Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, hoạt động lưu thông và vận chuyển hàng hóa đường bộ đóng vai trò huyết mạch trong chuỗi cung ứng, xuất nhập khẩu và phân phối sản phẩm. Tuy nhiên, sự gia tăng của lưu lượng phương tiện vận tải cơ giới nặng làm nảy sinh tình trạng xe chở quá khổ, quá tải trọng cho phép. Vấn đề này trực tiếp làm suy giảm tuổi thọ công trình hạ tầng giao thông đường bộ, gia tăng nguy cơ mất an toàn giao thông cho người tham gia lưu thông và gây thất thoát ngân sách bảo trì của nhà nước.

Trước thực tế đó, nhóm tác giả thuộc Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã thực hiện đề tài "Thiết kế hệ thống điều khiển và tự động hóa cho trạm cân điện tử". Việc ứng dụng công nghệ giám sát và tự động hóa vào quy trình cân xe tải giúp giảm thiểu chi phí nhân công vận hành, nâng cao năng suất kiểm định tải trọng, đồng thời tạo cơ sở dữ liệu khách quan hỗ trợ lực lượng chức năng phát hiện và xử lý chính xác các vi phạm quá tải theo quy định của Bộ Giao thông Vận tải.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định theo tiến trình học tập cụ thể:

  1. Nghiên cứu thực tiễn ứng dụng, phân tích quy trình công nghệ và cấu trúc hoạt động của trạm cân điện tử trong công nghiệp và giao thông.
  2. Tìm hiểu, tính toán và lựa chọn các thiết bị phần cứng phù hợp, bao gồm bộ điều khiển lập trình (PLC), mô-đun mở rộng, cảm biến tải trọng (loadcell), hộp nối tín hiệu và các cơ cấu chấp hành.
  3. Xây dựng thuật toán điều khiển tổng thể, lập trình chương trình logic trên phần mềm TIA Portal và thiết kế giao diện vận hành mô phỏng.
  4. Chạy thử nghiệm mô phỏng hệ thống, kiểm nghiệm hoạt động đóng/mở barie tự động, thuật toán cảnh báo quá tải và cơ chế xử lý sự cố.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống điều khiển tự động trạm cân xe tải sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 kết hợp cảm biến lực loadcell và hệ thống kiểm soát lối ra/vào bằng barie. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế mô hình điều khiển logic và mô phỏng chức năng trên phần mềm TIA Portal V16, thực hiện trong khuôn khổ học phần Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển và tự động hóa (khóa K16, năm học 2024).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý đo lường lực và điều khiển logic khả trình trong công nghiệp:

  • Cấu trúc vật lý của trạm cân điện tử: Bao gồm ba thành phần nền tảng là hố móng cân, cầu cân (sàn cân cơ khí) và thiết bị đo lường khối lượng (cảm biến lực loadcell). Hệ thống phụ trợ bao gồm thiết bị ngoại vi, màn hình hiển thị, máy tính và phần mềm quản lý.
  • Phân loại công nghệ cân: Báo cáo phân tích sự khác biệt giữa trạm cân chìm (lắp đặt phẳng với mặt đường, tính thẩm mỹ cao nhưng khó thoát nước, chi phí bảo trì hầm cân lớn) và trạm cân nổi (dễ thoát nước, dễ vệ sinh, chịu ngâm nước đến 120 giờ nhưng chiếm diện tích lớn do cần đường dốc dẫn lên xuống).
  • Nguyên lý chuyển đổi tín hiệu đo lường: Nghiên cứu đối chiếu công nghệ cảm biến analog (tín hiệu vi sai điện áp mV/V từ cầu điện trở Strain Gauge qua hộp nối junction box) và công nghệ số (Digital Loadcell truyền tín hiệu truyền thông trực tiếp về bộ vi xử lý).
  • Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng: Đề tài tham chiếu tiêu chuẩn đo lường TCVN 3 (Việt Nam), tiêu chuẩn quốc tế OIML Class 3; các quy định của Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Việt Nam về kiểm định định kỳ 12 tháng/lần; cùng tiêu chuẩn an toàn điện EN61558 / EN61558-1 đối với thiết bị chuyển đổi nguồn công nghiệp.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết kỹ thuật, khảo sát thông số thiết bị công nghiệp và phương pháp thực nghiệm mô phỏng:

