Tài liệu Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động Người hướng dẫn: TS. ĐẶNG PHƯỚC VINH Người duyệt: TS. NGÔ THANH NGHỊ Sinh viên thực hiện: HOÀNG VĂN DUY HOÀNG ANH TUẤN Số thẻ sinh viên : 101150161 101150194 Lớp: 15CDT1 Đà Nẵng, 12/2019 Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động - Sinh viên thực hiện: Hoàng Văn Duy MSSV: 101150161 Lớp: 15CDT1 Hoàng Anh Tuấn Lớp: 15CDT1 MSSV: 101150194 - GV hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh - GV duyệt: TS. Ngô Thanh Nghị 1. Nhu cầu thực tế đề tài: - Xã hội ngày càng phát triển, đời sống người dân ngày càng được cải thiện. Do đó nhu cầu ăn uống của người dân củng ngày càng được nâng cao. Chính vì vậy mà những năm gần đây nhu cầu sử dụng các loại thực phẩm đóng gói, nước uống đóng chai (như cocacola, pepsi, trà xanh, nước ép trái cây,...) ngày càng tăng lên đáng kể, không chỉ vậy trong các lĩnh vực công nghiệp, y tế,… cũng cần có những sản phẩm chứa trong bình, chai, lọ,… do đó sự ra đời và phát triển của ngành công nghiệp chiết rót chai tự động là điều tất yếu. - Hệ thống chiết rót chai tự động là chiết một thể tích nhất định chất lỏng và rót 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 yêu cầu năng suất cao, nghiêm ngặt về vệ sinh an toàn thực phẩm. Tùy theo tính chất của chất lỏng, các máy chiết rót sẽ có cấu tạo và cách hoạt động khác nhau. 2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài: - Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động. - Nghiên cứu và ứng dụng lập trình PLC điều khiển tự động hệ thống. - Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm thiết kế cơ khí, điện và khí nén ứng dụng vào việc thiết kế và chế tạo mô hình có khả năng ứng dụng thực tế. - Xây dựng hệ thống có thể cho phép lựa chọn các thông số theo yêu cầu thực tiễn với độ chính xác cho phép. - Ứng dụng các kiến thức đã được học và tìm hiểu bên ngoài vào việc thiết kế và chế tạo hệ thống. 3. Nội dung đề tài đã được thực hiện: - Số trang thuyết minh: 70 trang - Số bản vẽ: 5 bản vẽ A0 - Mô hình: 1 4. Kết quả đạt được: - Phần lý thuyết: SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh i Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động + Thiết kế cơ khí hệ thống bằng phần mềm Solidwork. + Lập trình điều khiển hệ thống bằng phần mềm STEP 7 MICRO/WIN. + Lý thuyết về bộ điều khiển PLC, động cơ DC giảm tốc, xy lanh khí nén, rơ-le, van điện từ khí nén. + Nghiên cứu, tìm hiểu và điều khiển các cơ cấu xy lanh khí nén. - Phần tính toán, thiết kế: + Thiết kế và chế tạo phần cơ khí. + Thiết kế và thi công các mạch điền khiển. + Đã chế tạo thành công mô hình hoạt động tương đối ổn định. SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh ii Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: HOÀNG VĂN DUY Số thẻ sinh viên: 101150161 HOÀNG ANH TUẤN Số thẻ sinh viên: 101150194 Lớp:15CDT1 Khoa: Cơ Khí Ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử 1. Tên đề tài đồ án: Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động. 2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện 3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: Tham khảo tài liệu thực tế 4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Chương 1: Tổng quan về đề tài. Chương 2: Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí. Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển. Chương 4: Kết luận. 5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): Bản vẽ tổng thể hệ thống: 1 A0 Bản vẽ sơ đồ động : 1 A0 Bản vẽ sơ đồ mạch điện: 1 A0 Bản vẽ lưu đồ thuật toán: 1 A0 Bản vẽ các cụm chi tiết: 1 A0 6. Họ tên người hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh 7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 25/08/2019 8. Ngày hoàn thành đồ án: 15/12/2019 Trưởng Bộ môn …………………….. Đà Nẵng, ngày 25 tháng 08 năm 2019 Người hướng dẫn TS. Đặng Phước Vinh SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh iii Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa là một nhân tố đóng vai trò quan trọng. Nhờ có tự động hóa trong công nghiệp, các nhà máy đã và đang trở nên hiệu quả hơn trong việc sử dụng năng lượng, nguyên vật liệu và nguồn nhân lực. Tự động hóa trong công nghiệp là việc sử dụng các hệ thống quản lý như máy tính, robot và công nghệ thông tin để điều khiển các loại máy móc và quy trình sản xuất khác nhau