Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, các dây chuyền sản xuất tự động đóng vai trò thiết yếu nhằm nâng cao năng suất, hạ giá thành và đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về chất lượng, quy cách sản phẩm. Tại các doanh nghiệp sản xuất quy mô vừa và nhỏ ở Việt Nam, khâu kiểm tra và phân loại sản phẩm sau gia công hoặc trước khi đóng gói phần lớn vẫn được thực hiện thủ công bằng sức người. Phương pháp phân loại dựa vào mắt thường và thao tác tay bộc lộ nhiều hạn chế: công việc có tính chất lặp đi lặp lại dễ gây mệt mỏi, giảm độ tập trung, khó phát hiện các sai lệch kích thước nhỏ và dẫn đến tỷ lệ sai sót cao. Trong khi đó, các hệ thống phân loại tự động hóa hoàn toàn nhập khẩu thường có chi phí đầu tư lớn, kết cấu phức tạp, chưa phù hợp với năng lực tài chính và điều kiện bảo trì của các cơ sở vừa và nhỏ.

Trước thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao bằng PLC" (ngành Điện Tự động Công nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, năm 2018) do sinh viên Bùi Trung Kiên thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Trọng Thắng đã tập trung giải quyết bài toán tự động hóa khâu phân loại sản phẩm với chi phí hợp lý.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về các dạng hệ thống băng chuyền vận chuyển và các phương pháp phân loại sản phẩm đang được áp dụng trong sản xuất công nghiệp.
  2. Tìm hiểu cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động, tập lệnh và phương thức truyền thông của bộ điều khiển logic khả trình PLC Simatic S7-200 (hãng Siemens).
  3. Tính toán, lựa chọn các phần tử điện - cơ khí trong hệ thống gồm băng tải, động cơ điện một chiều, rơ le trung gian và hệ thống cảm biến quang học.
  4. Thiết kế sơ đồ mạch động lực, mạch điều khiển và xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển phân loại sản phẩm theo chiều cao bằng ngôn ngữ lập trình hình thang (Ladder Logic - LAD).
  5. Thi công mô hình thực nghiệm mô phỏng dây chuyền phân loại sản phẩm để kiểm chứng khả năng vận hành của thuật toán điều khiển.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống băng chuyền vận chuyển phôi/sản phẩm; bộ điều khiển PLC S7-200 CPU 212; cảm biến quang học nhận diện độ cao; khí cụ đóng cắt trung gian (rơ le) và động cơ điện một chiều.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được triển khai thực hiện và thử nghiệm dưới dạng mô hình quy mô phòng thí nghiệm tại Khoa Điện - Tự động hóa, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng trong năm 2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nội dung dựa trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất, công nghệ điều khiển logic khả trình và kỹ thuật truyền động cơ điện:

  • Khái niệm và tiêu chuẩn PLC: Dẫn chiếu định nghĩa của Hiệp hội Quốc gia về Sản xuất Điện Hoa Kỳ (NEMA - National Electrical Manufacturers Association), xác định PLC là thiết bị điều khiển số công nghiệp được trang bị bộ nhớ khả trình để lưu trữ các hàm logic, định thời (Timer), đếm xung (Counter), tạo chuỗi xung và thực hiện các phép tính số học nhằm điều khiển máy móc và quá trình vận hành.
  • Lý thuyết về hệ thống băng tải công nghiệp: Khảo sát các thông số kỹ thuật của băng tải cào, băng tải xoắn vít (1 buồng xoắn và 2 buồng xoắn), băng tải lá, băng tải thanh đẩy, băng tải con lăn và băng tải dây đai.
  • Lý thuyết về khí cụ điện và rơ le: Phân tích đặc tính vào - ra của rơ le điện từ, hệ số nhả ($K_{nh} = X_1 / X_2 < 1$), hệ số dự trữ ($K_{dt} = X_{1v} / X_2$), hệ số điều khiển công suất ($K_{đk} = P_{ra} / P_{vào} \approx 10^6$) và thời gian tác động chuyển mạch.
  • Lý thuyết cảm biến và nhận dạng: Khảo sát nguyên lý nhận diện vật thể bằng cảm biến quang thu phát hồng ngoại và phương pháp quang phổ lọc phân cực đa lớp (FAO - Free Angle Optics) ứng dụng trong cảm biến màu sắc (như dòng E3MC).

