Đồ án: Thiết kế và xây dựng hệ thống trộn sơn tự động - Lê Minh Hiếu

Đồ án chi tiết về mô hình hệ thống trộn sơn tự động ứng dụng PLC S7-1200, gồm thiết kế 3D SolidWorks, bản vẽ điện và nguyên lý hoạt động.

• Tác giả: Lê Minh Hiếu
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thị Thanh Vân
• Trường học: Trường đại học Phenikaa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển - Tự động hóa
• Đề tài: Mô hình hệ thống trộn sơn 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 hệ thống trộn sơn tự động với PLC S7 1200

Hệ thống trộn sơn tự động là một giải pháp tiên tiến trong công nghiệp sản xuất hiện đại, giúp tối ưu hóa quy trình chiết rót và đóng nắp lọ sơn. PLC S7-1200 đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp khả năng điều khiển chính xác và linh hoạt cho toàn bộ hệ thống. Mô hình này được thiết kế để mô phỏng các hoạt động thực tế trong một trạm trộn sơn chuyên nghiệp, giảm bớt sức lao động con người và nâng cao hiệu suất sản xuất. Hệ thống tự động hóa này bao gồm các thành phần cơ khí và điện tử phức tạp, hoạt động một cách đồng bộ để đạt được kết quả tốt nhất. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, trộn sơn tự động trở thành một phần không thể thiếu trong các nhà máy sản xuất sơn hiện đại.

1.1. Khái niệm cơ bản về hệ thống trộn sơn tự động

Mô hình hệ thống trộn sơn là một hệ thống được điều khiển bằng PLC để tự động hóa quá trình chiết rót sơn vào lọ và đóng nắp. Hệ thống này có khả năng hoạt động ở hai chế độ: chế độ Auto và chế độ Manual, cho phép người vận hành lựa chọn theo nhu cầu sản xuất. Quy trình bao gồm: nhận lọ sơn rỗng, chiết rót dung dịch, lấy nắp và đóng nắp tự động. Các cảm biến phát hiện vị trí chính xác và tính toán lượng chất lỏng cần thiết.

1.2. Vai trò của PLC S7 1200 trong hệ thống

PLC S7-1200 là bộ điều khiển lập trình được sử dụng để quản lý toàn bộ các thiết bị trong hệ thống. Nó xử lý các tín hiệu từ cảm biến, điều khiển các bơm, xylanh, động cơ và băng tải. Khả năng điều khiển của PLC cho phép đảm bảo độ chính xác cao, an toàn và hiệu quả trong sản xuất. Thông qua lập trình logic, PLC có thể tối ưu hóa thời gian chu kỳ sản xuất và giảm thiểu sai sót.

II. Cấu trúc và thành phần chính của mô hình

Hệ thống trộn sơn tự động bao gồm nhiều thành phần cơ khí và điện tử được lắp ráp theo một cấu trúc khoa học. Mô hình sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế bản vẽ 3D chi tiết, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của thiết kế. Bản vẽ điện được thực hiện bằng phần mềm Eplan, giúp lập sơ đồ một sợi rõ ràng cho các kỹ sư điện. Các thành phần gồm 2 băng tải chính, 3 cảm biến đo khoảng cách, 3 cảm biến đo lưu lượng nước, 1 động cơ khuất, 6 bơm nước và 3 xylanh pneumatic. Mỗi thành phần được lựa chọn để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và hiệu suất của hệ thống.

2.1. Các thành phần cơ khí chính

Băng tải là cơ chế vận chuyển lọ sơn qua các khu vực khác nhau của hệ thống. Xylanh pneumatic thực hiện các động tác cấp nắp và dập nắp với lực chính xác. Động cơ khuất được sử dụng để vặn nắp lọ với tốc độ và lực kiểm soát. Bơm nước cung cấp dung dịch sơn vào lọ với lượng chính xác được điều khiển bởi PLC.

2.2. Hệ thống cảm biến và điều khiển

Cảm biến đo khoảng cách phát hiện vị trí của lọ sơn trên băng tải, đảm bảo định vị chính xác. Cảm biến đo lưu lượng nước theo dõi lượng dung dịch chiết rót vào lọ, giúp chất lượng sản phẩm đồng nhất. Hệ thống điều khiển tích hợp các cảm biến với PLC để tạo ra một vòng phản hồi liên tục, đảm bảo các hoạt động thực hiện đúng thứ tự.

