Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp sản xuất sơn và chất phủ bề mặt đóng vai trò cốt lõi trong chuỗi cung ứng vật liệu xây dựng và bảo vệ công trình. Theo các báo cáo công nghiệp hóa chất, nhu cầu tiêu thụ sơn thương mại và công nghiệp tăng trưởng trung bình từ 8 - 10%/năm. Tuy nhiên, tại các xưởng sản xuất quy mô vừa và nhỏ hoặc các đại lý phân phối, công đoạn pha chế màu và đóng gói phần lớn vẫn dựa vào phương pháp thủ công hoặc thiết bị bán tự động đơn giản.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  THỰC TRẠNG & PAIN POINTS NGHỀ PHA SƠN                   |
+-------------------------------------------------------------------------+
| [Thủ công / Dựa vào cảm tính]                                           |
|   ├── Sai lệch tỷ lệ phối màu (Độ lệch màu Delta E > 3.0)               |
|   ├── Tỷ lệ phế phẩm cao (chiếm 7 - 12% thể tích mỗi mẻ)                |
|   ├── Năng suất thấp (15 - 25 phút/lon thành phẩm)                      |
|   └── Rủi ro an toàn lao động (tiếp xúc trực tiếp hơi dung môi hữu cơ)  |
+-------------------------------------------------------------------------+
                                    │
                                    ▼ [Giải pháp]
+-------------------------------------------------------------------------+
|     HỆ THỐNG TRỘN SƠN & CHIẾT RÓT TỰ ĐỘNG PLC S7-1200 + SCADA          |
+-------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế và chế tạo khung cơ khí hoàn chỉnh gồm khung chịu lực thép V, bồn chứa nguyên liệu, bồn trộn khuấy cưỡng bức và hệ thống băng tải cấp lon tự động.
  2. Thiết kế mạch lực, mạch điều khiển sử dụng bộ điều khiển logic lập trình PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC), kết hợp hệ thống cảm biến tiệm cận và van điện từ (solenoid valve).
  3. Xây dựng thuật toán điều khiển phối màu theo nguyên lý trừ màu RYB (Red - Yellow - Blue), định lượng chính xác theo thời gian đóng ngắt van (Timer TON) và dung tích mẻ trộn.
  4. Lập trình giao diện điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu SCADA trên nền tảng Siemens TIA Portal V16/V17, cho phép vận hành linh hoạt bằng một chạm.

Phương pháp tiếp cận và phạm vi đề tài

  • Phương pháp tiếp cận: Ứng dụng công nghệ tự động hóa tích hợp toàn diện (Totally Integrated Automation - TIA), chuyển đổi tín hiệu cảm biến số (Digital Input) thành thuật toán tuần tự điều khiển cơ cấu chấp hành (Digital Output) thông qua rơ le trung gian đệm.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình thử nghiệm cấp phòng thí nghiệm với 3 màu gốc cơ bản (Đỏ, Vàng, Lam) và 1 đường cấp nước/dung môi súc rửa; buồng trộn thể tích 3,7 lít; cơ cấu khuấy motor DC 24V; hệ thống băng tải 1 cấp vận chuyển vỏ lon.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí đánh giá Phương pháp thủ công Máy trộn rung lắc cơ học Hệ thống PLC S7-1200 tự động
Độ chính xác tỷ lệ Thấp (Dựa trên mắt nhìn/kinh nghiệm) Trung bình (Cân thủ công trước khi lắc) Rất cao (Định lượng bằng Timer PLC/Van điện từ)
Thời gian trộn/mẻ 15 - 20 phút 5 - 8 phút (chưa tính chiết rót) 2 - 3 phút (Tự động trộn + rót)
Tỷ lệ hao hụt dung dịch 8 - 12% 4 - 6% < 1.5%
Tính linh hoạt đổi màu Kém (phải cọ rửa thủ công) Phải tháo thùng chứa Có chu trình xả rửa tự động
Giao diện giám sát Không có Bảng nút bấm cơ Giao diện SCADA thời gian thực

Yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Điều khiển chính xác đóng/mở 3 van xả nguyên liệu độc lập; động cơ khuấy đảo chiều/đồng tốc 200 RPM; cảm biến dừng băng tải chính xác vị trí rót; nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop).
  • Should have (Nên có): Chu trình xả rửa tự động bồn trộn sau mỗi mẻ; hiển thị trạng thái thiết bị trực quan trên SCADA.
  • Could have (Có thể có): Mở rộng cảm biến đo mức thể tích dạng analog 4-20mA; chức năng lưu trữ công thức màu tùy chỉnh (Recipe Management).
  • Won't have (Chưa thực hiện): Module truyền thông không dây Cloud IoT; hệ thống kiểm định sắc ký quang phổ online.

Thiết kế hệ thống

+-----------------------------------------------------------------------+
|                    KIẾN TRÚC TỔNG THỂ HỆ THỐNG                        |
+-----------------------------------------------------------------------+
|  [HMI / SCADA PC]  <====== PROFINET (Industrial Ethernet) ======>     |
|                                                                       |
|  [PLC SIEMENS S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC]                             |
|    ├── DI: Cảm biến tiệm cận 1 (Vị trí rót)                          |
|    ├── DI: Cảm biến tiệm cận 2 (Cuối hành trình)                     |
|    ├── DI: Nút nhấn Start / Stop / Reset / Chế độ                    |
|    ├── DO -> Mạch đệm Rơ le trung gian (Relay 24VDC)                  |
|    │          ├── Van điện từ 1 (Solenoid - Màu Đỏ)                   |
|    │          ├── Van điện từ 2 (Solenoid - Màu Vàng)                 |
|    │          ├── Van điện từ 3 (Solenoid - Màu Lam)                  |
|    │          ├── Van điện từ 4 (Solenoid - Xả rửa / Nước)            |
|    │          ├── Van điện từ 5 (Solenoid - Rót đáy)                  |
|    │          ├── Motor DC 24V (Cánh khuấy 200 RPM)                   |
|    │          └── Motor Băng tải (Cấp lon)                           |
+-----------------------------------------------------------------------+

Bảng thông số kỹ thuật phần cứng và công nghệ

  • Bộ điều khiển trung tâm: Siemens Simatic S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (Mã đặt hàng: 6ES7214-1AG40-0XB0). Bộ nhớ làm việc 100 KB, 14 ngõ vào số DI 24VDC, 10 ngõ ra số DO 24VDC dạng Transistor switching tốc độ cao.
  • Phần mềm lập trình & SCADA: Siemens Totally Integrated Automation (TIA) Portal V16.
  • Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensors):
    • Cảm biến điện cảm (Inductive Proximity Sensor) xác định vị trí kim loại giá đỡ băng tải.
    • Cảm biến điện dung (Capacitive Proximity Sensor) phát hiện thân vỏ lon phi kim/chất lỏng không tiếp xúc.
  • Cơ cấu chấp hành: Van điện từ 2/2 thường đóng (2-way Normally Closed Solenoid Valve 24VDC, Ren G1/2), Động cơ khuấy DC 24VDC - 200 vòng/phút, Băng tải dây đai mini kéo tải 5 kg.
graph TD
    A[Bắt đầu chu trình] --> B{Chọn màu sơn trên SCADA}
    B --> C[Bơm màu 1: Van 1 MỞ trong t1 giây]
    C --> D[Bơm màu 2: Van 2 MỞ trong t2 giây]
    D --> E[Bơm màu 3: Van 3 MỞ trong t3 giây]
    E --> F[Động cơ khuấy quay 200 RPM trong T_mix]
    F --> G[Băng tải chạy đưa lon vào vị trí]
    G --> H{Cảm biến 1 phát hiện lon?}
    H -- Có --> I[Dừng băng tải + Mở Van xả đáy trong T_pour]
    I --> J[Đóng van xả + Băng tải đưa lon ra Cảm biến 2]
    J --> K[Bơm nước xả rửa bồn trong T_wash]
    K --> L[Kết thúc mẻ trộn]

