Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa dây chuyền sản xuất đóng vai trò quyết định đến năng suất, độ chính xác và khả năng cạnh tranh của doanh nghiệp. Theo các khảo sát công nghiệp trong ngành chế tạo và đóng gói, chi phí nhân công cho các khâu phân loại thủ công chiếm từ 30% đến 45% tổng chi phí vận hành, đồng thời tỷ lệ sai sót do mệt mỏi thị giác của công nhân sau 4 giờ làm việc liên tục có thể lên tới 8% - 15%. Để giải quyết triệt để vấn đề này, đồ án "Phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng PLC S7-1200" (thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Quốc Nghĩa, ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng) đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công hệ thống phân loại tự động kết hợp giữa bộ điều khiển lập trình công nghiệp và hệ thống cảm biến quang học.

                  +-----------------------------------+
                  |   BĂNG TẢI TRUYỀN ĐỘNG 24VDC      |
                  +-----------------+-----------------+
                                    |
+--------------------+   +----------v-----------+   +----------------------+
| CẢM BIẾN MÀU SẮC   |-->| VI ĐIỀU KHIỂN TIỀN   |-->| KHỐI CÁCH LY QUANG   |
| TCS3200 (RGB TO F) |   | XỬ LÝ ARDUINO UNO R3 |   | RELAY OPTOCOUPLER 5V |
+--------------------+   +----------------------+   +----------+-----------+
                                                               |
+--------------------+   +----------------------+              |
| CẢM BIẾN VẬT CẢN   |-->| SIEMENS PLC S7-1200  |<-------------+
| HỒNG NGOẠI         |   | CPU 1214C DC/DC/DC   |
| E3F-DS30C1 (NPN)   |   +----------+-----------+
+--------------------+              |
                                    | Tín hiệu kích 24VDC
                         +----------v-----------+
                         | VAN ĐIỆN TỪ 5/2 &    |
                         | XILANH KHÍ NÉN MAL   |
                         +----------------------+

Vấn đề thực tiễn và bài toán kỹ thuật

Nhiều sản phẩm công nghiệp (linh kiện điện tử, nắp chai, hạt nhựa, nông sản chế biến) có khối lượng và kích thước hoàn toàn đồng nhất nhưng khác biệt về màu sắc nhận diện. Các giải pháp cơ học truyền thống (phân loại theo trọng lượng bằng loadcell hay kích thước qua khe cữ) hoàn toàn mất tác dụng. Ngược lại, các hệ thống thị giác máy tính cao cấp (Machine Vision) sử dụng camera công nghiệp thường có chi phí đầu tư rất lớn (từ 3.000 USD đến hơn 10.000 USD), cấu hình phức tạp, đòi hỏi phần cứng xử lý ảnh chuyên dụng, vượt quá khả năng tài chính của các xưởng sản xuất quy mô vừa và nhỏ.

Mục tiêu của dự án

  1. Nghiên cứu nguyên lý chuyển đổi cường độ sáng sang tần số của cảm biến màu sắc TCS3200 và cấu trúc giao tiếp vi xử lý.
  2. Thiết kế và thi công mô hình băng chuyền cơ điện tử hoàn chỉnh, tích hợp hệ thống chấp hành điện - khí nén.
  3. Xây dựng giải pháp ghép nối tín hiệu đa mức điện áp giữa vi điều khiển Arduino Uno R3 (5V TTL) và PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C (24V Industrial HTL) thông qua mạch cách ly quang (Optocoupler).
  4. Lập trình điều khiển thời gian thực trên phần mềm TIA Portal V15 (Totally Integrated Automation Portal) và Arduino IDE.
  5. Kiểm nghiệm hiệu suất phân loại thực tế đối với 3 nhóm màu sắc cơ bản: Đỏ (Red), Vàng (Yellow) và Xanh (Blue) với độ chính xác đạt trên 92% và chu kỳ xử lý dưới 2,5 giây/sản phẩm.