Phương pháp nghiên cứu được tác giả vận dụng gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, đối chiếu tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất Siemens về dòng PLC Simatic S7-200, tài liệu cơ khí chế tạo băng tải và thông số kỹ thuật của các dòng linh kiện bán dẫn, khí cụ đóng cắt.
  • Phương pháp so sánh và lựa chọn giải pháp kỹ thuật: Lập bảng so sánh các chủng loại băng chuyền vận chuyển theo tải trọng và khoảng cách ứng dụng để chọn giải pháp tối ưu cho mô hình thực nghiệm.
  • Phương pháp thiết kế và thực nghiệm mô hình: Thiết kế bản vẽ mạch điện động lực, mạch điều khiển, tính toán dòng điện định mức, lập trình phần mềm điều khiển và vận hành chạy thử mô hình thực tế.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm tài liệu hướng dẫn kỹ thuật (manual) của dòng thiết bị Simatic S7-200 CPU 212, thông số kỹ thuật rơ le OMRON LY2N-J, tài liệu giáo trình điều khiển tự động và số liệu ghi nhận trực tiếp trong quá trình lắp ráp, chạy thử mô hình.


Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Sơ lược về hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước

Chương 1 khái quát bối cảnh phát triển tự động hóa trong sản xuất, đồng thời tổng hợp các công nghệ phân loại sản phẩm phổ biến trên thị trường:

  • Phân loại theo kích thước/chiều cao: Sử dụng các cặp cảm biến quang đặt ở các cao độ khác nhau dọc theo băng chuyền.
  • Phân loại theo màu sắc: Sử dụng cảm biến quang màu (như E3MC) phát tia sáng màu đỏ, xanh lá, xanh lam trên cùng một trục quang học và phân tích tỷ lệ phản xạ qua bộ lọc phân cực đa lớp FAO để nhận dạng màu sắc.
  • Phân loại bằng thị giác máy tính (Camera/Webcam): Chụp ảnh sản phẩm trên băng tải và so sánh với ảnh chuẩn lưu trong bộ nhớ.
  • Phân loại theo khối lượng và mã vạch: Dùng cảm biến tải trọng (loadcell) hoặc đầu đọc quang học mã vạch.

Tác giả phân tích cấu tạo chung của hệ thống băng chuyền bao gồm 5 bộ phận chính: bộ phận kéo mang vật, trạm dẫn động, bộ phận căng tạo lực, hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ) và bộ phận đổi hướng. Bảng phân loại băng chuyền theo ứng dụng được tác giả tổng hợp như sau:

Loại băng tải Tải trọng làm việc Phạm vi ứng dụng tiêu biểu
Băng tải dây đai $< 50\text{ kg}$ Vận chuyển từng chi tiết giữa các nguyên công hoặc vận chuyển thùng chứa trong gia công cơ và lắp ráp.
Băng tải lá $25 \div 125\text{ kg}$ Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh trong gia công chuẩn bị phôi và trong lắp ráp.
Băng tải thanh đẩy $50 \div 250\text{ kg}$ Vận chuyển các chi tiết lớn giữa các bộ phận với khoảng cách $> 50\text{ m}$.
Băng tải con lăn $30 \div 500\text{ kg}$ Vận chuyển chi tiết trên các vệ tinh giữa các nguyên công với khoảng cách $< 50\text{ m}$.

Dựa trên bảng so sánh, tác giả chọn loại băng tải dây đai cho mô hình nghiên cứu do tải trọng phôi nhẹ, kết cấu cơ khí nhỏ gọn, dễ chế tạo, lắp ráp và hiệu chỉnh tốc độ.

Chương 2: Tổng quan về bộ điều khiển PLC S7-200

Chương này hệ thống hóa lịch sử phát triển của thiết bị điều khiển khả trình từ năm 1968 (phát minh đầu tiên tại General Motors) và sự ra đời của bộ lập trình cầm tay năm 1969. Cấu trúc phần cứng của PLC được phân tích chi tiết gồm 5 khối chức năng: khối nguồn (Power Supply), khối xử lý trung tâm (CPU), khối bộ nhớ (ROM, RAM dữ liệu, RAM chương trình, EPROM/EEPROM), khối giao diện vào/ra (Input/Output) và cổng truyền thông nối tiếp.

Kiến trúc bên trong của PLC hoạt động dựa trên 4 tuyến bus tín hiệu: Bus dữ liệu (Data bus), Bus địa chỉ (Address bus), Bus điều khiển (Control bus) và Bus hệ thống (System bus). Tần số xung nhịp đồng hồ CPU nằm trong dải từ $1\text{ MHz}$ đến $8\text{ MHz}$.

