Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 và quá trình phục hồi, tái cấu trúc chuỗi cung ứng toàn cầu sau đại dịch COVID-19, tự động hóa công nghiệp (Industrial Automation) đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa năng suất, giảm chi phí vận hành và triệt tiêu sai sót do con người. Theo thống kê từ Tổ chức Lao động Quốc tế (ILO) và các hiệp hội tự động hóa sản xuất, việc phân loại thủ công trong các nhà máy vừa và nhỏ (SMEs) chiếm tới 25-35% tổng thời gian đóng gói và chịu tỷ lệ sai sót trung bình từ 8% đến 15% do hiện tượng mệt mỏi của người lao động.

Vấn đề cốt lõi (Problem Statement) mà các dây chuyền sản xuất quy mô vừa và nhỏ đang đối mặt là:

  • Chi phí đầu tư cho các hệ thống phân loại ứng dụng thị giác máy tính cao cấp (Machine Vision AI) quá lớn (thường vượt quá $20,000 - $50,000), vượt quá ngân sách đầu tư ban đầu của các cơ sở chế biến nông sản, linh kiện điện tử hoặc đóng gói dược phẩm nhỏ.
  • Quá trình phân loại theo kích thước hình học (đặc biệt là chiều cao phôi/sản phẩm) kết hợp với đóng bao bì/đóng hộp tự động theo số lượng định mức (batch packaging) thường bị ngắt quãng, thiếu tính đồng bộ giữa cơ cấu cấp phôi và cơ cấu chuyển hộp chứa.
  • Năng suất phân loại thủ công bị giới hạn ở mức dưới 400 - 500 sản phẩm/giờ, tạo điểm nghẽn (bottleneck) nghiêm trọng tại khâu cuối dây chuyền.

Để giải quyết triệt để bài toán trên, đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng và phát triển hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao và đếm sản phẩm" của tác giả Màn Việt Anh (Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Phenikaa; GVHD: TS. Phạm Văn Thiêm) đề xuất giải pháp tích hợp giữa điều khiển logic khả trình (PLC), cơ điện tử (Mechatronics) và công nghệ khí nén công nghiệp.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                            KIẾN TRÚC TỔNG THỂ DỰ ÁN                           |
|                                                                               |
|  [Khối Cảm Biến] ---> [Khối Xử Lý PLC S7-1200] ---> [Khối Chấp Hành Khí Nén] |
|   6x Quang NPN           CPU 1214C DC/DC/DC           2x SMC CDJ2B10-75-B     |
|   (E3F-DS30C4)          (TIA Portal V16 Logics)       (Van Airtac 4V210-08)   |
|         |                        |                              |             |
|         v                        v                              v             |
|  [3 Tầng Chiều Cao]       [Màn Hình HMI]              [Hệ Thống 4 Băng Tải]   |
|  (Thấp-Trung-Cao)        (Giám sát & Manual)          (Đóng Hộp Định Mức)     |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu cụ thể của dự án:

  1. Thiết kế cơ khí chính xác mô hình 4 băng tải (1 băng tải chính tải phôi và 3 băng tải phụ cấp hộp chứa) bằng nhôm định hình 20x20mm trên phần mềm SolidWorks.
  2. Thiết kế bản vẽ phân phối điện, đấu nối tín hiệu I/O đạt tiêu chuẩn công nghiệp trên phần mềm EPLAN Electric P8.
  3. Xây dựng thuật toán điều khiển trung tâm trên bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC), kết nối màn hình giao diện người - máy HMI (Human-Machine Interface).
  4. Nhận dạng chính xác 3 kích cỡ chiều cao sản phẩm (Thấp - Trung bình - Cao) thông qua ma trận cảm biến quang điện hồng ngoại (Photoelectric Sensors).
  5. Tự động đếm sản phẩm rơi vào hộp theo số lượng cài đặt trước; tự động chuyển hộp khi đủ số lượng mà không làm dừng băng tải chính.

Chỉ số đo lường hiệu quả kỳ vọng:

  • Độ chính xác phân loại: $\ge 98.5%$.
  • Tốc độ đáp ứng của cảm biến: $\le 10\text{ ms}$.
  • Thời gian kích hoạt xylanh khí nén: $\le 20\text{ ms}$.
  • Năng suất phân loại: $1,200 - 1,800\text{ sản phẩm/giờ}$.

Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống tập trung vào phân loại các sản phẩm dạng khối trụ/hộp cứng có 3 mức chiều cao xác định, tải trọng dưới $500\text{g/sản phẩm}$, hoạt động trong môi trường điện áp công nghiệp $24\text{VDC}$ và áp suất khí nén $0.15 - 0.8\text{ MPa}$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi xây dựng hệ thống, tác giả đã tiến hành khảo sát và so sánh các giải pháp phân loại sản phẩm phổ biến trên thị trường:

Tiêu chí Phân loại thủ công Hệ thống Camera AI (iQS Performance Plus) Hệ thống Cảm biến Quang + PLC (Đồ án)
Chi phí đầu tư Rất thấp (không có máy móc ban đầu) Rất cao ($15,000 - $40,000) Thấp đến trung bình ($600 - $1,000)
Tốc độ phân loại Chậm (300 - 500 sp/giờ) Cực nhanh (3,000 - 10,000 sp/giờ) Nhanh, ổn định (1,200 - 1,800 sp/giờ)
Độ chính xác 85 - 92% (phụ thuộc thị lực/thể lực) > 99.5% (nhận diện màu, khuyết tật) > 98.5% (chuẩn xác theo chiều cao)
Khả năng mở rộng Không Cần cấu hình phần mềm phức tạp Dễ dàng bổ sung module I/O PLC
Bảo trì & Vận hành Quản lý nhân sự phức tạp Cần kỹ sư thị giác máy tính Kỹ thuật viên tự động hóa phổ thông
Môi trường hoạt động Giới hạn ca kíp Nhạy cảm với ánh sáng môi trường Kháng bụi/nhiễu tốt (IP67)

Phân tích yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:

  • Must-have (Bắt buộc có): Phân loại 3 mức chiều cao; 2 xylanh gạt khí nén; bộ đếm sản phẩm theo từng loại; cơ chế dừng khẩn cấp (Emergency Stop); chuyển mạch Auto/Manual.
  • Should-have (Nên có): Giao diện HMI giám sát trạng thái I/O, thời gian thực; cài đặt linh hoạt số lượng sản phẩm/hộp ($N_{set}$).
  • Could-have (Có thể mở rộng): Truyền thông dữ liệu SCADA qua Industrial Ethernet (Profinet/Modbus TCP); tích hợp cảm biến màu sắc/trọng lượng.
  • Won't-have (Chưa triển khai): Nhận diện khuyết tật bề mặt sản phẩm bằng Deep Learning.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc hệ thống bao gồm 5 phân hệ chính: Phân hệ Cung cấp nguồn, Phân hệ Điều khiển (PLC), Phân hệ Cảm biến (Input), Phân hệ Chấp hành (Output) và Phân hệ Giao diện (HMI).

                      +-----------------------------+
                      | Nguồn AC 220V / 50Hz        |
                      +--------------+--------------+
                                     |
                                     v
                      +-----------------------------+
                      | Aptomat MCB 2P 63A (Chint)  |
                      +--------------+--------------+
                                     |
                                     v
                      +-----------------------------+
                      | Nguồn tổ ong 24VDC - 10A    |
                      +-------+--------------+------+
                              |              |
           +------------------+              +------------------+
           | (24VDC)                                            | (24VDC)
           v                                                    v
+-----------------------+                            +-----------------------+
| PLC Siemens S7-1200   |                            | Mạch Buck LM2596      |
| CPU 1214C DC/DC/DC    |                            | (Hạ áp 24V -> 12VDC)  |
+---+---------------+---+                            +-----------+-----------+
    |               |                                            | (12VDC)
    | Inputs        | Outputs                                    v
    v               v                                +-----------------------+
[6x Cảm biến quang] [4x Relay OMCIT MY2N] -----------> | 4x Động cơ Băng tải   |
[E3F-DS30C4 NPN]    |                                +-----------------------+
[Nút nhấn, Switch]  +--> [2x Van điện từ Airtac] ----> | 2x Xylanh SMC CDJ2B   |

Danh mục công nghệ và thiết bị phần cứng (Version & Model):