Phạm vi và giới hạn đề tài

  • Phạm vi nhận diện: Nhận dạng và phân loại chính xác 3 màu đơn sắc (Đỏ, Vàng, Xanh) trên phôi mẫu hình trụ/khối cố định.
  • Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống hoạt động tối ưu trong điều kiện ánh sáng môi trường có cường độ ổn định; cơ cấu cơ khí quy mô mô hình phòng thí nghiệm sử dụng động cơ giảm tốc DC 24V và máy nén khí mini cấp áp suất 0.4 - 0.6 MPa.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí kỹ thuật / Kinh tế Phân loại thủ công Hệ thống Machine Vision (Công nghiệp) Giải pháp PLC S7-1200 + TCS3200 (Đồ án)
Chi phí đầu tư ban đầu Rất thấp (Không thiết bị) Rất cao (>80.000.000 VNĐ) Tối ưu (~8.000.000 - 15.000.000 VNĐ)
Tốc độ phân loại 10 - 15 sản phẩm/phút 60 - 120 sản phẩm/phút 25 - 35 sản phẩm/phút
Độ tin cậy vận hành Kém (Phụ thuộc con người) Cực cao (>99.5%) Cao (93% - 96%)
Khả năng kháng nhiễu công nghiệp Không áp dụng Cao (Chuẩn công nghiệp) Cao (PLC S7-1200 đạt chuẩn IEC 61131-2)
Khả năng bảo trì & nâng cấp Khó tiêu chuẩn hóa Đòi hỏi chuyên gia xử lý ảnh Dễ dàng lập trình lại qua TIA Portal

Phân tích yêu cầu theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Dừng khẩn cấp (Emergency Stop), nhận diện đúng 3 màu sắc mục tiêu, cơ cấu khí nén gạt phôi chính xác vào khay chứa tương ứng, bảo vệ ngắn mạch và chống nhiễu tín hiệu giữa vi điều khiển và PLC.
  • Should have (Nên có): Bộ đếm sản phẩm hiển thị theo từng màu trên thanh ghi PLC, mạch giảm áp xung hiệu suất cao LM2596 để cấp nguồn ổn định.
  • Could have (Có thể mở rộng): Giao diện giám sát HMI (Human-Machine Interface) trên nền tảng WinCC Flexible / TIA Portal.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Phân loại các màu pha phức tạp, nhận diện khuyết tật bề mặt sản phẩm bằng thuật toán Deep Learning.

Thiết kế hệ thống và thông số phần cứng

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                         SƠ ĐỒ KHỐI PHẦN CỨNG HỆ THỐNG                            |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                                                                                   |
|  +-------------------+        +--------------------+       +-------------------+  |
|  | Nguồn tổ ong 24VDC|------->| PLC S7-1200 CPU    |------>| Van Solenoid 5/2  |  |
|  +---------+---------+        | 1214C DC/DC/DC     |       | & Xilanh Khí Nén  |  |
|            |                  +---------^----------+       +-------------------+  |
|            v                            | 24V Logic Tín hiệu                      |
|  +-------------------+                  |                  +-------------------+  |
|  | Mạch Buck LM2596  |        +---------+----------+       | Động cơ DC 24V    |  |
|  | (Hạ áp 24V -> 5V) |        | Mạch Relay Opto 5V |<------| Kéo Băng Tải      |  |
|  +---------+---------+        +---------^----------+       +-------------------+  |
|            |                            | 5V Logic                                |
|            v                            |                  +-------------------+  |
|  +-------------------+        +---------+----------+       | Cảm biến hồng     |  |
|  | Cảm biến TCS3200  |------->| Bo mạch tiền xử lý |<------| ngoại E3F-DS30C1  |  |
|  | (Color Sensor)    |        | Arduino Uno R3     |       | (Phát hiện phôi)  |  |
|  +-------------------+        +--------------------+       +-------------------+  |
|                                                                                   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

1. Bộ điều khiển trung tâm: Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (Mã 6ES7214-1AG40-0XB0)

  • Điện áp nguồn: 24V DC, dải cho phép 20.4V - 28.8V DC.
  • Bộ nhớ: Work Memory 50 KB, Load Memory 1 MB, Retentive Memory 2 KB.
  • Tích hợp sẵn: 14 ngõ vào số DI (24V DC Sink/Source), 10 ngõ ra số DO (24V DC Transistor, 0.5A), 2 ngõ vào tương tự AI (0 - 10V DC).
  • Tốc độ xử lý lệnh: $0.18\ \mu\text{s/lệnh}$ logic cơ bản, hỗ trợ truyền thông PROFINET chuẩn công nghiệp.

