Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế hiện đại hóa quy trình sản xuất công nghiệp, nhu cầu tự động hóa các công đoạn phân loại hàng hóa đóng vai trò trọng tâm nhằm nâng cao năng suất, giảm thiểu sai sót do thao tác thủ công và đảm bảo an toàn lao động. Tại Việt Nam, việc ứng dụng các dây chuyền phân loại tự động kết hợp công nghệ thị giác máy tính và cảm biến trọng lượng vẫn còn nhiều tiềm năng phát triển tại các nhà máy, xí nghiệp.

Các hệ thống phân loại truyền thống thường chỉ dựa vào một tiêu chí đơn lẻ như chiều cao, kích thước hoặc khối lượng. Tuy nhiên, đối với những sản phẩm có kích thước nhỏ, trọng lượng tương đồng nhưng mang đặc tính màu sắc khác nhau, các mô hình phân loại đơn tiêu chí không còn đáp ứng được yêu cầu công nghệ. Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Phân loại sản phẩm theo cân nặng và màu sắc dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Văn Hưng (cùng nhóm nghiên cứu Phạm Việt Hoàng, Nguyễn Văn Hưng, Dương Đức Hà) dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Tiến Dũng tại Khoa Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Điện lực.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được phân định theo 4 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp, công nghệ phân loại sản phẩm trong công nghiệp và cơ sở lý thuyết xử lý ảnh.
  2. Thiết kế và thi công phần cứng mô hình phân loại (kết cấu cơ khí băng tải, tính chọn thiết bị điện, cảm biến, cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển).
  3. Thiết kế phần mềm điều khiển trên TIA Portal V16, xây dựng thuật toán nhận diện màu sắc bằng LabVIEW và thiết kế giao diện giám sát SCADA trên WinCC.
  4. Vận hành thử nghiệm, đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống và đề xuất hướng phát triển.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống phân loại tự động đa tiêu chí (kết hợp khối lượng và màu sắc). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế mô hình băng tải thực nghiệm phân loại phôi sản phẩm khối lập phương kích thước 5x5x5 cm (chất liệu formex), phân định 3 màu sắc cơ bản (đỏ, vàng, xanh) và kiểm tra khối lượng thông qua cảm biến Loadcell. Thời gian thực hiện đồ án diễn ra từ tháng 10 năm 2024 đến tháng 01 năm 2025.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết và công nghệ điều khiển tự động hóa công nghiệp chuyên sâu:

  • Bộ điều khiển lập trình logic (PLC): Sử dụng dòng PLC Siemens S7-1200 (CPU 1212C DC/DC/DC) làm trung tâm điều phối toàn bộ thuật toán điều khiển tuần tự, xử lý tín hiệu số, tín hiệu tương tự (Analog) và phát xung điều khiển cơ cấu chấp hành.
  • Kỹ thuật đo lường khối lượng: Ứng dụng cảm biến Loadcell biến dạng (Strain gauge) kết hợp mạch cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Khi có tải trọng tác động, sự biến dạng đàn hồi của thanh kim loại làm thay đổi giá trị điện trở, chuyển đổi lực nén/kéo thành tín hiệu điện áp vi sai (mV/V). Tín hiệu này được đưa qua bộ khuếch đại chuẩn công nghiệp JY-S60 để chuyển đổi sang dải tín hiệu tương tự chuẩn (0–10V / 4–20mA) đưa vào ngõ vào Analog của PLC.
  • Thị giác máy tính và xử lý ảnh (Computer Vision): Quy trình xử lý ảnh trên phần mềm LabVIEW bao gồm 5 giai đoạn: thu nhận ảnh từ camera USB, tiền xử lý khử nhiễu/nâng cao độ tương phản, phân đoạn ảnh theo không gian màu, trích chọn đặc trưng màu sắc và nhận dạng gán nhãn đối tượng (đỏ, vàng, xanh).
  • Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA/HMI): Ứng dụng WinCC tích hợp trong môi trường TIA Portal V16 để thiết kế giao diện điều khiển, hiển thị trạng thái hoạt động của cảm biến, động cơ và đếm số lượng sản phẩm từng loại theo thời gian thực.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thiết kế kỹ thuật hệ thống (tính toán cơ - điện), lập trình điều khiển nhúng/công nghiệp và thực nghiệm kiểm chứng mô hình vật lý tại phòng thí nghiệm. Nguồn dữ liệu phục vụ thiết kế được thu thập từ tài liệu kỹ thuật chuẩn (datasheet) của các hãng sản xuất Siemens, Omron cùng các phép đo thực nghiệm trên mô hình.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Quy trình thiết kế hệ thống được tiến hành qua 7 bước: xác định yêu cầu kỹ thuật; xác định quy trình công nghệ và chế độ làm việc; lập sơ đồ khối và chọn cụm chi tiết; chuẩn hóa kích thước lắp ráp; mô phỏng hoạt động; hiệu chỉnh thiết kế; lắp ráp thi công và lập trình hoàn thiện.