  • Phương pháp phân tích yêu cầu công nghệ: Xây dựng trình tự kiểm soát phương tiện qua trạm thông qua cảm biến hồng ngoại, công tắc hành trình, cơ cấu truyền động barie và phanh từ.
  • Phương pháp lựa chọn và tính toán cấu hình phần cứng: So sánh các dòng vi điều khiển và PLC, chọn giải pháp tối ưu theo các tiêu chí: tính sẵn có, độ ổn định công nghiệp, khả năng mở rộng I/O và tính kinh tế.
  • Phương pháp mô hình hóa thuật toán: Sử dụng lưu đồ thuật toán phân nhánh để mô tả logic điều khiển đóng/mở barie, thuật toán lấy mẫu đo trọng lượng và logic bảo vệ chống kẹt barie qua tốc độ xung encoder.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật từ tài liệu hướng dẫn (manual) chính hãng của Siemens (dòng S7-1200 CPU 1214C, bo mạch SB 1221), nhà sản xuất cảm biến Keli, bộ khuếch đại HBM ClipX và nhà sản xuất encoder Omron.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc phần cứng và thiết bị điều khiển

Hệ thống được thiết kế dựa trên cấu trúc điều khiển tập trung sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens SIMATIC S7-1200 kết hợp các mô-đun chức năng và thiết bị ngoại vi chuyên dụng:

Thiết bị Mã hiệu / Quy cách kỹ thuật Thông số hoạt động chính Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình (PLC) Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (6ES7214-1AG40-0XB0) Nguồn 24VDC; 14 ngõ DI, 10 ngõ DO, 2 ngõ AI (0-10V); 6 bộ đếm xung HSC; bộ nhớ Work 100 KB, Load 4 MB Bộ điều khiển trung tâm tiếp nhận tín hiệu cảm biến và xuất lệnh điều khiển chấp hành
Mô-đun mở rộng I/O Siemens Signal Board SB 1221 (6ES7221-3BD30-0XB0) 4 ngõ vào số (4 DI), 24VDC, tần số đáp ứng 200 kHz, dạng cắm trực tiếp trên CPU Mở rộng kênh đầu vào số phục vụ tín hiệu encoder và nút bấm điều khiển
Cảm biến tải trọng (Loadcell) Keli QSA (4 cảm biến) Cảm biến lực nén, tải trọng 20 tấn/cảm biến, điện áp cấp 12VDC, độ nhạy 3 mV/V, cáp 6 dây Đo lường lực tác động từ tải trọng phương tiện trên 4 góc sàn cân
Bộ cộng tín hiệu (Junction Box) Hộp nối 4 vào 1 ra Điện áp hoạt động 24VDC, ngõ ra dải tín hiệu điện áp tương tự 0 - 144 mV Tổng hợp tín hiệu điện áp vi sai từ 4 loadcell thành một tín hiệu trung bình
Bộ chuyển đổi/khuếch đại tín hiệu HBM ClipX Chuyển đổi dải tín hiệu tương tự ngõ vào 0 - 144 mV thành dải chuẩn 0 - 10V Chuẩn hóa tín hiệu tương tự cấp về ngõ vào Analog Input (IW64) của PLC
Cảm biến vị trí góc quay (Encoder) Omron (2 bộ) Nguồn cấp 24VDC, chuẩn ngõ ra PNP, độ phân giải 500 xung/vòng Giám sát chuyển động quay của trục động cơ hai barie để phát hiện kẹt
Bộ nguồn chuyển đổi 220VAC sang 24VDC / 12VDC Điện áp vào 85 - 264VAC / 120 - 370VDC; cách ly 4000VAC; chuẩn thanh ray DIN 35mm Cung cấp nguồn điện một chiều ổn định cho PLC, cảm biến và rơle
Động cơ dẫn động barie Động cơ điện một chiều (2 bộ) Điện áp 24VDC, công suất 30W, tích hợp cơ cấu phanh từ 24VDC Dẫn động cánh tay barie nâng/hạ; phanh mở khi chạy, khóa khi dừng

