Đồ án tốt nghiệp: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao (SV: Phùng Hữu Đại)

Báo cáo đồ án tốt nghiệp hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao. Phân tích thiết kế, thi công mô hình tự động hóa sử dụng PLC Siemens.

• Tác giả: Phùng Hữu Đại
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Vạn Quốc
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp.Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Theo Chiều Cao
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Hệ thống Phân loại Sản phẩm theo Chiều cao

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao là một giải pháp tự động hóa tiên tiến trong ngành công nghiệp hiện đại. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi để phân loại sản phẩm dựa trên kích thước và chiều cao, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất. Đề tài này được thực hiện tại Viện Kỹ Thuật HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP.HCM, nhằm nâng cao hiệu quả công nghệ điều khiển tự động hóa trong các dây chuyền sản xuất. Mô hình được thiết kế để phân loại nông sản và các sản phẩm công nghiệp khác nhau, đáp ứng nhu cầu thực tế của các doanh nghiệp. Hệ thống này kết hợp các công nghệ hiện đại như PLC Siemens và các cảm biến thông minh, tạo nên một giải pháp hoàn chỉnh cho tự động hóa sản xuất hiệu quả.

1.1. Khái niệm và Ứng dụng

Phân loại sản phẩm theo chiều cao là quá trình sử dụng các cảm biến và bộ điều khiển để phát hiện và sắp xếp sản phẩm theo các nhóm kích thước khác nhau. Công nghệ này giảm chi phí nhân công và tăng tốc độ xử lý sản phẩm. Ứng dụng chính bao gồm ngành nông sản, công nghiệp thực phẩm và sản xuất công nghiệp, nơi cần phân loại hàng loạt sản phẩm nhanh chóng và chính xác.

1.2. Mục tiêu của Đề tài

Mục tiêu chính của đồ án là xây dựng một mô hình tự động phân loại sản phẩm hoàn chỉnh, có khả năng phân biệt sản phẩm theo chiều cao một cách chính xác. Mô hình được thiết kế để có thể mở rộng và áp dụng trong thực tế, kết hợp với các hệ thống khác như chiết xuất và đóng gói để tạo dây chuyền sản xuất tự động hoàn toàn.

II. Giải pháp Công nghệ cho Hệ thống Phân loại

Giải pháp công nghệ được áp dụng trong hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens kết hợp với các cảm biến cảm ứng. Công nghệ này cho phép phát hiện chiều cao sản phẩm thông qua các cảm biến quang học và cảm biến vị trí. Bộ PLC xử lý dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển động cơ servo để chuyển hướng sản phẩm đến các khoảng sắp xếp khác nhau. Hệ thống được lập trình với logic điều khiển tự động hóa phức tạp, cho phép phân loại nhanh chóng với độ chính xác cao. Giải pháp này đã được kiểm chứng và có khả năng xử lý nhiều sản phẩm liên tục, tăng hiệu suất sản xuất lên đáng kể.

2.1. Các Thành phần Chính của Hệ thống

Hệ thống bao gồm cảm biến quang, bộ điều khiển PLC, động cơ servo, và khung cơ học. Cảm biến quang phát hiện sản phẩm khi nó đi qua, gửi tín hiệu đến PLC Siemens. Bộ điều khiển lập trình xử lý dữ liệu và gửi lệnh đến động cơ servo để phân loại sản phẩm vào các hộp khác nhau dựa trên chiều cao.

2.2. Nguyên lý Hoạt động

Sản phẩm di chuyển trên dây chuyền tự động và khi đi qua cảm biến, chiều cao được đo lường. Hệ thống điều khiển so sánh dữ liệu với các giá trị cài đặt trước để xác định nhóm phân loại. Động cơ servo được kích hoạt để chuyển hướng sản phẩm đến khoang phù hợp, hoàn thành quá trình phân loại tự động hóa liên tục.

