Thiết kế điều khiển giám sát hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

Đồ án thiết kế điều khiển và giám sát hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng PLC và SCADA. Chi tiết nguyên lý hoạt động, sơ đồ kết nối và code.

• Tác giả: Trần Văn A
• Người hướng dẫn: Vũ Tuấn Anh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế điều khiển giám sát hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án phân loại sản phẩm theo màu sắc PLC S7 1200

Tự động hóa công nghiệp đóng vai trò then chốt trong sản xuất hiện đại. Quá trình phân loại thủ công bộc lộ nhiều điểm hạn chế về tốc độ và độ chuẩn xác. Do đó, đồ án phân loại sản phẩm theo màu sắc PLC S7-1200 ra đời như giải pháp thiết thực. Mô hình kết hợp chặt chẽ giữa cơ khí chính xác, mạch điện điều khiển và chương trình phần mềm. Hệ thống vận chuyển phôi liên tục qua băng chuyền dẫn động bằng động cơ điện một chiều. Khi sản phẩm di chuyển, cảm biến nhận biết màu sắc sẽ thu thập tín hiệu quang học và gửi về bộ xử lý trung tâm. PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C tiếp nhận dữ liệu, thực hiện so sánh logic và kích hoạt các van khí nén tương ứng. Xi lanh khí nén tác động lực đẩy đưa phôi vào đúng khay chứa quy định. Toàn bộ chu trình diễn ra nhanh chóng, khép kín và giảm thiểu sai sót do con người. Đồ án giúp sinh viên nắm vững phương pháp tích hợp hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp.

1.1. Cấu trúc phần cứng của hệ thống phân loại

Hệ thống phần cứng bao gồm các khối chức năng chính được liên kết chặt chẽ. Khối nguồn cấp điện áp ổn định 24VDC cho mạch điều khiển và các thiết bị ngoại vi. Khối điều khiển trung tâm sử dụng PLC S7-1200 tích hợp các cổng ngõ vào ra số linh hoạt. Khối chấp hành cơ khí gồm băng tải mini, động cơ DC giảm tốc và các bộ xi lanh khí nén tác động kép. Khối cảm biến chịu trách nhiệm phát hiện vật và nhận diện dải màu sắc của bề mặt phôi. Ngoài ra, hệ thống tích hợp van điện từ khí nén, rơ le trung gian và cụm nút nhấn vận hành. Tất cả thiết bị bố trí khoa học trên khung nhôm định hình vững chắc.

1.2. Vai trò của bộ điều khiển lập trình PLC S7 1200

Bộ điều khiển PLC S7-1200 giữ vai trò là bộ não chỉ huy toàn bộ hoạt động. Thiết bị sở hữu tốc độ xử lý lệnh cao và bộ nhớ chương trình đáp ứng tốt các thuật toán phức tạp. Cổng truyền thông PROFINET tích hợp sẵn hỗ trợ kết nối trực tiếp với máy tính giám sát SCADA. PLC nhận tín hiệu xung từ cảm biến màu sắc, phân tích dữ liệu theo thuật toán định sẵn. Sau đó, thiết bị xuất tín hiệu điều khiển kích đóng ngắt rơ le để đóng mở van khí nén. Khả năng làm việc bền bỉ trong môi trường công nghiệp giúp hệ thống duy trì độ ổn định liên tục. Đồng thời, PLC bảo vệ an toàn cho hệ thống khi xảy ra sự cố quá tải.

II. Vấn đề kỹ thuật khi phân loại sản phẩm theo màu sắc PLC S7 1200

Thiết kế mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc đòi hỏi việc giải quyết nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Vấn đề đầu tiên nằm ở độ nhạy và sự ổn định của cảm biến nhận diện màu. Ánh sáng môi trường thay đổi dễ gây nhiễu, làm sai lệch kết quả đọc giá trị quang học của vật thể. Vấn đề thứ hai liên quan đến việc đồng bộ tốc độ băng tải với thời gian trễ của xilanh khí nén. Nếu băng tải chạy quá nhanh, xilanh sẽ đẩy trượt hoặc kẹt phôi trên đường trượt. Ngược lại, tốc độ quá chậm làm giảm năng suất toàn hệ thống. Ngoài ra, việc tính toán công suất động cơ kéo và áp suất khí nén cũng cần sự chính xác tuyệt đối. Nhiễu điện từ phát sinh từ động cơ DC có thể truyền ngược vào cổng vào số của PLC gây sai lệnh điều khiển. Việc thiết kế mạch cách ly quang và mạch lọc nguồn đóng vai trò rất quan trọng để khắc phục triệt để các hạn chế này.

