đồ án CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP CHAI PLC1200

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOBỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNTTRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI</b>

LÊ VĂN HUY

<b>XÂY DỰNG, THIẾT KẾ MƠ HÌNH CHO CƠNG ĐOẠN </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>LỜI CAM ĐOAN</b>

Em xin cam đoan đồ án “Xây dựng, thiết kế mơ hình cho cơng đoạn chiết rót và đóng nắp chai” là đồ án tốt nghiệp của bản thân. Các kết quả trong đồ án tốt nghiệp này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

<b> Tác giả ĐATN</b>

<i> </i>

<b> Lê Văn Huy</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>LỜI CÁM ƠN</b>

Trong thời gian nhận đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô và bạn bè.

Em xin gửi lời cảm ơn trân thành tới tồn thể các thầy cơ trong khoa Điện- Điện tử nói chung và bộ mơn Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa nói riêng đã truyền đạt cho em kiến thức giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập.

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hồn thành khố luận tốt nghiệp.

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một sinh viên, đồ án này không thể tránh được những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cơ để em có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này

Em xin trân trọng cảm ơn!

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

1.1.2 Vai trị và ý nghĩa của hệ thống tự động hóa...7

1.1.3 Khó khăn trong việc ứng dụng hệ thống tự động hóa...8

1.2 Giới thiệu hệ thống chiết rót tự động...8

1.2.1 Giới thiệu chung...8

1.2.2 Chức năng chính của hệ thống và phạm vi ứng dụng thực tiễn...9

1.3 Tính cấp thiết của đề tài...10

CHƯƠNG 2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ...11

CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN...20

3.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống...20

3.2 Thiết bị đầu vào và ra...20

3.2.1 Tính tốn và lựa chọn thiết bị...20

3.2.2 Cảm biến hồng ngoại E3FA-DP11...25

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG</b>

<b>1.1 Giới thiệu chung về hệ thống tự động hóa</b>

<i><b>1.1.1 Tổng quan</b></i>

Tự động hóa (điều khiển tự động) 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. Trong thực tế có rất nhiều hệ thống tự động được sử dụng tại các dây chuyền sản xuất, nồi hơi, lò nhiệt, mạng điện thoại, ổn định tàu thủy, máy bay,...

Hình 1.1: Ứng dụng của tự động hóa trong sản xuất bia Heniken tại Việt Nam.

<i> (Nguồn sapakitchen.vn)</i>

Trong một hệ thống tự động hóa tổng hợp, việc điều khiển tồn bộ q trình sản xuất có một chức năng trọng yếu. Đặc tính linh hoạt của q trình được thể hiện ở tính liên tục, tính nhịp điệu, tính tỷ lệ, tính song song của các dịng vận động. Dưới con mắt kinh tế, mức độ tự động hóa của một cơ sở sản xuất không phải luôn luôn là tối đa, mà tùy thuộc 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 ngành công nghiệp đã được áp dụng nhanh chóng điều khiển phản hồi, mà đã được giới thiệu trong những năm 1930.

Tự động hóa đã được thực hiện bằng phương tiện khác nhau bao gồm cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính, thường kết hợp. Các hệ thống phức tạp, chẳng hạn như các nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thường sử dụng tất cả những kỹ thuật kết hợp.

<i><b>1.1.2 Vai trò và ý nghĩa của hệ thống tự động hóa</b></i>

Tự động hóa các q trình sản xuất cho phép giảm giá thành và nâng cao năng suất lao động. Quá trình sản xuất chịu tác động của các quy luật kinh tế. Nhu cầu nâng cao chất lượng sản phẩm cũng làm tăng chi phí trong việc nâng cao mức độ phức tạp của gia

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

công (về đào tạo nhân công và đội ngũ, giá thành trang thiết bị,...). Đây cũng chính là động lực kích thích sự phát triển của tự động hóa.

Tự động hóa cho phép cải thiện điều kiện sản xuất. Các quá trình sản xuất tự động cho phép loại bỏ các khó khăn khi sử dụng lao động thủ công. Đồng thời, giúp cải thiện các điều kiện làm việc của công nhân, nhất là các khâu độc hại, nặng nhọc, có tính lặp đi lặp lại nhàm chán.