trong công nghiệp. Sau cơ khí hóa, tự động hóa chính là bước thứ hai trong trong quá trình công nghiệp hóa. Ngày nay, nhu cầu sử dụng các sản phẩm đóng gói, đóng chai ngày càng phổ biến. Để đạt được hiểu quả cao trong việc sản xuất các sản phầm này thì không thể thiếu các dây chuyền, hệ thống sản xuất tự động. Các hệ thống này thường được điều khiển bởi bộ lập trình PLC, là bộ lập trình được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp bởi những tính năng ưu việt của nó. Với các tiêu chuẩn công nghiệp cao và khả năng lập trình logic mạnh, PLC là đầu não quan trọng và linh hoạt trong điều khiển tự động hóa. Vì vậy trong phạm vi hiểu biết của mình nhóm đã lựa chọn đề tài “ Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động”. Trong quá trình thực hiện đồ án cùng với sự nỗ lực của bản thân và áp dụng những kiến thức được trang bị ở trường, chúng em đã có nhiều cố gắng để hoàn thành tốt nhất đồ án này. Tuy nhiên do kiến thức và khả năng còn có hạn nên khó tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và giúp đỡ chân thành của các thầy cô khoa Cơ khí cũng như của các bạn sinh viên để đồ án được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Đặng Phước Vinh đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Đà Nẵng, ngày 15 tháng 12 năm 2019 Nhóm sinh viên thực hiện Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh iv Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động CAM ĐOAN Chúng tôi xin cam đoan: Những nội dung trong đồ án này là do chúng tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo TS. Đặng Phước Vinh. Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian dối, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Nhóm sinh viên thực hiện Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh v Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động MỤC LỤC TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................ i NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ....................................................................... iii LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................... iv CAM ĐOAN ............................................................................................................... v MỤC LỤC ................................................................................................................. vi DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ ..................................................................viii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG.............................................................. 2 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống tự động hóa.......................................................... 2 1.1.1. Tổng quan ................................................................................................... 2 1.1.2. Đặc điểm và phân loại ................................................................................. 3 1.1.3. Các bộ điều khiển dùng trong tự động hóa ................................................... 4 1.2. Hệ thống chiết rót chai tự động .......................................................................... 6 1.2.1. Giới thiệu chung .......................................................................................... 6 1.2.2. Đặc điểm ..................................................................................................... 7 1.3. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................... 8 1.4. Cấu trúc đồ án.................................................................................................... 9 Chương 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ .......................... 11 2.1. Kết cấu của hệ thống........................................................................................ 11 2.2. Băng tải ........................................................................................................... 12 2.3. Cơ cấu bơm nước............................................................................................. 18 2.3.1. Tính chọn động cơ bơm nước .................................................................... 18 2.3.2. Tính chọn xy lanh khí nén ......................................................................... 