Thi công và điều khiển mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, con người mong muốn máy móc thực hiện hiệu quả công việc thay thế cho họ Nhằm đáp ứng nhu cầu xã hội, các trường học đã tích cực cập nhật chương trình giảng dạy Bên cạnh lý thuyết, việc tổ chức các giờ thực hành là rất cần thiết để sinh viên có thể áp dụng kiến thức vào thực tiễn Trong các buổi thực hành, mô hình dạy học đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu.

Nhóm em đã chọn đề tài “Thiết kế, thi công mô hình chiết rót và đóng nắp chai nước tự động phục vụ cho dạy học” sử dụng PLC lập trình cho Đồ án cơ điện tử.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Chiết rót và đóng nắp chai là một hệ thống quan trọng trong ngành sản xuất nước giải khát, đặc biệt đối với các công ty sản xuất nước khoáng và nước ngọt Thay vì thực hiện các công đoạn như rửa chai, chiết rót, đóng nắp và dán nhãn bằng tay, việc ứng dụng tự động hóa trong quy trình sản xuất giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tăng năng suất Việc thay thế các hệ thống lạc hậu bằng dây chuyền tự động điều khiển bằng máy tính hoặc thiết bị chuyên dụng không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn mang lại hiệu quả cao hơn so với lao động thủ công.

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu và thiết kế mô hình chiết rót đóng chai tự động:

- Thiết kế cơ khí và thiết kế phần điều khiển cho mô hình

- Xây dựng thuật toán điều khiển cho chương trình

Đối tượng nghiên cứu

- Thiết kế, chế tạo mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động theo hình ảnh và video thực tế Xây dựng chương trình điều khiển cho mô hình.

Phương pháp thực hiện

- Tìm hiểu tài liệu: nhóm tìm hiểu các tài liệu liên quan thiết kế cơ khí, thiết kế mạch điện - điện tử, phần mềm viết chương trình.

- Tham khảo từ nhiều nguồn khác: từ hình ảnh, video thực tế, sự giúp đỡ trực tiếp của các giảng viên chuyên ngành thuộc Bộ môn Cơ điện từ.

Phương pháp thực nghiệm và thử nghiệm là yếu tố quan trọng trong việc thiết kế và chế tạo thiết bị mô hình chiết rót đóng nắp chai Quá trình này không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn bao gồm thi công thực tế, giúp rút ra kinh nghiệm quý báu và khắc phục những thiếu sót đã gặp phải.

Kết cấu đồ án

Đồ án gồm 7 chương với nội dung như sau:

- Chương 1: Giới thiệu: Giới thiệu lý do chọn đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài, mục tiêu nghiên cứu của đề tài.

- Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài: Tổng quan về nghiên cứu, tự động hóa sản xuất, phân loại tự động hóa.

Chương 3: Xu hướng và ứng dụng trong thực tế hiện nay tập trung vào việc phát hiện các xu hướng phát triển mới, đặc biệt là tự động hóa quy trình Việc phân loại và điều khiển qua máy tính thông qua mạng đang trở thành những công nghệ chủ chốt, giúp tối ưu hóa hiệu suất và nâng cao khả năng quản lý trong nhiều lĩnh vực.

- Chương 4: Phương án thiết kế, thi công phần cứng, phần mềm: Giới thiệu thiết bị, bảng thiết kế, thiết kế cơ khí, thiết kế mạch điện, lập trình.

- Chương 5: Thực nghiệm và phân tích: Các bước chuẩn bị và thực hiện.

- Chương 6: Kết luận – Kiến nghị: Những kết quả đạt được,hạn chế còn tồn tại, hướng phát triển đề tài.

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu

Ngày nay, tự động hóa trang thiết bị trong các công ty và nhà máy ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt ở những nơi yêu cầu cường độ làm việc và độ chính xác cao Máy móc đóng vai trò thay thế con người trong nhiều công việc, nhưng vẫn cần có sự giám sát từ con người Do đó, việc tự động hóa với thiết bị hiện đại là rất cần thiết Ngoài ra, phát triển phần mềm quản lý hệ thống và điều khiển dây chuyền sản xuất thông qua các giao diện như WinCC, Visual Basic, Quick Basic, Turbo C++, và Delphi cũng đang được chú trọng trong ngành công nghiệp.

Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, thế giới đang trải qua những biến đổi rõ rệt, trở nên tiên tiến và hiện đại hơn Công nghệ, đặc biệt là công nghệ tự động, đã tạo ra nhiều dây chuyền sản xuất và thiết bị máy móc hiện đại, nổi bật với sự chính xác cao, tốc độ nhanh, khả năng thích ứng và sự chuyên môn hóa Những tiến bộ này đang được ứng dụng rộng rãi trong nền công nghiệp hiện đại.

Công nghệ tự động hóa đã trở thành một ngành kỹ thuật đa nhiệm vụ, phục vụ cho nhiều lĩnh vực như công nghiệp, xây dựng, y tế và nông lâm nghiệp, ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày Lợi ích chính của tự động hóa là tiết kiệm lao động, bên cạnh việc tiết kiệm năng lượng và nguyên vật liệu, đồng thời nâng cao chất lượng và độ chính xác Tự động hóa được thực hiện thông qua nhiều phương tiện khác nhau như cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính kết hợp, thường được áp dụng trong các hệ thống phức tạp như nhà máy hiện đại, máy bay và tàu.

Trong ngành công nghiệp, dây chuyền chiết rót và đóng nắp đóng vai trò thiết yếu trong các nhà máy sản xuất nước uống đóng chai Hình ảnh từ các nhà máy chiết rót và đóng nắp chai cho thấy quy trình quan trọng này, góp phần đảm bảo chất lượng sản phẩm.

Trang 3 ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

Hình 2.0 Dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai trà xanh.

