Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng suất lao động, kiểm soát chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí vận hành. Ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống đóng chai là một trong những lĩnh vực có tốc độ tăng trưởng mạnh mẽ, đòi hỏi sự nghiêm ngặt về an toàn vệ sinh thực phẩm cùng độ chính xác cao trong quá trình định lượng, đóng gói. Theo báo cáo khảo sát năm 2015 của Euromonitor, thị trường đồ uống đóng chai toàn cầu đã đạt ngưỡng gần 170 tỉ USD và duy trì tốc độ tăng trưởng dự kiến gần 10% đến năm 2020. Trong cơ cấu ngành hàng, nước uống đóng chai chiếm thị phần vượt trội với hơn 35%, tiếp theo là đồ uống có ga với khoảng 22%. Khu vực Châu Á – Thái Bình Dương, bao gồm Việt Nam, được dự báo tiếp tục dẫn đầu thế giới về mức độ mở rộng thị trường, tạo áp lực cho các doanh nghiệp sản xuất phải nâng cấp dây chuyền tự động hóa nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu dùng.

Trước yêu cầu thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế hệ thống chiết rót và đóng nắp chai nhựa tự động sử dụng PLC S7-1200" được nhóm sinh viên ngành Cơ điện tử, Trường Cơ khí – Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS. TS Vũ Toàn Thắng (năm 2024).

Mục tiêu và yêu cầu kỹ thuật của đề tài bao gồm các nội dung cụ thể sau:

  1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thống chiết rót và đóng nắp chai nhựa tự động có cấu trúc cơ khí hợp lý, vận hành ổn định và đạt tính kinh tế cao.
  2. Thực hiện quá trình định lượng và chiết rót chất lỏng cho loại chai nhựa nắp vặn có dung tích thiết kế $V = 297\text{ ml}$.
  3. Đảm bảo năng suất làm việc của toàn hệ thống đạt mức 100 chai/giờ.
  4. Đảm bảo cơ cấu vặn nắp hoạt động chính xác, nắp chai được siết chặt và không gây biến dạng sản phẩm.
  5. Giảm thiểu tối đa sai số định lượng và sai lệch vị trí trong suốt chu trình vận hành.
  6. Xây dựng giao diện điều khiển thân thiện, cấu hình mạch điện an toàn và tối ưu hóa chương trình điều khiển trên bộ điều khiển logic lập trình (PLC).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống máy chiết rót và đóng nắp chai tự động; bao bì chai nhựa đường kính thân $\varnothing58\text{ mm}$, dung tích $297\text{ ml}$ có nắp vặn; bộ điều khiển lập trình Siemens SIMATIC S7-1200 cùng các thiết bị ngoại vi điện tử, cảm biến và cơ cấu chấp hành khí nén.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết quy trình công nghệ chiết rót; tính toán, thiết kế động học và động lực học cụm cơ khí (băng tải PVC, mâm xoay phân độ 4 vị trí, cơ cấu cấp nắp trọng lực, cơ cấu ép nắp và siết nắp bằng xi lanh khí nén); thiết kế sơ đồ mạch điện, lựa chọn thiết bị đóng cắt - bảo vệ; lập trình điều khiển hệ thống trên nền tảng phần mềm TIA Portal và thử nghiệm mô hình thực tế tại Đại học Bách khoa Hà Nội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động hóa công nghiệp và cơ sở truyền động cơ điện tử:

  • Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động: Khảo cứu các dòng thiết bị điều khiển phổ biến trong công nghiệp như bộ vi điều khiển (MCU), bộ điều khiển PID tuyến tính, bộ điều khiển logic mờ (Fuzzy logic), mạng nơ-ron nhân tạo và bộ điều khiển logic lập trình (PLC). Trong đó, PLC được lựa chọn nhờ độ tin cậy cao trong môi trường công nghiệp, khả năng mở rộng linh hoạt thông qua các module I/O và cấu trúc lập trình tiêu chuẩn.
  • Dòng điều khiển khả trình Siemens SIMATIC S7-1200: Phân tích kiến trúc CPU (từ các dòng cơ bản CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C đến CPU 1215C, CPU 1217C), hỗ trợ các ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder Diagram), FBD (Function Block Diagram) và SCL (Structured Control Language), tích hợp cổng truyền thông PROFINET/Ethernet tiêu chuẩn.
  • Nguyên lý cảm biến quang điện (Photoelectric Sensor - PES): Ứng dụng hiện tượng quang điện xảy ra tại cực cathode để biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện đóng/ngắt mạch logic khi phát hiện vật thể.
  • Cơ sở truyền động khí nén và van điện từ: Ứng dụng van đảo chiều 5/2 (5 cổng 2 vị trí) một đầu cuộn hút điện từ để điều khiển trạng thái tiến/lùi của các xi lanh khí nén tác động kép.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, khảo sát các giải pháp công nghệ chiết rót đóng nắp hiện có trên thị trường (như dây chuyền của công ty Mizuchan) và các tài liệu kỹ thuật chuyên ngành để lựa chọn cấu hình hệ thống phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán tải trọng, vận tốc và mô-men xoắn để chọn lựa động cơ điện một chiều (DC) giảm tốc cho băng tải, động cơ bước phân độ mâm xoay, bơm màng DC và xi lanh khí nén.
  • Phương pháp thiết kế mạch điện và lập trình hệ thống: Thiết lập sơ đồ kết nối I/O, thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển cách ly qua rơ-le trung gian; xây dựng thuật toán điều khiển tuần tự trên phần mềm TIA Portal.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình vật lý, kết nối phần cứng với PLC, nạp chương trình và tiến hành chạy thử nghiệm để đánh giá sai số, độ đồng bộ và năng suất thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc tổng thể và công nghệ

Hệ thống được bố trí theo dạng module liên hoàn gồm 2 tuyến băng tải đặt vuông góc với nhau và một cụm mâm xoay phân độ đặt tại vị trí trung tâm góc giao. Cấu trúc cơ điện tử gồm các phân hệ chính:

Thiết kế cơ khí chi tiết

  1. Cụm băng tải vận chuyển:

    • Sử dụng dây đai băng tải PVC có bề rộng $B = 80\text{ mm}$ (khổ thiết kế tổng thể $100\text{ mm}$), chiều dài làm việc $L = 550\text{ mm}$.
    • Khung đỡ chế tạo từ nhôm định hình kết hợp thanh thép V lỗ, đảm bảo khả năng tùy chỉnh vị trí, chống rỉ sét và tăng độ vững chắc.
    • Con lăn dẫn động có đường kính $D = 49\text{ mm}$.
    • Động cơ truyền động: Động cơ DC giảm tốc JGB37-520 (điện áp làm việc $6 - 15\text{V DC}$, định mức $12\text{V DC}$, tốc độ không tải $66\text{ vòng/phút}$, dòng không tải $60\text{ mA}$, mô-men xoắn $5\text{ kg.cm}$, tỷ số truyền $1:90$), vận hành băng tải ở tốc độ $V = 10\text{ m/phút}$ với tải trọng tính toán $1{,}5\text{ kg}$.

  2. Cụm mâm xoay phân độ 4 vị trí:

    • Kết cấu mâm xoay 2 tầng bằng vật liệu cơ khí có đường kính toàn bộ $\varnothing300\text{ mm}$, gia công 4 lỗ định vị chai đường kính $\varnothing60\text{ mm}$ (tương thích chai $\varnothing58\text{ mm}$).
    • Cơ cấu thực hiện chuyển động gián đoạn quay $90^\circ$ (1/4 vòng) cho mỗi chu kỳ chuyển trạm.
    • Động cơ phân độ: Sử dụng động cơ bước Step 57 ($57 \times 57 \times 35\text{ mm}$, điện áp $12 - 24\text{V}$, góc bước chính xác $\pm5%$, điều khiển qua Driver vi bước TB6600 có dải nguồn $9 - 42\text{V DC}$, dòng cực đại $4\text{A}$) hoặc động cơ DC giảm tốc ZHENG ZS-RI179i kết hợp công tắc hành trình để định vị góc dừng với hệ số an toàn mô-men xoắn $k \ge 3$.

  3. Cơ cấu bơm nước định lượng:

    • Bố trí tại vị trí trạm 1 của mâm xoay.
    • Sử dụng động cơ bơm màng một chiều HY 3865 / DC 385 (điện áp định mức $12\text{V DC}$, dải hoạt động $9 - 14\text{V DC}$, lưu lượng bơm $2{,}6 - 3{,}6\text{ lít/phút}$, áp lực $90\text{ PSI}$). Thời gian bơm đầy chai $297\text{ ml}$ được tính toán và cài đặt là $4\text{ giây}$.