2.1. Yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến màu

Cảm biến quang nhận diện màu sắc phụ thuộc lớn vào cường độ ánh sáng chiếu trực tiếp từ môi trường xung quanh. Sự biến thiên của ánh sáng tự nhiên dễ khiến cảm biến phân biệt nhầm các tông màu tương đồng như xanh dương và xanh lá. Bề mặt vật thể có độ bóng cao hoặc phản quang không đều cũng tạo ra sai số góc quét lớn. Khoảng cách lắp đặt giữa đầu thu phát cảm biến và bề mặt sản phẩm cần cố định ở cự ly chuẩn từ 10 đến 15 milimet. Bất kỳ sự rung lắc nào của phôi khi di chuyển trên dây chuyền đều làm suy giảm độ chính xác nhận diện.

2.2. Sai số đồng bộ giữa chuyển động cơ khí và khí nén

Sự phối hợp không đồng nhịp giữa băng tải và cơ cấu gạt khí nén là nguyên nhân hàng đầu gây lỗi phân loại. Khi động cơ băng tải biến thiên tốc độ do ma sát cơ khí, thời điểm vật đến trước đầu xilanh sẽ thay đổi. Nếu thời gian kích van điện từ lệch vài mili-giây, cần piston sẽ đẩy hụt hoặc làm vỡ sản phẩm. Áp suất khí nén trong đường ống không ổn định cũng làm thay đổi vận tốc duỗi của cần xi lanh. Điều này đòi hỏi người thiết kế phải kết hợp cảm biến tiệm cận phụ để xác định chính xác vị trí phôi trước khi kích xilanh. Sự phối hợp này đảm bảo tỷ lệ phân loại thành công đạt mức tối đa.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống phân loại màu sắc dùng PLC S7 1200

Để giải quyết triệt để các bài toán kỹ thuật, giải pháp thiết kế toàn diện được xây dựng từ phần cứng đến phần mềm. Về điều khiển động cơ, mạch điều chỉnh điện áp phần ứng giúp duy trì tốc độ quay ổn định cho băng tải chuyển phôi. Thuật toán lập trình trên phần mềm TIA Portal V15 sử dụng các hàm Timer TON, bộ đếm Counter CTU và khối lệnh so sánh logic CMP. Khi cảm biến quang trả về tín hiệu màu, PLC xác định mã màu và bắt đầu đếm thời gian trôi của vật. Khi phôi tới đúng vị trí gạt, ngõ ra số kích rơ le đóng van điện từ 5/2 để đẩy xi lanh tương ứng. Hệ thống tích hợp hai chế độ vận hành linh hoạt gồm chế độ bằng tay (Manual) và chế độ tự động (Auto). Ngoài ra, giao diện giám sát SCADA trên máy tính cho phép hiển thị số lượng sản phẩm từng màu sắc theo thời gian thực. Cấu trúc này tối ưu hóa khả năng vận hành và bảo trì dây chuyền.

3.1. Thuật toán lập trình điều khiển trên TIA Portal

Phần mềm TIA Portal cung cấp môi trường tích hợp thuận tiện để cấu hình và lập trình PLC S7-1200. Chương trình chính OB1 quản lý luồng điều khiển thông qua các khối hàm chức năng riêng biệt. Tập lệnh so sánh CMP so khớp giá trị dải điện áp ngõ vào từ cảm biến với các ngưỡng màu đỏ, xanh, vàng. Khi điều kiện so sánh thỏa mãn, lệnh gán MOVE chuyển mã định danh vào ô nhớ đệm. Lệnh đếm tăng CTU tự động cộng dồn số lượng từng loại sản phẩm sau mỗi chu kỳ gạt thành công. Lệnh Timer định thì chính xác khoảng thời gian giữ xilanh trước khi thu hồi cần piston về vị trí gốc.

3.2. Thiết kế giao diện giám sát và thu thập dữ liệu SCADA

Giao diện SCADA được thiết kế trực quan trên nền tảng WinCC Runtime thuộc phần mềm TIA Portal. Màn hình điều khiển hiển thị trạng thái làm việc trực tiếp của băng tải, xilanh khí nén và các cảm biến quang. Các nút nhấn ảo Start, Stop, Reset cho phép kỹ sư vận hành thao tác từ xa an toàn. Biểu đồ tròn và bảng số liệu cập nhật liên tục tổng số sản phẩm đã phân loại theo từng nhóm màu cụ thể. Hệ thống cảnh báo tự động nhấp nháy đèn đỏ khi phát hiện lỗi kẹt phôi hoặc mất áp suất khí nén. Điều này giúp nâng cao tính chuyên nghiệp và hiệu quả giám sát hệ thống.

