Thiết kế cải tiến hệ thống đóng bao xi măng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN VĂN KHÔI THIẾT KẾ CẢI TIẾN HỆ THỐNG ĐÓNG BAO XI MĂNG Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy Mã số: 60.52.04 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐINH MINH DIỆM Phản biện 1: TS. NGUYỄN XUÂN HÙNG Phản biện 2: PGS.TS. LÊ VIẾT NGƯU Luận văn sẽ ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 03 tháng 12 năm 2011. Có thể tìm hiểu luận văn tai: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 1 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của ñề tài Cùng với sự phát triển của ñất nước, ngành công nghiệp xi măng ngày càng phát triển. Các dây chuyền sản xuất xi măng ñược ñầu tư xây dựng mới sau này với công nghệ thiết bị hiện ñại của các nước Châu âu như Đức, Pháp, Đan Mạch,… hoàn toàn tự ñộng hóa làm tăng năng suất và bảo ñảm sản phẩm ñạt chất lượng tốt và ổn ñịnh. Tuy nhiên hiện nay tại nhiều Công ty sản xuất xi măng vẫn tồn tại ñồng thời các dây chuyền thiết bị thế hệ cũ và thế hệ mới hơn nữa mỗi dây chuyền của mỗi hãng lại có ñặc thù riêng như hệ thống ñiều khiển khác nhau,… Vì vậy rất phụ thuộc vào hãng sản xuất. Việc cải tạo nâng cấp các dây chuyền thiết bị thế hệ cũ và nghiên cứu thiết kế các thiết bị và hệ thống ñiều khiển tự ñộng chế tạo sản xuất trong nước là thật sự cần thiết cho các doanh nghiệp sản xuất . Hiện nay tại Công ty Cổ phần Xi măng Hải Vân tồn tại 2 dây chuyền ñóng bao: + Dây chuyền 1: thế hệ cũ, hệ thống cân cơ, hệ thống ñiều khiển nạp liệu ñơn giản. Vì vậy năng suất thấp, ñộ chính xác không cao. Hình 1. Packing Machine N01 2 + Dây chuyền 2: thế hệ mới, hệ thống cân ñiện tử, hệ thống ñiều khiển nạp liệu tự ñộng bằng vi xử lý. Tuy nhiên ñộ ổn ñịnh của hệ thống không cao nên năng suất không ñạt, tuổi thọ của hệ thống thấp, vận hành phức tạp sửa chữa khó khăn,vật tư thay thế giá thành ñắt, thời gian nhập khẩu lâu và phải mua ñúng của hãng Haver Boeker. Vì vậy ảnh hưởng rất nhiều ñến sản xuất. Do ñó Nghiên cứu thiết kế hệ thống ñiều khiển cấp liệu và cân của máy ñóng bao là nội dung chính của ñề tài. 2. Mục ñích của ñề tài: - Nghiên cứu thiết kế cải tiến hệ thống ñiều khiển cấp liệu tự ñộng và cân bằng PLC cho máy ñóng bao xi măng. Hình 2. Packing Machine N02 3 - Góp phần phát triển lĩnh vực ñiều khiển tự ñộng ứng dụng vào thực tế sản xuất. 3. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu thiết kế quy trình làm việc của máy ñóng bao, nghiên cứu các phần tử ñiều khiển và các cơ cấu chấp hành. - Nghiên cứu thiết kế hệ thống ñiều khiển cho các cơ cấu chấp hành - Nghiên cứu hệ thống cân ñiện tử. - Giải quyết việc nối ghép tương thích giữa các thiết bị liên quan: Động cơ ñiện, các cảm biến khối lượng, van ñiều khiển, ñầu cân ...bằng phương pháp ñiều khiển Logic. - Thực nghiệm lắp ráp, hiệu chỉnh và thử nghiệm trên máy ñóng bao tại Công ty Cổ phần Xi măng Hải Vân. 4. Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu thực tế các hệ thống ñóng bao xi măng . - Tổng hợp nghiên cứu lý thuyết về hệ thống ñiều khiển tự ñộng. - Kiểm chứng trên máy ñóng bao tại Công ty Cổ phần Xi măng Hải Vân . 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: - Tăng năng suất máy, ổn ñịnh chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sửa chữa bảo dưỡng và vật tư dự phòng cho Công ty. - Đề tài sẽ góp phần vào sự phát triển trong lĩnh vực ñiều khiển tự ñộng bằng PLC cho các thiết bị trong dây chuyền sản xuất nói chung và ñiều khiển máy ñóng gói nói riêng. 4 6. Cấu trúc của luận văn : Luận văn gồm các phần như sau. Chương 1. TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN ĐÓNG BAO XI MĂNG Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO ĐỀ TÀI Chương 3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN VÀ ĐÓNG GÓI 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐÓNG GÓI TỰ ĐỘNG 1.1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐÓNG GÓI TỰ ĐỘNG 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Phân loại Máy ñóng gói Hình 1.1Đóng gói vật liệu khối Hình 1.2 Đóng gói vật liệu lỏng Hình 1.3 Đóng góivật liệu rời Hình 1.4 Định lượng gián ñoạn Hình 1.5 Định lượng liên tục 6 1.1.3 Định lượng Đối với máy ñóng gói , khâu ñịnh lượng là khâu quan trọng nhất . Ứng với sai số cho phép , sẽ có những cách ñịnh lượng khác nhau ( hình 1.4 và hình 1.5 ). 1.2. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐÓNG GÓI CỦA CÔNG TY CP XI MĂNG VICEM HẢI VÂN 1.2.1. Tổng quan về Công ty Cổ phần Xi măng Vicem Hải Vân 1.2.1.1 Khái niệm xi măng 1.2.1.2. Qui trình công nghệ sản xuất xi măng 1.2.2 Thiết bị ñóng gói tại Công ty CP Xi măng Vicem Hải Vân 1.2.2.1 Hệ thống ñóng bao xi măng bao 50 kg a) Hệ thống ñóng bao của dây chuyền 2 ( Hình 1.10 ) Máy ñóng bao ñược sản xuất vào năm 1996, máy gồm 6 vòi quay, ñịnh lượng bằng hệ cân ñiện tử. b) Hệ thống ñóng bao của dây chuyền 1 Hình 1.10 Công ñoạn ñóng bao 7 Máy ñóng bao ñược sản xuất năm 1993, máy gồm có 4 vòi ñứng, ñịnh lượng bằng hệ cân cơ. Kết luận: Trên cơ sở thiết bị ñóng gói hiện nay và hiện trạng máy ñóng bao xi măng của Công ty ta có thể nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống ñiều khiển nạp liệu và cân cho máy ñóng bao thay thế cho máy ñóng bao dây chuyền 2 và có thể cải tạo máy ñóng bao dây chuyền 1 từ hệ cân cơ sang cân ñiện tử. Hình 1.14 Máy ñóng bao dây chuyền 1 Hình 1.13 Máy ñóng bao dây chuyền 2 8 CHƯƠNG 2 SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 2.