19 2.4. Mâm xoay........................................................................................................ 21 2.5. Cơ cấu cấp nắp tự động.................................................................................... 23 2.6. Cơ cấu đóng và vặn nắp chai ........................................................................... 27 2.7. Cơ cấu đẩy và gắp chai .................................................................................... 29 2.8. Cơ cấu đẩy thùng ............................................................................................. 31 2.9. Hệ thống cơ khí ............................................................................................... 32 Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ................. 35 3.1. Sơ đồ hoạt động của hệ thống .......................................................................... 35 3.2. Thiết bị đầu vào và ra ...................................................................................... 35 3.2.1. Tính toán và lựa chọn thiết bị .................................................................... 35 SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh vi Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động 3.2.2. Cảm biến khoảng cách hồng ngoại E18-D80NK ........................................ 39 3.2.3. Cảm biến KEYENCE LR – ZB100N ......................................................... 40 3.2.4. Van điện từ khí nén Airtac 4V210 – 08 ..................................................... 41 3.2.5. Rơ-le MY2N – 24VDC 8 chân dẹt OMRON ............................................. 43 3.3. Bộ điều khiển lập trình PLC ............................................................................ 45 3.3.1. Giới thiệu .................................................................................................. 45 3.3.2. Điều khiển dùng PLC ................................................................................ 46 3.3.3. Lựa chọn bộ điều khiển lập trình PLC ....................................................... 47 3.3.3. PLC Simens S7-200 CPU 224 DC/DC/DC ................................................ 48 3.4. Sơ đồ điện hệ thống điều khiển ........................................................................ 53 3.5. Lưu đồ thuật toán............................................................................................. 54 Chương 4: KẾT LUẬN............................................................................................ 58 4.1. Kết quả đạt được.............................................................................................. 58 4.2. Hạn chế ........................................................................................................... 58 4.3. Hướng phát triển .............................................................................................. 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 59 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 61 SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh vii Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng 2. 1: Góc mái một số dạng vật liệu di chuyển. .............................................. 14 Bảng 2. 2: Hệ số dốc băng tải. ............................................................................... 15 Bảng 2. 3: Thông số kỹ thuật động cơ DC giảm tốc JGB 37 – 520......................... 16 Bảng 2. 4: Thông số động cơ bơm nước DC 385. .................................................. 19 Bảng 2. 5: Thông số kỹ thuật xy lanh 1 và 2. ......................................................... 21 Bảng 2. 6: Thông số kỹ thuật động cơ DC giảm tốc ZHENG ZS-RI179i. .............. 23 Bảng 2. 7: Thông số kỹ thuật xy lanh chặn. ........................................................... 23 Bảng 2. 8: Thông số kỹ thuật của lò xo. ................................................................. 25 Bảng 2. 9: Thông số kỹ thuật động cơ DC giảm tốc GM37. ................................... 29 Bảng 2. 10: Thông số kỹ thuật xy lanh 4 và 5. ....................................................... 29 Bảng 2. 11: Thông số kỹ thuật xy lanh 6, 7, 8, 9. ................................................... 31 Bảng 2. 12: Thông số kỹ thuật xy lanh 10. ............................................................. 