Đồ án: Thiết kế hệ thống điều khiển phân loại sản phẩm theo chiều cao

Tải đồ án cơ điện tử về hệ thống phân loại sản phẩm tự động. Tài liệu đầy đủ nguyên lý, tính toán thiết kế, lựa chọn linh kiện, chương trình PLC.

• Tác giả: Đặng Minh Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hữu Quang
• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm
• Loại tài liệu: Đồ Án Thiết Kế

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm tự động

Hệ thống phân loại sản phẩm tự động là một giải pháp hiện đại trong công nghiệp hiện nay, được thiết kế để chia sản phẩm thành các nhóm có cùng thuộc tính nhằm thực hiện đóng gói hoặc loại bỏ sản phẩm không đạt tiêu chuẩn. Với sự phát triển của công nghệ cơ điện tử, các hệ thống này đã trở thành thiết bị quan trọng trong dây chuyền sản xuất hiện đại.

Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý tự động hóa, sử dụng các cảm biến, động cơ điện và khí nén để điều khiển quá trình phân loại. Năng suất làm việc đạt 20 sản phẩm/phút, giúp giảm thiểu nhân công và tăng hiệu quả sản xuất. Hệ thống điều khiển PLC được sử dụng để quản lý toàn bộ quy trình, đảm bảo độ chính xác cao và tính ổn định trong vận hành.

1.1. Khái niệm và ứng dụng thực tế

Phân loại sản phẩm là quá trình chia nhóm các sản phẩm dựa trên các tiêu chí khác nhau. Trong thực tế, hệ thống phân loại tự động được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, vật liệu xây dựng, và ngành công nghiệp nhẹ. Các phương pháp phân loại phổ biến bao gồm phân loại theo kích thước, màu sắc, và khối lượng sản phẩm, giúp nâng cao chất lượng và tính cạnh tranh của sản phẩm.

1.2. Thông số kỹ thuật và yêu cầu hệ thống

Hệ thống được thiết kế với các thông số cụ thể: khối lượng sản phẩm từ 5,5 kg đến 7 kg, chiều cao phôi từ 4 cm đến 10 cm, và năng suất 20 sản phẩm/phút. Nguồn lực chính bao gồm khí nén cho cấp phôi và đẩy phôi, động cơ điện cho quay băng tải. Bộ truyền xích được sử dụng để truyền chuyển động, đảm bảo độ tin cậy cao trong hoạt động.

II. Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại

Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại sản phẩm tự động dựa trên sự kết hợp giữa các thiết bị cơ học và điện tử. Sản phẩm được cấp từ hệ thống cấp phôi tự động, di chuyển trên băng tải điều khiển bởi động cơ điện, và được phân loại tại các trạm kiểm tra.

Khi sản phẩm đến vị trí cảm biến, hệ thống điều khiển PLC sẽ nhận tín hiệu và xác định loại sản phẩm dựa trên các tiêu chí đã lập trình. Sau đó, các van khí nén và piston sẽ được kích hoạt để đẩy sản phẩm vào các hướng khác nhau tương ứng với từng loại. Quá trình này lặp lại liên tục với tốc độ ổn định, đạt được năng suất thiết kế.

2.1. Cơ chế phân loại theo chiều cao

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao là phương pháp sử dụng cảm biến đo đạc chiều cao sản phẩm. Khi sản phẩm có chiều cao h1=10 cm, h2=5 cm, hoặc h3=4 cm, các cảm biến cảm ứng sẽ phát hiện và gửi tín hiệu đến bộ điều khiển PLC. Dựa trên dữ liệu nhận được, hệ thống sẽ điều khiển các van solenoid để đẩy sản phẩm vào đúng hộp chứa tương ứng.

2.2. Vai trò của khí nén và động cơ điện

Khí nén là nguồn lực chính cho cơ cấu cấp phôi và đẩy sản phẩm thông qua piston và van khí nén. Động cơ điện được sử dụng để quay băng tải, tạo chuyển động liên tục cho sản phẩm. Sự kết hợp giữa hai nguồn lực này đảm bảo quá trình phân loại diễn ra mượt mà, chính xác, và với tốc độ ổn định, giúp đạt được năng suất 20 sản phẩm/phút.

III. Thành phần cấu tạo và thiết bị điều khiển

Hệ thống phân loại sản phẩm tự động được cấu thành từ nhiều thành phần chính, bao gồm cơ cấu cấp phôi, cơ cấu phân loại, cơ cấu truyền động, và hệ thống điều khiển. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động ổn định của toàn bộ hệ thống.

