Đồ án: Thiết kế, xây dựng mô hình chiết rót và đóng nắp chai tự động

Chi tiết đồ án thiết kế mô hình chiết rót, đóng nắp chai tự động sử dụng PLC S7-1200. Bao gồm thiết kế 3D SolidWorks, bản vẽ điện và lập trình HMI.

• Tác giả: Nguyễn Thành Lân
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thị Thanh Vân
• Trường học: Trường Đại học Phenikaa
• Chuyên ngành: Kĩ thuật điều khiển - tự động hóa
• Đề tài: Mô hình chiết rót và đóng nắp chai tự động PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mô Hình Chiết Rót và Đóng Nắp Chai Tự Động PLC S7 1200

Mô hình chiết rót và đóng nắp chai tự động sử dụng PLC S7-1200 là một giải pháp tự động hóa hiện đại trong ngành công nghiệp đóng chai. Hệ thống này được thiết kế để tự động hóa toàn bộ quy trình từ việc chiết rót nước vào chai, lấy nắp cho đến đóng nắp cuối cùng. PLC S7-1200 Siemens cung cấp khả năng điều khiển chính xác, linh hoạt và đáng tin cậy cho toàn bộ hệ thống. Mô hình bao gồm các thành phần chính như băng tải chuyển động, các cảm biến phát hiện vị trí chai, bơm nước điều khiển lưu lượng, động cơ đóng nắp và xylanh khí nén. Hệ thống hoạt động với hai chế độ: chế độ tự động (Auto) và chế độ thủ công (Manual), cho phép người vận hành lựa chọn theo nhu cầu sản xuất.

1.1. Vai Trò của Hệ Thống Chiết Rót và Đóng Nắp Chai Tự Động

Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong ngành sản xuất đồ uống. Nó giúp tăng năng suất sản xuất, giảm chi phí nhân công, đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng nhất, và cải thiện an toàn vệ sinh. PLC S7-1200 cho phép quản lý toàn bộ quy trình với độ chính xác cao, từ việc định vị chai rỗng, điều khiển lưu lượng nước, đến việc xoay nắp. Điều này làm giảm thiểu lỗi sai, tăng hiệu suất sản xuất và đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng quốc tế.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Trong Công Nghiệp

Mô hình chiết rót chai tự động được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất nước uống, nước ngọt, bia và các sản phẩm đóng chai khác. Tự động hóa với PLC S7-1200 giúp các doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình sản xuất, từ việc xử lý số lượng lớn chai mỗi ngày đến kiểm soát chất lượng. Hệ thống có thể được cấu hình để hoạt động liên tục 24/7 với độ ổn định cao, giảm thời gian dừng máy và tăng lợi nhuận kinh doanh.

II. Cấu Trúc và Thành Phần Chính của Hệ Thống

Mô hình chiết rót và đóng nắp chai tự động bao gồm nhiều thành phần điều khiển và cơ khí được tích hợp thành một hệ thống hoàn chỉnh. PLC S7-1200 là bộ não của hệ thống, điều khiển tất cả các hoạt động. Các thành phần chính gồm: băng tải chuyển chai giữa các công đoạn, cảm biến đo khoảng cách phát hiện vị trí chai, cảm biến đo lưu lượng nước kiểm soát lượng nước bơm, bơm nước cung cấp nước cho chai, động cơ step điều khiển máng cấp nắp, xylanh khí nén hỗ trợ các chuyển động tuyến tính, và động cơ xoay nắp thực hiện việc vặn nắp. Tất cả các thành phần này được kết nối với PLC S7-1200 thông qua các đầu vào/đầu ra số (Digital I/O) và analog.

2.1. PLC S7 1200 và Vai Trò Điều Khiển

PLC S7-1200 Siemens là bộ điều khiển lập trình tự động được sử dụng để quản lý toàn bộ hệ thống. Nó có khả năng xử lý nhanh các tín hiệu từ các cảm biến, đưa ra các lệnh điều khiển chính xác cho các thiết bị thực hiện. S7-1200 hỗ trợ các chức năng logic phức tạp, cho phép lập trình hai chế độ hoạt động: Auto và Manual. Với bộ xử lý CPU 1214C DC/DC/DC, hệ thống đạt được độ tin cậy cao, thời gian phản ứng nhanh và khả năng mở rộng tốt.

