Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các ngành công nghiệp sản xuất như gốm sứ, vật liệu xây dựng, hóa chất, thực phẩm và dược phẩm, công đoạn định lượng và trộn nguyên liệu đóng vai trò quyết định đến độ đồng nhất và chất lượng sản phẩm cuối cùng. Sai sót trong tỷ lệ pha trộn thành phần không chỉ làm giảm phẩm cấp sản phẩm mà còn gây lãng phí nguyên vật liệu và tăng chi phí vận hành. Nhằm giải quyết bài toán kiểm soát tỷ lệ nguyên liệu tự động và quản lý dữ liệu vận hành từ xa theo định hướng công nghiệp 4.0, đề tài "Giám sát và thu thập dữ liệu cân của hệ thống trộn qua internet" (Mã số đề tài: CKM-36) đã được thực hiện tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm bốn nhiệm vụ trọng tâm:

  1. Thiết kế và chế tạo tủ điều khiển hệ thống cân định lượng.
  2. Xây dựng giao diện phần mềm giám sát hệ thống qua mạng Internet.
  3. Áp dụng công nghệ mã vạch trong việc truy xuất và quản lý dữ liệu mẻ cân.
  4. Xây dựng hệ thống thu thập và quản lý toàn diện dữ liệu của quá trình cân.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình cân định lượng gián đoạn, cơ cấu cấp liệu trục vít đứng, cơ cấu bồn trộn dải băng xoắn, hệ thống điều khiển tự động PLC và thiết bị truyền nhận dữ liệu đám mây (IoT Gateway).
  • Phạm vi thông số kỹ thuật: Hệ thống phục vụ định lượng các nguyên liệu ngành gốm (cát, đất, chất phụ gia) và vật liệu rời tương đương (xi măng, đá vôi); tải trọng cân tối đa đạt $2500\text{ kg}$ ($2{,}5\text{ tấn}$); năng suất thiết kế $10\text{ mẻ/ngày}$; yêu cầu sai số hệ thống không vượt quá $2%$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng tính toán và giải pháp kỹ thuật dựa trên các cơ sở lý thuyết chuyên ngành:

  • Nguyên lý cân định lượng: Phân tích sự khác biệt giữa cân liên tục và cân gián đoạn. Đồ án lựa chọn mô hình cân gián đoạn kết hợp vít tải định lượng theo từng mẻ độc lập để kiểm soát chính xác khối lượng thành phần.
  • Cảm biến tải (Loadcell) và mạch cầu Wheatstone: Nghiên cứu nguyên lý biến dạng của strain gauge gắn trên thân kim loại đàn hồi. Khi có tải trọng, sự thay đổi điện trở làm mất cân bằng mạch cầu, tạo ra điện áp vi sai $V_{out} = (\frac{R_2}{R_1 + R_2} - \frac{R_4}{R_3 + R_4}) \cdot V_{in}$. Tín hiệu đầu ra có biên độ nhỏ (đặc tính của dòng SQB Keli là $3{,}003\text{ mV/V}$ cho dải tải $0{,}5 \div 10\text{ tấn}$) được khuếch đại và chuyển đổi tương tự - số (ADC 12-bit) sang các chuẩn công nghiệp ($0 \div 10\text{ VDC}$, $4 \div 20\text{ mA}$).
  • Điều khiển lập trình PLC: Sử dụng bộ điều khiển logic khả trình để thực hiện chu trình quét (đọc tín hiệu đầu vào, xử lý chương trình điều khiển, xuất tín hiệu đầu ra) với khả năng chống nhiễu công nghiệp và xử lý thuật toán tuần tự.
  • Giao thức truyền thông công nghiệp Modbus RTU: Hoạt động theo cấu trúc Master-Slave qua đường truyền vật lý RS-485/RS-232, hỗ trợ tốc độ truyền từ $1200\text{ bps}$ đến $115200\text{ bps}$. Frame truyền dữ liệu chuẩn gồm: Byte địa chỉ slave ($0 \div 254$), Byte mã hàm (01, 03, 05, 15), Byte dữ liệu trao đổi và 2 Byte mã kiểm tra lỗi CRC 16-bit.
  • Công nghệ nhận dạng mã vạch: Phân loại mã vạch 1D (UPC, EAN, Code 39, Code 128) và 2D (QR Code, Data Matrix, PDF417) để số hóa quá trình định danh mẻ cân và quản lý lô nguyên liệu.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tra cứu tài liệu chuyên ngành cơ khí máy trộn, sổ tay thiết kế máy vận chuyển liên tục, tài liệu kỹ thuật điện tử, chuẩn truyền thông Modbus và tài liệu hướng dẫn lập trình PLC Siemens.
  • Phương pháp thực nghiệm: Tính toán thiết kế cơ khí (bền trục, công suất động cơ, kích thước bồn), gia công chế tạo khung vỏ tủ điện, lắp ráp mô hình thực tế, kết nối mạng IoT và tiến hành cân kiểm chứng thực nghiệm tại các mốc tải trọng $135\text{ kg}$ và $242\text{ kg}$.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh bao gồm ba phân hệ chính: cơ khí, điện - điều khiển và phần mềm giám sát IoT.