2. Cảm biến nhận diện màu sắc: TAOS TCS3200

  • Cấu tạo: Mảng photodiode $8 \times 8$ (16 diode lọc đỏ, 16 diode lọc xanh lam, 16 diode lọc xanh lục, 16 diode không lọc).
  • Bộ biến đổi dòng quang điện sang tần số với dải xuất xung vuông $2\text{ Hz} - 500\text{ kHz}$ (Duty cycle 50%).
  • Chân chọn tỷ lệ tần số đầu ra ($S_0, S_1$) và chân chọn bộ lọc màu ($S_2, S_3$):
    • $S_0=\text{HIGH}, S_1=\text{LOW}$: Thang đo tần số 20%.
    • $S_2=\text{LOW}, S_3=\text{LOW}$: Bộ lọc Đỏ (Red).
    • $S_2=\text{HIGH}, S_3=\text{HIGH}$: Bộ lọc Xanh lục (Green).
    • $S_2=\text{LOW}, S_3=\text{HIGH}$: Bộ lọc Xanh lam (Blue).

3. Cảm biến tiệm cận quang: Omron E3F-DS30C1

  • Nguyên lý: Thu phát hồng ngoại khuếch tán (Diffuse Reflection).
  • Khoảng cách phát hiện: $5 - 30\text{ cm}$ (điều chỉnh qua biến trở đa vòng).
  • Ngõ ra: NPN Transistor cực thu hở (Open Collector), dòng tải cực đại $300\text{ mA}$. Kết nối chân chung $1\text{M}$ của PLC lên $+24\text{V DC}$ để kích hoạt mức thấp (Sink Input).

4. Cơ cấu chấp hành khí nén

  • Xilanh khí nén thân tròn: Model MAL $16 \times 100$ (Đường kính trong nòng xilanh $D = 16\text{ mm}$, hành trình piston $S = 100\text{ mm}$).
  • Van đảo chiều điện từ: Solenoid Valve 5/2 (5 cửa 2 vị trí), một đầu cuộn coil 24V DC.
  • Lực đẩy lý thuyết của xilanh ở áp suất $p = 6\text{ bar} = 0.6\text{ N/mm}^2$: $$F_{\text{đẩy}} = P \times A = P \times \frac{\pi \times D^2}{4} = 0.6 \times \frac{3.1416 \times 16^2}{4} \approx 120.6\text{ N}$$ Lực này đảm bảo gạt phôi mẫu trọng lượng $50 - 200\text{ g}$ văng dứt khoát khỏi bề mặt băng tải cao su trong thời gian $<0.3\text{ s}$.

Phương pháp nghiên cứu và quy trình phát triển

Dự án áp dụng mô hình thiết kế chữ V (V-Model) kết hợp kiểm thử phần cứng lặp (Hardware-in-the-Loop Testing):

  • Giai đoạn 1 (Tuần 1 - 2): Khảo sát tài liệu, tính toán thông số động học băng tải, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện và mạch khí nén.
  • Giai đoạn 2 (Tuần 3 - 5): Gia công khung cơ khí, lắp ráp hệ thống dẫn động băng tải 24VDC, cố định các vị trí cảm biến và gá đặt xilanh.
  • Giai đoạn 3 (Tuần 6 - 8): Xây dựng mạch điều hòa tín hiệu, kết nối dây dẫn công nghiệp, lập trình vi điều khiển Arduino xử lý xung TCS3200 và cấu hình chương trình chính trên TIA Portal V15.
  • Giai đoạn 4 (Tuần 9 - 10): Chạy thử tải, hiệu chỉnh ngưỡng tần số màu sắc, đánh giá lỗi và tối ưu hóa thời gian quét vòng (Scan Cycle).