2.2. Hệ Thống Cảm Biến và Bộ Truyền Động

Cảm biến phát hiện (PMM18 C301NA E3F-DS30C4) được sử dụng để xác định chính xác vị trí chai trên băng tải. Cảm biến lưu lượng nước YF-S401 giám sát lượng nước được bơm vào mỗi chai, đảm bảo độ chính xác. Động cơ giảm tốc JGB37 cung cấp lực quay ổn định cho máng cấp nắp, còn xylanh Airtac TN10 60mm thực hiện các chuyển động tuyến tính. Van điện từ AIRTAC 4V210-08 24V điều khiển luồng khí nén cho xylanh.

III. Quy Trình Hoạt Động và Hai Chế Độ Vận Hành

Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động hoạt động theo hai chế độ chính: chế độ Auto (tự động) và chế độ Manual (thủ công), được chọn thông qua một switch chuyển đổi. Trong chế độ Auto, PLC S7-1200 tự động điều khiển toàn bộ quy trình: chai rỗng được đặt lên băng tải, cảm biến phát hiện vị trí chai, bơm nước hoạt động để chiết rót lượng nước chính xác, chai được đưa vào mâm xoay để lấy nắp, cuối cùng động cơ xoay nắp để vặn chặt. Trong chế độ Manual, người vận hành điều khiển từng hoạt động bằng các nút nhấn, có thể kiểm tra từng bước, bảo trì hoặc sắp xếp lại quy trình. Cuối cùng, cảm biến cuối đếm số lượng sản phẩm hoàn thành.

3.1. Chế Độ Tự Động Auto Mode

Trong chế độ Auto, PLC S7-1200 quản lý toàn bộ quy trình chiết rót và đóng nắp một cách liên tục. Chai rỗng được nhận diện bởi cảm biến phát hiện, sau đó bơm nước được kích hoạt để chiết rót lượng nước được cài đặt sẵn. Cảm biến lưu lượng đảm bảo độ chính xác của thể tích. Chai sau đó được băng tải chuyển đến mâm xoay lấy nắp, rồi đến máng cấp nắp và động cơ xoay nắp. Toàn bộ quy trình diễn ra tự động mà không cần can thiệp con người.

3.2. Chế Độ Thủ Công Manual Mode

Chế độ Manual cho phép người vận hành điều khiển riêng từng thành phần của hệ thống thông qua các nút nhấn được gắn trên bảng điều khiển. Có thể điều khiển băng tải, xylanh, bơm nước, động cơ đóng nắp một cách độc lập. Chế độ này rất hữu ích cho việc bảo trì, kiểm tra, khắc phục sự cố hoặc đào tạo nhân viên. PLC S7-1200 vẫn giám sát tất cả các hoạt động để đảm bảo an toàn hệ thống.

IV. Thiết Kế và Phát Triển Hệ Thống Bằng Phần Mềm

Mô hình chiết rót và đóng nắp chai tự động được thiết kế và phát triển bằng các phần mềm chuyên dụng hiện đại. SolidWorks được sử dụng để tạo bản vẽ 3D chi tiết của toàn bộ mô hình cơ khí, giúp visualize và kiểm tra kích thước trước khi sản xuất thực tế. Eplan dùng để vẽ sơ đồ điện chính xác, hiển thị kết nối của tất cả thiết bị điện với PLC S7-1200. TIA Portal là phần mềm lập trình PLC S7-1200 chính thức của Siemens, cho phép tạo logic điều khiển, thiết lập I/O, và kiểm tra chương trình. Easy Builder Pro được dùng để thiết kế giao diện HMI (Human Machine Interface) trên màn hình cảm ứng, giúp người vận hành dễ dàng giám sát và điều khiển hệ thống. Sự kết hợp của các phần mềm này đảm bảo quy trình thiết kế, lập trình và kiểm thử hoàn toàn và chuyên nghiệp.

