Hệ thống rót chất lỏng vào chai và đóng thùng

Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
Lời mở đầu
Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ
thông tin ngày càng cao đem lại nhiều lợi ích cho con người
nhằm giảm thiểu tối đa sức lao động của con người trong quá
trình sản xuất. Mức độ tự động hóa tại các phân xưởng và nhà
kho cũng như các khu vực quản lý điều hành vẫn tiếp tục được
nâng cao. Ngày càng nhiều các thiết bị tiên tiến đòi hỏi khả năng
xử lý, mức độ hoàn hảo , sự chính xác của các hệ thống sản xuất
ngày một cao hơn, đáp ứng nhu cầu sản xuất về số lượng, chất
lượng, thẩm mỹ ngày càng cao của xã hội.
Xuất phát từ tình hình thực tế tự động hóa tại các phân xưởng,
nhà kho và các khu vực điều hành quản lý vẫn đang tiếp tục
được nâng cao cùng với kiến thức đã được học trong trường,
chúng em đã nghiên cứu và thực hiện đề tài hệ thống chất lỏng
vào chai và đóng mỗi thùng 20 chai. Đây chỉ là một phần nhỏ
trong quy trình sản xuất, tuy vậy chúng em mong rằng với đề tài
này chúng em sẽ củng cố được kiến thức đã được học trong
trường và ứng dụng một phần nhỏ trong sản xuất.
Do hạn chế về thời gian, kinh nghiệm thực tế, vừa tìm hiểu,
vừa học hỏi trong quá trình thực hiện nên không tránh khỏi thiếu
sót, chúng em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và
các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.
SV: Vũ Đức Nghĩa
1
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
Nội dung đề tài
• Tìm hiểu tổng quan về các hệ thống rót chất lỏng vào
chai.(Ở đây tìm hiểu về hệ thống rót bia vào chai)
• Lựa chọn lọai cảm biến.
• Cấu tạo và nguyên tắc làm việc của càm biến.

• Vị trí đặt cảm biến của hệ thống.
• Sơ đồ đấu nối .
• Các thông số cơ bản của cảm biến.
• Đánh giá đọ chính xác của hệ thống ( giới hạn, nguyên
nhân, biện pháp khắc phục,… )
SV: Vũ Đức Nghĩa
2
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
1, TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RÓT CHẤT
LỎNG VÀO CHAI TRONG NHÀ MÁY.
Hiện nay với công nghệ hiện đại rất nhiều quá trình công
nghiệp được tự động hóa. Trong đó dây truyền đóng nút chai tự
động là một trong những hệ thống được sử dụng rất phổ biến và
rộng rãi.
Một hệ thống sản xuất nước đóng chai hiện đại thường được
phân chia thành nhiều khâu nối tiếp nhau. Một quy trình dây
truyền đóng chai khép kín có thể được mô tả như sau:
Từ khâu cấp chai, các chai được đưa vào hệ thống băng tải,
trước tiên chai được cho đi qua hệ thống rửa. Chai dùng trong
hệ thống đóng chai thường là chai thành phẩm, nên thường tại
khâu này chỉ qua súc rửa để làm sạch bụi.
Sau khi được rửa sạch, các chai được băng chuyền đưa đến hệ
thống rót liệu, tới vị trí rót, chai sẽ được dừng chính xác nhờ
một cảm biến, để đảm bảo chính xác hơn nữa, có thể bố trí các
cơ cấu cơ khí để kẹp giữ chai. Hệ thống van rót, cơ cấu rót được
hạ xuống sao cho vòi rót ngập sâu trong miệng chai. Sở dĩ cần
thiết kế như vậy vì áp suất trong bể chứa được giữ rất lớn và
không đổi, đảm bảo tốc độ rót cao và thời gian mỗi lần rót là
như nhau, việc nhúng vòi rót vào trong chai để tránh chất lỏng
văng ra ngoài khi rót với tốc độ lớn. Với thiết kế nhưvậy, tổng

