Đồ án: Điều khiển và giám sát máy gắp giỏ cây trong thủy canh bằng PLC

Tài liệu nghiên cứu Điều khiển máy gắp giỏ cây thủy canh bằng PLC (Đồ án) ứng dụng cao trong học thuật và nghiên cứu thực tiễn tham khảo chuyên ngành

• Tác giả: Đặng Đức Thắng
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Vạn Quốc
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Và Giám Sát Máy Gắp Giỏ Cây Trong Thủy Canh Bằng PLC
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về hệ thống máy gắp giỏ cây thủy canh

Máy gắp giỏ cây thủy canh là một giải pháp tự động hóa hiện đại trong lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao. Hệ thống này được điều khiển bằng PLC (Programmable Logic Controller) để thực hiện các nhiệm vụ gắp, di chuyển và sắp xếp giỏ cây một cách chính xác và hiệu quả. Thủy canh là phương pháp trồng cây không sử dụng đất, mà thay vào đó sử dụng dung dịch dinh dưỡng, đòi hỏi quy trình chăm sóc cây cần sự chính xác cao. Đồ án điều khiển máy gắp này nhằm mục đích nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí nhân công và tối ưu hóa qui trình sản xuất. Ứng dụng công nghệ PLC cho phép kiểm soát tự động các chuyển động cơ học, đảm bảo an toàn lao động và chất lượng sản phẩm cao. Đây là bước tiến quan trọng trong tự động hóa nông nghiệp tại Việt Nam.

1.1. Khái quát về hệ thống thủy canh hiện đại

Thủy canh là hệ thống trồng cây tiên tiến, trong đó cây được cung cấp dinh dưỡng qua dung dịch nước được kiểm soát chính xác. Hệ thống thủy canh yêu cầu quản lý tự động các giỏ cây, từ việc di chuyển đến sắp xếp vị trí. Máy gắp giỏ cây được tích hợp với PLC giúp tự động hóa toàn bộ quy trình, từ nhận diện vị trí đến thực hiện các chuyển động phức tạp. Công nghệ này đặc biệt phù hợp với mô hình nông nghiệp công nghệ cao hiện nay.

1.2. Tính cần thiết của đồ án điều khiển tự động

Tự động hóa máy gắp giảm đáng kể chi phí nhân công và tăng năng suất lao động. Điều khiển PLC cho phép thực hiện các động tác lặp lại với độ chính xác cao, tránh lỗi do con người. Hệ thống tự động hóa cải thiện môi trường làm việc an toàn, giảm chấn thương lao động. Việc ứng dụng công nghệ điều khiển hiện đại trong nông nghiệp là xu hướng tất yếu để nâng cao hiệu quả kinh tế.

II. Tổng quan các giải pháp và công nghệ truyền động

Trong quá trình thiết kế đồ án điều khiển máy gắp giỏ cây, cần so sánh các loại máy gắp và hệ thống truyền động khác nhau. Máy gắp phôi tự động, máy gắp cuống liệu và các dạng máy gắp hiện đại khác đều có ưu và nhược điểm riêng. Hệ thống truyền động có thể sử dụng vít me, xy lanh khí nén, ray trượt dẫn hướng hoặc dây đai. Lựa chọn giải pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về độ chính xác, tốc độ, lực nắm giữ và chi phí. Xy lanh khí nén thường được ưa chuộng trong các ứng dụng tự động hóa do tính an toàn, đơn giản và hiệu quả. Điều khiển bằng PLC cho phép tối ưu hóa các tham số hoạt động của từng hệ thống truyền động.

2.1. Các loại máy gắp ứng dụng trong tự động hóa

Máy gắp phôi tự động SM-LMJ3 là dạng máy tiêu biểu trong tự động hóa công nghiệp. Máy gắp cuống liệu được thiết kế đặc biệt cho ngành công nghiệp nhựa nhưng có thể áp dụng trong nông nghiệp. Dây chuyền gắp sản phẩm tự động kết hợp nhiều máy gắp để tăng hiệu suất. So sánh các loại máy cho thấy máy gắp khí nén phù hợp nhất với ứng dụng nông nghiệp thủy canh do độ an toàn và độ dễ điều khiển.

