Đồ án tốt nghiệp: Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao dùng PLC S7-1200

Toàn văn đồ án tốt nghiệp phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC S7-1200. Tài liệu tham khảo chi tiết cho sinh viên ngành tự động hóa.

• Tác giả: Đặng Thế Bách
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Trung
• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Mô Hình Phân Loại Sản Phẩm Theo Chiều Cao Sử Dụng PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Phân Loại Sản Phẩm Theo Chiều Cao

Đồ án phân loại sản phẩm theo chiều cao là một bài toán thực tiễn trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp hiện đại. Hệ thống này được thiết kế để phân loại sản phẩm tự động dựa trên chiều cao sử dụng PLC S7-1200, một bộ điều khiển logic có thể lập trình của Siemens. Đây là giải pháp hiệu quả cho các dây chuyền sản xuất cần phân loại hàng hóa nhanh chóng và chính xác. Mô hình này kết hợp cảm biến đo lường, hệ thống truyền động và các thiết bị điều khiển để tạo ra một dây chuyền phân loại sản phẩm tự động hoàn chỉnh. Ứng dụng của đồ án này rất rộng trong các ngành công nghiệp như sản xuất, đóng gói và logistics.

1.1. Ý Nghĩa Và Tầm Quan Trọng Của Phân Loại Tự Động

Phân loại sản phẩm tự động giúp tăng hiệu suất sản xuất, giảm chi phí nhân công và nâng cao chất lượng. Hệ thống PLC S7-1200 cung cấp khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng và đáng tin cậy. Việc áp dụng công nghệ này giúp các doanh nghiệp nâng cao năng lực cạnh tranh, đáp ứng nhu cầu sản xuất hàng loạt với độ chính xác cao.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Trong Công Nghiệp

Hệ thống phân loại theo chiều cao được ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất thực tế như xưởng cơ khí, nhà máy điện tử và dây chuyền lắp ráp. PLC S7-1200 cho phép kiểm soát múi công việc, từ cảm biến đo lường đến tác động các rơle điều khiển. Mô hình này có khả năng mở rộng và tích hợp với các hệ thống quản lý sản xuất khác.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Và Nguyên Lý Hoạt Động

Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao dựa trên việc sử dụng cảm biến quang học hoặc cảm biến khoảng cách để đo chiều cao của sản phẩm. Dữ liệu từ cảm biến được gửi đến PLC S7-1200, nơi xử lý thông tin và so sánh với các tiêu chuẩn được lập trình sẵn. Tùy theo kết quả so sánh, PLC sẽ phát lệnh điều khiển các van solenoid hoặc động cơ để đẩy sản phẩm vào các ngăn phân loại khác nhau. Quá trình này lặp lại liên tục với tốc độ cao, cho phép xử lý hàng trăm sản phẩm mỗi phút.

2.1. Cảm Biến Và Hệ Thống Đo Lường

Các cảm biến quang điện hoặc cảm biến siêu âm được sử dụng để phát hiện và đo chiều cao sản phẩm. Những cảm biến này chuyển đổi thông tin vật lý thành tín hiệu điện mà PLC S7-1200 có thể nhận biết. Độ chính xác của cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất phân loại sản phẩm tự động, do đó cần chọn cảm biến phù hợp với yêu cầu công nghệ.

2.2. Xử Lý Tín Hiệu Và Lôgic Điều Khiển

PLC S7-1200 nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý dữ liệu theo chương trình lôgic được thiết kế. Hệ thống so sánh chiều cao đo được với các ngưỡng được lập trình sẵn, sau đó phát ra lệnh điều khiển. Các hàm lôgic AND, OR, NOT được sử dụng để tạo ra các điều kiện quyết định sản phẩm thuộc loại nào, từ đó điều khiển các thiết bị chuyển hướng sản phẩm.

III. Thiết Kế Phần Cứng Hệ Thống

Thiết kế phần cứng của hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao bao gồm nhiều thành phần quan trọng hoạt động liên kết. PLC S7-1200 là bộ não điều khiển chính của toàn bộ hệ thống. Cảm biến quang điện được lắp đặt ở vị trí chiến lược để phát hiện sản phẩm khi chúng di chuyển trên dây chuyền. Các thiết bị chuyển hướng như xi lanh khí nén hoặc van solenoid được kiểm soát bởi PLC để đẩy sản phẩm vào ngăn phân loại thích hợp. Nguồn điện tích hợp cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống, bao gồm cả PLC S7-1200 và các thiết bị ngoại vi. Khung cơ khí được thiết kế chắc chắn, an toàn và dễ bảo trì.