thời gian để nâng hạ van và rót liệu chỉ mất từ 2-3 giây.
SV: Vũ Đức Nghĩa
3
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
Khi chai đạt được mức quy định được băng tải vận chuyển
đến vị trí đóng nút. Khâu đóng nút bao gồm cơ cấu cấp nắp chai
và đóng nút. Cơ cấu đóng có thể là xi lanh thủy khí (với nút dập)
hoặc mô tơ (với nút vặn), cơ cấu cấp nắp chai có thể dưới dạng
gài sẵn trên băng tải hoặc kết hợp với cơ cấu dập.
Sau đó là khâu dán nhãn, đây có thể coi là khâu đơn giản nhất
trong hệ thống đóng chai. Cơ cấu bôi keo dính được gắn ngay
trên băng tải và bố trí tiếp tuyến sao cho tì vào mặt chai, ngoài
chuyển động thẳng trên băng tải, chai còn chuyển động quay
tròn do lực tì của cơ cấu bôi keo. Tương tự với cơ cấu cấp nhãn,
chai sau khi bôi keo, quay tròn, cuốn băng giấy nhãn 1 vòng
quanh chai.
Khâu cuối cùng là kiểm tra và đóng gói sản phẩm. khâu kiểm
tra bao gồm một loạt các cảm biến để kiểm tra chất lượng sản
phẩm (đủ định mức, đóng nút dán nhãn đạt yêu cầu…) sau khi
kiểm tra sẽ qua cơ cấu phân loại, 1 tay gạt sẽ loại bỏ chai sang
một băng tải khác. Các chai đạt tiêu chuẩn sẽ qua khâu đóng
gói, chai được xếp thành khối nhờ các tay máy gạt và nâng hạ.
Như vậy toàn bộ quy trình công nghệ đóng nút chai được tự
động hoàn toàn, với đầu vào là nguyên liệu và chai rỗng, đầu ra
là sản phẩm có thể đem bán trực tiếp.
• Gồm những quá trình cơ bản sau
1.1,Quá trình rót liệu
SV: Vũ Đức Nghĩa
4
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến

Các chai sau khi rửa được băng tải đưa đến vị trí rót liệu. Khi
gặp cảm biến vị trí băng tải dừng lại. Cảm biến vị trí lại báo cho
bộ điều khiển hệ thống rót liệu hoạt động, hệ thống rót liệu xả
nhiên liệu vào trong chai được đo bằng cảm biến mức, khi đạt
mức quy định cảm biến lưu lượng sẽ báo bộ điều khiển dừng hệ
thống rót liệu. Quá trình rót liệu kết thúc.
1.2,Quy trình đóng nút.
Khi đạt mức quy định cảm biến vị trí sẽ báo bộ điều khiển
dừng hệ thống rót liệu. Các chai được rót đủ nhiên liệu tiếp tục
được băng tải vận chuyển đến vị trí đóng nút . Khi chai gặp cảm
biến vị trí hệ thống băng tải dừng lại. Cảm biến sẽ báo bộ điều
khiển, điều khiển hệ thống đóng nút chai. Van khí nén điều
khiển xi lanh dập nút chai, khi đó các nút chai sẽ được dập vào
chai. Sau khi dập xong cảm biến vị trí lại báo tín hiệu cho hệ
thống và các chai lại tiếp tục được di chuyển đến vị trí dán nhãn.
1.3, Quy trình dán nhãn.
Sau khi các chai qua vị trí đóng nút, tiếp tục được di chuyển.
Khi đến vị trí dán nhãn cảm biến vị trí lại báo cho hệ thống băng
tải dừng lại. Tại vị trí dán nhãn có cơ cấu kẹp ở hai bên đi vào
giữa kẹp chặt chai lại. Khi đó xi lanh dán nhãn hoạt động và các
chai được dán nhãn. Sau khi dán xong cơ cấu kẹp nhả ra và cảm
biến vị trí báo cho hệ thống băng tải tiếp tục chạy. Các chai sau
khi dán xong được đưa vào đóng hộp.
SV: Vũ Đức Nghĩa
5
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
• Yêu cầu kỹ thuật:
+ Chai làm từ thủy tinh,
+ Mỗi chai có thể tích là 650 ml
+ Tuân thủ nghiêm ngặt hệ thống đóng chai

