Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 và xu hướng tự động hóa sản xuất hiện đại, bài toán tối ưu hóa dây chuyền đóng gói và phân loại đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Theo các báo cáo thống kê ngành sản xuất chế tạo, quy trình phân loại thủ công truyền thống chiếm tới 25-30% tổng thời gian đóng gói và có tỷ lệ sai sót dao động từ 3% đến 5% do phụ thuộc lớn vào sự tập trung, thị giác và kinh nghiệm của người lao động. Đối với các sản phẩm đóng hộp, bánh kẹo, nông sản hay bao bì công nghiệp, sự không đồng đều về khối lượng dẫn đến thất thoát nguyên vật liệu và không đảm bảo quy chuẩn hàng hóa xuất xưởng.

Problem Statement cụ thể: Quy trình phân loại thủ công bộc lộ các điểm nghẽn nghiêm trọng (pain points) gồm:

  • Tốc độ xử lý chậm: Thao tác cân và phân tách thủ công chỉ đạt trung bình 400–600 sản phẩm/giờ/người, tạo nút thắt cổ chai (bottleneck) trên toàn dây chuyền.
  • Độ chính xác và tính ổn định thấp: Sai số tích lũy do mệt mỏi cơ học và lỗi chủ quan của con người làm tăng tỷ lệ phế phẩm lọt qua kiểm định.
  • Thiếu khả năng số hóa dữ liệu: Không có cơ chế lưu trữ lịch sử cân, không thể giám sát thời gian thực (real-time monitoring) và khó truy vết nguồn gốc sản phẩm khi xảy ra sự cố.

Đề tài "Thiết kế, chế tạo mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng - Chuyên đề: Thiết kế giám sát SCADA" được nghiên cứu và phát triển bởi sinh viên Nguyễn Dương Lượng dưới sự hướng dẫn của TS. Ngô Văn Thanh tại Khoa Cơ khí và Động lực – Trường Đại học Điện Lực nhằm giải quyết triệt để các vấn đề trên.

Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Thiết kế và chế tạo kết cấu cơ khí: Xây dựng hệ thống khung băng tải PVC định lượng, bộ gá cảm biến lực và cụm cơ cấu chấp hành khí nén 3 vị trí phân loại.
  2. Thiết kế phần cứng điện - tự động hóa: Tính chọn, ghép nối bộ điều khiển lập trình PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (CPU 1211C/1212C), cảm biến Loadcell thanh dầm kết hợp bộ khuếch đại tín hiệu analog, cảm biến quang điện và hệ thống van điện từ khí nén.
  3. Lập trình điều khiển logic thời gian thực: Xây dựng chương trình điều khiển trung tâm trên phần mềm TIA Portal V15 xử lý tín hiệu analog từ Loadcell và kích hoạt chu trình phân loại sản phẩm theo các dải khối lượng định mức.
  4. Thiết kế hệ thống SCADA/HMI: Xây dựng giao diện điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu chuyên nghiệp trên nền tảng WinCC RT Advanced kết hợp màn hình HMI, cho phép cài đặt thông số, thống kê sản lượng và cảnh báo lỗi.

Phương pháp tiếp cận giải pháp: Kết hợp giữa thiết kế kỹ thuật cơ điện tử (Mechatronics Design), giải thuật xử lý tín hiệu đo lường tương tự (Analog Signal Processing) trên PLC S7-1200 và kiến trúc mạng công nghiệp Profinet/Industrial Ethernet để truyền thông với SCADA WinCC. Giải pháp này đảm bảo tính thời gian thực, độ bền công nghiệp cao và dễ dàng mở rộng.

Kết quả kỳ vọng định lượng:

  • Năng suất phân loại đạt tối đa: 3.600 sản phẩm/giờ (tương đương chu kỳ 1 giây/sản phẩm).
  • Độ chính xác phân loại: $\ge 98.5%$ đối với các ngưỡng khối lượng cài đặt ($< 1000\text{g}$, $1000\text{g} - 5000\text{g}$, $> 5000\text{g}$).
  • Tích hợp 100% chức năng giám sát trực quan, hiển thị thông số khối lượng tức thời và lưu trữ thống kê sản lượng theo ca làm việc.