Bộ điều khiển được chọn cho mô hình là Siemens Simatic S7-200 CPU 212 (DC/DC/DC) với các thông số kỹ thuật:

Thông số kỹ thuật Giá trị / Đặc tính
Kích thước thân máy $90 \times 80 \times 62\text{ mm}$
Nguồn cấp hoạt động $24\text{ VDC}$
Dung lượng bộ nhớ chương trình $1\text{ Kbyte}$
Tổng số cổng vào / ra tích hợp $14\text{ I/O}$
Khả năng mở rộng module Tối đa $1\text{ module}$ mở rộng
Tốc độ thực hiện lệnh xử lý bit $1,2\text{ }\mu\text{s}$
Chuẩn truyền thông Cổng nối tiếp RS-485 (kết nối máy tính qua cáp chuyển đổi PC/PPI sang RS-232)
Đặc điểm ngõ vào số ($I_{x.x}$) Mức logic 1: $24\text{ VDC} / 4\text{ mA}$; Mức logic 0: đến $5\text{ VDC} / 1\text{ mA}$; Thời gian đáp ứng: $0,2\text{ ms}$; Cách ly quang: $500\text{ VAC}$
Đặc điểm ngõ ra ($Q_{x.x}$) Relay hoặc Transistor Sourcing; Điện áp đóng cắt: $24 \div 28\text{ VDC} / 2\text{ A}$ hoặc $250\text{ VAC} / 8\text{ A}$; Quá tải: $7\text{ A}$; Trở kháng cách ly: $\ge 100\text{ M}\Omega$; Thời gian trễ chuyển mạch: $\le 10\text{ ms}$

Chương 2 cũng so sánh 3 ngôn ngữ lập trình trên môi trường Step 7 Micro/WIN: Ngôn ngữ hình thang (LAD), Danh sách lệnh (STL) và Sơ đồ khối chức năng (FBD), trong đó LAD được chọn làm công cụ lập trình chính cho đề tài.

Chương 3: Thiết kế xây dựng mô hình

Chương 3 trình bày việc tính toán, lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch điện cho mô hình phân loại sản phẩm.

  • Rơ le trung gian: Sử dụng rơ le OMRON LY2N-J 24VDC (loại 8 chân, dòng tiếp điểm chịu tải 5A ở 24VDC, tích hợp đèn chỉ thị cơ học báo trạng thái tiếp điểm). Các điều kiện tính toán lựa chọn khí cụ đóng cắt gồm:
    • Dòng điện định mức: $I_{đm} = (1,2 \div 1,5) I_{tt} = 23,4\text{ A}$.
    • Điện áp làm việc cách điện: $U_{lv} > U_1 = 380\text{ V}$.
    • Dòng điện làm việc cho phép: $I_{lv} > 15,6\text{ A}$.
    • Điện áp cuộn hút rơ le phù hợp ngõ ra PLC: $U_h = 24\text{ VDC}$.
  • Cơ cấu cảm biến: Bố trí 2 cảm biến quang học tại vị trí kiểm tra trên băng chuyền theo phương thẳng đứng.
  • Động cơ chấp hành: Sử dụng động cơ điện một chiều 24VDC kéo trục tang trống băng tải.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý và chương trình: Xây dựng mạch đấu nối ngõ vào ($I$) nhận tín hiệu từ cảm biến và nút ấn; ngõ ra ($Q$) điều khiển động cơ băng tải và cuộn hút rơ le trung gian tác động cơ cấu gạt phân loại.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế tích hợp hoàn chỉnh giữa cơ khí, mạch điện điều khiển và phần mềm nhúng PLC:

[Khối Nguồn 24VDC]
                                                                  [Động cơ DC & Cơ cấu gạt]

1. Kiến trúc phần cứng và bố trí thiết bị

  • Băng chuyền vận chuyển: Sử dụng kết cấu dây đai cao su phẳng trượt trên khung đỡ cơ khí, truyền động qua khớp nối từ động cơ điện 1 chiều.
  • Cụm cảm biến nhận dạng: Hai cảm biến quang hồng ngoại được gắn cố định tại trạm đo:
    • Cảm biến quang 1 (vị trí thấp): Đặt ở cao độ ngang bằng đáy sản phẩm, có nhiệm vụ phát hiện sự hiện diện của phôi khi di chuyển qua trạm.
    • Cảm biến quang 2 (vị trí cao): Đặt ở độ cao ngưỡng quy định để phân định giữa sản phẩm thấp và sản phẩm cao.
  • Mạch phối ghép điều khiển: Tín hiệu đóng cắt từ ngõ ra số $Q_{x.x}$ của PLC được đưa qua cuộn hút của rơ le trung gian OMRON LY2N-J để đóng ngắt nguồn động lực cho cơ cấu chấp hành, đảm bảo cách ly an toàn cho vi xử lý CPU 212.

