Cửa 3 (Cửa R): Cửa xả khí không có đầu mối nối cho ống dẫn

 Cửa 4 (Cửa B): Cửa ra khí nén nối với xi lanh

 Cửa 5 (Cửa S): Cửa xả khí

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

S Ơ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG

Sơ đồ khối tổng quát các thiết bị trong hệ thống:

Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quát các thiết bị trong hệ thống

Hình 3.2: Các công đoạn của mô hình hệ thống

Giải thích các khối của mô hình hệ thống:

Khối cấp nguồn: Dùng bộ nguồn tổ ong Ngõ vào 220VAC, 5A Ngõ ra 24VDC và 5VDC để cấp nguồn cho PLC, cảm biến, relay, đèn, động cơ…

Khối trung tâm của hệ thống là PLC S7-1200 với CPU 1214C DC/DC/DC, hoạt động với nguồn cấp 24VDC Ngõ vào (Input) nhận tín hiệu từ cảm biến qua nguồn DC, trong khi ngõ ra (Output) cung cấp nguồn DC để điều khiển động cơ giảm tốc, relay DC và valve khí nén.

Khối đĩa xoay bao gồm động cơ giảm tốc 5VDC và cảm biến tiệm cận để phát hiện kim loại Chức năng chính của nó là xoay đĩa đến vị trí chính xác nhằm đưa chai vào đúng vị trí trên đĩa Sau khi hoàn thành, khối này sẽ gửi tín hiệu từ cảm biến tiệm cận về khối trung tâm của hệ thống.

Khối băng tải: Bao gồm 2 động cơ giảm tốc 24VDC Có chức năng vận chuyển chai theo tín hiệu của khối trung tâm hệ thống

Khối chiết rót: Bao gồm 1 valve solenoid 220VAC, 1 cảm biến lưu lượng nước,

Cảm biến vật cản hồng ngoại có khả năng phát hiện chai để thực hiện quá trình chiết rót nước Thiết bị này không chỉ giúp chiết rót mà còn gửi tín hiệu về khối trung tâm của hệ thống để xử lý thông tin.

Cơ cấu cấp nắp: Luôn cấp nắp xuống để khi đĩa xoay thì nắp được cấp vào chai

Cơ cấu đóng nắp: Bao gồm 1 valve khí nén để đẩy cơ cấu đóng nắp vào nắp chai,

Động cơ giảm tốc 24VDC được sử dụng để xoay nắp chai chặt, nhận tín hiệu từ cảm biến vật cản hồng ngoại để phát hiện chai Tín hiệu này được truyền đến khối trung tâm của hệ thống xử lý nhằm điều khiển quá trình đóng nắp hiệu quả.

Cơ cấu dán nhãn được trang bị một động cơ giảm tốc 24VDC để thực hiện việc xoay nhãn và một động cơ giảm tốc 24VDC khác để xoay dán nhãn Ngoài ra, hệ thống còn có một van khí nén giúp đẩy cơ cấu dán nhãn vào chai một cách chính xác.

Cảm biến vật cản hồng ngoại có khả năng phát hiện chai để dán nhãn, kết hợp với cảm biến nhãn dán Tín hiệu từ cả hai cảm biến này được gửi về khối trung tâm của hệ thống để tiến hành xử lý.

3.1.1 Khối trung tâm hệ thống

Khối trung tâm của hệ thống là PLC S7-1200 với CPU 1214C DC/DC/DC, đóng vai trò quan trọng như bộ não trong việc nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến, đồng thời điều khiển các thiết bị chấp hành Việc giám sát và lập trình hệ thống được thực hiện trên PC thông qua phần mềm TIA Portal V14 SP1, tích hợp sẵn chức năng SCADA.

Hình 3.3: PLC SIMATIC S7-1200 với CPU 1214C DC/DC/DC

PLC S7-1200 là hệ thống điều khiển logic tiên tiến của Siemens, Đức, với nhiều tính năng vượt trội Thiết bị này không chỉ cung cấp hiệu suất cao mà còn tích hợp các chức năng an toàn, bảo vệ, giao tiếp truyền thông và quản lý hiệu quả.