3.1. Các Thành Phần Chính Của Hệ Thống

Hệ thống bao gồm PLC S7-1200, cảm biến quang điện, xi lanh khí nén, van solenoid, động cơ điện, dây chuyền truyền động, bộ nguồn điện và các mô-đun I/O. Mỗi thành phần được chọn lựa kỹ lưỡng để đảm bảo tương thích và hiệu suất cao. Các kết nối điện và khí nén phải tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo an toàn.

3.2. Lắp Đặt Và Kết Nối Thiết Bị

PLC S7-1200 được lắp đặt tại vị trí trung tâm dễ tiếp cận. Cảm biến được gắn ở các vị trí tối ưu để đạt độ chính xác cao nhất. Các thiết bị tác động như xi lanh và van solenoid được kết nối khí nén và điện tử với PLC. Toàn bộ hệ thống được kiểm tra, hiệu chuẩn trước khi đưa vào hoạt động để đảm bảo phân loại sản phẩm tự động chính xác.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Và Kết Quả Dự Kiến

Đồ án phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC S7-1200 có thể được ứng dụng thực tế trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Hệ thống này không chỉ giúp tự động hóa quy trình phân loại sản phẩm tự động mà còn cung cấp một nền tảng học tập quý báu cho sinh viên ngành điều khiển và tự động hóa. Các kết quả dự kiến bao gồm tăng năng suất lên 200-300%, giảm sai sót trong phân loại xuống dưới 1%, và tiết kiệm chi phí nhân công đáng kể. Hệ thống có thể được mở rộng để phân loại theo nhiều tiêu chí khác như khối lượng, màu sắc hay hình dạng, tạo thành một dây chuyền phân loại sản phẩm hoàn chỉnh.

4.1. Hiệu Suất Và Độ Chính Xác Của Hệ Thống

Phân loại sản phẩm tự động bằng PLC S7-1200 đạt hiệu suất cao, xử lý được 50-100 sản phẩm/phút tùy theo loại sản phẩm. Độ chính xác phân loại có thể đạt trên 99% nhờ cảm biến hiện đại và chương trình điều khiển tối ưu. Chi phí vận hành thấp, bảo trì dễ dàng, an toàn cho người lao động.

4.2. Triển Vọng Phát Triển Và Nâng Cấp

Hệ thống có thể được nâng cấp bằng cách tích hợp giao diện SCADA/HMI để giám sát từ xa, thêm camera thị giác máy tính, hoặc kết nối với các hệ thống IoT và cloud. Đồ án này mở ra nhiều hướng nghiên cứu tiếp theo, từ tối ưu hóa thuật toán phân loại đến tích hợp với trí tuệ nhân tạo cho phân loại thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án, cơ sở lý thuyết có liên quan.  Chương 2: Cơ sở lý thuyết  Chương 3: Thiết kế, tính toán phần cứng  Chương 4: Xây dựng bài toán và ứng dụng mô hình Trình bày về những kết quả đã được, mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công. Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình hoàn thành được bao nhiêu phần trăm.  Kết luận và hướng phát triển Phần này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn.

Ưu điểm của dây chuyền phân loại sản phẩm tự động Nếu như phương pháp phân loại sản phẩm truyền thống yêu cầu không gian làm việc rộng hơn cho số lượng người tham gia phân loại lớn, thời gian phân loại lâu và dễ sai sót thì nay, với dây chuyền phân loại sản phẩm tự động, số lượng nhân công đã giảm xuống đáng kể (tới 80%) khi năng suất tăng lên từ 3-5 lần cùng với tỉ lệ nhầm lẫn, sai sót được kiểm soát. Hệ thống phân loại tự động đã và đang là hình thức mà các đơn vị sản xuất, dịch vụ thương mại điện tử, giao nhận hướng tới trong thời đại công nghệ số hiện nay. Dây chuyền phân loại lựa sản phẩm với máy phân loại, cảm biến nhận diện sản phẩm, camera check, cân điện tử, hệ thống đo, cơ cấu chọn, vận chuyển (băng tải, băng chuyền, bẫy, tay gạt, cơ cấu chia, băng tải góc, bộ gạt…) hệ thống băng tải xương cá và hệ thống điều khiển trung tâm kết nối dữ liệu từ xa. Dây chuyền phân loại lựa được ứng dụng trong nhiều trong ngành công nghiệp: chế biến nông sản, rau củ quả, các nhà máy sản xuất linh kiện điện tử, cơ khí, kho trung chuyển chuyển phát nhanh logistic, bưu chính và thương mại điện tử trong phân loại kiện hàng, bưu phẩm.

