Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, cơ khí truyền thống bộc lộ những giới hạn về năng suất và tính linh hoạt trong nền kinh tế thị trường. Xu hướng phát triển công nghệ hiện đại đòi hỏi sự tích hợp liên ngành giữa kỹ thuật cơ khí, điện tử và công nghệ thông tin để tạo nên lĩnh vực Cơ điện tử. Trên thế giới, tự động hóa đã phát triển mạnh mẽ từ cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai, hình thành rõ nét sau khi Ford thành lập bộ phận tự động hóa vào năm 1947 và ứng dụng lý thuyết điều khiển phản hồi từ những năm 1930. Đến thập niên 1990, sự bùng nổ của ngành đồ uống đóng chai đã thúc đẩy quá trình nghiên cứu, ứng dụng các dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai tự động.

Tại Việt Nam, cơ điện tử là lĩnh vực đang trên đà phát triển. Ngành sản xuất nước uống đóng chai và nước giải khát ghi nhận tốc độ tăng trưởng cao do nhu cầu tiêu thụ của thị trường vượt quy mô sản xuất hiện có. Sự cạnh tranh đòi hỏi các doanh nghiệp phải ứng dụng dây chuyền tự động nhằm chuẩn hóa chất lượng, tăng năng suất và giảm chi phí vận hành. Báo cáo đồ án môn học Cơ điện tử tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (năm 2024), dưới sự hướng dẫn của giảng viên Trần Quốc Bảo, tập trung giải quyết bài toán thiết kế hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động nhằm mô phỏng quy trình sản xuất thực tế.

Tác giả xác định 4 vấn đề kỹ thuật trọng tâm cần giải quyết trong hệ thống:

  1. Phương pháp cấp chai vào hệ thống và giải pháp giữ ổn định chai, tránh hiện tượng đổ ngã khi di chuyển trên băng tải.
  2. Phương pháp xác định chính xác định lượng chất lỏng cần chiết rót vào từng chai.
  3. Cơ chế và nguyên lý tự động cấp nắp chai vào đúng vị trí miệng chai.
  4. Cơ chế định vị chai tại các trạm làm việc và quy trình thực hiện đóng/dập nắp chai.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động. Phạm vi nội dung tập trung vào tính toán cơ khí, thiết kế hệ thống điện - khí nén, lập trình điều khiển tự động hóa và xây dựng giao diện giám sát. Phạm vi ứng dụng được giới hạn ở quy mô mô hình nghiên cứu trong phòng thí nghiệm phục vụ học tập, chưa trực tiếp áp dụng vào môi trường sản xuất công nghiệp thực tế nếu không có sự đầu tư nghiên cứu và hoàn thiện thêm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đề tài được xây dựng trên các nền tảng kỹ thuật điều khiển tự động, kỹ thuật cơ khí truyền động và đo lường công nghiệp:

  • Lý thuyết điều khiển logic khả trình (PLC): Cấu trúc phần cứng PLC gồm bộ xử lý trung tâm (CPU), hệ thống bộ nhớ (ROM lưu chương trình điều hành, RAM lưu dữ liệu tạm thời có nguồn phụ duy trì, EEPROM lưu chương trình ứng dụng có thể xóa và ghi lại bằng điện tín) và các khối giao tiếp vào/ra (I/O) cách ly quang chuyển đổi mức điện áp công nghiệp (24VDC/240VAC) về mức điện áp vi mạch nội bộ (+5VDC/+15VDC). Các ngôn ngữ lập trình tiêu chuẩn theo chuẩn IEC bao gồm ngôn ngữ hình thang (Ladder Logic - LAD), ngôn ngữ liệt kê lệnh (Statement List - STL) và ngôn ngữ khối chức năng (Function Block Diagram - FBD).
  • Lý thuyết truyền động băng tải và động cơ điện một chiều: Phân loại và kết cấu các dòng băng tải (băng tải xích, băng tải con lăn, băng tải PVC); cấu tạo động cơ DC gồm Stator (nam châm), Rotor (cuộn dây), cổ góp và chổi than; nguyên lý sinh sức phản điện động (counter-EMF) khi rotor quay trong từ trường; công thức xác định công suất truyền động băng tải dựa trên lực kéo, vận tốc và hiệu suất truyền động.
  • Lý thuyết truyền động khí nén: Nguyên lý biến đổi thế năng khí nén thành động năng của xilanh khí nén tác dụng đơn (SAC) và tác dụng kép (DAC); kết cấu và nguyên lý làm việc của van đảo chiều điện từ 5/2 (5 cửa làm việc gồm cửa cấp khí 1, hai cửa làm việc 2 và 4, hai cửa xả 3 và 5; 2 trạng thái vị trí).
  • Lý thuyết đo lường và cảm biến: Cảm biến quang điện hồng ngoại thu phát phản xạ qua gương dựa trên hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot khi có chùm sáng chiếu vào; cảm biến từ tiệm cận lắp trên thân xilanh đóng tiếp điểm khi vòng từ của piston đi qua.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm:

