Đồ án Mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động phục vụ cho dạy học (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động phục vụ cho dạy học (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ MÔ HÌNH CHIẾT RÓT ĐÓNG NẮP CHAI TỰ ĐỘNG PHỤC VỤ CHO DẠY HỌC GVHD: TS. VŨ QUANG HUY SVTH: VÕ THANH PHÚC MSSV: 11911018 SVTH: NGUYỄN ĐINH NHÃ TRIẾT MSSV: 11911025 S K L 0 0 4 2 7 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸTHUẬT TP. HỒ CHÍ MINH ___ KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: MÔ HÌNH CHIẾT RÓT ĐÓNG NẮP CHAI TỰ ĐỘNG PHỤC VỤ CHO DẠY HỌC Giảng viên hƣớng dẫn: TS. VŨ QUANG HUY Sinh viên thực hiện: VÕ THANH PHÚC 11911018 NGUYỄN ĐINH NHÃ TRIẾT 11911025 Lớp: 119110A Khóa: 2011 – 2016 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn Cơ điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: TS. Vũ Quang Huy Sinh viên thực hiện: Võ Thanh Phúc MSSV: 11911018 Nguyễn Đinh Nhã Triết MSSV: 11911025 1. Tên đề tài: “Mô Hình Chiết Rót Đóng Nắp Chai Tự Động Phục Vụ Cho Dạy Học” 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: Các mô hình chiết rót nắp chai và thiết kế có trên mạng. Các tài liệu về PLC và tài liệu về cảm biến trong công nghiệp. 3. Nội dung chính của đồ án: Mô hình chiết rót nắp chai tự động đƣợc điều khiển bằng PLC S7-200 CPU 224. Thiết kế thi công cơ khí và mạch điện cho mô hình. Tìm hiểu các thiết bị công nghiệp. 4. Các sản phẩm dự kiến Mô hình chiết rót nắp chai tự động đƣợc điều khiển bằng PLC S7-200 CPU 224 5. Ngày giao đồ án: 7/9/2015 6. Ngày nộp đồ án: 8/1/2016 TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ i
4. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: “Mô Hình Chiết Rót Đóng Nắp Chai Tự Động Phục Vụ Cho Dạy Học” - GVHD: TS. Vũ Quang Huy - Phúc - MSSV: 11911018 Lớp: 119110A - Địa chỉ sinh viên: 9- Đƣờng Trần Quốc Toản-phƣờng Hiệp Phú- Khu phố 2- Quận 9- Tp. Hồ Chí Minh - Số điện thoại liên lạc: 01695666693 - Email: vtphuc1993@gmail.com - t - MSSV: 11911025 Lớp: 119110A - Địa chỉ sinh viên: Ấp An Cƣ- Xã Hòa Định- Huyện Chợ Gạo- Tỉnh Tiền Giang - Số điện thoại liên lạc: 01689976757 - Email: nguyentriet08@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): - Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc.Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 8 tháng 1 năm 2016 Ký tên Võ Thanh Phúc Nguyễn Đinh NhãTriết ii
5. LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện đồ án và hoàn thành báo cáo này, chúng em đã nhận đƣợc sự giúp đỡ, hƣớng dẫn quý báu của các thầy, các anh chị và các bạn trong cùng khóa học. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, chúng em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Thầy Vũ Quang Huy, ngƣời thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho chúng em trong quá trình thực hiện đồ án. Một lần nữa xin gửi lời tri ân sâu sắc đến các thầy, các anh chị và các bạn, chúc sức khỏe và thành công. Nhóm sinh viên thực hiện đồ án. Võ Thanh Phúc Nguyễn Đinh NhãTriết iii