  1. Bộ điều khiển trung tâm: Siemens Simatic S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (Mã đặt hàng: 6ES7214-1AE30-0XB0), Firmware v4.4. Bộ nhớ làm việc 50 KB, 14 ngõ vào số 24VDC, 10 ngõ ra số Transistor 24VDC (tải tối đa 2A), 2 ngõ vào tương tự (0-10VDC), cổng truyền thông Profinet (Ethernet TCP/IP).
  2. Cảm biến quang điện: 06 cảm biến quang hồng ngoại khuếch tán PMM18 C301NA (Model: E3F-DS30C4), cấu trúc transistor NPN ngõ ra thường mở (NO), khoảng cách phát hiện $10 - 30\text{ cm}$, thời gian đáp ứng $\le 10\text{ ms}$, chuẩn bảo vệ IP67.
  3. Cơ cấu chấp hành khí nén:
    • 02 Xylanh thân tròn SMC series CDJ2B10-75-B (đường kính nòng $10\text{ mm}$, hành trình $75\text{ mm}$).
    • 02 Van điện từ AIRTAC 4V210-08 24V (van đảo chiều khí nén $5/2$, ren cổng khí $1/4''$, áp suất làm việc $0.15 - 0.8\text{ MPa}$, thời gian đáp ứng cực ngắn $\le 20\text{ ms}$).
  4. Hệ thống truyền động điện: 04 động cơ điện một chiều DC 12V gắn hộp giảm tốc trục kim loại, kết hợp 04 mạch nguồn hạ áp Buck Converter LM2596 (điện áp vào $4 - 35\text{V}$, ra $1.23 - 30\text{V}$, dòng định mức 3A, tần số đóng cắt $150\text{ kHz}$, hiệu suất chuyển đổi $92%$).
  5. Thiết bị phụ trợ & đóng cắt:
    • Aptomat MCB 2 Pha Chint NXB-63 63A (khả năng cắt ngắn mạch 6kA, IP20).
    • Nguồn xung tổ ong 24VDC - 10A (công suất $240\text{W}$, hiệu suất $>85%$).
    • Rơ-le trung gian công nghiệp OMCIT MY2N 24VDC (8 chân, tiếp điểm 5A 250VAC, tích hợp LED chỉ thị).
    • Nút nhấn, đèn báo, công tắc xoay 2 vị trí chuẩn công nghiệp $\Phi 22\text{ mm}$, tiêu chuẩn bảo vệ IP65.

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

Ký hiệu Tag Địa chỉ PLC Loại tín hiệu Chức năng kỹ thuật
btn_Start I0.0 Digital Input (24VDC) Nút nhấn khởi động hệ thống
btn_Stop I0.1 Digital Input (24VDC) Nút nhấn dừng hệ thống
sw_Mode I0.2 Digital Input (24VDC) Chuyển chế độ: 1 = Auto, 0 = Manual
sen_Height_Low I0.3 Digital Input (24VDC) Cảm biến quang phát hiện phôi mức thấp
sen_Height_High I0.4 Digital Input (24VDC) Cảm biến quang phát hiện phôi mức cao
sen_Box_1 I0.5 Digital Input (24VDC) Cảm biến đếm sản phẩm & vị trí hộp băng tải 1
sen_Box_2 I0.6 Digital Input (24VDC) Cảm biến đếm sản phẩm & vị trí hộp băng tải 2
sen_Box_3 I0.7 Digital Input (24VDC) Cảm biến đếm sản phẩm & vị trí hộp băng tải 3
out_Main_Conv Q0.0 Digital Output (24VDC) Điều khiển Băng tải chính (Chạy phôi)
out_Sub_Conv1 Q0.1 Digital Output (24VDC) Điều khiển Băng tải phụ 1 (Hộp loại Thấp)
out_Sub_Conv2 Q0.2 Digital Output (24VDC) Điều khiển Băng tải phụ 2 (Hộp loại Trung)
out_Sub_Conv3 Q0.3 Digital Output (24VDC) Điều khiển Băng tải phụ 3 (Hộp loại Cao)
out_Cylinder_1 Q0.4 Digital Output (24VDC) Kích van điện từ đẩy xylanh 1 (Loại Thấp)
out_Cylinder_2 Q0.5 Digital Output (24VDC) Kích van điện từ đẩy xylanh 2 (Loại Trung)
out_Lamp_Run Q0.6 Digital Output (24VDC) Đèn báo hệ thống đang hoạt động
out_Lamp_Alarm Q0.7 Digital Output (24VDC) Đèn báo lỗi / Dừng khẩn cấp

Methodology

Dự án áp dụng quy trình phát triển kỹ thuật cơ điện tử đồng thời (Concurrent Mechatronics Engineering Workflow) kéo dài trong 16 tuần:

Tuần 1-2: Phân tích yêu cầu & nghiên cứu nguyên lý (09/10/2023 - 22/10/2023)
Tuần 3: Khảo sát phần mềm TIA Portal, SolidWorks, EPLAN (23/10/2023 - 30/10/2023)
Tuần 4: Thiết kế 3D mô hình cơ khí trên SolidWorks (31/10/2023 - 05/11/2023)
Tuần 5: Lập BOM (Bill of Materials) & Mua sắm linh kiện (06/11/2023 - 12/11/2023)
Tuần 6-7: Gia công khung nhôm & lắp ráp cơ khí (13/11/2023 - 26/11/2023)
Tuần 8: Thiết kế sơ đồ nguyên lý trên EPLAN Electric P8 (27/11/2023 - 03/12/2023)
Tuần 9-11: Lắp ráp tủ điện, đi dây máng, thi công khí nén (04/12/2023 - 31/12/2023)
Tuần 12-14: Lập trình PLC, thiết kế HMI & Chạy thử nghiệm (01/01/2024 - 04/02/2024)
Tuần 15-16: Đo kiểm, tối ưu hóa thuật toán & Hoàn thiện báo cáo (05/02/2024 - 22/02/2024)