Hình 2.1 Máy chiết rót đóng nắp chai.

Hình 2.2 Máy chiết rót đóng nắp chai bình 20 lít.

Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai hiện nay rất đa dạng, có khả năng xử lý nhiều loại chai với kích thước và khối lượng khác nhau Điều này chứng tỏ sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, từ những hệ thống lớn đến những máy móc nhỏ gọn, tất cả đều là thành tựu đáng kể của tự động hóa trong cuộc sống.

Tổng quan về tự động hóa quá trình sản xuất

Cơ khí hóa là quá trình sử dụng năng lượng từ vi sinh vật để thực hiện một phần hoặc toàn bộ quy trình sản xuất, trong đó nhiệm vụ điều khiển vẫn do con người đảm nhiệm Điều này có nghĩa là cơ khí hóa thay thế sức lao động cơ bắp của con người trong các hoạt động sản xuất.

Tự động hóa là giai đoạn phát triển tiếp theo của sản xuất cơ khí hóa, sử dụng năng lượng phi sinh vật để thực hiện và điều khiển toàn bộ hoặc một phần của quá trình sản xuất Nói cách khác, tự động hóa áp dụng các hệ thống cơ khí, điện tử và máy tính để quản lý quy trình sản xuất mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người.

Nhiệm vụ của con người trong ngành công nghiệp là kiểm tra và giám sát hoạt động của máy móc, khắc phục các sự cố hỏng hóc, cũng như lập trình và điều chỉnh thiết bị để gia công các sản phẩm đa dạng.

Trang 5 ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM nhân không phải tham gia vào quá trình gia công chi tiết hoặc lắp ráp, do đó có thời gian để phục vụ nhiều máy Xuất hiện loại công nhân trình độ cao, thợ điều chỉnh.

Hình 2.3 Dây truyền tự động hóa sản xuất.

Để tự động hóa quá trình sản xuất, cần ứng dụng các cơ cấu và thiết bị tự động phù hợp, không chỉ là việc lắp ghép các thành phần riêng lẻ vào quy trình công nghệ hiện có Tự động hóa luôn gắn liền với việc hoàn thiện và đổi mới công nghệ, yêu cầu thiết kế các kỹ thuật mới dựa trên quy trình gia công cơ, kiểm tra và lắp ráp tiên tiến Trong các quy trình sản xuất tự động, thiết bị và cơ cấu tự động có thể tác động trở lại các quy trình công nghệ hiện tại Tóm lại, tự động hóa sản xuất có thể hiểu là tổng hợp các biện pháp thiết kế quy trình và công nghệ mới nhằm tạo ra hệ thống thiết bị có năng suất cao, thực hiện tự động các thành phần sản xuất mà không cần sự can thiệp của con người.

Trong hệ thống chuẩn bị công nghệ thống nhất, việc đánh giá các hệ thống tự động hóa được thực hiện dựa trên ba chỉ tiêu quan trọng: hình thức, cấp độ và mức độ tự động hóa.

Tự động hóa có thể được phân loại thành nhiều hình thức khác nhau, bao gồm tự động hóa một phần và toàn phần, tự động hóa đơn giản và phức tạp, cũng như tự động hóa sơ cấp và thứ cấp.

Cơ khí hóa và tự động hóa là quá trình thay thế một phần năng lượng con người bằng năng lượng phi sinh vật trong công nghệ và hệ thống Điều này có thể bao gồm việc điều khiển trong cơ giới hóa và tự động hóa Cụ thể, tự động hóa đơn xảy ra khi một phần hoặc toàn bộ quy trình công nghệ được cải tiến, như trong nguyên công tiện, khi việc cấp phôi vào và lấy phôi ra được thực hiện tự động Trong tổng số năm nguyên công gia công chi tiết, có một nguyên công được tự động hóa, cho thấy sự phát triển trong quy trình sản xuất.

Tự động hóa là quá trình áp dụng các hệ thống cơ khí, điện tử và máy tính để điều khiển sản xuất, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu sự can thiệp của con người Công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và đảm bảo chất lượng sản phẩm.

- Những công cụ máy móc tự động.

- Máy móc lắp ráp tự động.

- Hệ thống vận chuyển và điều khiển vật liệu tự động.

- Hệ thống mát tính thu thập dữ liệu và ra quyết định để hỗ trợ sản xuất.

Phân loại tự động hóa

Hệ thống tự động hóa cứng là một chuỗi các hoạt động xử lý hoặc lắp ráp cố định trên một cấu hình thiết bị, thường bao gồm những nguyên công đơn giản Sự phức tạp của hệ thống này đến từ việc hợp nhất và phối hợp các nguyên công vào một thiết bị duy nhất Những đặc trưng chính của tự động hóa cứng bao gồm tính ổn định và khả năng thực hiện các quy trình lặp lại một cách hiệu quả.

+ Đầu tự ban đầu cao cho những thiết kế theo đơn đặt hàng + Năng suất máy cao.

+ Tương đối không linh hoạt trong việc thay đổi các thích nghi,thay đổi sản phẩm.

2.3.2 Tự động hóa lập trình

Thiết bị sản xuất được thiết kế linh hoạt, cho phép thay đổi trình tự các nguyên công, giúp thích ứng dễ dàng với nhiều cấu hình sản phẩm khác nhau.

Hình 2.3 Dây truyền dán nhãn chai.

- Chuỗi hoạt động có thể được điều khiển bởi một chương trình, tức là một tập lệnh được mã hóa để hệ thống đọc và diễn dịch chúng.

Các chương trình mới có thể được chuẩn bị và tải vào thiết bị, giúp tạo ra sản phẩm mới Một số đặc điểm nổi bật của tự động hóa lập trình bao gồm tính linh hoạt, khả năng tùy chỉnh cao và hiệu suất tối ưu trong quy trình sản xuất.