4.1. Thiết Kế 3D Với SolidWorks và Vẽ Điện Bằng Eplan

SolidWorks cho phép tạo mô phỏng 3D chi tiết với kích thước chính xác của tấm nền, báng tải, các lắp ráp cơ khí khác. Bản vẽ 3D giúp kiểm tra sự phù hợp của các thành phần và dự đoán các vấn đề trước khi thi công. Eplan vẽ sơ đồ phân phối điện, bao gồm kết nối từ nguồn điện đến PLC S7-1200 và tất cả thiết bị. Các sơ đồ này là cơ sở cho việc lắp đặt dây điện thực tế trên mô hình.

4.2. Lập Trình PLC và Thiết Kế HMI

TIA Portal là nền tảng lập trình chính thức cho PLC S7-1200, cho phép viết chương trình điều khiển logic cho cả chế độ Auto và Manual. Easy Builder Pro được sử dụng để thiết kế giao diện HMI hiển thị trạng thái hệ thống, cho phép người vận hành nhập các tham số như dung lượng nước cần chiết rót. HMI cung cấp cách nhìn toàn cảnh về hệ thống, cảnh báo lỗi và hỗ trợ quản lý sản xuất hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP CHAI TỰ ĐỘNG 1. Tổng quan về hệ thống 1. Tổng quan Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai là hệ thống tự động hoặc bán tự động được sử dụng để chiết rót và đóng nắp chai nước hoặc các sản phẩm có dạng lỏng đựng trong chai theo thể tích chai nước. Hệ thống này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau như: - Ngành thực phẩm: chiết rót, đóng nắp chai nước giải khát, sữa,… v.

- Ngành dược phẩm: chiết rót đóng nắp các loại thuốc dạng lỏng, siro,.v - Ngành mỹ phẩm: chiết rót, đóng nắp các chai serum, tinh chất,… v. Hệ thống tự động hóa tại các phòng thí nghiệm: chiết rót, đóng nắp các dung dịch, nước cất,… v. Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai hoạt động dựa trên nguyên tắc nhận biết vị trí của chai ở các vị trí khác nhau trên hệ thống để thực hiện các công đoạn chiết rót và đóng nắp. Có 2 loại cảm biến sử dụng trên hệ thống này là: cảm biến quang đo khoảng cách và cảm biến đo lưu lượng nước.

Vai trò của hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động đóng vai trò thiết yếu trong quy trình sản xuất và đóng gói hiện đại, góp phần quan trọng vào việc tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Được thiết kế để thay thế các công đoạn thủ công, hệ thống này sử dụng công nghệ tự động để thực hiện các nhiệm vụ chiết rót và đóng nắp một cách chính xác và nhanh chóng. Điều này không chỉ giảm thiểu sự can thiệp của con người mà còn nâng cao độ chính xác trong việc định lượng và đảm bảo sự đồng nhất của sản phẩm. Một trong những lợi ích chính của hệ thống là việc giảm chi phí nhân công và vận hành.

Việc tự động hóa quy trình giúp giảm bớt sự phụ thuộc vào lao động thủ công, qua đó giảm thiểu chi phí lao động và các chi phí liên quan đến bảo trì. Đồng 14 thời, hệ thống này giúp tiết kiệm nguyên liệu thông qua việc kiểm soát chính xác lượng dung dịch được chiết rót vào từng chai, từ đó giảm thiểu lãng phí và tăng cường hiệu quả sản xuất. Hệ thống chiết rót và đóng nắp tự động cũng mang lại sự linh hoạt cao, có thể được điều chỉnh để phù hợp với nhiều loại chai và dung dịch khác nhau, từ nước giải khát và thực phẩm chức năng đến dược phẩm. Sự linh hoạt này không chỉ giúp các nhà sản xuất đáp ứng nhanh chóng nhu cầu thị trường mà còn hỗ trợ sự đổi mới và phát triển sản phẩm.

Ngoài các lợi ích về kinh tế, việc áp dụng công nghệ tự động trong sản xuất cũng góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc giảm thiểu lãng phí và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Nhờ vào những ưu điểm này, hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động không chỉ nâng cao hiệu quả hoạt động của các nhà máy sản xuất mà còn thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp và nền kinh tế toàn cầu. Các hệ thống chiết rót và đóng nắp chai hiện nay Hiện nay, trong công nghiệp có nhiều hệ thống chiết rót và đóng nắp theo nhiều yêu cầu khác nhau, mỗi hệ thống đều có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với nhu cầu sử dụng cụ thể. Dưới đây là một số hệ thống phổ biến: Hệ thống chiết rót bằng bơm trục vít [1] Hình 1.