PLC S7-1200 có thể chứa các thành phần như: Nguồn cấp PW, bộ xử lý trung tâm

CPU, bộ xử lý truyền thông CM, bộ tín hiệu ngõ vào ra SM, bộ module công nghệ

TM, bộ kết nối các module mở rộng, kết nối mạng Profibus, Profinet…

Bộ lập trình PLC S7-1200 với CPU 1214C DC/DC/DC, mã sản phẩm 6ES7214-

1AG40-0XB0 Nguồn cấp để hoạt động là 24VDC, tích hợp 14 ngõ vào số (DI) VDC

(+/-), 10 ngõ ra Transitor, 2 ngõ ra Analog Input 0-10V hoặc 0-20mA

Một số thông số của PLC S7-1200 với CPU 1214C:

Hình 3.4: Thông số của PLC S7-1200 với CPU 1214C DC/DC/DC

Hình 3.5: Thông số của PLC S7-1200 với CPU 1214C DC/DC/DC

Động cơ giảm tốc 24VDC được cấp nguồn 5VDC giúp quay với tốc độ chậm hơn, kết hợp với cảm biến tiệm cận để phát hiện kim loại Chức năng của hệ thống là xoay đĩa đúng vị trí nhằm đưa chai vào đúng chỗ, sau đó gửi tín hiệu từ cảm biến tiệm cận về khối trung tâm của hệ thống.

Hình 3.6: Động cơ bộ giảm tốc Động cơ bộ giảm tốc phẳng với tốc độ 10rpm và 52rpm, công suất 40W, 24VDC

Loại 10rpm: Ratio gear 1:135K 1:135K và loại 1664k với torque 8.5N.m, nặng 1kg

Loại 52rpm: Ratio gear 1: 664k torque 45N.m, nặng 1.1kg

Cảm biến tiện cận LJ12A3-4-Z/BX: (Đặt ở dưới thắng đứng nhận tín hiệu)

Hình 3.7: Cảm biến cận LJ12A3-4-Z/BX

Dây màu nâu (Brown) là: +VCC

Dây màu xanh dương (Blue) là: GND

Dây màu đen (Black) là: Data

Kích thước: 12 mm Chất liệu là nhựa và sắt Điện áp hoạt động: 6VDC – 36VDC, dòng điện ngõ ra: 300mA

Khoảng cách phát hiện: 4 mm

Phát hiện các đối tượng: kim loại / sắt

Khối băng tải: Bao gồm 2 động cơ giảm tốc 24VDC Có chức năng vận chuyển chai theo tín hiệu của khối trung tâm hệ thống

Hình 3.8: Khối băng tải của hệ thống khi thi công

Hệ thống bao gồm một van solenoid 220VAC, một cảm biến lưu lượng nước và một cảm biến hồng ngoại để phát hiện chai, nhằm thực hiện chức năng chiết rót nước vào chai Các cảm biến sẽ gửi tín hiệu về khối trung tâm để xử lý thông tin.

Valve solenoid UW-15 220VAC hãng sản xuất UNID:

Hình 3.9: Valve solenoid UW-15 220VAC

Vật liệu: Gang, đồng, inox, chống ăn mòn

Kiểu tác động là thường đóng (NC) Áp suất ổn định nước: 0-0.7 Mpa

Thân valve: Đồng thau, inox

Nhiệt độ từ -5 đến 80 độ C

Cảm biến lưu lượng S201 (Water flow sensor): (Đặt ở trên valve solenoid)

Hình 3.10: Cảm biến lưu lượng S201(Water flow sensor)

Cảm biến lưu lượng hoạt động bằng cách sử dụng một cánh quạt để đo lượng nước chảy qua, đồng thời có cảm biến Hall phát ra các xung khi có sự thay đổi trạng thái Cảm biến Hall được bảo vệ kín trong ống khô, đảm bảo an toàn cho thiết bị.