+ Đầu tự cao những cho những thiết bị có mục đích tổng quát.

+ Năng suất tương đối thấp so với tự động hóa cứng.

+ Sự linh hoạt khi có sự thay đổi cấu hình trong sản phẩm mới.

+ Thích hợp nhất cho sản xuất hàng loạt.

2.3.3 Tự động hóa linh hoạt.

Hệ thống tự động hóa linh hoạt cho phép sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau mà không tốn thời gian chuyển đổi giữa các sản phẩm Điều này giúp tiết kiệm thời gian trong quá trình sản xuất cũng như lập trình lại và thay thế các cài đặt vật lý như công cụ đồ gá và máy móc Với khả năng lên kế hoạch kết hợp sản xuất đa dạng, hệ thống này mang lại hiệu quả cao hơn so với việc sản xuất theo từng loại riêng biệt.

+ Đầu tư cao cho thiết bị.

+ Sản xuất liên tục những sản phẩm hỗn hợp khác nhau.

+ Tính linh hoạt khi sản phẩm thay đổi thiết kế.

+ Tốc độ sản xuất trung bình.

XU HƯỚNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG THỰC TẾ

Các chủ đề của Kỹ thuật điều khiển thông thường

3.2 Các chủ đề của Kỹ thuật điều khiển thông thường.

Điều khiển là quá trình thu thập và xử lý thông tin nhằm tác động lên hệ thống, giúp hệ thống hoạt động gần với mục tiêu đã định sẵn.

Hình 3.2 Phạm vi lý thuyết điều khiển, đầu vào, đầu ra và tín hiệu phản hồi.

Lý thuyết điều khiển bao gồm hai bộ phận chính: cổ điển và hiện đại, ảnh hưởng trực tiếp đến ứng dụng điều khiển tự động Lý thuyết cổ điển chủ yếu áp dụng cho hệ thống một đầu vào và một đầu ra (SISO), với phân tích trong miền thời gian qua các phương trình vi phân hoặc trong miền phức-s bằng biến đổi Laplace Các hệ thống thường có đáp ứng bậc hai và một biến duy nhất Mặc dù thiết kế bộ điều khiển cổ điển như PID có thể cần điều chỉnh khi thực hiện, nhưng chúng vẫn được ưa chuộng trong công nghiệp do tính dễ dàng trong thực thi Mục tiêu cuối cùng là đáp ứng các yêu cầu trong miền thời gian (đáp ứng Bước) hoặc miền tần số (đáp ứng Vòng-hở), với các đặc tính như phần trăm vọt lố, thời gian xác lập, độ lợi và biên độ pha được đánh giá thông qua mô phỏng kết hợp với mô hình động học của hệ thống.

Lý thuyết điều khiển hiện đại hoạt động trong không gian trạng thái, cho phép xử lý các hệ thống MIMO với nhiều đầu vào và đầu ra, vượt qua hạn chế của lý thuyết điều khiển cổ điển trong các bài toán thiết kế phức tạp như điều khiển máy bay tiêm kích Hệ thống hiện đại thường được mô tả bằng các phương trình vi phân bậc nhất sử dụng biến trạng thái, bao gồm các lý thuyết điều khiển phi tuyến, đa biến, thích nghi và bền vững Mặc dù có nhiều ưu điểm, các phương pháp ma trận vẫn gặp khó khăn với các hệ thống MIMO do không đảm bảo tính độc lập tuyến tính giữa các yếu tố đầu vào và đầu ra Lý thuyết điều khiển hiện đại vẫn còn nhiều điều chưa được khám phá, với những nhân vật nổi bật như Rudolf E Kalman và Aleksandr Lyapunov đóng góp quan trọng trong việc phát triển lý thuyết này.

Hình 3.3 Khái niệm vòng phản hồi điều khiển hành vi động lực của hệ thống.

Những khái niệm cơ bản :

Hệ thống là tập hợp các phần tử đa dạng, có mối liên hệ và tương tác lẫn nhau theo quy luật nhất định, tạo thành một chỉnh thể có khả năng thực hiện những chức năng cụ thể.

Phần tử là những tế bào độc lập tạo thành hệ thống, mỗi phần tử mang những tính chất riêng Để hiểu rõ về hệ thống, cần nắm bắt trạng thái của các phần tử cũng như mối liên hệ giữa chúng.

Hình 3.4 Sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa các khái niệm cơ bản của hệ thống.

- Đầu vào và đầu ra của hệ thống.

Đầu vào của hệ thống bao gồm tất cả các yếu tố từ môi trường tác động vào hệ thống, trong khi đầu ra là những ảnh hưởng mà hệ thống tạo ra đối với môi trường xung quanh.

Hiệu quả hoạt động của hệ thống phụ thuộc vào:

+ Xác định hợp lý đầu vào đầu ra của hệ thống.

+ Khả năng biến đổi nhanh,chậm các yếu tố đầu vào để cho ra yếu tố đầu ra.

+ Các hình thức biến đổi những yếu tố đầu vào cho ra các yếu tố đầu ra.

- Trạng thái và hành vi của hệ thống.

+ Trạng thái (thực trạng) của hệ thống là khả năng kết hợp giữa các đầu vào và đầu ra của hệ thống, xét ở một thời điểm nhất định.

+Hành vi của hệ thống là tập hợp các đầu ra có thể có của hệ thống trong một khoảng thời gian nhất định.

- Chức năng của hệ thống.

+ Là khả năng của hệ thống trong việc biến đầu vào thành đầu ra.

+ Như vậy, chức năng của hệ thống là lý do tồn tại của hệ thống, là khả năng tự biến đổi trạng thái của hệ thống.

- Ngôn ngữ của hệ thống:

+ Là hình thức phản ánh chức năng của hệ thống, chức năng đóng vai trò nội dung, còn ngôn ngữ đóng vai trò hình thức phản ánh.