III. Thiết kế Phần cứng và Phần mềm

Thiết kế phần cứng của hệ thống phân loại bao gồm khung cơ học chính xác, các cảm biến độ cao, bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, và các động cơ điều khiển. Phần cứng được thiết kế để chịu tải cao, bền vững và dễ bảo trì. Phần mềm điều khiển được lập trình bằng ngôn ngữ LAD (Ladder Diagram) hoặc SCL trên TIA Portal. Chương trình PLC chứa các hàm phân loại sản phẩm, xử lý cảm biến, và điều khiển động cơ với độ chính xác cao. Hệ thống được thiết kế modular để dễ dàng nâng cấp và mở rộng chức năng trong tương lai.

3.1. Thiết kế Khung cơ học

Khung cơ học được thiết kế bằng thép không gỉ hoặc nhôm hợp kim để đảm bảo độ bền và an toàn. Dây chuyền vận chuyển sản phẩm được thiết kế với hộp giảm tốc và động cơ điện, cho phép vận chuyển sản phẩm ổn định. Cảm biến vị trí được lắp đặt tại các vị trí chiến lược để phát hiện sản phẩm một cách chính xác.

3.2. Lập trình Điều khiển PLC

Chương trình PLC sử dụng công nghệ điều khiển hiện đại với các mô-đun đầu vào/đầu ra để quản lý cảm biến và động cơ. Logic điều khiển được thiết kế để phân loại sản phẩm dựa trên các ngưỡng chiều cao được cài đặt. Hệ thống kiểm tra lỗi được tích hợp để đảm bảo tự động hóa an toàn và đáng tin cậy.

IV. Kết quả và Hướng phát triển của Đề tài

Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao đã được thiết kế, chế tạo và kiểm nghiệm thành công tại Viện Kỹ Thuật HUTECH. Kết quả kiểm thử cho thấy độ chính xác phân loại đạt 98% và tốc độ xử lý tăng 300% so với phương pháp thủ công. Hệ thống tự động hóa này đã chứng minh hiệu quả trong nâng cao năng suất sản xuất và giảm chi phí nhân công. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để phát hiện khiếm khuyết sản phẩm, kết nối IoT để giám sát từ xa, và mở rộng chức năng phân loại theo nhiều tiêu chí khác như hình dạng, màu sắc. Đề tài này sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp.

4.1. Kết quả Đạt được

Mô hình hoàn thành với hiệu suất cao, độ chính xác tốt, và khả năng hoạt động ổn định. Hệ thống phân loại đã thành công trong xử lý nhiều loại sản phẩm khác nhau. Kiểm nghiệm thực tế chứng minh tự động hóa này có thể áp dụng trong công nghiệp thực tế, giảm chi phí sản xuất và tăng chất lượng sản phẩm.

4.2. Kế hoạch Phát triển Tương lai

Hướng phát triển bao gồm tích hợp camera và xử lý hình ảnh để phân loại đa tiêu chí, kết nối với hệ thống quản lý nhà máy, và sử dụng machine learning cho phân loại thông minh hơn. Hệ thống khép kín kết hợp chiết xuất, phân loại và đóng gói sẽ tạo nên dây chuyền sản xuất hoàn toàn tự động hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay cùng với sự phát triền của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện từ mà trong đó điếu khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin… Do đó chủng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triền nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng. Xuất phát từ những đợt đi thực tập tốt nghiệp tại nhà máy, các khu công nghiệp và tham quan các doanh nghiệp sản xuất, chúng em đã được thấy nhiều khâu được tự động hóa trong quá trình sản xuất. Một trong những khâu tự động trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là số lượng sản phẩm sản xuất ra được các băng tải vận chuyển và sử dụng hệ thống nâng gắp phân loại sản phẩm. Tuy nhiên đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hoàn toàn chưa được áp dụng trong những khâu phân loại, đóng bao bì mà vẫn còn sử dụng nhân công, chính vì vậy nhiều khi cho ra năng suất thấp chưa đạt hiệu quả.

Từ những điều đã được nhìn thấy trong thực tế cuộc sống và những kiến thức mà em đã học được ở trường muốn tạo ra hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần đồng thời vẫn đảm bảo được độ chính xác cao về kích thước. Nên em đã quyết định thiết kế một mô hình sử dụng băng chuyền để phân loại sản phẩm vì nó rất gần gũi thực tế. Vì trong thực tế có nhiều sản phẩm được sản xuất ra đòi hỏi phải có kích thước tương đối chính xác và nó thật sự rất có ý nghĩa đối với em góp phần làm cho xã hội ngày càng phát triền mạnh hơn để xứng tầm với sự phát triển của thế giới. Các loại hệ thống phân loại đang hiện hành.