  4. Cơ cấu cấp nắp tự động:

    • Bố trí tại trạm 2, gồm máng chứa nắp dạng rãnh nghiêng, thanh gạt nắp và thanh giữ nắp. Cụm cấp nắp đặt cao hơn mặt phẳng băng tải $140\text{ mm}$, nắp chai được định hướng và tự động gài vào miệng chai khi mâm xoay di chuyển qua vị trí gạt.

  5. Cơ cấu đóng và vặn nắp chai:

    • Bố trí tại trạm 3, kết hợp chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay độc lập:
      • Chuyển động tịnh tiến sơ bộ (đóng/ép nắp cân bằng): Dẫn động bằng xi lanh khí nén 2 ty.
      • Chuyển động tịnh tiến cụm vặn nắp: Dẫn động bởi xi lanh khí nén đôi TN10X50-S (đường kính piston $10\text{ mm}$, hành trình $50\text{ mm}$, áp suất làm việc $0{,}15 - 1{,}0\text{ MPa}$, nhiệt độ làm việc $-20^\circ\text{C}$ đến $70^\circ\text{C}$), có kết cấu chống xoay trục.
      • Chuyển động quay siết nắp: Động cơ DC giảm tốc GB37-3530 (điện áp $24\text{V DC}$, tốc độ $20\text{ vòng/phút}$, đường kính thân $37\text{ mm}$, chiều dài thân $59\text{ mm}$, trục $6\text{ mm}$, mô-men xoắn đáp ứng $\ge 2\text{ kgf.cm}$).
Bộ phận cơ khí Thông số kỹ thuật chính Thiết bị / Vật liệu lựa chọn
Băng tải cấp/thoát Dài $550\text{ mm}$, rộng $80\text{ mm}$, $V = 10\text{ m/ph}$ Băng đai PVC, nhôm định hình, thép V lỗ
Động cơ băng tải $12\text{V DC}$, $66\text{ RPM}$, mô-men $5\text{ kg.cm}$ JGB37-520 DC
Mâm xoay phân độ $\varnothing300\text{ mm}$, 4 lỗ $\varnothing60\text{ mm}$, quay $90^\circ$ Mâm 2 tầng, Động cơ Step 57x57 + Driver TB6600
Bơm định lượng Lưu lượng $2{,}6 - 3{,}6\text{ l/ph}$, áp lực $90\text{ PSI}$ Động cơ bơm DC HY 3865 / DC 385
Xi lanh ép/vặn nắp Piston $\varnothing10\text{ mm}$, hành trình $50\text{ mm}$ Xi lanh đôi TN10X50-S
Động cơ siết nắp $24\text{V DC}$, tốc độ $20\text{ RPM}$, hộp số kim loại Động cơ DC giảm tốc GB37-3530

Thiết kế hệ thống điện và điều khiển logic

  • Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens SIMATIC S7-1200, kết nối trực tiếp với máy tính thông qua chuẩn cáp Ethernet (giao thức PROFINET) trên môi trường TIA Portal.
  • Cảm biến phát hiện: Sử dụng cảm biến quang hồng ngoại tiệm cận E18-D80NK (nguồn nuôi $24\text{V DC}$, ngõ ra NPN thường mở NO, dòng tải $100\text{ mA} / 5\text{V}$, thời gian đáp ứng $< 2\text{ ms}$, khoảng cách phát hiện điều chỉnh $3 - 80\text{ cm}$, vỏ nhựa công nghiệp) để nhận diện chai rỗng tại đầu băng tải và các vị trí định vị trên mâm xoay.
  • Khí nén điều khiển: Van điện từ khí nén AIRTAC 4V210-08 (loại van $5/2$ đơn, kích hoạt cuộn hút điện $24\text{V DC}$, kích thước cổng cấp $1/4''$ ren $13\text{ mm}$, cổng xả $1/8''$ ren $9{,}6\text{ mm}$, áp suất hoạt động $0{,}15 - 0{,}8\text{ MPa}$, nhiệt độ hoạt động $-20^\circ\text{C}$ đến $70^\circ\text{C}$).
  • Khâu trung gian công suất: Rơ-le trung gian OMRON MY2N-24VDC 8 chân dẹt (điện áp cuộn dây $24\text{V DC}$, dòng điện tiếp điểm chịu tải $5\text{A}$, điện trở kháng cuộn dây $636,\Omega$, dòng cuộn $37{,}7\text{ mA}$, thời gian chuyển mạch tối đa $20\text{ ms}$, trọng lượng $35\text{ g}$).
Địa chỉ I/O Ký hiệu thiết bị Chức năng trong hệ thống
I0.0 Start Nút nhấn khởi động hệ thống
I0.1 Stop Nút nhấn dừng hệ thống
I0.2 CB1 (E18-D80NK) Cảm biến quang phát hiện chai đầu vào băng tải 1
I0.3 CB2 (E18-D80NK) Cảm biến quang định vị chai tại trạm mâm xoay

