Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp: Thiết Kế Mô Hình Phân Loại Sản Phẩm Theo Khối Lượng

Báo cáo đồ án tốt nghiệp trình bày thiết kế và chế tạo mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng, ứng dụng trong sản xuất và logistics.

• Tác giả: Võ Duy Tuyền
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phú Sinh
• Trường học: Trường Đại Sư Phạm Kỹ Thuật Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Mô Hình Phân Loại Sản Phẩm Theo Khối Lượng
• Loại tài liệu: graduation project
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Khái niệm hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng
• 1.2. Phân loại các hệ thống phân loại sản phẩm
• 1.3. Khái niệm hệ thống phân loại sản phẩm
• 1.4. Các vấn đề đặt ra
• 1.4.1. Mục tiêu
• 1.4.2. Các yêu cầu cần thiết
• 1.4.3. Giới hạn đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
• 1.7. Ý nghĩa và ứng dụng của hệ thống
• 1.7.1. Ý nghĩa
• 1.7.2. Ứng dụng
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ SỬ DỤNG
• 2.1. Chọn bộ điều khiển
• 2.2. Chọn loadcell
• 2.3. Chọn bộ khuếch đại loadcell
• 2.4. Chọn nguồn tổ ong
• 2.5. Chọn relay trung gian
• 2.6. Chọn van điện từ
• 2.7. Chọn xy lanh
• 2.8. Chọn nút nhấn và đèn báo
• 2.9. Chọn cảm biến quang
• 2.10. Động cơ bước
• 2.11. Sơ đồ đấu nối
• 2.12. Lựa chọn băng tải
• 3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 4.1. Phần mềm lập trình TIA V15
• 4.1.1. Giới thiệu phần mềm lập trình TIA V15
• 4.1.2. Kết nối PLC với PC qua giao thức TCP/IP
• 4.2. Các câu lệnh sử dụng trong bài toán
• 4.3. Các khối chương trình: OB, FB, FC, Datablock
• 4.4. Thiết kế bài toán ứng dụng mô hình
• 4.4.1. Mô tả hệ thống
• 4.4.2. Nội dung bài toán. Phân công địa chỉ vào ra của PLC
• 4.5. Chương trình điều khiển
• 5. CHƯƠNG 5: VẬN HÀNH MÔ HÌNH VÀ KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ
• 5.1. Đánh giá chung
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án tốt nghiệp thiết kế mô hình phân loại sản phẩm

Đồ án tốt nghiệp với đề tài "Thiết kế, chế tạo mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng" nhằm mục đích nghiên cứu và phát triển một hệ thống tự động hóa trong quy trình phân loại sản phẩm. Hệ thống này không chỉ giúp nâng cao năng suất lao động mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm. Việc phân loại sản phẩm theo khối lượng là một trong những ứng dụng quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại, giúp giảm thiểu sai sót do con người gây ra.

1.1. Khái niệm hệ thống phân loại sản phẩm

Hệ thống phân loại sản phẩm là một hệ thống tự động được thiết kế để phân loại và đếm sản phẩm dựa trên khối lượng. Hệ thống này sử dụng các cảm biến và bộ điều khiển để thực hiện các thao tác một cách chính xác và hiệu quả.

1.2. Lợi ích của việc phân loại sản phẩm theo khối lượng

Việc phân loại sản phẩm theo khối lượng giúp tăng cường hiệu quả sản xuất, giảm thiểu thời gian và công sức của con người. Hệ thống này còn giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm, từ đó nâng cao uy tín của nhà sản xuất.

II. Các thách thức trong việc thiết kế mô hình phân loại sản phẩm

Trong quá trình thiết kế mô hình phân loại sản phẩm, nhiều thách thức đã được đặt ra. Những thách thức này bao gồm việc lựa chọn thiết bị phù hợp, đảm bảo tính chính xác trong quá trình phân loại và tối ưu hóa quy trình hoạt động của hệ thống.

2.1. Vấn đề lựa chọn thiết bị

Việc lựa chọn thiết bị như cảm biến, bộ điều khiển và động cơ là rất quan trọng. Các thiết bị này cần phải đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác và độ bền trong quá trình hoạt động.

2.2. Đảm bảo tính chính xác trong phân loại

Tính chính xác trong việc phân loại sản phẩm là yếu tố quyết định đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Hệ thống cần được thiết kế để giảm thiểu sai số trong quá trình đo lường và phân loại.

III. Phương pháp thiết kế mô hình phân loại sản phẩm hiệu quả

Để thiết kế mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng, nhóm nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau. Những phương pháp này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình mà còn đảm bảo tính khả thi của mô hình.

3.1. Phương pháp nghiên cứu và phát triển

Phương pháp nghiên cứu và phát triển được áp dụng bao gồm việc phân tích yêu cầu, thiết kế sơ đồ mạch điện và lập trình cho bộ điều khiển PLC. Điều này giúp đảm bảo rằng mô hình hoạt động một cách hiệu quả.