Implementation và kết quả

Quy trình phát triển phần mềm

Hệ thống phân tách nhiệm vụ tính toán: Arduino Uno R3 chuyên trách đọc xung tần số cao từ cảm biến TCS3200, chuyển đổi thành 3 trạng thái logic phân biệt, truyền sang PLC S7-1200 thông qua tiếp điểm Relay Opto cách ly nhằm triệt tiêu hiện tượng sụt áp và xung nhiễu công nghiệp.

                  +-----------------------------+
                  |           START             |
                  +--------------+--------------+
                                 |
                  +--------------v--------------+
                  |  Cấu hình chân S0-S3, Out   |
                  |  S0 = HIGH, S1 = LOW (20%)  |
                  +--------------+--------------+
                                 |
             +-------------------v-------------------+
             | Đọc chu kỳ xung pulseIn(sensorOut,LOW)|
             | Lấy mẫu 3 kênh: Red, Green, Blue      |
             +-------------------+-------------------+
                                 |
         +-----------------------+-----------------------+
         |                       |                       |
+--------v--------+     +--------v--------+     +--------v--------+
|  R < 45 & G > 60|     | R < 50 & G < 55 |     |  B < 45 & R > 60|
|     (MÀU ĐỎ)    |     |    (MÀU VÀNG)   |     |   (MÀU XANH)    |
+--------+--------+     +--------+--------+     +--------+--------+
         |                       |                       |
+--------v--------+     +--------v--------+     +--------v--------+
| Kích Pin D4 = 1 |     | Kích Pin D5 = 1 |     | Kích Pin D6 = 1 |
+--------+--------+     +--------+--------+     +--------+--------+
         |                       |                       |
         +-----------------------+-----------------------+
                                 |
                  +--------------v--------------+
                  |   Relay đóng mức 24V DC     |
                  |  Gửi tín hiệu tới I0.2/I0.3  |
                  +-----------------------------+

1. Mã nguồn lập trình trên Arduino Uno R3 (Xử lý tín hiệu cảm biến TCS3200)

// Định nghĩa chân kết nối cảm biến TCS3200 với Arduino Uno R3
const int S0 = 4;
const int S1 = 5;
const int S2 = 6;
const int S3 = 7;
const int sensorOut = 8;

// Định nghĩa chân xuất tín hiệu sang Module Relay cách ly (gửi về PLC S7-1200)
const int RELAY_RED = 9;     // Kích Relay báo màu Đỏ -> PLC I0.2
const int RELAY_YELLOW = 10;  // Kích Relay báo màu Vàng -> PLC I0.3
const int RELAY_BLUE = 11;   // Kích Relay báo màu Xanh -> PLC I0.4

unsigned long redFrequency = 0;
unsigned long greenFrequency = 0;
unsigned long blueFrequency = 0;

void setup() {
  pinMode(S0, OUTPUT);
  pinMode(S1, OUTPUT);
  pinMode(S2, OUTPUT);
  pinMode(S3, OUTPUT);
  pinMode(sensorOut, INPUT);
  
  pinMode(RELAY_RED, OUTPUT);
  pinMode(RELAY_YELLOW, OUTPUT);
  pinMode(RELAY_BLUE, OUTPUT);

  // Mặc định ngắt các Relay ngõ ra (mức tích cực LOW của module relay)
  digitalWrite(RELAY_RED, HIGH);
  digitalWrite(RELAY_YELLOW, HIGH);
  digitalWrite(RELAY_BLUE, HIGH);

  // Thiết lập thang tần số ngõ ra TCS3200 ở mức 20% (S0=HIGH, S1=LOW)
  digitalWrite(S0, HIGH);
  digitalWrite(S1, LOW);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // 1. Đọc giá trị kênh màu ĐỎ (S2=LOW, S3=LOW)
  digitalWrite(S2, LOW);
  digitalWrite(S3, LOW);
  redFrequency = pulseIn(sensorOut, LOW, 25000); // Đọc độ rộng xung mức thấp (microsecond)