2.2. Các hệ thống truyền động và lựa chọn tối ưu

Truyền động vít me đai ốc cung cấp độ chính xác cao nhưng chậm hơn. Truyền động xy lanh khí nén nhanh và an toàn, phù hợp với yêu cầu của máy gắp giỏ cây. Ray trượt dẫn hướng giúp đảm bảo chuyển động thẳng chính xác. Truyền động dây đai tiết kiệm chi phí nhưng độ chính xác thấp hơn. Giải pháp kết hợp xy lanh khí nén với ray trượt được lựa chọn cho đồ án này.

III. Phương pháp giải quyết và thiết kế hệ thống điều khiển

Phương pháp giải quyết đề tài bao gồm nhiều bước thiết kế hệ thống liên tục. Trước tiên, xác định rõ yêu cầu hệ thống, bao gồm thiết kế khung cơ khí, hệ thống vận hành và các chỉ tiêu kỹ thuật. Phương án giải quyết được lựa chọn dựa trên so sánh chi phí, hiệu suất và tính khả thi. Lưu đồ thuật toán được xây dựng chi tiết cho hai chế độ hoạt động: chế độ Manual (thủ công) và chế độ Auto (tự động). Thiết kế sơ đồ phần cứng bao gồm lựa chọn các linh kiện phù hợp như động cơ, cảm biến, relay và PLC. Quá trình thiết kế tuân theo từng bước cụ thể: khảo sát, lập phương án, tính toán, vẽ sơ đồ, xây dựng thuật toán, chạy thử và sửa lỗi.

3.1. Yêu cầu hệ thống và thiết kế khung cơ khí

Yêu cầu hệ thống đặt ra tiêu chuẩn cho máy gắp giỏ cây: gắp được giỏ nặng từ 5-10kg, tốc độ gắp 10-15 giỏ/phút, độ chính xác ±5mm. Thiết kế khung cơ khí phải đảm bảo độ cứng, tính ổn định và khả năng chịu lực. Hệ thống vận hành được điều khiển bởi PLC với hai chế độ: tự động và bằng tay để bảo trì, sửa chữa.

3.2. Các bước thiết kế hệ thống điều khiển PLC

Bước 1: Khảo sát bài toán, xác định các tham số. Bước 2: Lập phương án kỹ thuật chi tiết. Bước 3: Tính toán và lựa chọn các linh kiện như động cơ vitme, xy lanh, van khí nén, cảm biến. Bước 4: Thiết kế sơ đồ điện điều khiển với mạch động lực và mạch điều khiển. Bước 5: Xây dựng thuật toán điều khiển chi tiết. Bước 6: Lập trình PLC và chạy thử nghiệm. Bước 7: Viết chương trình hoàn chỉnh và tối ưu hóa.

IV. Quy trình thi công và đánh giá kết quả

Quy trình thi công là giai đoạn quan trọng để chuyển đổi thiết kế thành sản phẩm thực tế. Thi công phần hệ thống điện bao gồm lắp ráp mạch động lực với nguồn cấp, contactor, relay bảo vệ và các linh kiện điện tử. Hệ thống điều khiển được lắp đặt với PLC, cảm biến quang E3F-DS30C4, cảm biến tiệm cận SN-04N ROKO để phát hiện vị trí giỏ cây. Hệ thống truyền động khí nén gồm xy lanh, van 5/2, van 5/3 được kết nối chính xác. Hệ thống giám sát cho phép theo dõi trạng thái hoạt động và phát hiện lỗi kịp thời. Đánh giá kết quả dựa trên tiêu chí: độ chính xác, tốc độ hoạt động, độ an toàn và năng suất. Kết luận đồ án xác nhận sự thành công của hệ thống điều khiển tự động và đề xuất các hướng phát triển trong tương lai.

4.1. Thi công hệ thống điều khiển và truyền động

Thi công mạch động lực gồm lắp nguồn cấp 380V/220V, khởi động từ, relay quá tải, contactor cho động cơ vitme. Thi công hệ thống khí nén bao gồm xy lanh kép tác dụng, van điều khiển 5/2, van 5/3, van giảm áp, bộ lọc khí. Lắp ráp cảm biến ở các vị trí quan trọng để phát hiện tín hiệu vị trí. Nút khẩn cấp Emergency được thiết lập để dừng hệ thống ngay lập tức khi cần thiết.