Chức năng của 3 dây ngõ ra:

 Red (Dây màu đỏ): Nguồn từ 5-24VDC

 Black (Dây màu đen): Chân đất GND (Mass)

 Yellow (Dây màu vàng): Tín hiệu ngõ ra của cảm biến Hall

Công thức tính lưu lượng:

 Tần số tín hiệu ngõ ra: F = 7.5*Q (L/min)

 F: Tần số tín hiệu ngõ ra (Hz)

 Q: Lưu lượng nước, tốc độ dòng chảy (L/min)

Ví dụ: 0.5L nước sẽ có công thức: 0.5*7.5*60 = 225 xung

 Điện áp làm việc (Working voltage): 5V-24VDC

 Dòng tiêu thụ max (Maximum current): 15mA

 Lưu lượng đo (Flow rate range): 1~30 (L/min)

 Nhiệt độ hoạt động (Operating temperature): 0°C~80°C

 Nhiệt động chất lỏng (Liquid temperature):

Elements => Kéo Button vào bảng điều khiển => Click chuột phải vào Button chọn

Propeties => Events => Press chọn SetBit và chọn Tag điều khiển => Release chọ

ResetBit và chọn Tag điều khiển

Để tạo thông số nhập xuất một cách dễ dàng, người dùng chỉ cần truy cập vào HMI tags và kéo thả biến tag mong muốn từ bảng điều khiển chính.

Hình 3.36: Các bước tạo thông số nhập xuất từ bảng điều khiển

SVTH: Đỗ Hoàng Hải Âu Để tạo hiệu ứng cho động cơ, băng tải, cảm biến, chai, valve solenoid, xy lanh…

Để bắt đầu, bạn chọn thanh công cụ Toolbox, sau đó chọn Elements và kéo thư viện Symbol ra ngoài Từ đây, bạn có thể lấy các thiết bị chấp hành như động cơ, băng tải, cảm biến và nhiều thiết bị cần thiết khác để hiển thị trên màn hình bảng điều khiển Tiếp theo, bạn chọn Appearance và sau đó là Style để tùy chỉnh giao diện.

Shaded và sau đó người dùng có thể chỉnh hiệu ứng đơn giản như hình dưới

Để tạo hiệu ứng cho thiết bị chấp hành, bạn cần thêm một cửa sổ màn hình điều khiển và giám sát mới Để thực hiện điều này, hãy chọn Screens và nhấn vào Add new screen để thêm bảng điều khiển và giám sát theo ý muốn.

Hình 3.38: Các bước tạo thêm màn hình điều khiển và giám sát mới

SVTH: Đỗ Hoàng Hải Âu Để tạo Button sang cửa sổ màn hình bảng điều khiển khác ta chọn chuột phải vào

Button => Properties => Events => Click sau đó lệnh ActivateScreen => Vào Screen nam chọn cửa sổ muốn tới khi nhấn nút => Object number bằng 0

Hình 3.39: Các bước tạo Button chuyển màn hình điều khiển khác

Ngoài ra còn rất nhiều chức năng khác rất tiện lợi từ phần mềm TIA Portal V14

SP1 đã được hãng Siemens tích hợp sẵn

GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIÊN

H OẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

Phương pháp giải thuật điều khiển thường được dùng trong hầu hết các thuật toán

Để giúp người đọc dễ dàng theo dõi và hiểu rõ sự phân cấp các trường hợp trong hệ thống, chúng ta cần viết sơ đồ giải thuật Việc này sẽ làm cho quá trình xử lý thuật toán trở nên đơn giản và hiệu quả hơn.

Hệ thống tự động của mô hình máy chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai hoạt động dựa trên chương trình điều khiển trung tâm xử lý PLC, được lập trình trên phần mềm TIA Portal V14 SP1.