  • Phương pháp lý thuyết: Thu thập, tổng hợp tài liệu chuyên ngành về thiết bị cơ điện tử, thiết bị đóng cắt và bảo vệ mạch điện (Aptomat, Rơ le trung gian, nút nhấn), động cơ DC giảm tốc, bơm chìm và các module mở rộng tín hiệu PLC; xây dựng mô hình toán học tính toán công suất tải cơ khí và tính toán định lượng thời gian chiết rót.
  • Phương pháp thực nghiệm và mô phỏng: Ứng dụng phần mềm Siemens NX để thiết kế hình học mô hình 3D cơ cấu chấp hành; sử dụng phần mềm Festo Fluidsim để thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển khí nén; sử dụng phần mềm TIA Portal (Step 7 Basic) để cấu hình phần cứng S7-1200, lập trình giải thuật điều khiển và thiết kế giao diện vận hành trên WinCC Professional.

Nguồn dữ liệu được trích xuất từ các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của nhà sản xuất Siemens (họ vi điều khiển SIMATIC S7-1200, module SM 1223), hãng sản xuất khí nén SMC và SNS, cùng các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của thiết bị điện công nghiệp Omron.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mô-đun hóa, phân tách thành các phân hệ: phân hệ cơ khí vận chuyển, phân hệ cấp dịch - chiết rót, phân hệ khí nén dập nắp và phân hệ điều khiển tự động hóa trung tâm.

Kiến trúc phần cứng và thiết bị lựa chọn

Hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC kết hợp cùng module mở rộng số SM 1223 để tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến quang, cảm biến tiệm cận và điều khiển các cơ cấu chấp hành thông qua rơ le trung gian và van điện từ. Toàn bộ thiết bị điện 24VDC trong hệ thống được cấp nguồn từ bộ nguồn tổ ong 24VDC - 5A.