Phân bổ địa chỉ vào/ra (I/O Mapping)

Toàn bộ các tín hiệu vật lý của hệ thống trạm cân được cấu hình địa chỉ chi tiết trong PLC S7-1200 như sau:

Ký hiệu địa chỉ Chức năng tín hiệu trong hệ thống Kiểu dữ liệu Bản chất thiết bị vật lý
I0.2 Nút nhấn "Cân xong" Bool Nút ấn điều khiển tại bàn vận hành trạm
I0.3 Vị trí trên barie 1 (Barie vào) Bool Công tắc hành trình giới hạn trên barie 1
I0.4 Vị trí dưới barie 1 (Barie vào) Bool Công tắc hành trình giới hạn dưới barie 1
I0.5 Vị trí trên barie 2 (Barie ra) Bool Công tắc hành trình giới hạn trên barie 2
I0.6 Vị trí dưới barie 2 (Barie ra) Bool Công tắc hành trình giới hạn dưới barie 2
I0.7 Cảm biến hồng ngoại 1 (CB1) Bool Cảm biến phát hiện phương tiện tiếp cận cổng vào
I1.0 Cảm biến hồng ngoại 2 (CB2) Bool Cảm biến phát hiện phương tiện đã vào bàn cân
I1.1 Cảm biến hồng ngoại 3 (CB3) Bool Cảm biến phát hiện phương tiện đã rời cổng ra
I1.2 Điều khiển thủ công nâng barie 1 Bool Nút ấn chức năng vận hành bằng tay
I1.3 Điều khiển thủ công hạ barie 1 Bool Nút ấn chức năng vận hành bằng tay
I1.4 Điều khiển thủ công nâng barie 2 Bool Nút ấn chức năng vận hành bằng tay
I1.5 Điều khiển thủ công hạ barie 2 Bool Nút ấn chức năng vận hành bằng tay
I2.0 Pha A bộ phát xung encoder 1 Bool Tín hiệu xung từ encoder barie 1 (đọc qua HSC)
I2.1 Pha A bộ phát xung encoder 2 Bool Tín hiệu xung từ encoder barie 2 (đọc qua HSC)
I2.2 Nút dừng khẩn cấp/dừng barie 1 Bool Nút dừng ngắt hoạt động tức thời
I2.3 Nút dừng khẩn cấp/dừng barie 2 Bool Nút dừng ngắt hoạt động tức thời
IW64 Tín hiệu đo khối lượng cân Int Ngõ vào tín hiệu tương tự (Analog 0 - 10V)
Q0.0 Đèn báo trạng thái hệ thống BẬT (ON) Bool Đèn báo màu xanh hiển thị chế độ hoạt động
Q0.1 Đèn báo trạng thái hệ thống TẮT (OFF) Bool Đèn báo màu đỏ hiển thị chế độ tạm dừng
Q0.2 Đèn báo tải trọng đạt chuẩn (OK) Bool Đèn xanh báo khối lượng nằm trong ngưỡng cho phép
Q0.3 Đèn báo tải trọng vượt ngưỡng (Quá tải) Bool Đèn đỏ báo động khối lượng xe vượt mức quy định
Q0.4 Cuộn hút contactor động cơ 1 quay thuận Bool Điều khiển nâng cần barie 1
Q0.5 Cuộn hút contactor động cơ 1 quay ngược Bool Điều khiển hạ cần barie 1
Q0.6 Cuộn hút contactor động cơ 2 quay thuận Bool Điều khiển nâng cần barie 2
Q0.7 Cuộn hút contactor động cơ 2 quay ngược Bool Điều khiển hạ cần barie 2

Thuật toán điều khiển và logic vận hành

Quy trình tự động hóa của trạm cân được triển khai qua 5 khối logic liên hoàn:

  1. Logic khởi động/dừng hệ thống: Nhấn nút ON kích hoạt ngõ ra Q0.0 (đèn xanh sáng, đèn đỏ tắt). Nhấn OFF kích hoạt Q0.1 (đèn đỏ sáng, đèn xanh tắt, hệ thống khóa toàn bộ các chu trình tự động).
  2. Logic kiểm soát cổng vào: Khi xe tiến tới cổng trạm tác động vào cảm biến hồng ngoại 1 (I0.7), PLC xuất tín hiệu Q0.4 đóng contactor quay thuận động cơ barie 1 để nâng cần. Cần nâng đến khi chạm công tắc hành trình trên (I0.3) thì cuộn hút ngắt, động cơ dừng và phanh từ đóng lại. Xe di chuyển lên bàn cân qua cảm biến hồng ngoại 2 (I1.0); khi đuôi xe vượt qua cảm biến (tín hiệu I1.0 chuyển từ mức 1 về mức 0), PLC kích hoạt Q0.5 đóng contactor quay ngược để hạ cần barie 1 cho tới khi chạm công tắc hành trình dưới (I0.4).
  3. Logic thu thập dữ liệu tải trọng và cảnh báo: Xe định vị ổn định trên bàn cân. 4 loadcell gửi tín hiệu tương tự qua hộp nối và bộ HBM ClipX tới ngõ vào IW64 của PLC. Bộ điều khiển khởi chạy một khối định thời (Timer) trễ 10 giây để triệt tiêu các dao động cơ học sinh ra khi xe vừa dừng trên bàn cân. Sau 10 giây, giá trị tải trọng đo được (lưu tại biến nhớ MD3110) được đưa vào khối so sánh với tải trọng định mức tham chiếu (biến nhớ MD3120). Nếu $0 < \text{MD3110} \le \text{MD3120}$, hệ thống bật đèn xanh Q0.2 (đạt chuẩn tải trọng). Nếu $\text{MD3110} > \text{MD3120}$, hệ thống kích hoạt đèn đỏ Q0.3 (cảnh báo xe quá tải).
  4. Logic kiểm soát cổng ra: Sau khi hoàn tất quy trình đo lường, nhân viên vận hành hoặc hệ thống nhấn nút "Cân xong" (I0.2). PLC kích hoạt ngõ ra Q0.6 mở barie 2 cho đến khi chạm công tắc hành trình trên (I0.5). Xe di chuyển rời khỏi bàn cân; khi xe đi qua khỏi cảm biến hồng ngoại 3 (I1.1 chuyển trạng thái từ 1 về 0), PLC kích hoạt Q0.7 hạ barie 2 cho đến khi chạm công tắc hành trình dưới (I0.6).
  5. Thuật toán phát hiện sự cố kẹt và bảo vệ chống va chạm barie: Sử dụng tính năng bộ đếm tốc độ cao HSC (chế độ đếm xung 1 pha - Single Phase) nhận xung từ hai encoder Omron gắn tại trục truyền động barie. Khi thanh chắn barie đang chuyển động và encoder tích lũy được số xung $\ge 500$, thuật toán tiến hành tính toán hiệu số xung trong chu kỳ lấy mẫu 100 ms: $$\Delta P_1 = \text{ID1000}(T = 100\text{ ms}) - \text{ID1000}(T = 0\text{ ms}) \rightarrow \text{MD2200}$$ $$\Delta P_2 = \text{ID1004}(T = 100\text{ ms}) - \text{ID1004}(T = 0\text{ ms}) \rightarrow \text{MD2700}$$ Nếu giá trị $\text{MD2200} < 25$ (đối với barie 1) hoặc $\text{MD2700} < 25$ (đối với barie 2), hệ thống nhận diện động cơ đã bị kẹt cơ khí hoặc thanh chắn va chạm phải chướng ngại vật làm giảm vận tốc quay đột ngột. PLC lập tức ngắt toàn bộ ngõ ra điều khiển động cơ tương ứng (dừng khẩn cấp), đóng phanh điện từ và thiết lập lại biến đếm encoder về 0 ($\text{ID1000} = 0, \text{ID1004} = 0$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về trạm cân điện tử

Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò của trạm cân xe tải trong hoạt động sản xuất, logistics và quản lý giao thông. Báo cáo làm rõ cấu tạo cơ bản của một hệ thống cân điện tử bao gồm móng cân, bàn cân cơ khí, cụm cảm biến lực và các thiết bị thu nhận, hiển thị dữ liệu.