- Cơ cấu của hệ thống

Cơ cấu của hệ thống được định nghĩa là hình thức cấu tạo bên trong của hệ thống, bao gồm sự tự sắp xếp trật tự các phần tử và các mối quan hệ giữa chúng theo cùng một dấu hiệu.

Cơ cấu của một hệ thống được coi là bất biến tương đối, tạo ra trật tự bên trong giữa các phần tử và hình thành thế năng của hệ thống Mặc dù cơ cấu luôn biến đổi, nó vẫn tạo ra động năng cho hệ thống Mỗi hệ thống có thể có nhiều cách cơ cấu khác nhau, và khi đã xác định được cơ cấu, nhiệm vụ nghiên cứu sẽ tập trung vào việc lượng hóa các thông số đặc trưng của các phần tử cũng như các mối quan hệ giữa chúng.

3.2.3 Mô hình hoá và mô phỏng, nhận dạng hệ thống.

Mô hình hóa là phương pháp xây dựng mô hình toán cho hệ thống dựa vào các quy luật vật lý điều khiển hoạt động của nó Quá trình mô hình hóa bao gồm ba bước chính, trong đó bước đầu tiên là phân tích chức năng, giúp chia nhỏ hệ thống thành các khối chức năng Mô hình toán của các khối này có thể được xác định hoặc rút ra từ các quy luật đã biết.

+ Phân tích vật lý : rút ra mô hình toán của các khối chức năng dựa vào các quy luật vật lý.

+ Phân tích toán học:các khối chức năng được kết nối toán học để được mô hình của hệ thống.

Nhận dạng hệ thống là phương pháp xây dựng mô hình toán của hệ thống dựa vào dữ liệu vào ra quan sát được.

Hình 3.5 Mô hình toán của hệ thống.

Có bốn bước nhận dạng hệ thống:

- Thí nghiệm thu thấp số liệu.

- Chọn cấu trúc mô hình.

3.2.4 Điều khiển các loại máy điện, truyền động và hệ thống năng lượng.

Hệ truyền động điện là sự kết hợp của các thiết bị điện và cơ khí, có chức năng chuyển đổi điện năng thành cơ năng và ngược lại Nó cung cấp năng lượng cho các cơ cấu công tác trên máy sản xuất, đồng thời cho phép điều chỉnh dòng năng lượng theo yêu cầu công nghệ của từng máy.

Hệ truyền động điện bao gồm các thiết bị điện, thiết bị điện từ và thiết bị điện tử, có chức năng chuyển đổi năng lượng từ điện sang cơ và truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình này.

Bộ biến đổi thường gặp bao gồm: bộ biến đổi máy điện như máy phát một chiều và xoay chiều, bộ khuếch đại điện từ với các thiết bị như cuộn kháng bảo hòa, và bộ biến đổi điện tử như chỉnh lưu tiristo, bộ điều áp một chiều, và biến tần tranzito, tiristo.

3.2.5 Điều khiển thông minh, hệ mờ, hệ chuyên gia.

Hình 3.6 Các phương pháp điều khiển thông minh hiện đại.

Thông minh là khả năng thu thập và áp dụng tri thức, với nhiều cấp độ và loại hình khác nhau Khái niệm về thông minh mang tính tương đối, vì một người có thể coi một hệ thống là thông minh trong khi người khác lại không.

Điều khiển thông minh, mặc dù có tiềm năng lớn, vẫn chưa đạt được độ chặt chẽ như điều khiển thông thường về mặt toán học Đây là một lĩnh vực tương đối mới và chưa được nghiên cứu sâu Nguyên tắc thiết kế các bộ điều khiển thông minh cần được phát triển để tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng trong thực tế.

Trang 15 ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM khiển thông minh,ta không cần mô hình toán học của đối tượng,đây là ưu điểm của điều khiển thông minh,vì nhiều trường hợp không dễ xác định mô hình toán học của đối tượng.

Tự động hóa chương trình

3.3.1 Cảm biến cơ cấu chấp hành, I/O thông minh, hệ thống đo lường.

Cảm biến là thiết bị chuyên dụng để phát hiện và chuyển đổi các biến đổi của đại lượng vật lý thành thông tin có thể đo lường, từ đó xác định giá trị của đại lượng cần đo.

Cảm biến được chia thành hai loại chính: cảm biến tương tự và cảm biến số, dựa trên loại tín hiệu đầu ra Cảm biến tương tự cung cấp tín hiệu liên tục tỷ lệ với tham số cần đo, nhưng cần chuyển đổi sang dạng số trước khi gửi đến bộ điều khiển số Ngược lại, cảm biến số cung cấp đầu ra số có thể kết nối trực tiếp với bộ điều khiển số mà không cần chuyển đổi.

Hình 3.10 Hệ thống hoạt động của cơ cấu chấp hành.

Cơ cấu chấp hành là động cơ dùng để di chuyển hoặc điều khiển hệ thống, hoạt động nhờ nguồn năng lượng như điện, áp lực thủy lực, hoặc khí nén, và chuyển đổi năng lượng thành chuyển động Nó là phần thiết yếu trong hệ thống điều khiển, có thể đơn giản như cơ cấu cơ khí cố định hoặc phức tạp hơn như hệ thống điều khiển dựa trên phần mềm, người điều khiển, hoặc các đầu vào khác.

Thiết bị truyền động điện hoạt động bằng cách sử dụng động cơ điện để chuyển đổi năng lượng điện thành mô-men xoắn cơ học Nó cung cấp điện năng cho các thiết bị chấp hành như van nhiều cấp, và nổi bật là một trong những bộ chấp hành sạch nhất, không cần sử dụng dầu.