Hạng mục thiết bị Tên thiết bị / Mã hiệu Thông số kỹ thuật chính từ văn bản
Bộ điều khiển khả trình (PLC) Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC Nguồn cấp: 24VDC; 14 DI, 10 DO, 2 AI; Bộ nhớ làm việc: 100 kbyte; Ngôn ngữ: LAD, FBD, SCL; Nhiệt độ làm việc: 0–60°C
Module mở rộng I/O Siemens SM 1223 (6ES7223-1QH32-0XB0) 8 DI (120/230VAC), 8 DO (Rơ le 2A); Nguồn cấp: 24VDC; Kích thước: 45x100x75 mm; Khối lượng: 230 g
Động cơ băng tải Động cơ DC giảm tốc TH37-JB530 Điện áp: 24VDC; Công suất: 10W; Tốc độ: 20 rpm; Dòng định mức: 52 mA; Tỉ lệ giảm tốc: 1:250; Khối lượng: 180 g
Bơm dịch chiết rót Bơm chìm RS-701 Điện áp: 220VAC (50/60Hz); Công suất: 3W; Cột nước/lưu lượng: 0,9 lít/phút; Kích thước: 40x30 mm
Cảm biến nhận diện chai Cảm biến quang E3F-R2C1 Điện áp: 6–36VDC; Khoảng cách: 10–300 cm; Thời gian đáp ứng: 2 ms; Ngõ ra: NPN; Chuẩn bảo vệ: IP65
Cảm biến vị trí xilanh Cảm biến tiệm cận SMC D-A73 Kiểu kết nối: 2 dây; Điện áp làm việc: 24VDC; Dòng tải: 5–40 mA; Đèn chỉ thị: LED đỏ
Rơ le trung gian Omron MY2N-GS Điện áp cuộn hút: 24VDC; Rơ le 8 chân; Tiếp điểm: DPDT 5A; Độ bền đóng ngắt: 500.000 lần
Van đảo chiều khí nén Van điện từ 5/2 SY3120-5LZ-M5 Áp suất hoạt động: 0,7 MPa; Điện áp cuộn coil: 24VDC; Cổng kết nối: 5 mm; Kích thước: 70x8 mm
Xilanh đẩy và chặn chai Xilanh 2 trục TN10x50-S (SNS) Đường kính trong: 10 mm; Hành trình: 50 mm; Áp suất vận hành: 0,15–1,0 MPa; Tác động đơn
Xilanh đẩy chai vào thùng Xilanh 2 trục TN10x100-S (SNS) Đường kính trong: 10 mm; Hành trình: 100 mm; Áp suất vận hành: 0,15–1,0 MPa; Tác động đơn
Xilanh dập nắp chai Xilanh 2 trục CXSM10-50 (SMC) Đường kính trong: 10 mm; Hành trình: 50 mm; Áp suất vận hành: 0,15 MPa; Tác động đơn
Bộ nguồn công nghiệp Nguồn tổ ong 24VDC - 5A Điện áp ngõ vào: AC 220V (dải 85–132VAC / 180–264VAC); Điện áp ra: 24VDC (±10%); Công suất: 120W

Tính toán thông số kỹ thuật hệ thống

  1. Tính toán truyền động cơ khí băng tải:
    • Chiều dài đai: $L_T = 0,5\text{ m}$; Chiều dài đai hình học: $L_G = 1,05\text{ m}$; Bề dày đai: $b_0 = 6\text{ mm}$.
    • Khối lượng con lăn: $m_R = 1\text{ kg}$; Vận tốc di chuyển băng tải: $v = 80\text{ mm/s} = 0,08\text{ m/s}$.
    • Tải trọng trên băng tải: Số chai rỗng tối đa $N_{C1} = 1$ ($m_{C1} = 400\text{ g}$); số chai chứa đầy nước tối đa $N_{C2} = 4$ ($m_{C2} = 900\text{ g}$).
    • Công suất động cơ băng tải được tính toán dựa trên lực cản cuộn $F_r$, lực cản không đồng nhất $F_i$, vận tốc $v$ và hiệu suất $\eta$, cho ra kết quả công suất yêu cầu là $P = 7,27\text{ W}$. Đồ án lựa chọn động cơ DC TH37-JB530 có công suất danh định 10W (tốc độ 20 rpm, tỉ số truyền 1:250) đảm bảo yêu cầu kéo tải.
  2. Tính toán thời gian chiết rót định lượng:
    • Lưu lượng bơm chiết rót tính toán: $Q = 2,95\text{ lít/phút} \approx 49,16\text{ ml/s}$.
    • Dung tích chai chứa: $V = 100\text{ ml}$.
    • Thời gian cần thiết để chiết đầy một đơn vị chai được xác định theo công thức: $$T = \frac{V}{Q} = \frac{100}{49,16} \approx 2,0333\text{ giây}$$

Nguyên lý hoạt động và quy trình điều khiển logic

Hệ thống vận hành tự động theo chu trình khép kín:

  • Bước 1: Khi nhấn nút START, Băng tải 2 khởi động để vận chuyển thùng rỗng vào vị trí hứng chai. Khi thùng chạm Cảm biến 4, Băng tải 2 dừng lại.
  • Bước 2: Băng tải 1 vận chuyển chai. Khi Cảm biến 1 phát hiện có chai, Băng tải 1 dừng hoạt động; Xilanh 1 tác động đẩy chai vào băng tải chính đến vị trí vòi rót.
  • Bước 3: Bơm chìm được kích hoạt để rót chất lỏng vào chai. Sau khoảng thời gian định mức xác định ($T = 2,0333\text{ s}$), bơm ngắt. Băng tải 1 tiếp tục vận hành đưa chai dịch chuyển.
  • Bước 4: Chai đi qua cơ cấu cấp nắp tự động để đặt nắp lên miệng chai. Khi Cảm biến 2 phát hiện chai đã có nắp, Băng tải 1 dừng; Xilanh chặn 2 duỗi ra giữ chai cố định, Xilanh dập nắp đi xuống thực hiện dập nắp rồi co về vị trí ban đầu. Xilanh chặn 2 rút về, giải phóng chai để Băng tải 1 tiếp tục chạy.
  • Bước 5: Chai sau khi đóng nắp di chuyển đến cuối hành trình. Cảm biến 3 thực hiện đếm sản phẩm. Khi Cảm biến 3 đếm đủ 2 chai, Xilanh 3 kích hoạt đẩy hàng 2 chai vào thùng chứa trên Băng tải 2.
  • Bước 6: Khi số lượng chai trong thùng tích lũy đủ 4 chai (2 hàng), Băng tải 2 được kích hoạt đưa thùng thành phẩm di chuyển ra hệ thống phía sau. Chu trình tự động lặp lại từ đầu.

Triển khai phần mềm và mô phỏng

  • Mô phỏng khí nén trên Festo Fluidsim: Thiết lập sơ đồ kết nối giữa 3 xilanh khí nén 2 trục và các van đảo chiều 5/2 (SY3120-5LZ-M5), kiểm tra tính đúng đắn của hành trình đẩy chai, chặn chai, dập nắp và đẩy thùng dưới áp suất làm việc quy định.
  • Lập trình và giám sát trên TIA Portal & WinCC: Thiết lập cấu hình trạm PLC S7-1200 CPU 1214C gắn kết module SM 1223; số hóa và phân bổ bảng địa chỉ ngõ vào (DI), ngõ ra (DO) và các bit nhớ trung gian mô phỏng; thiết lập giao diện điều khiển SCADA trên WinCC hỗ trợ nút điều khiển, hiển thị trạng thái cảm biến và trạng thái đóng ngắt của các cơ cấu chấp hành.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về hệ thống

Chương này trình bày lịch sử phát triển của kỹ thuật tự động hóa trên thế giới và tại Việt Nam. Về mặt lịch sử, tác giả điểm lại mốc phát triển từ cách mạng công nghiệp lần thứ hai, sự kiện Ford thành lập bộ phận tự động hóa năm 1947, và sự bùng nổ của ngành nước uống đóng chai từ năm 1990. Tại Việt Nam, chương 1 phân tích tiềm năng tăng trưởng của thị trường nước giải khát và sự cần thiết của việc hiện đại hóa dây chuyền sản xuất. Tác giả xác lập 4 vấn đề kỹ thuật trọng tâm: cơ chế đưa chai vào băng tải không bị đổ, phương pháp đo định lượng nước, giải pháp cấp nắp và cơ cấu định vị dập nắp. Đồng thời, chương 1 vạch rõ phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm mô phỏng trên TIA Portal, Siemens NX, Festo Fluidsim và xác định phạm vi giới hạn của đề tài ở mức độ nghiên cứu học thuật mô hình.