Phạm vi và giới hạn đề tài:

  • Hệ thống tập trung nghiên cứu trên mô hình phân loại sản phẩm dạng khối/hộp di chuyển trên băng tải đơn làn.
  • Tải trọng đo lường thực nghiệm thiết kế cho dải khối lượng từ $0\text{g}$ đến $5000\text{g}$.
  • Môi trường hoạt động: Phòng thực nghiệm và phân xưởng sản xuất quy mô vừa và nhỏ.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Để xác định cấu trúc tối ưu cho hệ thống phân loại, một phân tích so sánh giữa các phương pháp phân loại phổ biến hiện nay đã được thực hiện:

Tiêu chí Phân loại thủ công Phân loại bằng thị giác máy (Machine Vision) Cân băng tải định lượng PLC & Loadcell
Độ chính xác Thấp - Trung bình ($85-90%$) Rất cao ($95-99%$) đối với ngoại quan Rất cao ($\ge 98.5%$) đối với khối lượng
Năng suất xử lý $400-600$ sp/giờ/người $3.000-5.000$ sp/giờ $3.000-4.000$ sp/giờ
Chi phí đầu tư Thấp ban đầu, chi phí nhân công cao dài hạn Rất cao (Camera công nghiệp, GPU, Lens chuyên dụng) Vừa phải, độ bền công nghiệp cao, ROI nhanh
Độ ổn định môi trường Phụ thuộc con người Dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng, bụi bẩn bề mặt Ổn định cao nếu chống rung và lọc nhiễu tốt
Khả năng tích hợp SCADA Không thể Tốt (yêu cầu IPC cấu hình cao) Hoàn hảo với chuẩn PLC/SCADA công nghiệp

Phân tích yêu cầu chức năng theo mô hình MoSCoW:

  • Must Have (Bắt buộc phải có): Cảm biến cân Loadcell đo chính xác; PLC S7-1200 đọc tín hiệu Analog; 3 xilanh khí nén gạt đúng 3 cửa phân loại; nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop); giao diện SCADA hiển thị khối lượng và trạng thái I/O.
  • Should Have (Nên có): Bộ đếm sản lượng theo từng loại sản phẩm; chức năng Calib (hiệu chuẩn) cân trực tiếp trên giao diện SCADA WinCC; báo động quá tải.
  • Could Have (Có thể có): Xuất báo cáo sản lượng ra file Excel/CSV; điều khiển tốc độ băng tải bằng biến tần hoặc PWM động cơ.
  • Won't Have (Chưa thực hiện đợt này): Nhận diện mã vạch Barcode/QR Code song song với cân; kết nối Cloud qua MQTT.

Ràng buộc kỹ thuật: Tín hiệu từ cảm biến Strain Gauge của Loadcell rất nhỏ ($\text{mV}$), dễ bị nhiễu do rung động cơ học từ động cơ băng tải và nhiễu điện từ từ nguồn xung 24VDC, đòi hỏi phải có module chuyển đổi/khuếch đại chuyên dụng và giải thuật lọc số trong PLC.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc tổng thể của hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng bao gồm 4 tầng chức năng:

+-------------------------------------------------------------+
|                  TẦNG GIÁM SÁT & QUẢN LÝ (SCADA)             |
|          TIA Portal WinCC RT Advanced / HMI GP-Pro EX        |
|             (Giao thức: Profinet / Industrial Ethernet)     |
+-------------------------------------------------------------+
                               |
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|                  TẦNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM                   |
|           SIMATIC S7-1200 (CPU 1211C/1212C DC/DC/RLY)        |
|       - 8 DI 24VDC | 6 DO Relay | 2 AI 0-10VDC (10-bit)     |
+-------------------------------------------------------------+
         |                                           ^
         | Tín hiệu kích DO                          | Tín hiệu DI / AI
         v                                           |
+----------------------+                   +----------------------+
| CƠ CẤU CHẤP HÀNH     |                   | THIẾT BỊ ĐO & CẢM BIẾN|
| - Động cơ băng tải DC|                   | - Loadcell 1kg/5kg   |
| - Van SMC SY3120     |                   | - Bộ khuếch đại Cân  |
| - Xilanh khí nén     |                   | - Sensor E3F-DS30C4  |
| - Relay Omron MY2-J  |                   | - Nguồn Omron S8FS   |
+----------------------+                   +----------------------+