3.2. Quy trình kiểm tra và đánh giá

Sau khi hoàn thành thiết kế, quy trình kiểm tra và đánh giá mô hình là rất cần thiết. Điều này giúp phát hiện và khắc phục các lỗi có thể xảy ra trong quá trình hoạt động của hệ thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình phân loại sản phẩm

Mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các ngành công nghiệp khác nhau. Hệ thống này không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm.

4.1. Ứng dụng trong ngành sản xuất

Trong ngành sản xuất, mô hình phân loại sản phẩm giúp tự động hóa quy trình phân loại, từ đó giảm thiểu thời gian và chi phí lao động. Hệ thống này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm và hàng tiêu dùng.

4.2. Ứng dụng trong nông nghiệp

Mô hình cũng có thể được áp dụng trong nông nghiệp, giúp phân loại và kiểm tra chất lượng sản phẩm nông sản như trái cây, rau củ. Điều này giúp nâng cao giá trị sản phẩm và đảm bảo chất lượng trong quá trình tiêu thụ.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của mô hình phân loại sản phẩm

Mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng không chỉ mang lại lợi ích cho doanh nghiệp mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp. Triển vọng tương lai của mô hình này là rất lớn, với khả năng mở rộng và cải tiến công nghệ.

5.1. Kết luận về hiệu quả của mô hình

Mô hình phân loại sản phẩm đã chứng minh được hiệu quả trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Điều này cho thấy sự cần thiết phải đầu tư vào công nghệ tự động hóa trong sản xuất.

5.2. Triển vọng phát triển công nghệ trong tương lai

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, mô hình phân loại sản phẩm sẽ ngày càng được cải tiến. Các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy có thể được tích hợp để nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại như sản xuất gạch ngói, đá granite, bao bì, sản phẩm nhựa hay chế biến nông sản (gạo, cà phê, hoa quả), công đoạn phân loại và đếm số lượng sản phẩm giữ vai trò then chốt. Theo khảo sát thực tế của nhóm tác giả, phương pháp phân loại thủ công dựa vào sức người bộc lộ nhiều điểm hạn chế: tính chất công việc lặp đi lặp lại dễ gây mệt mỏi, suy giảm sự tập trung, khó phát hiện các sai lệch nhỏ về khối lượng, dẫn đến sai sót và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cũng như uy tín của nhà sản xuất. Mặc dù các dây chuyền tự động hóa hoàn chỉnh của nước ngoài (như hệ thống phân loại lốp xe tự động của Intech Group với mức độ tự động hóa đạt 80–90%) mang lại năng suất và độ chính xác cao, nhưng chi phí đầu tư ban đầu quá lớn đối với phần lớn các doanh nghiệp vừa và nhỏ tại Việt Nam.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng (thực hiện bởi sinh viên Võ Duy Tuyền và Bùi Ngọc Huy, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Phú Sinh) đã đặt ra các nhiệm vụ nghiên cứu:

1. Thiết kế và chế tạo một mô hình cơ điện tử phân loại sản phẩm theo khối lượng có kích thước nhỏ gọn, vận hành ổn định, chi phí hợp lý.
2. Ứng dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 để thu thập, xử lý tín hiệu tương tự (Analog) từ cảm biến khối lượng (Loadcell) và điều khiển các cơ cấu chấp hành khí nén, động cơ.
3. Xây dựng hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu thông qua giao diện người - máy (HMI/SCADA) trên nền tảng phần mềm WinCC RT Advanced kết nối qua mạng Ethernet TCP/IP.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ cấu phân loại sản phẩm tự động, cảm biến tải trọng Loadcell, bộ khuếch đại tín hiệu JY-S60, bộ điều khiển PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, hệ thống truyền động khí nén và giao diện giám sát WinCC.
• Phạm vi không gian và kích thước mô hình: Mô hình cơ khí có kích thước tổng thể $120 \times 60\text{ cm}$, băng tải PVC dài $600\text{ mm}$, rộng $100\text{ mm}$.
• Phạm vi chức năng: Phân loại và đếm sản phẩm theo các ngưỡng tải trọng thực nghiệm (chia làm các mức: $<0{,}5\text{ kg}$; $0{,}5\text{ - }1\text{ kg}$; $1\text{ - }1{,}5\text{ kg}$; $1{,}5\text{ - }2\text{ kg}$), tải trọng băng tải thiết kế tối đa $1\text{ kg}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp tuần tự và đồng thời, tích hợp giữa tính toán lý thuyết kỹ thuật cơ điện tử và chế tạo mô hình thực nghiệm:

• Khung lý thuyết điều khiển tự động: Ứng dụng lý thuyết điều khiển lập trình logic với PLC, kỹ thuật xử lý tín hiệu tương tự (chuyển đổi Analog to Digital - ADC) từ cầu điện trở cân bằng Wheatstone của cảm biến biến dạng (Strain Gauge) qua bộ khuếch đại điện áp/dòng điện chuẩn công nghiệp.
• Cơ sở tính toán cơ khí và truyền động: Sử dụng các công thức tính toán động lực học băng tải để xác định lực kéo, chu vi trục lăn ($C = \pi \cdot D$), tốc độ vòng quay của trục động cơ ($N = \frac{V}{\pi \cdot D}$), mô-men xoắn yêu cầu ($T = \frac{m \cdot g \cdot D}{2}$) và công suất động cơ dẫn động ($P = \frac{T \cdot N}{9{,}55}$).
• Phương pháp thu thập và xử lý dữ liệu: Tín hiệu biến dạng cơ học trên Loadcell được chuyển thành tín hiệu điện áp mV/V, đưa qua mạch khuếch đại JY-S60 để chuẩn hóa sang dải $0\text{ - }10\text{ V}$ hoặc $4\text{ - }20\text{ mA}$, sau đó nạp vào ngõ vào tương tự của PLC (%IW64). Chương trình PLC xử lý giá trị số nguyên, quy đổi về đơn vị khối lượng thực tế và so sánh với các ngưỡng cài đặt từ giao diện WinCC.
• Phương pháp truyền thông công nghiệp: Ứng dụng giao thức mạng Profinet/Ethernet theo chuẩn TCP/IP để đồng bộ dữ liệu thời gian thực giữa máy tính giám sát (PC System) và PLC S7-1200.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module đồng bộ gồm 4 khối chính: Khối cấp nguồn và điều khiển trung tâm, Khối cảm biến đo lường, Khối truyền động - cơ cấu chấp hành, và Khối giao diện điều khiển - giám sát.

Thiết bị / Module	Thông số kỹ thuật chi tiết	Vai trò trong hệ thống
PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC	Nguồn 24VDC; 14 DI / 10 DO; 2 AI (0–10V); Bộ nhớ làm việc 100kB, nạp 2MB; 6 bộ đếm HSC; 1 cổng Profinet	Xử lý trung tâm, đọc tín hiệu Loadcell, thực thi thuật toán phân loại và điều khiển cơ cấu
Cảm biến Loadcell & Mạch khuếch đại	Cảm biến Strain Gauge cầu Wheatstone; Mạch khuếch đại JY-S60 đưa ra tín hiệu 0–10V / 4–20mA	Cân khối lượng sản phẩm tĩnh tại trạm nạp và chuyển đổi tín hiệu về ngõ vào Analog
Băng tải PVC	Chiều dài $L = 600\text{ mm}$, độ rộng $B = 100\text{ mm}$, đường kính con lăn $D = 39\text{ mm}$	Vận chuyển sản phẩm từ trạm cân qua các vị trí nhận diện và phân loại
Động cơ giảm tốc 12VDC	Điện áp 12VDC, dòng không tải 60mA, công suất tính toán $4{,}76\text{ W}$, mô-men xoắn $195\text{ mN}\cdot\text{m}$	Kéo băng tải PVC hoạt động ổn định
Động cơ bước (Step size 42)	Kích thước $42 \times 42 \times 32\text{ mm}$, trục $5\text{ mm}$, trọng lượng $220\text{ g}$, kèm driver	Điều khiển góc quay cơ cấu gạt hướng sản phẩm sang trái hoặc phải
Xy lanh khí nén kép	Hành trình $50\text{ mm}$, áp suất vận hành 0.1–0.7 MPa, tốc độ piston 30–70 mm/s, đệm cao su	Đẩy sản phẩm từ bàn cân vào băng tải và đẩy sản phẩm vào các khay chứa
Van điện từ 5/2	5 cổng 2 vị trí, ren $1/4''$ (ren 13), áp suất làm việc 0.8 MPa, cuộn hút 24VDC	Đảo chiều cấp khí nén cho các xy lanh hoạt động
Cảm biến quang CX-441	Nguồn 12–24VDC, ngõ ra NPN cực thu hở, thời gian đáp ứng 1 ms, khoảng cách phát hiện $100\text{ mm}$	Phát hiện vị trí phôi/sản phẩm trên trạm cân và các vị trí phân loại trên băng chuyền
Nguồn tổ ong & Relay trung gian	Nguồn 24VDC - 5A (120W); Relay LY2N 24VDC 8 chân (5A)	Cung cấp nguồn 1 chiều ổn định và cách ly tín hiệu ngõ ra PLC với tải van/động cơ

Bảng phân công địa chỉ I/O được thiết lập trên PLC S7-1200 để quản lý tín hiệu vận hành:

Ký hiệu địa chỉ	Loại tín hiệu	Tên thiết bị / Chức năng
%IW64	Analog Input	Tín hiệu điện áp tương ứng khối lượng từ bộ khuếch đại Loadcell
I0.4	Digital Input	Cảm biến quang phát hiện vật tại vị trí trạm cân
I0.5	Digital Input	Cảm biến phát hiện vật tại vị trí cơ cấu quay
Q0.1	Digital Output	Điều khiển đóng/ngắt Relay động cơ kéo băng tải
Q0.4	Digital Output	Điều khiển van khí nén kích hoạt Piston đẩy sản phẩm
Q0.5	Digital Output	Phát xung điều khiển động cơ quay phân hướng sản phẩm

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò của các hệ thống phân loại sản phẩm tự động trong công nghiệp hiện đại. Tác giả phân loại các dạng hệ thống phân loại phổ biến hiện nay: phân loại theo khối lượng, phân loại theo màu sắc, và phân loại theo kích thước/chiều cao. Dựa trên phân tích thực tế từ các dây chuyền phân loại lốp xe của Intech Group, chương này xác định bài toán kỹ thuật cần giải quyết, đặt ra mục tiêu thiết kế hệ thống phân loại 3 mức khối lượng, nêu rõ các yêu cầu kỹ thuật cơ khí, giới hạn phạm vi đề tài (kích thước $120 \times 60\text{ cm}$, nguồn 24VDC, PLC S7-1200) và làm rõ nguyên lý hoạt động tổng quát của hệ thống cấp phôi - cân đo - vận chuyển - gạt sản phẩm.

CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ SỬ DỤNG

Chương 2 tập trung vào việc tính toán kỹ thuật và lựa chọn các thành phần phần cứng cho mô hình. Nội dung bao gồm việc chọn lựa bộ điều khiển PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, cảm biến Loadcell S-120, mạch khuếch đại JY-S60, nguồn tổ ong 24V-5A, relay trung gian LY2N, van điện từ 5/2 ren 13, xy lanh khí nén kép hành trình 50mm, cảm biến quang CX-441, động cơ bước Step size 42 và nút nhấn/đèn báo công nghiệp. Đặc biệt, chương này trình bày chi tiết phần tính toán cơ khí cho băng tải PVC (vận tốc giả định $V = 0{,}08\text{ m/phút}$, hệ số ma sát $u = 0{,}96$, con lăn $D = 39\text{ mm}$), từ đó tính ra tốc độ trục $N = 237\text{ vòng/phút}$, mô-men xoắn tối thiểu $T = 195\text{ mN}\cdot\text{m}$ và lựa chọn động cơ giảm tốc 12VDC có công suất $4{,}76\text{ W}$.

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG

Chương 3 đi sâu vào cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt động và sơ đồ đấu nối của từng thiết bị đã chọn. Tác giả phân tích cấu trúc phần cứng của họ PLC S7-1200 (so sánh các dòng CPU 1211C, 1212C, 1214C, 1215C, 1217C), cấu tạo cầu điện trở Wheatstone trong cảm biến Loadcell, cơ chế giãn nén của lá điện trở Strain Gauge khi chịu tải, nguyên lý cấp và xả khí nén của van điện từ 5/2 hai vị trí, cấu tạo cuộn hút - tiếp điểm của relay trung gian, đặc tính của cảm biến hồng ngoại E3F-DS30Y1 và cảm biến quang CX-441, cùng phương thức kết nối cáp Ethernet giao tiếp PC - PLC.

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Chương 4 là nội dung trọng tâm về mặt điều khiển và phần mềm. Nhóm tác giả giới thiệu môi trường lập trình TIA Portal V15, phương thức kết nối mạng giữa PC và PLC thông qua giao thức TCP/IP, cấu trúc các khối chương trình chuẩn trong S7-1200 (khối tổ chức OB gồm OB1, OB20, OB30, OB40, OB80, OB82; khối hàm chức năng FC; khối hàm có nhớ FB; và khối dữ liệu DB). Chương này cũng trình bày bảng tập lệnh cơ bản dạng Ladder (LAD), lập bảng phân bổ địa chỉ đầu vào/đầu ra I/O, thiết kế lưu đồ thuật toán điều khiển tuần tự, xây dựng các network chương trình điều khiển PLC và thiết lập giao diện điều khiển, giám sát thời gian thực HMI trên phần mềm WinCC RT Advanced kết nối qua mạng Profinet.