1. Thiết kế cơ khí và động lực học

Nhóm nghiên cứu đánh giá và lựa chọn phương án lắp đặt cơ khí phù hợp với tải trọng $2500\text{ kg}$:

Tiêu chí Phương án cân bàn (Được chọn) Phương án cân treo
Độ chính xác Cao, ổn định trên mặt sàn cố định Dễ bị dao động do gió và rung động cơ học
Độ phức tạp kết cấu Thiết kế đơn giản, lắp đặt 4 loadcell chịu lực nén tại 4 góc Cơ cấu treo phức tạp, đòi hỏi dầm chịu lực trên cao
Tính linh hoạt Vị trí đặt cố định, bảo trì thuận lợi Di chuyển linh hoạt nhưng khó định vị chính xác
  • Kết cấu vít tải cấp liệu đứng: Cung cấp nguyên liệu xi măng ($\rho = 2900\text{ kg/m}^3$) và đá vôi ($\rho = 2760\text{ kg/m}^3$) với năng suất $Q = 6000\text{ kg/h}$, vận tốc nâng vật liệu $v_1 = 0{,}15\text{ m/s}$, hệ số điền đầy $\mu = 0{,}4$.
    • Đường kính ngoài cánh vít: $D = 200\text{ mm}$; đường kính trong: $d = 70\text{ mm}$.
    • Bước vít: $S = 0{,}8D = 160\text{ mm}$; góc xoắn cánh vít: $\theta = 84^\circ$.
    • Công suất khắc phục ma sát thành máy: $N_1 = 0{,}26\text{ kW}$; công suất ma sát cánh vít: $N_2 = 1{,}0\text{ kW}$.
    • Tổng công suất cần cấp cho trục vít: $N = 2{,}6\text{ kW}$. Mô men xoắn trục vít: $M_X = 102\text{ Nm}$ tại tốc độ $n = 190\text{ vòng/phút}$. Kiểm nghiệm ứng suất tiếp trục rỗng thép C45 thỏa mãn $\tau_{max} \le [\tau] = 12 \div 25\text{ MPa}$.
    • Động cơ dẫn động vít tải: Động cơ 3 pha không đồng bộ ZOZHI Y132S-4 công suất $5{,}5\text{ kW}$ ($7{,}5\text{ HP}$), tốc độ $1440\text{ vòng/phút}$, kết hợp hộp số giảm tốc tỷ số truyền $i = 7$.
  • Kết cấu bồn trộn dải băng xoắn: Thể tích làm việc bồn trộn $V_t = 3{,}8\text{ m}^3$, năng suất trộn $Q = 10000\text{ kg/h}$, thời gian trộn $t_{tr} = 20\text{ phút}$, thời gian tháo nạp $t' = 6\text{ phút}$.
    • Kích thước thùng trộn: Đường kính phần trụ $D = 1{,}2\text{ m}$, chiều cao $H = 1{,}4\text{ m}$, chiều dài $L = 2{,}4\text{ m}$.
    • Cánh trộn dải băng kép: Dải băng lớn có đường kính $d_{t1} = 1{,}15\text{ m}$, bước xoắn $S_1 = 0{,}96\text{ m}$, bề rộng $b_1 = 0{,}05\text{ m}$ (tiêu hao công suất $N_1 = 7{,}3\text{ kW}$); dải băng nhỏ có đường kính $d_{t2} = 0{,}6\text{ m}$, bước xoắn $S_2 = 0{,}48\text{ m}$, bề rộng $b_2 = 0{,}04\text{ m}$ (tiêu hao công suất $N_2 = 2{,}0\text{ kW}$).
    • Tổng công suất trục trộn: $N = 9{,}3\text{ kW}$. Hệ thống sử dụng động cơ TECO AESV2S040020YW công suất $15\text{ kW}$ ($20\text{ HP}$), tốc độ $1470\text{ vòng/phút}$, điện áp $380\text{V}/660\text{V}$, kết hợp hộp giảm tốc R137-AM160-37.65-M1 có tỷ số truyền $i = 37{,}65$ để đưa tốc độ trục khuấy về $35\text{ vòng/phút}$.
    • Vật liệu khung bồn: Thép kết cấu SS400, được mô phỏng kiểm nghiệm bền chịu tải trọng tĩnh và động.

2. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển

Thiết bị / Thành phần Mã hiệu / Quy cách Chức năng trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình Siemens S7-1200 CPU 1214C AC/DC/Rly Xử lý logic trung tâm, điều khiển cấp/xả liệu, đồng bộ hóa quy trình
Cảm biến lực (Loadcell) Keli SQB (4 bộ, tải trọng $2\text{ tấn/bộ}$) Đo lường tải trọng phân bố 4 góc của bồn cân bàn
Bộ tổng tín hiệu AJ 4P Phối hợp trở kháng và gom tín hiệu từ 4 loadcell thành một ngõ ra duy nhất
Đầu cân hiển thị & chuyển đổi CAS CI-170A Xử lý khuếch đại tín hiệu tải, hiển thị trọng lượng thực tế và truyền Modbus RTU
Thiết bị truyền thông IoT V-Box Gateway Đọc dữ liệu PLC qua mạng nội bộ, đẩy dữ liệu lên Cloud SCADA qua Internet
Thiết bị đóng cắt & bảo vệ Khởi động từ, Circuit Breaker (CB) Cấp nguồn động lực, điều khiển đóng ngắt động cơ trộn và vít tải an toàn

3. Phần mềm điều khiển, giám sát và quản lý dữ liệu

  • Giao diện HMI vận hành: Bao gồm hệ thống màn hình chức năng: Màn hình Home, Màn hình Chế độ tự động (Auto 1, Auto 2), Màn hình Chế độ bằng tay (Manual), Màn hình Cài đặt thông số (Setting), Màn hình Hiệu chuẩn (Calip), Màn hình Kiểm tra tín hiệu I/O và Màn hình Quan sát trạng thái.
  • Hệ thống Cloud SCADA qua V-Box: Thiết lập dự án thông qua nền tảng Cloud Web Config, cấu hình truyền thông địa chỉ dữ liệu giữa PLC S7-1200 và V-Box. Hệ thống tạo các khối dữ liệu lịch sử (Historical Data), cho phép giám sát thông số cân theo thời gian thực trên Webserver và xuất báo cáo dữ liệu mẻ cân dưới định dạng file .csv.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan nghiên cứu đề tài

Trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa khâu cân định lượng trong quy trình sản xuất công nghiệp, ý nghĩa của việc áp dụng giải pháp IoT trong quản trị dữ liệu sản xuất. Xác định rõ mục tiêu chế tạo tủ điện điều khiển, lập trình giao diện giám sát qua Internet, ứng dụng mã vạch và thiết lập hệ thống lưu trữ dữ liệu với giới hạn tải trọng $2500\text{ kg}$, năng suất $10\text{ mẻ/ngày}$.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Hệ thống hóa lý thuyết về hai phương thức cân định lượng (cân liên tục và cân gián đoạn). Phân tích cấu tạo, nguyên lý mạch cầu Wheatstone, các dạng loadcell (trụ 16AC3, cầu bi SQA, thanh SQB, chữ Z YZC-516C, xoắn FCAX) và giải pháp khuếch đại chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC 12-bit). Trình bày cấu trúc phần cứng và chu trình quét của PLC Siemens; cấu trúc khung truyền tin của giao thức Modbus RTU qua chuẩn RS-485; phân loại và ứng dụng mã vạch 1D, 2D trong quản lý chuỗi cung ứng sản xuất.

Chương 3. Thiết kế cơ khí

Trình bày các tiêu chí thiết kế kỹ thuật, phân tích ưu nhược điểm giữa phương án cân bàn và cân treo để lựa chọn giải pháp đặt 4 loadcell dạng bàn. Trình bày chi tiết chuỗi công thức tính toán kích thước hình học, vận tốc nâng, góc xoắn và công suất tiêu hao của vít tải đứng cấp liệu xi măng/đá vôi ($N = 2{,}6\text{ kW}$), lựa chọn động cơ ZOZHI Y132S-4 ($5{,}5\text{ kW}$) cùng hộp số $i=7$, kiểm nghiệm bền trục rỗng C45. Tính toán bồn trộn dải băng xoắn thể tích $3{,}8\text{ m}^3$, xác định lực cản vòng và cản trục của dải băng lớn ($7{,}3\text{ kW}$) và dải băng nhỏ ($2{,}0\text{ kW}$), chọn động cơ TECO AESV2S040020YW ($15\text{ kW}$) kèm hộp số R137 ($i=37{,}65$). Kiểm nghiệm độ bền tĩnh và động của khung máy bằng thép SS400.