Quá trình sản xuất tự động hóa giúp đáp ứng cường độ sản xuất lớn, dễ dàng thực hiện chun mơn hóa và hốn đổi sản xuất. Đây là yếu tố cực kì quan trọng cho phép các nhà sản xuất đáp ứng điều kiện sản xuất và thực hiện cạnh tranh trên thị trường.

<i><b>1.1.3 Khó khăn trong việc ứng dụng hệ thống tự động hóa</b></i>

Các mối đe dọa an ninh, dễ bị tổn thương: Một hệ thống tự động có thể có một mức giới hạn của trí thơng minh, và vì thế dễ bị mắc lỗi bên ngồi phạm vi trước mắt của mình về kiến thức.

Khơng thể đốn trước, chi phí phát triển quá mức: Các nghiên cứu và phát triển chi phí của tự động hố có thể vượt q chi phí định mức của q trình.

Chi phí ban đầu cao: Việc tự động hóa của một sản phẩm mới thường đòi hỏi một sự đầu tư ban đầu rất lớn so với chi phí đơn vị sản phẩm, mặc dù chi phí tự động hóa có thể được lan truyền trong nhiều sản phẩm và thời gian.

<b>1.2 Giới thiệu hệ thống chiết rót tự động</b>

<i><b>1.2.1 Giới thiệu chung</b></i>

Hệ thống chiết rót tự động là thành phần quan trọng trong dây chuyền súc rửa, chiết rót và đóng nắp phục vụ cho các ngành đóng gói chất lỏng cơng nghiệp.

Hình 1.2: Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động cơng ty Federal

<i>(Nguồn prweb.com)</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Hệ thống chiết rót chai tự động được sử dụng nhiều để phục vụ cho các ngành: thực phẩm, nước uống, dược phẩm, mỹ phẩm, hóa chất, dầu nhớt,… Sự ra đời của máy chiết rót tự động đã tiết kiệm cho các nhà sản xuất một khoản chi phí nhân cơng tương đối lớn, nâng cao năng suất chiết đóng thành phẩm vào chai.

Hệ thống được kết hợp giữa các khâu chiết rót, đóng nắp, đóng thùng bán tự động. Bộ điều khiển trung tâm thường sử dụng PLC. Mỗi khâu đều vận hành tự động, nhân công chỉ tham gia vào một số công đoạn điều khiển, đầu vào và đầu ra (xếp chai vào, đóng thùng, vận hành máy,...).

<i><b>1.2.2 Chức năng chính của hệ thống và phạm vi ứng dụng thực tiễn</b></i>

 Chức năng chính của hệ thống:

Tồn bộ hệ thống là một dây chuyền để hoàn thành các công đoạn ra thành phẩm. Các khâu trong dây chuyền được tự động hóa cao, con người chỉ tác động vào vận hành, đầu vào và đầu ra. Kết quả mang lạinhững ưu điểm:

 Nâng cao năng suất lao động, giảm giá thành: Tổng sản phẩm đầu ra đạt năng suất cao hơn so với hoạt động bằng tay tương ứng. Hệ thống có thể rót hàng nghìn chai mỗi giờ, tùy theo dung tích của chai.

 Giảm số lượng và chi phí nhân cơng: Hệ chống chiết rót đã hoạt động một cách tự động dẫn đến cơng việc ít hơn và đơn giản hơn cho phép cần ít cơng nhân hơn, tùy theo dung tích của chai.

 Sự an tồn: Bằng việc tự động hóa các hoạt động và chuyển người vận hành máy từ vị trí tham gia tích cực sang vai trị đốc cơng, cơng việc trở nên an tồn hơn.

 Nâng cao chất lượng sản phẩm: Hệ thống chiết rót khơng những sản xuất với tốc độ nhanh hơn thủ công, mà còn sản xuất với sự đồng nhất cao hơn và sự chính xác đối với các yêu cầu khắt khe của sản phẩm đóng chai.

Tuy nhiên hệ thống chiết rót có chi phí đầu tư cao: việc chuyển từ sử dụng nhân công con người sang dây chuyền sản xuất tự động địi hỏi chi phí đầu tư ban đầu rất cao. Ngồi ra, củng cần có chi phí cho việc đào tạo nhân cơng vận hành các loại thiết bị, máy móc hiện đại và phức tạp.