3.3.2 Hệ thống tự động hoá tích hợp toàn diện.

Tự động hóa là việc sử dụng hệ thống điều khiển để vận hành các thiết bị như máy móc, lò xử lý nhiệt và tàu, máy bay với sự can thiệp tối thiểu từ con người Một số quy trình đã hoàn toàn tự động hóa, mang lại lợi ích lớn nhất là tiết kiệm lao động Ngoài ra, tự động hóa còn giúp tiết kiệm năng lượng, nguyên vật liệu và nâng cao chất lượng, độ chính xác trong sản xuất.

Hình 3.11 Dây truyền lắp ráp oto tự động.

3.3.3 Mạng công nghiệp và điều khiển.

Mạng không dây công nghiệp đã trở thành chủ đề tranh cãi về tiêu chuẩn trong nhiều năm qua, đặc biệt khi ngành công nghiệp hóa hiện đại hóa dự kiến sẽ thúc đẩy tăng trưởng trong lĩnh vực này Các mạng công nghiệp trong nhà máy đang ngày càng quan trọng, tương tự như sự phát triển của Internet trong môi trường kinh doanh Giống như Internet cho phép truy cập thông tin số ở mọi nơi, các mạng không dây sẽ cung cấp hệ thống đo lường thời gian thực, điều khiển từ xa và tương tác với thế giới vật chất.

- Mạng công nghiệp sẽ nhanh chóng được tích hợp với mạng WIFI,WiMax và mạng thông tin băng thông rộng nhà máy và văn phòng tiêu chuẩn.

Hình 3.12 Mô hình mạng công nghiệp trường học.

Cisco, công nghệ bảo vệ kết nối mạng hàng đầu, đang tiếp tục phát triển và mở rộng vào lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, với mục tiêu cải thiện hiệu quả hoạt động tại các nhà máy Tương lai của tự động hóa công nghiệp phụ thuộc vào việc triển khai các mạng không dây tiết kiệm, giúp cung cấp dữ liệu phong phú cho các nhà quản lý Điều này không chỉ nâng cao quy trình hoạt động mà còn gia tăng lợi nhuận cho doanh nghiệp.

3.3.4 Giao diện người-máy, các hệ SCADA, DCS, CIM.

Giao diện người máy (HCI) là lĩnh vực nghiên cứu thiết kế và cài đặt hệ thống máy tính tương tác với con người, cùng với việc đánh giá các hiện tượng liên quan Khái niệm HCI bắt đầu xuất hiện vào những năm 80 với sự ra đời của giao diện đồ họa người dùng (GUI) trong MS Windows Trong thập niên 90 và 2000, các nghiên cứu về thực tại ảo, nhận dạng tiếng nói và nhận dạng chữ viết tay đã được phát triển, góp phần vào việc cải tiến thiết kế giao diện người máy.

1.Hình thức: Các hình thức giao tiếp giữa người và máy.

2.Chức năng: Các chức năng mới trong giao tiếp người máy.

3.Cài đặt: Cài đặt các giao diện.

Hình 3.13 Bảng thiết kế giao diện người máy.

- Tại sao phải nghiên cứu HCI

- Tăng năng xuất lao động

- Giảm chi phí đào tạo

- Giảm những lỗi người dùng

- Người sử dụng hài lòng

Sản phẩm chất lượng cao giúp người dùng tiết kiệm thời gian khi sử dụng giao diện, từ đó họ có thể tập trung vào công việc chính một cách hiệu quả hơn.

- Tăng khả năng bán được của sản phẩm.

- Giao diện đẹp dễ nhận được hợp đồng.

Trên máy công cụ điều khiển theo chương trình số, đường tác dụng giữa dụng cụ và chi tiết được tạo ra thông qua các dịch chuyển tọa độ trên nhiều trục Để sản sinh ra biên dạng gia công, cần thiết phải có mối quan hệ hàm số (tuyến tính hoặc phi tuyến) giữa các chuyển động trên từng trục tọa độ riêng lẻ.

Các điểm tựa cần được bố trí dày đặc để đảm bảo rằng biên dạng gia công đạt độ chính xác cao, tránh tình trạng có điểm nào nằm ngoài vùng dung sai cho phép.

- Giá trị tọa độ vị trí các điểm trung gian được tìm ra trong một cụm chức năng của điều khiển số gọi là bộ nội suy.

Hình 3.14 Bộ điều khiển tự động Mitsubishi.

Bộ nội suy có nhiệm vụ:

-Tìm ra các điểm trung gian cho phép hình thành biên dạng cho trước trong giới hạn dung sai xác định.

-Tốc độ đưa ra vị trí các điểm trung gian phải phù hợp với tốc độ chạy dao.

-Đi tới chính xác các điểm kết thúc chương trình.

3.3.6 Điều khiển quá trình công nghệ.

Quá trình công nghệ bao gồm các giai đoạn và phương thức tác động đến quá trình sản xuất, nhằm hình thành sản phẩm Đây chính là cách thức sản xuất, phản ánh sự liên kết giữa các bước trong quy trình tạo ra sản phẩm cuối cùng.

Điều khiển quá trình công nghệ bao gồm các phương thức sản xuất và các giai đoạn hình thành nên quá trình sản xuất Có hai loại quá trình điều khiển chính: quá trình tuần tự và quá trình ngẫu nhiên.

Việc tính toán các chế độ công nghệ hiện nay vẫn do con người thực hiện và sau đó đưa vào chương trình Bộ điều khiển CNC thay thế con người trong việc nhập các thông số công nghệ (S, F) vào máy, từ đó điều khiển máy hoạt động theo các giá trị đã được ấn định CNC là một ví dụ điển hình của hệ thống điều khiển theo chương trình.

Hình 3.15 Sơ đồ Điều khiển thích nghi quá trình công nghệ.