III. Các chế độ hoạt động của hệ thống

Hệ thống trộn sơn tự động được thiết kế với hai chế độ hoạt động chính: chế độ Auto và chế độ Manual, mỗi chế độ phục vụ các nhu cầu khác nhau trong quá trình sản xuất. Người vận hành có thể dễ dàng chuyển đổi giữa hai chế độ bằng cách sử dụng 2 nút nhấn được gắn trên tủ điều khiển. Hệ thống được trang bị 2 đèn báo để thông báo trạng thái hoạt động, giúp người vận hành nắm bắt tình hình hoạt động của máy. Lập trình PLC cho phép điều khiển mềm dẻo, có thể dễ dàng chỉnh sửa các tham số theo yêu cầu sản xuất. Cấu trúc này đảm bảo an toàn, hiệu quả và dễ sử dụng cho các nhà vận hành.

3.1. Chế độ Auto Tự động hóa hoàn toàn

Trong chế độ Auto, hệ thống tự động thực hiện toàn bộ quy trình không cần can thiệp của con người. Lọ sơn rỗng được đưa vào hệ thống, PLC điều khiển băng tải để vận chuyển lọ đến vị trí chiết rót. Cảm biến phát hiện vị trí và kích hoạt bơm nước, lượng dung dịch được tính toán chính xác. Sau khi chiết rót xong, lọ tiếp tục di chuyển để nhận nắp và xylanh dập nắp tự động. Cuối cùng, động cơ khuất vặn chặt nắp, lọ hoàn tất dừng ở cuối băng tải.

3.2. Chế độ Manual Kiểm soát thủ công

Chế độ Manual cho phép người vận hành kiểm soát tất cả các hoạt động của hệ thống. Họ có thể điều khiển riêng lẻ: băng tải, xylanh, động cơ đóng nắp, và bơm nước. Chế độ này hữu ích cho việc bảo trì, sửa chữa hoặc hiệu chuẩn hệ thống. Giao diện điều khiển cho phép vận hành mịn, giúp kiểm tra từng bước của quy trình.

IV. Quy trình thiết kế và triển khai hệ thống

Quy trình thiết kế hệ thống trộn sơn tự động bao gồm nhiều giai đoạn phức tạp, từ phân tích yêu cầu đến triển khai thực tế. Ban đầu, phần mềm SolidWorks được sử dụng để tạo ra bản vẽ 3D chi tiết của các thành phần cơ khí, đảm bảo độ chính xác về kích thước và vị trí. Tiếp theo, phần mềm Eplan được sử dụng để vẽ sơ đồ điện một sợi, giúp lập kế hoạch đấu nối và dây điện. Danh sách linh kiện được lập theo bản vẽ chi tiết, bao gồm các cảm biến, xylanh, bơm và các thiết bị điều khiển. Sau khi procurement hoàn tất, thi công mô hình thực tế bắt đầu, với việc lắp ráp các thành phần và đấu nối điện. Cuối cùng, lập trình PLC được thực hiện để điều khiển tất cả các hoạt động theo logic đã thiết kế.

4.1. Thiết kế 3D và bản vẽ kỹ thuật

SolidWorks được sử dụng để mô hình hóa chi tiết từng thành phần của hệ thống. Bản vẽ 3D giúp dự báo các vấn đề tiềm ẩn về không gian lắp ráp và hệ thống truyền động. Bản vẽ kỹ thuật từ Eplan cung cấp thông tin chi tiết về các kết nối điện, đảm bảo an toàn và chính xác trong lắp ráp.

4.2. Lập trình và hiệu chuẩn hệ thống

Lập trình PLC S7-1200 được viết bằng ngôn ngữ Ladder hoặc Structured Text, điều khiển logic toàn bộ hệ thống. Hiệu chuẩn bao gồm kiểm tra cảm biến, điều chỉnh thời gian trễ, và tối ưu hóa tốc độ xử lý. Test chạy được thực hiện để đảm bảo tất cả hoạt động diễn ra đúng trình tự.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1. THIẾT KẾ HỆ THỐNG. Sơ đồ khối hệ thống. Thiết kế mô hình và cơ cấu hệ thống.