Tác giả phân tích chi tiết hai giải pháp kết cấu trạm cân thông dụng:

  • Trạm cân kiểu chìm: Có ưu điểm là tiết kiệm diện tích mặt bằng, tính thẩm mỹ cao, ít bị biến động bởi tác động trực tiếp của gió lốc và nhiệt độ môi trường. Nhược điểm là chi phí thi công hầm móng lớn, hệ thống thoát nước phức tạp, dễ bị đọng bùn đất và nước mưa gây ẩm mốc, làm hỏng cảm biến lực nếu công tác vệ sinh không được thực hiện thường xuyên.
  • Trạm cân kiểu nổi: Dễ dàng thực hiện các thao tác căn chỉnh, bảo dưỡng và thay thế thiết bị; thoát nước tự nhiên tốt; chi phí xây lắp thấp; có khả năng chịu ngập nước liên tục đến 120 giờ mà vẫn duy trì tính ổn định. Tuy nhiên, kết cấu này đòi hỏi mặt bằng lớn để bố trí dốc dẫn xe lên xuống và tính thẩm mỹ công nghiệp kém hơn.

Bên cạnh đó, chương này so sánh nguyên lý truyền tín hiệu analog và kỹ thuật số (digital), phân tích tính pháp lý của việc kiểm định cân theo định kỳ 12 tháng/lần của cơ quan Nhà nước nhằm duy trì tính chính xác đo lường.

Chương 2: Lựa chọn các thiết bị dựa trên cơ sở lý thuyết và thực tế

Nội dung chương 2 tập trung giải quyết bài toán lựa chọn cấu hình thiết bị đáp ứng các yêu cầu công nghệ vận hành của trạm cân. Tác giả tiến hành tính toán và lựa chọn bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (mã 6ES7214-1AG40-0XB0) nhờ ưu thế tích hợp sẵn 14 DI / 10 DO, 2 ngõ vào analog, cổng truyền thông PROFINET và khả năng xử lý đếm xung tốc độ cao. Do nhu cầu sử dụng thêm các ngõ vào tốc độ cao cho encoder và nút chức năng, nhóm tác giả bổ sung một bo mạch mở rộng SB 1221 4DI 24VDC 200kHz (mã 6ES7221-3BD30-0XB0) gắn trực tiếp trên mặt trước của CPU mà không làm tăng kích thước cơ khí.

Về phần tử đo lường tải trọng, đồ án chọn 4 cảm biến lực nén Keli QSA dải đo 20 tấn/cảm biến, cấp nguồn 12VDC, dây nối chuẩn 6 lõi nhằm bù sai số nhiệt độ đường dây. Cả 4 cảm biến được liên kết thông qua một hộp nối 4 cổng vào và 1 cổng ra (Junction Box), đưa ra tín hiệu analog tổng hợp trong dải 0 - 144 mV. Tín hiệu này được đưa qua bộ khuếch đại HBM ClipX để nâng mức điện áp lên 0 - 10V tương thích với cổng IW64 của PLC.

Chương này cũng xác định các thiết bị phụ trợ bao gồm: bộ đổi nguồn DIN-rail dải rộng 85-264VAC, 3 cụm cảm biến quang hồng ngoại, 4 công tắc hành trình giới hạn cơ khí, 2 encoder xung Omron PNP 500 xung/vòng, rơle trung gian 24VDC 8 chân, MCB 2 cực 5A và màn hình HMI Siemens 15 inch.

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển và vận hành trạm cân tự động

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế kỹ thuật, từ sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch đấu nối điều khiển cho đến thuật toán và chương trình phần mềm. Nhóm tác giả xây dựng bản vẽ đấu nối nguồn điện lưới qua bộ chuyển đổi nguồn DC cấp cho PLC, các cảm biến và cơ cấu chấp hành contactor đảo chiều động cơ barie.