Bộ điều khiển PLC là "bộ não" của hệ thống, nó nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý thông tin, và phát lệnh điều khiển cho các van solenoid và động cơ điện. Ngoài ra, hệ thống còn bao gồm các thiết bị an toàn như công tắc khẩn cấp, relay bảo vệ, và các thiết bị liên kết An toàn. Giao diện người dùng được thiết kế trên màn hình HMI để dễ dàng giám sát và điều chỉnh quá trình hoạt động.

3.1. Hệ thống cấp phôi và phân loại

Hệ thống cấp phôi tự động sử dụng khí nén để cấp liên tục các sản phẩm vào băng tải. Cơ cấu phân loại gồm các van solenoid điều khiển bởi PLC, được kích hoạt tại các thời điểm chính xác để đẩy sản phẩm vào các hướng khác nhau. Bộ truyền xích kết nối động cơ điện với bánh xe quay, giúp quay băng tải một cách ổn định với tốc độ không đổi.

3.2. Hệ thống điều khiển PLC và cảm biến

Bộ điều khiển PLC là thiết bị lập trình có khả năng xử lý logic phức tạp, nhận tín hiệu từ các cảm biến cảm ứng hoặc công tắc hành trình. Cảm biến được lắp đặt tại các vị trí quan trọng để phát hiện sự có mặt và đặc điểm của sản phẩm. Chương trình PLC được viết để tự động phân loại sản phẩm, điều khiển van solenoid, và quản lý tốc độ động cơ điện nhằm đạt hiệu suất tối đa.

IV. Tính toán thiết kế và mô phỏng hệ thống

Tính toán thiết kế là bước quan trọng trong quy trình phát triển hệ thống phân loại sản phẩm tự động. Các kỹ sư cần tính toán lực cần thiết để đẩy sản phẩm có khối lượng tối đa 7 kg, xác định tốc độ băng tải để đạt được năng suất 20 sản phẩm/phút, và lựa chọn các linh kiện phù hợp.

Mô phỏng hệ thống điều khiển được thực hiện trước khi xây dựng mô hình thực tế, giúp kiểm tra tính đúng đắn của sơ đồ điều khiển và chương trình PLC. Các bản vẽ thiết kế mạch điện điều khiển được chuẩn bị theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Giao diện người dùng được thiết kế để cho phép điều khiển tự động hoặc bán tự động tùy theo yêu cầu sản xuất, nâng cao năng suất và độ chính xác của hệ thống.

4.1. Ý tưởng điều khiển và lựa chọn phương án

Ý tưởng điều khiển cơ bản là sử dụng cảm biến để phát hiện sản phẩm, sau đó PLC xử lý dữ liệu và điều khiển van solenoid đẩy sản phẩm. Phương án điều khiển được lựa chọn phải đảm bảo tính tin cậy cao, tốc độ xử lý nhanh, và khả năng tích hợp dễ dàng. Sơ đồ điều khiển được vẽ chi tiết, diễn giải từng bước hoạt động, và giao tiếp hệ thống với người sử dụng thông qua màn hình HMI thân thiện.

4.2. Mô phỏng và kiểm chứng hiệu suất

Mô phỏng nguyên lý hoạt động được thực hiện sử dụng các phần mềm chuyên dụng như PLC Simulator hoặc CAD 3D, cho phép kiểm chứng toàn bộ quy trình phân loại trước khi sản xuất. Bản vẽ thiết kế mạch điện được chuẩn bị chi tiết, bao gồm sơ đồ khối, sơ đồ dây và danh sách linh kiện. Thông qua mô phỏng, các lỗi tiềm ẩn được phát hiện sớm, chương trình PLC được tối ưu hóa, đảm bảo hiệu suất cao khi đưa vào vận hành thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH NGUYÊN LÍ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT Giới thiệu chung về các hệ thống phân loại sản phảm và ứng dụng trong thục tế, làm rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao 1. Tổng quan về hệ thống  Khái niệm chung Hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống điều khiển tự động hoặc bán tự động nhằm chia sản phẩm ra các nhóm có cùng thuộc tính với nhau để thực hiện đóng gói hay loại bỏ sản phẩm hỏng. Hệ thống phân loại sản phẩm tự động Hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay có rất nhiều trong ứng dụng thực tế trong các nhà máy xí nghiệp bao gồm:  Phân loại sản phẩm theo kích thước: Phương pháp này dựa vào kích thước của sản phẩm mà phân loại.

Phương pháp này thường được áp dụng trong các ngành công nghiệp chế biến bia, nước giải khát, .Hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước  Phân loại sản phẩm theo màu sắc: Phương pháp này dựa vào màu sắc sản phẩm mà phân loại. Phương pháp này được ứng dụng hiều trong các dây chuyền chế biến nông sản, vật liệu xây dựng nhằm phân loại chính xác màu sắc của sản phẩm. Hệ thống phân loại cam theo màu sắc  Phân loại sản phẩm theo khối lượng: Phương pháp này dựa vào khối lượng của sản phẩm mà phân loại, thường gặp nhiều trong chế biến thủy, hải sản. Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng  Phân loại sản phẩm theo vật liệu: Phương pháp này dựa vào loại vật liệu của sản phẩm để phân loại.