Để chuẩn bị cho hệ thống, trước tiên cần đổ nước vào thùng chứa, lắp nắp vào cơ cấu cấp nắp, và đặt chai lên băng tải Tiếp theo, cung cấp khí nén để điều khiển xy lanh và kiểm tra các thiết bị cũng như cơ cấu trong hệ thống Sau đó, cấp nguồn và bật hệ thống, cuối cùng kết nối cáp máy tính với PLC S7.

1200 và download chương trình xuống PLC để điều khiển và giám sát trên máy tính và SCADA

Để khởi động hệ thống tự động, người điều khiển chỉ cần nhấn nút START trên bảng điều khiển tủ điện Khi động cơ giảm tốc của đĩa xoay hoạt động, cảm biến tiệm cận sẽ phát hiện kim loại và dừng đĩa xoay Tiếp theo, động cơ băng tải sẽ hoạt động để đưa chai vào vị trí trên đĩa xoay, trong khi cảm biến hồng ngoại sẽ nhận diện chai để tiến hành chiết rót nước qua van solenoid.

Khi nhấn nút START, động cơ giảm tốc nhãn dán sẽ quay để đưa nhãn đến vị trí cần dán Động cơ sẽ dừng lại khi cảm biến phát hiện khe đứt của các đoạn nhãn.

Khi chiết rót nước vào chai, cảm biến lưu lượng sẽ ghi nhận số xung nước chảy qua, và bộ xử lý trung tâm PLC sẽ nhận tín hiệu HSC từ cảm biến Dựa trên tín hiệu này, PLC sẽ so sánh và điều khiển mức nước mong muốn để đảm bảo quá trình chiết rót diễn ra chính xác.

 Khi đã chiết rót đủ mức nước mong muốn vào chai thì sẽ tắt valve solenoid

Khi hệ thống 220VAC hoạt động, động cơ đĩa xoay sẽ chạy trong 2 giây, sau đó động cơ băng tải sẽ di chuyển cho đến khi cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại và cảm biến hồng ngoại nhận diện chai Khi phát hiện, đĩa xoay sẽ dừng lại để chiết rót nước vào chai thứ hai, trong khi chai nước đầu tiên đã được lắp nắp.

Khi đã chiết rót đủ nước vào chai thứ hai, valve solenoid 220VAC sẽ được tắt và băng tải dừng lại Sau 2 giây, động cơ đĩa xoay hoạt động và động cơ băng tải sẽ chạy cho đến khi cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại và cảm biến vật cản hồng ngoại nhận diện chai Khi đó, đĩa xoay sẽ dừng lại, động cơ đóng nắp hoạt động và xy lanh sẽ thực hiện nhiệm vụ vặn chặt nắp chai thứ nhất.

Sau đó động cơ đóng nắp dừng và chiết rót nước vào chai thứ 3

Khi chai thứ ba đã được chiết rót đủ nước, valve solenoid 220VAC sẽ được tắt và băng tải dừng lại Sau 2 giây, động cơ đĩa xoay và động cơ băng tải sẽ hoạt động cho đến khi cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại và cảm biến hồng ngoại nhận diện chai Đồng thời, khi chai thứ nhất đi qua băng tải, cảm biến hồng ngoại sẽ phát hiện chai cần dán nhãn, và cơ cấu dán nhãn sẽ thực hiện nhiệm vụ dán nhãn nhờ vào động cơ nhãn, động cơ xoay nhãn và xy lanh khí nén Hệ thống chiết rót sẽ tiếp tục lặp lại quy trình điều khiển một cách liên tục.

Để dừng hoạt động của hệ thống, người dùng chỉ cần nhấn nút STOP trên bảng điều khiển của tủ điện Để khởi động lại hệ thống, cần nhấn nút RESET trước, sau đó nhấn nút START để bắt đầu lại quá trình.