Nhằm phục vụ nhiệm vụ hiện đại hóa quy trình sản xuất, hệ thống phân loại sản phẩm ra đời là một công cụ hiệu quả giúp thay thế con người trong công việc phân loại, nó đã góp phần nâng cao hiệu quả trong công việc. Một hệ thống hoàn chỉnh có thể phân loại các sản phẩm với độ tin cậy cao, hoạt động liên tục và giảm tối đa thời gian trì hoãn hệ thống. Hơn thế nữa, đối với những công việc đòi hỏi sự SVTH: Phùng Hữu Đại 5 GVHD: TH.S Nguyễn Vạn Quốc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP tập trung cao và có tính tuần hoàn nên các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc. Điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất.

Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này. Hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay có rất nhiều trong ứng dụng thực tế trong các nhà máy xí nghiệp, nhưng chủ yếu được chia thành ba loại chính là phân loại sản phẩm theo màu sắc, theo hình dạng và theo chiều cao.1 Phân loại sản phẩm theo màu sắc Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc.1 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc + Cấu tạo hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc có cấu tạo chính gồm: Cấu tạo:  Một băng chuyền.  Một động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền.  Cảm biến nhận biết màu sắc.

 Ba xylanh piston để phân loại sản phẩm.  Bộ PLC dùng để xử lý tín hiệu. SVTH: Phùng Hữu Đại 6 GVHD: TH.S Nguyễn Vạn Quốc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Các van đảo chiều.  Các rơ le trung gian.

 Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn bộ hệ thống. + Nguyên lý hoạt động: Khi nhấn nút Start, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện một chiều hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai. Xylanh piston sẽ đẩy sản phẩm ra băng chuyền. Trên băng chuyền sẽ thiết kế những cảm biến nhận biết sản phẩm có màu sắc khác nhau.

Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xử lý sau đó PLC đưa ra tín hiệu về van đảo chiều tác động điều khiển piston đẩy từng sản phẩm có màu sắc khác nhau vào nơi chứa riêng biệt. + Ứng dụng: Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc được ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói, Đá Granite, trong các dây chuyền phân loại các sản phẩm nhựa hay trong chế biến nông sản (như cà phê, gạo)… Hệ thống sẽ giúp nhà sản xuất tốn ít nhân công lao động và giảm thiểu thời gian làm việc, nâng cao năng suất lao động. SVTH: Phùng Hữu Đại 7 GVHD: TH.S Nguyễn Vạn Quốc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.2 Phân loại sản phẩm theo chiều cao Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao.2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao + Cấu tạo:  Hai băng chuyền.  Hai động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền.

 Ba cảm biến nhận biết chiều cao.  Hai xylanh piston để phân loại sản phẩm.  Bộ PLC dùng để xử lý tín hiệu.  Hai van đảo chiều.

 Các rơ le trung gian.  Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn bộ hệ thống. + Nguyên lý hoạt động: Khi nhấn nút Start, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện một chiều thứ nhất hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thứ nhất thông qua dây đai. Trên băng chuyền này sẽ thiết kế những cảm biến nhận biết sản phẩm có chiều cao khác nhau.

Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xử lý sau SVTH: Phùng Hữu Đại 8 GVHD: TH.S Nguyễn Vạn Quốc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP đó PLC đưa ra tín hiệu về van đảo chiều tác động điều khiển piston đẩy sản phẩm cao và trung bình vào khay chứa tương ứng, sản phẩm thấp sẽ được đi đến hết băng chuyền và được phân loại vào hộp chứa nằm trên băng chuyền thứ hai. Sau đó động cơ một chiều thứ hai truyền chuyển động cho băng chuyền thứ hai vận chuyển hộp chứa sản phẩm thấp về vị trí tương ứng. + Ứng dụng: 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.3 Phân loại sản phẩm theo hình dạng Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng Hình 2.3 Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng SVTH: Phùng Hữu Đại 9 GVHD: TH.S Nguyễn Vạn Quốc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP + Cấu tạo:  Một băng chuyền.  Một động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền.  Hai động cơ bước gạt sản phẩm để phân loại.  Cảm biến thị giác Camera (Nhận dạng vật thể qua Camera).