2. Thuật toán logic và phần mềm điều khiển

Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ LAD trên phần mềm Step 7 Micro/WIN, tuân thủ nguyên lý phân loại sau:

  • Khi nhấn nút Start, băng tải khởi động đưa sản phẩm di chuyển về phía trạm cảm biến.
  • Trường hợp sản phẩm thấp: Sản phẩm đi qua trạm chỉ che chắn chùm sáng của Cảm biến quang 1 (Cảm biến 1 = ON, Cảm biến 2 = OFF). PLC ghi nhận trạng thái vật thấp, kích hoạt bộ định thời để theo dõi hành trình và điều khiển cơ cấu gạt đưa sản phẩm thấp vào máng chứa thứ nhất.
  • Trường hợp sản phẩm cao: Sản phẩm có kích thước vượt ngưỡng sẽ đồng thời che chắn cả hai chùm sáng (Cảm biến 1 = ON, Cảm biến 2 = ON). PLC kích hoạt ngõ ra điều khiển cơ cấu phân loại đưa sản phẩm cao sang máng chứa thứ hai.
  • Quá trình quét (Scan cycle) diễn ra liên tục theo chu kỳ phần mềm của CPU 212 với thời gian xử lý lệnh bit $1,2\text{ }\mu\text{s}$.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Xây dựng thành công mô hình phần cứng dây chuyền băng tải phân loại sản phẩm nhỏ gọn, vận hành bằng nguồn điện $24\text{ VDC}$.
  • Tích hợp và cấu hình thành công bộ điều khiển Simatic S7-200 CPU 212 với $14\text{ I/O}$ số, kết nối ghép nối máy tính qua chuẩn giao tiếp RS-485/PPI.
  • Thiết lập hệ thống mạch bảo vệ và đóng cắt trung gian sử dụng rơ le OMRON LY2N-J với dòng định mức tính toán $23,4\text{ A}$ và thời gian chuyển mạch dưới $0,05\text{ s}$.
  • Hoàn thiện chương trình điều khiển phân loại logic LAD chạy ổn định, nhận diện chính xác 2 cấp chiều cao phôi sản phẩm (cao/thấp) dựa trên tổ hợp tín hiệu 2 cảm biến quang.

2. Đóng góp của đề tài

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về cấu trúc phần cứng, vi xử lý, tập lệnh và các phương thức giao tiếp của dòng vi điều khiển công nghiệp PLC S7-200.
  • Cung cấp phương án thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển và lưu đồ thuật toán phân loại sản phẩm theo kích thước có tính khả thi kỹ thuật cao, tiết kiệm chi phí linh kiện.
  • Tạo ra mô hình thí nghiệm trực quan phục vụ công tác nghiên cứu, học tập và làm tài liệu tham khảo cho các bài toán tự động hóa dây chuyền sản xuất quy mô vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

  • Đề tài mới dừng lại ở quy mô mô hình mô phỏng phòng thí nghiệm, chưa triển khai thử nghiệm trực tiếp trong môi trường sản xuất công nghiệp liên tục.
  • Băng tải dây đai có độ ổn định cơ khí chưa cao, độ ma sát của dây đai suy giảm theo thời gian vận hành và con lăn dễ chịu tác động từ nhiệt độ môi trường.
  • Phương pháp phân loại bằng 2 cảm biến quang chỉ phân định được 2 mức chiều cao đơn giản, chưa đo lường liên tục kích thước chính xác theo milimet.
  • Cấu hình CPU 212 có dung lượng bộ nhớ nhỏ ($1\text{ KB}$) và chỉ hỗ trợ tối đa 1 module mở rộng, hạn chế khả năng bổ sung các trạm phân loại phức tạp.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp bộ điều khiển trung tâm lên các dòng PLC có dung lượng bộ nhớ và tốc độ quét cao hơn (như CPU 224 hoặc các thế hệ PLC S7-1200) để tích hợp thêm nhiều module mở rộng.
  • Thay thế hoặc kết hợp băng tải dây đai bằng băng tải con lăn/băng tải xích nhằm tăng độ chịu tải và độ ổn định cơ khí khi làm việc với sản phẩm có khối lượng lớn.
  • Mở rộng thêm các phương pháp nhận dạng đa thuộc tính: tích hợp cảm biến màu sắc (sử dụng công nghệ lọc FAO), cảm biến đo khối lượng (Loadcell) hoặc camera thị giác máy tính để phân loại hình dáng, mã vạch và chất lượng bề mặt sản phẩm.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên môn phù hợp cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện Tự động Công nghiệp, Cơ điện tử: Tham khảo phương pháp xây dựng đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống điều khiển ứng dụng PLC, cách tính toán chọn khí cụ điện (rơ le, nguồn, động cơ DC) và phương pháp lập trình điều khiển trên phần mềm Step 7 Micro/WIN.
  • Kỹ sư vận hành tại các xưởng sản xuất nhỏ: Tham khảo cấu trúc sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển phân loại phôi đơn giản, độ tin cậy cao và chi phí chế tạo thấp.
  • Nội dung giá trị nhất: Phần tổng hợp thông số kỹ thuật, cấu trúc bus nội bộ của PLC S7-200 và phương pháp đấu nối rơ le trung gian OMRON LY2N-J bảo vệ ngõ ra PLC.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển PLC được sử dụng trong mô hình của đồ án là dòng nào và có thông số kỹ thuật ra sao?