Implementation và kết quả

Bảng phân bổ địa chỉ vào/ra (I/O Mapping)

Ký hiệu Tag Địa chỉ PLC Kiểu dữ liệu Chức năng thiết bị
I_Start I0.0 Bool Nút bấm khởi động hệ thống (SCADA / Nút cứng)
I_Stop I0.1 Bool Nút bấm dừng hệ thống
I_Sens_Pos I0.2 Bool Cảm biến tiệm cận 1: Phát hiện vỏ hộp tại vị trí rót
I_Sens_End I0.3 Bool Cảm biến tiệm cận 2: Phát hiện hộp sơn ở cuối băng tải
Q_Valve_Red Q0.0 Bool Điều khiển cuộn hút Van điện từ 1 (Màu Đỏ)
Q_Valve_Yel Q0.1 Bool Điều khiển cuộn hút Van điện từ 2 (Màu Vàng)
Q_Valve_Blu Q0.2 Bool Điều khiển cuộn hút Van điện từ 3 (Màu Lam)
Q_Valve_Wash Q0.3 Bool Điều khiển cuộn hút Van điện từ 4 (Nước rửa bồn)
Q_Valve_Out Q0.4 Bool Điều khiển cuộn hút Van điện từ 5 (Rót sơn xuống lon)
Q_Motor_Mix Q0.5 Bool Điều khiển động cơ khuấy trộn 24VDC
Q_Motor_Conv Q0.6 Bool Điều khiển động cơ kéo băng tải

Hiện thực thuật toán điều khiển (Lập trình SCL / Ladder)

Quy trình định lượng thành phần được thực thi qua các khối định thời ngắt trễ (Timer TON / TP). Dưới đây là cấu trúc mã nguồn điều khiển mẻ trộn phối màu Cam (50% Đỏ + 50% Vàng) viết bằng ngôn ngữ SCL (Structured Control Language) chuẩn IEC 61131-3 trên TIA Portal:

// Block FB_PaintMixer_Control (FB1)
// Điều khiển tuần tự cấp màu, khuấy và chiết rót tự động
VAR_INPUT
    bStart_Process : Bool;
    bEStop         : Bool;
    iColorCode     : Int; // 1: Cam, 2: Lục, 3: Tím
    bBoxInPosition : Bool; // Tín hiệu từ cảm biến I0.2
END_VAR

VAR_OUTPUT
    bValve_R       : Bool;
    bValve_Y       : Bool;
    bValve_B       : Bool;
    bMotor_Mix     : Bool;
    bValve_Discharge: Bool;
    bConveyor_Run  : Bool;
END_VAR

VAR
    iStep          : Int := 0;
    tTimer_ValveR  : TON;
    tTimer_ValveY  : TON;
    tTimer_Mixing  : TON;
    tTimer_Pour    : TON;
END_VAR

BEGIN
    IF bEStop THEN
        iStep := 0;
        bValve_R := FALSE;
        bValve_Y := FALSE;
        bValve_B := FALSE;
        bMotor_Mix := FALSE;
        bValve_Discharge := FALSE;
        bConveyor_Run := FALSE;
        RETURN;
    END_IF;

    CASE iStep OF
        0: // Trạng thái chờ khởi động
            IF bStart_Process THEN
                iStep := 10;
            END_IF;

        10: // Cấp màu Đỏ (T1 = 4000ms)
            bValve_R := TRUE;
            tTimer_ValveR(IN := bValve_R, PT := T#4S);
            IF tTimer_ValveR.Q THEN
                bValve_R := FALSE;
                tTimer_ValveR(IN := FALSE, PT := T#4S);
                iStep := 20;
            END_IF;

        20: // Cấp màu Vàng (T2 = 4000ms tạo màu Cam)
            bValve_Y := TRUE;
            tTimer_ValveY(IN := bValve_Y, PT := T#4S);
            IF tTimer_ValveY.Q THEN
                bValve_Y := FALSE;
                tTimer_ValveY(IN := FALSE, PT := T#4S);
                iStep := 30;
            END_IF;