CHƯƠNG 5: VẬN HÀNH MÔ HÌNH VÀ KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ

Chương 5 trình bày kết quả lắp ráp hoàn thiện mô hình thực tế bao gồm khung cơ khí, băng chuyền, trạm cân, cơ cấu gạt khí nén, mạch động lực, mạch điều khiển và giao diện giám sát WinCC. Nội dung chương đưa ra các đánh giá thực nghiệm sau khi chạy thử hệ thống: mô hình hoạt động liên tục, đúng chu trình thuật toán, phân loại chính xác các sản phẩm theo dải khối lượng thiết kế, hệ thống dây dẫn và rơ-le được bố trí an toàn. Đồng thời, tác giả cũng chỉ ra các điểm còn tồn tại về độ cứng vững cơ khí, thẩm mỹ tủ điện và đề xuất hướng mở rộng cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

• Kết quả thực nghiệm:

  • Chế tạo thành công mô hình cơ điện tử hoàn chỉnh với kích thước $120 \times 60\text{ cm}$, tích hợp đầy đủ hệ thống băng chuyền PVC dài $600\text{ mm}$, cụm cân Loadcell, cơ cấu cấp phôi khí nén và cụm phân hướng động cơ bước.
  • Lập trình điều khiển thành công trên PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, thực hiện đọc và giải mã chính xác tín hiệu Analog (%IW64) từ mạch khuếch đại Loadcell.
  • Phân loại ổn định sản phẩm theo các ngưỡng trọng lượng đặt trước ($<0{,}5\text{ kg}$, $0{,}5\text{ - }1\text{ kg}$, $1\text{ - }1{,}5\text{ kg}$, $1{,}5\text{ - }2\text{ kg}$) kết hợp đếm tự động số lượng sản phẩm qua cảm biến quang CX-441.
  • Xây dựng giao diện WinCC RT Advanced kết nối Ethernet TCP/IP với PLC, cho phép người vận hành thực hiện thao tác Start/Stop/Reset, cài đặt ngưỡng khối lượng và theo dõi trực quan số lượng sản phẩm trên màn hình máy tính.

• Đóng góp kỹ thuật:

  • Đưa ra giải pháp tích hợp hoàn chỉnh giữa PLC S7-1200, cảm biến Loadcell và cơ cấu chấp hành khí nén với chi phí thấp, phù hợp làm mô hình giảng dạy thực hành hoặc ứng dụng cho các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ.
  • Cung cấp tài liệu tính toán động lực học băng tải chi tiết và sơ đồ lập trình điều khiển module hóa (sử dụng các khối OB, FB, FC, DB) trên TIA Portal V15.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên quá trình vận hành thực nghiệm, nhóm tác giả đã thẳng thắn chỉ ra các hạn chế kỹ thuật:

• Hạn chế về cơ khí: Kết cấu cơ khí của mô hình còn ở mức đơn giản, độ cứng vững của các giá đỡ van máy và cụm gạt phôi chưa đạt tiêu chuẩn công nghiệp nặng; việc bố trí dây dẫn trong tủ điện thực nghiệm còn lộ, chưa đạt tính thẩm mỹ tối ưu.
• Hạn chế về dải đo: Hệ thống hiện tại chỉ phù hợp cân và phân loại các vật mẫu có tải trọng nhỏ (dưới $2\text{ kg}$), chưa hỗ trợ phân loại cho các sản phẩm công nghiệp tải trọng lớn.

Hướng phát triển đề xuất:

• Cải tiến và gia công lại khung cơ khí vững chắc hơn, nâng cấp tủ điện điều khiển công nghiệp đạt chuẩn kín bụi và tối ưu thẩm mỹ đường dây.
• Ghép nối thêm các bộ cộng cảm biến (loadcell junction box) và mở rộng module Analog để nâng cao dải cân, đáp ứng các sản phẩm có khối lượng lớn hơn trong thực tế sản xuất.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao đối với sinh viên và kỹ sư thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ khí và Kỹ thuật Điều khiển:

• Tham khảo thiết kế phần cứng: Cung cấp phương pháp tính toán động cơ kéo băng tải, nguyên lý chọn lựa thiết bị khí nén (xy lanh, van 5/2) và sơ đồ kết nối ngoại vi cho PLC S7-1200.
• Tham khảo lập trình và truyền thông: Là tài liệu mẫu hữu ích về quy trình cấu hình phần cứng trên TIA Portal, lập trình đọc tín hiệu Analog từ Loadcell, và thiết lập mạng truyền thông Profinet/Ethernet kết nối WinCC giám sát thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng bộ điều khiển PLC nào và cấu hình I/O tích hợp ra sao? Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (Model 1214 DC/DC/DC), tích hợp sẵn 14 ngõ vào số (DI), 10 ngõ ra số (DO), 2 ngõ vào tương tự (AI dải $0\text{ - }10\text{ V}$), bộ nhớ làm việc $100\text{ kB}$ và 1 cổng truyền thông Profinet/Ethernet.

2. Tín hiệu khối lượng từ cảm biến Loadcell được đưa vào PLC xử lý theo phương thức nào? Cảm biến Loadcell xuất tín hiệu điện áp vi sai nhỏ dạng mV/V từ cầu Wheatstone. Tín hiệu này được đưa qua mạch khuếch đại chuyên dụng JY-S60 để chuyển đổi thành tín hiệu Analog tiêu chuẩn ($0\text{ - }10\text{ V}$ hoặc $4\text{ - }20\text{ mA}$), sau đó nạp trực tiếp vào ngõ vào tương tự của PLC tại địa chỉ %IW64 để xử lý số học.