6. TÓM TẮT ĐỒ ÁN Tên đề tài: “Mô Hình Chiết Rót Đóng Nắp Chai Tự Động Phục Vụ Cho Dạy Học” Mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động phục vụ cho dạy học dùng để hỗ trợ cho việc học tập.Giúp sinh viên làm quen với các thiết bị công nghiệp, làm quen với cách viết chƣơng trình điều khiển PLC. Mô hình sử dụng thiết bị điều khiển S7–200 để điều khiển các thiết bị nhƣ cảm biến, xy- lanh, động cơ, băng chuyền. Chƣơng trình đƣợc viết trên PLC có thể dùng nhiều cách viết khác nhau.Mô hình hoạt động nhờ các tín hiệu từ nút nhấn, cảm biến truyền cho PLC.Sử dụng các rơ-le để đảm bảo tính toàn cho mô hình, đóng ngắt điện. Nhóm sinh viên thực hiện đồ án. Võ Thanh Phúc Nguyễn Đinh Nhã Triết iv
7. ABSTRACT PROJECT TITLE: An automated bottle filling and capping machine An automated bottle filling and capping machine for teaching. An automated bottle filling and capping machine is used to support in studying. This machine can help students with getting used to industrial equipment as well as PLC driver. The S7- 200 programmable Controller is used to control other devices such as sensors, sylinders, motors, conveyors The PLC programs are written in different ways. Thanks to the signals from the button and the sensors to the PLC, the machine operates smoothly. The relays are used to ensure the safety of the open and closed electric circuit. v
8. MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CAM KẾT ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv MỤC LỤC vi DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH x Chƣơng 1: GIỚI THIỆU 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1 1.4 Đối tƣợng nghiên cứu 2 1.5 Phƣơng pháp thực hiện 2 1.6 Kết cấu đồ án 2 Chƣơng 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 3 2.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 3 2.2 Tổng quan về tự động hóa quá trình sản xuất 6 2.3 Phân loại tự động hóa 6 2.3.1 Tự động hóa cứng 6 2.3.2 Tự động hóa lập trình 6 vi
9. 2.3.3 Tự động hóa linh hoạt 7 Chƣơng 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8 3.1 Động cơ điện một chiều 8 3.2 Motor bơm nƣớc 9 3.3 Van đảo chiều 10 3.4 Xy lanh khí nén 12 3.5 Cảm biến 14 3.6 Sơ lƣợc về Role điện từ 17 3.6.1 Giới thiệu 17 3.6.2 Nguyên lý hoạt động 18 3. 18 3.6.4 Ứng dụng của rơle 20 3.6.5 Những lƣu ý khi sử dụng rơle 20 3.7 Sơ lƣợc PLC (Programmable Logic Controller ) 20 3.7.1 Giới thiệu về PLC: 20 3.7.2 Nguyên lý hoạt động PLC 21 3.7.3 Ƣu thế của hệ thống điều khiển dùng PLC 21 3.7.4 Hạn chế 22 3.7.5 Các ứng dụng của PLC 22 3.7.6 Tìm hiểu PLC S7-200 , CPU 224 23 vii
10. 3.7.7 Cấu hình vào ra của PLC 224 25 3.7.8 Các ngõ vào thƣờng dùng 26 3.7.9 Các thiết bị đƣợc điều khiển ở ngõ ra 26 3.7.10 Truyền thông giữa PC và PLC 27 3.7.11 Phân chia bộ nhớ 28 3.7.12 Giới thiệu các module mở rộng 30 3.7.13 Cách đặt địa chỉ cho các module mở rộng CPU 224 31 3.7.14 Chƣơng trình ngắt 35 3.7.15 Sử dụng phần mềm Step 7-Microwin 38 CHƢƠNG 4 : PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ - THI CÔNG PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM 40 4.1 Phƣơng án thiết kế 40 4.1.1 Phƣơng án 1 40 4.1.2 Phƣơng án 2 40 4.1.3 Lựa chọn phƣơng án 41 4.2. Thiết kế cơ khí 42 4.2.1 Phƣơng pháp thiết kế cơ khí 42 4.2.2 Bản vẽ mô hình 433 4.3 Thiết kế mạch điện 53 4.4 Hình ảnh mô hình thực tế 54 Chƣơng 5: LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN . 58 viii