Phương pháp này thường ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để nhận dạng sản phẩm có lẫn kim loại, ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm. Phân loại sản phẩm theo mã vạch: Mã vạch được tạo riêng cho từng loại sản phẩm về số lượng, mặt hàng, thông tin khách hàng ngay trực tiếp trên sản phẩm. Phương pháp này sử dụng công nghệ laser hoặc công nghệ chụp ảnh tuyến tính cho phép phát ra các tia sáng thẳng quét ngang mã vạch hoặc các chùm tia sáng bao trùm mã vạch. Phân loại sản phẩm theo mã vạch trong sản xuất tự động hàng hóa với số lượng lớn, giúp phân loại nhanh những sản phẩm đạt yêu cầu và những sản phẩm bị lỗi (phế phẩm) cũng như phân loại thành những nhóm có đặc điểm khác nhau phục vụ cho những công đoạn sản xuất sau này.

Trong các nhà máy sản xuất hàng thực phẩm, nhà máy sản xuất gạch ốp lát cho ngành xây dựng hay sản xuất các chi tiết cơ khí, linh kiện điện tử …, dòng sản phẩm được tạo ra sau hàng loạt những qui trình công nghệ cần được kiểm tra để đảm bảo loại bỏ được những phế phẩm cùng với đó phân loại những sản phẩm đạt chất lượng thành những nhóm cùng loại khác khau, tạo điều khiện thuận lợi cho quá trình lưu kho để phân phối ra thị trường hay phục vụ tốt hơn cho những công đoạn sản xuất tiếp theo. Hơn nữa, nó còn có thể tích hợp thêm chức năng dán nhãn, đếm và quản lý sản phẩm., giúp nâng chất lượng của sản phẩm và nâng cao hiệu quả hoạt động của dây chuyền sản xuất. Nguyên lý hoạt động Hệ thống phân loại sản phẩm dựa trên nguyên lý dùng cảm biến để xác định yếu tố mang tính chất phân loại sản phẩm. Chuyển động của bộ băng chuyền đưa sản phẩm của bộ phận tiếp nhận đến bộ phận điều khiển để tiến hành phân loại.

Các sản phẩm sau khi phân loại sẽ được chuyển đến thùng hàng để đóng gói. Chu trình này sẽ lặp lại cho đến khi hết sản phẩm. Yêu cầu kĩ thuật cơ bản của các cụm chức năng trong hệ thống: chuyển động tịnh tiến đưa sản phẩm đến bộ phận phân loại, hầu hết trong hệ thống phân loại sản phẩm dùng băng chuyền để tạo ra chuyển động này. Để truyền động quay cho trục của băng chuyền người ta dùng động cơ điện thông qua các bộ truyền ngoài như xích hoăc đai.

Ngoài chuyển động đưa sản phẩm vào của băng chuyền máy còn chuyển động cần thiết nữa đó là hai chuyển động tịnh tiến để đẩy sản phẩm không đạt kích thước hoặc phân loại sản phẩm của piston, xilanh hoặc khí nén. Chuyển động của piston, xilanh được điều khiển bởi hệ thống khí nén. Hoạt động của hệ thống: Cảm biến báo có phôi hay không để hệ thống hoạt động. Động cơ chạy khi có phôi trong ống cấp làm băng tải di chuyển.

Các cảm biến xác định các loại sản phẩm theo chiều cao( gồm 3 loại sản phẩm là 12cm, 15cm và 18cm ). Sau đó các xy lanh sẽ đẩy các sản phẩm vào trong cách rãnh trượt đưa sản phẩm vào thùng hàng. Xác định các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển và thông số/yêu cầu kỹ thuật của hệ thống Tìm hiểu về các thành phần của hệ thống phân loại sản phẩm và tính toán hệ thống cơ khí, lựa chọn động cơ phù hợp Hình 1-6. Mô Hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao (1) Nguồn cấp 24VDC.

(13) Dây dẫn khí (2) PLC (15) Sản phẩm (3) Động cơ một chiều (16) Băng chuyền (4) Nút nhấn (17) Khay đựng sản phẩm (5) Rơ le trung gian (18) Khung đỡ cơ khí (6),(8),(14) Cảm biến (19) Hộp cấp sản phẩm (7),(9) Piston phân loại (20) Piston cấp sản phẩm (10),(11),(12) Van đảo chiều 5/2 1.1 Động cơ Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ học. Hầu hết động cơ điện hiện có hoạt động theo hiệu ứng điện từ. Một số ít là động cơ áp điện hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, và thường là động cơ cỡ nhỏ hoặc siêu nhỏ. Ứng dụng: Ngày nay động cơ điện được dùng trong hấu hết mọi lĩnh vực, từ các động cơ nhỏ dùng trong lò vi sóng để chuyển động đĩa quay, hay trong các máy đọc đĩa (máy chơi CD hay DVD), đến các đồ nghề như máy khoan, hay các máy gia dụng như máy giặt, sự hoạt động của thang máy hay các hệ thống thông gió cũng dựa vào động cơ điện.

Ở nhiều nước động cơ điện được dùng trong các phương tiện vận chuyển, đặc biệt trong các đầu máy xe lửa. Trong công nghệ máy tính: Động cơ điện được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang (chúng là các động cơ bước rất nhỏ). Nguyên tắc hoạt động: Phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu. Khi cuộn dây trên rotor và stato được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các từ trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1 mômen.

Phân loại: Các loại động cơ điện: - Động cơ điện một chiều: Và hệ thống động cơ – máy phát cho phép thay đổi mômen và vận tốc góc trong phạm vi rộng, đảm bảo khởi động êm, hãm và đảo chiều dễ dàng  Nhược điểm của chúng là đắt, riêng loại động cơ điện 1 chiều lại khó kiếm và phải tăng thêm vốn đầu tư để đặt các thiết bị chỉnh lưu. - Động cơ bước, động cơ servo : nguyên lí hoạt động là nhận các sung tín hiệu để điều chỉnh quay theo góc  Ưu điểm: có độ nhạy và độ chính xác cao,khả năng hãm tốt  Nhược điểm : giá thành cao Trong mô hình, vì sử dụng truyền động băng tải dây đai và không yêu cầu tải trọng lớn nên không cần động cơ có công suất lớn. Với yêu cầu khá đôn giản của băng tải như là:  Băng tải chạy liên tục, có thể dừng khi cần.  Không đòi hỏi độ chính xác, tải trọng băng tải nhẹ.

 Dễ điều khiển, giá thành rẻ. Vì vậy chỉ cần sử dụng loại động cơ 1 chiều có công suất nhỏ, khoảng 20 – 40W, điện áp vào là 24V. Một số loại động cơ điện Động cơ điện 1 chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện 1 chiều. Động cơ điện 1 chiều được dùng rất phổ biến trong công nghiệp và ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong 1 phạm vi hoạt động.

Động cơ điện 1 chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện 1 chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu momen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và trong phạm vi rộng. Piston/ Van khí nén Theo thiết kế, cơ cấu phân loại sản phẩm được thực hiện bằng piston khí nén. Piston khí nén (xi lanh khí nén) là thiết bị cơ học, hoạt động được nhờ khí nén giúp chuyển năng lượng tiềm năng thành động năng (nhờ sự chênh áp bởi khí nén nên áp suất lớn hơn áp suất khí quyển), piston của xi lanh chuyển động làm cho sản phẩm được phân loại.

 Hệ thống khí nén: Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lắp ráp, chế biến, đặc biệt ở những lĩnh vực cần phải đảm bảo vệ sinh, chống cháy nổ hoặc ở các môi trường độc hại. Ví dụ, lĩnh vực lắp ráp điện tử, chế biến thực phẩm, các khâu phân loại, đóng gói sản phẩm thuộc các dây chuyền sản xuất tự động; trong công nghiệp gia công cơ khí…  Ưu điểm: -Do không khí có khả năng chịu nén (đàn hồi) nên có thể nén và trích chứa trong bình chứa với áp suất cao thuận lợi, xem như một kho chứa năng lượng. -Có khả năng truyền tải đi xa bằng hệ thống đường ống với tổn thất nhỏ, khí nén sau khi sinh công cơ học có thể thải ra ngoài mà không gây hại cho môi trường; -Tốc độ truyền động cao, linh hoạt, dễ điều khiển với độ tin cậy và chính xác; - Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất hiệu quả.  Nhược điểm: -Công suất truyền động không lớn.

Ở nhu cầu công suất truyền động lớn, chi phí cho truyền động khí nén sẽ cao hơn 10-15 lần so với truyền động điện cùng công suất, tuy nhiên kích thước và trọng lượng lại chỉ bằng 30% so với truyền động điện; -Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền động luôn có xu hướng thay đổi do khả năng đàn hồi của khí nén khá lớn, vì vậy khả năng duy trì chuyển động thẳng đều hoặc quay đều thường khó thực hiện. -Dòng khí nén được giải phóng ra môi trường có thể gây tiếng ồn.