Kiến trúc phần cứng và tính chọn thiết bị

Hệ thống phân loại gồm 6 khối chức năng chính:

  • Khối nguồn: Cung cấp nguồn xoay chiều 230VAC cho máy tính giám sát (PC); bộ chuyển đổi nguồn tổ ong S-240-24 cung cấp nguồn 24VDC cho PLC, cảm biến quang, đèn báo và cuộn hút relay; bộ nguồn S-50-5 cung cấp nguồn 5VDC cho động cơ servo.
  • Khối xử lý ảnh: Gồm Camera thu nhận tín hiệu hình ảnh truyền về phần mềm LabVIEW trên PC để xử lý không gian màu, sau đó truyền cờ tín hiệu sang PLC.
  • Khối tín hiệu đầu vào: Gồm 3 cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 phát hiện vị trí phôi hàng, cụm nút nhấn LA38 (ON, OFF, RESET) và cảm biến Loadcell.
  • Khối điều khiển trung tâm: PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC trực tiếp nhận các tín hiệu số và tương tự để xử lý logic.
  • Khối công suất và cơ cấu chấp hành: Relay trung gian Omron LY2N DC24V cách ly điều khiển động cơ kéo băng tải DC GA25-370; 3 động cơ Servo MG995 điều khiển các cánh gạt phân loại theo góc quay PWM; hệ thống đèn báo trạng thái AD16-22D/S23.
Thiết bị / Thành phần Mã hiệu / Quy cách Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC 8 DI (24VDC), 6 DO (Transistor), 2 AI (0–10V); Bộ nhớ nạp 1MB, bộ nhớ làm việc 25kB; Xử lý lệnh Boolean 0.2 µs Điều khiển logic trung tâm toàn bộ chu trình
Băng tải mini Dây belt PVC màu xanh Kích thước mặt belt 7x50 cm; Chiều dài dây đai 1.2 m; Tải trọng 10 Nm; Vận tốc định mức 1500 rpm; Tỉ số truyền i=2; Đường kính pully 16 mm Vận chuyển phôi sản phẩm qua các trạm kiểm tra
Động cơ kéo băng tải DC GA25-370 (hộp giảm tốc kim loại) Điện áp 12VDC; Tốc độ 60 RPM; Dòng không tải 75 mA; Dòng tới hạn 1.3 A; Trục chữ D 4 mm Kéo trục chủ động của băng tải chuyển động
Cảm biến vị trí Omron E3F-DS30C4 Ngõ ra NPN (kéo nội trở 10k lên VCC); Nguồn 6–36VDC; Khoảng cách phát hiện 0–30 cm (chỉnh định 7–30 cm) Xác nhận phôi vào vị trí cân và các vị trí gạt
Cảm biến khối lượng Loadcell thanh nhôm Cầu Strain gauge; Điện áp kích thích 5–10V; Độ nhạy 2–3 mV/V; Độ lệch tuyến tính 0.05; Kích thước 8x1.5 cm Đo trọng lượng tĩnh của sản phẩm tại đầu vào
Bộ khuếch đại cân JY-S60 Nguồn 24VDC; Tín hiệu ngõ ra Analog 0–5V / 0–10V / 4–20mA Chuyển đổi tín hiệu mV của Loadcell sang dải 0–10V cho PLC
Cơ cấu gạt sản phẩm Servo TowerPro MG995 Điều khiển góc quay bằng xung PWM; Điện áp 5VDC; Bánh răng kim loại Gạt sản phẩm vào các thùng chứa tương ứng
Khí cụ đóng cắt & báo hiệu Nút nhấn LA38, Đèn LED AD16-22D/S23 Nút nhấn 24VDC/10A (1NO+1NC); Đèn LED 24VDC (đỏ, vàng, xanh), độ sáng ≥100 cd/m² Thao tác vận hành và hiển thị trạng thái hệ thống