11. 5.1. Lƣu đồ giải thuật 58 5.2 Chƣơng trình điều khiển trên PLC 60 Chƣơng 6. THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ. 68 6.1 Các bƣớc chuẩn bị. 68 6.2 Thử nghiệm 68 Chƣơng 7: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 69 7.1 Những kết qủa đạt đƣợc 69 7.1.1 Phần thiết kế cơ khí 69 7.1.2 Phần điều khiển 69 7.2 Những hạn chế còn tồn tại 69 7.3 Hƣớng phát triển đề tài 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 ix
12. DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH Hình 2.1 Dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai trà xanh 4 Hình 2.2 Dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai dầu gió 4 Hình 2.3 Máy chiết rót đóng nắp chai 5 Hình 2.4 Máy chiết rót đóng nắp chai bình 20 lít 5 Hình 3.1 Động cơ có hộp giảm tốc 8 Hình 3.2 Động cơ encoder 9 Hình 3.3 Motor bơm nƣớc 24VDC 9 Hình 3.4 Van đảo chiều 11 Hình 3.5 Cấu tạo van đảo chiều 5/2 12 Hình 3.6 Xy lanh tác động đơn 13 Hình 3.7 Xy lanh tác động kép 14 Hình 3.8 Cấu tạo xy lanh tác động kép 14 Hình 3.9 Cảm biến từ 14 Hình 3.10 Cảm biến quang 15 Hình 3.11 Cảm biến sợi quang 16 Hình 3.12 Cảm biến điện dung 16 Hình 3.13 Cấu tạo rơle 18 Hình 3.14 Hình ảnh PLC S7-200, CPU 224 23 x
13. Hình 3.15 Cấu hình vào ra CPU 224 DC/DC/DC 25 Hình 3.16 Cấu hình vào ra của CPU 224 AC/DC/RELAY 25 Hình 3.17 Kết nối giữa PC và PLC 27 Hình 3.18 Các module mở rộng 30 Hình 3.19 Địa chỉ của CPU224 31 Hình 3.20 Modul EM223 16I/16Q-DC/Relay 31 Hình 3.21 Modul EM223 4I/4Q- DC/Relay 32 Hình 3.22 Cấu tạo modul EM223 33 Hình 3.23 Modul EM235 33 Bảng 3.24 các loại ngắt 36 Hình 3.25 Giao diện step7 38 Hình 4.1 PLC 40 Hình 4.2 Mạch arduino 41 Hình 4.3 Lƣu đồ quá trình thiết kế mô hình 43 Hình 4.4 Mặt trƣớc của mô hình 56 Hình 4.5 Mặt sau mô hình 56 Hình 4.6 Bảng điều khiển 57 xi
14. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT PLC ProgrammableLogicController PC Personal Computer xii
15. Chƣơng 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Từ thực tế cuộc sống công nghiệp của con ngƣời, họ muốn máy móc có thể đảm nhiệm và hoàn thành tốt công việc của họ. Thấy đƣợc những yêu cầu từ xã hội các trƣờng đã đƣa vào trong giảng dạy.Trong dạy học ngoài giờ dạy lý thuyết còn cần những giờ dạy thực hành để sinh viên áp dụng những gì đã học vào thực tế.Trong những giờ dạy thực hành đó đó các mô hình dạy học là không thể thiếu. Qua đó nhóm em chọn đề tài “Thiết kế, thi công mô hình chiết rót và đóng nắp chai nƣớc tự động phục vụ cho dạy học” dùng PLC lập trình để làm đề tài đồ án cơ điện tử. 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Chiết rót đóng nắp chai là hệ thống phổ biến và rất phát triển trong ngành sản xuất nƣớc giải khác. Những công ty, cơ sở sản xuất nƣớc khoáng, nƣớc ngọt việc làm thủ công xúc rữa chai, chiết rót nƣớc vào chai, đóng nắp, dán nhãn và thổi màng co phải cần nhiều ngƣời, lƣợng nƣớc không đồng đều và năng suất không cao, mất nhiều thời gian.Vì thế, ứng dụng tự động hóa trong quá trình sản xuất nhằm nâng cao chất lƣợng sản phẩm và hạ tối đa giá thành. Một trong những phƣơng án hiệu quả và đƣợc sử dụng rộng rãi hiện nay là thay thế những hệ thống lạc hậu, không hiệu quả bằng những dây chuyền tự động đƣợc điều khiển tự động bằng máy tính hoặc các thiết bị chuyên dụng. Việc máy móc đảm nhận công việc thay cho con ngƣời sẽ mang lại hiệu quả cao. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu và thiết kế mô hình chiết rót đóng chai tự động: Thiết kế cơ khí và thiết kế phần điều khiển cho mô hình Xây dựng thuật toán điều khiển cho chƣơng trình Tiến hành thực nghiệm. 1