Người dùng có khả năng điều khiển và giám sát hệ thống thông qua máy tính và SCADA, với các chế độ hoạt động linh hoạt như tự động (auto), thủ công (manual) và mô phỏng (simulation).

G IẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRÊN PLC

Lưu đồ giải thuật ở chế độ auto: Khi nhấn START trên PLC hoặc giao diện trên

Hệ thống SCADA khởi động quy trình một cách tuần tự, bắt đầu bằng việc định hướng đĩa xoay và cơ cấu dán nhãn về vị trí ban đầu Tiếp theo, chai được đưa vào, nước được chiết rót vào chai, nắp được cấp và đóng lại, và cuối cùng là dán nhãn lên chai.

Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật điều khiển trên PLC

Quy trình của hệ thống được thực hiện qua những cộng đoạn sau:

Công đoạn định hướng bắt đầu bằng việc đưa mâm đĩa xoay và động cơ dán nhãn về vị trí ban đầu Quá trình này được thực hiện nhờ vào cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại và cảm biến dán nhãn, đảm bảo sự chính xác trong việc định vị thiết bị.

Khi băng tải hoạt động, cảm biến vật cản hồng ngoại sẽ phát hiện sự hiện diện của chai và gửi tín hiệu về bộ trung tâm xử lý PLC để điều khiển quá trình đưa chai vào.

Trong công đoạn chiết rót, cảm biến tiệm cận kim loại và cảm biến vật cản hồng ngoại hoạt động đồng bộ để phát hiện chai Khi chai được phát hiện, van solenoid sẽ mở ra để tiến hành chiết rót Lưu lượng nước chảy vào chai được kiểm soát chính xác nhờ vào cảm biến lưu lượng nước.

 Công đoạn đóng nắp: Sau khi được cấp nắp, số lượng chai chiết rót lớn hơn 1 thì động cơ đóng nắp sẽ vặt chặt nắp chai

Công đoạn dán nhãn diễn ra khi động cơ nhãn quay và dừng lại khi cảm biến dán nhãn phát hiện Khi cảm biến vật cản phát hiện chai, động cơ xoay dán nhãn hoạt động và băng tải sẽ dừng lại để thực hiện việc dán nhãn trong một khoảng thời gian nhất định.

Công đoạn định hướng bắt đầu khi nhấn nút START, kích hoạt hệ thống để động cơ mâm đĩa xoay và động cơ dán nhãn chạy về vị trí ban đầu Quá trình này được điều khiển bởi cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại và cảm biến dán nhãn Khi cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại đạt mức 1 và cảm biến dán nhãn cũng đạt mức 1, động cơ đĩa xoay và động cơ dán nhãn sẽ dừng lại.

Sau khi định hướng, hai động cơ băng tải sẽ hoạt động để đưa chai đến vị trí chiết rót Cảm biến vật cản hồng ngoại sẽ phát hiện chai đạt mức 1 và gửi tín hiệu về bộ trung tâm xử lý PLC để điều khiển quá trình.

Trong công đoạn chiết rót, khi chai được đưa vào, cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại và cảm biến vật cản hồng ngoại phát hiện chai cùng lúc, valve solenoid sẽ mở để chiết rót nước vào chai Lưu lượng nước được điều chỉnh thông qua cảm biến lưu lượng, sử dụng bộ đếm xung tốc độ cao HSC từ bộ xử lý trung tâm PLC.

Công đoạn đóng nắp bắt đầu sau khi chai nước được chiết rót đủ lưu lượng Động cơ băng tải sẽ dừng trong 2 giây, sau đó đĩa quay sẽ đưa chai nước đến vị trí cấp nắp nhờ cảm biến tiệm cận phát hiện kim loại Khi nắp được cấp, nếu số lượng chai chiết rót lớn hơn 1, xy lanh đóng nắp và động cơ sẽ vặn chặt nắp vào chai.