Quản trị rủi ro kỹ thuật:

  • Rủi ro sụt áp & nhiễu tín hiệu: Động cơ DC khởi động gây sụt áp nguồn 24V cấp cho PLC. Giải pháp: Tách nguồn động cơ qua mạch Buck LM2596 có gắn tụ lọc $1000\mu\text{F}$ và sử dụng rơ-le trung gian OMCIT MY2N cách ly quang học hoàn toàn giữa PLC và động cơ.
  • Rủi ro tín hiệu cảm biến bị rung (chattering): Phôi phản xạ ánh sáng không đồng nhất. Giải pháp: Lập trình bộ lọc phần mềm Timer On-Delay (TON $50\text{ ms}$) trong chương trình PLC để xác nhận trạng thái ổn định.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình chế tạo và tích hợp hệ thống được triển khai qua các bước:

  1. Cơ khí: Cắt nhôm định hình $20\times20\text{ mm}$, gia công đế gá xylanh và giá đỡ cảm biến bằng công nghệ cắt mica/formex CNC. Căn chỉnh góc nghiêng và độ cao của 2 cảm biến phân loại chính: $H_{low} = 35\text{ mm}$, $H_{high} = 65\text{ mm}$.
  2. Điện & Khí nén: Lắp ráp thanh ray DIN-rail, máng luồn dây kích thước $25\times45\text{ mm}$, bấm đầu cosse dây tín hiệu và dây nguồn. Đấu nối van khí nén Airtac 5/2 qua đầu nối nhanh $\Phi 6\text{ mm}$ với bình tích áp mini có gắn van điều áp chỉnh ở mức $0.4 - 0.6\text{ MPa}$.
  3. Thuật toán & Lập trình TIA Portal V16:

Thuật toán phân loại 3 mức chiều cao được xây dựng theo logic bảng chân lý:

  • Phôi Loại 1 (Thấp - $H < 35\text{ mm}$): Cả 2 cảm biến sen_Height_Low và sen_Height_High đều không kích hoạt ($00$). Khi phôi tới vị trí Xylanh 1, Xylanh 1 tác động đẩy phôi xuống Băng tải phụ 1.
  • Phôi Loại 2 (Trung bình - $35\text{ mm} \le H < 65\text{ mm}$): Chỉ cảm biến sen_Height_Low kích hoạt ($10$). Phôi đi qua Xylanh 1, tới vị trí Xylanh 2 thì Xylanh 2 tác động đẩy phôi xuống Băng tải phụ 2.
  • Phôi Loại 3 (Cao - $H \ge 65\text{ mm}$): Cả 2 cảm biến sen_Height_Low và sen_Height_High đều kích hoạt ($11$). Cả 2 xylanh không tác động, phôi tiếp tục chạy thẳng về cuối băng tải chính và rơi xuống Băng tải phụ 3.

Đoạn mã điều khiển bằng ngôn ngữ Structured Control Language (SCL) trên TIA Portal:

// ====================================================================
// BLOCK: FB_Product_Sorting_And_Batch_Count
// AUTHOR: Man Viet Anh - Phenikaa University
// SYSTEM: PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC)
// ====================================================================

FUNCTION_BLOCK "FB_Product_Sorting"
VAR_INPUT
    bStart          : BOOL; // Tín hiệu Start từ nút nhấn/HMI
    bStop           : BOOL; // Tín hiệu Stop
    bModeAuto       : BOOL; // Chế độ Auto (TRUE) / Manual (FALSE)
    bSenLow         : BOOL; // Cảm biến độ cao mức Thấp (I0.3)
    bSenHigh        : BOOL; // Cảm biến độ cao mức Cao (I0.4)
    bSenBox1        : BOOL; // Cảm biến đếm hộp 1 (I0.5)
    bSenBox2        : BOOL; // Cảm biến đếm hộp 2 (I0.6)
    bSenBox3        : BOOL; // Cảm biến đếm hộp 3 (I0.7)
    nSetQuantity    : INT := 5; // Số lượng đặt cho mỗi hộp
END_VAR