+ Những sản phẩm lỗi là những sản phẩm : không đủ khối
lượng, nút chai đóng bị lỗi, chai chưa được rót bia vào,…
• Một số hình ảnh dây truyền sản xuất
Hình 1.1
SV: Vũ Đức Nghĩa
6
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
Hình 1.2
Hình 1.3
SV: Vũ Đức Nghĩa
7
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
2, LỰA CHỌN CẢM BIẾN CHO HỆ THỐNG
(Sử dụng cảm biến quang để phát hiện và đếm số chai).
2.1, Giới thiệu s ơ đồ và nguyên lý hoạt động của hệ thống
2.1.1, Danh mục các thiết bị và chức năng
Bảng 1
STT Tên thiết bị Chức năng Số lượng
1
Động cơ không
đồng bộ 3 pha
lồng sóc
Vận hành cho hệ thống băng tải
mang chai
3 chiếc
2 Bơm Bơm dùng để bơm bia vào chai 1 chiếc
3 Băng tải Vận chuyển chai
3 băng
tải
4

Cảm biến
quang
Phát hiện, đếm số chai 3 chiếc
5 Cảm biến mức
Đo lưu lượng chất lỏng rót vào
chai
1 chiếc
6 Vi điều khiển
Nhận và xử lý tín hiệu từ cảm
biến. điều khiển động cơ băng tải,
bơm…
1 bộ
2.1.2, Nguyên lí hoạt động
SV: Vũ Đức Nghĩa
8
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
- Cảm biến số 1 nhận dạng Chai được đưa vào đầu dây chuyền
và cấp liên tục trong quá trình dây chuyền hoạt động. Băng tải
luôn quay và nó đã được lập trình bằng PLC sẳn và được điều
chỉnh thông qua máy tính và các bộ phận chuyên dùng, khi chai
vào thì băng tải 1 sẽ dẫn chai đi.Trong lúc chai được giữ, xilanh
chuyển động đi xuống đưa vòi phun vào miệng chai. Sau đó
bơm hoạt động bơm chất lỏng vào chai trong 1 khoảng thời gian
delay nhất định và được lập trình sẵn. Cụm chi tiết giữ mở ra,
chai tiếp tục chạy trên băng tải, đồng thời chai sau được giữ
không chuyển động. Chạy trên băng tải đến cụm chi tiết cấp
nắp, chai kéo nắp đã chờ sẵn vào đầu chai.
- Cảm biến 2 nhận biết chai đã chạy đến, mạch điều khiển cho
cụm chi tiết xoáy nắp đi xuống và xoáy nắp chai vào. Sau đó
chai chạy tiếp tục trên băng tải 3.

