Thiết kế, xây dựng mô hình cơ khí và hệ thống điện của hệ thống máy chiết rót đóng nắp chai

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế, xây dựng mô hình cơ khí và hệ thống điện
của hệ thống máy chiết rót đóng nắp chai
dán nhãn chai tự động

I


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/37

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu đề tài
Hiện nay, nước uống đóng chai đóng vai trò rất quan trọng trong các hoạt động
thường ngày của con người. Với như cầu sản lượng lớn thì công việc sản xuất chiết
rót, đóng nắp và dán nhãn bằng tay là không hiệu quả. Do đó, việc tự động hóa trong
quá trình sản xuất nước đóng chai mang một ý nghĩa hết sức to lớn. Sự tự động hóa
trong sản suất làm tăng năng suất, giảm giá thành và đặc biệt là nâng cáo chất lượng
sản phẩm cũng như bảo quản. Trong đồ án này chỉ tiến hành thiết kế một mô hình nhỏ
mô tả quá trình hình thành 1 chai nước hoàn chỉnh gồm các khâu chiết rót, đóng nắp
và dán nhãn tự động. Dây chuyền sẽ hoạt động tự động dưới sự điểu khiển vận hành
và giám sát của con người.
1.2 Mục đích nghiên cứu
Ứng dụng PLC, cảm vật cản hồng ngoại và áp dụng kiến thức đã học để tạo ra sản
phẩm có giá trị ứng dụng cao cho người sử dụng.
1.3 Đối tượng nghiên cứu
 Các dòng PLC S7 của hãng Simen.
 Phần mền lập trình TIA Portal, SCADA, AutuCad.

 Cảm biến vật cản hồng ngoại, cảm biến khe, động cơ giảm tốc.
 Van điện từ, Relay và các linh kiện điện công nghiệp (tủ điện..).
 Thiết kế và thi công mô hình.
1.4 Phạm vi nghiên cứu
 Tìm hiểu cấu tạo của PLC S7-1200
-

Ngõ vào, ra (Input, Output).

-

Các cổng truyền thông.


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/37

-

Phạm vi ứng dụng.

 Tìm hiểu phần mềm lập trình TIA Portal V14, SCADA, Autocad.
 Tìm hiểu các khi cụ cơ khí như hàn tíc, máy cắt, máy tiện…
1.5 Dự kiến kết quả
Sau khi hoàn thành mô hình. Sẽ có hai băng chuyền. Một để đưa các chai vào đúng
vị trí trên mâm quay và vị trí dán nhãn. Để nhận biết chai đứng vị trí ta sử dụng các
cảm biến vật cản hồng ngoại và cảm biến kim loại.
-

Bước 1: Khi chai rỗng được băng tải đưa vào vị trí chiết rót. Tại đó, van

điện từ sử dụng điện 220VAC thực hiện chức năng đóng mở sau khi nhận tín
hiệu điều khiển từ PLC.

-

Bước 2: Sau khi chai được rót nước mâm quay sẽ đưa chai đên vị trí cấp nắp
đồng thời thực hiện bước 1

-

Bước 3: Sau khi chai được chiết rót xong. Mâm quay sẽ đưa chai đã được
cấp nắp vào vị trí vặn và đồng thời thực hiện bước 1,2.

-

Bước 4: Sau khi chai được chiết rót xong. Mâm quay đưa chai đã được vặn
nắp về băng chuyền còn lại để qua phần dán nhãn và đồng thời thực hiện
bước 1,2,3.

-

Bước 5: Cảm biến vật cản hồng ngoại xác định vị trí chai và cho dừng băng
chuyền để tiến hành dán nhãn.

Quá trình được chạy tự động và liên tục cho đến khi nhấn Stop trên rủ điện hoặc
trên màn hình giám. Hệ thống có 2 chế độ điều khiển là từ xa và tại chỗ. Từ xa sử
dụng phần mền giám sát và điều khiển SCADA. Tại chỗ sẽ có các nút được gắn tại tủ
điện.
 Hiểu nguyên lý, cách vận hành của dây chuyền chiết rót, đóng năp và dán nhãn
tự động.

 Thiết kế hệ thống cơ khí, hệ thống điện của mô hình.
 Nắm vững kiến thức cơ bản về PLC S7-1200 của hãng Simen và các thiết bị kết
nối liên quan.


