Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Phát Triển Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Theo Chiều Cao Và Đếm Sản Phẩm

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao là một phần quan trọng trong quy trình sản xuất hiện đại. 103 trang · Trường Đại Học Phenikaa · 2024.

• Tác giả: Màn Việt Anh
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Văn Thiêm
• Trường học: Trường Đại Học Phenikaa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển - Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế, Xây Dựng Và Phát Triển Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Theo Chiều Cao Và Đếm Sản Phẩm
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. Tổng quan về hệ thống
• 1.2. Vai trò của hệ thống phân loại sản phẩm trong tự động hóa
• 1.3. Các hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 2.1. Thiết kế mô hình
• 2.1.1. Yêu cầu kỹ thuật
• 2.1.2. Quy trình công nghệ
• 2.1.3. Sơ đồ khối hệ thống
• 2.1.4. Giới thiệu phần mềm Solid Work
• 2.1.5. Các chi tiết trên bản vẽ
• 2.1.6. Thực hiện chế tạo mô hình thực tế
• 2.2. Thiết kế bảng điện
• 2.2.1. Thiết kế kích thước bảng điện
• 2.2.2. Khí nén cho xylanh
• 2.2.3. Bảng điện thực tế
• 3. CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
• 3.1. Lập trình PLC
• 3.1.1. Giới thiệu phần mềm TIA Portal
• 3.1.2. Kết nối PLC với phần mềm
• 3.1.3. Phân công đầu vào ra của PLC
• 3.2. Thiết kế màn hình HMI
• 3.2.1. Thiết kế màn hình chính
• 3.2.2. Thiết kế màn hình manual
• 3.2.3. Kết nối HMI với PLC
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ TỔNG KẾT
• 4.1. Khả năng phát triển
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao là một phần quan trọng trong quy trình sản xuất hiện đại. Hệ thống này giúp tự động hóa việc phân loại sản phẩm dựa trên chiều cao, từ đó nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong sản xuất. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa trong phân loại sản phẩm không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu sai sót do con người gây ra. Hệ thống này thường được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm và sản xuất công nghiệp.

1.1. Định nghĩa hệ thống phân loại sản phẩm

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao là thiết bị tự động hoặc bán tự động, sử dụng cảm biến để đo chiều cao và phân loại sản phẩm vào các vị trí tương ứng. Hệ thống này có thể được áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

1.2. Lợi ích của hệ thống phân loại sản phẩm

Hệ thống này giúp tăng năng suất, giảm chi phí lao động và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Việc phân loại tự động giúp tiết kiệm thời gian và giảm thiểu sai sót trong quy trình sản xuất.

II. Vấn đề và thách thức trong hệ thống phân loại sản phẩm

Mặc dù hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ chính xác của cảm biến, khả năng xử lý dữ liệu và sự linh hoạt trong việc điều chỉnh hệ thống là những yếu tố cần được xem xét. Đặc biệt, việc tích hợp hệ thống với các công nghệ khác cũng là một thách thức lớn.

2.1. Độ chính xác của cảm biến

Độ chính xác của cảm biến là yếu tố quyết định đến hiệu quả của hệ thống phân loại. Cảm biến cần phải được hiệu chỉnh thường xuyên để đảm bảo đo lường chính xác chiều cao sản phẩm.

2.2. Khả năng xử lý dữ liệu

Hệ thống cần có khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả để đảm bảo quá trình phân loại diễn ra liên tục mà không bị gián đoạn.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm tự động

Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao cần phải dựa trên các tiêu chí kỹ thuật cụ thể. Việc lựa chọn cảm biến, thiết bị điều khiển và phần mềm lập trình là rất quan trọng. Hệ thống cần được thiết kế sao cho dễ dàng bảo trì và nâng cấp trong tương lai.

3.1. Lựa chọn cảm biến phù hợp

Cảm biến quang, cảm biến laser và cảm biến siêu âm là những lựa chọn phổ biến cho hệ thống phân loại. Mỗi loại cảm biến có ưu nhược điểm riêng, cần được xem xét kỹ lưỡng.