Hệ thống chiết rót bằng bơm trục vít[1] 15 Máy chiết rót bằng bơm trục vít hay còn gọi là máy chiết rót tự động 8 đầu (bơm trục vít) với thiết kế phù hợp với chiết rót các loại dầu nhớt. Mỗi đầu bơm trục vít của dòng máy này được điều khiển bởi một động cơ AC riêng biệt nên độ chính xác khi rót rất cao. Loại vòi ngâm sử dụng cho máy chiết rót này hạn chế tối đa sản sinh bọt khí và tránh chất lỏng văng ra ngoài. Người sử dụng có thể dễ dàng điều chỉnh, cài đặt các thông số thông qua màn hình LCD cảm ứng.

Hệ thống chiết rót bơm bằng bánh răng [1] Hình 1. Hệ thống chiết rót bơm bằng bánh răng[1] Hệ thống chiết rót bằng bơm bánh răng hay còn gọi là máy chiết rót tự động 8 đầu (bơm rotary) thường được sử dụng để xản xuất sản phẩm ngành thực phẩm, hóa mỹ phẩm,… hạn chế tối đa khả năng tạo bọt trong khi rót. Hệ thống sử dụng: đầu bơm rotary, điều khiển bởi động cơ AC với biến tần. Dung tích chiết rót khoảng 250 – 5000ml với loại vòi ngâm không làm tràn chất lỏng lên chai và băng tải.

Hệ thống bơm và động cơ băng tải được bảo vệ toàn diện tránh sụt áp trong quá trình vận hành. 16 Hệ thống chiết rót kiểu đối lưu [1] Hình 1. Hệ thống chiết rót kiểu đối lưu[1] Máy chiết rót kiểu đối lưu hay còn gọi là đẳng áp được thiết kế thuận tiện cho việc rót nước khoáng hay nước ép trái cây. Dung tích chiết rót của dòng máy này vào khoảng 500 – 1500ml.

Thiết kế vòi ngâm hỗ trợ ổn định chất lỏng không gây tràn. Bên cạnh đó, dòng máy này cũng được tích hợp màn hình cảm ứng hiệu Proface với hệ thống điều khiển PLC. Một số vấn đề tồn tại ở các hệ thống hiện nay Mặc dù các hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động hiện nay mang lại nhiều lợi ích và giá trị cho ngành công nghiệp sản xuất và đóng gói, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề tồn tại mà các nhà máy và các kĩ sư cần xem xét và giải quyết Vấn đề về chi phí cao Chi phí đầu tư ban đầu cho một hệ thống chiết rót và đóng nắp tự động hiện tại rất cao. Nó bao gồm chi phí thiết bị, công nghệ và chi phí đào tạo nhân viên,….

Chi phí hiện đang là rào cản lớn đối với các doanh nghiệp nhỏ hoặc mới bắt đầu, làm hạn chế khả năng áp dụng công nghệ tiên tiến vào hệ thống. Dù là khoản đầu tư lâu dài và có thể mang lại nhiều lợi ích về sau, nhưng chi phí ban đầu vẫn là một yếu tố quan trọng đáng để cân nhắc. Khả năng điều chỉnh và linh hoạt 17 Nhiều hệ thống hiện tại đang gặp khó khăn trong việc điều chỉnh nhanh chóng khi thay đổi loại kích thước chai, loại sản phẩm hoặc công thức sản phẩm,… Khi có sự thay đổi thì việc điều chỉnh có thể mất thời gian và dẫn đến việc giảm hiệu suất tổng thể của hệ thống. Khả năng điều chỉnh này còn có thể ảnh hưởng đến chi phí vận hành tăng, giảm tính linh hoạt trong việc đáp ứng nhu cầu thị trường.

