Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập kinh tế quốc tế, việc ứng dụng các dây chuyền máy móc tự động hóa vào sản xuất đóng vai trò quyết định nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Trong các nhà xưởng và xí nghiệp, khâu phân loại sản phẩm sau chế tạo hoặc thu hoạch là bài toán thực tiễn quan trọng. Phương thức phân loại thủ công bằng sức người bộc lộ nhiều hạn chế: công việc có tính chất lặp lại đòi hỏi sự tập trung cao, công nhân dễ mệt mỏi dẫn đến sai sót, đặc biệt là khi phải phân biệt các chi tiết kỹ thuật hoặc chênh lệch trọng lượng nhỏ mà mắt thường khó nhận biết, gây ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và uy tín doanh nghiệp.

Mặc dù các hệ thống phân loại tự động hiện đại đã xuất hiện trên thị trường, chi phí đầu tư cho các dây chuyền này còn tương đối cao so với điều kiện tài chính của phần lớn doanh nghiệp vừa và nhỏ tại Việt Nam. Do đó, việc nghiên cứu, thiết kế một hệ thống phân loại tự động có chi phí hợp lý, vận hành ổn định là yêu cầu cấp thiết. Đề tài "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo 4 mức trọng lượng sử dụng PLC S7-1200" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Anh Quý, dưới sự hướng dẫn của TS. Quách Đức Cường tại Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (năm 2023), nhằm giải quyết bài toán tự động hóa quy trình phân loại sản phẩm theo khối lượng.

Theo Phiếu giao đề tài tốt nghiệp, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:

  1. Tìm hiểu tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm theo trọng lượng và các kỹ thuật điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm theo trọng lượng.
  2. Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo trọng lượng với các thông số kỹ thuật:
    • Phân loại chính xác 4 mức trọng lượng sản phẩm;
    • Vận tốc di chuyển của băng tải đạt $1\text{ m/s}$;
    • Mức tải trọng làm việc của băng tải đạt $50\text{ kg}$;
    • Tích hợp chức năng đếm số lượng sản phẩm tự động;
    • Điều khiển trung tâm sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200.
  3. Khai thác và ứng dụng các phần mềm máy tính chuyên ngành để thiết kế mô hình, lập trình điều khiển và mô phỏng hệ thống phân loại sản phẩm theo trọng lượng.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng tích hợp cơ cấu truyền động băng tải, cảm biến đo lực Loadcell, cơ cấu chấp hành khí nén và hệ thống điều khiển tự động PLC.
  • Phạm vi và giới hạn kỹ thuật:
    • Dải đo khối lượng sản phẩm từ $0\text{ kg}$ đến $50\text{ kg}$;
    • Khả năng chịu quá tải an toàn của hệ thống cân đạt $50\text{ kg}$;
    • Phân loại sản phẩm thành 4 mức khối lượng riêng biệt;
    • Cảm biến nhận dạng được mọi loại sản phẩm trên băng chuyền;
    • Kích thước mô hình thiết kế: $600 \times 80 \times 100\text{ (mm)}$;
    • Hệ thống cơ cấu đẩy sử dụng 5 xilanh khí nén 2 chiều (piston);
    • Động cơ truyền động băng tải sử dụng động cơ điện;
    • Nguồn điện cung cấp gồm điện áp xoay chiều $220\text{VAC}$ và điện áp một chiều $24\text{VDC}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết điều khiển tự động hóa công nghiệp, kỹ thuật đo lường cảm biến và tính toán truyền động cơ khí:

  • Khung lý thuyết và công nghệ:

    • Bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200: Nghiên cứu kiến trúc phần cứng, cấu trúc các vùng nhớ (Load Memory, Work Memory, System Memory, Retentive Memory), các phương thức xử lý tín hiệu số (DI/DQ) và tín hiệu tương tự (AI/AQ), cùng tính năng bảo mật (password protection, know-how protection).
    • Hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát SCADA: Cơ sở xây dựng giao diện điều khiển giám sát người - máy (HMI/SCADA) trên nền tảng phần mềm WinCC Runtime.
    • Nguyên lý đo lường lực và biến đổi tín hiệu: Hoạt động của cảm biến tải trọng Loadcell dựa trên cầu điện trở biến dạng (Strain Gauge) và mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự JY-S60 sang chuẩn điện áp/dòng điện công nghiệp.
    • Lý thuyết truyền động băng tải: Các công thức cơ học tính toán lực kéo, lực cản ma sát và công suất động cơ điện truyền động băng tải nằm ngang.
    • Lý thuyết điều khiển khí nén: Nguyên lý hoạt động của xilanh tác động kép (2 chiều), van điện từ đảo chiều khí nén $5/2$ và van điều áp khí nén.