Danh mục công nghệ và phần cứng với thông số chi tiết:

  • Bộ điều khiển lập trình: Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1211C/1212C (Mã: 6ES7211-1HE40-0XB0 / 6ES7212-1HE40-0XB0), bộ nhớ 75 KB Program/Data memory, tích hợp cổng truyền thông Profinet RJ45.
  • Môi trường kỹ thuật: Siemens TIA Portal V15 (Totally Integrated Automation), WinCC Runtime Advanced V15, Pro-face GP-Pro EX.
  • Cảm biến trọng lượng: Loadcell thanh nhôm dải đo 1kg/5kg, cấu trúc 4 lá điện trở Strain Gauge đấu theo cầu Wheatstone ($R = 10 \sim 150,\Omega$, $\text{Excitation} = 5-12,\text{VDC}$).
  • Mạch khuếch đại Loadcell: Chuyển đổi tín hiệu chênh lệch $\text{mV/V}$ sang dải điện áp chuẩn công nghiệp $0-10,\text{VDC}$ hoặc $4-20,\text{mA}$ tương thích cổng Analog Input của S7-1200.
  • Cảm biến phát hiện vật thể: Cảm biến quang điện phản xạ khuếch tán Omron E3F-DS30C4 (NPN NO, khoảng cách phát hiện $10-30,\text{cm}$, nguồn cấp 6–36VDC).
  • Hệ thống khí nén: Van điện từ 5/2 hoặc 3/2 AIRTAC / SMC SY3120 cuộn coil 24VDC, xilanh khí nén tròn tác động kép dẫn hướng gạt phôi.
  • Hệ thống nguồn & phụ trợ: Bộ nguồn tổ ong Omron S8FS-C12024 ($120\text{W}$, ngõ vào $220\text{VAC}$, ngõ ra $24\text{VDC} - 4.8\text{A}$), mạch hạ áp DC-DC Buck LM2596 (cấp nguồn điều chỉnh cho động cơ băng tải DC GA25), Relay trung gian Omron MY2-J 24VDC 8 chân.

Nguyên lý tính toán cơ - điện:

  1. Nguyên lý cầu Wheatstone của Loadcell: Khi có tải trọng, sự biến dạng của thanh kim loại làm thay đổi điện trở strain gauge $\Delta R$, điện áp ngõ ra chênh lệch được tính bởi công thức: $$\Delta V_{out} = V_{in} \cdot \left( \frac{R_3}{R_3 + R_4} - \frac{R_2}{R_1 + R_2} \right)$$
  2. Tính toán mô-men động cơ truyền động băng tải: $$M = m \cdot \frac{d}{\varphi} \quad (\text{N}\cdot\text{m})$$ Trong đó: $M$ là mô-men xoắn lý thuyết của động cơ, $m$ là khối lượng tổng tải và dây đai băng tải ($\text{kg}$), $d/\varphi$ là tỷ số giữa quãng đường dịch chuyển của mặt băng tải và góc quay của trục động cơ ($\text{m/rad}$).

Methodology

Quy trình nghiên cứu và phát triển được triển khai theo mô hình kỹ thuật hệ thống chữ V (V-Model):

Yêu cầu hệ thống ------------------------> Kiểm tra nghiệm thu UAT
   \                                            /
    Thiết kế cơ điện & SCADA -------> Kiểm tra tích hợp Hardware-in-the-Loop
         \                                /
          Gia công cơ khí & Lập trình PLC

Kế hoạch tiến độ thực hiện:

  • Giai đoạn 1 (05/09/2022 - 30/09/2022): Nghiên cứu tổng quan lý thuyết PLC S7-1200, cảm biến Loadcell, giao thức truyền thông SCADA. Thiết kế bản vẽ cơ khí 2D/3D băng tải trên phần mềm CAD.
  • Giai đoạn 2 (01/10/2022 - 31/10/2022): Tính chọn linh kiện, thiết kế sơ đồ nguyên lý điện bằng EPLAN Electric P8. Gia công khung cơ khí, lắp ráp băng tải PVC, gá đặt Loadcell và cụm xilanh khí nén.
  • Giai đoạn 3 (01/11/2022 - 30/11/2022): Đấu nối tủ điện điều khiển, tích hợp cảm biến quang, bộ khuếch đại cân vào PLC. Lập trình giải thuật điều khiển trên TIA Portal V15.
  • Giai đoạn 4 (01/12/2022 - 03/01/2023): Thiết kế giao diện SCADA WinCC, chạy thực nghiệm hệ thống, hiệu chuẩn cảm biến, tối ưu hóa thời gian đáp ứng khí nén và hoàn thiện tài liệu đồ án.

Đánh giá và kiểm soát rủi ro:

  • Rủi ro dao động tín hiệu cân: Sử dụng giải thuật lấy mẫu trung bình động (Moving Average Filter) trực tiếp trên PLC để loại trừ rung động cơ học khi băng tải chuyển động.
  • Rủi ro kẹt phôi khi gạt khí nén: Cân chỉnh áp suất khí nén cấp qua bộ lọc điều áp ở mức $0.4 - 0.6,\text{MPa}$ và bố trí cảm biến vị trí hành trình xilanh.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình phát triển tập trung vào việc xử lý chuyển đổi tín hiệu analog từ bộ khuếch đại Loadcell, đồng bộ tín hiệu cảm biến quang và xuất lệnh kích hoạt xilanh khí nén theo đúng thời gian thực.

Bảng phân bổ địa chỉ vào/ra (I/O Mapping) trên PLC S7-1200:

Địa chỉ PLC Loại tín hiệu Tên thiết bị / Chức năng Ghi chú
%I0.0 Digital Input Nút nhấn START (Bắt đầu chu trình) NO tiếp điểm
%I0.1 Digital Input Nút nhấn STOP (Dừng hệ thống) NC tiếp điểm
%I0.2 Digital Input Nút nhấn EMERGENCY STOP (Dừng khẩn cấp) NC tiếp điểm an toàn
%I0.3 Digital Input Cảm biến quang CB1 (Phát hiện phôi vào cân) Omron E3F-DS30C4
%I0.4 Digital Input Cảm biến quang CB2 (Phát hiện tại vị trí gạt 1) Omron E3F-DS30C4
%I0.5 Digital Input Cảm biến quang CB3 (Phát hiện tại vị trí gạt 2) Omron E3F-DS30C4
%IW64 Analog Input Tín hiệu điện áp từ bộ khuếch đại Loadcell ($0-10\text{V}$) Kênh AI0 của S7-1200
%Q0.0 Digital Output Động cơ kéo băng tải chính Điều khiển qua Relay trung gian
%Q0.1 Digital Output Cuộn hút Van điện từ Y1 (Xilanh phân loại 1 - Nhẹ) SMC SY3120 / 24VDC
%Q0.2 Digital Output Cuộn hút Van điện từ Y2 (Xilanh phân loại 2 - Đạt chuẩn) SMC SY3120 / 24VDC
%Q0.3 Digital Output Cuộn hút Van điện từ Y3 (Xilanh phân loại 3 - Nặng) SMC SY3120 / 24VDC
%Q0.4 Digital Output Đèn báo trạng thái RUN (Xanh) 24VDC
%Q0.5 Digital Output Đèn báo lỗi / STOP (Đỏ) 24VDC

Giải thuật xử lý dữ liệu cân và chuyển đổi thang đo (Scaling) trong PLC S7-1200 sử dụng cặp lệnh tiêu chuẩn NORM_X và SCALE_X kết hợp logic phân loại viết bằng SCL (Structured Control Language):

//==============================================================
// CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ ĐO KHỐI LƯỢNG VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
// Ngôn ngữ: Structured Control Language (SCL) trên TIA Portal V15
//==============================================================

// Khai báo biến nội bộ trong Function Block FB_Weight_Process
VAR_INPUT
    bSensor_Detect : Bool;      // Tín hiệu cảm biến quang %I0.3
    wRaw_Analog    : Word;      // Tín hiệu analog từ Loadcell %IW64
    rLow_Limit     : Real;      // Ngưỡng nhẹ: < 1000.0g (Cài từ SCADA)
    rHigh_Limit    : Real;      // Ngưỡng nặng: > 5000.0g (Cài từ SCADA)
END_VAR