Độ chính xác và tin cậy Một số hệ thống hiện nay còn gặp vấn đề về độ chính xác trong định lượng và độ tin cậy của các thiết bị, thành phần máy móc. Điều này có thể dẫn đến những sai lệch nhỏ trong quá trình sản xuất gây lãng phí nguyên liệu và giảm chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, sự cố kỹ thuật hoặc hỏng hóc trong các thành phần hệ thống có thể gây gián đoạn quá trình diễn ra sản xuất, làm hiệu suất và tăng cao chi phí bảo trì. Đề giải quyết vấn đề này, việc duy trì và kiểm tra chất lượng của thành phần hệ thống, đồng thời cập nhật công nghệ tiên tiến là rất quan trọng để nâng cao độ chính xác và tin cậy.

Vấn đề về năng lượng và môi trường Một số hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động đang tiêu tốn quá nhiều năng lượng và tạo ra lượng chất thải lớn ra ngoài môi trường gây ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng và môi trường sống xung quanh. Để cải thiện hiệu suất về năng lượng và giảm tác tiêu cực đến môi trường, cần có các giải pháp tiết kiệm nhiên liệu và xử lý chất thải cho hệ thống. Tổng kết chương 1 Chương 1 đã cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ thống chiết rót và đong nắp chai tự động, làm rõ vai trò cũng như là các vấn đề còn tồn tại của hệ thống hiện nay, dựa trên vấn đề này sẽ giúp cho việc xây dựng và thiết kế hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động được định hình và triển khai một cách hiệu quả. 18 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.

Thiết kế mô hình Yêu cầu kỹ thuật - Đối tượng nghiên cứu thiết kế: Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động. - Loại chai nước 297ml, sử dụng nắp nhựa và không có gas - Có thể tính toán chiết rót theo lưu lượng và tự động lấy nắp, vặn nắp chai. - Sản phẩm sau khi hoàn thành phải đảm bảo chắc chắn, vận hành dễ dàng và an toàn. Chế độ làm việc Hệ thống gồm 2 chế độ làm việc là chế độ tự động (Auto) và chế độ thủ công (Manual): Chế độ tự động (Auto): Băng tải sẽ chạy, đồng thời mâm xoay cũng xoay đến vị trí chờ.

Chai rỗng sẽ được đưa đến vị trí trên mâm và cảm biến quang ở công đoạn chiết rót sẽ phát hiện chai vào đúng vị trí chưa và tiến hành chiết rót theo đúng lưu lượng yêu cầu, sau đó chai chứa nước sẽ được đưa đến vị trí lấy nắp trên mâm xoay và mâm xoay sẽ tiếp tục đưa chai đến vị trí xoay nắp, sau khi cảm biến quang phát hiện chai ở vị trí xoay nắp xylanh sẽ đẩy động cơ xoay nắp xuống vị trí nắp chai để tiến hành xoay nắp. Cuối cùng, sau khi các công đoạn hoàn thành, mâm xoay sẽ đưa chai nước hoàn thiện ra băng tải chính và đưa đến vị trí cảm biến cuối băng tải để đếm sản phẩm. Chế độ thủ công (Manual): Tất cả sẽ được điều khiển bằng tay. Người điều khiển khi thấy chai đến vị trí nào sẽ nhấn nút để khởi động và chạy công đoạn đó.

Quy trình vận hành Kiểm tra thiết bị: - Đảm bảo tất cả các bộ phận của máy (bơm, máng cấp nắp, mâm xoay, v.) hoạt động bình thường và không có dấu hiệu hỏng hóc. - Kiểm tra nguồn điện và kết nối điện của thiết bị. Chuẩn bị nguyên liệu: 19 - Đảm bảo bình nước chứa đầy và được đặt đúng vị trí để đầu hút của bơm có thể tiếp xúc với nước. - Đảm bảo máng cấp nắp có đủ nắp để sử dụng trong quá trình vận hành.

Vận hành: - Bật nguồn điện và khởi động các thiết bị điều khiển. - Chọn chế độ chiết rót trên bảng điều khiển. Các thông số như tốc độ chiết rót, lượng chiết rót cần thiết có thể được điều chỉnh. - Bơm sẽ bắt đầu hút nước từ bình và chiết vào chai.