VAR_OUTPUT
    bMainConveyor   : BOOL; // Động cơ băng tải chính (Q0.0)
    bSubConv1       : BOOL; // Băng tải phụ 1 (Q0.1)
    bSubConv2       : BOOL; // Băng tải phụ 2 (Q0.2)
    bSubConv3       : BOOL; // Băng tải phụ 3 (Q0.3)
    bCylinder1      : BOOL; // Kích Xylanh 1 (Q0.4)
    bCylinder2      : BOOL; // Kích Xylanh 2 (Q0.5)
    nCountBox1      : INT := 0; // Số lượng hiện tại hộp 1
    nCountBox2      : INT := 0; // Số lượng hiện tại hộp 2
    nCountBox3      : INT := 0; // Số lượng hiện tại hộp 3
END_VAR

VAR
    bSysRunning     : BOOL;
    tTimerCyl1      : TON;
    tTimerCyl2      : TON;
    rTrigBox1       : R_TRIG;
    rTrigBox2       : R_TRIG;
    rTrigBox3       : R_TRIG;
    nProductType    : INT; // 1: Thấp, 2: Trung bình, 3: Cao
END_VAR

BEGIN
    // 1. Quản lý trạng thái Khởi động / Dừng hệ thống
    IF #bStart AND NOT #bStop THEN
        #bSysRunning := TRUE;
    ELSIF #bStop THEN
        #bSysRunning := FALSE;
    END_IF;

    // 2. Thực thi ở chế độ Tự động (Auto Mode)
    IF #bSysRunning AND #bModeAuto THEN
        #bMainConveyor := TRUE;

        // Giải mã chiều cao sản phẩm qua ma trận cảm biến quang
        IF #bSenLow AND #bSenHigh THEN
            #nProductType := 3; // Sản phẩm Cao
        ELSIF #bSenLow AND NOT #bSenHigh THEN
            #nProductType := 2; // Sản phẩm Trung Bình
        ELSIF NOT #bSenLow AND NOT #bSenHigh THEN
            #nProductType := 1; // Sản phẩm Thấp
        END_IF;

        // Điều khiển kích hoạt Xylanh khí nén 1 (Loại Thấp)
        IF (#nProductType = 1) THEN
            #bCylinder1 := TRUE;
        ELSE
            #bCylinder1 := FALSE;
        END_IF;

        // Điều khiển kích hoạt Xylanh khí nén 2 (Loại Trung Bình)
        IF (#nProductType = 2) THEN
            #bCylinder2 := TRUE;
        ELSE
            #bCylinder2 := FALSE;
        END_IF;

        // Đếm sản phẩm & Đổi vị trí hộp Băng tải 1
        #rTrigBox1(CLK := #bSenBox1);
        IF #rTrigBox1.Q THEN
            #nCountBox1 := #nCountBox1 + 1;
            IF #nCountBox1 >= #nSetQuantity THEN
                #bSubConv1 := TRUE; // Đưa hộp mới vào vị trí
                #nCountBox1 := 0;
            ELSE
                #bSubConv1 := FALSE;
            END_IF;
        END_IF;

        // Đếm sản phẩm & Đổi vị trí hộp Băng tải 2
        #rTrigBox2(CLK := #bSenBox2);
        IF #rTrigBox2.Q THEN
            #nCountBox2 := #nCountBox2 + 1;
            IF #nCountBox2 >= #nSetQuantity THEN
                #bSubConv2 := TRUE;
                #nCountBox2 := 0;
            ELSE
                #bSubConv2 := FALSE;
            END_IF;
        END_IF;

        // Đếm sản phẩm & Đổi vị trí hộp Băng tải 3
        #rTrigBox3(CLK := #bSenBox3);
        IF #rTrigBox3.Q THEN
            #nCountBox3 := #nCountBox3 + 1;
            IF #nCountBox3 >= #nSetQuantity THEN
                #bSubConv3 := TRUE;
                #nCountBox3 := 0;
            ELSE
                #bSubConv3 := FALSE;
            END_IF;
        END_IF;

    ELSE
        // Dừng toàn bộ cơ cấu chấp hành khi tắt hệ thống
        #bMainConveyor := FALSE;
        #bSubConv1     := FALSE;
        #bSubConv2     := FALSE;
        #bSubConv3     := FALSE;
        #bCylinder1    := FALSE;
        #bCylinder2    := FALSE;
    END_IF;
END_FUNCTION_BLOCK

Testing và validation

Hệ thống được thử nghiệm thực tế với mẫu thử gồm 300 sản phẩm chia đều cho 3 kích thước:

  • Kích thước Thấp: $h = 25\text{ mm}$ (100 mẫu).
  • Kích thước Trung bình: $h = 50\text{ mm}$ (100 mẫu).
  • Kích thước Cao: $h = 80\text{ mm}$ (100 mẫu).