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/37

 Viết chương trình điều khiển giám sát chạy ổn định.
 Thực hiện điều khiển giám sát thông qua giao diện HMI Win CC.
CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Hệ thống điều khiển (PLC)
2.1.1 Khái niệm và nguyên lý
Hệ thống điều khiển là một tập hợp những dụng cụ, thiết bị điện tử… được kết nối
với nhau thành một hệ thống cho phép ta điều khiển chính xác sự chuyển đổi nhịp
nhàng của một quy trình hoặc hoạt động sản xuất.
PLC (Programmable Logic Controllẻ) là một hệ thống điều khiển tự động hóa hoàn
toàn, được sử dụng kết hợp với máy tính chủ hoặc bẳng điều khiển hay động cơ… Là
một thiết bị điện phức tạp, có nhiều loại di nhiều hãng sản xuất nhằm đáp ứng nhu cầu
của nền sản xuất hiện đại. Trong một hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hiện đại có
sử dụng bộ điều khiển PLC, thì thiết bị này được coi là trung tâm, là bộ não của hệ
thống. PLC nhận về trạng thái của hệ thống và điều khiển các bộ truyền động theo một
trình tự xác đinhn trong danh sách lệnh, nhận các yêu cầu của đầu vào, điều khiển các
yêu cầu đầu ra theo thứ tự lệnh yêu cầu của bộ xử lý. Danh sách lệnh là do người lập
trình và được lưu trữ trong bộ nhớ.

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/37

Hình 2-1: Một hệ thống tự động sử dụng PLC
Sự thông minh của hệ thống tự động hóa phụ thuộc vào khả năng đọc các tín hiệu
từ cảm biến. Hình thức giao diện của PLC và các thiết bị nhập là: Nút nhất, công tắt
trạng thái, công tắc giới hạn, cảm biến... Các dạng tín hiệu nhập đến PLC phải là trạng
thái Logic ON/OFF hoặc tín hiệu Analog. Nhứng tín hiệu ngõ vào này được giao tiếp
với PLC thông qua các modun nhập.
Tín hiệu ngõ ra Output có thể điều khiển: Động cơ, nam châm, cuộn dây, relay…
Thông qua hoạt động của động cơ, relay.. PLC có thế điều khiển một hệ thống từ đơn
giản đến phức tạp.
2.1.2 Các bước thiết kế một hệ thống điều khiển dùng PLC
 Xác định quy trình công nghệ
Trước tiên ta phải xác định thiết bị hay hệ thống nào muốn điều khiển. Mục đích
cuối của bộ điều khiển là điều khiển một hệ thống hoạt động theo ý muốn và đúng quy
trình. Sự vận hành của hệ thống được kiểm tra bởi các thiết bị đầu vào. Nó nhận tín
hiệu và gửi tín hiệu đến CPU, CPU xử lý tín hiệu và gửi kết quả đến thiết bị xuất để
điều khiển sự hoạt động của hệ thống như lập trình sẵn trong chương trình.


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/37

 Xác định ngõ vào ngõ ra
Tất cả các thiết bị xuất, nhập bên ngoài đều được kết nối với bộ điều khiển. Thiết
bị nhập là những cảm biến, contact... Thiết bị xuất là những cuộn dây, valve điện từ,
motor. Sau khi xác định tất cả các thiết bị xuất, nhập cần thiết ta định vị các thiết bị
vào, ra tương ứng cho các ngõ vào, ra trên PLC trước khi viết chương trình.
 Viết chương trình điều khiển

Khi viết chương trình dạng ladder phải theo sự hoạt động tuần tự từng bước của hệ
thống.
 Nạp chương trình vào bộ nhớ
Sau khi viết chương trình điều khiển ta có thể cấp nguồn cho bộ điều khiển có lập
trình thông qua các cổng I/O. Sau đó nạp chương trình vào bộ nhớ thông qua phần
mềm lập trình
2.1.3 Ứng dụng hệ thống điều khiển PLC
Hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong công
nghiệp như:
-