  • Phương pháp nghiên cứu:

    • Phương pháp phân tích - tính toán kỹ thuật: Tính toán lực cản dịch chuyển hàng hóa, lực cản ma sát không tải và xác định công suất định mức cần thiết cho động cơ truyền động băng tải dựa trên các hệ số dự trữ công suất và hiệu suất truyền động.
    • Phương pháp thiết kế hệ thống phần cứng: Lựa chọn và phối ghép các thiết bị điện - khí nén (PLC CPU 1214C DC/DC/DC, rơ le trung gian 24VDC, cảm biến quang NPN E3F-DS30C4, nguồn tổ ong, van điện từ SYJ3140-5LZ, van điều áp TPC PR2).
    • Phương pháp lập trình và mô phỏng: Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tuần tự; lập trình điều khiển bằng ngôn ngữ Ladder (LAD) trên phần mềm TIA Portal V15; thiết kế giao diện vận hành, gắn tag và mô phỏng hệ thống trên WinCC Runtime Advanced kết nối PLC SIM.

  • Nguồn dữ liệu: Tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của hãng Siemens về dòng PLC S7-1200, tài liệu kỹ thuật cảm biến Loadcell $50\text{kg}$, bộ khuếch đại tín hiệu JY-S60, cảm biến quang E3F-DS30C4, van khí nén SMC và bảng tra cứu thông số động cơ không đồng bộ ba pha hãng Hem.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh từ khâu tính toán công suất động lực, lựa chọn thiết bị phần cứng, xây dựng sơ đồ đấu nối mạch điện đến lập trình logic và thiết kế giao diện điều khiển giám sát.

1. Tính toán và lựa chọn động cơ truyền động băng tải

Với các yêu cầu công nghệ: băng tải dài $L = 15\text{ m}$, khối lượng hàng phân bố $\sigma = 10\text{ kg/m}$, vận tốc $v = 1\text{ m/s}$, góc nghiêng $\beta = 0^\circ$ (băng tải nằm ngang), công suất động cơ được tính toán qua các bước:

  • Lực và công suất dịch chuyển thùng hàng (có tải): $$F_1 = L \cdot \sigma \cdot K_1 = 15 \cdot 10 \cdot 0{,}5 \cdot 9{,}81 = 735\text{ N}$$ $$P_1 = F_1 \cdot v \cdot 10^{-3} = 735 \cdot 1 \cdot 10^{-3} = 0{,}735\text{ kW}$$ (trong đó $K_1 = 0{,}5$ là hệ số dịch chuyển vật liệu).

  • Lực cản và công suất do ma sát khi băng tải chạy không tải: $$F_2 = 2 \cdot L \cdot \sigma \cdot K_2 \cdot \cos(0^\circ) = 2 \cdot 15 \cdot 10 \cdot 0{,}05 \cdot 9{,}81 = 147\text{ N}$$ $$P_2 = F_2 \cdot v \cdot 10^{-3} = 147 \cdot 1 \cdot 10^{-3} = 0{,}147\text{ kW}$$ (trong đó $K_2 = 0{,}05$ là hệ số lực cản không tải).

  • Do băng tải nằm ngang nên công suất nâng tải $P_3 = 0\text{ kW}$.

  • Công suất tĩnh tổng cộng: $$P = P_1 + P_2 + P_3 = 0{,}735 + 0{,}147 + 0 = 0{,}882\text{ kW}$$

  • Công suất động cơ truyền động yêu cầu (với hệ số dự trữ $K_3 = 1{,}2 \div 1{,}25$ và hiệu suất truyền động $\eta = 0{,}8$): $$P_{\text{đc}} = K_3 \cdot \frac{P}{\eta} = 1{,}2 \cdot \frac{0{,}882}{0{,}8} = 1{,}323\text{ kW}$$

Tác giả lựa chọn động cơ không đồng bộ 3 pha hãng Hem với công suất định mức $P = 1{,}5\text{ kW}$.

