Đồ án: Thiết kế và phát triển hệ thống chiết rót chai tự động (HUTECH)

Tài liệu thiết kế hệ thống chiết rót tự động chi tiết. Bao gồm bản vẽ cơ khí, sơ đồ mạch điện và chương trình lập trình điều khiển PLC đầy đủ.

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Tân
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Thiện
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hoá
• Đề tài: Thiết Kế Và Phát Triển Hệ Thống Chiết Rót Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống chiết rót tự động PLC

Hệ thống chiết rót tự động PLC là giải pháp hiện đại trong ngành sản xuất đóng chai nước uống. Với nhu cầu sản phẩm ngày càng cao, các nhà máy sản xuất cần dây chuyền sản xuất hiệu quả để tiết kiệm thời gian và chi phí nhân công. Hệ thống này được thiết kế để chiết rót hai chai đồng thời trên một băng tải, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Bộ điều khiển PLC FX1S-30MR là trung tâm điều khiển, kết hợp với các thiết bị như xylanh, cảm biến tiệm cận, bơm nước và solenoid. Hệ thống tự động này giảm thiểu sai sót thủ công, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình chiết rót nước uống vào chai. Ứng dụng công nghệ tự động hoá này mang lại lợi ích kinh tế đáng kể cho các nhà máy sản xuất quy mô từ nhỏ đến lớn.

1.1. Khái niệm và vai trò của hệ thống chiết rót tự động

Hệ thống chiết rót tự động là dây chuyền sản xuất được điều khiển bằng PLC, thay thế công nhân trong các công việc lặp lại. Vai trò chính là tăng năng suất, đảm bảo độ chính xác trong lượng nước chiết rót mỗi chai, giảm chi phí lao động. Hệ thống hoạt động liên tục, tiết kiệm thời gian sản xuất đáng kể so với chiết rót thủ công truyền thống.

1.2. Ứng dụng của dây chuyền chiết rót trong công nghiệp

Dây chuyền chiết rót được ứng dụng rộng rãi trong ngành nước uống, nước khoáng, dầu ăn và các chất lỏng khác. Các hệ thống tự động này nâng cao tính cạnh tranh sản phẩm, đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng cao. Đây là giải pháp không thể thiếu cho các nhà máy sản xuất hiện đại, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

II. Các thành phần chính của hệ thống chiết rót PLC

Hệ thống chiết rót tự động PLC bao gồm nhiều thành phần liên kết chặt chẽ. Bộ điều khiển PLC FX1S-30MR là thành phần trung tâm, điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động. Báng tải vận chuyển chai đến các vị trí chiết rót, bốn xylanh tạo lực đẩy đóng mở các cơ cấu, ba cảm biến tiệm cận phát hiện vị trí chai và kích hoạt hành động. Hai bơm nước 12V cung cấp áp lực chiết rót, bốn solenoid điều khiển dòng nước vào từng chai. Hộp đựng chai chứa sản phẩm trước khi vào quy trình. Toàn bộ hệ thống được thiết kế bằng Solidworks, AutoCad, Visio cho phần cơ khí và Gxwork3 cho lập trình PLC. Sự kết hợp này tạo nên một hệ thống tự động hoá hoàn chỉnh, hiệu quả cao.

2.1. Bộ điều khiển PLC và các thiết bị điều khiển

PLC FX1S-30MR là bộ vi xử lý điều khiển chính, nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý logic và phát lệnh điều khiển. Relay trung gian giúp khuếch đại tín hiệu, bảo vệ mạch điều khiển. Solenoid valve được PLC điều khiển để mở/đóng dòng nước. Hệ thống này đảm bảo hoạt động an toàn, chính xác theo chương trình lập trình PLC được cài đặt.

2.2. Cảm biến và hệ thống phát hiện vị trí chai

Ba cảm biến tiệm cận giúp phát hiện vị trí chai trên băng tải, kích hoạt các hành động chiết rót. Mỗi cảm biến được PLC giám sát, đảm bảo chai ở đúng vị trí trước khi chiết rót. Hệ thống này tăng độ chính xác, giảm lỗi sản phẩm trong quá trình tự động hoá sản xuất.