IV. Ứng dụng thực tế của đồ án phân loại sản phẩm màu sắc PLC S7 1200

Mô hình đồ án phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng PLC S7-1200 mang giá trị ứng dụng thực tiễn rất cao. Trong sản xuất công nghiệp, dây chuyền phân loại màu được triển khai rộng rãi tại các nhà máy chế biến nông sản, thực phẩm, dược phẩm và đóng gói tự động. Hệ thống giúp phân tách chính xác các loại trái cây theo độ chín, kiểm tra màu sắc bao bì hoặc phân loại linh kiện điện tử. Ứng dụng công nghệ này giúp doanh nghiệp cắt giảm đáng kể chi phí nhân công, loại bỏ sai sót chủ quan và tăng tốc độ xuất xưởng hàng hóa. Đối với môi trường giáo dục, đồ án là tài liệu thực hành mẫu mực cho sinh viên ngành Điện tự động hóa và Cơ điện tử. Người học có cơ hội rèn luyện kỹ năng đấu nối mạch lực, lập trình logic PLC và thiết kế giao diện SCADA. Đây là bước đệm vững chắc giúp kỹ sư tương lai làm chủ công nghệ tự động hóa hiện đại. Công trình khẳng định xu hướng số hóa toàn diện trong nhà máy thông minh.

4.1. Khả năng mở rộng và tích hợp hệ thống công nghiệp

Mô hình phân loại màu sắc sở hữu khả năng mở rộng linh hoạt theo nhiều hướng công nghệ mới. Doanh nghiệp có thể tích hợp thêm camera xử lý ảnh công nghiệp để phân loại đồng thời kích thước và khuyết tật sản phẩm. Cổng truyền thông mạng Ethernet cho phép ghép nối PLC S7-1200 với hệ thống điều hành sản xuất MES hoặc điện toán đám mây. Dữ liệu đếm sản phẩm và nhật ký lỗi được lưu trữ phục vụ phân tích hiệu suất thiết bị tổng thể OEE. Ngoài ra, việc bổ sung cánh tay robot gắp hàng giúp tối ưu hóa công đoạn xếp dỡ vào pallet tự động. Giải pháp nâng cấp này đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn của nhà máy thông minh kỷ nguyên 4.0.

4.2. Đánh giá hiệu quả kinh tế và vận hành kỹ thuật

Việc đầu tư hệ thống phân loại tự động hóa mang lại lợi ích kinh tế vượt trội cho doanh nghiệp sản xuất. Tốc độ phân loại liên tục trên băng tải giúp tăng năng suất dây chuyền từ hai đến ba lần so với lao động thủ công. Chi phí vận hành được cắt giảm tối đa nhờ độ bền cao và mức tiêu thụ điện năng thấp của thiết bị Siemens. Tỷ lệ phân loại chính xác đạt trên 98%, hạn chế tối đa tình trạng phế phẩm và khiếu nại chất lượng từ khách hàng. Thời gian thu hồi vốn đầu tư ban đầu cho hệ thống diễn ra nhanh chóng. Đồng thời, quy trình kiểm tra tự động tạo dựng uy tín thương hiệu vững chắc trên thị trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập kinh tế quốc tế, việc ứng dụng các dây chuyền máy móc tự động hóa cao vào quy trình sản xuất công nghiệp trở thành một yêu cầu thực tiễn nhằm nâng cao năng suất lao động, giảm thiểu sức lao động thủ công và đảm bảo độ chính xác của sản phẩm. Tại các xí nghiệp, phân loại sản phẩm là công đoạn đòi hỏi sự tập trung cao, có tính lặp lại liên tục; việc sử dụng nhân công trong thời gian dài dễ dẫn đến sự thiếu chuẩn xác, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và năng suất sản xuất. Trước thực tế đó, nhóm tác giả thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử đã tiến hành nghiên cứu đề tài đồ án tốt nghiệp: "Thiết kế điều khiển giám sát hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc" (đồng thời được nêu là "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm"), nhằm xây dựng một mô hình cơ điện tử hoàn chỉnh có sự kết hợp đồng bộ giữa cơ khí, khí nén, điều khiển tự động bằng PLC và giám sát qua giao diện SCADA.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của đồ án là thiết kế, chế tạo và vận hành mô hình hệ thống phân loại sản phẩm tự động có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ lắp đặt, bảo trì và sửa chữa; vận hành tự động dựa trên nền tảng PLC kết hợp phần mềm giám sát.

Các vấn đề và nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể bao gồm:

1. Vấn đề cơ khí: Phân tích, tính toán các thông số kỹ thuật (công suất động cơ, tốc độ quay, mô-men xoắn, lực đẩy piston) và lựa chọn vật liệu chế tạo cơ cấu khung vỏ, giá đỡ, băng tải sao cho đảm bảo các tiêu chí nhỏ, gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa.
2. Vấn đề điều khiển: Xây dựng hệ thống điều khiển tự động hoàn toàn sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC, van đảo chiều khí nén, rơ le trung gian và hệ thống cảm biến nhận diện.
3. Vấn đề an toàn: Đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người vận hành trong quá trình hoạt động và tránh gây hư hại cho sản phẩm khi phân loại.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ cấu truyền động băng chuyền, cơ cấu phân loại phôi bằng khí nén, mạch điều khiển logic PLC S7-1200, hệ thống cảm biến quang điện và phần mềm giao diện giám sát SCADA.
• Phạm vi và giới hạn thông số kỹ thuật của mô hình:
  • Kích thước hình học toàn hệ thống: 1700 x 700 x 400 (mm) (Dài x Rộng x Cao).
  • Tổng khối lượng: 30 kg.
  • Hệ thống điều khiển trung tâm: PLC Siemens kết hợp hệ thống dẫn động khí nén.
  • Cơ cấu chấp hành phân loại: Piston xi lanh khí nén tác dụng kép.
  • Động cơ dẫn động băng chuyền: Động cơ điện một chiều (DC).
  • Hệ thống dẫn động vận chuyển: Băng chuyền truyền động đai và trục ren dẫn.
  • Điện áp cung cấp: Điện áp xoay chiều 220 VAC và điện áp một chiều 24 VDC.
  • Đối tượng phôi thử nghiệm: Khối gỗ hình hộp với các đặc trưng nhận diện khác nhau.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết liên ngành cơ khí - điện tử - điều khiển tự động, bao gồm:

• Lý thuyết bộ điều khiển khả trình (PLC): Cấu trúc phần cứng, vòng quét chương trình (Scan cycle), phân vùng bộ nhớ (Load memory, Work memory, Retentive memory, System memory) và các chuẩn ngôn ngữ lập trình theo IEC 61131-3 (Ladder Diagram - LD, Function Block Diagram - FBD, Instruction List - IL, Structured Text - ST, Sequential Function Charts - SFC). Tập trung chuyên sâu vào dòng PLC Siemens S7-1200 và phần mềm SIMATIC STEP 7 Basic tích hợp trong TIA Portal.
• Lý thuyết truyền động điện và động cơ điện một chiều: Cấu tạo phần tĩnh (Stator), phần động (Rotor), cổ góp, chổi than; nguyên lý sức điện động cảm ứng và phương trình cân bằng điện áp: $$\omega = \frac{U_ư}{K\Phi} - \frac{I_ư R_ư}{K\Phi}$$ Phân tích các phương pháp điều chỉnh tốc độ: mắc thêm điện trở phụ $R_p$ vào mạch phần ứng, điều chỉnh từ thông kích từ $\Phi$, và điều chỉnh điện áp phần ứng $U_ư$.
• Lý thuyết truyền động khí nén: Nguyên lý biến đổi thế năng khí nén thành cơ năng tịnh tiến qua piston xi lanh tác dụng kép; nguyên lý chuyển mạch dòng khí qua van điện từ đảo chiều 5/2.
• Lý thuyết cảm biến quang điện: Cấu trúc gồm bộ phát ánh sáng (LED bán dẫn phát xung), bộ thu ánh sáng (Phototransistor/mạch tích hợp ASIC) và mạch xử lý tín hiệu ngõ ra (NPN/PNP).

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án kết hợp hai phương pháp nghiên cứu chính:

• Phương pháp tuần tự và đồng thời: Kết hợp giữa thiết kế tuần tự từng khâu và thiết kế đồng thời; nghiên cứu mô hình lý thuyết tổng quan, xác định các thông số kỹ thuật cơ bản trước khi áp dụng vào thiết kế chi tiết từng cụm phần cứng và phần mềm trong giới hạn đề tài.
• Phương pháp thực nghiệm: Thực hiện mô hình hóa phần cơ khí, mô phỏng mạch điện và logic điều khiển; gia công thử nghiệm các chi tiết đơn lẻ chưa có sẵn trên thị trường; lắp ráp mô hình thực tế và cho chạy thử nghiệm hết công suất nhằm xác định giới hạn chịu tải, vận tốc băng tải, mức độ ổn định của áp suất khí nén và năng suất của hệ thống.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong đồ án được tổng hợp từ tài liệu kỹ thuật của các nhà sản xuất thiết bị tự động hóa (Siemens, Omron, Airtac, SMC), các giáo trình chuyên ngành Điện tự động hóa, Cơ điện tử và số liệu đo đạc thực nghiệm trên mô hình chế tạo.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống phân loại được thiết kế và chế tạo tích hợp gồm 4 phân hệ chính: cơ khí, điện - cảm biến, khí nén và phần mềm điều khiển giám sát.