Thông số kỹ thuật Giá trị
Hãng sản xuất Hem (Việt Nam)
Loại động cơ Không đồng bộ 3 pha
Công suất định mức $1{,}5\text{ kW}$
Điện áp định mức $220/380\text{V} - 50\text{Hz}$
Dòng điện định mức $6{,}3 / 3{,}6\text{ A}$
Tốc độ vòng quay $1400\text{ vòng/phút}$
Hiệu suất ($\eta$) $77%$
Hệ số công suất ($\cos\varphi$) $0{,}81$
Tỷ số mômen cực đại ($M_{\max}/M_{\text{đm}}$) $2{,}2$
Tỷ số mômen khởi động ($M_{\text{kđ}}/M_{\text{đm}}$) $2{,}2$
Tỷ số dòng điện khởi động ($I_{\text{kđ}}/I_{\text{đm}}$) $5$
Trọng lượng $23\text{ kg}$

2. Cấu hình thiết bị phần cứng hệ thống

Tên thiết bị Model / Thông số kỹ thuật Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình (PLC) Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (14 DI, 10 DQ, 2 AI tích hợp, Work Memory: 100 KB, Load Memory: 4 MB) Xử lý trung tâm, tiếp nhận tín hiệu cảm biến và điều khiển cơ cấu chấp hành
Cảm biến tải trọng Loadcell dạng thanh, dải cân $50\text{ kg}$, độ nhạy $1{,}0 \pm 1{,}5%\text{ mV/V}$, quá tải an toàn $150%$ FS Đo khối lượng sản phẩm đặt ở đầu băng tải
Bộ khuếch đại tín hiệu cân JY-S60 (Nguồn $12\div24\text{VDC}$, ngõ ra $0\div5\text{V}$, $0\div10\text{V}$ hoặc $4\div20\text{mA}$, độ chính xác $>0{,}1%$ FS) Chuyển đổi tín hiệu $\text{mV}$ từ Loadcell sang tín hiệu điện áp chuẩn đưa vào chân AI của PLC
Cảm biến vị trí Cảm biến quang khoảng cách NPN E3F-DS30C4 ($5\div30\text{cm}$, thường mở NO, nguồn $10\div30\text{VDC}$) 4 cảm biến gắn tại 4 vị trí trên băng tải để phát hiện sản phẩm đi qua
Xilanh khí nén Xilanh tác động kép (2 chiều) 5 xilanh: Xilanh 1 đẩy phôi lên cân, Xilanh 2 đẩy phôi lên băng tải, Xilanh 3, 4, 5 đẩy sản phẩm mức 1, 2, 3 vào thùng
Cụm van điện từ SMC SYJ3140-5LZ, cuộn hút $24\text{VDC}$ Đảo chiều khí nén điều khiển hành trình tiến/lùi của các piston xilanh
Van điều áp TPC PR2 (cổng $1/4$, $1/8$, cổng đo $1/16$) Ổn định và duy trì áp suất khí nén cấp cho hệ thống
Bộ nguồn tổ ong Nguồn xung $220\text{VAC} \rightarrow 24\text{VDC}$, công suất $48\text{W}$, dòng ra ổn định Cấp nguồn $24\text{VDC}$ cho PLC, cảm biến, relay và van điện từ
Relay trung gian Idec RU4S-D24 ($24\text{VDC}$) Cách ly và đệm công suất giữa ngõ ra Transistor của PLC và cuộn van điện từ

3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý và đấu nối

Hệ thống được thiết kế với các khối mạch điện hoàn chỉnh:

  • Mạch cấp nguồn: Nguồn xoay chiều $220\text{VAC}$ cấp qua Aptomat đến bộ nguồn tổ ong $24\text{VDC}$ ($48\text{W}$) để cung cấp điện áp một chiều nuôi CPU 1214C và các mạch điều khiển.
  • Mạch ngõ vào (Input): 4 cảm biến quang NPN E3F-DS30C4 được cấp nguồn $24\text{VDC}$ (dây nâu $+24\text{V}$, dây xanh $0\text{V}$), dây tín hiệu (đen) đưa về các cổng ngõ vào số DI của PLC. Tín hiệu từ Loadcell qua bộ khuếch đại JY-S60 được đưa vào kênh ngõ vào tương tự AI.
  • Mạch ngõ ra (Output): Các ngõ ra số DQ dạng Transistor kích đóng cuộn dây của các rơ le trung gian $24\text{VDC}$, tiếp điểm rơ le điều khiển cấp nguồn cho cuộn coil của van điện từ khí nén SYJ3140-5LZ.
  • Hệ thống khí nén: Nguồn khí nén qua van điều áp TPC PR2 được cấp đến cụm van điện từ $5/2$ để dẫn khí vào 2 cổng của các xilanh tác động kép.