Mô hình sử dụng bộ điều khiển Siemens Simatic S7-200 CPU 212 (DC/DC/DC). Thiết bị có kích thước $90 \times 80 \times 62\text{ mm}$, sử dụng nguồn cấp $24\text{ VDC}$, bộ nhớ chương trình $1\text{ Kbyte}$, tích hợp $14\text{ I/O}$, tốc độ xử lý lệnh bit là $1,2\text{ }\mu\text{s}$, hỗ trợ mở rộng tối đa $1\text{ module}$ và giao tiếp qua cổng RS-485 bằng cáp PC/PPI.

2. Nguyên lý phân loại chiều cao sản phẩm bằng cảm biến quang trong đồ án hoạt động như thế nào?

Hệ thống bố trí 2 cảm biến quang ở hai cao độ khác nhau dọc theo băng chuyền:

  • Khi vật chạy qua kích hoạt Cảm biến quang 1 nhưng không che chắn Cảm biến quang 2, hệ thống xác định đó là sản phẩm thấp.
  • Khi vật chạy qua đồng thời kích hoạt cả 2 cảm biến quang, hệ thống xác định đó là sản phẩm cao và điều khiển cơ cấu phân loại tương ứng.

3. Tại sao tác giả lựa chọn băng tải dây đai thay vì băng tải xích hay băng tải con lăn cho mô hình?

Tác giả lựa chọn băng tải dây đai vì tải trọng phôi trong mô hình không lớn ($< 50\text{ kg}$), kết cấu cơ khí đơn giản, dễ thiết kế, gia công chế tạo và thuận tiện trong việc căn chỉnh dây đai trong điều kiện phòng thí nghiệm.

4. Rơ le trung gian được lựa chọn trong mô hình là loại nào và có vai trò gì?

Đồ án sử dụng rơ le trung gian OMRON LY2N-J 24VDC (loại 8 chân lớn, tiếp điểm chịu dòng $5\text{ A}$ ở $24\text{ VDC}$, tích hợp đèn chỉ thị cơ học). Rơ le đóng vai trò chuyển mạch trung gian, khuếch đại tín hiệu điều khiển từ ngõ ra PLC và cách ly mạch điều khiển với mạch động lực cấp nguồn cho động cơ/cơ cấu chấp hành.

5. PLC S7-200 hỗ trợ những ngôn ngữ lập trình nào và đề tài sử dụng ngôn ngữ nào?

PLC S7-200 hỗ trợ 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản: Ngôn ngữ hình thang (LAD - Ladder Logic), Liệt kê lệnh (STL - Statement List) và Sơ đồ khối chức năng (FBD - Function Block Diagram). Trong đồ án, tác giả sử dụng ngôn ngữ hình thang (LAD) do tính trực quan và phổ biến trong thiết kế mạch điều khiển logic.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao bằng PLC" của sinh viên Bùi Trung Kiên đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa nhận dạng và phân loại sản phẩm quy mô nhỏ bằng việc kết hợp bộ điều khiển PLC Siemens S7-200 CPU 212, cảm biến quang học và băng tải dây đai. Nghiên cứu cung cấp đầy đủ các cơ sở lý thuyết, công thức tính toán khí cụ điện, sơ đồ mạch ghép nối và chương trình điều khiển logic LAD hoàn chỉnh. Đây là tài liệu tham khảo có giá trị thực tiễn và tính ứng dụng cao cho sinh viên ngành Tự động hóa và các kỹ thuật viên xây dựng hệ thống phân loại công nghiệp đơn giản.