16. 1.4 Đối tƣợng nghiên cứu Thiết kế, chế tạo mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động theo hình ảnh và video thực tế. Xây dựng chƣơng trình điều khiển cho mô hình. 1.5 Phƣơng pháp thực hiện Tìm hiểu tài liệu: nhóm tìm hiểu các tài liệu liên quan thiết kế cơ khí, thiết kế mạch điện - điện tử, phần mềm viết chƣơng trình. Tham khảo từ nhiều nguồn khác: từ hình ảnh, video thực tế, sự giúp đỡ trực tiếp của các giảng viên chuyên ngành thuộc Bộ môn Cơ điện từ. Phƣơng pháp thực nghiệm, thử và sửa sai: Thiết kế và chế tạo thiết bị mô hình chiết rót đóng nắp chai không chỉ dừng lại ở việc tính toán, thiết kế trên lý thuyết mà còn phải trải qua quá trình thi công chế tạo thực tế, từ đó rút ra kinh nghiệm, khắc phục các thiếu sót. 1.6 Kết cấu đồ án Đồ án gồm 7 chƣơng với nội dung nhƣ sau: Chương 1: Giới thiệu.Giới thiệu lý do chọn đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài, mục tiêu nghiên cứu của đề tài. Chương 2: Tổng quan đề tài. Trình bày các bƣớc thiết kế, giới thiệu về các thiết bị ứng dụng trong đề tài. Chương 3:Cơ sở lý thuyết.Lý thuyết về các thiết bị cảm biến, động cơ điện, motor bơm nƣớc, xylanh, rơle, van, PLC Chương 4: Phương án thiết kế, thi công phần cứng, phần mềm.Nêu những phƣơng có thể thi công hình, lựa chọn phƣơng án thi công đạt hiệu quả tối ƣu nhất. Chương 5: Lưu đồ giải thuật và chương trình điểu khiển: Nêu các bƣớc hoạt động của mô hình từ đó viết chƣơng trình điều khiển phù hợp. Chương 6: Thực nghiệm – Đánh giá. Tiến hành chạy mô hình thực tế đánh giá kết quả. Chương 7: Kết luận – Kiến nghị. Đƣa ra kết luận và đề nghị 2
17. Chƣơng 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu Ngày nay, việc tự động hóa các trang thiết bị trong các công ty, nhà máy, xí nghiệp ngày càng phổ biến và phát triển. Ở đất nƣớc có cƣờng độ làm việc và độ chính xác cao, con ngƣời không thể đảm nhiệm đƣợc, lúc đó máy móc sẽ thay con ngƣời nhƣng dƣới sự giám sát của con ngƣời.Vì vậy, việc tự động hóa các máy móc với trang thiết bị hiện đại là điều rất cần thiết. Bên cạnh đó là việc phát triển các phần mềm trong việc quản lý các hệ thống thông dụng trong ngành công nghiệp, điều khiển các dây truyền sản xuất giám sát thông qua các chƣơng trình phần mềm giao diện nhƣ : WinCC, Visual Basic, Quick Basic, Turbol C++, Delphi Với sự ứng dụng của khoa học kỹ thuật, thế giới đã có những chuyền biến rõ rệt và ngày càng tiên tiến hơn, hiện đại hơn. Sự phát triển của công nghệ, đặc biệt là công nghê tự động đã tạo ra hàng loạt dây chuyền sản xuất, thiết bị máy móc hiện đại với những đặc điểm vƣợt trội nhƣ sự chính xác cao, tốc độ nhanh, khả năng thích ứng, sự chuyên môn hóa đã và đang đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nền công nghiệp hiện đại. Công nghệ tự động hóa trở thành một ngành kỹ thuật đa nhiệm vụ, nó đáp ứng đƣợc những đòi hỏi không ngừng của các ngành khác nhƣ trong công nghiệp, xây dựng, y tế kể các trong nông lâm nghiệp và ngày càng đƣợc ứng dụng nhiều trong thực tế đời sống hàng ngày. Trong công nghiệp, trong những nhà máy sản xuất nƣớc uống đóng chai thì dây chuyền chiết rót đóng nắp là một khâu không thể thiếu và rất quan trọng.Dƣới đây là những hình ảnh từ những nhà máy chiết rót đóng nắp chai từ các nhà máy. 3