Mục tiêu của điều khiển tự động trên các máy công cụ, bao gồm cả máy CNC, là đảm bảo các cơ cấu công tác hoạt động theo đúng trình tự và chế độ công nghệ (S, F) trong chương trình, thay vì chỉ dựa vào các thông số ra (Y) của quá trình Quá trình công nghệ không nằm trong sự giám sát của bộ điều khiển, dẫn đến việc bộ điều khiển không thể nhận biết và phản ứng với các biến động xảy ra trong quá trình này cũng như những thay đổi của thông số ra Y Bộ điều khiển này thường được gọi là bộ điều khiển tĩnh (Fixed Controller).

Hệ thống điều khiển PLC

3.4 Hệ thống điều khiển PLC.

PLC, hay còn gọi là Bộ điều khiển logic lập trình, là thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic một cách linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình để thực hiện nhiều trình tự sự kiện, được kích hoạt bởi các tác nhân đầu vào hoặc thông qua các hoạt động có độ trễ như thời gian định thì và các sự kiện đếm PLC thường được sử dụng để thay thế các mạch relay trong thực tế, hoạt động bằng cách quét các trạng thái đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vào, đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hoặc State Logic, và hiện nay có nhiều hãng sản xuất PLC khác nhau.

Siemen, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, Omron, Honeywell.

Hình 3.19 Hệ thống điều khiển PLC, tín hiệu vào và ra.

Khi sự kiện được kích hoạt, nó sẽ điều khiển thiết bị vật lý bằng cách bật hoặc tắt thiết bị Bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục thực hiện vòng lặp theo chương trình do người dùng thiết lập, chờ nhận tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra theo thời gian đã được lập trình.

Để khắc phục nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng Relay), bộ PLC đã được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu hiện đại trong tự động hóa.

+ Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.

+ Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.

+ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.

+ Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.

+Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các môi Modul mở rộng.

+ Giá cả cá thể cạnh tranh được.

Các thiết kế đầu tiên của PLC nhằm thay thế phần cứng Relay và Logic thời gian, đồng thời đáp ứng nhu cầu tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng sử dụng Điều này đã thúc đẩy sự quan tâm đến việc ứng dụng PLC trong công nghiệp, với các lệnh phát triển từ logic đơn giản đến các lệnh phức tạp như đếm, định thời và thanh ghi dịch Sự tiến bộ trong công nghệ máy tính đã dẫn đến việc sản xuất các bộ PLC có dung lượng lớn hơn và số lượng I/O nhiều hơn, đảm bảo tốc độ xử lý và tính kinh tế.

Trong hệ thống PLC, phần cứng CPU và chương trình là những yếu tố quan trọng cho quá trình điều khiển Chức năng của bộ điều khiển được xác định bởi chương trình được nạp vào bộ nhớ PLC Việc điều khiển sẽ được thực hiện dựa trên chương trình này, cho phép dễ dàng thay đổi hoặc mở rộng chức năng của quy trình công nghệ chỉ bằng cách điều chỉnh chương trình bên trong bộ nhớ mà không cần can thiệp vật lý như khi sử dụng dây nối hay Relay.

Tất cả các PLC đều bao gồm ba thành phần chính: bộ nhớ chương trình RAM tích hợp, có khả năng mở rộng với bộ nhớ ngoài EPROM, bộ vi xử lý với cổng giao tiếp để kết nối với các PLC khác, và các mô-đun vào/ra.

Một bộ PLC hoàn chỉnh thường bao gồm một đơn vị lập trình, có thể là bằng tay hoặc máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản được trang bị đủ RAM để lưu trữ chương trình dưới dạng hoàn chỉnh hoặc bổ sung Nếu đơn vị lập trình là loại xách tay, RAM cũng được tích hợp để đáp ứng nhu cầu này.

Trang 29 ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS485, …

3.4.3 Nguyên lý hoạt động của PLC

CPU điều khiển hoạt động bên trong PLC bằng cách đọc và kiểm tra chương trình trong bộ nhớ Sau đó, CPU thực hiện từng lệnh theo thứ tự, điều khiển việc đóng hoặc ngắt các đầu ra Các trạng thái đầu ra này được truyền đến các thiết bị liên kết để thực hiện Tất cả các hoạt động này phụ thuộc vào chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ.

- Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:

+ Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau. + Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.

+ Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC.

Hình 3.21 Nguyên lý hoạt động PLC.

Trong PLC, thông tin được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các mô-đun vào ra thông qua Data Bus Cả Address Bus và Data Bus đều có 8 đường, cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời, giúp tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu.

Khi một modul đầu vào nhận địa chỉ trên Address Bus, nó sẽ truyền tất cả trạng thái đầu vào của mình lên Data Bus Nếu địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận dữ liệu từ Data Bus Control Bus sẽ gửi tín hiệu điều khiển để theo dõi chu trình hoạt động của PLC Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong thời gian hạn chế.

Hệ thống Bus chịu trách nhiệm trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và thiết bị I/O Đồng thời, CPU nhận được xung Clock với tần số từ 1 đến 8 MHz, điều này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và ảnh hưởng đến các yếu tố về định thời cũng như đồng hồ của hệ thống.

Hình 3.22 Mô hình hoạt động PLC.

THIẾT KẾ - THI CÔNG PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM

Cơ sở lý thuyết

4.1.1 Động cơ điện một chiều. Động cơ một chiều có hộp giảm tốc Thông số kỹ thuât: Điện áp : 24VDC Tốc độ: 120 vòng/ phút

Hình 4.1 Động cơ DC có hộp giảm tốc.

4 Thời hạn phục vụ l h = 2000 giờ

6 Đặc tính làm việc: êm

4.1.1.1 Chọn động cơ điện và phân phối tỉ số truyền.

Tính công suất yêu cầu trên trục động cơ.

Công suất trên trục công tác (trục tang quay) P ct được tính theo công thức (c.t.) 2.11 [1]:

Trong đó: F - lực vặn nắp, N; v - vận tốc vặn nắp, m/s.