  // 2. Đọc giá trị kênh màu XANH LỤC (S2=HIGH, S3=HIGH)
  digitalWrite(S2, HIGH);
  digitalWrite(S3, HIGH);
  greenFrequency = pulseIn(sensorOut, LOW, 25000);

  // 3. Đọc giá trị kênh màu XANH DƯƠNG (S2=LOW, S3=HIGH)
  digitalWrite(S2, LOW);
  digitalWrite(S3, HIGH);
  blueFrequency = pulseIn(sensorOut, LOW, 25000);

  // Thuật toán phân loại dựa trên ngưỡng tần số mẫu chuẩn
  if (redFrequency > 15 && redFrequency < 55 && greenFrequency > 70 && blueFrequency > 60) {
    // Nhận diện MÀU ĐỎ: Kích Relay 1
    digitalWrite(RELAY_RED, LOW);
    digitalWrite(RELAY_YELLOW, HIGH);
    digitalWrite(RELAY_BLUE, HIGH);
  } 
  else if (redFrequency > 15 && redFrequency < 50 && greenFrequency > 20 && greenFrequency < 55 && blueFrequency > 60) {
    // Nhận diện MÀU VÀNG (Phối hợp giữa Đỏ và Xanh lục): Kích Relay 2
    digitalWrite(RELAY_RED, HIGH);
    digitalWrite(RELAY_YELLOW, LOW);
    digitalWrite(RELAY_BLUE, HIGH);
  }
  else if (blueFrequency > 15 && blueFrequency < 50 && redFrequency > 60 && greenFrequency > 55) {
    // Nhận diện MÀU XANH DƯƠNG: Kích Relay 3
    digitalWrite(RELAY_RED, HIGH);
    digitalWrite(RELAY_YELLOW, HIGH);
    digitalWrite(RELAY_BLUE, LOW);
  } 
  else {
    // Không nhận diện được hoặc không có vật: Ngắt toàn bộ Relay
    digitalWrite(RELAY_RED, HIGH);
    digitalWrite(RELAY_YELLOW, HIGH);
    digitalWrite(RELAY_BLUE, HIGH);
  }
  delay(50); // Độ trễ ổn định bộ chuyển đổi
}

2. Cấu trúc chương trình Ladder Logic trên Siemens TIA Portal V15

Chương trình PLC được cấu trúc hóa trong Organization Block Main [OB1] kết hợp các khối hàm chức năng:

  • Bảng phân công địa chỉ I/O:
    • I0.0 (Start Button - NO), I0.1 (Stop Button - NC), I0.7 (Emergency Stop).
    • I0.2 (Tín hiệu màu Đỏ từ Relay Arduino), I0.3 (Tín hiệu màu Vàng), I0.4 (Tín hiệu màu Xanh).
    • I0.5 (Cảm biến quang 1 tại vị trí Xilanh 1), I0.6 (Cảm biến quang 2 tại vị trí Xilanh 2).
    • Q0.0 (Điều khiển Động cơ Băng tải qua Contactor/Relay), Q0.1 (Kích cuộn van Xilanh 1 gạt màu Đỏ), Q0.2 (Kích cuộn van Xilanh 2 gạt màu Vàng).
// Đoạn mã mô tả thuật toán điều khiển (Tương đương ngôn ngữ LAD / SCL trong TIA Portal)
// Network 1: Điều khiển Băng tải chính
"Q_Motor_Conveyor" := ("I_Start" OR "Q_Motor_Conveyor") AND NOT "I_Stop" AND NOT "I_Emergency";

// Network 2: Nhận diện và lưu trạng thái màu Đỏ (Bit nhớ M10.0)
IF "I_Red_Signal" AND "Q_Motor_Conveyor" THEN
    "M_Color_Red_Flag" := TRUE;
END_IF;

