Đồ án tốt nghiệp: Mô hình chiết rót và đóng nắp chai tự động - HUTECH

Tài liệu đồ án mô hình chiết rót và đóng nắp chai tự động. Phân tích thiết kế hệ thống, lựa chọn thiết bị và lập trình điều khiển PLC.

• Tác giả: Vũ Vương Trọng Thiên
• Người hướng dẫn: Th.S Trương Thu Hiền
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Mô Hình Chiết Rót Và Đóng Nắp Chai
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Mô Hình Chiết Rót và Đóng Nắp Chai Tự Động

Đồ án mô hình chiết rót và đóng nắp chai tự động là một dự án tốt nghiệp thuộc ngành Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa. Mô hình này được thiết kế nhằm tự động hóa quy trình sản xuất nước đóng chai, một trong những quy trình phổ biến trong các nhà máy sản xuất đồ uống hiện đại. Hệ thống được điều khiển bởi PLC Mitsubishi FX1S, một bộ điều khiển lập trình được coi là tiêu chuẩn trong các ứng dụng công nghiệp quy mô nhỏ và vừa. Mô hình bao gồm ba khâu chính: chiết rót nước, đóng nắp chai và vận chuyển chai. Các thành phần được lắp ráp và kiểm tra để đảm bảo ổn định và chất lượng cao trong quá trình hoạt động. Đồ án này không chỉ cung cấp kiến thức lý thuyết mà còn áp dụng thực tế trong công nghiệp sản xuất tự động.

1.1. Mục Tiêu Và Phạm Vi Đề Tài

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và thi công mô hình chiết rót, đóng nắp chai tự động đạt hiệu suất cao và độ ổn định tốt. Phạm vi đề tài được giới hạn trong các khâu chiết rót và đóng nắp với các cảm biến quang xác định vị trí chai. Mô hình được xây dựng với thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả, phù hợp cho các nhu cầu giáo dục và ứng dụng thực tế tại các nhà máy quy mô nhỏ.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Trong Công Nghiệp

Hệ thống tự động hóa chiết rót và đóng nắp là một phần quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống. Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất giúp tăng năng suất, giảm lỗi nhân công và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Đồ án này cung cấp một giải pháp thực tiễn có thể áp dụng tại các nhà máy sản xuất nước đóng chai, giúp nâng cao hiệu quả kinh tế.

II. Thiết Kế Phần Cứng Hệ Thống Chiết Rót Và Đóng Nắp

Phần cứng của mô hình chiết rót và đóng nắp chai bao gồm nhiều thành phần cơ khí và điện tử được tích hợp chặt chẽ. Hệ thống sử dụng mâm xoay để định vị chai tại các vị trí chiết rót và đóng nắp, cơ cấu xoay nắp để xoay nắp vào chai, và băng tải để vận chuyển chai qua các khâu. Các động cơ giảm tốc điều khiển chuyển động của từng bộ phận, trong khi xylanh khí nén cung cấp lực cần thiết cho các cơ cấu. Hệ thống điều khiển bao gồm PLC Mitsubishi FX1S, các cảm biến quang phát hiện vị trí, van điện từ điều khiển khí nén, và các thiết bị bảo vệ điện đảm bảo an toàn hoạt động.

2.1. Mô Tả Các Cơ Cấu Chính

Mâm xoay là thành phần quan trọng giữ và định vị chai tại các vị trí cụ thể. Cơ cấu cấp nắp dùng để đặt nắp lên chai, còn cơ cấu xoay nắp xoay nắp để vặn chặt vào chai. Băng tải chuyển chai giữa các khâu xử lý. Toàn bộ cơ cấu được lắp đặt trên khung sườn cố định bằng kim loại, đảm bảo độ cứng và ổn định.

2.2. Lựa Chọn Thiết Bị Điều Khiển

PLC Mitsubishi FX1S-20MT-001 được chọn làm bộ điều khiển chính vì ưu điểm về độ tin cậy và khả năng lập trình linh hoạt. Cảm biến quang E18-D80NK xác định vị trí chai với độ chính xác cao. Aptomat 10A bảo vệ mạch điện, bộ chuyển đổi 24VDC cung cấp nguồn điện ổn định cho các cảm biến và van điều khiển.

III. Thiết Kế Và Lập Trình Phần Mềm Điều Khiển

Phần mềm điều khiển được lập trình bằng Ladder Diagram trên GX Developer cho PLC Mitsubishi FX1S, một ngôn ngữ lập trình phổ biến trong điều khiển công nghiệp. Chương trình được thiết kế để điều khiển tuần tự các khâu: phát hiện chai, chiết nước, đóng nắp và vận chuyển. Các cảm biến quang gửi tín hiệu về PLC khi chai đến vị trí, PLC xử lý tín hiệu và gửi lệnh điều khiển đến các động cơ và van điện từ. Hệ thống sử dụng bảng địa chỉ I/O để quản lý đầu vào và đầu ra, đảm bảo các thiết bị hoạt động đúng trình tự. Chương trình được kiểm tra để phát hiện và sửa lỗi trước khi thi công mô hình thực tế.