3. Cơ cấu chấp hành phân loại sản phẩm trên mô hình bao gồm những thiết bị nào? Hệ thống kết hợp giữa hệ thống khí nén và động cơ điện: xy lanh khí nén kép điều khiển bởi van điện từ 5/2 (nguồn cuộn coil 24VDC) làm nhiệm vụ đẩy sản phẩm từ trạm cân vào băng chuyền và gạt sản phẩm vào khay; kết hợp với động cơ bước Step size 42 điều khiển hướng xoay sang trái/phải đối với các mức khối lượng khác nhau.

4. Băng tải PVC của mô hình được tính toán và lựa chọn động cơ dẫn động như thế nào? Băng tải PVC có kích thước dài $600\text{ mm}$, rộng $100\text{ mm}$, đường kính con lăn $39\text{ mm}$, vận tốc làm việc $0{,}08\text{ m/phút}$. Qua tính toán lực ma sát và mô-men xoắn yêu cầu ($T = 195\text{ mN}\cdot\text{m}$, tốc độ $237\text{ vòng/phút}$), nhóm tác giả chọn động cơ giảm tốc một chiều 12VDC công suất $4{,}76\text{ W}$ để dẫn động.

5. Hệ thống kết nối và giám sát qua phần mềm nào? Hệ thống sử dụng phần mềm TIA Portal V15 để lập trình PLC và thiết lập giao diện giám sát HMI thông qua WinCC RT Advanced. Máy tính giám sát kết nối với PLC S7-1200 qua cổng mạng Ethernet bằng giao thức TCP/IP.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng" của sinh viên Võ Duy Tuyền và Bùi Ngọc Huy đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tích hợp cơ điện tử từ khâu tính toán cơ khí, thiết kế mạch động lực, lập trình xử lý tín hiệu Analog trên PLC S7-1200 đến xây dựng giao diện giám sát WinCC. Kết quả chạy thử nghiệm khẳng định tính chính xác trong việc phân loại sản phẩm theo nhiều ngưỡng trọng lượng và đếm tự động, đáp ứng mục tiêu đề ra ban đầu. Mô hình có giá trị tham khảo kỹ thuật thiết thực cho sinh viên ngành Cơ điện tử và mở ra tiềm năng ứng dụng tự động hóa chi phí thấp cho các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Khái niệm hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng 1.1 Khái niệm chung Hiện nay công việc phân loại và đếm sản phẩm là một công việc lặp đi lặp lại nên không thể tránh được sự nhàm chán trong công việc. Công việc phân loại và đếm gạch men, các loại trái cây như dừa, bưởi, các thùng hàng…là một công việc mất khá nhiều thời gian và dễ gây sự nhầm lẫn. Ngày nay để nâng cao năng suất lao động, nâng cao chất lượng và ổn định chất lượng sản phẩm, người ta đã đưa vào các thiết bị sản xuất trong công nghiệp với hệ thống điều khiển tự động từng phần hoặc toàn bộ quá trình sản xuất.

Hệ thống phân loại sản phẩm là một hệ thống do con người tạo nên. Do vậy, nó phục vụ mục đích và nhu cầu cho người sử dụng. Dựa vào những đặc điểm, tính năng khác nhau mà sẽ có những hệ thống khác nhau. Từ đó tăng năng suất sản suất, giảm tổn hao công sức của người.2 Phân loại các hệ thống phân loại sản phẩm Tùy vào độ phức tạp yêu cầu của từng sản phẩm mà ta có thể đưa ra những phương pháp phân loại sản phẩm khác nhau.

Hiện nay có một số phương pháp phân loại sản phẩm được ứng dụng rất nhiều trong đời sống như:  Phân loại sản phẩm theo khối lượng Hình 1.1 Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng được ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói, Đá Granite, trong các dây chuyền phân loại các sản DATN: Thiết kế, thi công mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng Trang - 9 - SVTH: Võ Duy Tuyền – Bùi Ngọc Huy GVHD: TS. Nguyễn Phú Sinh phẩm nhựa hay trong chế biến Nông sản (như Cà Phê, Gạo).  Phân loại sản phẩm theo màu sắc Hình 1.2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp: - Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói. - Ứng dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm như bánh kẹo, hoa quả… - Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất bia, nước giải khát.2 Khái niệm hệ thống phân loại sản phẩm Cũng như các hệ thống phân loại sản phẩm trên, nhiệm vụ chính của hệ thống phân loại sản phẩm theo khôi lượng là phân loại và đếm chính xác các sản phẩm được đưa vào băng chuyền.