Chương 4. Thiết kế hệ thống điện

Xây dựng sơ đồ khối kết nối phần cứng hệ thống điện điều khiển. Trình bày chi tiết thông số kỹ thuật và lý do lựa chọn các linh kiện: PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C AC/DC/Rly, 4 loadcell thanh SQB Keli $2\text{ tấn}$, hộp nối tín hiệu AJ 4P, đầu cân CAS CI-170A, khởi động từ, rơ-le và bố trí không gian lắp đặt linh kiện trên mặt phẳng gá cũng như cánh cửa tủ điện điều khiển thực tế.

Chương 5. Thiết lập và lập trình hệ thống điều khiển

Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng quát cho hệ thống cân trộn. Thiết kế các màn hình giao diện HMI (Home, Chế độ tự động, Chế độ bằng tay, Cài đặt, Calip, Kiểm tra tín hiệu, Quan sát). Trình bày mô hình kết nối 7 tầng IoT, hướng dẫn cấu hình truyền thông giữa PLC S7-1200 với thiết bị V-Box, thiết lập địa chỉ ô nhớ, khởi tạo bảng dữ liệu Historical Data, cấu hình Cloud SCADA và chức năng xuất báo cáo định dạng file .csv.

Chương 6. Kết quả thực nghiệm

Báo cáo quá trình vận hành chạy thử hệ thống mô hình thực tế. Tiến hành thực nghiệm kiểm tra độ chính xác của cơ cấu cân qua 2 lần đo lường độc lập với hai mức khối lượng tải mẫu là $135\text{ kg}$ và $242\text{ kg}$. Ghi nhận số liệu sai số, đánh giá độ ổn định của hệ thống truyền thông dữ liệu từ đầu cân CAS CI-170A về PLC và đẩy lên Webserver thông qua V-Box.

Chương 7. Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu ban đầu của đồ án tốt nghiệp. Nêu rõ các sản phẩm thực tế đã chế tạo được (mô hình bồn trộn cơ khí, tủ điện điều khiển hoàn thiện, giao diện điều khiển Cloud Web) và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm cải tiến, mở rộng đề tài trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình bồn trộn kết hợp hệ thống cân định lượng gián đoạn $4$ điểm tựa sử dụng $4$ cảm biến tải SQB Keli $2\text{ tấn}$, tổng tải trọng định mức $2500\text{ kg}$.
  • Lắp ráp hoàn chỉnh tủ điện điều khiển công nghiệp tích hợp PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, đầu cân CAS CI-170A và bộ điều khiển đóng cắt động cơ.
  • Xây dựng thành công kênh truyền thông Modbus RTU và tích hợp module IoT V-Box, cho phép giám sát dữ liệu cân theo thời gian thực trên giao diện Cloud Webserver và tự động trích xuất dữ liệu mẻ cân ra tệp .csv.
  • Kết quả kiểm nghiệm thực tế qua các lần thử tải ở các mốc khối lượng mẫu $135\text{ kg}$ và $242\text{ kg}$ cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, sai số đo lường nằm trong giới hạn cho phép ($< 2%$).

2. Đóng góp của đề tài

  • Hoàn thiện tài liệu tính toán thiết kế động lực học chi tiết cho tổ hợp thiết bị cơ khí gồm vít tải đứng ($Q = 6000\text{ kg/h}$) và máy trộn dải băng xoắn hai tầng ($V_t = 3{,}8\text{ m}^3$).
  • Đưa ra giải pháp chuyển đổi số chi phí hợp lý cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ bằng cách tích hợp cổng kết nối IoT V-Box với hệ thống điều khiển PLC truyền thống, hỗ trợ số hóa và truy xuất dữ liệu sản xuất trực tuyến mà không cần xây dựng hạ tầng máy chủ cục bộ phức tạp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế

  • Hệ thống thực nghiệm chỉ mới tiến hành đo kiểm, lấy mẫu ở các mức tải trọng tĩnh và trung bình ($135\text{ kg}$ và $242\text{ kg}$), chưa kiểm tra tải tối đa liên tục ở mức định mức $2500\text{ kg}$ trong môi trường sản xuất công nghiệp thực tế.
  • Tốc độ cấp liệu và cơ cấu bù sai số rơi tự do của nguyên liệu dạng bột rời trong quá trình ngắt vít tải chưa được phân tích sâu ở cấp độ giải thuật điều khiển thích nghi.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tích hợp thêm cảm biến đọc mã vạch trực tiếp tại tủ điều khiển để quét tự động thông tin công thức phối trộn từ phiếu quản lý sản xuất.
  • Phát triển thêm các thuật toán điều khiển bù sai số động (tự động điều chỉnh thời điểm ngắt vít tải dựa trên quán tính dòng nguyên liệu rơi).
  • Mở rộng giao diện điều khiển đa nền tảng trên ứng dụng di động (iOS/Android) và bổ sung các tính năng cảnh báo sự cố, quá tải qua SMS hoặc Email.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ khí Chế tạo máy: Tham khảo quy trình tính toán thiết kế chi tiết máy vận chuyển liên tục (vít tải đứng), máy trộn dải băng xoắn và phương pháp lập trình điều khiển PLC Siemens S7-1200.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống công nghiệp: Tham khảo giải pháp kết nối truyền thông Modbus RTU giữa đầu cân công nghiệp (CAS CI-170A) với PLC, cùng kỹ thuật cấu hình thiết bị IoT Gateway (V-Box) để đưa dữ liệu SCADA lên đám mây và xuất báo cáo CSV phục vụ quản lý sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Tải trọng thiết kế tối đa và sản lượng định mức của hệ thống là bao nhiêu?
Hệ thống được thiết kế cho tải trọng cân tối đa là $2500\text{ kg}$ ($2{,}5\text{ tấn}$), năng suất vận hành $10\text{ mẻ/ngày}$ với sai số cho phép không vượt quá $2%$.

2. Cấu hình phần cứng của cơ cấu cân bàn gồm những thiết bị nào?
Cơ cấu cân bàn sử dụng $4$ loadcell dạng thanh Keli SQB tải trọng $2\text{ tấn/bộ}$ đặt tại $4$ góc bồn cân, kết nối qua hộp tổng tín hiệu AJ 4P và truyền về đầu cân CAS CI-170A để xử lý tín hiệu tương tự sang số trước khi giao tiếp với PLC.

3. Vì sao hệ thống lựa chọn vít tải đứng để cấp liệu và động cơ dẫn động có thông số ra sao?
Vít tải đứng được chọn vì ưu điểm tiết kiệm diện tích mặt bằng nhà xưởng và thuận tiện nâng vật liệu lên bồn chứa đặt trên cao. Trục vít có đường kính ngoài $200\text{ mm}$, bước vít $160\text{ mm}$, vận hành bởi động cơ 3 pha ZOZHI Y132S-4 công suất $5{,}5\text{ kW}$ ($7{,}5\text{ HP}$), tốc độ $1440\text{ vòng/phút}$ qua hộp số giảm tốc tỷ số truyền $i = 7$.

4. Bồn trộn dải băng của hệ thống có kích thước và công suất truyền động như thế nào?
Bồn trộn có thể tích làm việc $3{,}8\text{ m}^3$ ($D = 1{,}2\text{ m}$, $H = 1{,}4\text{ m}$, $L = 2{,}4\text{ m}$), sử dụng cánh khuấy dải băng kép tiêu hao tổng công suất $9{,}3\text{ kW}$. Hệ thống trang bị động cơ TECO AESV2S040020YW công suất $15\text{ kW}$ ($20\text{ HP}$) cùng hộp giảm tốc R137 có tỷ số truyền $i = 37{,}65$ để duy trì tốc độ quay trục trộn ở mức $35\text{ vòng/phút}$.

5. Giải pháp thu thập và giám sát dữ liệu từ xa qua Internet được thực hiện bằng công nghệ gì?
Dữ liệu khối lượng từ PLC Siemens S7-1200 được truyền sang thiết bị IoT V-Box, sau đó đẩy lên Cloud SCADA thông qua nền tảng Cloud Web Config, cho phép người quản lý theo dõi trực tiếp trên trình duyệt web và xuất báo cáo lịch sử dưới dạng tệp tin định dạng .csv.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Giám sát và thu thập dữ liệu cân của hệ thống trộn qua internet" đã hoàn thành việc thiết kế, tính toán cơ khí và chế tạo thành công mô hình hệ thống cân trộn định lượng gián đoạn tải trọng $2500\text{ kg}$. Hệ thống tích hợp đồng bộ giữa phần cứng điều khiển PLC Siemens S7-1200, đầu cân CAS CI-170A, cảm biến tải SQB Keli và thiết bị IoT V-Box phục vụ giám sát trực tuyến qua Webserver. Kết quả chạy thử nghiệm với các mẫu tải $135\text{ kg}$ và $242\text{ kg}$ chứng minh hệ thống hoạt động ổn định, kiểm soát tốt sai số trong ngưỡng $2%$ và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đề ra.