Hình 1: Các dây chuyền phân loại 1. Một số dây chuyền phân loại sản phẩm phổ biến hiện nay 1. Dây chuyền phân loại sản phẩm theo mã vạch 4 Dây chuyền phân loại sản phẩm theo mã vạch được sử dụng rất phổ biến hiên nay, dây chuyền sorting này được sử dụng để phân loại các kiện hàng, bưu phẩm, sản phẩm thành phẩm đã được đóng thùng carton, đóng túi và dán mã vạch barcode, mã QR. Với các thông tin lưu trữ trên mã vạch dán trên sản phẩm, hệ thống có thể dễ dàng sàng lọc và lựa chọn, gom sản phẩm vào các vị trí tập kết theo yêu cầu đặt ra như: Với sản phẩm điện tử, công nghệ: phân theo cùng lô sản xuất, ngày sản xuất, model… Với các bưu phẩm, đơn hàng chuyển phát nhanh: phân loại theo ngày lên đơn, cách thức đóng gói, địa điểm giao hàng, hàng chuyển nhanh-tiêu chuẩn… Với các sản phẩm nông sản đóng gói: phân loại theo hạn sử dụng, số lô chế biến, cấp sản phẩm… Hình 2: Phân loại sản phẩm theo mã vạch Các hộp, thùng hàng được đặt lên băng tải phân loại bởi công nhân hoặc cánh tay robot cộng tác, robot xếp hàng lên pallet từ băng tải cấp hoặc xe tự hành AGV trong các nhà máy thông minh.

Hệ thống phân loại sản phẩm có thể đạt công suất tới 10,000 sản phẩm/giờ. Năng suất cao gấp 3-5 lần so với cách quét mã vạch và phân loại bởi công nhân truyền thống. Dây chuyền phân loại sản phẩm theo khối lượng Là hệ thống phân cỡ sản phẩm ứng dụng đa dạng các loại/kiểu sản phẩm theo nguyên tắc kiểm tra khối lượng online, sau đó phân ra từng cỡ trọng lượng theo yêu cầu. Phạm vi phân loại: 10g~5000g Tốc độ: 110 – 200 sản phẩm/ phút.

5 Tốc độ: 60m/ phút Số lượng cỡ phân loại: 12 cỡ Vật liệu: inox SS304 đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm Hình 3: Phân loại sản phẩm theo khối lượng Dây chuyền phân loại nông sản: cam, táo, khoai tây, cà chua, rau củ quả Ứng dụng phân loại sản phẩm theo khối lượng cho ngành thực phẩm, thủy hải sản, nông sản,… 1. Dây chuyền phân loại sản phẩm theo màu sắc Máy phân loại sản phẩm theo màu sắc có thể phân loại các sản phẩm như ớt, cà chua, cà phê, nhựa màu, gạo, chè búp, các loại hạt… Năng suất: 0.8-15 tấn/ giờ (tùy vào mỗi loại model) Tỉ lệ phân loại chính xác: >99% Ứng dụng phân loại sản phẩm theo màu sắc trong các ngành nông nghiệp, thực phẩm, dầu, hóa chất, công nghiệp dược phẩm, linh kiện điện tử, thiết bị y tế… 6 Hình 4: Dây chuyền phân loại táo theo màu sắc 1. Dây chuyền phân loại sản phẩm theo kích thước Là hệ thống phân loại tự động cho sản phẩm hàng hóa, trái cây và rau quả trên cơ sở kích thước bao gồm bộ phận cấp, phân loại, thả và thu hồi sản phẩm. Máy phân loại sản phẩm theo kích thước điều khiển tự động, độ chính xác cao, hoạt động ổn định, phù hợp cho nhiều loại sản phẩm khác nhau.

Năng suất: 3-5 tấn/ giờ ~ 1000-1100 sản phẩm/ phút Cấp phân loại: 4-10 cấp Hình 5: Dây chuyền phân loại cà chua theo kích thước 7 Ứng dụng phân loại sản phẩm theo khối lượng cho ngành thực phẩm, nông sản, trái cây… Trong ngành logistic, thương mại điện tử, các gói hàng được đóng trong các hộp với trọng lượng, màu sắc, kích thước khác nhau dễ dàng được phân loại nhờ hệ thống phân loại lựa với camera và thuật toán phân loại thông minh. Hàng hóa được phân loại trên băng tải chính theo các băng tải xương cá di chuyển tới các vị trí tập kết. Phân loại sản phẩm tự động giúp giảm thiểu sức người và thời gian cho khâu phân loại vốn nhàm chán nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác ở tốc độ cao với năng suất vượt trội.  Kết luận chương 1: Chương 1 đã giới thiệu được khái quát mục tiêu, bố cục của đề tài phân loại sản phẩm theo khối lượng và biết được một số dây chuyền phân loại sản phẩm phổ biến hiện nay.