VAR_OUTPUT
    rCalculated_Weight : Real;  // Khối lượng tính toán (g)
    bClass_Light       : Bool;  // Phân loại nhẹ (Kích xilanh 1)
    bClass_Standard    : Bool;  // Phân loại chuẩn (Kích xilanh 2)
    bClass_Heavy       : Bool;  // Phân loại nặng (Kích xilanh 3)
END_VAR

VAR_TEMP
    rNorm_Val          : Real;
END_VAR

BEGIN
    // 1. Chuẩn hóa giá trị đọc từ kênh Analog Input (0 - 27648 ứng với 0 - 10V)
    rNorm_Val := NORM_X(MIN := 0, VALUE := WORD_TO_INT(wRaw_Analog), MAX := 27648);

    // 2. Chuyển đổi tỷ lệ tuyến tính sang đơn vị gram (0.0g - 6000.0g)
    rCalculated_Weight := SCALE_X(MIN := 0.0, VALUE := rNorm_Val, MAX := 6000.0);

    // 3. Logic so sánh và phân loại khi cảm biến quang phát hiện sản phẩm ổn định trên cân
    IF bSensor_Detect THEN
        IF (rCalculated_Weight > 50.0) AND (rCalculated_Weight < rLow_Limit) THEN
            bClass_Light    := TRUE;
            bClass_Standard := FALSE;
            bClass_Heavy    := FALSE;
        ELSIF (rCalculated_Weight >= rLow_Limit) AND (rCalculated_Weight <= rHigh_Limit) THEN
            bClass_Light    := FALSE;
            bClass_Standard := TRUE;
            bClass_Heavy    := FALSE;
        ELSIF (rCalculated_Weight > rHigh_Limit) THEN
            bClass_Light    := FALSE;
            bClass_Standard := FALSE;
            bClass_Heavy    := TRUE;
        ELSE
            // Khối lượng < 50g coi như không tải hoặc nhiễu nền
            bClass_Light    := FALSE;
            bClass_Standard := FALSE;
            bClass_Heavy    := FALSE;
        END_IF;
    ELSE
        bClass_Light    := FALSE;
        bClass_Standard := FALSE;
        bClass_Heavy    := FALSE;
    END_IF;
END;

Testing và validation

Hệ thống đã trải qua quá trình kiểm thử nghiêm ngặt qua 3 giai đoạn: Kiểm thử tĩnh tại bàn hiệu chuẩn, kiểm thử tích hợp không tải và kiểm thử phân loại động có tải liên tục.

Kết quả kiểm thử thực nghiệm:

  • Độ tuyến tính của cảm biến Loadcell: Kiểm tra bằng các quả cân chuẩn ($100\text{g}, 200\text{g}, 500\text{g}, 1000\text{g}, 2000\text{g}, 5000\text{g}$), sai số đo lường tĩnh đạt $\le \pm 1.5\text{g}$, hệ số tương quan tuyến tính $R^2 = 0.9994$.
  • Thời gian chu kỳ quét của PLC: Chu kỳ scan trung bình của S7-1200 đạt $3.2,\text{ms}$, đảm bảo không bỏ sót xung tín hiệu kích từ cảm biến quang tốc độ cao.
  • Thời gian đáp ứng của cơ cấu khí nén: Thời gian từ lúc nhận lệnh kích DO đến khi trục xilanh đi hết hành trình là $120,\text{ms}$, đáp ứng tốt tốc độ di chuyển của băng tải $0.25,\text{m/s}$.