- Cảm biến số 3: nhận và tạo ra một xung điện gửi về khối xử lý
để tăng dần biến đếm. khi biến đếm chưa đủ 20 thì băng tải 3
tiếp tục chạy và đưa chai vào thùng (tương ứng với 20
chai/hộp). Khi biến đếm đạt giá trị 20, băng tải 3 dừng đồng thời
biến đếm lại trở về giá trị 0, đồng thời hộp đã đủ 20 chai được
đưa ra và đưa thùng mới vào tiếp tục quá trình.
SV: Vũ Đức Nghĩa
9
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
2.2, Lựa chọn cảm biến cho hệ thống trong dây truyền rót chất
lỏng
Tại mỗi khâu chúng ta dùng cảm biến để xác định vị trí của
sản phẩm. Khi gặp sản phẩm cảm biến sẽ có tín hiệu báo về bộ
điều khiển để ra lệnh điều khiển. Để xác định vị trí và dịch
chuyển của sản phẩm, ta dùng cảm biến quang điện
Cảm biến quang điện bao gồm 1 nguồn phát quang và 1 bộ
thu quang. Nguồn phát quang sử dụng Led hoặc Laser phát ra
ánh sáng thấy hoặc không thấy tùy theo bước sóng, 1 bộ thu
quang sử dụng diode hoặc transitor quang. Ta đặt bộ thu và phát
sao cho vật cần nhận biết có thể chắn hoặc phản xạ ánh sáng khi
vật xuất hiện. Ánh sáng do Led phát ra được hội tụ qua thấy
kính, ở phần thu ánh sáng từ thấu kính tác động đên transitor thu
quang. Nếu có vậtche chắn thì chùm tia sẽ không tác động đến
bộ thu được, sóng dạo động dùng để bộ thu loại bỏ ảnh hưởng
của ánh sáng trong phòng. Ánh sáng của mạch phát sẽ tắt và
sáng theo tần số mạch dao động. Phương phát này sử dụng mạch
dạo động làm cho cảm biến thu phát xạ hơn và tiêu thụ ít công
suất hơn.
Qua việc tìm hiểu hệ thống ở trên thì em chọn cảm biến quang
phản xạ gương. Vì loại cảm biến này lắp ráp đơn giản,làm việc

ổn định. Qua tìm hiểu trên thị trường một số dòng sản phẩm của
hãng Omron đã được sử dụng tại Việt Nam có E3R, EZT66……
Nhưng em lựa chọn cảm biến E3Z –R61 ,hoặc EZ3.
SV: Vũ Đức Nghĩa
10
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
I, CẢM BIẾN QUANG EZ3
Đ ặc điểm:
KT: 40x12x21 (mm)
• Chọn kiểu đầu ra tác
động sáng/tối
• Chức năng đèn báo
hiệu sự ổn định; điều
chỉnh được độ nhạy
• Hình khối nhỏ gọn
31x20x11 mm, nguồn
cấp 10~30 VDC
SV: Vũ Đức Nghĩa
11
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
• Nhiều chế độ: thu phát chung, phản xạ gương, thu phát riêng
tối đa 30m
• Ngỏ ra transistor Open Collector PNP, PNP-NO 100mA
• Chế độ làm việc Light-ON/Dark-ON lựa chọn qua switch
chọn
• Bảo vệ ngắn mạch ngõ ra, cấp nguồn ngược cực
• Hình trụ Ø18, dài 65mm, nhiệt độ làm việc -25~550C
• Sử dụng LED hồng ngoại bước sóng 660nm, thời gian đáp
ứng 2.5ms
• Tia sáng nhỏ, góc nhìn hẹp thích hợp cho các ứng dụng chính

xác
• Vỏ bọc bằng PBT (polybutylene terephthalate), độ kín đạt
IEC IP67
• Kiểu đấu nối: dây dài 2m hoặc connector
CẢM BIẾN QUANG EZ3-R6
Ưu điểm
SV: Vũ Đức Nghĩa
12
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
• Lắp đặt dễ hơn
• Chỉnh định dễ dàng
• Với vật thể có bề mặt sáng bóng có thể làm cảm biến không
phát hiện được, có thể dùng kính lọc phân cực.
• Giá cả phải chăng
Nhược điểm:
• Khoảng cách phát hiện ngắn hơn loại thu phát (E3Z-R: chỉ
được 4-5m).
• Vẫn cần 2 điểm lắp đặt cho cảm biến và gương
• Cảm biến phản xạ gương loại 2 thấu kính thường không
phát hiện được vật ở một số khoảng cách ngắn nhất định.
Phản xạ gương là dạng cảm biến quang phổ biến nhất trong
công nghiệp. Loại này có sự kết hợp tốt các yếu tố như phát hiện
tin cậy, khoảng cách vừa đủ và giá thành hợp lý.
Cấu tạo và nguyên lý làm việc của cảm biến
• Sensor sợi quang nhằm phát hiện sự di chuyển của vật
mờ đục (chắn sáng)
• Một photodiode tạo ra tín hiệu dẫn (pilot signal).
• Tín hiệu này được truyền qua sợi quang tới vật và bị
phản xạ tại bề mặt của vật.
SV: Vũ Đức Nghĩa