Các yêu cầu khi thiết kế hệ thống Mục tiêu đặt ra là thiết kế: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, bảo trì, sửa chữa. Để đạt được mục tiêu này chúng ta cần thiết kế mô hình cơ khí, điều khiển được động cơ và hệ thống hoạt động tự động. Ngoài ra còn có các vấn đề khác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiết. Các vấn đề cần được giải quyết đó là: - Vấn đề cơ khí: phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ, gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa.

- Vấn đề điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động. - Vấn đề an toàn: đảm bảo an toàn cho người sử dụng và sản phẩm không bị hỏng. Lựa chọn phương án thiết kế  Phương án 1: - Sử dụng 1 băng tải để vận chuyển sản phẩm. - Sử dụng 2 sensor đặt trước xilanh để nhận biết sản phẩm.

- Sử dụng 2 động cơ servo DC có gắn cần gạt làm nhiệm vụ phân loại sản phẩm. - Sử dụng bộ điều khiển PLC để nhận tín hiệu từ sensor và hoạt động của hệ thống. Ưu điểm: Hệ thống hoạt động độc lập hơn vì chỉ cần nguồn cấp điện, không cần thêm hệ thống cấp khí nén như khi dùng xilanh khí nén. Nhược điểm: Sử dụng động cơ servo kèm cần gạt làm giảm độ tin cậy, tốc độ, khả năng hoạt động ổn định của hệ thống, gây khó khăn trong việc điều khiển và tăng chi phí chế tạo, lắp đặt.

 Phương án 2: - Sử dụng 1 băng tải để vận chuyển sản phẩm - Đặt 4 sensor để nhận biết sản phẩm. - Sử dụng 2 xilanh làm nhiệm vụ phân loại sản phẩm. 9 - Sử dụng bộ điều khiển PLC để điều khiển hoạt động của hệ thống. Ưu điểm: Có khả năng vận chuyển sản phẩm nhanh hơn, năng suất cao hơn.

Sử dụng hệ thống xilanh khí nén cho tốc độ làm việc nhanh với độ tin cậy và chính xác cao hơn. Điều khiển dễ dàng, hoạt động ổn định. Lắp đặt dễ dàng, giá thành thấp. Nhược điểm: Phụ thuộc vào hệ thống khí nén, không hoạt động được nếu không có hệ thống cung cấp khí nén.

Kết luận: Trong phạm vi yêu cầu của đồ án này ta sẽ chọn phương án 2, vì các ưu điểm nêu trên và thực tế trong các nhà máy sản xuất hiện nay thường có lắp đặt sẵn hệ thống cung cấp khí nén nên sẽ khắc phục được phần nào những nhược điểm. Đặc điểm kỹ thuật và yêu cầu công nghệ của hệ thống dây truyền phân loại sản phẩm trong thiết kế. Cấu tạo hệ thống -Phần băng tải: + Lựa chọn kiểu băng tải dạng cố định nằm ngang gồm có hai con lăn đặt ở vị trí hai đầu băng tải. Hai con lăn truyền lực và kéo băng tải.

+ Mặt băng tải được làm bằng mặt vải quấn tròn xung quanh 2 con lăn. Sản phẩm được đặt chạy trên mặt băng tải. -Động cơ băng tải DC1: + DC 1 là động cơ điện một chiều có nhiệm vụ quay con lăn của băng tải. + Chiều dịch truyển của băng tải là một chiều theo chiều đặt các cảm biến từ CB1 cho phát hiện sản phẩm cao nhất đến CB3 cho phát hiện các sản phẩm thấp nhất.

-Cơ cấu Xylanh khí nén XL1 và XL2: + XL1 là xy lanh có nhiệm vụ đẩy vật có chiều cao lớn nhất xuống hộp chứa. + XL2 là xy lanh có nhiệm vụ đẩy vật có chiều cao trung bình xuống hộp chứa. -Các cảm biến: CB1, CB2, CB3, CB4: Các cảm biến được sử dụng là cảm biến quang 3 dây E18. CB1 phát hiện sản phẩm vào cho phép băng tải hoạt động CB2 được gắn bên cạnh mặt băng tải cao hơn 8cm so với mặt băng tải.

CB3 được gắn bên cạnh mặt băng tải cao hơn 5,5cm so với mặt băng tải. 10 CB4 được gắn bên cạnh mặt băng tải cao hơn 3cm so với mặt băng tải. - Các sản phẩm: Có 3 loại sản phẩm: sản phẩm cao, sản phẩm trung bình, sản phẩm thấp. Nguyên lý hoạt động của dây truyền phân loại và đếm sản phẩm.

Trong thiết kế trình bày có 3 loại sản phẩm khác nhau về kích thước. Đây chính là đặc điểm mà chủng em sử dụng để phân loại và đếm sản phẩm. Qua kích thước của sản phẩm mà chủng em chia thành 3 loại là sản phẩm cao, sản phẩm trung bình và sản phẩm thấp.