32 Bảng 3. 1: Thông số kỹ thuật cảm biến khoảng cách hồng ngoại E18-D80NK....... 40 Bảng 3. 2: Thông số kỹ thuật cảm biến KEYENCE LR – ZB100N........................ 41 Bảng 3. 3: Thông số kỹ thuật van điện từ khí nén Airtac 4V210 -08. ..................... 43 Bảng 3. 4: Thông số kỹ thuật Rơ-le MY2N – 24VDC 8 chân OMRON. ................ 44 Bảng 3. 5: So sánh phương pháp điều khiển PLC và Rơ-le. ................................... 45 Bảng 3. 6: So sánh PLC Mitsubishi và Siemen. ..................................................... 47 Bảng 3. 7: Thông số kỹ thuật của PLC S7-200 CPU 224 DC/DC/DC. ................... 49 Hình 1. 1: Tự động hóa trong sản xuất. .................................................................... 2 Hình 1. 2: Bộ điều khiển PID vòng lặp khép kín có dòng phản hồi. ......................... 4 Hình 1. 3: Hệ thống chiết rót đóng chai tự động công ty VERALL. ......................... 7 Hình 1. 4: Dây chuyền sản xuất hiện đại đạt tiêu chuẩn châu Âu của Satori............. 9 Hình 2. 1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống. ...................................................... 11 Hình 2. 2: Sắt V lỗ ................................................................................................. 12 Hình 2. 3: Băng tải PVC ........................................................................................ 13 Hình 2. 4: Động cơ DC giảm tốc JGB37 – 520. ..................................................... 16 Hình 2. 5: Cấu tạo của băng tải. ............................................................................. 17 Hình 2. 6: Động cơ bơm nước DC 385. ................................................................. 19 Hình 2. 7: Cấu tạo xy lanh loại 1 chiều. ................................................................. 20 Hình 2. 8: Xy lanh khí nén hãng Airtac.................................................................. 20 Hình 2. 9: Cấu tạo cơ cấu bơm nước. ..................................................................... 21 SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh viii Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động Hình 2. 10: Cấu tạo cơ cấu mâm xoay. .................................................................. 22 Hình 2. 11: Cấu tạo cơ cấu chặn mâm xoay. .......................................................... 23 Hình 2. 12: Cấu tạo cơ cấu cấp nắp........................................................................ 24 Hình 2. 13: Thông số kỹ thuật của lò xo. ............................................................... 25 Hình 2. 14: Thanh gạt nắp chai. ............................................................................. 25 Hình 2. 15: Cấu tạo cơ cấu cấp phôi (nắp) tự động. ............................................... 26 Hình 2. 16: Cơ cấu đóng và vặn nắp chai. .............................................................. 28 Hình 2. 17: Đầu vặn nắp chai................................................................................. 28 Hình 2. 18: Xy lanh đôi TN16X40 – S................................................................... 29 Hình 2. 19: Cơ cấu đẩy và gắp chai. ...................................................................... 30 Hình 2. 20: Cấu tạo cơ cấu đẩy thùng. ................................................................... 31 Hình 2. 21: Hệ thống cơ khí. .................................................................................. 32 Hình 2. 22: Mô hình thực tế. .................................................................................. 33 Hình 3. 1: Sơ đồ hoạt động của hệ thống. .............................................................. 35 Hình 3. 2: Cảm biến quang .................................................................................... 36 Hình 3. 3: Cơ chế hoạt động của Rơ-le trung gian (tiếp điểm). .............................. 38 Hình 3. 4: Cảm biến khoảng cách hồng ngoại E18-D80NK. .................................. 39 Hình 3. 5: Cảm biến KEYENCE LR – ZB100N. ................................................... 40 Hình 3. 6: Cấu tạo và ký hiệu của van điện từ khí nén 5/2...................................... 41 Hình 3. 7: Van điện từ khí nén Airtac 4V210 – 08. ................................................ 43 Hình 3. 