13
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
• Quang thông phản xạ truyền ngược trở lại qua sợi
quang thu tới một photodiode khác.
• Dòng điện tương ứng với khoảng cách từ cuối sợi
quang tới vật được tạo ra.
• Biến đổi dòng điện thành photon; truyền photon qua
môi trường khúc xạ; phản xạ; biến đổi ngược photon
thành dòng điện uá trình cảm biến gồm 2 bước biến đổi
năng lượng và sử dụng tín hiệu quang.
SV: Vũ Đức Nghĩa
14
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
Ngoài ra, E3Z-R61 cũng dụng công nghệ mới AC3 (Auto
Compensation Control for Contamination: Kiểm soát tự động
chống nhiễu do nhiễm bẩn). Cảm biến quang có sẵn bộ khuyếch
đại thông thường không có chức năng bù sự thay đổi cường độ
ánh sáng thu được do bụi, tạp chất, nhiệt độ, môi trường, sự lão
hóa của đèn LED theo thời gian gây nên, bởi vậy không có được
sự ổn định lâu dài trong việc phát hiện vật thể trong suốt như
yêu cầu. Chức năng AC định kỳ truyền tín hiệu cường độ ánh
sáng thu nhận được ở chế độ light-ON tới mạch phát sáng, nhờ
đó duy trì cường độ ở mức giá trị đặt khi dùng chức năng
teaching.
Còn nhiều chức năng ưu việt nữa như:
- Vỏ bọc bằng thép không gỉ SUS316, mặt hiển thị bao phủ bằng
vật liệu PES, đều là những vật liệu có độ bền cao với các hóa
chất tẩy rửa trong công nghiệp.
- Độ kín nước đạt tới cấp độ IP69K cho phép xịt rửa trực tiếp
bằng nước dưới áp suất và nhiệt độ cao.

Khả năng hoạt động tốt ở môi trường nhiệt độ khắc nghiệt trong
phạm vi từ -25 tới +55 độ C, thích hợp đặc biệt cho lĩnh vực sản
xuất đồ uống.
Thông số kĩ thuật
SV: Vũ Đức Nghĩa
15
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
Bảng 2.
Khoảng cách phát hiện 2 m
Vật thể phát hiện tiêu chuẩn Vật mờ đục có đường kính tối thiểu
56mm
Nguồn sang(bước sóng) LED đỏ(nm)
Điện áp nguồn cấp 12 đến 24 VDC
Công suát tiêu thụ Tối đa 25 mA
Ngõ ra điều khiển Ngõ ra transitor collector hở, tối đa
100 mA, điện áp dư: tối đa 1 V ở
100mA
Thời gian đáp ứng Tối đa 2,5 ms
Nhiệt độ môi trường -25
o
C tới 55
o
C
Độ ẩm môi trường Hoạt động: 35% tới 85%
Mức độ chịu rung 10 tới 55 Hz, biên đô rung 1,5 mm
Mức độ chịu sốc Mức độ phá hủy: 500 m/s
2
cho 3
lần ở mỗi hướng X, Y, Z
Cấp nối Dây nối thường (độ dài tiêu chuẩn