Giám sát quy tiình trong nhà máy thủy, nhiệt điện

-

Dây chuyền đóng gói

-

Dây chuyền sản xuất bia rượu

-

Dây chuyền chiết rót và nhãn nhãn chai

-

Hệ thống bơm nước sinh hoạt, xử lý chất thải

-

Quản lý bãi giữ xe tự động

-

Điều khiển thang máy

-

Dây chuyền công nghệ chế biến thực phẩm, may mặc


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/37

Ngoài ra PLC còn được ứng dụng giám sát quá trình trong các nhà máy cán tôn.
Cán thép, dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử trong các nhà máy, robot, dây chuyền
kiểm tra chất lượng sản phẩm… bằng các công tắc hành trình hoặc các sensor và nhất
nhiều các ứng dụng nữa.
2.1.4 Cấu trúc phần cứng của PLC
Cấu trúc phần cứng của tất cả các PLC đều có các bô phận sau: Bộ xử lý, bộ
nhớ, bộ nhập, xuất…

Hình 2-2: Cấu trúc phần cứng của PLC
 Đợn vị xử lý trung tâm
Là bộ vi xử lý liên kết các hoạt động của hệ thống PLC, thực hiện
chương trình, xử lý tín hiệu nhập xuất và thông tin liên lạc với thiết bị bên
ngoài.
 Bộ nhớ (Memory)
Có nhiều loại bộ nhơ khác nhau. Đây là nơi lưu giữ trạng thái hoạt động của

hệ thống và bộ nhớ của người xử dụng. Để đảm bảo PLC hoạt động, phải cần


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/37

có bộ nhơ để lưu trữ chương trình. Có thể mở rộng thêm bộ nhớ nhằm thực hiện
các chương trình lớn như:
-

Vùng đệm tạm thời, lưu trữ trạng thái của các kênh xuất/nhập được gọi là
RAM xuất/nhập.

-

Lưu trữ tạm thời các chức năng bên trong: Timer. Counter,Relay…

-

Bộ nhớ gồm có những loại sau:
+Bộ nhớ chỉ đọc (ROM: Read Only Memory ): không phải là một bộ nhớ

khả biến, nó có thể lập trình cho 1 lần. Do đó không thích hợp cho việc điều
khiển “mền” của PLC. ROM ít phổ biến so với các loại bộ nhớ khác.
+ Bộ nhớ ghi đọc (RAM: Random Access Memory): là bộ nhớ thường được
dùng để lưu dữ liệu và chương trình của người sử dụng. Dữ liệu trong RAM sẽ
mất nếu nguồn điện bị mất. Tuy nhiên vấn đề này được giải quyết bằng cách
gắn thêm vào RAM một nguồn điện dự phòng.
Ngày nay, trong kỹ thuật PLC. Người ta sử dụng CMOSRAM nhờ sự
tiêu tốn năng lượng khá thấp và cung cấp nguồn oin dự phòng cho các RAM

này.
+ Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xóa được bằng điện (EEPROM: Electric
Erasable Programmable Only Memory): EEPROM kết hợp khả năng truy linh
động của RAM và tính khả biến của EPROM, trên nội dung EEPROM có thể bị
xóa và lập trình bằng điện, tuy nhiên chỉ giới hạn trong một số lần nhất định.


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/37

Hình 2-3: Sơ đồ một bô nhớ chương trình
2.1.5 Hoạt động của PLC
Về cơ bản hoạt động của một PLC khá đơn giản. Đầu tiên, các Mondun nhập/xuất
dùng để đưa các tín hiệu từ bên ngoài vào PLC như Sensor, contac, tín hiệu từ động
cơ… Sau khi nhận tín hiệu từ ngõ vào thì CPU sẽ xử lý và đưa tín hiệu điều khiển qua
các Mondun xuất ra các thiết bị được điều khiển.
Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc trạng thái của các thiết bị ngoại vi thông
qua ngỗ vào, sau đó thực hiện các chương trình trông bộ nhớ như: một bộ đếm sẽ nhận
lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh để thi hành. Chương trình được viết
ở dạng STL (Statemen List – dạng liệt kê) hay LADDER (dạng hình thang) sẽ được
dịch sang ngôn ngữ máy. Sau khi thực hiện xong chương trình, sau đó là truyền thông
nội bộ và kiểm soát lỗi. Sau đó CPU thực hiện gửi tín hiệu tới các thiết bị được điều
khiển thông qua các Modun xuất.


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/37

Đọc tín hiệu ở ngõ vào

Thực hiện chương trình

Chu kỳ quét
Scanning

Gửi và cập nhật các tín
hiệu ở ngõ ra

Truyền thông và tự kiểm
tra lỗi

Một vong quét xảy ra với thời gian rất ngắn, một vòng quét (Single scan) có thời
gian thực hiện một vòng quét từ 1ms đến 100ms. Việc thực hiệu một chu kỳ quét dài
hay ngắn còn phụ thuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC
và các thiết bị ngoại vi.
2.1.6 Động cơ DC giảm tốc
Động cơ giảm tốc có hộp số được làm hoàn toàn băng kim loại, kích thước cuộn
dây, chổi than lớn cho lực kéo khỏe và độ bền cao.