8: Rơ-le MY2N – 24VDC 8 chân dẹt OMRON. ........................................ 43 Hình 3. 9: Sơ đồ điều khiển PLC. .......................................................................... 46 Hình 3. 10: Bộ lập trình PLC S7-200 CPU 224 DC/DC/DC. ................................. 48 Hình 3. 11: Sơ đồ chân giao tiếp CPU 224 DC/DC/DC ......................................... 49 Hình 3. 12: Sơ đồ kết nối RS – 232/PPI. ................................................................ 51 Hình 3. 13: Sơ đồ chân cổng truyền thông. ............................................................ 51 Hình 3. 14: Giao diện phần mềm STEP 7-MICRO/WIN. ....................................... 52 Hình 3. 15: Sơ đồ điện hệ thống điều khiển. .......................................................... 53 Hình 3. 16: Sơ đồ chân I/O. ................................................................................... 53 SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh ix Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động MỞ ĐẦU Mục đích: Thiết kế chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động nhằm ứng dụng hệ thống tự động hóa vào trong công nghiệp, nó sẽ làm tăng năng suất và tránh nhưng sai sót có thể xảy ra trong quá trình sản xuất. Mục tiêu đề tài: Thực hành các kiến thức về thiết kế cơ khí, gia công cơ khí, lập trình điều khiển PLC,… đã học trong thời gian qua vào thực tế, nhằm củng cố lại kiến thức hỗ trợ cho việc đi làm sau này. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu: a) Phạm vi: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động. Hệ thống bao gồm những phần chính như: băng tải, cơ cấu bơm nước, mâm xoay, cơ cấu cấp nắp tự động, cơ cấu vặn nắp, cơ cấu gắp chai, cơ cấu đẩy thùng. b) Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống sản xuất tự động, bộ lập trình điều khiển PLC. c) Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu đặc điểm sản xuất và lập trình điều khiển hệ thống. d) Nghiên cứu thiết kế: Tính toán, thiết kế cơ cấu cơ khí, lập trình điều khiển. e) Chế tạo: Dựa vào kết quả tính toán và thiết kế sau đó tiến hành thi công chế tạo mô hình. Thuyết minh gồm có 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về đề tài. Chương 2: Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí. Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển. Chương 4: Kết luận. SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 1 Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống tự động hóa 1.1.1. Tổng quan - Tự động hóa hoặc điều khiển tự động, là việc sử dụng nhiều hệ thống điều khiển cho các thiết bị hoạt động như máy móc, xử lý tại các nhà máy, nồi hơi, lò xử lý nhiệt, chuyển mạch trong mạng điện thoại, chỉ đạo và ổn định của tàu, máy bay và các ứng dụng khác với sự can thiệp của con người là tối thiểu hoặc giảm. Một số quy trình đã được hoàn toàn tự động. Hình 1. 1: Tự động hóa trong sản xuất. - Lợi ích lớn nhất của tự động hóa là nó tiết kiệm lao động, ngoài ra nó cũng được sử dụng để tiết kiệm năng lượng, nguyên vật liệu và nâng cao chất lượng với độ chính xác cao. - 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 những phương tiện khác nhau bao gồm cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính. Các hệ thống phức tạp như các nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thường kết hợp chúng với nhau. SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 2 Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động - Hệ thống tự động hóa đang ngày càng thể hiện được vai trò quan trọng của mình trong các quá trình chế tạo, sản xuất, lắp ráp, đóng gói và kiểm tra sản phẩm trong các nhà máy hiện đại. 1.1.2. Đặc điểm và phân loại a) Đặc điểm - Các ưu điểm chính của tự động hóa là: + Tăng thông lượng, năng suất. + Cải thiện chất lượng sản phẩm. + Cải thiện thống nhất quy trình hay sản phẩm. + Tăng tính nhất quán của đầu ra. + Giảm chi phí nhân công. - Các phương pháp sau đây thường được sử dụng để nâng cao năng suất, chất lượng: + Cài đặt tự động hóa trong các hoạt động để giảm thời gian chu kỳ. + Cài đặt tự động với một mức độ chính xác cao là cần thiết. + Thay thế công việc khai thác của con người trong các công việc có liên quan đến thể chất hay đơn điệu cứng. + Thay thế con người trong công việc thực hiện trong môi trường nguy hiểm (nhiệt độ cao, hóa chất, núi lửa, cơ sở hạt