Quy trình lập trình được triển khai trên nền tảng phần mềm TIA Portal V16 của Siemens:

  • Cấu hình phần cứng (Hardware Configuration): Khai báo cấu hình CPU 1214C, gắn bo mạch SB 1221, thiết lập dải địa chỉ ngõ vào I0.0 - I1.5 và mô-đun I2.0 - I2.3; kích hoạt hai bộ đếm tốc độ cao HSC1 và HSC2 ở chế độ Single Phase (đếm xung 1 pha) nhận tín hiệu từ encoder để tính toán tốc độ chuyển động của cần barie.
  • Lập trình các khối mạng (Networks) trong khối OB1:
    • Network 1: Điều khiển Bật/Tắt hệ thống trạm cân (khóa liên động nút bấm ON/OFF).
    • Network 2: Thuật toán tự động đóng và mở hai barie dựa trên sự kết hợp trạng thái cảm biến hồng ngoại 1, 2, 3 và công tắc hành trình.
    • Network 3: Thuật toán trích xuất giá trị tải trọng từ ngõ vào analog IW64, thực hiện hàm định thời 10 giây để chờ hệ thống ổn định trước khi chuyển đổi sang giá trị khối lượng thực tế (MD3000, MD3110).
    • Network 4: Thuật toán so sánh khối lượng xe với ngưỡng khối lượng định mức cho phép (MD3120), kích hoạt đèn xanh phù hợp (Q0.2) hoặc đèn đỏ quá tải (Q0.3).
    • Network 5: Khối bảo vệ chống kẹt và an toàn barie, thực hiện việc tính toán sai phân số xung encoder trong 100 ms để ngắt chuyển động barie ngay khi phát hiện vận tốc giảm dưới ngưỡng đặt ($\Delta P < 25$).
  • Thiết kế giao diện giám sát HMI: Xây dựng giao diện hiển thị đồ họa trạm cân trên HMI 15 inch của Siemens, mô phỏng quá trình tiếp cận của xe, trạng thái nâng/hạ của barie, màn hình số hiển thị trọng lượng tức thời và tín hiệu đèn báo tải trọng.

Chương 4: Kết quả, hướng phát triển đề tài

Chương 4 tổng hợp các kết quả thử nghiệm mô phỏng và định hướng nâng cấp hệ thống. Các kết quả kiểm nghiệm trên môi trường TIA Portal V16 và PLCSIM xác nhận hệ thống vận hành đúng trình tự công nghệ: barie hoạt động nhịp nhàng theo tín hiệu cảm biến vị trí, chức năng cân trễ 10 giây loại bỏ được ảnh hưởng của rung chấn động lực học, và cơ chế phát hiện vật cản thông qua vi sai xung encoder ngắt barie kịp thời để bảo vệ an toàn cơ cấu.

Nhóm nghiên cứu đề xuất các định hướng mở rộng đề tài nhằm đáp ứng các yêu cầu thực tế của các trạm cân hiện đại:

  • Bổ sung hệ thống camera quang học và thuật toán xử lý ảnh nhằm nhận dạng tự động biển số xe (ANPR), lưu trữ thông tin nhận diện kèm theo dữ liệu cân.
  • Xây dựng phần mềm quản lý trạm cân trên máy tính cá nhân (PC), kết nối cơ sở dữ liệu SQL Server để quản lý lịch sử xuất/nhập hàng và tích hợp máy in phiếu cân tự động.
  • Nâng cấp khả năng truyền thông công nghiệp phục vụ mô hình giám sát từ xa qua SCADA hoặc mạng truyền thông IoT.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể theo các số liệu và cấu hình thực tế:

  • Hoàn thiện cấu hình điều khiển tự động hóa với sự phối hợp đồng bộ giữa PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C và mô-đun SB 1221 (tổng cộng 18 ngõ vào số, 10 ngõ ra số, 2 ngõ vào tương tự).
  • Thiết lập giải pháp phối ghép tín hiệu đo lường chính xác từ 4 cảm biến tải trọng Keli QSA 20 tấn qua hộp nối 4 vào 1 ra (tín hiệu vi sai 0 - 144 mV) và bộ khuếch đại HBM ClipX để cấp điện áp chuẩn 0 - 10V cho PLC.
  • Xây dựng thành công thuật toán giám sát an toàn barie dựa trên giám sát độ dịch chuyển xung encoder (500 xung/vòng) theo chu kỳ lấy mẫu 100 ms: ngắt lập tức động cơ khi mức tăng xung $\text{MD2200} < 25$ hoặc $\text{MD2700} < 25$.
  • Xây dựng thuật toán cân xe kết hợp khoảng trễ 10 giây nhằm ổn định lực nén trước khi thực hiện phép so sánh với giá trị tham chiếu MD3120 để kích hoạt cảnh báo đèn xanh (Q0.2) hoặc đèn đỏ quá tải (Q0.3).