Chương 2. Tổng quan về hệ thống chiết rót

Chương 2 phân tích chuyên sâu các công nghệ chiết rót thương mại hiện có trên thị trường:

  • Máy chiết rót bằng bơm bánh răng (8 đầu): Độ chính xác cao, hiệu suất lớn, dễ bảo dưỡng nhưng chi phí đầu tư ban đầu cao và hoạt động nhạy cảm với biến động áp suất, nhiệt độ.
  • Máy chiết rót bằng bơm piston (6 đầu): Hoạt động theo nguyên lý tịnh tiến piston trong xilanh để định lượng thể tích, phù hợp với chất lỏng không hạt và cả dung dịch đặc nhầy, chịu áp lực cao, nhưng đòi hỏi kỹ thuật bảo trì cao và chi phí lớn.
  • Máy chiết rót bằng trục vít: Vận hành nhờ chuyển động quay của trục vít điều khiển bởi motor AC độc lập, vòi ngâm hạn chế bọt khí, điều chỉnh thể tích linh hoạt nhưng chi phí cao và dễ tắc nghẽn nếu sản phẩm có hạt rắn.

Tiếp đó, tác giả thuyết minh mô hình hệ thống do nhóm thiết kế, nêu bật quy trình công nghệ tích hợp đóng thùng tự động. Phần còn lại của chương tổng quan toàn diện về lý thuyết cấu tạo, nguyên lý của các thiết bị tự động hóa: cấu trúc phần cứng và ngôn ngữ lập trình của PLC (LAD, STL, FBD); module mở rộng I/O họ S7-1200; kết cấu cơ khí băng tải; các phần tử hệ thống điện (nguồn xung, động cơ điện 1 chiều DC, bơm chìm, xilanh khí nén, van đảo chiều điện từ 5/2); thiết bị đo và xử lý tín hiệu (rơ le trung gian Omron, cảm biến quang điện, cảm biến tiệm cận D-A73, aptomat, nút ấn); và các công cụ phần mềm hỗ trợ gồm TIA Portal, WinCC Professional và Siemens NX.

Chương 3: Tính toán, thiết kế hệ thống

Chương 3 là chương trọng tâm thực hiện tính toán kỹ thuật và thiết kế chi tiết:

  • Tính toán cơ khí và động lực học: Xác định các thông số băng tải ($L_T = 0,5\text{ m}, L_G = 1,05\text{ m}, b_0 = 6\text{ mm}, v = 80\text{ mm/s}$); tính toán tải trọng chai rỗng và chai chứa nước; xác định lực kéo cần thiết và tính ra công suất truyền dẫn yêu cầu là $7,27\text{ W}$, từ đó chọn động cơ giảm tốc DC TH37-JB530 công suất $10\text{ W}$ (20 rpm).
  • Tính toán định lượng: Dựa trên lưu lượng bơm $Q = 2,95\text{ l/phút}$ ($49,16\text{ ml/s}$) và dung tích chai $100\text{ ml}$, tính toán thời gian bơm đầy chai là $2,0333\text{ giây}$, lựa chọn bơm chìm RS-701 công suất $3\text{ W}$.
  • Tính chọn thiết bị điện, khí nén và điều khiển: Lựa chọn cảm biến quang phản xạ gương E3F-R2C1 (khoảng cách 10–300 cm, ngõ ra NPN); cảm biến tiệm cận xilanh SMC D-A73; rơ le trung gian Omron MY2N-GS 24VDC; bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC; module mở rộng ngõ vào/ra SM 1223 (6ES7223-1QH32-0XB0); van điện từ khí nén 5/2 SY3120-5LZ-M5 (0,7 MPa); các xilanh khí nén SNS TN10x50-S, TN10x100-S và SMC CXSM10-50; nguồn tổ ong 24VDC - 5A (120W).
  • Thiết kế sơ đồ khối và điều khiển: Xây dựng sơ đồ khối chức năng hệ thống; lập bảng phân bổ địa chỉ đầu vào (DI), địa chỉ đầu ra (DO) và địa chỉ bit nội bộ mô phỏng trên phần mềm TIA Portal; thiết lập mô hình mô phỏng hoạt động trên phần mềm Festo Fluidsim và giao diện giám sát WinCC.