Giới thiệu phần mềm Solidworks. Bản vẽ 3D mô hình hệ thống. Lựa chọn thiết bị. Bộ nguồn sử dụng.

Cầu đấu điện. Nút nhấn và công tắc. Van điện từ. Cảm biến lưu lượng.

Cảm biến quang. Van khí nén. Xylanh tròn PVN. Xy lanh kép.

Động cơ giảm tốc. Module mở rộng S7-1200 SM 1222 16DO. Thiết kế sơ đồ nối dây điện và khí. Giới thiệu phần mềm Eplan Electric.

Bản vẽ đi dây điện cho hệ thống. Bản vẽ khí nén. Kết luận chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNGTRỘN SƠN TỰ ĐỘNG.

Mô hình hệ thống trộn sơn tự động. Mô tả hệ thống. Nguyên lý hoạt động. Quy trình vận hành hệ thống.

Lưu đồ thuật toán tổng quan. Lưu đồ lập trình hệ thống. Chương trình PLC. Giao diện giám sát hệ thống.

Kết luận chương 3. Định hướng mở rộng. 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 66 Các bản vẽ trong báo cáo :.

66 14 MỤC LỤC ẢNH Hình 1. Hình ảnh các màu sơn. Quy trình công nghệ sản xuất sơn. Nhà máy sản xuất sơn Caparol, Dubai.

Nhà máy sản xuất sơn ICI Dulux, Khu công nghiệp Mỹ Phước 2, Bình Dương .5 Máy pha của hãng MY KOLOR. Máy pha của hãng SOLITE PAINT. Thang màu 7 sắc. Thang màu vô sắc.

Độ tương quan giữa quang độ và cường độ. Quy luật trừ mày Vàng-Da Trời-Tím. Khác biệt của 2 màu sơn và ánh sáng (vàng và lam). Khác biệt khi kết hợp 2 màu sơn và ánh sáng (đỏ và lam).

Khác biệt khi kết hợp sơn và ánh sáng (đỏ và lục). Nguyên tắc pha màu Đỏ-Lam-Vàng. Ba màu sơ cấp chính. Các màu thứ cấp sản phẩm tiếp theo.

Ví dụ về các màu trung gian. Sơ đồ tổng thể hệ thống. Bản vẽ 3D hệ thống. Bản vẽ 3D hệ thống.

Bản vẽ 3D bồn trộn màu. Bản vẽ 3D băng tải cấp nắp. Bản vẽ 3D xy-lanh dập nắp. Nguồn Meanwell SP-200-24.

Các loại cầu đấu điện. Một số loại nút nhấn và công tắc. Hình ảnh một số loại băng tải. Ứng dụng của băng tải trong phân loại hàng.

Ứng dụng của băng tải trong nhà máy sản xuất nước giải khát. Các thành phần cơ bản của băng tải. Hình ảnh van điện từ khí nén và chất lỏng. Các thành phần cấu tạo của van điện từ.

Hoạt động của cảm biến lưu lượng. Cảm biến lưu lượng YF-S201. Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4. Van điện từ nước.

Van điện từ khí nén. Xylanh tròn PVN. Động cơ giảm tốc Tsukasa. Module mở rộng 16 DO Relay.

Relay Omron G2R-1-SND 24VDC. Sơ đồ kết nối PLC. Sơ đồ kết nối đầu vào PLC .30 Sơ đồ kết nối đầu ra PLC. Nguồn cấp cho các thiết bị.

Sơ đồ kết nối với relay. Hệ thống hoàn thiện. Bồn trộn màu. Cơ cấu cấp nắp và dập nắp.

Giao diện điều khiển ở chế dộ thủ công. Giao diện điều khiển ở chế độ tự động. 61 17 MỤC LỤC BẢNG Bảng 2. Thông số nguồn SP-200-24.

Thông số cảm biến lưu lượng. Thông số cảm biến quang. Thông số van điện từ nước. Thống số van khí nén.

Thông số xylanh tròn. Thông số động cơ. Tên module sử dụng. Thông số relay.