Phân hệ / Bộ phận	Chi tiết linh kiện / Vật liệu	Thông số kỹ thuật ghi nhận trong văn bản
Đế và kết cấu cơ khí	- Đế đỡ toàn bộ mô hình - Khung đỡ chính - Bộ phận đỡ băng tải, xi lanh - Trục dẫn kéo băng chuyền - Ổ bi dẫn hướng	- Gỗ tấm: 1700 x 700 x 20 (mm) - Thép định hình chịu lực - Nhôm ống hình hộp - Trục ren thép: $\Phi 8$ mm, chiều dài 160 mm - Ổ bi kích thước $\Phi 16$ mm
Truyền động băng chuyền	- Động cơ điện một chiều (DC) - Cơ cấu truyền động	- Công suất: 20 – 30 W, điện áp 24 VDC - Truyền động qua dây đai và bánh răng
Cơ cấu chấp hành khí nén	- Xi lanh khí nén đẩy sản phẩm - Van điện từ đảo chiều	- Xi lanh tác dụng kép CDM2BZ25-125A; áp suất vận hành 0.05 – 1.0 MPa; tốc độ piston 50 – 750 mm/s; nhiệt độ -10°C đến 70°C; giảm chấn cao su - Van Airtac 4V210-08 (5 cửa 2 vị trí); kích thước cửa 1/4", cửa xả 1/8"; diện tích 16 $\text{mm}^2$; áp suất 0.15 – 0.8 MPa; công suất AC 5.8W; nhiệt độ -5°C đến 60°C
Cảm biến và khí cụ điện	- Cảm biến nhận diện - Rơ le trung gian - Nút nhấn điều khiển	- Cảm biến quang phản xạ khuếch tán E3F-DS10C4; ngõ ra NPN; kích thước $\Phi 22 \times 70$ mm; khoảng cách phát hiện 100 mm; dòng định mức 200 mA; nguồn 12 – 24 VDC; vỏ nhựa ABS - Rơ le OMRON MY4N-J DC24 (14 chân dẹt, tiếp điểm 5A 250VAC/28VDC, thời gian tác động $\le 20$ ms, điện áp cuộn hút 24 VDC) - Nút nhấn công nghiệp 5A, 400V (đỏ: dừng, xanh: khởi động)
Điều khiển và Giám sát	- Khối xử lý trung tâm PLC - Phần mềm lập trình & SCADA	- PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (dòng CPU 1214C AC/DC/Relay tích hợp 14 DI / 10 DO Relay / 2 AI) - TIA Portal (STEP 7 Basic) thiết kế logic và giao diện SCADA Runtime

Quy trình điều khiển và thuật toán

Hệ thống vận hành theo chu trình khép kín với hai chế độ điều khiển:

• Chế độ bằng tay (Manual): Cho phép kích hoạt độc lập từng cơ cấu chấp hành (băng chuyền, từng xi lanh đẩy) phục vụ căn chỉnh và kiểm tra phần cứng.
• Chế độ tự động (Auto): Khi nhấn nút Start, động cơ DC kéo băng tải hoạt động. Khi hộp cấp phôi có sản phẩm, cảm biến quang tại vị trí cấp phôi phát hiện, gửi tín hiệu về PLC để điều khiển xi lanh cấp phôi đẩy sản phẩm lên băng chuyền. Các cảm biến quang bố trí dọc băng tải sẽ nhận diện đặc tính sản phẩm (màu sắc/chiều cao). PLC nhận tín hiệu, xử lý thuật toán và kích hoạt van điện từ tương ứng, đẩy piston gạt sản phẩm vào đúng khay chứa (khay sản phẩm cao, khay sản phẩm trung bình, và sản phẩm thấp nhất đi thẳng về cuối băng tải). Nhấn nút Stop, toàn bộ hệ thống dừng vận hành.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 - Giới thiệu chung

Chương này phân tích bối cảnh phát triển của ngành Tự động hóa và Cơ điện tử, nhấn mạnh sự cần thiết của việc thay thế các cơ cấu cơ khí thô sơ bằng hệ thống điều khiển tự động khả trình PLC. Nội dung nêu rõ nguyên lý hoạt động tổng quát của hệ thống (sử dụng cảm biến nhận diện, băng chuyền kéo bằng động cơ DC, piston khí nén phân loại), phân tích các lợi ích kinh tế - kỹ thuật (giảm nhân công, tăng năng suất, quản lý thuận tiện), đồng thời xác định 3 bài toán kỹ thuật (cơ khí, điều khiển, an toàn), phương pháp nghiên cứu (tuần tự - đồng thời, thực nghiệm) và xác định phạm vi giới hạn của mô hình (kích thước 1700 x 700 x 400 mm, nặng 30 kg, nguồn 220VAC/24VDC).

Chương 2 - Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm

Trình bày tổng quan về các dạng hệ thống phân loại đang hiện hành trong công nghiệp (phân loại theo màu sắc, phân loại theo kích thước/chiều cao, phân loại theo hình dạng sử dụng cảm biến thị giác Camera). Phân tích cấu tạo và nguyên lý của mô hình đề tài gồm: kết cấu đế gỗ tấm ($1700 \times 700 \times 20$ mm), khung thép định hình, nhôm hộp, trục ren $\Phi 8$ mm dài 160 mm, ổ bi $\Phi 16$ mm. Chương này cũng phân tích chuyên sâu về lý thuyết động cơ điện một chiều (cấu tạo Stator, Rotor, phương pháp điều chỉnh tốc độ qua điện áp phần ứng), kết cấu băng chuyền, xi lanh khí nén tác dụng kép CDM2BZ25-125A, van điện từ 5/2 Airtac 4V210-08, cảm biến quang điện E3F-DS10C4, rơ le OMRON MY4N-J DC24 và hệ thống nút ấn điều khiển.