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG MÁY ĐÓNG BAO 2.1.1 Cấu tạo máy ñóng bao 2.1.1.1 Thông số kỹ thuật 2.1.1.2 Yêu cầu vật liệu ñóng bao 2.1.1.3 Các thành phần và chức năng a) Truyền ñộng quay máy ñóng bao b)Hệ thống khí nén Khí ñược cấp cho pittong kẹp giữ bao, pittong quét bao, thối bao xi măng, hướng dòng liệu, pittong van 3 vị trí, pittong ñẩy bao. 1 2 8 3 7 6 5 4 stt tªn phô tïng Đ.v.t S.l 1 Xylanh ba vÞ trÝ c¸i 06 Xylanh kÑp bao2 06 GhÕ ®¸ bao3 06 Xylanh ®¸ bao4 06 Bé truyÒn ®éng quay tuabin cÊp liÖu5 06 Van ba vÞ trÝ6 06 Tñ c©n7 06 Sensor c¶m biÕn8 c¸i c¸i c¸i c¸i c¸i c¸i Hình 2.2 máy ñóng bao 9 c)Phễu cấp liệu d)Cơ cấu nạp liệu vào bao Hình 2.5 Phễu cấp liệu Hình 2.6 Cơ cấu nạp liệu cho bao 10 e) Load cell f) cơ cấu ñỡ & hất bao h) Cảm biến g)Nguồn cấp i)Các sơ ñồ ñiện ñộng lực và ñiều khiển của máy ñóng J)Cân MEC MEC là một hệ thống kết hợp cân và ñiều khiển, hổ trợ tất cả các chức năng của một vòi nạp liệu. Mỗi một vòi nạp liệu của máy ñóng bao ñược trang bị một cân MEC, cân MEC sẽ tự ñộng ñiều khiển tất cả chức năng của vòi nạp liệu. Hình 2.7 Load cell treo Hình 2.9 Vị trí các cảm biến Hình 2.8 Cơ cấu ñỡ và hất bao 11 Cân MEC ñược thiết kế theo các modul card. 2.1.2 Nguyên lý hoạt ñộng của máy ñóng bao Khi máy ñóng bao hoạt ñộng ( quay ), bao ñược cấp vào vòi nạp liệu tự ñộng hoặc bằng tay, ñến vị trí cảm biến (1) van ñiện từ ñược tác ñộng và 2 pittong xy lanh ( giữ và quét bao ) ñược kích hoạt và bao ñược giữ chặt, lúc này ñường thoát khí từ pittong xy lanh quét bao ñược bịt kín bởi bao nên áp lực khí sẽ tác ñộng ñến công tắc áp suất ( Presseur switch ) kích hoạt ñộng cơ của turbin cấp liệu và liệu Hình 2.10 Sơ ñồ lắp card trong hộp cân MEC Bảng 2.1 Chú thích card của cân MEC 12 ñược nạp vào bao ( Nếu ñến vị trí cảm biến mà không có bao cấp cho vòi nạp liệu thì lổ thoát khí từ pittong xy lanh quét bao sẽ không ñược bịt kín nên không ñủ áp ñể tác ñộng công tắc áp suất vì vậy sẽ không xảy ra quá trình nạp liệu ) Khi công tắc áp suất ñược tác ñộng, ñộng cơ của turbin cấp liệu sẽ ñược delay một khoảng thời gian, bao sẽ ñược khí thổi phồng lên và van 3 vị trí mở hoàn toàn thì quá trình nạp liệu bắt ñầu. Nếu khi nạp liệu khối lượng liệu không tăng lên ( có thể do bao bị rách vỡ hoặc do tắc liệu,...) thì quá trình nạp liệu sẽ dừng lại. Quá trình cấp liệu cho bao ñược thực hiện qua 2 giai ñoạn: Giai ñoạn nạp thô ( Van 3 vị trí mở hoàn toàn ) và giai ñoạn nạp tinh ( van 3 vị trí ñóng không hoàn toàn ). Tùy thuộc vào ñộ mịn của liệu, sai số cho phép của khối lượng bao, năng suất ,.. thì ta có thể thay ñổi khối lượng liệu nạp trong giai ñoạn nạp thô ( cài ñặt tham số khối lượng nạp thô ) hoặc thay ñổi tốc ñộ liệu ở giai ñoạn nạp tinh bằng Pittong kẹp giữ bao Khí thổi phồng bao Nạp liệu vào bao Khí thổi sạch vòi Kết thúc nạp và pittong hồi về 13 cách thay ñổi góc mở của của van 3 vị trí ( ñiều chỉnh hành trình của pittong van 3 vị trí ). Nếu quá trình nạp liệu ñến vị trí cảm