Các ký hiệu sử dụng trong bản vẽ. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Lý thuyết về màu sơn 1. Tổng quan về sơn [8] Sơn là một hỗn hợp đồng nhất, có thể hoá lỏng, được quét lên bề mặt mỏng và tạo thành một mảng rắn.

Chất tạo màng liên tục bám với các chất màu tạo nên bề mặt.Theo tính chất của mỗi loại sản phẩm, lượng phụ gia và dung môi trong hỗn hợp có thể được thay đổi.Sơn thường được sử dụng để: - Bảo vệ - Thiết kế́ - Cung cấp các kết cấu cho đối tượng Sơn được bán trên thị trường chủ yếu là sơn nước, có nhiều màu sắc phong phú và đa dạng và có đặc tính che phủ. Hình ảnh các màu sơn 19 Thành phần chính trong sơn : Nhựa chiếm 40% đến 60% bao gồm các alkyd, acrylic, epoxy, polyurethane và fluocarbon kết nối chặt chẽ với nhau. - Tăng thêm độ kết dính cho sơn - Cải thiện độ bền của màu sơn. Bột màu chiếm từ 7-40% bột màu gốc và bột chống gỉ - Tạo thêm màu sắc cho sơn.

- Cải thiện độ lì và độ bền của màu sơn. Phụ gia chiếm khoảng 5%: Một số tính năng của sơn được tăng cường bởi các chất này bao gồm: độ bền màu của sơn,chống trọi khắc nghiệt của thời tiết, độ bóng và thời gian bảo quản được kéo dài. Gồm những : - Chất giúp nhanh khô bề mặt - Chất ngăn ngừa khả năng gây nấm mốc Dung môi còn lại khoảng 10-30% nhằm hòa tan bột màu và nhựa 1. Quy trình sản xuất sơn [7] Quy trình sản xuất sơn bao gồm 4 bước như sau: Hình 1.

Quy trình công nghệ sản xuất sơn 20 Ủ muối: Trong giai đoạn này, các thành phần như bột màu (ví như : oxit kim loại, titan, chì hoặc thiếc …), bột độn (ví dụ như: CaCO3, đất sét,…), phụ gia (ví dụ: chất phân tán, chất tạo bọt,…) và dung môi hữu cơ cụ thể là nước. Chúng được kết hợp với nhau và ủ lại trong vài tiếng. Quá trình này đảm bảo các thành phần được hoà quyện đầy đủ dung môi và chất tạo màng, tạo ra một hỗn hợp nhão để chuẩn bị cho giai đoạn kế tiếp. Nghiền sơn: Là bước tương đối quan trọng trong quy trình sản xuất.

Hỗn hợp nhão từ các nguyên liệu sơn đã được ủ trước sau đó đưa vào nghiền.Trong quá trình nghiền, một dung dịch lỏng mịn sẽ được tạo ra.Thời gian nghiền có thể thay đổi phục thuộc vào loại bột màu, bột độn và độ mịn của sơn. Thiết bị nghiền sử dụng nhiều nước để làm mát nhằm đảm bảo paste không bị quá nóng. Điều này giúp ngăn chặn dung môi bay hơi ở nhiệt độ cao, ảnh hưởng đến các thành phần đang nghiền. Nước khi được đưa vào thiết bị nghiền phải được làm lạnh xuống 5- 7 độ C.

Trộn sơn: Ngay sau bước nghiền là bước trộn hỗn hợp các nguyên liệu sơn. Khi các nguyên liệu đã đến độ mịn cần thiết, bước khuấy sơn sẽ bắt đầu. Hỗn hợp được chuyển sang bể trộn, một số lô có thể được đưa vào một bể khuấy chung. Trong quá trình khuấy sơ, bể khuấy có một máy khuấy liên tục.Tại thời điểm này, sơn mịn đã được trộn với đủ chất lượng tạo một màng bọc, các phụ gia cần thiết và dung môi.