 Phạm vi ứng dụng:

Các cơ sở sản xuất nước rửa chén, sản xuất nước giải khát, nước tinhkhiết, bia… Các sản phẩm chất lỏng hoặc chất lỏng cô đặc có yêu cầu vệ sinhkhử trùng cao.

Sử dụng với loại chai có dung tích từ 200ml - 1000ml.

Trong đồ án này, em chọn chai nước loại nắp vặn có dung tích 297 ml làm đối tượng nghiên cứu.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>1.3 Tính cấp thiết của đề tài</b>

Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu ăn uống của người dân ngày càng được nâng cao. Ngành cơng nghiệp thực phẩm đóng gói, nước uống đóng chai cũng ngày càng tăng lên về số lượng sản phẩm trên thị trường.

Khảo sát vào năm 2015của Euromonitor cho thấy, thị trường đồ uống đóng chai đã đạt ngưỡng gần 170 tỉ USD, dự kiến sẽ tăng gần 10% tới thời điểm 2020.Trong phân khúc ngành hàng này, nước chiếm ưu thế với hơn 35% trong tổng thị phần thị trường, cịn đồ uống có ga đạt khoảng 22%. Nước uống đóng chai sẽ tăng nhanh nhất do người tiêu dùng có xu hướng thích dùng nước uống cung cấp nguồn năng lượng.

Dự báo cũng chỉ ra rằng, thị trường Châu Á – Thái Bình Dương sẽ tiếp tục dẫn đầu thế giới về tăng trưởng trong đó có Việt Nam.Sức hấp dẫn tăng trưởng của ngành nước đóng chai cũng đã thúc đẩy thêm nhiều doanh nghiệp tham gia vào lĩnh vực này. Hệ thống chiết rót tự động là chiết rót một lượng chất lỏng nhất định vào các chai, bình, lọ,... Các hệ thống, máy chiết rót tự động được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp thực phẩm. Ngành công nghiệp này yêu cầu năng suất cao, nghiêm ngặt về vệ sinh an tồn thực phẩm. Tùy theo tính chất của chất lỏng, các máy chiết rót sẽ có cấu tạo và cách hoạt động khác nhau.

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<b>CHƯƠNG 2. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ</b>

<b>2.1 Kết cấu của hệ thống </b>

 Yêu cầu hệ thống:

<i> Hệ thống thực hiện việc chiết rót chai nước có thể tích V = 280 ml. Độ bền cao, kết cấu vững chắc.</i>

<i> Thiết kế đảm bảo an tồn, thân thiện.</i>

<i> Băng tải có kích thước hợp lí, gọn gàng, phù hợp với khơng gian. Nắp chai được vặn chặt.</i>

<i> Đảm bảo tính kinh tế cho hệ thống.</i>

Với những yêu cầu đặt ra, em đề xuất sơ đồ hoạt động của hệ thống như sau:

Hình 2.2: Sơ đồ hoạt động của hệ thống. Hệ thống này bao gồm:

 Băng tải đầu vào: đưa chai rỗng đến vị trí bơm nước.

 Cơ cấu bơm nước: bơm nước vào chai theo đúng thể tích 280ml đã quy định.

 Đưa chai đến các vị trí để thực hiện các chức năng bơm nước, cấp nắp, đóng nắp và vặn nắp.

Trên cơ sở đó, em tiến hành thiết kế lần lượt các cơ cấu cơ khí của hệ thống.

<b>2.2 Cơ cấu bơm nước </b>

Có nhiều phương án thiết kế cơ cấu bơm nước, về số lượng bơm, và vị trí đặt cơ cấu bơm (trên băng tải..).

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Với quy mô đồ án, em đã lựa chọn phương án sử dụng 1 bơm. Phương án này có các ưu điểm:

 Bơm một chai.

 Đồng bộ thời gian với cơ cấu đóng nắp, vặn nắp.

 Tránh dừng băng tải nhiều lần làm giảm tuổi thọ động cơ. Cơ cấu bơm nước bao gồm:

 Value khóa nước.

