Đồ án Thiết kế chế tạo hệ thống giám sát quá trình chiết rót và đóng nắp chai tự động

.....................................................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................................

Nghệ An, ngày…..tháng 05 năm 2017

Người nhận xét

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CHIẾT RÓT, VẶN NẮP CHAI

1.1. Tổng quan về dây chuyền

1.1.1. Phạm vi áp dụng

Cơ sở sản xuất sữa, sữa tươi, sữa chưa và các loại nước uống tinh khiết

đóng chai hoặc nước khoáng hoặc các loại nước uống không ga khác. Chai nước

sử dụng: Loại chai PET có dung tích từ250ml đến 2250ml.

1.1.2. Yêu cầu thiết kế

• Điện áp sử dụng: 1 pha 220V, 50Hz hay 3 pha 380V, 50 Hz. Dòng tải:

Tùy theo công suất bơm sử dụng và các thiết bị ngoại vi khác, thông

thường không nhỏ hơn 5A.

• Các biện pháp an toàn điện: Hệ thống được thiết kế ELCB chống giật trên

toàn hệ thống và các thiết bị điện khác đạt chuẩn CE. Nút tắt khẩn cấp khi

có sự cố xảy ra.

• Khung sườn thiết bị: Được thiết kế bằng thép không gỉ SS304 hoặc

SS316, chịu được lực rung lớn.

• Ống dẫn nước: Ống chịu áp lực cao bằng PVC hoặc bằng thép không gỉ

304 (tùy theo yêu cầu thiết kế), đảm bảo an toàn vệ sinh, không đóng cặn,

gỉ sét và gây ra các nấm mốc vi sinh.

• Các thiết bị lọc sữa: Vật tư, thiết bị lọc đạt chuẩn.

Hình 1.1 Hệ thống chiết rót, đóng nắp sữa

Hình1.2 Thiết bị chiết rót sữa

1.1.3. Các chức năng chính của hệ thống

• Hệ thống kết hợp 3 máy xúc rửa, chiết rót và đóng nắp thành 1 dây

chuyền thống nhất.

• Hệ thống tiêu chuẩn: hệ thống bao gổm 3 máy rời rạc: Xúc rửa, chiết rót,

đóng nắp, nối liền với nhau thành 1 hệ thống xuyên suốt.

• Mạch điều khiển trung tâm PLC của Siemens: Điều khiển xuyên suốt hệ

thống xúc rửa, chiết rót, đóng nắp. Bảng mạch hiển thị trạng thái hoạt

động của hệ thống trên các đèn led (màu xanh). Khi có sự cố xảy ra, hệ

thống ngắt điện hoàn toàn tự động, tín hiệu âm thanh bíp bíp sẽ được phát

ra. Ngoài ra chương trình trong PLC này nhiều chức năng hơn hệ thống

tiêu chuẩn.

• Khung sườn : Được làm bằng thép không gỉ.

• Động cơ xoay vòng bằng công nghệ Đức: Các chai PET được vận chuyển

tự động trên băng chuyền xoay vòng liên tục vào hệ thống chiết rót, xúc

rửa.

• Ống dẫn nước: Bằng Inox.

• 2 chế độ hoạt động auto/manual: Giúp người sử dụng có thể kiểm tra hoạt

động của các chức năng.

1.1.4. Nguyên lý hoạt động

Hệ thống hoạt động theo các bước sau đây:

• Vỏ chai PET được đặt trên băng chuyền trước khi vào hệ thống xúc rửa

chiết rót và đóng nắp (gọi tắt là RFC).

• Nguồn nước tinh khiết từ bồn chứa được nối vào hệ thống RFC.

• Băng chuyền sẽ tự động vận chuyển chai PET vào hệ thống xúc rửa. Các

chai di chuyển xoay vòng và vào đúng vị trí vòi nước xúc rửa. Lưu ý nước

rửa có áp lực khá mạnh để rửa sạch chai PET do bơm thiết kế sẵn trong

máy phun lên.

• Sau khi rửa, chai PET sẽ được đưa vào vịtrí chiết rót, các cánh tay đòn sẽ

giữ chặt cổ chai để tránh đổc hai trong qua trinh rót. Các chai được xoay

vòng liên tục trên băng chuyền chiết rót. Máy bơm nước được thiết kế sẵn

trong máy sẽ tự động chiết rót vào bình.