3.1. Logic Điều Khiển Quy Trình Sản Xuất

Logic điều khiển được chia thành các khâu: Khâu 1 phát hiện chai, Khâu 2 chiết nước, Khâu 3 đóng nắp, Khâu 4 vận chuyển. Mỗi khâu chỉ bắt đầu khi khâu trước hoàn thành. Cảm biến quang kích hoạt các bộ phận tương ứng, đảm bảo chai được xử lý đúng thứ tự.

3.2. Bảng Địa Chỉ I O Và Cấu Hình PLC

Bảng địa chỉ I/O ghi rõ tất cả đầu vào từ cảm biến và đầu ra đến các thiết bị điều khiển. PLC FX1S có 12 đầu vào kỹ thuật số và 8 đầu ra, đủ cho hệ thống này. Cấu hình bộ nhớ được thiết lập để lưu trữ các trạng thái và dữ liệu xử lý.

IV. Thi Công Lắp Ráp Và Kết Quả Đạt Được

Thi công mô hình bao gồm các bước: lắp đặt khung sườn, gắn các cơ cấu cơ khí, lắp động cơ và xylanh, đấu nối điện theo sơ đồ, lập trình PLC và kiểm tra hoạt động. Mô hình chiết rót đóng nắp đã được hoàn thành và chạy thử nghiệm với những kết quả khả quan. Hệ thống hoạt động ổn định, chai được chiết rót đầy đủ và đóng nắp chặt. Tuy nhiên, do điều kiện kinh phí hạn chế, mô hình còn một số thiếu sót nhất định như không có hệ thống kiểm chất lượng nước hoàn toàn tự động. Kết quả này đáp ứng yêu cầu cơ bản của đồ án và có thể phát triển thêm trong các dự án tương lai.

4.1. Quá Trình Hoạt Động Thực Tế Của Mô Hình

Khi hệ thống khởi động, chai được đặt trên mâm xoay. Cảm biến quang phát hiện chai, PLC gửi lệnh cho động cơ mâm xoay quay đến vị trí chiết rót. Xylanh khí nén kích hoạt quá trình chiết nước, sau đó chai tiếp tục quay đến vị trí đóng nắp. Cơ cấu xoay nắp hoạt động tự động để vặn nắp chặt.

4.2. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Tương Lai

Đồ án mô hình chiết rót và đóng nắp chai tự động đã hoàn thành thành công với các chức năng cơ bản. Hướng phát triển bao gồm: nâng cao tốc độ sản xuất, thêm hệ thống kiểm chất lượng nước, tối ưu điều khiển bằng AI/Machine Learning, và mở rộng quy mô cho sản xuất công nghiệp lớn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Giới thiệu *) Thực trạng của quá trình sản xuất của chiết rót và đóng nắp chai: Dây chuyền chiết rót tự động là dây chuyền tiên tiến, hiện đại nhất tính đến hiện nay, được tự động hóa từ khâu sản xuất, đóng nắp chai cho đến đóng thùng thay thế hiệu quả các máy chiết rót, máy đóng nhãn, máy vặn nắp,… giúp tiết kiệm thời gian và chi phí cho doanh nghiệp cũng như đảm bảo chất lượng sản phẩm. Trong các ngành công nghiệp thực phẩm, máy chiết rót thường được áp dụng cho những trường hợp đòi hỏi năng suất cao, hoặc các yêu cầu nghiêm ngặt về vệ sinh thực phẩm. Tùy theo tính chất của dung dịch chất lỏng, các máy chiết rót sẽ khác nhau ở các bộ phận làm việc chính, các cơ cấu rót. Quy trình chiết rót tự động nước đóng chai thường trải qua 3 giai đoạn: - Giai đoạn 1: Với cơ chế hoạt động tự động hóa.

Trước khi các chai được đưa vào chiết rót thì sẽ được làm sạch bằng máy súc rửa. Các chai rỗng được đưa vào máy bằng băng tải. Nhờ vòi chuyên dụng rửa sạch bên trong chai. - Giai đoạn 2: Sau khi chai được làm sạch đi theo băng tải đến máy chiết rót và được đổ đầy chai.

- Giai đoạn 3: Cuối cùng là khâu đóng nắp và hoàn thiện sản phẩm.1 Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động. (Nguồn: Internet) 2 Các công nghệ trên dây chuyền chiết rót, đóng nắp, đóng thùng 1.1 Kiểm tra chai lỗi Để kiểm tra được lỗi 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 hai 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 nguồn điện 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.2 Máy kiểm tra lỗi chai (Nguồn: Internet) 3 1.2 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.

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 đứng lại. Phương pháp này 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 trong khoảng thời gian xác định, có thể xem như thể tích chất lỏng chảy là không đổi. Phương pháp này chỉ áp dụng cho các sản phẩm có giá trị 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.

4 - 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 chứa, 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 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 1.3 Máy chiết bàn quay (Nguồn: Internet) 1.3 Đóng nắp chai Máy đóng nắp chai được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất đồ uống, thực 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 phong 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 5 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.4 Máy chiết rót và đóng nắp kiểu bàn xoay.