4.2. Đánh giá kết quả và hướng phát triển tương lai

Kết quả thực tế cho thấy máy gắp giỏ cây hoạt động ổn định với độ chính xác 99%, đạt tốc độ 12 giỏ/phút. Hệ thống điều khiển PLC hoạt động đáng tin cậy trong cả chế độ tự động và bằng tay. Hướng phát triển: tích hợp vision system để nhận diện tự động vị trí giỏ, ứng dụng IoT để giám sát từ xa, nâng cao tốc độ hoạt động lên 20 giỏ/phút.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY GẮP 1.1 Giới thiệu khái quát về hệ thống thủy canh Là phương pháp trồng cây tiên tiến, được nhiều chủ đầu tư quan tâm và xây dựng. Đây là phương pháp không mấy xa lạ tại các nước phát triển như Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga… Tại Việt Nam, các trang trại thủy cảnh với quy mô được xây dựng khoảng 10 năm về trước tại Đà Lạt và một số tỉnh miền Nam. Vậy thủy canh là gì? Là kỹ thuật trồng không cần sử dụng đất mà trồng trên nền giá thế. Dinh dưỡng từ dung dịch thủy canh sẽ thay thế dinh dưỡng từ đất.

Các giá thể là các chất có tác dụng cố định cây và giữ ấm. 1: Ứng dụng thủy canh trong nông nghiệp hiện đại. 2: Mô hình trồng rau thủy canh tiết kiệm đất và đem lại hiểu quả cao (Nguồn: Internet) 2 Trong những năm gần đây, phương pháp trồng thùy canh được rất nhiều hộ gia đình, hộ kinh doanh nông nghiệp áp dụng để cung cấp nguồn rau sạch cho người dân. Phương pháp có nhiều mô hình nhưng có thể kể đến 4 mô hình trồng rau thủy canh tiêu biểu là: khí canh, tưới nhỏ giọt trên nền giá thể, thủy canh tĩnh và thủy canh hồi lưu.

Về mô hình khí canh là mô hình trồng rau thủy canh dùng hơi sương để cung cấp chất dinh dưỡng cho cây, giúp cây sinh trưởng và phát triển tốt nhất. Ưu điểm của mô hình khí canh là nâng suất cao, chất lượng rau tốt, tiết kiệm diện tích, chứa ít nước, rất phù hợp với nhà ở đô thị. Về phần nhược điểm thì chi phí ban đầu cao, không thể trồng nhiều loại cây trên một trụ, phức tạp, cần phải cung cấp dinh dưỡng cho cây thường xuyên và liên tục. 3: Mô hình khí canh.

(Nguồn: Internet) Về tưới nhỏ giọt trên nền gia thế là cách tưới dung dịch dinh dưỡng cho cây bằng cách nhỏ giọt trực tiếp lên rễ cây bằng hệ thống tưới nhỏ giọt tự động. Ưu điểm của phương pháp này giúp tiết kiệm nước và dung dịch thủy canh tối đa, giúp tiết kiệm công sức chăm sóc cây và hệ thống tưới tự động. Nhược điểm là chỉ tưới nước, dung dịch cho rễ cây mà không thể làm mát cho cây trong điều kiện thời tiết nắng nóng, chi phí đầu tư khá lớn. 4: Mô hình tưới nhỏ giọt trên nền giá thể.

(Nguồn: Internet) Mô hình trồng rau thủy canh tĩnh là phương pháp trồng rau bằng dung dịch thủy canh đựng cố điịnh trong các thùng xốp hoặc các khay nhựa chuyên dụng. Về ưu điểm của phương pháp này giúp tiết kiệm chi phí, công sức chăm sóc cây trồng, nâng suất cao, chất lượng rau đảm bảo sạch và chất lượng, ít sâu bệnh. Nhược điểm vẫn còn hạn chế bởi là thường tốn khá nhiều diện tích bởi thùng xốp hay khay nhựa chuyên dụng chứa dung dịch thủy canh và do đặc điểm thủy canh tĩnh là luôn đứng yên, không có sự trao đổi khí, đặt biệt là ít oxy nên thường xảy ra hiện tượng cây bị thối rễ. 5: Mô hình trồng rau thủy canh tĩnh (Nguồn: Internet) 4 Và cuối cùng phương pháp thủy canh hồi lưu là việc sử dụng hệ thống bơm dung dịch thủy canh tự động để cung cấp dinh dưỡng cho cây một cách tuần hoàn.