• Khi bình chứa đã đầy nước, sẽ được chuyển sang vị trí đóng nắp. Nắp

bình chứa được lấp đầy trong ống chứa và được đưa vào ngay đầu chai

PET.

• Các tay đòn sẽ siết nắp chặt.

• Sau đó chai PET được chuyển trên băng tải ra ngoài.

• Bình chứa được tiếp tục chuyển đến máy bao màng co bằng (nếu có).

Hình 1.3 Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động

Do giới hạn đề tài là mô phỏng trên máy tính nên em sẽ nghiên cứu những

thiết bị phần điện tự động là chính, mô hình mô phỏng sẽ có một số điểm khác

so với hệ thống thực để thuận thiện cho việc mô phỏng.Cụ thể là dây chuyền mô

phỏng sẽ có các khâu chính là:

• Kiểm tra khuyết tật chai.

• Chiết nước vào chai.

• Đóng nắp chai.

• Đưa sang dây chuyền đóng thùng sản phẩm.

1.1.5. Các công nghệ trên dây chuyền chiết rót, đóng nắp, đóng thùng

1.1.5.1. Kiểm tra khuyết tật chai

Để kiểm tra được khuyết tật trên sản phẩm chai nhựa người ta thường

dùng các hệ thống máy hiện đại, hiện nay có không ít các nhà cung cấp thiết bị

để thực hiện quá trình này, theo kinh nghiệm và tìm hiểu thì em được biết hãng

PRESSCO TECHNOLOGY INC là nhà cung cấp dòng sản phẩm

INTELLISPEC mã CP500 thực hiện quá trình kiểm tra và phân loại và loại bỏ

chai bị hỏng không đủ yêu cầu chất lượng như:

• Chai bị móp trong lúc sản xuất hay trong quá trình vận chuyển.

• Chai dính bẩn.

Dòng sản phẩm INTELLISPEC CP500: được trang bị 2 camera bên trong

và được kết nối với hệ thống máy tính chuyên dụng được cung cấp bởi chính

nhà cung cấp. Máy có bộ nguồn UPS mắc song song với nguồnđiện nên có thể

hoạt động thêm một thời gian sau khi cúp điện.

Nguyên tắc: Camera chụp và phân tích hình ảnh từng chai, đưa tín hiệu về

máy tính xử lí với phần mền chuyên dụng được cài đặt độ nhạy theo mục đích

của yêu cầu sản phẩm và loại (Reject) các sản phẩm không đạt yêu cầu. Tốc độ

chụp của camera có thể lên đến hàng nghìn chai một phút.

Hình 1.4 Máy kiểm tra khuyết tật chai

1.1.5.2. Chiết nước vào chai

Hiện nay có khá nhiều công nghệ chiết nước vào chai, tùy loại chất lỏng

sẽ có cách chiết rót khác nhau như: Nước có ga, nước không ga, chất lỏng dạng

cô đặc. Định lượng sản phẩm lỏng là chiết một thể tích nhất định sản phẩm lỏng

và rót vào trong chai, bình, lọ, v.v.. Định lượng sản phẩm lỏng bằng máy được

sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất thực phẩm. Khi định lượng bằng

máy thì cải thiện được điều kiện vệ sinh, đảm bảo được năng suất cao và định

lượng sản phẩm một cách chính xác.

Các phương pháp định lượng chủ yếu gồm có:

• Định lượng bằng bình định mức: Chất lỏng được định lượng chính xác

nhờ bình định mức trước khi rót vào chai.

• Định lượng bằng chiết tới mức cố định: Chất lỏng được chiết tới mức cố

định trong chai bằng cách chiết đầy, sau đó lấy khối thể tích bù trừ ra khỏi

chai; khi đó mức lỏng trong chai sẽ sụt xuống một khoảng như nhau bất

kể thể tích của các chai có bằng nhau hay không. Ngoài ra còn sử dụng

ống thông hơi, chất lỏng được chiết tới khi ngập miệng ống thông hơi sẽ

dứng lại. Phương pháp nầy có độ chính xác không cao, tuỳ thuộc độ đồng

đều của chai.