// Network 3: Tác động Xilanh 1 khi phôi màu Đỏ chạm cảm biến vị trí 1 (I0.5)
IF "M_Color_Red_Flag" AND "I_Sensor_Pos1" THEN
    "Q_Cylinder_1" := TRUE;
    // Khởi tạo Timer TON duy trì hành trình đẩy 0.6 giây
    #Timer_Cyl1.TON(IN := TRUE, PT := T#600MS);
    IF #Timer_Cyl1.Q THEN
        "Q_Cylinder_1" := FALSE;
        "M_Color_Red_Flag" := FALSE; // Reset cờ trạng thái
        "Count_Red_Products" := "Count_Red_Products" + 1; // Tăng biến đếm
        #Timer_Cyl1.TON(IN := FALSE);
    END_IF;
END_IF;

Kiểm nghiệm thực nghiệm và đánh giá số liệu

Hệ thống được tiến hành thử nghiệm độc lập trên 300 mẫu thử (mỗi màu 100 mẫu ngẫu nhiên) nhằm đánh giá xác suất nhận diện đúng và độ ổn định cơ khí:

Nhóm màu thử nghiệm Số lượng mẫu chạy Số lần nhận diện đúng Tỷ lệ chính xác (%) Thời gian đáp ứng trung bình (ms) Hiện tượng lỗi ghi nhận
Màu Đỏ (Red) 100 96 96.0% $180\text{ ms}$ 4 mẫu phôi bị lệch góc chiếu sáng
Màu Vàng (Yellow) 100 92 92.0% $210\text{ ms}$ 8 mẫu nhầm với xanh lá khi có nắng xiên
Màu Xanh (Blue) 100 94 94.0% $195\text{ ms}$ 6 mẫu bề mặt phản quang cao
Tổng thể hệ thống 300 282 94.0% $195\text{ ms}$ Sai số tổng hợp 6.0% 
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       BIỂU ĐỒ KẾT QUẢ PHÂN LOẠI 3 NHÓM MÀU                   |
+-------------------------------------------------------------------------------+
| 100% |                                                                        |
|  95% |   +---------------+                     +---------------+              |
|  90% |   |     96.0%     |   +---------------+ |     94.0%     |              |
|  85% |   |   (Màu Đỏ)    |   |     92.0%     | |  (Màu Xanh)   |              |
|  80% |   |               |   |  (Màu Vàng)   | |               |              |
|      +---+---------------+---+---------------+---+---------------+------------+
|          0              100                 200             300 Mẫu thử       |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Đổi mới và đóng góp kỹ thuật

  1. Kiến trúc điều khiển lai ghép phân cấp (Hybrid Hierarchical Architecture): Thay vì sử dụng PLC trực tiếp đọc tần số cao (đòi hỏi mua thêm module HSC - High Speed Counter giá thành cao), đồ án sử dụng vi điều khiển ATmega328P làm bộ đồng xử lý tín hiệu ngoại vi (Coprocessor), giảm tải $100%$ tác vụ đo xung cho PLC trung tâm.
  2. Giải pháp cách ly tín hiệu công nghiệp hoàn toàn: Sử dụng tầng đệm Optocoupler quang PC817 trên board relay 5V giúp chuyển đổi hoàn hảo từ mức điện áp vi xử lý $5\text{V TTL}$ sang mức công nghiệp $24\text{V HTL}$, giải quyết triệt để vấn đề xung đột ground và triệt tiêu xung gai điện áp ngược từ cuộn hút Solenoid.
  3. Hiệu quả kinh tế vượt trội: Tiết kiệm hơn $75%$ chi phí phần cứng so với các hệ thống phân loại dùng Camera công nghiệp thông thường, trong khi vẫn đáp ứng trọn vẹn yêu cầu kiểm soát chất lượng của các xưởng sản xuất vừa và nhỏ.