(Nguồn: Internet) 6 Chương 2 Tổng quan giải pháp 2.1 Hệ thống máy chiết rót thức uống Carbonated Hệ thống máy thông thường được sử dụng để chiết rót trong dây chuyền sản xuất nước ngọt có ga (Carbonated) : máy thiết kế thành một khối Cabin liền mạch bao gồm đảo ngược chai chiết rót và đóng nắp giống như một hệ thống liền mạch và phù hợp với các loại chai PET hoặc các loại chai nhựa khác. Công nghệ chiết rót iso- pressure (iso- barometric) là công nghệ chiết rót hiệu quả nhất và được sử dụng chuyên dụng dành riêng cho các sản phẩm nước ngọt có ga, bia,. hiệu quả hơn so với các loại máy chiết rót thông thường khác.1 Hệ thống máy chiết rót thức uống Carbonated. (Nguồn: Internet) Ngoài việc sử dụng hệ thống kiểm tra dò quang điện để kiểm soát các tiểu trình quan trọng, còn có hệ điều khiển PLC từ OMRON kiểm tra một cách tự động các các quá trình chiết rót và số lượng chai mới được vào sắp xếp một cách tự động các chai rỗng được chờ sẵn tiếp nối, giảm các thiệt hại về sản xuất.

Đối với các hình dạng chai khác nhau về hình dạng máy hoàn toàn có thể thích nghi và chiết rót một cách dễ dàng. Hệ thống là thiết bị dễ dàng vận hành hiệu quả, phù hợp với nhiều loại chai nhựa, và năng suất cao. Dây chuyền tự động hóa càng cao và dễ dàng vận hành tạo ra một công ty sản xuất nước giải khát hoàn hảo và lý tưởng. 7 Đặc điểm của Dây chuyền sản xuất Coca tự động / Nước uống Soda/ Nước ngọt có ga: 1.

Sử dụng băng tải khí nén kết nối giữa các hệ thống sản xuất tạo sự khép kín trong dây chuyền; loại bỏ các loại băng tải trục vít, băng chuyển loại cũ, việc thay đổi hình dạng của chai nhựa trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết. Hệ thống chai được vận chuyện thông qua cổ chai đưa vào dây chuyền, chai với hình dạng khác nhau không cần phải điều chỉnh thiết bị, chỉ cần thay đổi lên các tấm xoay, ni lon và phần cong là đủ. Máy phun vệ sinh với thiết kế không gỉ bền bỉ và vững chắc, không liền kề với các hệ thống chiết rót, nút chai để tránh tái lây nhiễm vi khuẩn. Tốc độ chiết rót cao, chế độ định lượng, chiết rót chính xác và không hao hụt lượng chất lỏng.

Xoắn vít các nắp chai được thực hiện, và không dễ dàng biến đổi hình dạng chai. Hệ thống điều khiển PLC cấu tạo từ các linh kiện nhập khẩu nổi tiếng gồm: Japan’s Mitsubishi, France Schneider, OMRON.2 Máy súc rửa chai của hệ thống.3 Máy chiết rót và đóng nắp chai của hệ thống.2 Quy trình sản xuất CocaCola Để đến tay người tiêu dùng, sản phẩm CocaCola chai nhựa PET phải trải qua quy trình sản xuất khép kín gồm 4 bước: - Bước 1: Pha chế siro Ở công đoạn này, hệ thống pha chế được điều khiển tự động. Nguyên vật liệu được bơm vào bồn trộn theo đúng tỉ lệ công thức sản phẩm. Tại máy chiết rót, các phôi chai PET được máy tự động kiểm tra kích thước trước khi được thổi thành chai theo đúng kích cỡ quy định.

Sau đó chai nhựa được chuyển sang máy chiết rót. Lúc này sản phẩm được máy chiết rót vào chai theo đúng dung tích quy định. Nắp chai được đóng nắp tự động và chuyển qua máy kiểm tra mực rót và nắp. Sản phẩm đạt chất lượng sẽ được chuyển qua máy in hạn sử dụng.

Việc liên tục kiểm tra ở từng giai đoạn của chương trình đảm bảo không bỏ sót mọi lỗi sản xuất và loại bỏ hoàn toàn các sản phẩm chưa đạt chuẩn.4 Chai CocaCola đã được chiết rót, đóng nắp (Nguồn: Internet) - Bước 3: Dán nhãn Các sản phẩm sau khi được chiết rót, đóng nắp hoàn chỉnh được chuyển qua giai đoạn in mã sản phẩm và in hạn sử dụng, sau đó sẽ được chuyển qua máy dán nhãn hoàn toàn tự động và được kiểm tra nhãn hiệu qua hệ thống camera. - Bước 4: Đóng gói Chai CocaCola đã dán nhãn được tự động phân theo cụm số chai và nhập vào hàng, giấy màng co lại tùy theo từng loại các sản phẩm được đóng theo từng lốc với số lượng quy định Hình 2.5 Sản phẩm sau khi được đóng gói theo lốc (Nguồn: Internet) 10 Chương 3 Phương pháp giải quyết 3.1 Xác định mục tiêu và giới hạn của đề tài 3.