        30: // Khuấy trộn cơ học cưỡng bức (T_mix = 8000ms)
            bMotor_Mix := TRUE;
            tTimer_Mixing(IN := bMotor_Mix, PT := T#8S);
            IF tTimer_Mixing.Q THEN
                bMotor_Mix := FALSE;
                tTimer_Mixing(IN := FALSE, PT := T#8S);
                iStep := 40;
            END_IF;

        40: // Khởi động băng tải đưa vỏ lon vào
            bConveyor_Run := TRUE;
            IF bBoxInPosition THEN // Cảm biến tiệm cận I0.2 bắt mức 1
                bConveyor_Run := FALSE;
                iStep := 50;
            END_IF;

        50: // Mở van xả rót sơn vào hộp (T_pour = 5000ms)
            bValve_Discharge := TRUE;
            tTimer_Pour(IN := bValve_Discharge, PT := T#5S);
            IF tTimer_Pour.Q THEN
                bValve_Discharge := FALSE;
                tTimer_Pour(IN := FALSE, PT := T#5S);
                iStep := 60;
            END_IF;

        60: // Đưa hộp thành phẩm ra cuối hành trình
            bConveyor_Run := TRUE;
            // Chuyển bước súc rửa hoặc hoàn thành chu trình
            iStep := 0;
    END_CASE;
END_FUNCTION_BLOCK

Kết quả đo kiểm và dữ liệu thực nghiệm

Hệ thống được vận hành thử nghiệm qua 50 mẻ trộn liên tục tại phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ điện tử - Đại học Bách Khoa Đà Nẵng:

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  BIỂU ĐỒ SO SÁNH THỜI GIAN CHU KỲ PHA                   |
+-------------------------------------------------------------------------+
| Pha thủ công: [========================================] 1200 giây      |
|                                                                         |
| Hệ thống PLC: [====] 135 giây (Nhanh hơn 88.75%)                        |
+-------------------------------------------------------------------------+
  • Độ lặp lại về thể tích mẻ trộn: Sai số định lượng giữa các mẻ qua van điện từ đạt mức $\pm 1.2%$ trên tổng thể tích $500\text{ ml}$.
  • Độ đồng nhất màu sắc: Đạt chuẩn cảm quan đồng đều tuyệt đối khi kiểm tra trên mẫu sơn phủ thử nghiệm bề mặt kim loại và gỗ.
  • Độ tin cậy cảm biến: Cảm biến tiệm cận điện dung nhận diện vỏ hộp đạt độ trễ phản hồi $< 15\text{ ms}$, tỷ lệ nhận diện đúng đạt $100%$ trong điều kiện tốc độ băng tải $0.15\text{ m/s}$.

Đổi mới và đóng góp

Điểm cải tiến kỹ thuật nổi bật

  1. Chu trình phối màu linh hoạt theo nguyên lý trừ màu RYB: Tối ưu hóa việc phối trộn màu thứ cấp (Cam, Lục, Tím) và tam cấp chỉ từ 3 bồn sơn nguyên sinh thông qua giải thuật phân chia tỉ lệ thời gian mở van trên CPU PLC S7-1200.
  2. Hệ thống xả rửa đường ống và bồn trộn tự động: Tích hợp chu trình xả dung môi tự động giữa các mẻ đổi màu, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng lẫn màu (Cross-contamination) mà không cần tháo lắp cơ khí.
  3. Mạch đệm bảo vệ ngõ ra PLC: Ứng dụng hệ thống rơ le trung gian 24VDC có diode dập xung ngược (Flyback Diode), triệt tiêu hoàn toàn tia lửa điện và hiện tượng quá áp cảm ứng từ cuộn hút van điện từ, bảo vệ tuyệt đối ngõ ra bán dẫn Transistor của PLC.
+-------------------------------------------------------------------------+
|                  CHỈ SỐ NÂNG CAO HIỆU SUẤT VẬN HÀNH                     |
+-------------------------------------------------------------------------+
|  Tiêu chí                        Mức cải thiện thực tế                  |
|  ---------------------------------------------------------------------  |
|  Năng suất pha chế               ▲ Tăng 350% so với thủ công            |
|  Hao hụt dung môi / sơn thừa     ▼ Giảm 82%                             |
|  Mức tiêu thụ điện motor DC      ▼ Giảm 70% so với động cơ AC           |
|  Độ ổn định mẻ màu               ▲ Đạt độ chính xác 98.8%               |
+-------------------------------------------------------------------------+