 Bộ PLC dùng để xử lý tín hiệu.  Các rơ le trung gian.  Bộ phận giá đỡ cơ khí cho toàn bộ hệ thống. + Nguyên lý hoạt động: Khi nhấn nút Start, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện một chiều hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai.

Trên băng chuyền sẽ thiết kế cảm biến thị giác Camera nhận dạng sản phẩm. Khi sản phẩm đi qua, Cảm biến thị giác nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xử lý sau đó PLC đưa ra tín hiệu điều khiển động cơ bước gạt từng sản phẩm có hình dạng khác nhau vào nơi chứa riêng biệt. + Ứng dụng: Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng được ứng dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp:  Ứng dụng trong công nghiệp kiểm tra và phân loại sản phẩm có hình dáng khác nhau như: Gạch, Ngói, thực phẩm tiêu dùng…  Ứng dụng trong kiểm tra và phân loại Nông Sản.  Ứng dụng kết hợp với Robot thông minh.

Như vậy, ngoài ba loại hệ thống phân loại sản phẩm trên, chúng ta còn thấy có hệ thống phân loại sản phẩm khác theo đặc tính của sản phẩm. Ví dụ như phân loại sản phẩm theo trọng lượng, kích thước. Hầu hết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng khá tương tự nhau, chỉ khác nhau ở bộ phận đẩy sản phẩm phân loại (có thể là xylanh piston hoặc động cơ bước) và bộ phận nhận dạng sản phẩm (có thể là SVTH: Phùng Hữu Đại 10 GVHD: TH.S Nguyễn Vạn Quốc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP các loại cảm biến như màu sắc, cảm biến quang thu phát, cảm biến phát hiện kim loại, hay camera phát hiện hình dạng vật thể). Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao(Cao, TB, Thấp) Trong quá trình hoạt động ở các nhà xưởng, xí nghiệp hiện nay, việc tiết kiệm điện năng là nhu cầu rất cần thiết, bên cạnh đó ngành công nghiệp ngày càng phát triển các công ty xí nghiệp đã đưa tự động hóa và sản xuất để tiện ích cho việc quản lý dây chuyền và sản phẩm cho toàn bộ hệ thống một cách hợp lý là yêu cầu thiết yếu, tiết kiệm được nhiều thời gian cũng như quản lý một cách dễ dàng.

Để đáp ứng yêu cầu đó, các kĩ sư đã tiến hành nghiên cứu tài liệu và thiết kế mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao.4 Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao Hệ thống phân loại sản phẩm hoạt động trên nguyên lý dùng các cảm biến để xác định chiều cao của sản phẩm. Sau đó dùng xylanh để phân loại sản phẩm có chiều cao khác nhau. Từ nguyên lý làm việc trên ta thấy muốn hệ thống hoạt động được cần những chuyển động cần thiết: SVTH: Phùng Hữu Đại 11 GVHD: TH.S Nguyễn Vạn Quốc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Chuyển động của băng chuyền. Để truyền chuyển động quay cho trục của băng chuyền ta dùng động cơ điện một chiều thông qua bộ truyền đai thang.

 Chuyển động tịnh tiến của xylanh để phân loại sản phẩm có chiều cao khác nhau. Chuyển động của xylanh được điều khiển bởi hệ thống khí nén. Chu trình làm việc máy: khi ấn nút Start máy hoạt động, sản phẩm được xylanh đẩy vào băng chuyền. Nhờ hệ thống điều khiển, sản phẩm trên băng chuyền được phân loại với chiều cao khác nhau.

Các sản phẩm sau khi được phân loại sẽ được chuyển đến thùng hàng để đóng gói. Chu trình cứ thế tiếp tục cho đến khi phân loại xong sản phẩm.