18. Hình 2.1 Dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai trà xanh Hình 2.2 Dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai dầu gió 4
19. Hình 2.3 Máy chiết rót đóng nắp chai Hình 2.4 Máy chiết rót đóng nắp chai bình 20 lít Từ những hình ảnh trên có thể thấy đƣợc sự đa dạng của hệ thống chiết rót đóng nắp chai rất đa dạng có thể đóng nắp nhiều loại chai khác nhau có kích thƣớc hình đáng khác nhau, khối lƣợng khác nhau.Việc chiết rót đóng nắp chai có thể là việc làm của một hệ thống lớn hoặc là một chiếc máy duy nhất chứng tỏa khoa học 5
20. kỹ thật ngày càng phát triển.Chiết rót đóng nắp chai có thể là một hệ thống lớn hoặc một chiếc máy nhỏ nhƣng đó điều là thành tựu của tự động hóa vào cuộc sống. 2.2 Tổng quan về tự động hóa quá trình sản xuất Là dùng năng lƣợng phi sinh vật (cơ, điện, điện tử ) để thực hiện một phần hay toàn bộ quá trình công nghệ mà ít nhiều không cần sự can thiệp của con ngƣời Tự động hóa là một quá trình liên quan đến việc áp dụng các hệ thống cơ khí, điện tử, máy tính hoạt động, điều khiển sản xuất. Công nghệ này bao gồm: o Những công cụ máy móc tự động. o Máy móc lắp ráp tự động. o Ngƣời mát công nghiệp o Hệ thống vận chuyển và điều khiển vật liệu tự động. o Hệ thống mát tính cho việc soạn thảo kế hoạch, thu thập dữ liệu và ra quyết định để hổ trợ sản xuất. 2.3 Phân loại tự động hóa 2.3.1 Tự động hóa cứng Là một hệ thống trong đó một chuỗi các hoạt động (xử lý hay lắp ráp) cố định trên một cấu hình thiết bị. Các nguyên công này trong dây chuyền thƣơng đơn giản. Chính sự hợp nhất và phối hợp các nguyên công này nhƣ vậy vào một thiết bị làm hệ thống trở nên phức tạp. Những đặc trƣng chính của tự động hóa cứng: o Đầu tự ban đầu cao cho những thiết kế theo đơn đặt hàng o Năng suất máy cao. o Tƣơng đối không linh hoạt trong việc thay đổi các thích nghi trong thay đổi sản phẩm 2.3.2 Tự động hóa lập trình Thiết bị sản xuất đƣợc thiết kế với khả năng có thể thay đổi trình tự các nguyên công để thích ứng với những cấu hình sản phẩm khác nhau. 6
21. Chuỗi hoạt động có thể đƣợc điều khiển bởi một chƣơng trình, tức là một tập lệnh đƣợc mã hóa để hệ thống đọc và diễn dịch chúng. Những chƣơng trình mới có thể đƣợc chuẩn bị và nhập vào thiết bị để tạo ra sản phẩm mới. Một vài đặc trƣng của tự động hóa lập trình: o Đầu tự cao những cho những thiết bị có mục đích tổng quát. o Năng suất tƣơng đối thấp so với tự động hóa cứng. o Sự linh hoạt khi có sự thay đổi cấu hình trong sản phẩm mới. o Thích hợp nhất cho sản xuất hàng loạt. 2.3.3 Tự động hóa linh hoạt Là hệ thống tự động hóa có khả năng sản xuất ra nhiều sản phẩm khác nhau mà hầu nhƣ không mất thời gian cho việc chuyển đổi từ sản phẩm này sang sản phẩm khác. Không mất thời gian cho sản xuất hay cho lập trình lại và thay thế các cài đặt vật lý (công cụ đồ gá, máy móc). Hiệu quả là hệ thống có thể lên kế hoạch kết hợp sản xuất khác nhau thay vì theo từng loại riêng biệt. Đặc trƣng của tự động hóa linh hoạt có thể tóm tắt sau: o Đầu tƣ cao cho thiết bị. o Sản xuất liên tục những sản phẩm hỗn hợp khác nhau. o Tốc độ sản xuất trung bình. o Tính linh hoạt khi sản phẩm thay đổi thiết kế. 7
22. S K L 0 0 2 1 5 4