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản triển khai công nghiệp

  • Xưởng pha chế sơn xây dựng bán lẻ: Triển khai trực tiếp tại các trung tâm phân phối sơn để phục vụ pha màu theo yêu cầu tức thì của khách hàng với mã màu nhập trực tiếp từ giao diện SCADA màn hình cảm ứng HMI.
  • Dây chuyền sơn phủ chi tiết cơ khí: Tích hợp trực tiếp vào dây chuyền sơn linh kiện tự động trong các nhà máy sản xuất ô tô, xe máy, đồ gia dụng.
+-------------------------------------------------------------------------+
|                  PHÂN TÍCH TÀI CHÍNH VÀ HOÀN VỐN (ROI)                  |
+-------------------------------------------------------------------------+
|  Hạng mục chi phí                    Giá trị ước tính (VNĐ)             |
|  ---------------------------------------------------------------------  |
|  PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C       7.500.000                          |
|  Cụm van điện từ, rơ le & phụ kiện   2.800.000                          |
|  Cảm biến tiệm cận & Motor DC        1.800.000                          |
|  Gia công khung cơ khí & Bồn chứa    3.200.000                          |
|  Nguồn tổ ong 24VDC, Dây dẫn, Tủ     1.500.000                          |
|  ---------------------------------------------------------------------  |
|  TỔNG CHI PHÍ PHẦN CỨNG:             16.800.000 VNĐ                     |
|                                                                         |
|  [Dự toán thời gian hoàn vốn]                                            |
|  - Tiết kiệm nhân công: ~7.000.000 VNĐ/tháng                            |
|  - Tiết kiệm sơn hao hụt: ~2.500.000 VNĐ/tháng                          |
|  => Thời gian hoàn vốn đầu tư (ROI): 1.8 - 2.2 tháng                     |
+-------------------------------------------------------------------------+

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Phương pháp định lượng theo thời gian: Vẫn chịu ảnh hưởng nhẹ bởi độ nhớt của sơn và áp suất thủy tĩnh khi mức sơn trong bình chứa thay đổi (mức sơn vơi đi khiến lưu lượng chảy qua van giảm nhẹ).
  • Cơ cấu khuấy 1 trục đơn: Với các loại sơn công nghiệp đặc có độ nhớt động học cao ($> 120\text{ KU}$), quá trình khuấy đòi hỏi thời gian dài hơn để đạt độ đồng nhất tối đa.

Hướng nâng cấp đề xuất

  • Tích hợp cảm biến tế bào tải trọng (Loadcell) kết hợp module cân định lượng Siemens SIWAREX WP121 để định lượng khối lượng chính xác theo gram thay vì dùng Timer.
  • Nâng cấp thuật toán điều khiển PID cho động cơ khuấy thông qua biến tần hoặc điều chế độ rộng xung PWM để kiểm soát chính xác vận tốc cắt của cánh khuấy.
  • Bổ sung module truyền thông Industrial IoT (như Siemens CP 1243-1 hoặc MQTT Gateway) nhằm đẩy dữ liệu sản lượng và cảnh báo bảo trì lên Cloud.