Chương 3 - Giới thiệu về PLC. Phần mềm lập trình PLC TIA – Portal V13

Khái quát lịch sử hình thành thiết bị điều khiển khả trình PLC từ ý tưởng của Richard Morley năm 1968, phân loại các dòng PLC thông dụng trên thị trường (Siemens, Omron, Mitsubishi, Delta). Trình bày cấu trúc phần cứng của PLC (CPU, hệ thống Bus, bộ nguồn, các khối I/O số DI/DO, khối I/O tương tự AI/AO), phương thức quét chương trình lặp (Scan cycle), các ngôn ngữ theo chuẩn IEC 61131-3. Đi sâu vào cấu hình kỹ thuật của dòng PLC Siemens S7-1200, so sánh thông số các CPU (1211C, 1212C, 1214C, 1215C), phân vùng bộ nhớ và tập lệnh cơ bản trong phần mềm TIA Portal: lệnh xử lý bit logic, khối hàm thời gian Timer (TON), bộ đếm Counter (CTU), lệnh toán học (ADD, SUB, so sánh) và lệnh truyền thông dữ liệu (MOVE).

Dòng CPU S7-1200	Kích thước (mm)	Bộ nhớ Work / Load	I/O tích hợp trên CPU	Module mở rộng (SM)
CPU 1211C	90 x 100 x 75	30 KB / 1 MB	6 DI / 4 DO, 2 AI	Không hỗ trợ (None)
CPU 1212C	90 x 100 x 75	50 KB / 1 MB	8 DI / 6 DO, 2 AI	Tối đa 2 module
CPU 1214C	110 x 100 x 75	75 KB / 4 MB	14 DI / 10 DO, 2 AI	Tối đa 8 module
CPU 1215C	130 x 100 x 75	100 KB / 4 MB	14 DI / 10 DO, 2 AI / 2 AO	Tối đa 8 module

Chương 4 – Thiết kế mạch lực, mạch điều khiển hệ thống

Tập trung vào phần tính toán thiết kế chi tiết: tính toán công suất động cơ DC kéo tải, tính toán tốc độ quay và mô-men xoắn trên các trục truyền động băng chuyền, tính toán lực đẩy và hành trình để chọn xi lanh khí nén. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch lực cấp nguồn cho động cơ, mạch điều khiển xi lanh qua van điện từ khí nén; xây dựng sơ đồ đấu nối phần cứng I/O cho PLC S7-1200 CPU 1214C, bảng gán địa chỉ vào/ra (I/O mapping) và tính chọn các rơ le trung gian bảo vệ cách ly mạch điều khiển.

Chương 5 – Thiết kế xây dựng phần mềm điều khiển giám sát SCADA

Nội dung chương xây dựng thuật toán điều khiển toàn hệ thống thông qua sơ đồ khối cho hai chế độ Manual và Auto. Thực hiện cấu hình phần cứng thiết bị trên giao diện phần mềm TIA Portal, viết chương trình điều khiển logic bằng ngôn ngữ LAD/FBD cho PLC S7-1200. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển SCADA (giao diện đồ họa hiển thị trạng thái cảm biến, nút bấm điều khiển, hiển thị số lượng sản phẩm phân loại). Cuối cùng, thực hiện nạp chương trình xuống PLC, chạy mô phỏng và vận hành Runtime SCADA đồng bộ với mô hình thực tế.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng hệ thống phân loại với kích thước thực tế $1700 \times 700 \times 400$ mm, trọng lượng 30 kg, kết cấu khung nhôm định hình kết hợp đế gỗ tấm vững chắc.
• Lắp đặt và đấu nối thành công hệ thống mạch điện động lực và điều khiển, tích hợp PLC S7-1200, rơ le Omron MY4N-J DC24, van điện từ Airtac 4V210-08 và cụm xi lanh khí nén CDM2BZ25-125A.
• Xây dựng chương trình điều khiển PLC hoạt động chính xác theo thuật toán: tự động cấp phôi, nhận diện tín hiệu từ cảm biến quang E3F-DS10C4 và kích hoạt cơ cấu đẩy sản phẩm vào đúng các khay chứa theo từng mức phân loại.
• Thiết lập giao diện điều khiển, giám sát SCADA Runtime trên máy tính thông qua chuẩn truyền thông PROFINET Ethernet, cho phép vận hành linh hoạt ở cả hai chế độ bằng tay và tự động.

Giải pháp và đề xuất của tác giả

• Ứng dụng phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC bằng cách thay đổi điện áp phần ứng giúp dải điều chỉnh phẳng và giữ nguyên độ dốc đặc tính cơ.
• Kết hợp rơ le trung gian cách ly giữa ngõ ra số của PLC và cuộn hút van điện từ, giúp bảo vệ an toàn cho các ngõ ra Relay của PLC S7-1200 tránh sốc điện áp ngược.