nhân, dưới nước,…). + Thực hiện nhiệm vụ vượt quá khả năng của con người về kích thước, trọng lượng, tốc độ, sức chịu đựng,… + Cải thiện kinh tế: Tự động hóa có thể cải thiện kinh tế của các doanh nghiệp, xã hội. Ví dụ, khi một doanh nghiệp đầu tư tự động hóa, công nghệ phục hồi đầu tư hay làm tăng thu nhập của mình do tự động hóa như Đức hay Nhật Bản trong thế kỷ 20. + Giảm thời gian hoạt động và thời gian xử lý công việc đáng kể. + Giải phóng người lao động để đảm nhiệm vai trò khác. + Cung cấp công việc ở cấp cao hơn trong việc phát triển, triển khai, bảo trì và hoạt động của các quá trình tự động. - Những khó khăn chính của tự động hóa là: + Các mối đe dọa an ninh, dễ bị tổn thương: Một hệ thống tự động có thể có một mức giới hạn của trí thông minh, và vì thế dễ bị mắc lỗi bên ngoài phạm vi trước mắt của mình về kiến thức. + Không thể đoán trước, chi phí phát triển quá mức: Các nghiên cứu và phát triển chi phí của tự động hoá có thể vượt quá chi phí định mức của quá trình. SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 3 Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động + 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) Phân loại - Các dây chuyền tự động với sự xuất hiện của robot, xe tự hành AGV, băng tải công nghiệp, hệ thống cấp phôi tự động tạo ra nhiều phương án linh hoạt với nhiều lựa chọn cho các nhà máy. Từ đó ứng dụng vào nhiều công đoạn khác nhau trong quá trình tạo ra sản phẩm. Có thể tạm thời phân ra các loại dây chuyền theo từng mục đích sử dụng như sau: + Dây chuyền sản xuất tự động (sản xuất bánh kẹo, linh kiện điện tử,…). + Dây chuyền lắp ráp tự động (lắp ráp ô tô, lắp ráp điện thoại,…). + Dây chuyền đóng gói tự động (đóng gói sản phẩm, đóng gói thùng carton,...). + Dây chuyền kiểm tra tự động (kiểm tra chất lượng sản phẩm, QC,...). 1.1.3. Các bộ điều khiển dùng trong tự động hóa a) Bộ điều khiển gián đoạn (on/off) - Một trong những bộ điều khiển đơn giản nhất là điều khiển on/off. Ví dụ để điều khiển các thiết bị nhiệt trong gia đình chẳng hạn như nồi cơm điện, nó cần một cái rơle nhiệt để đóng và ngắt điện. Trong Rơ-le nhiệt có một lò xo đàn hồi, khi nhiệt độ tăng lên lò xo sẽ bị giãn nở ra, dựa vào đặc tính trên người ta có thể tạo ra chức năng đóng ngắt dòng điện khi nhiệt độ tăng đến một mức mong muốn. Loại điều khiển này có thể thuộc một trong hai kiểu điều khiển vòng lặp mở và điều khiển vòng lặp kín. - Điều khiển trình tự, trong đó một chuỗi lập trình của riêng rẽ các hoạt động được thực hiện, thường dựa trên logic hệ thống có liên quan đến trạng thái của hệ thống. - Các loại tiên tiến của tự động hóa, cách mạng hóa sản xuất, máy bay, thông tin liên lạc và các ngành công nghiệp khác, là điều khiển phản hồi, mà thường liên tục và liên quan đến việc lấy số đo bằng cách sử dụng một cảm biến và điều chỉnh tính toán để giữ cho các biến đo lường trong phạm vi bộ điều khiển. b) Bộ điều khiển PID Hình 1. 2: Bộ điều khiển PID vòng lặp khép kín có dòng phản hồi. SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 4 Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID sẽ là bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống, trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống. c) Bộ điều khiển tự động tuần tự và điều khiển tuần tự logic - Điều khiển tuần tự có thể là một chuỗi cố định hay logic sẽ thực hiện các hành động khác nhau tùy thuộc vào trạng thái hệ thống khác nhau. Một ví dụ về một chuỗi điều chỉnh nhưng nếu không cố định là một bộ đếm thời gian trên một máy tưới cỏ. - Một sự phát triển sớm của điều khiển liên tục là chuyển tiếp, do đó rơle điện tham gia tiếp xúc điện có thể bắt đầu hoặc ngắt điện đến một thiết bị. Rơ-le đầu tiên được sử dụng trong các mạng điện, khi được phát triển để kiểm soát các thiết bị khác, chẳng hạn như khi khởi động và dừng động cơ điện công nghiệp lớn hoặc đóng mở van solenoid. Sử dụng rơ-le cho mục đích kiểm soát cho phép kiểm soát hướng hành động, nơi các hành động có thể được kích hoạt theo trật tự nào đó, để đáp ứng với các sự kiện bên ngoài.Ví dụ liên quan đến việc duy trì chuỗi an toàn cho các thiết bị như điều khiển cầu swing, nơi một tia khóa cần thiết để được tự do trước khi cầu có thể được di chuyển, và các tia khóa có thể không được phát hành cho đến khi cửa an toàn đã bị đóng cửa. - Thường khoá liên động được thêm