Ở hệ thống này bộ phận nhận dạng sản phẩm sẽ là cảm biến khối lượng (loadcell); bộ phận đẩy sản phẩm là động cơ servo “MG995” để đẩy sản phẩm vào băng chuyền và “MG90S” để phân loại sản phẩm.1 Các vấn đề đặt ra 1.1 Mục tiêu Muc tiêu đề tài đặt ra là nghiên cứu chế tạo Hệ thống phân loại sản phẩm theo trọng lượng có thể phân loại và đếm chính xác với ba mức khối lượng khác nhau. Điều khiển được xilanh và hệ thống hoạt động dựa vào lập trình và điều khiển PLC. Sản phẩm hoạt thiện có thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, bảo trì, sửa chữa.2 Các yêu cầu cần thiết Về cơ khí: Phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật của các chi tiết sao cho thõa mãn mục tiêu đề tài: Nhỏ, gọn, nhẹ bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng DATN: Thiết kế, thi công mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng Trang - 10 - SVTH: Võ Duy Tuyền – Bùi Ngọc Huy GVHD: TS. Nguyễn Phú Sinh lắp đặt và sửa chữa.

Vấn dề điểu khiển: Điều khiển hoàn toàn tự động và hiển thị kết quả ra màn hình HMI.3 Giới hạn đề tài Hệ thống phân loại sản phẩm là một đề tài đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu. Hiện nay trong các nhà máy, xí nghiệp đã có rất nhiều hệ thống hoàn thiện cả về chất lượng và thẩm mỹ. Tuy nhiên, trong phạm vi một đồ án môn học, với những giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài được giới hạn với những tính năng sau: - Kích thước: 120x60 cm - Hệ thống điều khiển: Sử dụng PLC S7-1200 để đọc tín hiệu Analog được gửi từ cảm biến khối lượng, nhận tín hiệu từ các nút nhấn, cảm biến và truyền dữ liệu đến các động cơ cũng như màn hình HMI để điều khiển mô hình. - Cơ cấu đẩy: Xilanh- khí nén.

- Động cơ truyền động: Động cơ điện một chiều. - Khối nguồn hệ thống: Nguồn điện một chiều 24V. - Hệ thống dẫn động: Băng chuyền.2 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp tuần tự và đồng thời: Cụ thể là đầu tiên nghiên cứu mô hình cụ thể sau đó xây dựng mô hình chứa đầy đủ những giới hạn của đề tài qua đó có cái nhìn tổng quan về hệ thống chung và xác định các thông số cơ bản. Nghiên cứu phương pháp đọc tín hiệu analog của loadcell bằng PLC S7-1200 qua mạch khuếch đại JY-S60 và giao tiếp với HMI bằng truyền thông Ethernet để đọc tín hiệu loadcell từ Arduino.

Nghiên cứu phương pháp pháp điều khiển tuần tự xilanh-khí nén.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống Hệ thống phân loại theo khối lượng với ba mức khối lượng là vật nhẹ, vật trung bình và vật nặng rồi đếm số lượng sản phẩm của từng loại. Khi nhấn nút khởi động, động cơ một chiều truyền chuyển động cho băng chuyển thông qua dây đai. Nguyên lý hoạt động được chia thành các quá trình: - Quá trình cân và cấp sản phẩm vào băng chuyển: Khi cho sản phẩm đặt trên DATN: Thiết kế, thi công mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng Trang - 11 - SVTH: Võ Duy Tuyền – Bùi Ngọc Huy GVHD: TS. Nguyễn Phú Sinh cảm biến trọng lượng, cảm biến sẽ tự động cân trọng lượng sản phẩm và xuất ra giá trị analog tương ứng vào mạch sẽ xử lý và gửi tín hiệu về PLC.

Bộ PLC xử lý và đưa ra tín hiệu cho van khí nén, van sẽ xả khí vào xilanh đẩy sản phẩm vào băng chuyền. Hai cảm biến hồng ngoại được bố trí trên băng chuyền với vị trí đặt cảm biến theo thứ tự lần lượt là số kg mà ta đã setup trên Wincc và tính từ đầu băng chuyền. - Quá trình phân loại sản phẩm trên băng chuyền: Tùy thuộc vào khối lượng của sản phẩm mà PLC nhận được để phân loại. Nếu sản phẩm có khối lượng <0,5kg đi qua cảm biến ở vị trí phân loại x1 kg thì PLC sẽ phát xung tín hiệu điều khiển xilanh phân loại 1-1,5kg dể đưa sản phẩm ra khuôn chứa bên phải.

Nguyên lý thực hiện tương tự đối với sản phẩm 1,5-2kg thì vật sẽ được đưa vào khuôn chứa bên trái. Còn với sản phẩm 1kg thì step hoạt động để sản phẩm đi thẳng. - Mỗi loại sản phẩm sau khi được phân loại sẽ được đếm bằng các cảm biến hồng ngoại và hiển thị số lượng lên màn hình Wincc. - Các thao tác khởi động, dừng, reset, setup số kg và hiển thị thông số hệ thống đều được thực hiện trên màn hình Wincc.4 Ý nghĩa và ứng dụng của hệ thống 1.1 Ý nghĩa Tạo ra một hệ thống hoàn toàn tự động để tiết kiệm thời gian, nâng cao năng xuất, giảm giá thành sản phẩm.