Đóng góp của đề tài

• Cung cấp một mô hình thực nghiệm cơ điện tử hoàn chỉnh, minh họa sinh động việc tích hợp đa ngành giữa Cơ khí truyền động, Khí nén công nghiệp, Điện tử cảm biến và Lập trình điều khiển tự động PLC/SCADA.
• Đưa ra tài liệu hướng dẫn cụ thể về quy trình tính chọn thiết bị, sơ đồ đấu nối phần cứng và xây dựng thuật toán điều khiển trên nền tảng TIA Portal.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Do giới hạn về thời gian, kinh phí và kiến thức, mô hình được chế tạo ở quy mô phòng thí nghiệm với công suất nhỏ (động cơ 20 – 30 W, tải trọng toàn hệ thống 30 kg).
• Khả năng nhận diện và phân loại chủ yếu dựa trên cảm biến quang điện khuếch tán theo các ngưỡng vị trí/mức phản xạ, chưa tích hợp công nghệ xử lý ảnh phức tạp để phân biệt nhiều dải màu sắc đa dạng hoặc hình dạng phức tạp.

Hướng phát triển mở rộng

• Nâng cấp cơ cấu nhận diện bằng cách tích hợp cảm biến thị giác (Vision Sensor) hoặc Camera công nghiệp kết hợp thuật toán xử lý ảnh số nhằm phân loại chính xác theo hình dạng và đa dạng màu sắc.
• Mở rộng quy mô công suất cơ khí, tăng tốc độ băng tải và sử dụng các cơ cấu chấp hành công nghiệp công suất lớn hơn để ứng dụng trực tiếp trong nhà máy sản xuất gạch men, chế biến nông sản hoặc đóng chai thực phẩm.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị tham khảo hữu ích cho:

• Đối tượng: Sinh viên, học viên và giảng viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện tử công nghiệp.
• Nội dung tham khảo giá trị:
  • Quy trình tính toán cơ cấu dẫn động băng tải và tính chọn xi lanh khí nén.
  • Sơ đồ đấu nối thực tế giữa PLC S7-1200 với cảm biến NPN, rơ le trung gian và van đảo chiều 5/2.
  • Cấu trúc chương trình PLC trên TIA Portal và phương pháp thiết kế giao diện SCADA Runtime kết nối qua cổng PROFINET Ethernet.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình sử dụng dòng PLC nào và phần mềm lập trình gì?

Đồ án sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (cụ thể là CPU 1214C AC/DC/Relay) và được lập trình, cấu hình phần cứng trên phần mềm TIA Portal (STEP 7 Basic).

2. Thông số kỹ thuật của cảm biến nhận diện sản phẩm trong mô hình là gì?

Hệ thống sử dụng cảm biến quang điện phản xạ khuếch tán model E3F-DS10C4, ngõ ra NPN, kích thước $\Phi 22 \times 70$ mm, khoảng cách phát hiện 100 mm, dòng định mức 200 mA, nguồn cấp 12 – 24 VDC, vật thể phát hiện tiêu chuẩn kích thước $100 \times 100$ mm.

3. Xi lanh khí nén và van điện từ được lựa chọn trong đề tài có mã hiệu nào?

Cơ cấu chấp hành khí nén sử dụng xi lanh tác dụng kép mã hiệu CDM2BZ25-125A (áp suất vận hành 0.05 – 1.0 MPa, tốc độ piston 50 – 750 mm/s) kết hợp với van điện từ đảo chiều 5 cửa 2 vị trí Airtac 4V210-08 (áp suất làm việc 0.15 – 0.8 MPa, công suất AC 5.8W).

4. Băng chuyền được dẫn động bằng loại động cơ nào và phương pháp điều chỉnh tốc độ ra sao?

Băng chuyền sử dụng động cơ điện một chiều (DC) công suất nhỏ từ 20 – 30 W, điện áp 24 VDC truyền động qua bộ truyền đai/trục ren. Tác giả áp dụng phương pháp điều khiển điện áp cấp cho mạch phần ứng ($U_ư$) để điều chỉnh tốc độ quay của động cơ.