vào một mạch điều khiển. Giả sử rằng các động cơ trong ví dụ này là cung cấp năng lượng, máy móc mà có một nhu cầu quan trọng để bôi trơn. Trong trường hợp này một khóa liên động có thể được thêm vào để đảm bảo rằng các máy bơm dầu đang chạy trước khi động cơ bắt đầu. Timers, công tắc giới hạn và mắt điện là những yếu tố phổ biến khác trong mạch điều khiển. - Van điện từ được sử dụng rộng rãi trong khí nén hoặc chất lỏng thủy lực để cấp nguồn cho thiết bị truyền động vào các thành phần cơ khí. Trong khi động cơ được sử dụng để cung cấp chuyển động quay liên tục, cơ cấu truyền động thường là một lựa chọn tốt hơn, không liên tục tạo ra một phạm vi giới hạn của chuyển động cho một thành phần cơ khí, chẳng hạn như di chuyển cánh tay cơ khí khác nhau, mở hoặc đóng các van. SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 5 Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động d) Bộ điều khiển dùng máy tính - Máy tính có thể thực hiện cả hai điều khiển liên tục và kiểm soát thông tin phản hồi, và thường là một máy tính duy nhất sẽ làm cả hai trong một ứng dụng công nghiệp. Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) là một loại vi xử lý có mục đích đặc biệt thay thế nhiều các thành phần như giờ và trình tự trống được sử dụng trong hệ thống. Máy tính điều khiển quá trình nhằm mục đích chung đã ngày càng thay thế điều khiển riêng lẻ, với một máy tính duy nhất có thể thực hiện các hoạt động của hàng trăm bộ điều khiển. Máy tính điều khiển quá trình có thể xử lý dữ liệu từ một mạng lưới các PLC, dụng cụ và các bộ điều khiển để thực hiện các điển hình (như PID) kiểm soát của nhiều biến số cá nhân hoặc trong một số trường hợp, để thực hiện điều khiển phức tạp thuật toán sử dụng nhiều đầu vào và các thao tác toán học. Họ cũng có thể phân tích dữ liệu và tạo ra thời gian thực, hiển thị biểu đồ cho các nhà khai thác thực hiện các báo cáo cho các nhà khai thác, các kỹ sư và quản lý. - Kiểm soát của một máy rút tiền tự động (ATM) là một ví dụ về một quá trình tương tác, trong đó một máy tính sẽ thực hiện một chuỗi logic đáp ứng với các lựa chọn người sử dụng dựa trên thông tin lấy từ một cơ sở dữ liệu trên hệ thống. Quá trình ATM có điểm tương đồng với các quy trình giao dịch trực tuyến khác. Các câu trả lời hợp lý khác nhau được gọi là kịch bản. Quá trình như vậy thường được thiết kế với việc sử dụng các sơ đồ, trong đó có văn bản hướng dẫn của các mã phần mềm. 1.2. Hệ thống chiết rót chai tự động 1.2.1. Giới thiệu chung - Hiện nay, với công nghệ hiện đại, rất nhiều quy trình công nghiệp được tự động hóa. Trong đó dây chuyền chiết rót chai tự động là một trong những hệ thống được sử dụng rất phổ biến và rộng rãi. Một hệ thống sản xuất các chất lỏng đóng chai thường được phân chia thành nhiều khâu nối tiếp nhau. Một quy trình khép kín có thể được mô tả như sau: - Sau khi được rửa sạch, các chai được băng tải đưa đến hệ thống rót liệu , tới vị trí khâu cấp chai, các chai được đưa vào hệ thống băng tải, trước tiên được cho 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 rót, để đảm bảo có thể bố trí các cơ cấu cơ khí để kẹp giữ chai. Tại đây, chất lỏng được chiết vào chai theo các phương pháp khác nhau như: chiết đẳng áp, chiết đẳng tích, chiết định lượng,… Khi chiết xong, chai được băng tải vận chuyển đến vị trí đóng nắp chai. Khâu đóng nắp bao gồm cơ cấu cấp nắp và đóng nắp. Cơ cấu đóng có thể là xylanh (với nút dập) hoặc motor (với nút vặn). SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 6 Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động Hình 1. 3: Hệ thống chiết rót đóng chai tự động công ty VERALL. - Sau khi đóng xong nắp, là khâu dán nhãn, đây có thể được coi là khâu đơn giản nhất trong hệ thống đóng chai. Cơ cấu keo bôi 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 khâu 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 nắp, dán nhãn đạt yêu cầu…) Sau khi kiểm tra sẽ qua cơ cấu phân loại, 1 tay gạt sẽ loại bỏ chai sang 1 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 chiết chai được tự động hóa hoàn toàn. 1.2.2. Đặc điểm Với một quy trình khép kín như vậy thì vai trò của ngành sản xuất chiết rót mang lại không hề nhỏ: - 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 chia mỗi giờ, tùy theo dung tích của chai. - Giảm số lượng và chi phí nhân công: Hệ chống chiết rót