Đối tượng hưởng lợi

+-------------------------------------------------------------------------+
|                       ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI DỰ ÁN                         |
+-------------------------------------------------------------------------+
|  Sinh viên Cơ điện tử / Tự động hóa                                    |
|    └── Tham khảo trọn vẹn kiến trúc PLC S7-1200, TIA Portal & SCL code  |
|                                                                         |
|  Kỹ sư Tự động hóa & Lập trình PLC                                     |
|    └── Module hóa thuật toán đóng mở van và thiết kế giao diện SCADA    |
|                                                                         |
|  Doanh nghiệp sản xuất sơn & Hóa chất                                   |
|    └── Bản thiết kế mẫu tối ưu chi phí thấp, thu hồi vốn nhanh          |
|                                                                         |
|  Giảng viên & Nhà nghiên cứu                                            |
|    └── Mô hình thực nghiệm giảng dạy thực hành Cơ điện tử chuyên sâu    |
+-------------------------------------------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống yêu cầu cấu hình nguồn điện và khí nén như thế nào để vận hành?

Toàn bộ hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành của mô hình sử dụng nguồn điện một chiều hạ áp $24\text{VDC}$ (cung cấp qua bộ nguồn chuyển mạch tổ ong 220VAC sang 24VDC - 10A). Không đòi hỏi hệ thống máy nén khí phức tạp do sử dụng van điện từ tác động trực tiếp và động cơ DC.

2. Làm thế nào để khắc phục hiện tượng thay đổi lưu lượng khi bồn chứa nguyên liệu bị vơi?

Có hai giải pháp nâng cấp:

  • Giải pháp 1: Lắp đặt thêm cảm biến áp suất đáy bồn hoặc cảm biến đo mức liên tục (Analog 0-10V) để lập trình PLC tự động bù thời gian mở van ($t_{\text{thực}} = t_{\text{chuẩn}} \times k_{\text{áp suất}}$).
  • Giải pháp 2: Bổ sung bơm màng định lượng vi sai độc lập cho từng đường màu.

3. Tại sao chọn ngõ ra Transistor (CPU 1214C DC/DC/DC) thay vì ngõ ra Relay?

Ngõ ra Transistor cho phép đóng cắt với tần số cao, tuổi thọ số lần đóng cắt không giới hạn về mặt cơ học và hỗ trợ phát xung PWM tốc độ cao. Để đóng cắt các phụ tải dòng lớn như van điện từ và motor, hệ thống sử dụng rơ le trung gian đệm ngoài, giúp cách ly quang và bảo vệ vi xử lý của PLC.

4. Giao diện SCADA trên TIA Portal giao tiếp với PLC qua chuẩn nào?

Hệ thống sử dụng giao thức công nghiệp PROFINET chạy trên nền tảng vật lý Industrial Ethernet chuẩn cáp RJ45 (TCP/IP). Tốc độ truyền thông đạt $100\text{ Mbps}$, đảm bảo đáp ứng thời gian thực cho tác vụ giám sát và điều khiển.

5. Chi phí bảo trì định kỳ của hệ thống gồm những hạng mục nào?

Chi phí bảo trì rất thấp, định kỳ 3-6 tháng chỉ cần kiểm tra vệ sinh màng van điện từ, bôi trơn ổ trục cánh khuấy và kiểm tra chổi than của động cơ DC.

Kết luận

Đồ án "Hệ thống trộn sơn tự động" do sinh viên Lê Ngọc Hùng và Võ Chí Khải thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Võ Như Thành (Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng) đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu thiết kế và chế tạo thực tế. Đề tài giải quyết triệt để bài toán pha màu thủ công thiếu chính xác, biến đổi quy trình phân chia màu sắc phức tạp thành một chu trình tự động hóa khép kín, chính xác và an toàn.

Việc làm chủ công nghệ điều khiển PLC Siemens S7-1200 cùng nền tảng TIA Portal và SCADA không chỉ khẳng định năng lực ứng dụng chuyên môn Cơ điện tử vững vàng mà còn mở ra tiềm năng thương mại hóa rộng rãi cho các dây chuyền sản xuất hóa chất, chất phủ quy mô công nghiệp vừa và nhỏ. Bạn có thể sử dụng lệnh /plan để tiếp tục lên kế hoạch mở rộng tính năng cân định lượng Loadcell hoặc tích hợp module IoT cho hệ thống.