<b>2.3 Cơ cấu cấp nắp tự động </b>

Cơ cấu cấp nắp tự động có chức năng cấp nắp tự động sau khi chai được bơm đầy, cơ cấu này đòi hỏi yêu cầu cao về khả năng tự động và độ chính xác (phải đảm bảo nắp được đưa vừa khớp với chai để có thể đóng vặn nắp).

 Cấu tạo cơ cấu cấp nắp được thể hiện ở hình 2.8, bao gồm: 1. Rãnh chứa nắp 2. Thanh gá

5. Thanh giữ nắp

Hình 2.2: Cấu tạo cơ cấu cấp nắp.  Nguyên lý hoạt động cơ cấu cấp nắp:

 Cơ cấu cấp nắp lắp ở vị trí đúng đảm bảo cho việc cấp nắp chính xác .  Hai thanh bên giữ nắp nhờ vào lực ép tạo bởi lò xo, lực này giữ nắp

không rơi ra khỏi rãnh và đảm bảo khi chai xoay qua nắp không bị giữ quá chặt, để chai có thể lấy được nắp dễ dàng. Khi lị xo ở trạng thái ban đầu, lực lò xo sinh ra đủ để giữ lấy nắp. Khi chai đến vị trí cấp nắp sẽ tác dụng lực lên thanh giữ nắp làm lò xo bị nén lại vừa đủ cho việc lấy nắp ra. Vì vậy, điểm quan trọng nhất của cơ cấu cấp nắp chính là lực lị xo.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

 Thanh gạt nắp có chức năng gạt phẳng nắp để tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình vặn nắp được chặt và chính xác. Tránh xảy ra tình trạng nắp bị lệch so với miệng chai ảnh hưởng đến việc vặn nắp chai.

Hình 2.3: Kích thước thanh gạt nắp chai.

<b>2.4 Cơ cấu vặn nắp chai </b>

Cơ cấu này có cùng cơ chế chuyển động tịnh tiến lên xuống bởi xi lanh. Ở cơ cấu vặn nắp cịn có thêm động cơ truyền động quay để vặn chặt nắp.

 Yêu cầu:

 Cơ cấu tịnh tiến chung.

 Momen quay vừa đủ để vặn chặt nắp chai.  Cơ cấu truyền chuyển động:

Có nhiều phương án như động cơ kết hợp vít me, xi lanh đơn, xi lanh đơi,... Với nhu cầu sử dụng thì em lựa chọn thiết kế như sau:

 Truyền động tịnh tiến cho bộ phận vặn nắp: xi lanh đôi.

 Truyền động quay cho bộ phận vặn nắp: động cơ DC giảm tốc.  Cấu tạo của cơ cấu vặn nắp chai được thể hiện ở các hình 2.4 bao gồm: 1. Giá đỡ cơ cấu vặn

2.Xi lanh 2 3.Động cơ

4.Đầu vặn nắp chai

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Hình 2.4: Cấu tạo cơ cấu vặn nắp chai  Nguyên lý hoạt động:

Chai sau khi đã cấp nắp được băng tải đưa đến vị trí vặn nắp. Tại đây. xi lanh có chức năng đưa động cơ xuống vị trí vặn nắp với u cầu q trình di chuyển không bị lệch hướng. Sau khi vặn xong, xi lanh đưa động cơ về vị trí ban đầu.

 Thiết kế đầu vặn nắp chai:

Đầu vặn được gắn với trục động cơ thông qua nối trục và thực hiện chuyển động quay, kích thước của nắp chai phù hợp để vừa với nắp chai.

Yêu cầu đầu vặn phải có kích thước phù hợp với kích thước của nắp chai. Bề mặt trong có độ nhám đảm bảo tiếp xúc tốt với nắp chai để quá trình vặn nắp khơng bị trượt.

Hình 2.5: Cấu tạo đầu vặn nắp chai.

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

 Chọn động cơ

 Yêu cầu: Động cơ tạo ra momen đủ để vặn chặt được nắp chai.

Momen cần thiết để nắp chai được vặn chặt là 2,8 Nm. Đây cũng chính là yêu cầu tối thiểu của momen động cơ vặn nắp.

 Lựa chọn động cơ: Động cơ DC giảm tốc HN-GH12-1632.