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/37

Hình 2-4: Hình ảnh thực tế động cơ DC giảm tốc hộp số vuông 45 rmp

Hình 2-5: Thông số động cơ DC giảm tốc hộp số vuông 45 rmp
 Thông số kỹ thuật
- Điện áp sử dụng: 24V DC
- Tốc độ quay không tải: 45 rpm (vòng/phút)
- Đường kính trục : 6mm.

- Kích thước 77 x 32 x 21.5mm


Số dây: 2


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/37

- Dây nguồn
- Dây đất
2.1.7 Cảm biến vật cản hồng ngoại
Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK dùng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách tới vật cản cho độ phản hồi
nhanh và rất ít nhiễu do sử dụng mắt nhận và phát tia hồng ngoại theo tần số riêng biệt. Cảm biến có thể chỉnh khoảng cách
báo mong muốn thông qua biến trở, ngõ ra cảm biến ở dạng cực thu hở nên cần thêm 1 trở treo lên nguồn ở chân Tín hiệu khi
sử dụng.


Thông số kỹ thuật
Nguồn điện cung cấp: 5VDC.
Khoảng cách phát hiện: 3 ~ 80cm.
Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở.
Dòng kích ngõ ra: 300mA.
Ngõ ra dạng NPN cực thu hở giúp tùy biến được điện áp ngõ ra, trở treo lên áp bao nhiêu sẽ tạo thành điện áp
ngõ ra bấy nhiêu.
Chất liệu sản phẩm: nhựa.
Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ.
Kích thước: 1.8cm (D) x 7.0cm (L).



Sơ đồ chân
Màu nâu: VCC, nguồn dương 5VDC.
Màu xanh dương: GND, nguồn âm 0VDC
Màu đen: Chân tín hiệu ngõ ra cực thu hở NPN, cần phải có trở kéo để tạo thành mức cao.


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/37

2.1.8 Cảm biến tiệm cận kim loại
Cảm biến phát hiện kim loại tiệm cận ở khoảng cách 0>8mm, thích hợp làm công tắc tự động, xe dò line sắt,... Đường kính
cảm biến là 18mm


Thông số kỹ thuật
Model: LJ12A3-4-Z/BX
Phát hiện: Kim loại.
Nguồn: 6 -> 36VDC
Dòng tiêu thụ: 300 mA
Khoảng đo: 0 -> 4mm
Ngõ ra: NPN cực thu hở
Đường kính: 12 mm



Sơ đồ chân
Màu nâu: VCC
Màu xanh dương: GND

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/37

Màu đen: Ngõ ra NPN cực thu hở (cần phải có trở kéo lên VCC)

2.1.9 Cảm biến khe
là một bộ nhận tín hiệu từ tia hồng ngoại nó phát ra. Nó là bộ phận dùng để hiểu kích thước cũng như chất liệu giấy. Cách để
nó nhận ra kích thước giấy là khe hở bằng đế lắc-xin giữa 2 con tem (đối với chế độ “die cut label”) hoặc điểm đánh dấu (chế
độ “label with mark”).

2.1.10 Cảm biến lưu lượng


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/37

CHƯƠNG 3.

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

3.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Sau khi tìm hiểu về PLC và các thành phần của hệ thống gồm cảm biến cân
(loadcell), bộ khuếch đại tín hiệu, động cơ và các thiết bị liên quan khác. Tôi đưa ra sơ
đồ khối của hệ thống như sau:

Hình 3.28:
Mỗi khối của nó đều đóng vai trò riêng của nó và đều quan trọng, mỗi khối như
một mắt xích của hệ thống. Nhưng quan trọng nhất vẫn là khối PLC điều khiển, nó
như bộ não của hệ thống. Việc lâp trình cho khối này cũng mất khá nhiều thời gian so

với tổng số thời gian khi thực hiện đồ án này.
3.1.1 Khối nguồn và tủ điện điều khiển
 Chức năng
-

Điều khiển và chuyển đổi nguồn điện 220V AC sang 24V DC, cấp nguồn
cho PLC, các cảm biến và các động cơ giảm tốc.