biến (5) kiểm tra khối lượng mà under weigh < khối lượng bao < over weigh thì ñến vị trí cảm biến ( 6) nhả bao thì pittong xylanh nhả bao ñược kích hoạt hất nhả bao lên băng tải chuyển bao. Nếu quá trình nạp liệu ñến vị trí cảm biến (5) kiểm tra khối lượng mà khối lượng bao < under weigh thì bao sẽ không ñược hất nhả ra băng tải chuyển bao mà sẽ ñược nạp thêm liệu ở chu trình nạp liệu tiếp theo. Sau khi nạp thêm liệu nếu khối lượng bao over weigh thì bao sẽ ñược hất nhả ra tại vị trí cảm biến (3) bao lỗi. Nếu quá trình nạp liệu ñến vị trí cảm biến (5) kiểm tra khối lượng mà khối lượng bao > over weigh thì bao sẽ không ñược hất nhả ra băng tải chuyển bao mà sẽ ñược hất nhả ra tại vị trí cảm biến (3) bao lỗi. Sau khi bao ñược hất nhả ra băng tải chuyển bao, hệ thống reset lại bộ ñếm. Hình 2.22. Sơ ñồ ñiều khiển nạp liệu và cân Tải trọng bao Load cell Đầu cân AD Hiển thị số Bộ phận truyền, nhận số liệu PLC hoặc VĐK Điều khiển trực tiếp các cuộn dây solenoid, relay coil Đóng mở piston khí nén ( ñiều khiển các van, kẹp bao), ñộng cơ cấp liệu Máy in Máy tính Cáp chuyển ñổi mạch giao tiếp 14 2.2. GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC 2.2.1. Đặc ñiểm bộ ñiều khiển lập trình: 2.2.2. Những khái niệm cơ bản: 2.2.3. So sánh với các hệ thống ñiều khiển khác: 2.2.4. Cấu trúc phần cứng của PLC: 2.2.5. Khái niệm cơ bản về lập trình PLC: 2.2.6. Cơ chế hoạt ñộng và xử lý tín hiệu trên PLC: Kết luận: Nghiên cứu cấu tạo, chức năng của các thành phần máy ñóng bao và nguyên lý ñiều khiển quá trình nạp liệu vào bao và cân cùng với bộ ñiều khiển khả trình PLC là cơ sở thiết mạch ñiều khiển và viết chương trình ñiều khiển cho PLC trong chương 3. 15 Các LED chỉ trạng thái của các ñầu vào ra Cổng truyền thông Lỗ ñể gắn lên giá ñỡ Jắc cắm mô ñun mở rộng Chiết áp tương tự Chốt kẹp ñể lắp CPU lên ray DIN Khe cắm cho: - Mô ñun nhớ - Mô ñun pin - Mô ñun ñồng hồ Các LED chỉ trạng thái của Bên trong: - Nguồn cung cấp - Tụ cao cấp - Đồng hồ thời gian (CPU 224/226) Hình 3.1 Sơ ñồ bố trí các bộ phận của PLC Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN VÀ ĐÓNG GÓI 3.1 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN 3.1.1 Bộ ñiều khiển khả trình PLC Chọn bộ PLC S7-200 của Siemens, CPU224 là phù hợp và ñáp ứng ñược yêu cầu của hệ thống ñiều khiển. Sơ ñồ bố trí các bộ phận S7-200 như hình 3.1 3.1.2 TD 200 ( Giao diện giữa người và máy ) Thiết bị TD 200 ( S7-200 Text Display Devices ) cho phép người vận hành hay người sử dụng có thể tương tác với ứng dụng hoặc hiển thị các thông báo,…TD 200 là thiết bị giao diện giữa người 16 và máy do hãng Siemen sản xuất tương thích với S7-200, phù hợp cho môi trường công nghiệp và giá thành thấp. 3.1.3 Thiết bị chỉ thị khối lượng Thiết bị chỉ thị khối lượng (ñầu hiển thị trọng lượng cân) có nhiều loại