Khi đạt được độ hoà quyện đồng nhất cũng là lúc một lọ sơn hoàn thiện và được chuyển sang công đoạn đóng gói Đóng thùng: Đóng thùng có thể được thực hiện thủ công hoặc bằng dây chuyền đóng thùng tự động. Các loại bao bì đựng sơn nước thường làm từ nhựa hoặc kim loại, tuỳ thuộc vào loại sơn mà công ty sản xuất. Sau khi toàn tất, sản phẩm sẽ được chuyển vào kho chứa. Quá trình nhập kho được kiểm soát nghiêm chặt theo từng lô hàng.

Do nguy cơ cháy nổ rất lớn, sản phẩm chứa dung môi hữu cơ phải được lưu trữ trong kho đảm bảo mọi điều khiện về an toàn cháy nổ. 21 Ngoài ra, còn có các quy trình bổ sung như làm mát để ngăn dung môi bay hơi, vệ sinh thùng chứa để đảm bảo chất lượng sản phẩm và các biện pháp bảo vệ môi trường khác. Một số nhà máy và dây chuyền sản xuất sơn trong và ngoài nước được hiển thị dưới đây: Hình 1. Nhà máy sản xuất sơn Caparol, Dubai Hình 1.

Nhà máy sản xuất sơn ICI Dulux, Khu công nghiệp Mỹ Phước 2, Bình Dương 22 Dưới đây là hình ảnh một số máy pha sơn của các hãng nổi tiếng: Hình 1.5 Máy pha của hãng MY KOLOR Hình 1. Máy pha của hãng SOLITE PAINT 1. Quy định về pha màu [9] Khái niệm màu: Theo quang học, ánh sáng trắng từ mặt trời tạo ra bảy màu: tím, chàm, lam, lục, vàng, cam và đỏ. Sự hiển thị các màu có bước sóng khác nhau.Do đó, về mặt quang học, ánh sáng là màu sắc chính.Màu sắc mà chúng ta nhìn thấy là sự phản chiếu của ánh sáng vào mắt chúng ta.

Thang màu 7 sắc Hình 1. Thang màu vô sắc 23 Màu sắc bao gồm 3 yếu tố cơ bản sau: - Sắc (Tone): Độ đậm hoặc nhạt của một màu khi pha thêm trắng hoặc đen. - Quang độ (Value): Độ sáng hay tối của một màu là sự kết hợp giữa các mức độ đậm nhạt khác nhau. Ví dụ như : Trong vòng thuần sắc, màu vàng có quang độ sáng nhất trong khi màu tím có quang độ tối nhất do sự phản chiếu ánh sáng.

- Cường độ (Intensity): Mức độ mạnh hay yếu của một màu do sự kích thích của thị giác. Ví dụ: Màu vàng có quang độ sáng còn màu cam lại có cường độ mạnh. Độ tương quan giữa quang độ và cường độ Có 2 quy luật pha màu chính là cộng màu và trừ màu Quy luật cộng màu: Gồm 3 màu cơ bản đỏ, lam và lục - Ánh vàng được tạo ra bởi ánh sáng đỏ và ánh sáng lục. - Ánh sáng màu da trời được tạo ra bởi ánh sáng lam và ánh sáng lục (Cyan).

- Ánh sáng lam kết hợp với ánh sáng đỏ cho ánh sáng tím hồng (Magenta- M). Theo nguyên lý khoa học màu sắc, 3 màu trên được sử dụng để tạo ra các màu khác nhau. Quy luật cộng màu thường được áp dụng trong các thiết bị phát sáng như màn hình tivi, máy tính và các nguồn ánh sáng khác. Nó khác với quy luật trừ màu.

Nơi các màu cơ bản là Đỏ , Vàng và Lục Lam thường được sử dụng trong in ấn và hội hoạ. Cộng màu R-G-B Quy luật trừ màu: Gồm 3 màu sơ cấp chính : Vàng, tím và da trời - Tím hoà với da trời cho ra lam(Blue) - Da trời hoà với vàng cho lục(Green) - Tím hoà với vàng ra đỏ(Red) Quy luật này thường được áp dụng trong in ấn và hội hoạ, nơi màu sắc được tạo ra bằng cách trộn các chất màu hoặc mực in. Khi ánh sáng chiếu vào các chất màu này, một phần của quang phổ ánh sáng hấp thụ và phần còn lại được phản xạ tạo ra màu chúng ta thấy.