 Linh kiện chính sử dụng


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/37

-

PLC của hang Simen: S7-1214C DC/DC/DC

-

Nguồn tổ ong: 220V AC – 24V DC, 5A

-

Động cơ giảm tốc: 24V DC

-

Realy: Ta không thể sử dụng trực tiếp ngõ ra của PLC cho động cơ DC và
các van điện từ vì lúc này sẽ gây sụt áp trên PLC làm cho PLC hoạt động

không ổn đinh nên ta phải thông qua Relay để điều khiển động cơ

-

Nút nhấn: START, STOP, RESET, E-STOP

-

Đèn báo nguồn

-

Tủ điện 30x30x15

 Bản vẽ thiết kế

Hình 3.28:


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/37

Hình 3.28:
3.1.2 Khối băng tải
 Chức năng
-

Vận chuyển các chai rỗng vào vị trí chiết rót và đưa các chai đã được đóng
nắp vào vị trí dán nhãn.

 Linh kiện chính sử dụng
-

Khung băng tải: INOX 201 Ø 100 mm - Ø 400 mm

-

Dây băng tải: Băng tải PVC xanh (Mặt trên trơn láng – mặt dưới là lớp bố
dệt), có độ dày 3mm

-

Bộ truyền động: Bạc đạn, dây xích, bánh răng…


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/37

-

Động cơ giảm tốc: 24V DC

 Bản vẽ thiết kế

Hình 3.28:
3.1.3 Khối chiết rót
 Chức năng
-

Chứa nước

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/37

-

Chiết rót nước vào chai

 Linh kiện chính sử dụng
-

Van: Van điện từ DN21 220V AC

-

Khung: INOX 201 Ø 100 mm - Ø 400 mm

3.1.4 Khối mâm quay
 Chức năng
-

Vận chuyển và cố định các chai đưungs vị trí chiết rót, cấp nắp và vặn nắp

 Linh kiện chính sử dụng
-

Mica: Ø3 mm

-

Khung: INOX 201 Ø 100 mm - Ø 400 mm

-

Động cơ giảm tốc: 24V DC

-

Cảm biến tiệm cận xác đinh kim loại: LJ12A3 (khoảng cách 4mm)
 Dây màu nâu: Nguồn 6 – 36V DC
 Dây màu xanh dương: GND
 Dây màu đen: Ngõ ra NPN cực thu hở (phải có trở kéo lên)

-

Bộ truyền động: Bạc đạn, dây xích, bánh rang…

 Bản vẽ thiết kế


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/37

Hình 3.28:
3.1.5 Khối đóng nắp
 Chức năng
-

Cấp nắp và vặn nắp

 Linh kiện chính sử dụng
-

Khung: INOX 201 Ø 100 mm - Ø 400 mm

-

Động cơ giảm tốc: 24V DC

-

Bộ truyền động: Xi lanh khí nén


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/37

3.1.6 Khối dán nhãn
 Chức năng
-

Xác định vị trí chai và dán nhãn

 Linh kiện chính sử dụng
-

Mica: Ø3 mm

-

Khung: INOX 201 Ø 100 mm - Ø 400 mm

-

Động cơ giảm tốc: 24V DC

-

Cảm biến: Cảm biến vật cản hồng ngoại và cảm biến khe.
 Cảm biến khe: 914C-1 404 Ê-SPX5Z0 là một bộ phận tín hiệu từ tia
hồng ngoại nó phát ra. Là bộ phận để hiểu kích thước cũng như chất
liệu giấy. Bao gồm một bên thu và một bên phát. Bình thường thì đầu
phát trực tiếp đến đầu thu thì Output là 0. Khi có vật cản giữ thì đầu
thu không nhận được Output là 1.

-

Bộ truyền động: Xi lanh khí nén, bạc đạn, dây xích, bánh rang…

 Bản vẽ thiết kế


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/37

Hình 3.28:
3.2 Bản thiết kế tổng quát
Sau khi thiết kế chi tiết từng khối. Tiến hành xắp xếp các khối lại với nhau sao cho
đảm bảo sự chính xác của các khâu và đạt được độ thẩm mĩ cao.

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 22/37

Hình 3.28:

3.3 Thiết kế mô hình
3.3.1 Thi công tủ điện
 Bản vẽ


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 23/37

Hình 3.28:


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 24/37

Hình 3.28:
 Thi công tủ điện