Kết quả và đóng góp

Đồ án ghi nhận các kết quả kỹ thuật và tính toán cụ thể sau:

  • Xác định chính xác các thông số động lực học hệ thống: công suất động cơ băng tải yêu cầu $7,27\text{ W}$ (chọn động cơ thực tế 10W - 20 rpm), thời gian chiết rót định lượng đạt $2,0333\text{ giây}$ cho chai dung tích $100\text{ ml}$ với lưu lượng bơm $49,16\text{ ml/s}$.
  • Thiết lập hoàn chỉnh cấu hình phần cứng điều khiển dựa trên PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C kết hợp module mở rộng tín hiệu SM 1223 (8 DI / 8 DO), mạng lưới cảm biến quang E3F-R2C1, cảm biến tiệm cận SMC D-A73 và các cơ cấu chấp hành khí nén van 5/2 SY3120-5LZ-M5 cùng các xilanh 2 trục (TN10x50-S, TN10x100-S, CXSM10-50).
  • Xây dựng thành công thuật toán điều khiển tuần tự liên động giữa 2 băng tải, trạm chiết rót, trạm cấp - dập nắp và trạm đóng gói thùng carton (đếm 2 chai/hàng và 4 chai/thùng). Toàn bộ giải thuật được mô phỏng kiểm chứng chức năng trên phần mềm TIA Portal, Festo Fluidsim và WinCC.
  • Đề xuất một cấu hình hệ thống tự động hóa có chi phí đầu tư ban đầu thấp, kết cấu cơ khí nhỏ gọn, sử dụng các linh kiện phổ biến trên thị trường, thích hợp cho quy trình đóng gói dung tích nhỏ.
  • Về mặt học thuật, đề tài đóng góp quy trình thiết kế tích hợp hoàn chỉnh một hệ thống Cơ điện tử từ khâu tính toán tải cơ khí, lựa chọn thiết bị điện khí nén, phân bổ địa chỉ I/O cho PLC đến mô phỏng hoạt động trên các phần mềm chuyên ngành (NX, Festo Fluidsim, TIA Portal).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản đồ án nêu rõ các điểm hạn chế kỹ thuật và định hướng mở rộng:

  • Hạn chế:
    • Đề tài chỉ dừng lại ở phạm vi nghiên cứu hẹp dạng mô hình mô phỏng phục vụ môn học, chưa được chế tạo cơ khí hoàn chỉnh và thử nghiệm chạy thực tế trong môi trường sản xuất công nghiệp.
    • Hệ thống tự động có rủi ro phát sinh sự cố kỹ thuật hoặc lỗi phần mềm trong quá trình vận hành liên tục, đòi hỏi kỹ thuật viên can thiệp xử lý.
    • Khả năng thích ứng của hệ thống còn hạn chế, gặp khó khăn khi cần thay đổi quy cách chai lọ đột ngột hoặc chuyển đổi sang các yêu cầu sản xuất mới.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Tác giả đề xuất định hướng phát triển tiếp tục đầu tư nghiên cứu hoàn thiện phần cứng, nâng cấp quy mô thử nghiệm thực tế và ứng dụng thêm các công cụ phần mềm mô phỏng không gian nhà máy ảo như Factory I/O để tối ưu hóa quy trình trước khi triển khai ứng dụng thương mại.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án môn học Cơ điện tử này là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Cung cấp tài liệu mẫu về phương pháp tính chọn công suất động cơ kéo băng tải, phương pháp định lượng chất lỏng theo thời gian, cấu hình phần cứng PLC S7-1200 kết hợp module mở rộng SM 1223 và cách phân bổ bảng địa chỉ vào/ra (I/O mapping) trong TIA Portal.
  • Kỹ sư và người nghiên cứu thiết kế máy tự động: Tham khảo danh mục và thông số lựa chọn thiết bị thực tế (cảm biến quang phản xạ gương, cảm biến từ xilanh, van khí nén 5/2, xilanh khí nén 2 trục chống xoay, rơ le trung gian Omron) cùng nguyên lý điều khiển tuần tự liên động giữa băng tải và cơ cấu dập nắp, đóng thùng.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển PLC được lựa chọn trong đồ án có cấu hình vào/ra như thế nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, tích hợp sẵn nguồn cấp 24VDC, 14 đầu vào số (DI), 10 đầu ra số (DO) và 2 đầu vào tương tự (AI), bộ nhớ làm việc 100 kbyte. Để đáp ứng số lượng cơ cấu chấp hành, hệ thống được mở rộng thêm module số SM 1223 (mã 6ES7223-1QH32-0XB0) cung cấp thêm 8 đầu vào số (120/230VAC) và 8 đầu ra số dạng rơ le 2A.