Giảm bớt sức lao động của con người, làm cho việc quản lý trở nên dễ dàng. Cải thiện được điều kiện làm việc của công nhân, có thể thay cho con người làm việc ở những nơi có điều kiện làm việc nguy hiêm, độc hại.2 Ứng dụng Ứng dụng được trong hầu hết các nhà máy, xí nghiệp: Sử dụng để phân loại sản phẩm. Ứng dụng được vào nông nghiệp: giúp tăng cường quản lý chất lượng, định giá, chế biến và vận chuyển hoa quả. Nó cung cấp thông tin cần thiết để quyết định và thực hiện các quy trình sản xuất và tiêu thụ một cách hiệu quả và đáng tin cậy.

DATN: Thiết kế, thi công mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng Trang - 12 - SVTH: Võ Duy Tuyền – Bùi Ngọc Huy GVHD: TS. Nguyễn Phú Sinh CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ SỬ DỤNG 2.1 Chọn bộ điều khiển Nhóm đồ án lựa chọn PLC S7 1200 CPU: 1214 DC/DC/DC cho đồ án.1 PLC S7 1200 CPU 1214C DC/DC/DC Thông số Model 1214 DC/DC/DC Kích thước 114x117x90 mm Bộ nhớ người dùng Bộ nhớ làm việc 100kB Bộ nhớ nạp 2MB Bộ nhớ giữ lại 4kB I/O tích hợp Kiểu số 14 ngõ vào/10 ngõ ra Kiểu tương tự 2 ngõ vào Kích thước ảnh tiến trình 1024 ngõ vào/1024 ngõ ra Bộ nhớ bit M 8192 Byte Độ mở rộng các module tín hiệu 2 Bảng tín hiệu 1 Các module truyền thông 3 module mở rộng về bên trái Bộ đếm tốc độ cao 6 Đơn pha 5 tại 100kHZ 1 tại 20kHZ Thẻ nhớ Thẻ nhớ Simatic tùy chọn Thời gian lưu trữ đồng hồ thời gian thực 10 ngày Profinet 1 truyền thông Tốc độ tính toán thực 18 ms/lệnh Tốc độ thực thi boolean 0.1 ms/lệnh Bảng 3. 1 Thông số S7 1200 CPU 1214 DC/DC/DC DATN: Thiết kế, thi công mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng Trang - 19 - SVTH: Võ Duy Tuyền – Bùi Ngọc Huy GVHD: TS. Nguyễn Phú Sinh 2.2 Chọn loadcell Hình 3.

2 Loadcell S-120 Thông số kĩ thuật: Model S-120-24 Điện áp đầu vào 110V/220V AC Điện áp đầu ra 24VDC Dòng điện đầu ra 5A Công suất 120W Trọng lượng 520g Kích thước 199x98x38 Chất liệu vỏ Kim loại Nhiệt độ làm việc 0-40oc Bảng 3. 2 Thông số loadcell 2.3 Chọn bộ khuếch đại loadcell Hình 3. 3 Bộ khuếch đại loadcell 2.4 Chọn nguồn tổ ong Thông số kĩ thuật: Model S-120-24 Điện áp đầu vào 110V/220V AC Điện áp đầu ra 24VDC Dòng điện đầu ra 5A Công suất 120W Trọng lượng 520g Kích thước 199x98x38 Chất liệu vỏ Kim loại Nhiệt độ làm việc 0-40oc Bảng 3.3 Thông số nguồn tổ ong 24V Hình 3. 4 Nguồn tổ ong 24V DATN: Thiết kế, thi công mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng Trang - 20 - SVTH: Võ Duy Tuyền – Bùi Ngọc Huy GVHD: TS.

Nguyễn Phú Sinh 2.5 Chọn relay trung gian Thông số kĩ thuật: Model LY2N 24V-5A Kích thước 3.5x2cm Điện áp cuộn hút 24VDC Dòng qua các tiếp điểm 5A Số chân 8 chân Bảng 3. 2 Thông số relay trung gian Bảng 3. 3 Relay trung gian 2.6 Chọn van điện từ Thông số van điện từ 5/2: Số cổng 5 cổng 2 vị trí Kích thước cổng 1/4’’ ren 13 Áp suất hoạt động 0.8 Mpa Nhiệt độ hoạt động -10-70 oC Coil 1 coil 24 VDC Bảng 3. 4 Thông số van điện từ 5/2 2.7 Chọn xy lanh Thông số xy lanh: Dạng năng lượng cung cấp Khí nén Áp suất tối đa khi vận hành 0.7 MPa Áp suất tối thiểu khi vận hành 0.