III. Quy trình thiết kế hệ thống chiết rót tự động

Thiết kế hệ thống chiết rót tự động bao gồm hai giai đoạn chính: thiết kế cơ khí và thiết kế điều khiển. Đầu tiên, đội ngũ kỹ sư sử dụng Solidworks và AutoCad để vẽ bản vẽ 3D chi tiết, tính toán lực, chọn kích thước xylanh, báng tải phù hợp. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống giúp xác định luồng dữ liệu giữa các thành phần. Sau đó, sử dụng Gxwork3 để lập trình PLC, xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển các hành động tuần tự: phát hiện chai, dừng báng tải, chiết rót, tiếp tục chuyển động. Thiết kế tủ điện được thực hiện song song, bao gồm lắp các thiết bị điện, relay, solenoid, đấu dây theo sơ đồ kỹ thuật. Quy trình này đảm bảo hệ thống hoạt động đúng yêu cầu, an toàn và hiệu quả.

3.1. Thiết kế cơ khí và bản vẽ chi tiết

Bản vẽ chi tiết được tạo bằng Solidworks và AutoCad, mô tả rõ kích thước, vị trí lắp ráp từng linh kiện. Khung hệ thống, báng tải, xylanh được tính toán để chịu tải, hoạt động ổn định. Sơ đồ lắp ráp chỉ rõ vị trí cảm biến tiệm cận, van điều khiển, đảm bảo không gian hoạt động, độ an toàn máy.

3.2. Lập trình PLC và thuật toán điều khiển

Lưu đồ giải thuật mô tả các bước: kiểm tra cảm biến, dừng báng tải, kích hoạt xylanh, mở solenoid chiết rót, đóng solenoid, tiếp tục báng tải. Gxwork3 được sử dụng để nhập lệnh, kiểm tra logic, tải chương trình vào PLC FX1S-30MR. Hệ thống hoạt động tự động, chính xác theo lập trình được thiết kế.

IV. Lắp ráp và vận hành hệ thống chiết rót tự động

Lắp ráp hệ thống chiết rót tự động là giai đoạn quan trọng, yêu cầu kỹ năng gia công cơ khí, đấu dây điện chính xác. Đầu tiên, khung hệ thống được lắp trên bàn, cố định báng tải, xylanh, cảm biến theo vị trí trên bản vẽ. Van điều khiển được gắn tại vị trí tiêu chuẩn, đảm bảo dòng nước chảy đúng hướng. Tủ điện được lắp ráp với các thiết bị điều khiển, relay, solenoid, đấu dây theo sơ đồ điều khiển chi tiết. Kiểm tra điện áp, cắm PLC, tải chương trình lập trình vào. Kiểm tra thử từng bước: cảm biến, xylanh, solenoid, báng tải. Điều chỉnh tham số, thời gian chuyển đổi, áp suất chiết rót cho đến khi hệ thống hoạt động ổn định, sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng.

4.1. Quá trình lắp ráp phần cơ khí và điện khí

Lắp ráp bắt đầu từ khung, báng tải, xylanh, cảm biến, van. Đấu dây điện nối các thiết bị theo sơ đồ, cài đặt relay, solenoid vào tủ điện. Kiểm tra kết nối điện, thế và độ cách điện. Công việc này yêu cầu hiểu biết về cơ khí, điện khí và kỹ năng tự động hoá sản xuất.

4.2. Kiểm tra hiệu chỉnh và vận hành hệ thống

Sau lắp ráp, kiểm tra từng thành phần: cảm biến hoạt động, xylanh chuyển động mượt, solenoid mở/đóng chính xác, báng tải quay ổn định. Tải chương trình PLC vào bộ điều khiển, chạy thử không có chai. Điều chỉnh thời gian, áp suất, vị trí cảm biến. Chạy thử với chai, kiểm tra lượng nước, độ chính xác chiết rót. Vận hành liên tục, theo dõi hiệu năng, bảo trì định kỳ đảm bảo hệ thống hoạt động tốt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Chiết rót 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.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 rót 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 dừng 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: 1 • Phương pháp rót áp suất thường: chất lỏng tự chảy vào trong chai do chênh lệch về độ cao thủy tinh. 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. • 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.2 Khả năng ứng dụng của dây chuyền chiết rót ❖ Ứng dụng vào sản xuất.

- Nâng cao tốc độ sản xuất: Đầu tiên và quan trọng nhất máy chiết rót tự động cho phép người sản xuất nhiều hơn mức có thế so với khi sản phẩm này được sản xuất bằng tay. Với chiết rót thủ công hoặc bán tự động chúng ta cần nhiều người hơn bởi năng xuất sản xuất thủ công rất thấp. Bạn chỉ việc chuẩn bị nguyên liệu đầu vào sau đó đơn giản là cài đặt các thông số và nhấn nút để máy chiết rót tự động. Tùy vào loại máy và bạn chỉ cần từ 1 đến 2 nhân công để đóng gọi sản phẩm.