Ứng dụng thực tế và triển khai

+---------------------------------------------------------------------------------------+
|                          LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI VÀ THƯƠNG MẠI HÓA                        |
+---------------------------------------------------------------------------------------+
| GIAI ĐOẠN 1: Chuẩn hóa module & Buồng tối che sáng chống nhiễu (Tháng 1 - 2)          |
|   - Tích hợp vòng đệm LED chiếu sáng vòng cố định cường độ lux.                       |
+-------------------------------------------+-------------------------------------------+
                                            |
+-------------------------------------------v-------------------------------------------+
| GIAI ĐOẠN 2: Tích hợp Giao diện SCADA / HMI Siemens KTP700 Basic (Tháng 3 - 4)        |
|   - Giám sát thời gian thực số lượng phôi đạt chuẩn/phế phẩm qua cổng PROFINET.       |
+-------------------------------------------+-------------------------------------------+
                                            |
+-------------------------------------------v-------------------------------------------+
| GIAI ĐOẠN 3: Thử nghiệm thực địa tại xưởng đóng gói nông sản / tái chế nhựa (Tháng 5+)|
|   - Hoàn vốn đầu tư (ROI) ước tính chỉ sau 4.5 tháng vận hành liên tục.               |
+---------------------------------------------------------------------------------------+

Lĩnh vực ứng dụng thực tế

  • Chế biến nông sản xuất khẩu: Phân loại cà chua, ớt, quả ngọt theo độ chín (thông qua chuyển đổi màu sắc vỏ từ xanh sang đỏ/vàng).
  • Công nghiệp tái chế nhựa: Tách các nắp chai HDPE/PET theo màu sắc riêng biệt trước khi đưa vào máy nghiền hạt nhựa tái sinh.
  • Dây chuyền logistics - bưu chính: Nhận dạng nhãn dán định tuyến bưu kiện được mã hóa theo các dải màu quy ước.

Phân tích tài chính và hoàn vốn (ROI)

  • Chi phí gia công chế tạo hệ thống hoàn chỉnh: $\approx 9.500.000\text{ VNĐ}$.
  • Thay thế 01 nhân công phân loại thủ công (lương trung bình $7.000.000\text{ VNĐ/tháng}$).
  • Thời gian thu hồi vốn đầu tư (Payback Period): $$\text{Thời gian hoàn vốn} = \frac{9.500.000\text{ VNĐ}}{7.000.000\text{ VNĐ/tháng}} \approx 1.35\text{ tháng}$$ Hiệu quả tài chính đặc biệt rõ nét ngay trong quý đầu tiên vận hành.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Cảm biến TCS3200 sử dụng các photodiode nhạy cảm với ánh sáng tự nhiên bên ngoài; khi ánh sáng môi trường thay đổi đột ngột giữa ban ngày và ban đêm, ngưỡng xung nhận dạng màu vàng có thể bị lệch.
  • Hành trình piston khí nén MAL $16 \times 100$ vận hành theo dạng đóng-ngắt (On-Off) thuần túy bằng Solenoid 5/2, chưa tích hợp van tiết lưu điều chỉnh vận tốc êm dịu, gây rung động cơ khí nhẹ khi chạy ở tần suất cao.

Hướng phát triển hoàn thiện

  • Nâng cấp cảm biến: Thay thế TCS3200 bằng cảm biến màu sắc công nghiệp chuẩn giao tiếp $I^2C$ hoặc sử dụng Camera cảm biến gắn nhúng Raspberry Pi chạy thư viện OpenCV để nhận diện đồng thời cả hình học lẫn màu sắc.
  • Tích hợp IoT Công nghiệp: Kết nối PLC S7-1200 lên hệ thống Cloud thông qua giao thức MQTT/OPC UA để phục vụ công tác giám sát dữ liệu sản xuất từ xa theo định hướng Smart Factory.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo toàn diện về phương pháp tích hợp PLC Siemens với vi điều khiển mã nguồn mở và hệ thống truyền động điện - khí nén.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống (System Integrators): Nắm vững kỹ thuật cách ly tín hiệu, bảo vệ phần cứng khi kết nối các thiết bị ngoại vi không cùng dải điện áp công nghiệp.
  • Doanh nghiệp vừa, nhỏ và cơ sở sản xuất: Sở hữu phương án tự động hóa dây chuyền chi phí thấp, thời gian hoàn vốn nhanh và khả năng vận hành bền bỉ.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn cấp và áp suất khí nén để hệ thống vận hành liên tục là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới $220\text{V AC}/50\text{Hz}$ qua nguồn xung tổ ong $24\text{V DC} - 5\text{A}$ có tích hợp mạch bảo vệ chạm chập. Khí nén cấp cho hệ thống cần được lọc sạch bụi nước qua bộ lọc đôi (Air Filter & Regulator) với áp suất duy trì ổn định từ $0.4\text{ MPa}$ đến $0.6\text{ MPa}$ ($4 - 6\text{ bar}$).