• Định lượng bằng cách chiết theo thời gian: Cho chất lỏng chảy vào chai

trongkhoảng thời gian xác định, có thể xem như thể tích chất lỏng chảy là

không đổi. phương pháp nầy chỉ áp dụng cho các sản phẩm có giá tri thấp,

không yêu cầu độ chính xác định lượng.

Các phương pháp chiết rót sản phẩm gồm có:

• Phương pháp rót áp suất thường: chất lỏng tự chảy vào trong chai do

chênh lệch về độ cao thủy tĩnh. Tốc độ chảy chậm nên chỉ thích hợp với

các chất lỏng ít nhớt.

• Phương pháp rót chân không: Nối chai với một hệ thống hút chân không,

chất lỏng sẽ chảy vào trong chai do chênh áp giữa thùng chứa và áp suất

trong chai. Lượng chất lỏng chảy vào chai thông thường cũng được áp

dụng phương pháp bù trừ hoặc chiết đầy chai.

• Phương pháp rót đẳng áp: Phương pháp này được áp dụng cho các sản

phẩm có gas như bia, nước ngọt.Trong khi rót, áp suất trong chai lớn hơn

áp suất khí quyển nhằm tránh không cho ga (khí CO2) thoát khỏi chất

lỏng. Với phương pháp rót đẳng áp thông thường, người ta nạp khí CO2

vào trong chai cho đến khi áp suất trong chai bằng áp suất trong bình hứa,

sau đó cho sản phẩm từ bình chứa chảy vào trong chai nhờ chênh lệch độ

cao. Máy định lượng-chiết rót sản phẩm lỏng gồm nhiều cơ cấu rót, mỗi

cơ cấu rót được bố trí chiết cho 1 chai.

• Các cơ cấu rót có thể được bố trí thẳng hàng, làm việc cùng lúc (máy chiết

có cơ cấu chiết thẳng) hoặc bố trí trên bàn quay, làm việc tuần tự (máy

chiết bàn quay) như hình bên dưới:

Hình 1.5 Máy chiết bàn quay

1.1.5.3. Đóng nắp chai

Máy đóng nắp chai được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất đồ uống,

thức phẩm, mỹ phẩm và hóa chất công nghiệp. Máy có tác dụng đóng bao kín

các loại chai thủy tinh, nhựa, đảm bảo việc niêm phóng kín, không rò rỉ chất

lỏng ra ngoài.

Nắp chai được dẫn từ thùng chứa xuống đường dẫn đồng thời được xếp

đúng chiều, chai nước được đưa vào vị trí dập nắp và cố định để hệ thống dập

nắp hoạt động. Sau khi dập nắp chai sẽ được đưa tới bộ phận vặn nắp để chắc

chắn rằng tất cả các nắp phải được đóng kín.

Hình 1.6 Máy chiết rót và đóng nắp kiểu bàn xoay

1.1.5.4. Cảm biến dùng trong các dây chuyền chiết rót

Tại mỗi khâu chúng ta dùng cảm biến vị trí 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 loại 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 che chắn hoặc

phản xạ ánh sáng khi vật xuất hiện.

Ánh sáng do Led phát ra được hội tụ qua thấu kính. ở phần thu ánh sáng

từ thấu kính tác động đến transitor thu quang. Nếu có vật che chắn thì chùm tia

sẽ không tác động đến bộ thu được. sóng dao 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 pháp này sử dụng mạch dao động làm cho cảm

biến thu phát xa hơn và tiêu thụ ít công suất hơn.

Trên thị trường hiện nay có 3 loại cảm biến quang điện chính:Through-

beam sensors (cảm biến tia xuyên qua), Retro-reflective sensors (cảm biến phản

quang), Diffuse reflection sensor (cảm biến phản xạ khuếch tán).

Hình 1.7 Cảm biến phản quang

Trong quá khứ, đối với nhà máy bia, nước ngọt, việc phát hiện các chai

PET có chất liệu trong suốt là rất khó khăn, yêu cầu phải điều chỉnh phức tạp

cảm biến cho ứng dụng đó. Hiện nay công nghệ phát triển hơn ta có loại cảm

biến phản quang dể dàng phát hiện các vật liệu cho trai PET và thủy tinh. Một

trong số đó là bộcảm biến O5G500 và một bộ lọc phân cực cùng với lăng kính

phản xạ E20722.