Quy trình công nghệ và thuật toán điều khiển

Hệ thống hỗ trợ 2 chế độ vận hành:

  • Chế độ tự động (Auto): Khi phôi sản phẩm được đưa vào đầu băng tải, sản phẩm dừng lại trên bàn cân Loadcell. Cảm biến quang xác nhận có hàng. PLC đọc giá trị khối lượng qua kênh Analog. Nếu khối lượng không đạt chuẩn, cơ cấu tay gạt số 1 (Servo 1) lập tức tác động đẩy sản phẩm ra khỏi dây chuyền, sau đó tay gạt trở về vị trí ban đầu (0 độ). Nếu khối lượng đạt chuẩn, băng tải chuyển động đưa sản phẩm qua vùng kiểm tra của Camera. LabVIEW xử lý màu sắc và gửi dữ liệu cờ sang PLC:
    • Nếu sản phẩm mang màu Đỏ: Tay gạt số 2 tác động đưa sản phẩm vào thùng chứa 1, sau đó hồi vị.
    • Nếu sản phẩm mang màu Vàng: Tay gạt số 3 tác động đưa sản phẩm vào thùng chứa 2, sau đó hồi vị.
    • Nếu sản phẩm mang màu Xanh: Sản phẩm tiếp tục di chuyển thẳng đến cuối băng tải vào thùng chứa 3.
  • Chế độ thủ công (Manual): Cho phép người vận hành cưỡng bức kích hoạt động cơ băng tải hoặc kích hoạt từng tay gạt Servo riêng lẻ phục vụ công tác hiệu chỉnh, kiểm thử và bảo trì.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 phân tích bức tranh tổng thể về vai trò của công nghệ tự động hóa và thị giác máy tính trong sản xuất hiện đại. Tác giả tổng hợp, so sánh các phương thức phân loại sản phẩm công nghiệp hiện hành (phân loại theo khối lượng, chiều cao, mã vạch/QR code, kích thước và màu sắc). Chương này làm rõ tính tất yếu của việc tích hợp đồng thời hai chỉ tiêu kiểm tra (khối lượng và màu sắc) đối với các nhóm sản phẩm nhỏ lẻ nhằm nâng cao độ tin cậy của dây chuyền đóng gói, đồng thời thiết lập luận cứ khoa học để lựa chọn giải pháp phối hợp giữa PLC Siemens S7-1200 và phần mềm LabVIEW.