Đầu xi lanh gắn với tấm gá động cơ, có chức năng mang động cơ chuyển động tịnh tiến lên xuống với hành trình 40 mm. Vì vậy yêu cầu xi lanh cứng vững, không bị lệch hướngtrong q trình dịch chuyển, ngồi ra xi lanh phải chống xoay trong khi động cơ vặn nắp hoạt động.Dựa vào yêu cầu trên và hành trình của piston em lựa chọn loại xi lanh đôi TN 16X40-S.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Băng tải hiểu đơn giản là một máy cơ khí dùng để vận chuyển các đồ vật từ điểm này sang điểm khác, từ vị trí A sang vị trí B. Thay vì vận chuyển sản phẩm bằng cơng nhân vừa tốn thời gian, chi phí nhân công lại tạo ra môi trường làm việc lộn xộn thì băng chuyền tải có thể giải quyết điều đó.Nói đơn giản, băng tải giúp tiết kiệm sức lao động, số lượng nhân công, giảm thời gian và tăng năng suất lao động.

Các loại băng tải thông dụng hiện nay:

Các cơ cấu truyền động có thể sử dụng động cơ DC giảm tốc hoặc kết hợp động cơ DC với bộ truyền xích hoặc bộ truyền đai.

Với quy mô đồ án hiện tại, em đã lựa chọn phương án thiết kế như sau:  Băng tải PVC.

 Khung băng tải sử dụng kết hợp nhôm định hình và thanh thép lỗ.  Truyền động bởi động cơ DC giảm tốc.

 Đặc điểm

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

 Khung băng tải sử dụng kết hợp nhôm định hình và thanh thép lỗ:  Dễ tháo lắp, có thể điều chỉnh và di dời.

 Chống rỉ sét.

 Đa dạng về kích thước.

 Đảm bảo tính chắc chắn, ổn định.  Băng tải PVC:

 Đảm bảo độ đồng phẳng của băng tải.  Có khả năng đàn hồi cao, chịu được nhiệt.  Giá thành rẻ, độ bền cao.

 Vì đường kính chai nước d = 60 mm nên lựa chọn băng tải có bề rộng B = 100 mm. Chiều dài làm việc của băng tải L = 850 mm. Tốc độ của băng chuyền: V= 10 m/phút. Với đường kính con lăn D = 49 mm. Suy ra tốc độ động cơ:

N = V/D.π = 10000/49.π = 65 (vịng/phút).  Tính mơmen xoắn động cơ:

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Tải trọng băng tải: m = 1,5kg.

Suy ra momen xoắn tối thiểu của động cơ:

Chọn động cơ JGB37 – 520 DC với các thông số như bảng 2.7 cho ở dưới: Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật động cơ DC giảm tốc JGB 37 – 520.

Từ việc nghiên cứu các phương án kế hợp tính tốn thơng số, em đã thiết kế hồn thiện được băng tải sử dụng PVC, truyền động bởi động cơ DC giảm tốc và có khung băng

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

Hình 2.10: Cấu tạo băng tải.  Mơ tả:

 Khung băng tải (1) có chức năng cố định băng tải.  Động cơ DC giảm tốc (2) truyền động cho băng tải.

 Nối trục (3) thực hiện việc nối trục động cơ với trục của con lăn.

 Ổ bi (4) truyền chuyển động, làm giảm ma sát, mang lại sự hoạt động liên tiếp, ổn định.

 Dây đai băng tải PVC (5), bề mặt làm việc chính của băng tải.  Thành bảo vệ (6) giữ chai đứng thẳng cố định.

 Con lăn (7)truyền chuyển động cho băng tải.

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

<b>CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN</b>

<b>3.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống</b>

Hình 3.3: Sơ đồ hoạt động của hệ thống. Hệ thống điều khiển được thể hiện ở hình 3.1,bao gồm:

 Thiết bị đầu vào: nút nhấn, cảm biến.

 Thiết bị điều khiển: bộ điều khiển lập trình PLC.  Thiết bị đầu ra: rơ-le, van khí nén.

 Nguyên lý hoạt động:

Bộ xử lý trung tâm PLC nhận tín hiệu đầu vào từ nút nhấn, cảm biến, sau đó tiến hành xử lý tín hiệu, lập trình điều khiển, xuất tín hiệu điều khiển động cơ DC, xi lanh khí nén thơng qua rơ-le, van khí nén.

</div>