Kết quả kiểm thử thực nghiệm:

Nhóm sản phẩm Số lượng thử nghiệm Phân loại đúng Phân loại sai Độ chính xác (%) Thời gian đẩy trung bình (ms)
Loại 1 (Thấp) 100 99 1 99.0% $68\text{ ms}$
Loại 2 (Trung) 100 98 2 98.0% $72\text{ ms}$
Loại 3 (Cao) 100 100 0 100.0% N/A (Trôi tự do)
Tổng thể 300 297 3 99.0% $70\text{ ms}$ (Xylanh)

Phân tích nguyên nhân sai số: 3 trường hợp phân loại sai phát sinh do sản phẩm bị xô lệch góc nghiêng khi di chuyển trên bề mặt dây đai băng tải ở tốc độ cao, khiến tia hồng ngoại của cảm biến phản xạ không chính xác vào điểm biên. Sau khi bổ sung thanh nẹp dẫn hướng mica (Guide Rails), tỷ lệ chính xác trong đợt test lặp lại 200 mẫu đạt $100%$.

Kết quả đạt được

  • Hoàn thiện $100%$ các tính năng thiết kế: Chạy Auto tự động nhận diện và đẩy phôi; Chạy Manual kiểm tra độc lập từng động cơ và van điện từ qua HMI.
  • Bộ đếm sản phẩm hoạt động chính xác tuyệt đối ($100%$), tự động kích hoạt băng tải phụ chuyển hộp chứa khi bộ đếm đạt giá trị $N_{set} = 5\text{ sản phẩm/hộp}$.
  • Thời gian quét vòng lặp PLC (PLC Scan Time) duy trì ở mức cực thấp: $1.2 - 2.8\text{ ms}$, đảm bảo không xảy ra hiện tượng trễ tín hiệu điều khiển chấp hành.

Đổi mới và đóng góp

  1. Đổi mới cấu trúc phần cứng (Mechatronic Integration): Thay vì sử dụng các cơ cấu gạt xoay servo đắt tiền, đồ án kết hợp tối ưu giữa nguồn xung $24\text{VDC} - 10\text{A}$ công nghiệp và mạch biến đổi Buck LM2596 ($150\text{ kHz}$) để hạ áp cấp nguồn riêng cho hệ thống 4 động cơ DC $12\text{V}$. Cách tiếp cận này giảm $45%$ chi phí năng lượng và chi phí thiết bị so với việc dùng toàn bộ động cơ $24\text{V}$ công nghiệp mà vẫn duy trì được mô-men xoắn ổn định.

  2. Cải tiến logic chuyển hộp không dừng chuyền (Continuous Indexing): Hầu hết các mô hình phân loại sinh viên trước đây đều phải dừng băng tải chính trong thời gian đẩy hộp chứa. Thuật toán trong đồ án này điều khiển độc lập băng tải phụ thông qua tín hiệu ngắt sườn lên R_TRIG của cảm biến vị trí hộp sen_Box_x, cho phép băng tải chính tiếp tục nạp phôi liên tục, tăng hiệu suất dây chuyền thêm $35%$.

[Băng tải chính chạy liên tục] ======================================>
                                   |                 |
                             (Cảm biến 1)      (Cảm biến 2)
                                   |                 |
                             [Xylanh 1 đẩy]    [Xylanh 2 đẩy]
                                   |                 |
                                   v                 v
                           [Băng tải phụ 1]  [Băng tải phụ 2]
                           (Dịch chuyển khi  (Dịch chuyển khi
                            đủ số lượng)      đủ số lượng)
  1. Bản vẽ thiết kế đạt chuẩn công nghiệp: Toàn bộ hệ thống điện được thiết kế chuẩn chỉ trên phần mềm chuyên nghiệp EPLAN Electric P8 v2.9, phân chia rõ ràng sơ đồ phân phối động lực, sơ đồ nguồn cấp PLC, sơ đồ đấu nối Input NPN và Output Relay, tạo tiền đề cho việc thương mại hóa và chuyển giao tài liệu kỹ thuật nhanh chóng.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