2. Thời gian chiết rót cho một chai nước được tính toán dựa trên cơ sở nào?
Thời gian chiết rót được xác định theo tỷ lệ giữa thể tích chai và lưu lượng chất lỏng của bơm. Cụ thể, chai có dung tích $V = 100\text{ ml}$, lưu lượng bơm chìm tính toán là $Q = 2,95\text{ lít/phút}$ (tương đương $49,16\text{ ml/s}$). Thời gian kích hoạt bơm đầy một chai được tính toán chính xác là $T = 100 / 49,16 \approx 2,0333\text{ giây}$.

3. Đồ án sử dụng những loại xilanh khí nén nào cho các cơ cấu chấp hành?
Hệ thống sử dụng 3 loại xilanh khí nén 2 trục tác động đơn:

  • Cơ cấu đẩy chai và chặn chai: Xilanh 2 trục SNS TN10x50-S (đường kính trong 10 mm, hành trình 50 mm, áp suất 0,15–1,0 MPa).
  • Cơ cấu đẩy chai vào thùng: Xilanh 2 trục SNS TN10x100-S (đường kính trong 10 mm, hành trình 100 mm, áp suất 0,15–1,0 MPa).
  • Cơ cấu dập nắp: Xilanh 2 trục SMC CXSM10-50 (đường kính trong 10 mm, hành trình 50 mm, áp suất 0,15 MPa).

4. Cơ chế đếm và đóng chai vào thùng carton được điều khiển như thế nào?
Sau khi hoàn tất công đoạn dập nắp, chai di chuyển đến cuối Băng tải 1 và đi qua Cảm biến 3. Cảm biến 3 thực hiện chức năng đếm số lượng chai. Khi phát hiện đủ 2 chai (1 hàng), Xilanh 3 được kích hoạt để đẩy hàng chai này vào thùng chứa đặt trên Băng tải 2. Khi số chai tích lũy trong thùng đạt đủ 4 chai (2 hàng), Băng tải 2 sẽ tự động kích hoạt để vận chuyển thùng ra công đoạn tiếp theo.

5. Cảm biến nhận diện chai sử dụng loại nào và hoạt động theo nguyên lý gì?
Đồ án sử dụng cảm biến quang vật cản gương phản xạ hồng ngoại E3F-R2C1 (điện áp 6–36VDC, khoảng cách 10–300 cm, ngõ ra NPN). Cảm biến phát ra tia sáng hồng ngoại được điều chế tần số về phía gương phản xạ. Ở trạng thái bình thường, ánh sáng phản xạ ngược lại đầu thu. Khi có chai đi qua làm ngắt quãng chùm sáng phản xạ, cảm biến thay đổi trạng thái tín hiệu đầu ra và gửi tín hiệu số về cổng vào của PLC.

Kết luận

Báo cáo đồ án môn học Cơ điện tử của nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghiệp Hà Nội đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động ở quy mô mô hình học thuật. Nghiên cứu cung cấp hệ thống số liệu tính toán chi tiết từ công suất kéo băng tải ($7,27\text{ W}$), định lượng thời gian bơm dịch ($2,0333\text{ s}$ cho chai $100\text{ ml}$), tính chọn đồng bộ các thiết bị cơ khí, điện, khí nén và PLC Siemens S7-1200. Các thuật toán điều khiển tuần tự và giao diện giám sát đã được kiểm chứng hoạt động thành công trên các phần mềm chuyên ngành TIA Portal, WinCC và Festo Fluidsim, tạo nền tảng kỹ thuật rõ ràng cho các nghiên cứu phát triển mô hình sản xuất đóng chai tự động trong thực tế.