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc xây dựng một phương án thiết kế hệ thống điều khiển trạm cân tự động có tính khả thi kỹ thuật cao, sử dụng các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn, tạo tiền đề để triển khai ứng dụng vào các mô hình trạm cân thực tế hoặc các bài thí nghiệm tự động hóa trong đào tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đã hoàn thành các mục tiêu điều khiển logic và mô phỏng chức năng, đề tài vẫn tồn tại một số hạn chế gắn liền với phạm vi nghiên cứu:

  • Đồ án dừng lại ở mức độ nghiên cứu thiết kế lý thuyết, tính toán thiết bị và mô phỏng trên phần mềm TIA Portal V16, chưa trực tiếp chế tạo mô hình cơ khí thực tế (sàn cân cơ khí, cơ cấu truyền động cơ khí barie và hố móng).
  • Hệ thống chưa tích hợp camera giám sát để chụp ảnh và tự động nhận diện biển số phương tiện khi vào cân.
  • Chưa liên kết hệ thống PLC với phần mềm quản lý thương mại trên máy tính để thực hiện việc lưu trữ cơ sở dữ liệu dài hạn, thống kê lưu lượng và in ấn hóa đơn/phiếu cân.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả xác định bao gồm việc mở rộng hệ thống sang mô hình vật lý hoàn chỉnh; phát triển phần mềm quản lý trạm cân trên máy tính; tích hợp camera xử lý ảnh nhận diện biển số tự động; và thực hiện kiểm định đo lường theo quy chuẩn kiểm định phương tiện đo của Nhà nước trước khi đưa vào ứng dụng thương mại.

Giá trị tham khảo

Báo cáo 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, Kỹ thuật Điện - Điện tử, và Cơ điện tử.

Tài liệu có giá trị ứng dụng cụ thể ở các nội dung:

  • Quy trình tính toán, lựa chọn và phối ghép các thiết bị trong hệ thống điều khiển trạm cân (PLC, bo mạch mở rộng SB, cảm biến tải trọng loadcell, bộ cộng tín hiệu và bộ khuếch đại tín hiệu analog).
  • Phương pháp cấu hình và khai báo các bộ đếm xung tốc độ cao (HSC) ở chế độ 1 pha trên phần mềm TIA Portal cho dòng PLC S7-1200.
  • Giải thuật xử lý tín hiệu analog đầu vào từ cảm biến áp lực kết hợp thời gian trễ ổn định để chống sai số do dao động quán tính.
  • Kỹ thuật lập trình thuật toán an toàn, ứng dụng vi sai số xung encoder để phát hiện kẹt cơ khí hoặc va chạm vật cản cho các cơ cấu truyền động barie chắn đường.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm và mô-đun mở rộng được lựa chọn trong đồ án có mã hiệu và thông số kỹ thuật ra sao? Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (mã sản phẩm 6ES7214-1AG40-0XB0) tích hợp 14 DI (24VDC), 10 DO (24VDC), 2 AI (0 - 10V), bộ nhớ làm việc 100 KB, bộ nhớ tải 4 MB và tích hợp truyền thông PROFINET. Để bổ sung các ngõ vào tốc độ cao, hệ thống sử dụng thêm một bo mạch tín hiệu Signal Board SB 1221 4DI 24VDC 200kHz (mã sản phẩm 6ES7221-3BD30-0XB0) cắm trực tiếp trên CPU.