4. Thuật toán điều khiển và giao diện giám sát SCADA

Quy trình công nghệ vận hành theo các bước tuần tự:

[Ấn START] 
[Xilanh 1 đẩy sản phẩm vào bàn cân Loadcell]
[Cân Loadcell & JY-S60 xác định khối lượng -> PLC phân loại Mức 1, 2, 3 hoặc 4]
[Xilanh 2 đẩy sản phẩm từ bàn cân lên băng chuyền đang chạy]
[Cập nhật bộ đếm sản phẩm & hiển thị lên màn hình WinCC]
[Lặp lại chu trình cho đến khi ấn STOP]
  • Chương trình PLC: Lập trình trên TIA Portal V15 bằng ngôn ngữ Ladder (LAD). Cấu trúc chương trình bao gồm khối tổ chức chính OB1 (Program Cycle OB) điều phối toàn bộ chu trình quét và các khối hàm chức năng FC để xử lý chuyển đổi giá trị analog từ cân và thực thi điều khiển đóng cắt ngõ ra.
  • Giao diện SCADA trên WinCC Runtime Advanced: Thiết kế bảng điều khiển trực quan gồm các nút nhấn Start/Stop, đồ họa mô phỏng băng chuyền, vị trí 5 xilanh khí nén, ô hiển thị giá trị cân theo thời gian thực và 4 ô hiển thị số lượng sản phẩm đếm được cho 4 thùng hàng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng

Chương 1 phân tích bức tranh tổng quan về các công nghệ phân loại sản phẩm tự động trong công nghiệp hiện đại:

  • Phân loại theo chiều cao/kích thước bằng cảm biến quang;
  • Phân loại theo màu sắc sử dụng cảm biến phân tích tỉ lệ ba màu cơ bản RGB (như cảm biến E3MC tích hợp bộ lọc phân cực đa lớp FAO);
  • Phân loại sử dụng camera/webcam kết hợp thuật toán xử lý ảnh đối sánh với mẫu gốc;
  • Phân loại theo mã vạch và phân loại theo khối lượng.

Tác giả chỉ rõ lý do lựa chọn phân loại theo khối lượng: phương pháp này có khả năng ứng dụng rộng rãi (nông sản, hoa quả, bưu phẩm, thùng hàng công nghiệp), dễ dàng thay đổi ngưỡng cài đặt trong phần mềm và mang lại hiệu quả kinh tế cao. Đồng thời, chương 1 mô tả chi tiết nguyên lý hoạt động 4 mức trọng lượng, xác định các yêu cầu kỹ thuật cần giải quyết và xác lập phạm vi giới hạn mô hình ($0\div50\text{ kg}$, kích thước $600 \times 80 \times 100\text{ mm}$).

Chương 2: Giới thiệu về PLC S7-1200 và các linh kiện sử dụng

Chương 2 trình bày chi tiết về phần cứng điều khiển và thiết bị ngoại vi:

  • Đánh giá dòng PLC Siemens S7-1200: Ra đời năm 2009 thay thế dòng S7-200, tích hợp sẵn microprocessor, cổng PROFINET (Ethernet, TCP/IP), ngõ vào/ra số và tương tự, hỗ trợ các khối truyền thông mở rộng RS485/RS232.
  • Phân loại S7-1200:
    • Theo kiểu nguồn/ngõ ra: DC/DC/DC, DC/DC/RLY, AC/DC/RLY (so sánh ngõ ra Transistor đóng cắt nhanh $100\text{kHz}$ với ngõ ra Relay đóng cắt tối đa $10\text{Hz}$).
    • Theo năng lực CPU: CPU 1211C, 1212C, 1214C, 1215C, 1217C.
  • Cơ sở chọn CPU 1214C DC/DC/DC: Ngõ ra DC $24\text{V}$ phù hợp kích rơ le trung gian điều khiển van khí nén và băng tải; tích hợp $14\text{ DI} / 10\text{ DQ} / 2\text{ AI}$ đủ số lượng I/O yêu cầu mà không cần gắn thêm module mở rộng đắt tiền; dung lượng bộ nhớ (100 KB work memory, 4 MB load memory) đáp ứng tốt bài toán.
  • Tính toán và chọn thiết bị ngoại vi: Tính toán công suất động cơ băng tải ($P_{\text{đc}} = 1{,}323\text{ kW} \rightarrow$ chọn động cơ Hem 3 pha $1{,}5\text{ kW}$); tính chọn cảm biến Loadcell $50\text{ kg}$, bộ khuếch đại JY-S60 ($0{,}1%$ FS), cảm biến quang NPN E3F-DS30C4 ($5\div30\text{ cm}$), bộ nguồn tổ ong $24\text{VDC}$ ($48\text{W}$), rơ le Idec RU4S-D24, cụm van điện từ SYJ3140-5LZ và van điều áp TPC PR2.
  • Hệ thống bản vẽ đấu nối: Cung cấp chi tiết bản vẽ cấp nguồn $220\text{V}/24\text{V}$, sơ đồ đấu nối I/O cho PLC, sơ đồ cấp khí nén cho 5 xilanh và mạch kết nối Loadcell với JY-S60.

Chương 3: Xây dựng chương trình điều khiển và giám sát trên WinCC

Chương 3 tập trung vào thuật toán, cấu trúc chương trình PLC và giao diện SCADA:

  • Yêu cầu công nghệ và lưu đồ thuật toán: Thiết lập lưu đồ thuật toán tuần tự với đầy đủ các khối chức năng: Start/Stop, Operation, Decision, I/O, Subroutine.
  • Lựa chọn ngôn ngữ lập trình: So sánh 5 ngôn ngữ theo tiêu chuẩn IEC 61131-3 (LAD, FBD, SCL, SFC, IL). Tác giả lựa chọn ngôn ngữ Ladder (LAD) do cấu trúc bậc thang tương đồng mạch điện công nghiệp, trực quan, hỗ trợ ghi chú thích và cho phép chỉnh sửa online thuận tiện.
  • Cấu trúc các khối block trong PLC: Phân tích chức năng khối tổ chức OB (Program Cycle OB1, Startup OB, Time delay interrupt OB20, Cyclic interrupt OB30, Hardware interrupt OB40, Diagnostic interrupt OB82) và khối hàm chức năng FC.
  • Thiết kế SCADA trên WinCC (TIA Portal V15): Xây dựng kết nối mạng giữa PLC S7-1200 và trạm PC System (SIMATIC PC - WinCC Runtime Advanced); quản lý bảng PLC Tags; cấu hình và gán tag vào các đối tượng đồ họa; hoàn thiện màn hình giám sát hiển thị trạng thái xilanh, khối lượng thực tế và bộ đếm sản phẩm cho 4 mức.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả chính đạt được

  • Thiết kế phần cứng hoàn chỉnh: Lựa chọn chính xác cấu hình PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC cùng hệ thống thiết bị đo lường và chấp hành gồm: cảm biến Loadcell $50\text{ kg}$, mạch khuếch đại JY-S60, 4 cảm biến quang NPN E3F-DS30C4, 5 xilanh khí nén 2 chiều, cụm van điện từ SYJ3140-5LZ và bộ nguồn tổ ong $24\text{VDC}$ ($48\text{W}$).
  • Tính toán động lực học chính xác: Xác lập công thức và tính toán đầy đủ các thành phần công suất kéo tải ($P_1 = 0{,}735\text{ kW}$), công suất ma sát không tải ($P_2 = 0{,}147\text{ kW}$), tổng công suất tĩnh ($P = 0{,}882\text{ kW}$) và công suất động cơ yêu cầu ($P_{\text{đc}} = 1{,}323\text{ kW}$), từ đó lựa chọn động cơ Hem 3 pha $1{,}5\text{ kW}$ ($1400\text{ vòng/phút}$) đáp ứng yêu cầu tải trọng $50\text{ kg}$ ở vận tốc $1\text{ m/s}$.
  • Chương trình điều khiển ổn định: Xây dựng thành công chương trình điều khiển bằng ngôn ngữ Ladder (LAD) trên TIA Portal V15, xử lý chính xác tín hiệu tương tự từ Loadcell để phân loại sản phẩm thành 4 dải khối lượng độc lập.
  • Giao diện SCADA trực quan: Thiết kế giao diện WinCC Runtime Advanced cho phép người vận hành điều khiển Start/Stop, theo dõi trạng thái hoạt động của cơ cấu khí nén, giám sát khối lượng sản phẩm tức thời và ghi nhận chính xác số lượng sản phẩm ở từng thùng chứa.