5. Hệ thống hỗ trợ những chế độ vận hành nào trên giao diện điều khiển?

Hệ thống được thiết kế với 2 chế độ vận hành chính gồm: chế độ bằng tay (Manual) để kiểm tra, tác động riêng lẻ từng cơ cấu chấp hành và chế độ tự động (Auto) để thực hiện chu trình phân loại liên hoàn từ cấp phôi, nhận diện đến gạt sản phẩm.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế điều khiển giám sát hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc" đã hoàn thành việc nghiên cứu, tính toán và chế tạo thành công mô hình cơ điện tử phân loại tự động quy mô phòng thí nghiệm. Hệ thống tích hợp đồng bộ giữa kết cấu cơ khí băng tải, cơ cấu chấp hành khí nén với bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 và giao diện giám sát SCADA trên nền tảng TIA Portal. Toàn bộ chu trình cấp phôi, nhận dạng tín hiệu quang điện và phân loại sản phẩm vào các khay chứa đều vận hành ổn định ở cả hai chế độ tự động và bằng tay, đáp ứng đúng các mục tiêu kỹ thuật ban đầu đã đặt ra.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG 1. Giới thiệu chung Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện- điện tử và điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học, quản lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin… Do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự nghiệp phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng. Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, PLC, vi mạch số… được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước. 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, nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu tài liệu, thiết kế và thi công mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc (Hình 1.1 Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc. 8 Hệ thống phân loại sản phẩm hoạt động trên nguyên lý dùng các cảm biến để xác định màu sắc của sản phẩm. Sau đó dùng xylanh để phân loại sản phẩm có màu sắc khác nhau. Từ nguyên lý làm việc trên ta thấy muốn hệ thống hoạt động được cần những chuyển động cần thiết: - 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 bánh răng trụ răng thẳng trung gian. - Chuyển động tịnh tiến của xylanh để phân loại sản phẩm có màu sắc 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 màu sắc 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. Những lợi ích mà hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho chúng ta là rất lớn, cụ thể như: Giảm sức lao động, tránh được sự nhàm chán trong công việc, cải thiện được điều kiện làm việc của con người, tạo cho con người tiếp cận với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và được làm việc trong môi trường ngày càng văn minh hơn.

Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm, cũng như thay đổi mẫu mã một cách nhanh chóng. Giúp cho việc quản lý và giám sát trở nên rất đơn giản, bởi vì nó không những thay đổi điều kiện làm việc của công nhân mà còn có thể giảm số lượng công nhân đến mức tối đa… 1. Các vấn đề đặt ra Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu chế tạo: Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, bảo trì, sửa chữa. Để thiết kế được chúng ta cần thiết kế cơ khí và điều khiển được động cơ và hệ thống hoạt động tự động dựa vào lập trình và điều khiển của PLC.

Ngoài ra còn có các vấn đề khác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiết. 9 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.

Phương pháp nghiên cứu Đề tài “Phân loại sản phẩm theo màu sắc” đã được nhiều sinh viên của các trường nghiên cứu và thực hiện. Đồng thời cũng đã có nhiều sinh viên thiết kế những mô hình đơn giản. Mô hình này cũng đã được thiết kế, đưa vào sử dụng trong một số nhà máy và là một sản phẩm cơ điện tử điển hình, nên trong quá trình làm đồ án, nhóm tác giả đã áp dụng phương pháp nghiên cứu sau: * Phương pháp tuần tự và đồng thời Kết hợp giữa việc thiết kế tuần tự và đồng thời: cụ thể là việc đầu tiên là nghiên cứu mô hình cụ thể sau đó xây dựng mô hình chứa đầy đủ những dự định sẽ có trong thiết kế qua đó có cái nhìn tổng quan về hệ thống chung và xác định thông số cơ bản. Từ đó, áp dụng để thiết kế trong giới hạn của đề tài.

* Phương pháp thực nghiệm Mô hình hóa phần cơ, mô phỏng hóa phần điện, tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo hoàn thiện. Chế tạo mẫu các chi tiết chưa đảm bảo hoạt động như mong muốn, hoặc chưa có trên thị trường. Sau đó chế tạo thật mô hình. Cho chạy thử hết công suất, sau khi đã vận hành hết các chức năng cũng như công suất của hệ thống để rút ra giới hạn của hệ thống từ đó đưa ra phương án cải tiến hay thay thế từ đó đưa ra các đánh giá về hệ thống (công suất làm việc của hệ thống, vận tốc của băng tải, mức độ chịu lực, giới hạn các chỉ số cơ khí và điện năng, năng suất của hệ thống.

Phạm vi giới hạn Hệ thống phân loại sản phẩm là một đề tài đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu. Hiện nay trong các nhà máy xí nghiệp có rất nhiều hệ thống hoàn thiện cả về chất 10 lượng và thẩm mỹ. Tuy nhiên, trong phạm vi một đề tài nghiên cứu, với những giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài giới hạn bởi những tính năng sau: - Kích thước: (Dài x Rộng x Cao) 1700 x 700 x 400 (mm) - Khối lượng: 30 Kg - Hệ thống điều khiển: PLC và hệ thống khí nén. - Cơ cấu đẩy sản phẩm: Xylanh piston.

- Động cơ truyền chuyển động: Động cơ điện một chiều. - Hệ thống dẫn động: Băng chuyền. - Điện áp cung cấp: Điện áp xoay chiều 220V và điện áp một chiều 24V. 11 CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 2.

Giới thiệu về các loại phân loại sản phẩm 2. Các loại hệ thống phân loại sản phẩm 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 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 màu sắc. a) Phân loại sản phẩm theo màu sắc Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc (Hình 2.1 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc.

12  Cấu tạo: Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc (Hình 2.1) có cấu tạo chính gồm: - 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. - 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. b) Phân loại sản phẩm theo màu sắc 13 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc (Hình 2.2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc.  Cấu tạo: - Hai băng chuyền. - Hai động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền.

- Ba cảm biến nhận biết màu sắc. - 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: 14 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 màu sắc khác nhau.