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan hệ thống

Chương 1 trình bày khái quát về vai trò của tự động hóa trong sản xuất công nghiệp, phân tích các giải pháp điều khiển phổ biến (PLC, MCU, PID, Fuzzy, Neural Network) và các tiêu chí lựa chọn bộ điều khiển. Tác giả giới thiệu tổng quan cấu tạo dây chuyền chiết rót - đóng nắp chai tự động, phân tích tính cấp thiết của đề tài thông qua các số liệu thị trường đồ uống đóng chai của Euromonitor (quy mô 170 tỉ USD năm 2015, tỷ trọng nước uống chiếm 35%). Chương này cũng khảo sát hệ thống chiết rót đóng chai thực tế của công ty Mizuchan nhằm làm cơ sở thiết lập các yêu cầu kỹ thuật cho đề tài.

Chương 2: Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí

Chương 2 tập trung vào việc tính toán động học, động lực học và thiết kế chi tiết các cơ cấu cơ khí:

  • Thiết lập sơ đồ công nghệ tổng thể gồm 2 băng tải vuông góc và mâm xoay 4 vị trí.
  • Tính toán mâm xoay 2 tầng đường kính $\varnothing300\text{ mm}$, bố trí 4 lỗ chứa chai $\varnothing60\text{ mm}$, chọn động cơ phân độ Step 57x57 kèm driver TB6600 (hoặc DC ZHENG ZS-RI179i) với hệ số an toàn $k \ge 3$.
  • Tính chọn động cơ bơm nước màng HY 3865 công suất $3{,}6\text{ lít/phút}$, áp lực $90\text{ PSI}$ đáp ứng thời gian chiết rót $4\text{ giây}$ cho chai $297\text{ ml}$.
  • Thiết kế cụm cấp nắp trọng lực cao hơn băng tải $140\text{ mm}$ gồm máng chứa, thanh gạt và thanh giữ.
  • Thiết kế cơ cấu đóng - vặn nắp: Sử dụng xi lanh khí nén đôi TN10X50-S hành trình $50\text{ mm}$ chống xoay kết hợp động cơ giảm tốc kim loại GB37-3530 ($24\text{V DC}$, $20\text{ RPM}$) để siết chặt nắp.
  • Tính toán băng tải PVC dài $550\text{ mm}$, rộng $80\text{ mm}$, con lăn $\varnothing49\text{ mm}$, vận tốc $10\text{ m/phút}$, chọn động cơ giảm tốc JGB37-520 ($12\text{V DC}$, $5\text{ kg.cm}$, $i = 1:90$).

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 3 trình bày việc tính toán, phân loại và lựa chọn các phần tử trong hệ thống điều khiển:

  • Phân tích sơ đồ công nghệ điều khiển, nguyên lý nhận tín hiệu đầu vào và xuất lệnh điều khiển đầu ra qua PLC.
  • Lựa chọn cảm biến quang hồng ngoại E18-D80NK (khoảng cách điều chỉnh $3 - 80\text{ cm}$, nguồn $24\text{V DC}$, ngõ ra NPN, thời gian đáp ứng $< 2\text{ ms}$).
  • Tính chọn van điện từ khí nén $5/2$ AIRTAC 4V210-08 điều khiển xi lanh khí nén.
  • Tính chọn rơ-le trung gian OMRON MY2N-24VDC 8 chân dẹt (tiếp điểm $5\text{A}$) để điều khiển đảo chiều và đóng ngắt các động cơ DC.
  • Cấu hình Driver động cơ bước TB6600 (cài đặt vi bước, thông số dòng điện bảo vệ quá dòng, quá áp).
  • Giới thiệu cấu trúc phần cứng, phân loại dòng CPU và các tính năng truyền thông của bộ điều khiển Siemens SIMATIC S7-1200.