đã hoạt động một cách tự động dẫn đến công việc ít hơn và đơn giản hơn cho phép cần ít công nhân hơn, tùy theo dung tích của chai. - Sự an toàn: Bằng việc tự động hóa các hoạt động và chuyển người vận hành máy từ vị trí tham gia tích cực sang vai trò đốc công, công việc trở nên an toàn hơn. SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 7 Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động - Nâng cao chất lượng sản phẩm: Hệ thống chiết rót không 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 đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu rất cao. Ngoài ra, củng cần có chi phí cho việc đào tạo nhân công vận hành các loại thiết bị, máy móc hiện đại và phức tạp. 1.3. Tính cấp thiết của đề tài - Xã hội ngày càng phát triển, đời sống người dân ngày càng được nâng cao. Do đó nhu cầu ăn uống của người dân củng được nâng cao. Chính vì vậy mà những năm gần đây nhu cầu về các loại thực phẩm đóng gói, nước uống đóng chai (như cocacola, pepsi, trà xanh, nước ép trái cây,...) ngày càng tăng lên đáng kể, không chỉ vậy trong các lĩnh vực công nghiệp, y tế,… củng cần có những sản phẩm chứa trong chai, bình lọ,… do đó sự ra đời và phát triển của ngành công nghiệp chiết rót nước và đóng nắp chai tự động là điều tất yếu. - Hệ thống chiết rót tự động là chiết một thể tích nhất định chất lỏng và rót 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 yêu cầu năng suất cao, nghiêm ngặt về vệ sinh an toàn thực phẩm. Tùy theo tính chất của chất lỏng, các máy chiết rót sẽ có cấu tạo và cách hoạt động khác nhau. - Theo đánh giá của nhiều hệ thống bán lẻ, thực phẩm và đồ uống là 2 ngành có sự ổn định tăng trưởng hàng đầu tại siêu thị. Đây đều là những ngành cung cấp nhu yếu phẩm hàng ngày và trực tiếp cho người tiêu dùng. - Cứ 10 giỏ hàng ở siêu thị sẽ có 4-5 giỏ hàng xuất hiện các sản phẩm nước đóng chai, đánh giá của giám đốc marketing của một hệ thống bán lẻ tại TP.HCM cho thấy sức nóng tăng trưởng của lĩnh vực này. - Bên cạnh các sản phẩm cung cấp năng lượng như nước trái cây, sản phẩm đóng chai hỗn hợp thì nước tinh khiết bắt đầu có sự chuyển dịch mạnh do nhu cầu sử dụng nước có chất lượng tốt tăng lên. Trước đây người dân quan niệm, nước tinh khiết đóng chai cũng là nước, mua ở đâu cũng như nhau. Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ, khả năng sản xuất ra các sản phẩm giữ được khoáng chất tốt cho sức khoẻ đã khiến người tiêu dùng bắt đầu thay đổi quan điểm. - Khảo sát vào năm 2015 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, còn đồ uống có ga đạt khoảng 22%. Nước uống đóng chai sẽ tăng nhanh nhất do người tiêu dùng có xu SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 8 Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động 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 đã thúc đẩy thêm nhiều doanh nghiệp tham gia vào lĩnh vực này. Mới đây nhất, nhà máy nước thương hiệu Satori với quy mô 30.000m2 (tại Khu công nghiệp Long Hậu, Long An). Với công suất dây chuyền sản xuất nước tinh khiết đạt 10,000 chai/ 1 giờ cho dòng sản phẩm nước đóng chai, 450 bình/ 1 giờ cho dòng sản phẩm nước đóng bình 20L, đáp ứng được khoảng 20 – 30% nhu cầu thị trường nước hiện tại. Với 4 dung tích là 350 ml, 500 ml, 1,5 lít và 20 lít. Hình 1. 4: Dây chuyền sản xuất hiện đại đạt tiêu chuẩn châu Âu của Satori. 1.4. Cấu trúc đồ án Đồ án gồm có 4 chương, bao gồm: Chương 1: Giới thiệu đề tài - Giới thiệu tổng quan đề tài - Tính cấp thiết của đề tài Chương 2: Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí - Thiết kế cơ khí cho từng cơ cấu của hệ thống như: + Băng tải + Mâm xoay + Cơ cấu cấp nắp tự động + Cơ cấu đóng và vặn nắp + Cơ cấu đẩy và gắp chai + Cơ cấu đẩy thùng SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 9 Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động + Bố trí các cơ cấu để được một hệ thống hoàn chỉnh - Tính toán, thiết kế hệ thống truyền động cho từng cơ cấu + Lựa chọn phương án truyền động cho từng cơ cấu + Tính chọn động cơ + Tính chọn xy lanh Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển - Tính toán, thiết kế sơ đồ mạch điều khiển - Lựa chọn bộ điều khiển - Lựa chọn các loại cảm biến - Lựa chọn các loại van khí nén, rơ-le - Xây dựng lưu đồ thuật toán - Lập trình điều khiển hệ thống SVTH: Hoàng Văn Duy – Hoàng Anh Tuấn GVHD: TS. Đặng Phước Vinh 10