do nhiều hãng sản xuất khác nhau. Trong hệ thống ñiều khiển này ta chọn Chỉ thị khối lượng KH3B-V của hãng Omron – Nhật. 3.2 KẾT NỐI CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG 3.2.1. Kết nối giữa PLC S7-200, CPU 224 với máy tính: 3.2.2. Giao tiếp giữa DT 200 và PLC S7-200: 3.2.3. Kết nối ñầu cân và PLC: 3.2.4. Kết nối giữa ñầu cân với cảm biến trọng lượng ( Loadcell): Hình 3.3 Thiết bị chỉ thị khối lượng Hình 3.2 Thiết bị TD 200 17 3.3 SƠ ĐỒ MẠCH CỦA HỆ THỐNG 18 19 20 21 3.4 SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 3.4.1 Máy ñóng bao quay ( Chế ñộ làm việc bình thường) Bắt ñầu Khởi ñộng máy(máy quay) Nạp vỏ bao vào vòi Kẹp bao Kiểm tra có bao Cấp khí vào bao,Mở van 3 vị trí Pittong xy lanh kẹp bao hồi về T F 22 3.4.2 Máy ñóng bao ñứng yên (Chế ñộ kiểm tra) Động cơ turbin cấp liệu hoạt ñộng Kiểm tra khối lượng bao Đóng van 3 vị trí, nạp tinh Kiểm tra khối lượng bao Tiếp tục nạp T T F F F F T T Tiếp tục nạp vòng 2 Dừng nạp liệu, ñóng hoàn toàn van 3 vị trí Kiểm tra vị trí nhả bao Không nhả bao Bao ñược hất ra băng tải Kiểm tra khối lượng bao Nhả bao tại vị trí bao lỗi Reset bộ ñếm Kết thúc 23 3.5 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NẠP LIỆU VÀ CÂN BAO Bắt ñầu Cấp nguồn (máy ñứng yên) Nạp vỏ bao vào vòi Kẹp bao T Kiểm tra có bao Cấp khí vào bao,Mở van 3 vị trí F Pittong xy lanh kẹp bao hồi về T F Động cơ turbin cấp liệu hoạt ñộng Đóng van 3 vị trí, nạp tinh Tiếp tục nạp T F Tiếp tục nạp Dừng nạp liệu, ñóng van 3 vị trí Reset bộ ñếm Kiểm tra khối lượng bao Kiểm tra khối lượng bao Kết thúc 24 KẾT LUẬN 1 KẾT QUẢ - Đã thiết kế, chế tạo hệ thống ñiều khiển ñóng bao xi măng và cân, sử dụng PLC S7-200 CPU 226 XP của hãng Siemens. Hệ thống ñã ñược lắp ñặt trên hai máy ñóng bao tại Phân xưởng 2 Công ty Cổ phần Vicem Hải Vân. - Hệ thống này hoạt ñộng theo các yêu cầu ñặt ra. Hệ thống hoạt ñộng ổn ñịnh, Chính xác cao, vận hành xử lý dễ dàng và giá thành thấp. - Thông qua giao diện TD200 người vận hành có thể cài ñặt các thông số của hệ thống ñể có thể ñáp ứng phù hợp với nhiều loại liệu cũng như nhiều loại bao có khối lượng khác nhau và theo dõi giám sát ñược các sự cố. 4.2. TRIỂN VỌNG ĐỀ TÀI - Sau khi lắp ñặt thành công trên máy ñóng bao tại Phân xưởng 2 của Công ty sẽ tiếp tục nghiên cứu phát triển ñề tài ñể cải tạo máy ñóng phân xưởng 1 (hiện ñang dùng hệ thống cân cơ ) sang hệ thống như trên. - Nghiên cứu ứng dụng hệ thống ñiều khiển ñóng gói tự ñộng và cân, không chỉ cho dây chuyền sản xuất xi măng mà còn phát triển với nhiều dây chuyền thiết bị khác như phân bón, bột mì,... - Việc nghiên cứu hệ thống ñiều khiển giám sát sử dụng PLC từ ñề tài ñã mở ra nhiều ứng dụng thực tế khác tại Công ty trong thời gian ñến sẽ triển khai như: * Hệ thống ñịnh lượng chất trợ nghiền. * Bộ ñếm bao và ñiều khiển.