Ưu điểm thì so vơi thủy cảnh tĩnh thì thủy canh hồi lưu có nhiều ưu điểm hơn, nhờ vào sự luân chuyển của dòng dinh dưỡng nên giúp cây hấp thụ chất dinh dưỡng tốt hơn và trao đổi chất nhanh hơn, từ đó cây phát triển nhanh hơn, được hoạt động với cơ chế tự động nên mô hình sẽ giúp bạn tiết kiệm thời gian chăm sóc nhưng về nhược điểm thì sẽ có chi phí đầu tư ban đầu khá tốn kém, không phù hợp với trồng một số loại cây ăn quả lâu năm, các loại củ. 6: Mô hình thủy canh hồi lưu (Nguồn: Internet) 1.2 Giới thiệu chung về máy gắp Hệ thống máy gắp được áp dụng trong mọi lĩnh vực, phổ biến nhất là trong các ngành công nghiệp như: sản xuất ô tô và phụ tùng, sản xuất linh kiện điện tử, hàng tiêu dùng hay dược phẩm,… Hệ thống được sử dụng phổ biến trong các môi trường sản xuất hiện đại, có thể sử dụng trong tất cả các giai đoạn của quá trình sản xuất, từ cấp nguyên vật liệu đầu vào đến đóng gói sản phẩm ở đầu ra, giúp làm tăng tốc quá trình gắp sản phẩm và đặt chúng ở các vị trí khác kể cả những sản phẩm với kích thước nhỏ. 7: Hệ thống tay gắp trong công nghiệp (Nguồn: Internet) Tùy thuộc vào nhu cầu thì sau đây là một số lựa chọn phổ biến trong việc sử dụng máy gắp: • Lắp ráp: Sử dụng cánh tay Robot, lấy các bộ phận linh kiện từ băng chuyền (Conveyor) này đặt lên bộ phận linh kiện khác. Sau đó lắp ráp thành khối thì Robot gắp thành phẩm sang băng tải khác • Đóng gói: Gần giống như sử dụng Robot lắp ráp, thay vì đặt linh kiện này lên linh kiện khác.

Robot gắp sản phẩm vào thùng trong tốc độ cao. • Chọn thùng (Bin Picking): Bằng việc hỗ trợ của Vision, nhận diện sản phẩm trong thùng chứa. Từ đó Robot có thể gấp các bộ phận sản phẩm ra khỏi thùng. Sau đó đặt sản phẩm lên băng tải chuyển đến những công đoạn sản xuất tiếp theo.

• Kiểm tra: Việc tích hợp hệ thống Vision (đôi mắt của nhà máy). Vision chụp ảnh xử lý hình ảnh tốc độ cao, đưa ra nhận định về sản phẩm. Truyền thông tin từ Vision, bộ xử lý trung tâm (PLC, PC) đến cánh tay Robot gắp hàng lỗi ra ngoài. 8: Hình ảnh tay gắp CARNO thực tế (Nguồn: Internet) Một số lợi ích của máy gắp: • Giúp tăng năng suất - chất lượng mà không cần sự can thiệp từ con người: nhờ những bộ chip, bộ xử lý thông minh.

Chúng có thể hoạt động trong thời gian rất dài mà không cảm thấy mệt mỏi như con người • Làm việc dưới chuyển động tần số cao, thực hiện nhanh chóng các thay đổi trong tư thế vận hành • Máy gắp sẽ thay thế con người làm các công việc đơn điệu, nhàm chán lặp đi lặp lại, giúp tiết kiệm chi phí thuê nhân công. Máy sẽ hoạt động liên tục nên không có thời gian chết có thể gắp các sản phẩm nhỏ mà con người khó hoặc mất nhiều thời gian để hoàn thành. • Đảm bảo độ an toàn cho người vận hành Cụ thể, máy gắp có thể nhận biết sự xuất hiện của con người để tạm dừng hoạt động cho đến khi con người ra đến khu vực an toàn. 9: Một số lợi ích việc tay gắp mang lại trong công nghiệp sản xuất.3 Tính cần thiết, ứng dụng của đề tài 1.1 Tính cần thiết Tiết kiệm thời gian, công sức: thông thường rau trồng sẽ được thu hoạch hoặc trồng trọt sẽ mất một thời gian khá dài, việc di chuyển để sắp xếp từng giỏ cây sẽ khá mất tồn nhiều thời gian, nhờ sự trợ giúp các máy thông minh sẽ giảm bớt nhân công và tiết kiệm thời gian hiệu quả.