2. Chuỗi đo lường và chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến lực (loadcell) về PLC được cấu hình như thế nào? Hệ thống sử dụng 4 cảm biến lực nén Keli QSA (tải trọng 20 tấn/cảm biến, nguồn 12VDC, độ nhạy 3 mV/V, cáp 6 dây). Tín hiệu từ 4 cảm biến được đưa vào hộp nối 4 vào 1 ra (Junction Box) hoạt động ở điện áp 24VDC, tạo ra tín hiệu tổng hợp trong dải 0 - 144 mV. Tín hiệu này sau đó được đưa qua bộ khuếch đại HBM ClipX để chuyển đổi thành tín hiệu điện áp tương tự chuẩn 0 - 10V trước khi kết nối trực tiếp vào ngõ vào analog IW64 của PLC.

3. Cơ chế bảo vệ và chống kẹt cơ khí cho cánh tay barie hoạt động dựa trên nguyên lý nào? Cơ chế bảo vệ sử dụng 2 bộ encoder Omron (loại PNP, 500 xung/vòng) gắn trên trục chuyển động của hai barie, truyền tín hiệu xung pha A về các bộ đếm tốc độ cao HSC (I2.0 và I2.1). Khi thanh chắn barie chuyển động và số xung tích lũy đạt từ 500 xung trở lên, PLC sẽ tính toán độ tăng xung trong khoảng thời gian lấy mẫu 100 ms. Nếu độ lệch số xung $\text{MD2200} < 25$ (barie 1) hoặc $\text{MD2700} < 25$ (barie 2), hệ thống xác định barie gặp vật cản hoặc bị kẹt cơ khí, lập tức ngắt cuộn hút động cơ, đóng phanh từ và đặt lại giá trị đếm encoder về 0.

4. Tại sao hệ thống phải thiết lập thời gian trễ 10 giây trước khi đưa ra kết luận về khối lượng và kích hoạt cảnh báo? Khi phương tiện di chuyển lên bàn cân và dừng lại, quán tính cơ học của xe cùng hệ thống giảm xóc tạo ra các dao động nén đàn hồi trên mặt sàn và các cảm biến lực loadcell. Việc sử dụng khối định thời trễ 10 giây giúp hệ thống chờ các dao động cơ học này suy giảm hoàn toàn, đảm bảo tín hiệu điện áp từ các loadcell đạt trạng thái ổn định tĩnh trước khi PLC đọc giá trị từ ngõ vào IW64 để so sánh với giá trị tham chiếu MD3120, tránh cảnh báo sai lệch.

5. Đồ án phân tích ưu và nhược điểm của trạm cân xe kiểu chìm và trạm cân xe kiểu nổi như thế nào? Trạm cân kiểu chìm có mặt sàn cân phẳng với mặt đất nên tiết kiệm diện tích mặt bằng, tính thẩm mỹ công nghiệp cao và ít chịu ảnh hưởng từ gió bão, nhưng chi phí xây dựng hầm móng cao, thoát nước kém và rất khó vệ sinh, bảo trì cảm biến. Ngược lại, trạm cân kiểu nổi có chi phí xây dựng cơ sở thấp hơn, dễ vệ sinh, thoát nước tự nhiên tốt và có thể ngâm nước tới 120 giờ vẫn vận hành ổn định, nhưng nhược điểm là chiếm diện tích lớn do phải làm đường dốc dẫn lên xuống ở hai đầu và tính thẩm mỹ kém hơn.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống điều khiển và tự động hóa cho trạm cân điện tử" do nhóm sinh viên Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội thực hiện đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa quy trình kiểm soát tải trọng phương tiện giao thông. Tác giả đã xây dựng được cấu hình phần cứng tối ưu dựa trên PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, bo mạch SB 1221, hệ thống loadcell Keli 20 tấn qua bộ khuếch đại HBM ClipX, cùng các cảm biến vị trí và encoder Omron. Thuật toán điều khiển logic lập trình trên TIA Portal V16 đảm bảo tính an toàn cao nhờ cơ chế chống kẹt barie theo sai phân xung và cơ chế triệt tiêu rung chấn đo lường sau 10 giây trễ. Công trình cung cấp một tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho công tác nghiên cứu, đào tạo và ứng dụng tự động hóa trong các trạm kiểm soát tải trọng công nghiệp.