Chương 4: Thiết kế mạch điện, chương trình và giao diện điều khiển

Chương 4 trình bày thiết kế mạch điện và lập trình phần mềm:

  • Thiết lập bảng phân công địa chỉ tín hiệu vào/ra (I/O map): Start (I0.0), Stop (I0.1), CB1 (I0.2), CB2 (I0.3)...
  • Hướng dẫn quy trình kết nối phần cứng PLC S7-1200 với máy tính thông qua cáp mạng Ethernet.
  • Các bước tạo dự án mới, cấu hình phần cứng (Hardware Configuration) và cài đặt thông số thiết bị trên phần mềm TIA Portal.
  • Xây dựng các khối chương trình điều khiển logic tuần tự cho chu trình: điều khiển động cơ bước mâm xoay, bơm rót định thời $4\text{s}$, điều khiển xi lanh hạ đầu vặn và điều khiển động cơ siết nắp.

Chương 5: Thực nghiệm và báo cáo

Chương 5 trình bày quá trình chạy thử nghiệm mô hình thực tế, đánh giá kết quả hoạt động của toàn bộ hệ thống cơ điện tử, so sánh với các yêu cầu kỹ thuật ban đầu và đề xuất các hướng mở rộng, hoàn thiện hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm hệ thống chiết rót và đóng nắp chai nhựa tự động sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200.
  • Thực hiện chiết rót chính xác thể tích chất lỏng $V = 297\text{ ml}$ với thời gian bơm $4\text{ giây/chai}$ thông qua bơm màng DC HY 3865.
  • Đạt năng suất vận hành thiết kế 100 chai/giờ.
  • Cơ cấu mâm xoay 4 vị trí ($\varnothing300\text{ mm}$) và hệ thống 2 băng tải PVC ($L = 550\text{ mm}$) vận hành đồng bộ, chuyển chai chính xác giữa các trạm cấp phôi, chiết rót, cấp nắp và vặn nắp.
  • Cơ cấu khí nén sử dụng xi lanh đôi TN10X50-S và van AIRTAC 4V210-08 phối hợp với động cơ DC giảm tốc GB37-3530 thực hiện chuẩn xác thao tác ép và siết chặt nắp chai.
  • Xây dựng hoàn chỉnh mạch điện điều khiển cách ly qua rơ-le OMRON MY2N-24VDC và chương trình điều khiển logic trên phần mềm TIA Portal qua giao thức PROFINET.

Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp giải pháp thiết kế tích hợp hoàn chỉnh một hệ thống chiết rót tự động quy mô nhỏ gọn, chi phí thấp nhưng đảm bảo đầy đủ các chức năng công nghiệp.
  • Kết hợp đồng bộ giữa cơ cấu phân độ mâm xoay 2 tầng với hệ thống băng chuyền vuông góc, tối ưu hóa không gian lắp đặt và giảm thời gian dừng chờ của động cơ.
  • Đưa ra quy trình tính toán cơ - điện chi tiết từ khâu chọn động cơ, tính mô-men xoắn, thiết kế mạch khí nén đến lập trình điều khiển PLC ứng dụng trong đào tạo chuyên ngành Cơ điện tử.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Cảm biến hồng ngoại tiệm cận E18-D80NK có khoảng cách phát hiện ngắn ($3 - 80\text{ cm}$) và dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng môi trường mạnh (như ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp).
  • Driver điều khiển động cơ bước TB6600 có hiện tượng sinh nhiệt trong quá trình vận hành liên tục, đòi hỏi giải pháp tản nhiệt bổ sung; độ phân giải bước giới hạn ở $1/512$ bước/xung.
  • Hệ thống sử dụng các động cơ bơm DC và động cơ DC giảm tốc quy mô nhỏ, phù hợp cho mô hình đồ án thực nghiệm nhưng chưa đáp ứng được cường độ làm việc liên tục dài hạn như các dòng động cơ xoay chiều AC công nghiệp lớn.