2m)
Trọng lượng Tối đa 85g
Phụ kiện Đinh vít, gương E30-R, bộ điều
chỉnh
Vật liệu Vỏ : ABS
Thấu kính: PMMA
II. CẢM BIẾN MỨC
Đặc điểm:
SV: Vũ Đức Nghĩa
16
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
• Cảm biến cấu tạo bằng vỏ thép không gỉ hoàn toàn thích
ứng với chất hóa học cùng với chất tấy rửa mạnh
• Cảm biến mức là cảm biến mức độ điện tử
• Đối tượng làm việc : chất lỏng, chất sệt, bột
• Không thể sd đo dầu, mỡ
• Quá trình kết nối: G ½ A
• 2 cổng chuyển đổi kết quả đầu ra.
Vị trí đặp trong nhà máy bia:
Trong nhà máy bia, ngoài tank chứa Malt, cảm biến báo mức
LMT121 còn thường được sử dụng trong hầu hết các phân đoạn
có tank và người ta muốn giám sát level của tank như: tank chứa
hóa chất CIP, tank lên men, hệ thống lọc, nhà nấu bia… Hoạt
động trên nguyên tắc điện dung tần số cao, cùng với lớp vỏ bền
chắc, LMT121 là một cảm biến hoạt động ổn định, tin cậy, ít
cần thiết phải bảo trì, chúng sẽ là một công cụ đắc lực cho các
nhà sản xuất rượu bia
LMT121 có rất nhiều ứng dụng, nhưng ở đây chúng ta sử
dụng để báo mức bia được rót vào chai đã đủ thể tích yêu cầu
chưa.

Thông số kĩ thuật LMT121
Thiết kế điện DC PNP
SV: Vũ Đức Nghĩa
17
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
Điện áp hoạt động 18 – 30v DC
Tiêu thụ điện năng < 40 mA
Lớp bảo vệ III
Bảo vệ phân cực ngược Có
Đầu ra 2 cổng
Chức năng đầu ra thường mở / đóng bổ sung
Đánh giá hiện tại 50 mA
Giảm điện áp <2.5
Bảo vệ ngắn mạch Xung
Bảo vệ quá tải Có
Khả năng chống sốc
50 g (11ms)
Nhiệt độ hoạt động (°C)
0 – 60
Nhiệt độ bảo quản (°C)
-25 – 80
Vật liệu thép không gỉ 316L / 1.4404;
PEEK; PA12-GF30; FKM
Kết nối Kết nối M12, cổng liên lạc mạ
vàng
Tín hiệu đầu ra Dòng điện
SV: Vũ Đức Nghĩa
18
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
Hình ảnh cảm biến LMT121

2.3 Dây chuyền đóng thùng.
Các nhà máy đóng thùng chai hiện nay rất đa dạng từ thô
sơ đến cức kỳ hiện đại,tùy theo dạng sản phẩm sẽ có cách đóng
gói sản phẩm khác nhau.Với chai lọ thủy tinh dễ vỡ hay các chai
có dung tích lớn thường được đóng thùng bằng cánh tay
Robot.Phương pháp này hiện đại và chính xác nhất,đảm bảo
chống va đập làm hư sản phẩm.Số lượng sản phẩm tùy thuộc
vào kích thích thùng chứa,số lượng chai gắp trong một lần cũng
dễ dàng cài đặt,ví dụ như để đóng két cho bia thì mỗi lần cánh
tay Robot có thể gắp 20 chai.Dây chuyền đóng thùng gồm 2
băng tải đưa sản phẩm đến tay gắp,một băng vận chuyển
thùng,hai băng tải đặt ngang nhau .Bộ phận gắp chai được điều
khiển động bộ bằng khí nén.
Với các loại chai nhỏ và khó vỡ thì thường dùng phương
pháp đóng thùng kiểu “ Drop” , hệ thống có hai băng tải , một
băng tải chờ sản phẩm chai ở phía trên, băng tải chứa thùng phía
dưới, khi số chai và khung đủ số lượng thì phần đáy của khung
SV: Vũ Đức Nghĩa
19
Bài tập lớn kỹ thuật đo lường và cảm biến
rơi xuống thùng, các chai rơi xuống thùng đồng thời thùng được
hạ xuống để giảm lực tác động vào chai, cách đóng thùng này
nhanh và đơn giản hơn dùng cánh tay Robot.
Hình 2.1: Một cánh tay Robot đang làm việc
Hình 2.2 : Drop Packer
SV: Vũ Đức Nghĩa
20