- Tính linh hoạt: Máy chiết rót tự động không phải lúc nào cũng được chế tạo để sử dụng cho một loại dung tích hoặc thậm chí cho một sản phẩm. Chất làm đầy 9 chai tự động có thể được thiết lập để xử lý một loạt các hình dạng và kích thước của chai chứa. Ngoài ra có thể xử lý nhiều sản phẩm như dầu, nhớt xe, mỹ phẩm… và cả đóng nắp vặn hay nắp đóng như bia… 2 2. Thực trạng của các hệ thống chiết rót chai Lịch sử phát triển: Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai diễn ra vào cuối thế kỉ XIX đã thúc đẩy các ngành sản xuất biến chuyển nhanh chóng với hàng loạt dây chuyền sản xuất, tiêu chuẩn chất lượng, tự động hóa… Các hệ thống có sự tự động hóa ngày càng cao, cũng như độ chính xác trong quá trình làm việc.

Dây chuyền sản xuất tự động hóa có thể ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau như: Công nghiệp chế biến thực phẩm, Công nghiệp chế tạo oto… Đặc biệt là sản xuất và đóng chai sản phẩm đồ uống, nhiều quốc gia có nhà máy sản xuất, đóng chai đồ uống rất lớn.1: Hệ thống sản xuất nước ngọt có gas của công ty Bidrico (Nguồn: https://nld.vn/hoi-nhap/bidrico-xuat-hang-sang-thi-truong-kho-tinh- htm) Năm 1990 với sự phát triển mạnh mẽ của nước uống đóng chai, hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động từ đó được chú trọng nghiên cứu và phát triển. Tại Việt Nam ngành sản xuất nước đóng chai đang có tốc độ tăng trưởng cao, giàu tiềm năng phát triển do nhu cầu tiêu thụ đang lớn hơn sản lượng sản xuất. Các công ty xuất hiện với nhiều quy mô khác nhau giúp thúc đẩy cạnh tranh mạnh mẽ của thị trường đồng thời đẩy mạnh sự phát triển của quá trình sản xuất. Sự tự động hóa trong quá trình sản xuất là yêu cầu bắt buộc của mọi tập đoàn sản xuất.2: Một đoạn hệ thống sản suất Aseptic của Tân Hiệp Phát (Nguồn: https://www.com/watch?v=SwbdflfkaYo) Trong ngành đóng gói chất lỏng công nghiệp, máy chiết rót tự động là thiết bị không thể thiếu được.

Nó là máy duy trì các khâu từ súc rửa, chiết rót đến đóng nắp. Tất cả các nhà máy, xí nghiệp thuộc các lĩnh vực hóa chất, mỹ phẩm, dầu nhớt, dược phẩm, nước uống, thực phẩm… đều cần đến sản phẩm này. Khi sử dụng sản phẩm này, doanh nghiệp sẽ tiết kiệm được một khối lượng lớn nhân công. Tiết kiệm thời gian và công suất làm việc nhanh chóng.

Vì sự phong phú và đa dạng về các sản phẩm dẫn đến sự cạnh tranh giữa các loại mẫu mã, nhà cung cấp.Bên cạnh những lợi ích thiết thực của hệ thống chiết rót mang lại thì bên cạnh đó là các vấn đề cũng như nhược điểm mà hệ thống này gặp phải. Thực trạng của hệ thống hiện nay: Chi phí vận hành, tiêu hao điện năng cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến lợi nhuận kinh doanh. Máy tiêu hao quá nhiều điện năng sẽ làm giảm lợi nhuận và ngược lại. Vì thế, hãy tìm hiểu kĩ các loại máy và test thử mức độ tiêu thụ điện của nó đến đâu.

Một sản phẩm vận hành tốt sẽ không tiêu hao quá nhiều năng lượng điện trong quá trình sử dụng. Vì thế hệ thỗng chiết rót tự động sẽ phù hợp hơn 4 với các xí nghiệp, nhà máy lớn… Vẫn có các loại máy chiết rót mini để các doanh nghiệp, hộ gia đình có thể cân nhắc sử dụng. Giá thành cho một hệ thống chiết rót tự động có thể nói là cao. Bạn cần cân nhắc, xem xét kỹ sản phầm, ước lượng khả năng chi trả của doang nghiệp mình để chọn ra sản phẩm có phù hợp hay không.