Hướng phát triển trong tương lai

  • Nghiên cứu thay thế hoặc bổ sung các dòng cảm biến công nghiệp chuyên dụng có khả năng chống nhiễu quang cao hơn (cảm biến sợi quang, cảm biến siêu âm).
  • Nâng cấp hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu thông qua màn hình cảm ứng HMI (Human-Machine Interface) hoặc hệ thống SCADA kết nối qua mạng PROFINET/Modbus TCP/IP.
  • Tích hợp thêm cụm kiểm tra thể tích, kiểm tra độ siết nắp và cơ cấu phân loại tự động sản phẩm đạt/lỗi ở băng tải đầu ra.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa, Cơ khí chế tạo máy, Kỹ thuật điện - Điện tử:

  • Tính toán cơ khí: Cung cấp phương pháp tính chọn công suất, mô-men xoắn động cơ băng tải (JGB37-520), động cơ vặn nắp (GB37-3530), tính toán lực xi lanh khí nén (TN10X50-S) và thiết kế kết cấu mâm xoay phân độ 4 vị trí.
  • Thiết kế mạch điều khiển: Cung cấp sơ đồ kết nối ngoại vi giữa PLC S7-1200 với các thiết bị công suất thông qua rơ-le trung gian OMRON MY2N, van khí nén AIRTAC và Driver TB6600.
  • Kỹ thuật lập trình TIA Portal: Cung cấp tài liệu mẫu về cấu hình phần cứng CPU S7-1200, kết nối mạng PROFINET và xây dựng thuật toán điều khiển tuần tự cho dây chuyền đóng gói chiết rót.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài thiết kế hệ thống chiết rót cho loại chai và dung tích bao nhiêu?

Hệ thống được tính toán và thiết kế chuyên dụng cho loại chai nhựa nắp vặn có đường kính thân $\varnothing58\text{ mm}$, dung tích chiết rót $V = 297\text{ ml}$.

2. Mâm xoay trong hệ thống có cấu tạo và nguyên lý hoạt động như thế nào?

Mâm xoay có kết cấu 2 tầng (đường kính ngoài $\varnothing300\text{ mm}$) với 4 lỗ định vị đường kính $\varnothing60\text{ mm}$. Mâm xoay thực hiện quay phân độ $90^\circ$ (1/4 vòng) mỗi chu kỳ để đưa chai qua lần lượt 4 trạm: Trạm 1 (tiếp nhận vỏ chai rỗng, bơm nước), Trạm 2 (cấp nắp), Trạm 3 (đóng và vặn nắp), Trạm 4 (đưa chai thành phẩm ra băng tải đầu ra).

3. Cơ cấu vặn nắp chai sử dụng những thiết bị cơ khí và khí nén nào?

Cơ cấu sử dụng một xi lanh khí nén đôi TN10X50-S (đường kính piston $10\text{ mm}$, hành trình $50\text{ mm}$) có chức năng dẫn động cụm động cơ chuyển động tịnh tiến lên xuống và chống xoay lệch hướng, kết hợp với động cơ DC giảm tốc GB37-3530 ($24\text{V DC}$, tốc độ $20\text{ RPM}$, mô-men xoắn $\ge 2\text{ kgf.cm}$) gắn đầu vặn có độ nhám để siết chặt nắp chai.

4. Hệ thống sử dụng dòng PLC nào và lập trình bằng phần mềm gì?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển logic lập trình Siemens SIMATIC S7-1200, kết nối truyền thông với máy tính thông qua cáp mạng Ethernet (chuẩn PROFINET) và được lập trình trên môi trường phần mềm TIA Portal (Step 7 Basic).

5. Cảm biến nào được sử dụng để phát hiện chai trên băng tải?

Đồ án sử dụng cảm biến quang hồng ngoại tiệm cận E18-D80NK hoạt động ở điện áp $24\text{V DC}$, ngõ ra NPN thường mở (NO), có khả năng điều chỉnh khoảng cách phát hiện vật thể từ $3\text{ cm}$ đến $80\text{ cm}$ với thời gian đáp ứng dưới $2\text{ ms}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống chiết rót và đóng nắp chai nhựa tự động sử dụng PLC S7-1200" của nhóm sinh viên ngành Cơ điện tử – Đại học Bách khoa Hà Nội đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế cơ điện tử phục vụ dây chuyền đóng gói chất lỏng quy mô nhỏ. Đề tài đã kết hợp thành công tính toán kết cấu cơ khí (băng tải PVC, mâm xoay phân độ 4 trạm, cơ cấu cấp và siết nắp khí nén) với hệ thống điều khiển tự động hóa sử dụng PLC Siemens S7-1200 và phần mềm TIA Portal. Các kết quả thực nghiệm đạt năng suất 100 chai/giờ và dung tích chiết rót $297\text{ ml}$ đã chứng minh tính khả thi, độ chính xác và giá trị ứng dụng kỹ thuật thực tiễn của công trình.