2. Đóng góp của đề tài

  • Đưa ra giải pháp tự động hóa hoàn chỉnh cho bài toán phân loại sản phẩm theo khối lượng có chi phí hợp lý, phù hợp với quy mô ứng dụng của các doanh nghiệp vừa và nhỏ.
  • Giúp thay thế sức lao động thủ công trong các công việc lặp lại, loại bỏ sai sót chủ quan của con người, nâng cao năng suất đóng gói và tạo điều kiện thuận lợi cho việc thống kê, quản lý dữ liệu sản xuất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Đề tài tập trung vào việc tính toán lý thuyết, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện - khí nén và lập trình mô phỏng trên phần mềm (TIA Portal V15 và WinCC Runtime Advanced), chưa tiến hành gia công cơ khí và chế tạo mô hình phần cứng thực tế hoàn chỉnh để kiểm nghiệm sai số thực nghiệm.
    • Phạm vi tải trọng giới hạn ở mức tối đa $50\text{ kg}$ và kích thước mô hình giới hạn ở mức $600 \times 80 \times 100\text{ (mm)}$.

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Thi công lắp ráp mô hình cơ khí thực tế, tích hợp hoàn chỉnh hệ thống điện - khí nén theo các bản vẽ thiết kế để đánh giá độ trễ cơ học và độ ổn định của cảm biến Loadcell trong điều kiện rung động thực tế của băng tải.
    • Mở rộng dải phân loại (tăng số mức trọng lượng) hoặc tích hợp thêm các phương pháp nhận dạng đa thông số trên cùng dây chuyền (kết hợp đo khối lượng với cảm biến màu sắc hoặc camera xử lý ảnh).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện tử Công nghiệp, Cơ điện tử và Kỹ thuật Hệ thống Công nghiệp.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  1. Phương pháp tính toán cơ sở động lực học và chọn công suất động cơ truyền động băng tải có tải và không tải.
  2. Quy trình ghép nối và chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến lực Loadcell vào ngõ vào AI của PLC S7-1200 thông qua bộ chuyển đổi chuẩn JY-S60.
  3. Bản vẽ thiết kế nguyên lý cấp nguồn $24\text{VDC}$, sơ đồ đấu nối I/O cho PLC S7-1200 và mạch điều khiển van điện từ khí nén qua rơ le trung gian.
  4. Kỹ thuật lập trình Ladder (LAD) trên TIA Portal V15 kết hợp thiết kế giao diện điều khiển giám sát SCADA trên nền tảng WinCC Runtime Advanced.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả lựa chọn dòng CPU 1214C DC/DC/DC cho hệ thống phân loại này?
Tác giả lựa chọn CPU 1214C DC/DC/DC vì 4 lý do: (1) Ngõ ra dạng Transistor (DC) có tần số đóng cắt nhanh ($100\text{kHz}$), thích hợp xuất điện áp $24\text{VDC}$ kích rơ le trung gian điều khiển van điện từ và băng tải; (2) Số lượng ngõ vào/ra tích hợp sẵn gồm $14\text{ DI} / 10\text{ DQ} / 2\text{ AI}$, đủ đáp ứng số lượng cảm biến quang, Loadcell và van khí nén của hệ thống mà không cần mua thêm module mở rộng; (3) Giá thành hợp lý hơn so với CPU 1215C hoặc 1217C; (4) Dung lượng bộ nhớ (100 KB work memory, 4 MB load memory) đáp ứng tốt yêu cầu xử lý logic và analog của đề tài.