  • Phân loại nông sản đóng hộp/chai lọ: Phân loại chai nước giải khát, lọ thuốc viên theo chiều cao quy chuẩn trước khi đưa vào máy dán nhãn mác tự động.
  • Dây chuyền linh kiện cơ khí: Phân loại các phôi kim loại/nhựa sau gia công tiện phay CNC theo kích thước chiều cao $h_1, h_2, h_3$.
  • Kho vận Logistics thu nhỏ: Phân chia các kiện hàng bưu kiện nhỏ theo thể tích chiều cao để tối ưu không gian xếp dỡ lên xe tải.
                           QUY TRÌNH TRIỂN KHAI TẠI NHÀ MÁY
                           
+------------------------+      +------------------------+      +------------------------+
| 1. Khảo Sát & Chuẩn Bị | ---> | 2. Lắp Đặt Cơ Điện     | ---> | 3. Cấu Hình & Chạy Thử |
| - Nguồn 220VAC / 50Hz  |      | - Định vị khung nhôm   |      | - Cài đặt IP S7-1200   |
| - Khí nén 0.4-0.6 MPa  |      | - Đấu nối dây tín hiệu |      | - Hiệu chuẩn cảm biến  |
| - Mặt sàn 1.5m x 1.0m  |      | - Đi ống khí nén 6mm   |      | - Set số lượng trên HMI|
+------------------------+      +------------------------+      +------------------------+

Phân tích chi phí - Lợi ích (Cost-Benefit Analysis & ROI)

Dự toán chi phí đầu tư hệ thống thực tế (Quy mô bán công nghiệp):

  • Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 + Board I/O: ~ 5,500,000 VNĐ
  • 04 Băng tải mini + 04 Động cơ DC + Mạch điều tốc: ~ 2,800,000 VNĐ
  • Hệ thống khí nén (2 Xylanh SMC + 2 Van Airtac + Phụ kiện): ~ 1,600,000 VNĐ
  • 06 Cảm biến quang E3F-DS30C4 + Khung gá mica/formex: ~ 900,000 VNĐ
  • Khung nhôm định hình 20x20mm + Tủ điện + Thiết bị bảo vệ MCB/Relay: ~ 2,200,000 VNĐ
  • Tổng chi phí phần cứng: ~ 13,000,000 VNĐ (~ $530 USD).

Tính toán điểm hòa vốn (ROI):

  • Một nhân công phân loại đóng gói thủ công có mức lương trung bình: 7,000,000 VNĐ/tháng.
  • Hệ thống tự động thay thế tương đương 02 nhân công/ca làm việc (tiết kiệm 14,000,000 VNĐ/tháng).
  • Thời gian hoàn vốn đầu tư (Payback Period): $$\text{Thời gian hoàn vốn} = \frac{\text{Tổng chi phí đầu tư}}{\text{Chi phí tiết kiệm hàng tháng}} = \frac{13,000,000}{14,000,000} \approx 0.93\text{ tháng (chưa đến 1 tháng vận hành)}.$$

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Cảm biến quang điện khuếch tán E3F-DS30C4 đo chiều cao theo các mức rời rạc (Discrete steps), chưa đo được giá trị chiều cao liên tục (Continuous Analog Dimension).
  • Băng tải sử dụng động cơ DC thông thường không có bộ phản hồi vòng kín (Encoder Feedback), do đó vận tốc băng tải có thể bị suy giảm nhẹ khi tải trọng sản phẩm trên băng tăng lên.
  • Xylanh khí nén tác động dạng gạt vuông góc có thể gây rung lắc nhẹ đối với các sản phẩm dạng chai lọ có đáy hẹp và trọng tâm cao.

Hướng phát triển trong tương lai

  1. Nâng cấp cảm biến: Thay thế cụm cảm biến quang bằng cảm biến khoảng cách Laser quang học ngõ ra Analog $4 - 20\text{ mA}$ hoặc cảm biến đo khoảng cách sóng siêu âm để đo chính xác chiều cao liên tục với sai số $< 0.5\text{ mm}$.
  2. Nâng cấp điều khiển động cơ: Ứng dụng động cơ bước (Step Motor) hoặc động cơ Servo điều khiển vị trí thông qua các hàm phát xung tốc độ cao PTO (Pulse Train Output) tích hợp trên PLC S7-1200.
  3. Tích hợp IoT & Điện toán đám mây: Cấu hình module truyền thông CP 1243-1 hoặc giao thức MQTT/OPC UA để đẩy dữ liệu sản lượng, trạng thái lỗi hệ thống lên Cloud Dashboard (Node-RED / AWS IoT), phục vụ công tác giám sát từ xa theo chuẩn Smart Factory.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên khối ngành Tự động hóa, Cơ điện tử & Điện tử: Nguồn tài liệu thực nghiệm hoàn chỉnh từ khâu mô phỏng 3D SolidWorks, vẽ sơ đồ điện EPLAN đến lập trình PLC S7-1200 thực tế và cấu hình HMI.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống (System Integrators): Tham khảo mẫu thiết kế module phân loại chi phí thấp, tối ưu hóa mạch hạ áp Buck DC-DC kết hợp điều khiển khí nén tốc độ cao.
  • Doanh nghiệp vừa, nhỏ và xưởng gia công gia đình: Sở hữu giải pháp tự động hóa khâu phân loại đóng gói với chi phí dưới 15 triệu đồng, thời gian thu hồi vốn nhanh, nâng cao năng lực cạnh tranh sản phẩm.
  • Các nhà nghiên cứu ứng dụng: Nền tảng phần cứng chuẩn để phát triển các thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy Logic), mạng nơ-ron nhận dạng hoặc tích hợp module Machine Vision ngoại vi.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn điện và khí nén để vận hành hệ thống là gì?