1.1.5.5. Dây chuyền đóng thùng

Các máy đóng thùng chai hiện nay rất đa dạng từ thô sơ tới cực kỳ hiện

đại. tùy theo doạng sản phẩm sẽ có cách đóng gói 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 phụ thuộc vào kích thước thùng chứa, số

lượng chai gắp trong một lần cũng dễ dàng cài đặt, ví dụ như để đóng két cho

bia chai thì mỗi lần cánh tay robot có thể gắp 20 chai. Dây chuyền đóng thùng

gồm 2 băng tải, một bang tải đưa sản phẩm đến tay gắp, một băng vận chuyển

thùng, hai băng tải đặt ngang nhau. Bộ phận gắp chai đượcđiểu khiển đồng bộ

bằng khí nén.

Hình 1.8 Bộ phận gắp chai

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 chở sản phẩm chai

ở phía trên, băng tải chứa thùng phía dưới, khi số chai chạy vào khung đủ số

lượng thì phần đáy của khung mở ra để toàn bộ chai trong khung rơi xuống

thùng, các chai rơi xuống thùng đồng thời thùng được hạ xuống để giảm lực tác

động vàođáy chai, cách đóng thùng này nhanh và đơn giản hơn dùng cánh tay

Robot.

Hình 1.9 Đóng thùng kiểu “Drop”

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ SIMATIC S7-300

2.1. Giới thiệu chung

Để đáp ứng yêu cầu tự động hóa ngày càng tăng đòi hỏi kỹ thuật điều

khiển phải có nhiều thay đổi về thiết bị cũng như về phương pháp điều khiển. Vì

vậy người ta phát minh ra bộ điều khiển lập trình rất đa dạng như PLC.

Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy

trở nên nhanh nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn. Nó có thể thay thế gần như hoàn

toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống. Như vậy PLC có tính năng

ưu việt và thích hợp trong môi trường công nghiệp là:

• Khả năng chống nhiễu tốt.

• Cấu trúc dạng modul rất thuận tiện cho việc mở rộng, cải tạo nâng cấp.

• Có những modul chuyên dụng để thực hiện chức năng đặc biệt.

• Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để

xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động.

• Hiện nay trên thị trường có các loại PLC của các hãng sản xuất như:

Omron,

Mitsubishi, Siemens, ABB, Allen Bradley...

S7-300 là dòng sản phẩm cao cấp, được dùng cho những ứng dụng lớn với

những yêu cầu I/O nhiều và thời gian đáp ứng nhanh, yêu cầu kết nối mạng và

có khả năng mở rộng, nâng cấp.Ngôn ngữ lập trình đa dạng cho phép người sử

dụng có quyền chọn lựa. Đặc điểm nổi bật của S7-300 đó là ngôn ngữ lập trình

cung cấp những hàm toán đa dạng cho những yêu cầu chuyên biệt. Hoặc ta có

thể sử dụng ngôn ngữ chuyên biệt để xây dựng hàm riêng cho ứng dụng mà ta

cần.

Ngoài ra S7-300 còn xây dựng phần cứng theo cấu trúc modul, nghĩa là

đối với S7-300 sẽ có những modul tích hợp cho những ứng dụng đặc biệt.

2.1.1. Các modul PLC S7-300

Hình 2.1 Cấu hình của một trạm PLC S7-300

Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng vào thực tế phần lớn các đối tượng

điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra

khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hoá về cấu

hình. Chúng được sử dụng theo kiểu các modul, số lượng modul nhiều hay ít tuỳ

vào yêu cầu thực tế, xong tối thiểu bao giờ cũng có một modul chính là CPU,

các modul còn lại nhận truyền tín hiệu với các đối tượng điều khiển, các modul

chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ, van thuỷ khí… Chúng gọi

chung là modul mở rộng. Cấu hình của một trạm PLC S7-300 như hình 2.1.

2.1.1.1 . Modul CPU

Modul CPU là loại modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các

bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485) và có thể còn có một vài cổng

vào ra số. Các cổng vào ra số có trên modul CPU được gọi là cổng vào ra

Onboard. PLC S7_300 có nhiều loại modul CPU khác nhau. Chúng được đặt tên

theo bộ vi xử lý có trong nó như modul CPU312, modul CPU314, modul

CPU315. Những modul cùng sử dụng 1 loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về

cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong