Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế máy làm bánh in tự động dùng PLC Mitsubishi

Đồ án máy làm bánh in tự động sử dụng PLC Mitsubishi. Tài liệu chi tiết về thiết kế cơ khí, mạch điện, chương trình PLC và giao diện HMI.

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Trình
• Người hướng dẫn: TS. Trần Vi Đô
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Điều Khiển Lập Trình Máy Làm Bánh In Tự Động Sử Dụng PLC Mitsubishi
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Máy Làm Bánh In Tự Động

Đồ án máy làm bánh in tự động dùng PLC Mitsubishi là một hệ thống tự động hóa hiện đại được phát triển nhằm thay thế quy trình làm bánh thủ công truyền thống. Đây là một bước tiến lớn trong công nghiệp thực phẩm, giúp tăng năng suất sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định. Hệ thống này được thiết kế dựa trên nền tảng PLC Mitsubishi FX2N, một bộ điều khiển lập trình có độ tin cậy cao và khả năng xử lý tín hiệu nhanh chóng. Máy làm bánh in tự động không chỉ giảm sức lao động của công nhân mà còn tối ưu hóa chi phí sản xuất, nâng cao tính cạnh tranh của doanh nghiệp trên thị trường. Đồ án này được thực hiện bởi sinh viên từ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, khoa Đào tạo Chất lượng Cao, dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Vi Đô.

1.1. Thực trạng hiện nay trong sản xuất bánh

Cách làm bánh in thủ công truyền thống yêu cầu công nhân thực hiện nhiều bước phức tạp: từ việc chuẩn bị bột, cho bột vào khuôn, ép bánh cho đến lấy bánh ra khỏi khuôn. Phương pháp này tốn nhiều thời gian, lao động và dễ gây sai sót về chất lượng sản phẩm. Máy làm bánh in tự động giải quyết những vấn đề này bằng cách tự động hóa toàn bộ quy trình, từ cấp phôi bột đến lấy sản phẩm cuối cùng.

1.2. Lợi ích của tự động hóa trong sản xuất bánh

Hệ thống PLC Mitsubishi mang lại nhiều lợi ích vượt trội: tăng năng suất sản xuất lên 5-10 lần so với thủ công, đảm bảo độ chính xác cao trong kích thước và hình dáng bánh, giảm chi phí lao động đáng kể, và nâng cao chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, máy tự động có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài mà không mệt mỏi, đáp ứng nhu cầu sản xuất hàng loạt của các nhà máy.

II. Cơ sở Lý Thuyết của Hệ Thống Điều Khiển

PLC Mitsubishi là bộ điều khiển có thể lập trình, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp. Trong đồ án này, PLC FX2N 16MR được chọn vì tính ổn định, dễ sử dụng và chi phí hợp lý. Hệ thống bao gồm ba phần chính: khối xử lý trung tâm (PLC), khối nhận tín hiệu từ các cảm biến, và khối thực thi với các thiết bị như xi lanh khí nén và van điện từ. Xi lanh khí nén là bộ phận cơ khí chính, cung cấp lực để thực hiện các hành động như ép bánh, nâng khuôn. Cảm biến giám sát vị trí xi lanh và các trạng thái khác. Van điện từ được điều khiển bởi PLC để kiểm soát luồng khí nén tới các xi lanh.

2.1. Tổng quan về PLC Mitsubishi FX2N

PLC FX2N là dòng sản phẩm đình đám của Mitsubishi, với 16 đầu vào/đầu ra trong mô hình 16MR. Nó có tốc độ xử lý cao, hỗ trợ nhiều hình thức kết nối và giao tiếp dữ liệu. Phần mềm lập trình GX Developer được sử dụng để viết chương trình điều khiển cho PLC, cho phép định nghĩa các logic hoạt động của máy theo yêu cầu của quy trình sản xuất.

2.2. Xi lanh khí nén và cảm biến vị trí

Hệ thống sử dụng xi lanh khí nén loại tác động kép để cung cấp lực cơ học. Cảm biến từ AIRTAC CS1-U được lắp trên các xi lanh để phát hiện vị trí piston, gửi tín hiệu về PLC. Van điện từ 5/2 điều khiển chiều chuyển động của xi lanh bằng việc chuyển đổi hướng luồng khí nén theo lệnh của PLC.

III. Thiết Kế và Tính Toán Hệ Thống

Quá trình thiết kế hệ thống máy làm bánh in bao gồm tính toán kích thước khung, thiết kế khuôn bột và khuôn ép bánh trên phần mềm Solidworks, lựa chọn các thiết bị điện khí nén phù hợp. Khung cơ khí được tính toán để chịu lực từ các xi lanh, đảm bảo độ bền và ổn định trong quá trình vận hành. Khuôn bột có thiết kế riêng để định hình bánh, đảm bảo mỗi sản phẩm có kích thước và hình dáng đồng nhất. Sơ đồ khối hệ thống mô tả mối quan hệ giữa các thành phần: PLC nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý logic, và gửi lệnh điều khiển tới các van điện từ để kích hoạt xi lanh.

3.1. Lựa chọn thiết bị điện và khí nén

Các thiết bị được lựa chọn dựa trên tính toán lực cần thiết và yêu cầu về tốc độ. Van điện từ 5/2 cung cấp các cổng nạp xả khí nén, xi lanh CXSM và xi lanh tròn MAL là những lựa chọn phù hợp. Nút nhấn điều khiển thủ công, relay để chuyển đổi tín hiệu điện áp, cảm biến điện dung để phát hiện mức bột.

3.2. Giao diện HMI và hệ thống hiển thị

HMI Wintek 807ip được lựa chọn làm giao diện người dùng, cho phép nhân viên giám sát và điều khiển máy từ màn hình cảm ứng. Phần mềm Easy Build được sử dụng để thiết kế giao diện, hiển thị các thông tin về trạng thái máy, lỗi hệ thống, và tốc độ sản xuất. Phân quyền hệ thống được thiết lập để bảo mật và quản lý người dùng khác nhau.

IV. Lập Trình và Kết Quả Thực Hiện

Chương trình PLC được viết bằng ngôn ngữ Ladder trong phần mềm GX Developer, định nghĩa tất cả các bước hoạt động của máy: cấp bột, ép bánh, nâng khuôn, lấy bánh và tái lập vị trí ban đầu. Lưu đồ giải thuật được xây dựng trước để đảm bảo logic hoạt động chính xác. Giao diện HMI hiển thị màn hình chính với các nút điều khiển tự động/thủ công, màn hình phụ cho cấu hình thông số. Sau quá trình thi công hệ thống bao gồm lắp khung cơ khí, đấu nối các xi lanh, cảm biến, relay, kết quả cuối cùng là một máy làm bánh hoàn chỉnh. Máy đã được test chương trình và chạy thử nghiệm thành công, đạt năng suất 100-150 bánh/giờ, tăng 8 lần so với thủ công, với độ chính xác kích thước ±2mm.

4.1. Phần mềm lập trình và logic điều khiển

GX Developer cho phép lập trình PLC thông qua sơ đồ mạch (Ladder). Chương trình gồm các khối logic: khối nhận tín hiệu cảm biến, khối xử lý logic theo trình tự công nghệ, khối xuất lệnh điều khiển. Lưu đồ chương trình tự động mô tả toàn bộ chu kỳ sản xuất, từ cấp phôi bột đến tái lập vị trí.

4.2. Kết quả đạt được và hiệu quả kinh tế

Kết quả thực hiện cho thấy máy hoạt động ổn định, độ tin cậy cao. Năng suất tăng từ 15-20 bánh/giờ (thủ công) lên 100-150 bánh/giờ (tự động). Chi phí sản xuất giảm 60-70%, chất lượng sản phẩm cải thiện đáng kể. Hướng phát triển bao gồm tích hợp robot xếp hàng, hệ thống kiểm tra chất lượng tự động, kết nối IoT để giám sát từ xa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. 3 Giới thiệu chi tiết về mô hình dạy học, đưa ra các cơ sở để chọn thiết bị, trình bày cơ sở lý thuyết về PLC, kiến thức cơ bản PLC Mitsubishi, màn hình HMI Wintek, lý thuyết về xy lanh cảm biến hệ thống khí nén.

Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán. Khảo sát mô hình máy làm bánh in trên thị trường, tính toán thiết kế khung từng khối trên solidwork, đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống. Chương 4: Thi Công Hệ Thống. Thi công hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật, thiết kế giao diện màn hình HMI và viết chương trình PLC.

Sau đó viết tài liệu hướng dẫn sử dụng và thao tác trên mô hình. Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, thực hiện. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống máy.

Trình bày những kết luận về hệ thống những phần làm rồi và chưa làm, đồng thời nếu ra hướng phát triển cho hệ thống. 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu cách làm bánh in truyền trống và thực trạng hiện nay. Bánh in là một trong những sản phẩm truyền thống mang đậm nét bản sắc dân tôc của Việt Nam là một loại bánh có xuất xứ từ Huế. Bánh có dạng hình tròn đường kính từ 35 đến 50 (mm), độ dày bánh khoảng 10 đến 20 (mm).

Trên bề mặt bánh có vân đan khắc các hình chữ Thọ, Phúc, Lộc và gói trong giấy ngũ sắc làm từ hỗn hợp từ bột năng, bột nếp, đậu xanh, đường, các nguyên liệu khác và các chất phụ gia… Bánh in thường dùng để dâng lên các lễ hội đền, chùa làm một loại bánh không thể thiếu để cúng kính, là loại bánh có nhu cầu tiêu thụ trong nước và xuất khẩu nước ngoài rất lớn. Cách chọn nguyên liệu. Bột làm bánh in là bột nếp xay mịn hoặc pha bột nếp với bột đậu xanh bóc vỏ. Số lượng đường và bột ngang nhau (1 kg đường làm 1 kg bột) thì bánh mới ngọt.

Lựa nếp dẻo, chọn hạt cùng cỡ để rang hột cháy đều. Nếp chọn xong đem vo, để cho ráo nước. Hạt nếp vừa ráo đem rang bằng trã đất trên lửa nóng. Chọn bột năng (bột ngon là bột trắng như sữa, sờ vào mát mịn ở da tay, cho một ít lên miệng không nghe mùi vị, bột kém chất lượng có màu vàng đục, hơi cát chứ không mát mịn, vị chua).

Một ký bột, 700 gam đường cát trắng, 300 gam cơm dừa khô (dùng để vắt nước cốt) và một bó lá dứa bằng cổ tay. Cách làm chế biến. Trộn bột với đường cát thật đều, sau đó dùng khuôn nén chặt. Bỏ bột vào lớp dưới đáy, bỏ nhân chính giữa, bỏ một lớp bột lên trên, lấy nắp đậy lên rồi ấn nhẹ tay để bánh được xốp và lấy khuôn ra.

Bánh in sau khi nén được đặt lên những chiếc nống lót giấy báo và hong trên than hồng. Dưới cái nóng hừng vừa phải của than, đường cát tan ra trong bột như một thứ keo mật làm cho bánh in được định hình chặt chẽ. Cho một ít bột vào rây, nhanh tay một chút, bột rớt xuống rây thì múc lấy và cho vào khuôn đã chuẩn bị sẵn. Ém bột chặt tay, như vậy bánh mới không bị bể.

Bánh mới làm xong rất dễ bể. Phải để 15 phút sau mới di chuyển. Làm như thế bánh sẽ rất xốp, còn mịn là do lúc chà bột. Nếu ấn mạnh quá bánh sẽ chặt, qua vài hôm sau bánh rất cứng.

Công đoạn cuối cùng là bọc giấy ngũ sắc (giấy ngũ sắc gồm các màu: đỏ, vàng, nâu, xanh lá cây, tím.) Giấy được cắt sao cho bọc vừa kín chiếc bánh. Hồ dán là nước bột lọc xin ở nhà làm bún đem về nấu quấy cho nó deo dẻo. Về sau này, bánh in được bọc bằng giấy nylon màu bóng. Hồ dán cũng được thay bằng cách châm lửa hương vào các mép nối giấy.

5 Hình 2-1: Cách làm bánh thủ công * Ưu điểm : + Thiết bị sản xuất đơn giản chỉ cần : khuôn, chảo, bếp lò + Dễ dàng điều chỉnh độ dầy, thưa và hình dạng bánh. * Khuyết điểm : + Với dụng cụ và động tác trên thì năng suất sẽ thấp. + Độ đồng đều và chất lượng bánh in không ổn định, mà phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề người công nhân. + Điều kiện làm việc cực nhọc và vất vả ( chuyển động cơ bắp nhiều, môi trường nhiệt độ cao ).

+ Không đảm bảo tiêu chuẩn hợp vệ sinh thực phẩm trong quá trình sản xuất. Hiện nay có nhiều công ty chuyên sản xuất sản phẩm máy làm bánh với công suất lớn với nhiều chủng loại đa dạng, phong phú. Tuy nhiên, ở nước ta đa số quy mô kinh doanh còn nhỏ về thị trường làm bánh chủ yếu làm thủ công là chính hộ gia đình theo hướng gia truyền không phù hợp với các dây chuyền công nghiệp lớn hoặc máy móc hiện đại phúc tạo chi phí rất cao. Bánh in được sản xuất ra hoàn toàn bằng phương pháp thủ công, hầu như có rất ít cơ sở sản xuất ở Việt Nam có máy để phục vụ trong quá trình sản xuất bánh in.

Chỉ có một vài cơ sở sản xuất đã tự mày mò để tìm ra giải pháp nhằm cải tiến qui trình để 6 tăng năng suất nhìn chung cũng chưa thay thế hoàn toàn chuyển động của tay người thành chuyển động của máy. Hình 2-2: Công nhân đang cho bột vào khuôn Vì nhu cầu xuất khẩu và tiêu dùng bánh ngày càng cao, cho nên việc nghiên cứu chế tạo ra một máy làm bánh in tự đông đa chức năng là rất cần thiết, không những nhỏ gọn, nhất là thay đổi công nghệ sản xuất bánh hiện nay, chuyển đổi công nghệ làm bánh bằng tay thành công nghệ làm bánh bằng máy còn bảo được điều kiện vệ sinh an toàn thực phẩm khai thác tối đa tính năng của một PLC mà còn có thể mở rộng chuyển đổi chức năng phương thước làm các loại bánh khác nhau 2.2 Cơ sở lý thuyết của đề tài 2.1 Tổng quan về PLC •Định nghĩa PLC là tên viết tắt của dòng chữ Programmable Logic Controller (Có thể hiểu một cách đơn giản trong tiếng việt là: Thiết bị điều khiển cho phép người dùng lập trình (Khả trình)). Trong quá khứ các bộ điều khiển chỉ được sản xuất ra để phục vụ riêng cho một mục đích điều khiển và không thể thay đổi (Hay còn gọi là điều khiển kết nối cứng), điều này đã tạo ra những hạn chế và nhược điểm vô cùng lớn trong việc lập trình điều khiển nên bộ điều khiển Login khả trình đã được ra đời (PLC). Thông qua bộ điều khiển PLC, người dùng hoàn toàn có thể thay đổi thuật toán điều khiển thông qua việc lập trình PLC (Viết bằng ngôn ngữ lập trình) • Cấu tạo Thành phần chính của PLC là một bộ nhớ chượng trình( bộ nhớ RAM và có thể mở rộng qua bộ nhớ ngoài EFROM) một bộ xử lí có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép 7 nối các PLC và các module vào ra.

PLC có nhiều loại khác nhau và được phân biệt dựa trên thành phần chính của nó: như các ngõ vào ra, dung lượng bộ nhớ, bộ đếm (counter), bộ định thời (Timer), bit nhớ, các chức năng đặc biệt, tốc độ xử lí, loại xử lý và chức năng truyền thông. Bộ xử lý (CPU: Central Processing Unit ) Để đáp ứng yêu cầu thì PLC phải có CPU như một máy tính. CPU được xem là bộ não của PLC, quyết định tốc độ xử lý cũng như khả năng điều khiển chuyên biệt của PLC. CPU là đọc tín hiệu ngõ vào từ khối vào, xử lý và xuất tín hiệu tới khối ra.

CPU còn chứa các khối chứa năng phổ biến như Timer, Counter, lệnh toán học,… và các hàm chuyên dụng. Khối vào (Module Input) : Có hai loại ngõ vào là ngõ vào số DI (Digital Input) và ngõ vào tương tự AI (Analog Input) Ngõ vào DI kết nối với các thiết bị tạo ra tín hiệu dạng nhị phân như: công tắc, nút nhấn, công tắc hành trình, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận,… Ngõ vào AI kết nối với các thiết bị tạo ra tín hiệu liên tục như: các loại cảm biến nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, độ ẩm,… Khi kết nối cần chú ý đến sự tương thích giữa tín hiệu ngõ ra cảm biến với tín hiệu vào mà module AI có thể đọc được. Mỗi module AI sẽ có khả năng đọc tín hiệu tương tự khác nhau: đọc dòng điện, điện áp, tổng trở,… Một thông số quan trọng khác của các module AI là độ phân giải, thông số này cho biết độ chính xác khi thực hiện chuyển đổi ADC. Khối ra (Module Output): Có 2 loại ngõ ra là ngõ ra số DO (Digital Output) và ngõ ra tương tự AO (Analog Output) Ngõ ra DO kết nối với các cơ cấu chấp hành điều khiển theo quy tắc On/Off như: đèn báo, chuông, van điện, động cơ không điều khiển tốc độ,… Ngõ ra AO kết nối với các cơ cấu chấp hành cần tín hiệu điều khiển liên tục: biến tần, van tuyến tính,… Đặc điểm và vai trò của PLC • Đặc điểm Ưu điểm : - Khả năng điều khiển chương trình linh hoạt.

Đối tượng điều khiển chỉ cần thay đổi chương trình thông qua việc lập trình. - Chức năng lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ đọc. - Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống. - Số lượng Timer, Counter, Relay trung gian,… lớn.

PLC hỗ trợ nhiều khối hàm có chức năng chuyên dụng: phát xung tốc độ cao, bộ đếm tốc độ cao, bộ điều khiển PID,… 8 - Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, muốn thay đổi phương pháp điều khiển chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển. - Cấu trúc dạng Module giúp PLC đa năng tiện ích. Người dùng dễ dàng lựa chọn module cần thiết với yêu cầu điều khiển. Cấu trúc dạng module giúp việc mở rộng quy mô điều khiển đơn giản, tiết kiệm, không cần phải trang bị CPU mới.

Tuy nhiên khi mở rộng cần chú ý tới khả năng kết nối tối đa của CPU. - Khả năng truyền thông, nối mạng với máy tính hay với PLC khác - Hoạt động với độ tin cậy cao, tuổi thọ cao, chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp. - Khả năng tự chuẩn đoán giúp cho công việc sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng. - Công suất tiêu thụ rất thấp.