Với giá thành cao, chi phí đầu tư lớn thì đây là giải pháp tối ưu cho các doanh nghiệp sản xuất quy mô lớn. Thông thường các hệ thống chiết rót tự động sẽ hạn chế chiết rót các dung dịch có thành phần lẫn chất rắn ở bên trong hoặc quá đặc. Sau khi vận hàng hoạt động hệ thống, đơn vị sản xuất sẽ tốn rất nhiều thời gian để vệ sinh máy. Tổng quan về các hệ thống chiết rót chai tự động Hiện nay, với sự ứng dụng của khóa học kỹ thuật, thế giới đã có những chuyển biến rõ rệt và ngày càng tiên tiến hơn, hiện đại hơn.

Sự phát triển của công nghệ, đặc biệt là công nghệ tự động đã tạo ra hàng loạt dây chuyền sản xuất, thiết bị máy móc hiện đại với những đặc điểm vượt trội nhờ tốc độ nhanh, khả năng thích ứng, sự chuyên môn hóa, hoạt động liên tục với độ chuẩn xác cao… Đã và đang được ứng dụng phổ biến và rộng rãi trong nên công nghiêp hiện đại. Trong thời đại công nghệ 4.0 thì quá trình tự động hóa trong công nghiệp là hết sức quan trọng đối với sự phát triển của một quốc gia. Với các nước phát triển như Mỹ, Nhật,.thì tự động đã không còn xa lạ và đã trở nên quen thuộc. Ở các nước này máy móc hầu như đã thay thế lao động chân tay, số lượng công nhân trong nhà máy đã giảm hẳn và thay vào đó là những lao động chuyên môn, những kỹ sư có tay nghề, điều khiển giám sát trực tiếp quá trình sản xuất thông qua máy tính.

Khi mà đời sống người dân đang được nâng cao, nhu cầu ngày một tăng thì có thể thấy các sản phẩm tiêu dùng hiện nay phần lớn được chứa đựng trong các bao bì dạng chai lọ nhất là trong ngành thực phẩm ví dụ như: bia, rượu, nước giải khát, hóa mỹ phẩm. Với nhiều ưu điểm nổi trội như giá thành hạ, cứng cáp, tính thẩm mỹ cao, 5 dễ sản xuất. Cũng chính vì lý do này các hệ thống chiết rót và đóng chai tự động được sử dụng rất rộng rãi với nhiều chủng loại khác nhau. Vì vậy mà hầu hết các nhà máy, xí nghiệp sản xuất sản phẩm dung dịch hiện nay đều được trang bị các dây chuyền chiết rót tự động.

Khi sử dụng hệ thống chiết rót tự động, doanh nghiệp sẽ tiết kiệm được một khối lượng lớn nhân công. Tiết kiệm thời gian và công suất làm việc nhanh chóng. Một số lợi ích từ việc sử dụng hệ thống chiết rót tự động mang lại: - Đầu chiết rót có thiết kế đặc biệt, nâng chiết, hạn chế kéo và nhỏ giọt ra ngoài. Đặc điểm này cũng giúp cho người sử dụng dễ dàng đổi nguyên liệu nhiều màu.

- Nguyên liệu chủ yếu của máy đó là từ inox cao cấp, thép không gỉ, chống ăn mòn tốt. Chính bởi nguyên liệu này, dù đặt trong môi trường nào máy chiết tự động cũng có thể hoạt động tốt. - Hệ thống điều khiển linh hoạt, dễ sử dụng, hiện đại. Với hệ thống điều khiển này, bạn sẽ chỉ cần một vài thao tác là máy đã có thể tự hoạt động mà không cần giám sát.

Điểm nổi bật của hệ thống này là có thể giảm thiểu sự tham gia của con người nhưng vẫn đảm bảo được công suất, chất lượng sản phẩm chiết rót. Giúp doang nghiệp tiết kiệm tối đa chi phí sản xuất, tiết kiệm nhiên liệu và chi phí thuê nhân công. - Nâng cao chất lượng sản phẩm: Hệ thống chiết rót không những sản xuất với tốc độ nhanh hơn thủ công, mà còn sản xuất với sự đồng nhất cao hơn và sự chính xác đối với các yêu cầu khắt khe của sản phẩm đóng chai.