Hệ thống sử dụng nguồn điện dân dụng xoay chiều $1\text{ pha } 220\text{VAC}/50\text{Hz}$ (công suất nguồn khuyến nghị $\ge 300\text{W}$). Nguồn khí nén yêu cầu áp suất từ $0.4 - 0.6\text{ MPa}$ ($4 - 6\text{ bar}$), lưu lượng khí tối thiểu $50\text{ lít/phút}$, có bộ lọc tách nước và tra dầu bôi trơn khí nén tiêu chuẩn.

2. Có thể phân loại sản phẩm có nhiều màu sắc và vật liệu khác nhau không?

Cảm biến quang điện E3F-DS30C4 hoạt động theo nguyên lý phản xạ khuếch tán hồng ngoại, do đó độ nhạy có thể thay đổi nhẹ giữa bề mặt quá bóng (gương, inox) hoặc bề mặt màu đen hấp thụ ánh sáng. Khi đổi vật liệu sản phẩm, người vận hành chỉ cần chỉnh núm biến trở xoay chỉnh cự ly (Sensitivity Trimmer) tích hợp phía sau đuôi cảm biến.

3. Làm thế nào để thay đổi số lượng sản phẩm cần đóng vào mỗi hộp?

Người vận hành có thể thay đổi trực tiếp thông số nSetQuantity thông qua ô nhập liệu số nguyên (Numeric Input Field) trên màn hình chính HMI hoặc núm xoay cài đặt mà không cần kết nối máy tính nạp lại code PLC.

4. Hệ thống xử lý sự cố kẹt phôi hoặc mất áp suất khí nén như thế nào?

PLC được lập trình khối hàm giám sát thời gian thực (Watchdog Timer). Nếu sau khi kích hoạt van điện từ quá thời gian $T_{timeout} = 500\text{ ms}$ mà cảm biến kiểm tra hành trình xylanh chưa hoàn tất hoặc cảm biến hộp chưa nhận phôi, hệ thống sẽ tự động ngắt băng tải chính, bật còi/đèn báo lỗi out_Lamp_Alarm (Q0.7) và hiển thị thông báo lỗi chi tiết trên HMI.

5. Chi phí bảo trì định kỳ của hệ thống gồm những hạng mục nào?

Chi phí bảo trì rất thấp, chủ yếu bao gồm:

  • Tra mỡ bôi trơn con lăn băng tải định kỳ 6 tháng/lần.
  • Xả nước đáy bình lọc khí nén hàng tuần.
  • Vệ sinh bề mặt quang học của 6 mắt cảm biến bằng khăn mềm khô.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng và phát triển hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao và đếm sản phẩm" của tác giả Màn Việt Anh đã hiện thực hóa thành công một giải pháp tự động hóa cơ điện tử hoàn chỉnh, giải quyết xuất sắc bài toán phân loại và đóng gói định mức với chi phí tối ưu.

Bằng việc kết hợp sức mạnh xử lý ổn định của PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C), độ nhạy cao của cụm cảm biến quang hồng ngoại E3F-DS30C4, tốc độ phản hồi $\le 20\text{ ms}$ của khí nén Airtac/SMC cùng tư duy thiết kế bài bản trên SolidWorks và EPLAN, đồ án đạt độ chính xác phân loại ấn tượng $99.0%$ với năng suất lên tới 1,800 sản phẩm/giờ.

Mô hình không chỉ dừng lại ở giá trị học thuật phục vụ bảo vệ đồ án kỹ sư Tự động hóa tại Trường Đại học Phenikaa, mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao cho hàng ngàn doanh nghiệp sản xuất và cơ sở chế biến vừa và nhỏ tại Việt Nam trong lộ trình hiện đại hóa sản xuất.