Chương 2: Thiết kế phần cứng

Chương 2 trình bày toàn bộ quá trình tính toán, lựa chọn thông số và thiết kế cơ khí, điện - điện tử cho mô hình. Nội dung bao gồm việc xây dựng sơ đồ khối chi tiết; tính toán chọn dây belt PVC kích thước 7x50 cm phù hợp với phôi 5x5 cm; tính chọn động cơ giảm tốc DC GA25-370 (12VDC, 60 RPM); khảo sát cấu trúc phần cứng PLC S7-1200 CPU 1212C; nguyên lý làm việc của cảm biến quang NPN E3F-DS30C4; nguyên lý cầu đo Wheatstone của Loadcell kết hợp mạch khuếch đại JY-S60; cơ cấu gạt sử dụng Servo MG995 điều chế độ rộng xung PWM; cùng các bảng tra thông số bộ nguồn và khí cụ đóng cắt.

Chương 3: Thiết kế phần mềm

Chương 3 tập trung vào khâu lập trình điều khiển và xây dựng giao diện giám sát. Tác giả xây dựng lưu đồ giải thuật cho toàn bộ chu trình phân loại tự động; thiết kế chương trình điều khiển logic trên phần mềm TIA Portal V16 (gồm các khối Organization Block, Function Block để xử lý tín hiệu số, giải mã Analog cân nặng và điều khiển Servo); xây dựng chương trình xử lý ảnh trên LabVIEW để trích xuất không gian màu (RGB/HSV) nhận dạng chính xác 3 gam màu cơ bản; thiết lập cấu hình mạng truyền thông kết nối PLC với PC-System; và thiết kế giao diện WinCC trực quan hiển thị đèn báo trạng thái, nút ấn điều khiển và bộ đếm sản phẩm từng thùng chứa.

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

Chương 4 tổng kết mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề cương đặt ra, khẳng định mô hình đã vận hành đồng bộ và ổn định. Đồng thời, tác giả chỉ ra các điểm còn tồn tại về quy mô phần cứng và đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính

Mô hình phần cứng và phần mềm đã được thi công, tích hợp và chạy thử nghiệm thành công với các chỉ số kỹ thuật đạt được:

  • Khả năng phân loại: Nhận diện và phân loại chính xác 3 nhóm màu sắc (đỏ, vàng, xanh) kết hợp sàng lọc sản phẩm lỗi khối lượng ngay tại trạm cân đầu vào.
  • Năng suất hoạt động: Hệ thống đạt tốc độ phân loại ổn định 8 sản phẩm/phút theo đúng chỉ tiêu thiết kế ban đầu.
  • Kích thước mẫu thử nghiệm: Tương thích hoàn toàn với các phôi mẫu lập phương kích thước 5x5x5 cm bằng formex.
  • Khả năng giám sát: Giao diện SCADA trên WinCC cập nhật chính xác số lượng sản phẩm ở từng thùng phân loại và hiển thị trực quan trạng thái đóng/mở của các cơ cấu chấp hành.

Đóng góp kỹ thuật của đồ án

  • Xây dựng thành công giải pháp tích hợp liên thông giữa phần mềm xử lý ảnh chuyên dụng (LabVIEW) và bộ điều khiển logic khả trình công nghiệp (PLC Siemens S7-1200) thông qua chuẩn truyền thông máy tính.
  • Hiện thực hóa mô hình phân loại kép (vừa cân định lượng vừa quét ảnh quang học), khắc phục nhược điểm của các hệ thống phân loại đơn tiêu chí truyền thống trong giảng dạy và thực nghiệm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đã hoàn thành các mục tiêu kỹ thuật, đồ án vẫn còn một số điểm giới hạn được ghi nhận:

  • Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm phòng thí nghiệm (băng tải dài 50 cm, công suất nhỏ), chưa đáp ứng tải trọng công nghiệp lớn.
  • Năng suất phân loại ở mức 8 sản phẩm/phút, phụ thuộc vào thời gian dừng lấy mẫu tĩnh tại trạm cân Loadcell và tốc độ đáp ứng của cánh gạt Servo.
  • Camera và thuật toán xử lý ảnh trên LabVIEW hoạt động tốt dưới điều kiện ánh sáng ổn định, nhưng có thể bị ảnh hưởng nếu môi trường có cường độ chiếu sáng biến động mạnh.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Nghiên cứu cơ chế cân động (Dynamic Weighing) trực tiếp trên băng chuyền chuyển động để tăng tốc độ phân loại mà không cần dừng sản phẩm.
  • Nâng cấp cơ cấu chấp hành sang hệ thống xi lanh khí nén tốc độ cao hoặc cánh tay robot công nghiệp.
  • Mở rộng thuật toán xử lý ảnh để nhận dạng thêm các hình dạng, kích thước phức tạp, phân loại mã QR/Barcode hoặc kiểm tra khuyết tật bề mặt sản phẩm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tế cao dành cho:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật điện: Tham khảo phương pháp tính chọn thiết bị công nghiệp (PLC, cảm biến quang, mạch khuếch đại Loadcell JY-S60, động cơ DC).
  • Người nghiên cứu các đề tài tích hợp hệ thống: Cung cấp hướng dẫn cụ thể về sơ đồ đấu nối mạch động lực, mạch điều khiển PLC S7-1200 và phương pháp liên kết dữ liệu giữa phần mềm thị giác máy tính (LabVIEW) với phần mềm điều khiển công nghiệp (TIA Portal V16 / WinCC).

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại PLC nào và cấu hình phần cứng ra sao?
Hệ thống sử dụng PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC, tích hợp sẵn 8 ngõ vào số (DI), 6 ngõ ra số (DO Transistor) và 2 ngõ vào tương tự (AI 0–10V), bộ nhớ nạp 1 MB và bộ nhớ làm việc 25 kB.

2. Làm thế nào để PLC đọc được tín hiệu từ cảm biến khối lượng Loadcell?
Do Loadcell xuất tín hiệu điện áp vi sai rất nhỏ (dạng 2–3 mV/V) mà PLC không thể đọc trực tiếp, hệ thống sử dụng bộ khuếch đại trung gian JY-S60 để chuyển đổi tín hiệu mV sang dải điện áp tương tự chuẩn 0–10V, sau đó kết nối vào ngõ vào AI của CPU 1212C để xử lý số liệu.

3. Quy trình phân loại sản phẩm diễn ra theo thứ tự ưu tiên nào?
Thứ tự phân loại ưu tiên khối lượng trước, màu sắc sau: Sản phẩm vào vị trí cân Loadcell trước tiên -> Nếu không đạt chuẩn khối lượng, tay gạt số 1 lập tức loại bỏ -> Nếu đạt chuẩn, sản phẩm đi tiếp qua vùng quét của Camera để nhận diện màu sắc (Đỏ gạt tại tay gạt 2, Vàng gạt tại tay gạt 3, Xanh chạy thẳng về cuối băng tải).

4. Năng suất và kích thước phôi mẫu quy định trong đồ án là bao nhiêu?
Hệ thống được thiết kế để phân loại chính xác phôi sản phẩm hình lập phương kích thước 5x5x5 cm với tốc độ phân loại đạt 8 sản phẩm/phút.

5. Cơ cấu chấp hành gạt sản phẩm sử dụng thiết bị gì?
Cơ cấu chấp hành gạt sản phẩm sử dụng 3 động cơ Servo TowerPro MG995 điều khiển bằng tín hiệu xung PWM (nguồn 5VDC riêng biệt) để gạt phôi vào các vị trí thùng chứa.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Văn Hưng đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình phân loại sản phẩm tự động kết hợp xử lý ảnh và cân định lượng. Hệ thống tích hợp hiệu quả giữa PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C, phần mềm xử lý ảnh LabVIEW, giao diện giám sát WinCC cùng các cơ cấu chấp hành cơ - điện. Kết quả thực nghiệm đáp ứng đúng yêu cầu công nghệ đặt ra với năng suất 8 sản phẩm/phút, cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cho công tác đào tạo và nghiên cứu chuyên ngành Tự động hóa.