2. Làm thế nào để mở rộng hệ thống từ phân loại 3 màu lên 5 hoặc nhiều màu hơn?

Người lập trình chỉ cần hiệu chỉnh lại dải tần số $R, G, B$ trong mã nguồn Arduino Uno R3 để lấy mẫu thêm các màu mới (ví dụ: Xanh lá, Cam, Trắng), sau đó bổ sung thêm các ngõ ra Digital (từ chân $D12, D13$) kết nối qua Relay trung gian về các ngõ vào còn trống của PLC S7-1200 CPU 1214C (PLC có sẵn 14 ngõ vào số DI).

3. Tại sao không nối trực tiếp tín hiệu từ Arduino sang ngõ vào PLC S7-1200?

Mức logic ngõ ra của Arduino Uno R3 là $5\text{V TTL}$ (mức cao $\approx 5\text{V}$), trong khi ngõ vào số của PLC S7-1200 CPU 1214C yêu cầu mức điện áp logic chuẩn $24\text{V HTL}$ (mức cao từ $15\text{V}$ đến $30\text{V DC}$). Nếu nối trực tiếp, PLC sẽ không thể nhận diện được tín hiệu ($5\text{V}$ vẫn bị hiểu là mức logic 0). Đồng thời, việc sử dụng Relay Opto giúp cách ly quang hoàn toàn, bảo vệ vi điều khiển khỏi các hiện tượng sốc điện và nhiễu từ trường công nghiệp.

4. Hệ thống cần bảo trì định kỳ những hạng mục nào?

Cần vệ sinh bề mặt thấu kính cảm biến TCS3200 và mắt thu phát hồng ngoại E3F-DS30C1 mỗi tuần một lần bằng khăn mềm khô để tránh bụi bám làm sai lệch quang thông. Kiểm tra bình xả đáy bộ lọc khí nén và độ căng của dây đai băng tải cao su định kỳ mỗi tháng.

5. Chi phí dự toán chi tiết và thời gian hoàn vốn cho cơ sở sản xuất nhỏ?

Tổng chi phí chế tạo hệ thống mẫu xấp xỉ $9.500.000\text{ VNĐ}$ (Bao gồm PLC S7-1200 cũ/mới, linh kiện khí nén Airtac, khung nhôm định hình, cảm biến và động cơ). Với năng suất làm việc thay thế tương đương 1 lao động phổ thông, hệ thống giúp tiết kiệm chi phí và đạt điểm hòa vốn sau khoảng 1.5 tháng sử dụng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng PLC S7-1200" của tác giả Nguyễn Quốc Nghĩa đã chứng minh tính khả thi, độ tin cậy và hiệu quả kỹ thuật vượt trội của mô hình tự động hóa phân cấp. Việc kết hợp linh hoạt giữa năng lực điều khiển công nghiệp mạnh mẽ, bền bỉ của dòng PLC Siemens S7-1200 với khả năng xử lý tín hiệu tần số linh hoạt của cảm biến quang học TCS3200 thông qua tầng cách ly an toàn đã giải quyết triệt để bài toán phân loại sản phẩm đơn sắc với chi phí đầu tư tối thiểu. Kết quả thử nghiệm đạt độ chính xác $94.0%$ là nền tảng vững chắc để chuyển giao, nhân rộng và ứng dụng trực tiếp vào các dây chuyền phân loại công nghiệp thực tế. Quý độc giả, sinh viên và doanh nghiệp quan tâm có thể tiếp tục kế thừa cấu trúc phần cứng và mã nguồn thuật toán này để nâng cấp thêm các tính năng giám sát SCADA/IoT chuyên sâu.