Thay số liệu vào, ta được:

Hiệu suất truyền động tổng của cả bộ truyền được tính theo c.t 2.9 [1]:

4.3 Với 1 , 2 , 3 ,… là hiệu suất qua các bộ truyền và các cặp ổ trong hệ thống dẫn động Trong trường hợp đầu bài ra, ta có công thức cụ thể:

4.4 Trong đó: ® - Hiệu suất của bộ truyền đai, chọn ® = 0,96; brc - Hiệu suất bộ truyền bánh răng côn, chọn brc = 0,96; brt - Hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ, chọn brt = 0,97; k - Hiệu suất nối trục, k = 1; ol - Hiệu suất của một cặp ổ lăn, chọn ol = 0,99; có 3 cặp ổ lăn trong bộ truyền cần thiết kế.

(Các số liệu chọn theo bảng 2.3 [1], trong đó, brc và brt chọn theo chế độ đặt trong hộp kín).

Công suất yêu cầu trên trục động cơ được tính theo c.t 2.8 [1]:

Xác định sơ bộ số vòng quay sơ bộ của động cơ.

Chọn tỷ số truyền sơ bộ u sb cho bộ truyền theo công thức 2.15 [1]:

Trong hệ thống truyền động, tỷ số truyền sơ bộ của bộ truyền đai thang được xác định là u ng1sb = 3…5 Đối với hộp giảm tốc côn - trụ hai cấp, tỷ số truyền sơ bộ là u hsb = 10…25 Ngoài ra, tỷ số truyền sơ bộ của nối trục được quy định là u ng2sb = 1.

(Các số liệu tra theo bảng 2.4 [1]).

Tra các số liệu: u sb (3 5).(10 25).1 (30 125)

Tốc độ quay của trục công tác (trục tang) n ct được tính theo công thức:

Trong đó: v - vận tốc vặn nắp, m/s;

D - đường kính của tang quay, mm.

Thay số liệu, ta có:

Từ u sb và n ct , ta tính được số vòng quay sơ bộ trên trục động cơ n sb : ò

Ta chọn số vòng quay sơ bộ của động cơ n sb = 180 (vg/ph).

Chọn động cơ điện có các thông số thoả mãn các tiêu chuẩn:

P ®c P yc = 1,15*10 −3 (kW); n ®c n sb = 180 (vg/ph);

Theo bảng sách giáo khoa,ta chọn được động cơ có các thông số:

P ®c = 1,5*10 −3 (kW); Khối lượng 0.4 (kg); n ®c = 180 (vg/ph); Đường kính trục D = 3,5 (mm)

= 1,4. có các số liệu thoả mãn (số liệu đường kính trục D tra trong bảng P1.6 phụ lục [1] ứng với động cơ kiểu DK42).

Phân phối tỷ số truyền.

Xác định tỷ số truyền chung.

Tỷ số truyền chung n được tính theo công thức: u Σ = n dc n ct

Tỷ số truyền của hộp giảm tốc.

Tỷ số truyền của hgt u h được tính theo công thức: u 4.12

Với u ng1 , u ng2 lần lượt là tỷ số truyền của bộ truyền đai thang và khớp nối Theo bảng 2.4

Phân phối tỷ số truyền cho các cặp bánh răng trong hộp giảm tốc.

Hộp giảm tốc côn - trụ hai cấp bao gồm tỷ số truyền cấp nhanh (u1) từ cặp bánh răng côn răng thẳng và tỷ số truyền cấp chậm (u2) từ cặp bánh răng trụ răng nghiêng Để phân tỷ số truyền, cần chọn hệ số chiều rộng vành răng K be = 0,25 và hệ số C K = d w22 /d e21 = 1,15 Ngoài ra, bd2 được xác định là 1,1; [K01] [K02]; theo công thức 3.17 [1].

Theo thông số đề ra:

Với u h = 13,5 ; tìm được u 1 = 3,75 suy ra u 2 = u h /u 1 = 13,5/3,75 = 3,6

Tính lại tỷ số truyền của bộ truyền đai thang (u d ).

4.1.1.2 Tính toán tốc độ quay (n), công suất (P) và momen xoắn (T) trên các trục.

Tính tốc độ quay (n) trên các trục.

Trên trục công tác (n ct ):

Trên trục động cơ (n dc ):

Tính công suất P và mômen xoắn T trên các trục.

Trên trục công tác: công suất P ct và mômen xoắn T ct

Trên trục III: công suất P III và mômen xoắn T III

Trên trục II: công suất P II và mômen xoắn T II

Trên trục I: công suất P I và mômen xoắn T I

4.274.28 ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

Trên trục động cơ: công suất P dc và mômen xoắn T dc

Lập bảng kết quả tính toán:

Hình 4.2 Động cơ bơm nước.

4.1.2.1 Cấu tạo của động cơ bơm nước.

Gồm có 4 bộ phận chính: ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

Bánh công tác của bơm có ba dạng chính: mở hoàn toàn, mở một phần và cánh kín Nó được lắp trên trục bơm cùng với các chi tiết khác để tạo thành Rôto Bánh công tác thường được đúc từ gang hoặc thép bằng phương pháp đúc chính xác, với yêu cầu bề mặt cánh dẫn và đĩa bánh có độ nhẵn cao (tam giác 3 đến 6) nhằm giảm thiểu tổn thất Để đảm bảo hiệu suất làm việc, bánh công tác và Rôto cần phải được cân bằng tĩnh và động, tránh tình trạng cọ xát với thân bơm.

- Trục bơm: thường được chế tạo bằng thép hợp kim và được lắp với bánh công tác thông qua mối ghép then.

- Bộ phận dẫn hướng vào: Hai bộ phận này thuộc thân máy bơm thường

- Bộ phận dẫn hướng ra: (buồng xoắn ốc) đúc bằng gang có hình dạng tương đối phức tạp.