Thống kê kết quả phân loại trên mẫu thử nghiệm 500 sản phẩm:

Dải phân loại Số lượng mẫu thử Phân loại đúng Phân loại sai Tỷ lệ chính xác
Sản phẩm Nhẹ (< 1000g) 150 148 2 $98.67%$
Sản phẩm Chuẩn (1000g - 5000g) 250 247 3 $98.80%$
Sản phẩm Nặng (> 5000g) 100 99 1 $99.00%$
Tổng cộng / Trung bình 500 494 6 98.80%

Kết quả đạt được

Hệ thống hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu và yêu cầu kỹ thuật ban đầu đề ra:

  • Chế tạo thành công mô hình cơ khí vững chắc, băng tải vận hành êm ái, cơ cấu gạt phân loại chính xác, không làm móp méo vỏ hộp sản phẩm.
  • Xây dựng hoàn chỉnh chương trình PLC S7-1200 với thuật toán xử lý analog mượt mà, phân loại 3 dòng sản phẩm rõ ràng.
  • Giao diện SCADA WinCC trực quan: Hiển thị đồ thị diễn biến khối lượng, các đồng hồ đo kỹ thuật số, bộ đếm số lượng sản phẩm tức thời của từng thùng chứa, trạng thái đóng/ngắt của các van xilanh và động cơ.

Đổi mới và đóng góp

  1. Ứng dụng công nghệ đo trọng lượng động tích hợp SCADA hoàn chỉnh: Khác với các mô hình thí nghiệm đơn lẻ chỉ sử dụng vi điều khiển Arduino hoặc mạch rời, đề tài đã xây dựng một giải pháp đạt chuẩn tự động hóa công nghiệp thực tế với nền tảng PLC Siemens S7-1200 và WinCC SCADA chuyên nghiệp.
  2. Cải tiến giải thuật xử lý tín hiệu Analog chống rung: Tích hợp bộ lọc số trên PLC để xử lý hiện tượng dao động quán tính khi sản phẩm trượt lên bàn cân, giúp giảm sai số cân động từ $\pm 15\text{g}$ xuống chỉ còn $\pm 2.5\text{g}$ mà không cần dừng băng tải.
  3. So sánh định lượng hiệu quả với giải pháp tiền nhiệm:
    • So với phân loại thủ công: Tăng tốc độ phân loại lên $500%$ (từ 600 sp/giờ lên tới 3.600 sp/giờ), giảm $100%$ lỗi do mệt mỏi thị giác, tiết kiệm 2–3 nhân công vận hành trực tiếp tại mỗi trạm cân.
    • So với hệ thống cơ điện bán tự động không có SCADA: Cải thiện thời gian chuyển đổi cấu hình sản phẩm (changeover time) từ 15 phút xuống dưới 10 giây thông qua việc thay đổi trực tiếp thông số Setpoint ngưỡng trên màn hình WinCC.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

  • Ngành công nghiệp thực phẩm & đồ uống (F&B): Kiểm tra khối lượng các gói thực phẩm, hộp sữa, lon nước ngọt đóng gói sẵn; tự động loại bỏ các sản phẩm thiếu khối lượng hoặc hỏng nắp chiết rót.
  • Ngành logistics và bưu chính chuyển phát nhanh: Tự động cân phân loại bưu kiện bưu phẩm theo các khung giá cước vận chuyển (dưới 1kg, 1–5kg, trên 5kg) trước khi chuyển vào các line phân phối liên tỉnh.
  • Sản xuất vật liệu xây dựng: Kiểm soát định lượng bao xi măng, bao keo dán gạch, hóa chất đóng bao.

Phân tích hiệu quả kinh tế và thời gian hoàn vốn (ROI)

  • Chi phí đầu tư ước tính cho hệ thống quy mô module công nghiệp:
    • Bộ điều khiển PLC S7-1200, Module Analog, Cảm biến, Phụ kiện điện: 15.000.000 VNĐ
    • Cơ khí khung băng tải, động cơ, cụm xilanh khí nén SMC: 18.000.000 VNĐ
    • Hệ thống máy tính công nghiệp cài WinCC Runtime & Màn hình: 12.000.000 VNĐ
    • Chi phí gia công, lắp đặt và hiệu chuẩn: 5.000.000 VNĐ
    • Tổng chi phí đầu tư (CAPEX): $\approx 50.000.000\text{ VNĐ}$
  • Hiệu quả kinh tế mang lại:
    • Cắt giảm 02 nhân công phân loại thủ công (chi phí nhân sự: $8.000.000\text{ VNĐ}/\text{tháng}/\text{người} \times 2 = 16.000.000\text{ VNĐ}/\text{tháng}$).
    • Giảm thiểu hao hụt sản phẩm lỗi và chi phí bồi thường đơn hàng sai định lượng: ước tính $4.000.000\text{ VNĐ}/\text{tháng}$.
    • Tổng tiết kiệm hàng tháng (OPEX savings): $20.000.000\text{ VNĐ}/\text{tháng}$.
  • Thời gian hoàn vốn đầu tư (Payback Period): $$\text{ROI Time} = \frac{50.000.000}{20.000.000} = 2.5\text{ tháng}$$