Một ngày có thể gắp được 2000-3000 rọ cây/ ngày. Đem công nghệ 4.0 mới vào ứng dụng cho nông nghiệp Công nghệ cao. Hệ thống máy gắp tự động được sử dụng phổ biến trong các môi trường sản xuất hiện đại. Tăng năng suất, sử dụng vật liệu hiệu quả, được cải thiện an toàn lao động.

10: Tính cần thiết của tay gắp mang lại trong trồng trọt.2 Ứng dụng của đề tài Được phục vụ cho các dây chuyển sản xuất tự động trong các khu trồng trọt. Nâng cao ý thức về sự thân thiện với môi trường sống và bổ sung sự hiểu biết về các ứng dụng tự động cho các em ở độ tuổi học sinh bằng những trực quan sinh động về sự phát triển của công nghệ 4.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 1.1 Nhiệm vụ Khảo sát dòng sản phẩm tự động hóa của Mitsubishi: Phần cứng: − Tìm hiểu PLC Mitsubishi. − Tìm hiểu hệ thống Xylanh. − Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ, cảm biến và hệ thống đóng cắt điện qua relay.

Phần mềm: − Phần mềm lập trình cho PLC Mitsubishi: GX Works 2. − Phần mềm DOPsoft lập trình giao diện cho PC. − Thiết kế và thi công mô hình lắp đặt máy gắp giỏ cây.2 Giới hạn Mô hình được thiết kế với những thông số cơ bản: kích thước mô hình, lựa chọn thiết bị đáp ứng nhu cầu vận hành về quy trình phục vụ cho chương trình điều khiển và giám sát mà không đi sâu vào tính toàn dòng điện, điện áp để lựa chọn thiết bị.5 Phương pháp để thực hiện đề tài bao gồm − Phương pháp thiết kế. − Phương pháp chế tạo.

− Tính và chọn thiết bị. − Viết chương trình logic, PLC, HMI. − Mô phỏng và thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát. − Nội dung thực hiện như sau: 9 ❖ Tìm hiểu về một số máy gắp giỏ cây tự động và chọn ra mô hình phù hợp cho đề tài.

❖ Dựa vào lý thuyết để tính toán các thông số kỹ thuật của máy. ❖ Tìm kiếm và chọn những thiết bị đã tính toán. ❖ Thiết kế các bản vẽ mạch động lực, điều khiển hệ thống. ❖ Tính chọn và thi công cơ khí để lắp đặt hệ thống.

❖ Lập trình PLC, thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát, bảo vệ, báo tình trạng của hệ thống.6 Bố cục và thời gian thực hiện Thời gian thực hiện: 02/05/2022 – 24/07/2022 Bố cục: − Giới thiệu đề tài − Tổng quan giải pháp. − Phương pháp giải quyết. − Thiết kế mô hình. − Đánh giá và viết báo cáo.

10 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2.1 Các loại máy gắp ứng dụng trong tự động hóa 2.1 Máy gắp phôi tự động SM-LMJ3 HÌNH 2. 1: Máy gắp phôi tự động SM-LMJ3 (Nguồn: Internet) Tính năng nổi bật − Máy hoạt động bằng cách hấp phụ bề mặt phôi bằng cặp mâm hút chân không, phù hợp để gắp và thả để chuyển phôi tự động. − Đây là dòng máy bốc xếp ván – một thiết bị hỗ trợ không thể thiếu trong dây chuyền sản xuất tự động. − Với khả năng làm việc nhanh, êm và chính xác cao giúp bạn hoàn toàn an tâm về vấn đề chất lượng và năng suất sản phẩm.

11 Thông số sản phẩm BẢNG 2. 1: Thông số kỹ thuật máy gắp phôi Nhận xét − Nguyên lý hoạt động vô cùng đơn giản, hạn chế tối đa sự can thiệp của con người vào các công đoạn sản xuất. − Thị trường: phù hợp với các cơ sở sản xuất chuyên nghiệp. − Xã hội: tiết kiệm thời gian sản xuất, chất lượng sản phẩm cao, đáp ứng được sự tiêu thị của thị trường.