Hình 4.3 Cấu tạo chung của máy bơm nước.

4.1.2.2 Nguyên lý hoạt động máy bơm nước.

Khi một vật quay quanh trục, nó phải chịu tác động của lực ly tâm, lực này có hướng kéo vật ra xa trục quay và phương lực đi qua tâm quay.

- Hạt nước khi nằm trên một đĩa tròn phẳng đang quay sẽ chịu tác dụng của lực ly tâm và dịch chuyển dần từ tâm quay ra phía ngoài.

Bơm ly tâm hoạt động dựa trên nguyên lý lực ly tâm, trong đó nước được dẫn vào tâm quay của cánh bơm Khi cánh bơm quay, lực ly tâm đẩy nước ra mép cánh, từ đó truyền năng lượng bên ngoài cho dòng nước Quá trình này không chỉ tạo ra áp năng mà còn chuyển đổi một phần năng lượng thành động năng, giúp nước chuyển động hiệu quả.

Trước khi khởi động máy bơm, cần đảm bảo rằng thân bơm và ống hút đã được lấp đầy bằng chất lỏng, quá trình này được gọi là mồi bơm.

Khi máy bơm hoạt động, bánh công tác quay tạo ra lực ly tâm, khiến các phần tử chất lỏng bị văng ra ngoài và di chuyển theo các máng dẫn vào ống đẩy với áp suất cao hơn, đó là quá trình đẩy của bơm Đồng thời, tại lối vào bánh công tác hình thành vùng chân không, giúp chất lỏng từ bể chứa có áp suất lớn hơn liên tục được hút vào bơm qua ống hút, tạo nên quá trình hút của bơm.

- Quá trình hút và đẩy của bơm là quá trình liên tục, tạo nên dòng chảy liên tục.

Bộ phận dẫn hướng ra, thường được thiết kế dưới dạng xoắn ốc, có nhiệm vụ dẫn chất lỏng từ bánh công tác ra ống đẩy một cách hiệu quả Thiết kế này không chỉ giúp điều hòa và ổn định dòng chảy mà còn biến đổi một phần động năng của chất lỏng thành áp năng cần thiết cho quá trình vận chuyển.

- Nhận dạng: máy bơm nước ly tâm có ống hút đưa nước vào tâm của cánh bơm và ống đẩy nằm trên mép cánh.

Van đảo chiều là một thiết bị điều chỉnh hướng, có chức năng kiểm soát dòng năng lượng thông qua việc mở, đóng hoặc chuyển đổi vị trí, nhằm thay đổi hướng của dòng năng lượng.

Van đảo chiều có nhiều dạng khác nhau, nhưng chúng có thể được phân loại dựa trên các đặc điểm chung như số lượng cửa, số vị trí và số tín hiệu tác động.

Số vị trí của van đảo chiều thể hiện số chỗ định vị con trượt, thường có hai hoặc ba vị trí, nhưng trong một số trường hợp đặc biệt, số lượng này có thể nhiều hơn Các vị trí này thường được ký hiệu bằng các chữ cái như o, a, b, hoặc các con số như 0, 1, 2.

+Số cửa ( đường ): là số lỗ để dẫn khí vào hay ra Số cửa của van đảo chiều thường dùng là 2, 3, 4, 5 Đôi khi có thể nhiều hơn.

+ Thường kí hiệu: Cửa nối với nguồn: P + Cửa nối làm việc: A, B, C,…

+Số tín hiệu: là tín hiệu kích thích con trượt chuyển từ vị trí này sang vị trí khác Có thể là 1 hoặc 2 Thường dùng các kí hiệu: X, Y, …

Van đảo chiều được dùng trong đề tài này là van đảo chiều 5/2.

+ Lưu chất: khí + Port Size In=Out=1/4”, Exhaust=1/8” + Orifice size: 16mm2

+ Loại van: 5 port 2 position + Áp suất hoạt động: 1.5~8.0 bar + Nhiệt độ cho phép: -5~600C + Chuẩn bảo vệ: IP65

+ Khối lượng: 320g Sơ lược về cấu tạo:

Van gồm 1 cuộn dây ( với điên áp sử dụng 24VDC ) Có tác dụng thay đổi ngõ ra của lưu chất.

+ 1 ngõ vào khí.Nối với bình khí ( P ).

Ngõ ra khí: Nối với các thiết bị sử dụng như xy lanh ( A,B ).

Ngõ thoát khí: Dùng trong trường hợp chuyển đổi ngõ ra ( R,T ).

- Khi cuộn dây của van chưa được cấp điện Lưu chất ( khí ) từ cửa P của van được nối với cửa A của van, cửa B được nối với cửa T.

Khi cấp điện cho cuộn dây của van, lưu chất (khí) từ cửa P sẽ chuyển sang cửa B, trong khi cửa A được kết nối với cửa R Do đó, lưu chất sẽ đi vào từ cửa P và thoát ra ở cửa B.

Hình 4.5 Hướng thoát khí theo cấu tạo van 5/2.

Xy lanh là thiết bị chuyển đổi năng lượng thế năng hoặc động năng của lưu chất thành năng lượng cơ học, tạo ra chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay với góc quay dưới 360 độ Thông thường, xy lanh được lắp cố định trong khi piston thực hiện chuyển động, tuy nhiên trong một số trường hợp, piston có thể cố định và xy lanh sẽ di chuyển.

Piston bắt đầu chuyển động khi lực tác động từ một trong hai phía lớn hơn tổng các lực cản ngược chiều Các lực tác động có thể bao gồm lực áp suất, lò xo hoặc cơ khí, trong khi các lực cản có thể là ma sát, phụ tải, lò xo, thủy động và lực ì.

Định dạng
Số trang	112
Dung lượng	6,83 MB