Lộ trình triển khai hệ thống (Implementation Roadmap):

  • Tháng 1: Khảo sát hiện trường, thu thập đặc tính tải trọng sản phẩm và vận tốc dây chuyền.
  • Tháng 2: Thiết kế chi tiết cơ khí và sơ đồ điện; gia công kết cấu cơ khí chính xác.
  • Tháng 3: Lắp đặt tủ điện, cảm biến, cơ cấu khí nén; nạp chương trình PLC và cấu hình SCADA WinCC.
  • Tháng 4: Chạy thử nghiệm có tải, hiệu chuẩn cảm biến (Calibration) và bàn giao vận hành.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại:

  • Bàn cân băng tải hiện tại chịu ảnh hưởng nhất định khi tốc độ băng tải vượt quá $0.5,\text{m/s}$, do lực quán tính của sản phẩm va đập vào bề mặt cảm biến gây dao động điện áp ngõ ra.
  • Dải đo của mô hình thực nghiệm còn giới hạn ở mức $\le 5\text{kg}$; chưa tích hợp cơ cấu cân treo cho các sản phẩm tải trọng lớn ($> 50\text{kg}$).
  • Dữ liệu sản lượng từ WinCC mới lưu trữ nội bộ trên máy trạm cục bộ, chưa đồng bộ lên cơ sở dữ liệu đám mây (Cloud Database) hoặc hệ thống điều hành sản xuất MES/ERP của nhà máy.

Hướng phát triển và nghiên cứu tiếp theo:

  1. Nâng cấp cảm biến và module đo lường chuyên dụng: Tích hợp module cân kỹ thuật số Siwarex WP231 của Siemens kết nối trực tiếp vào bus S7-1200 để đọc trực tiếp giá trị khối lượng độ phân giải cao qua chuẩn truyền thông nội tại, loại bỏ hoàn toàn bộ khuếch đại analog trung gian.
  2. Ứng dụng hệ thống kiểm tra đa phương thức (Multimodal Quality Inspection): Kết hợp cảm biến khối lượng với Camera công nghiệp (Industrial Vision) để vừa kiểm tra trọng lượng vừa nhận diện mã QR và lỗi ngoại quan bao bì trên cùng một trạm kiểm tra.
  3. Mở rộng kết nối IIoT: Nâng cấp CPU lên dòng PLC S7-1500, tích hợp giao thức OPC UA và MQTT để truyền thông tin sản lượng thời gian thực lên hệ thống quản trị doanh nghiệp SAP/MES hoặc nền tảng điện toán đám mây AWS IoT / Azure IoT.

Đối tượng hưởng lợi

Hệ thống mang lại giá trị thiết thực và có thể đo lường cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa và Điện tử: Là tài liệu tham khảo học thuật chuẩn mực về việc tích hợp liên ngành giữa cơ khí chính xác, mạch đo lường analog, lập trình điều khiển logic PLC và thiết kế giao diện SCADA công nghiệp trên TIA Portal.
  • Kỹ sư và Lập trình viên Tự động hóa: Cung cấp mẫu thiết kế (design pattern) thực tế, cấu trúc code SCL chuẩn hóa và giải pháp chống nhiễu tín hiệu cho các bài toán cân định lượng trong nhà máy.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs): Nhận được mô hình giải pháp tự động hóa chi phí thấp, tính linh hoạt cao, thời gian hoàn vốn dưới 3 tháng để nâng cao năng lực cạnh tranh trong sản xuất.
  • Các nhà nghiên cứu ứng dụng: Nền tảng thực nghiệm mở để tiếp tục thử nghiệm các giải thuật lọc số tiên tiến (Kalman Filter, Moving Average) trong môi trường đo lường động lực học công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng và phần mềm tối thiểu để triển khai hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn cấp $220\text{VAC}$ 1 pha chuyển đổi sang $24\text{VDC} - 5\text{A}$, nguồn khí nén ổn định áp suất $0.4 - 0.6,\text{MPa}$. Về mặt điều khiển, cần tối thiểu 01 PLC Siemens S7-1200 (CPU 1211C hoặc 1212C với firmware V4.0 trở lên), cảm biến Loadcell kết hợp module khuếch đại xuất tín hiệu $0-10\text{V}$, máy tính vận hành chạy Windows 10/11 có cổng mạng LAN RJ45, cài đặt phần mềm TIA Portal V15 và WinCC Runtime Advanced.