2. Công suất động cơ truyền động băng tải được tính toán như thế nào?
Công suất động cơ được tính toán qua 3 thành phần: công suất di chuyển hàng $P_1 = 0{,}735\text{ kW}$ (ứng với lực kéo $F_1 = 735\text{ N}$ trên chiều dài $15\text{ m}$, tải $10\text{ kg/m}$, hệ số $K_1 = 0{,}5$); công suất khắc phục ma sát không tải $P_2 = 0{,}147\text{ kW}$ (lực cản $F_2 = 147\text{ N}$, hệ số $K_2 = 0{,}05$); công suất nâng tải $P_3 = 0\text{ kW}$ (do băng tải nằm ngang). Tổng công suất tĩnh $P = 0{,}882\text{ kW}$. Với hiệu suất truyền động $\eta = 0{,}8$ và hệ số dự trữ $K_3 = 1{,}2$, công suất tính toán yêu cầu là $P_{\text{đc}} = 1{,}323\text{ kW}$. Tác giả chọn động cơ không đồng bộ ba pha Hem công suất định mức $1{,}5\text{ kW}$ ($1400\text{ vòng/phút}$).

3. Tín hiệu từ cảm biến Loadcell được chuyển đổi và xử lý qua các thiết bị nào trước khi vào PLC?
Cảm biến Loadcell $50\text{ kg}$ xuất tín hiệu điện áp nhỏ dạng $\text{mV/V}$ (độ nhạy $1{,}0 \pm 1{,}5%\text{ mV/V}$) với điện áp hoạt động $5\text{V}$. Tín hiệu này được đưa qua bộ khuếch đại chuyển đổi JY-S60 (cấp nguồn $12\div24\text{VDC}$, độ chính xác $>0{,}1%$ FS). Tại đây, JY-S60 khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu thành dải điện áp $0\div5\text{V}$ hoặc $0\div10\text{V}$ (hoặc dòng điện $4\div20\text{mA}$) trước khi đưa vào kênh ngõ vào tương tự AI tích hợp trên CPU 1214C để PLC tính toán khối lượng thực tế.

4. Trình tự tác động của các xilanh khí nén trong chu trình phân loại diễn ra như thế nào?
Hệ thống sử dụng 5 xilanh khí nén 2 chiều: Xilanh 1 đẩy sản phẩm vào bàn cân Loadcell ở đầu băng chuyền. Sau khi xác định được mức trọng lượng, Xilanh 2 đẩy sản phẩm lên mặt băng tải đang chạy. Khi sản phẩm di chuyển trên băng tải: nếu thuộc Mức 1, khi qua cảm biến quang 1, Xilanh 3 đẩy sản phẩm vào thùng 1; nếu thuộc Mức 2, khi qua cảm biến quang 2, Xilanh 4 đẩy sản phẩm vào thùng 2; nếu thuộc Mức 3, khi qua cảm biến quang 3, Xilanh 5 đẩy sản phẩm vào thùng 3; nếu thuộc Mức 4, sản phẩm tiếp tục đi đến cuối băng tải, gặp cảm biến quang 4 và tự động rơi vào thùng số 4.

5. Hệ thống giám sát SCADA trên WinCC cung cấp những chức năng gì cho người vận hành?
Giao diện SCADA WinCC Runtime Advanced cung cấp các chức năng: (1) Nút nhấn điều khiển khởi động (Start) và dừng (Stop) toàn bộ hệ thống; (2) Giám sát trực quan trạng thái đóng/ngắt của băng chuyền và hành trình đẩy của 5 xilanh khí nén; (3) Hiển thị giá trị khối lượng sản phẩm đo được theo thời gian thực từ cảm biến Loadcell; (4) Tự động đếm và hiển thị số lượng sản phẩm đã phân loại vào từng thùng chứa riêng biệt tương ứng với 4 mức trọng lượng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo 4 mức trọng lượng sử dụng PLC S7-1200" của tác giả Nguyễn Anh Quý đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế và mô phỏng hệ thống tự động hóa dây chuyền phân loại công nghiệp. Tác giả đã thực hiện bài bản các nội dung từ tính toán động lực học cơ khí, lựa chọn cấu hình thiết bị điện - khí nén (PLC S7-1200 CPU 1214C, Loadcell $50\text{kg}$, JY-S60, xilanh khí nén 2 chiều), đến xây dựng thuật toán điều khiển Ladder và thiết kế giao diện giám sát SCADA trên WinCC Runtime Advanced. Kết quả nghiên cứu đáp ứng trọn vẹn các yêu cầu công nghệ đặt ra về phân loại 4 mức tải trọng, tốc độ vận hành $1\text{ m/s}$ và kiểm soát số lượng sản phẩm, là tài liệu tham khảo có giá trị cao cho sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.