Trong công đoạn dán nhãn, động cơ nhãn sẽ quay cho đến khi cảm biến phát hiện khe nhãn đạt mức 1 và dừng lại Khi cảm biến vật cản nhận diện chai dán nhãn cũng đạt mức 1, động cơ dán nhãn sẽ hoạt động và băng tải sẽ dừng lại để thực hiện việc dán nhãn trong một khoảng thời gian nhất định Sau khi hoàn tất, quá trình điều khiển của hệ thống dán nhãn chai sẽ được giám sát và lập trình trên giao diện SCADA của phần mềm TIA Portal V14 SP1.

G IẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRÊN SCADA

Hình 4.2: Giải thuật điều khiển trên SCADA

Hệ thống điều khiển có thể điều khiển ở chế độ auto hoặc chế độ manual

 Chế độ auto: Có thể điều khiển hệ thống chiết rót đóng nắp chai dán nhãn chai và giám sát trên giao diện SCADA hoàn toàn tự động

Chế độ manual cho phép người dùng điều khiển và giám sát toàn bộ thiết bị chấp hành trong hệ thống thông qua giao diện SCADA một cách hoàn toàn thủ công.

THỰC NGHIỆM

T IẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

Bước 1: Kiểm tra nguồn điện hệ thống và chưa bật nguồn

Bước 2: Kiểm tra kết cấu cơ khí của hệ thống, thiết bị bên trong hệ thống sao cho chính xác, phù hợp

Bước 3: Cung cấp nước vào bồn chứa, đặt chai lên băng tải, lắp nắp vào cơ cấu cấp nắp và cấp nguồn khí nén cho hệ thống Tiếp theo, cấp nguồn cho hệ thống nhưng chưa bật Kiểm tra nguồn điện để đảm bảo ổn định trước khi bật hệ thống và đảm bảo an toàn điện.

Bước 4: Dùng dây cáp kết nối máy tính với PLC (Download chương trình)

Bước 5: Bắt đầu chọn chế độ điều khiển auto hay chế độ manual

Bước 6: Để bắt đầu quá trình chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai tự động, người dùng hãy chọn chế độ auto và nhấn START Người dùng có thể nhập số lượng chai mong muốn để thực hiện quy trình chiết rót, đóng nắp và dán nhãn trước khi tiến hành đóng gói sản phẩm.

Bước 7: Nhấn STOP hoặc RESET để tắt hệ thống Khi muốn bắt đầu lại hệ thống phải nhấn nút RESET sau đó nhấn START để bắt đầu lại

Bước 8: Khi chọn chế độ manual, người dùng trên SCADA nhấn nút manual của biến Tags M_Manual, cho phép họ điều khiển linh hoạt các thiết bị chấp hành trong hệ thống, bật tắt theo ý muốn.

Bước 9: Vận hành máy và kiểm tra chỉnh sửa để hệ thống chạy đúng yêu cầu

K ẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Hệ thống chiết rót tự động đảm bảo quy trình đóng chai diễn ra hiệu quả, với lưu lượng nước được chiết rót chính xác vào từng chai Sau khi chiết rót, nắp được cấp vào chai, đóng kín và dán nhãn một cách tự động Toàn bộ quy trình hoạt động ổn định và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật.

K ẾT LUẬN THỰC NGHIỆM

Kết quả đạt được qua thực nghiệm với kết quả dự kiến ban đầu là chính xác

Tiêu đề	Thiết Kế, Xây Dựng Hệ Thống Tự Động Của Mô Hình Máy Chiết Rót Đóng Nắp Chai Dán Nhãn Chai Tự Động
Tác giả	Đỗ Hoàng Hải Âu
Người hướng dẫn	ThS. Nguyễn Quang Dũng
Trường học	Trường Đại Học Tôn Đức Thắng
Chuyên ngành	Khoa Điện – Điện Tử
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Thành Phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	79
Dung lượng	4,97 MB
File đính kèm	Final_23.01.2019.Do_an_tot_nghiep_41403204.rar (5 MB)