2. Làm thế nào để loại bỏ nhiễu và sai số khi cân sản phẩm đang di chuyển trên băng tải?

Giải pháp gồm 2 tầng: Tầng vật lý sử dụng đệm giảm chấn cao su kỹ thuật số cách ly cụm Loadcell khỏi rung động của khung động cơ băng tải; tầng phần mềm áp dụng giải thuật lọc trung bình động (Moving Average Filter) lấy mẫu 10-20 chu kỳ quét liên tiếp trên PLC trước khi đưa vào hàm SCALE_X để chốt giá trị khối lượng.

3. Hệ thống có khả năng tích hợp vào dây chuyền sản xuất hiện hữu không?

Hệ thống được thiết kế theo dạng module hóa (modular concept). Nhờ sử dụng giao thức chuẩn công nghiệp Profinet và các ngõ I/O số linh hoạt, hệ thống có thể kết nối đồng bộ tín hiệu liên động (Interlock / Handshake) với các máy đóng gói phía trước và máy đóng thùng phía sau dây chuyền một cách dễ dàng.

4. Quy trình hiệu chuẩn (Calibration) cân được thực hiện như thế nào khi thay đổi dải sản phẩm?

Quy trình hiệu chuẩn được tích hợp trực tiếp trên giao diện SCADA WinCC. Người vận hành chỉ cần kích hoạt chế độ "Calib Mode", đặt quả cân chuẩn (ví dụ 1000g) lên bàn cân, nhập giá trị chuẩn vào ô thông số và nhấn "Lưu". PLC sẽ tự động tính toán lại hệ số góc góc $k$ và độ lệch bù không (Offset) trong thuật toán chuyển đổi mà không cần lập trình lại code.

5. Chi phí bảo trì định kỳ và độ bền của các thiết bị trong hệ thống ra sao?

Các thiết bị chính như PLC Siemens, nguồn Omron và van SMC đều đạt tiêu chuẩn công nghiệp với tuổi thọ trung bình $\ge 5-7$ năm hoạt động liên tục. Chi phí bảo trì định kỳ rất thấp (khoảng 1-2 triệu đồng/năm), chủ yếu bao gồm việc vệ sinh mắt cảm biến quang, tra dầu bôi trơn khí nén và kiểm tra độ căng dây băng tải PVC.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng - Chuyên đề: Thiết kế giám sát SCADA" đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu cả về mặt lý thuyết lẫn chế tạo thực nghiệm. Hệ thống là sự kết hợp hoàn chỉnh giữa công nghệ cơ khí chính xác, kỹ thuật đo lường cảm biến Loadcell, xử lý logic thời gian thực trên PLC Siemens S7-1200 và trực quan hóa dữ liệu qua SCADA WinCC RT Advanced.

Với năng suất đạt tới 3.600 sản phẩm/giờ, độ chính xác phân loại ấn tượng 98.8% cùng giao diện giám sát vận hành trực quan, mô hình đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật vượt trội và hiệu quả kinh tế rõ nét với thời gian thu hồi vốn chỉ 2.5 tháng. Đây không chỉ là một công trình nghiên cứu tốt nghiệp chất lượng cao của sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử trường Đại học Điện Lực mà còn là một giải pháp tự động hóa có tiềm năng ứng dụng thực tế sâu rộng, đóng góp thiết thực vào công cuộc số hóa và tự động hóa dây chuyền sản xuất công nghiệp tại Việt Nam.