3.2. Thiết kế phần mềm điều khiển

Phần mềm điều khiển cần được lập trình để xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển các thiết bị khác trong hệ thống. Việc sử dụng PLC và HMI là rất phổ biến trong thiết kế này.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống phân loại sản phẩm

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Từ ngành thực phẩm đến sản xuất công nghiệp, hệ thống này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Các doanh nghiệp đã ghi nhận sự cải thiện đáng kể về năng suất và hiệu quả sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Trong ngành thực phẩm, hệ thống phân loại giúp phân loại trái cây, rau củ theo kích thước, từ đó đảm bảo chất lượng và tiêu chuẩn sản phẩm.

4.2. Ứng dụng trong ngành sản xuất

Hệ thống này cũng được sử dụng để phân loại linh kiện điện tử, giúp tăng cường hiệu quả sản xuất và giảm thiểu lỗi trong quy trình lắp ráp.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống phân loại sản phẩm

Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao đang ngày càng trở nên quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại. Với sự phát triển của công nghệ, hệ thống này sẽ tiếp tục được cải tiến và mở rộng ứng dụng. Tương lai của hệ thống phân loại hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị hơn cho doanh nghiệp và người tiêu dùng.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ

Công nghệ AI và machine learning có thể được tích hợp vào hệ thống phân loại để nâng cao độ chính xác và khả năng tự động hóa.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp

Hệ thống phân loại sản phẩm sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Giai đoạn 2020–2022 ghi nhận những tác động sâu rộng của đại dịch COVID-19 đối với các chuỗi cung ứng, hoạt động sản xuất và kinh doanh toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Bối cảnh hậu đại dịch đặt ra yêu cầu cấp thiết cho các doanh nghiệp công nghiệp trong việc tái cơ cấu phương thức vận hành, bù đắp sự thiếu hụt nhân lực, cắt giảm chi phí sản xuất và nâng cao năng suất. Trong tiến trình chuyển dịch này, tự động hóa đóng vai trò then chốt nhằm tối ưu hóa chu trình chế tạo và nâng cao độ chính xác ở từng công đoạn. Khâu phân loại và đóng gói sản phẩm là một mắt xích tiêu biểu đòi hỏi mức độ tự động hóa cao để loại bỏ thao tác thủ công vốn tiềm ẩn sai sót và năng suất giới hạn.

Đề tài "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, dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Văn Thiêm tại Trường Đại học Phenikaa (2024), được xây dựng nhằm giải quyết bài toán tự động hóa dây chuyền phân loại quy mô mô hình thực nghiệm.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp và công nghệ phân loại sản phẩm trong công nghiệp tự động hóa hiện nay.
2. Thiết kế mô hình cơ khí 3D cho hệ thống phân loại sản phẩm 3 cấp chiều cao trên phần mềm SolidWorks và thiết kế bản vẽ đấu nối điện trên phần mềm EPLAN Electric.
3. Lựa chọn, tính toán và tích hợp các thiết bị điều khiển, cảm biến, cơ cấu chấp hành khí nén và mạch nguồn công nghiệp.
4. Xây dựng thuật toán, lập trình điều khiển hệ thống trên bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 và thiết kế giao diện vận hành, giám sát người - máy (HMI) trên nền tảng TIA Portal.
5. Thi công, lắp ráp bảng điện, chế tạo mô hình thực tế và thực nghiệm kiểm thử hai chế độ vận hành tự động (Auto) kết hợp tính năng đếm đóng hộp và chế độ bằng tay (Manual).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Dây chuyền phân loại sản phẩm dựa trên kích thước chiều cao kết hợp cụm cơ cấu đếm và chuyển hộp phôi tự động; các nhóm đối tượng thụ hưởng công nghệ gồm nhà sản xuất, kỹ sư vận hành và nhà nghiên cứu phát triển hệ thống tự động hóa.
• Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, cảm biến quang điện E3F-DS30C4, cơ cấu xylanh khí nén SMC CDJ2B10 75-B và van điện từ AirTAC; thực nghiệm phân loại sản phẩm thành 3 cấp kích thước trên mô hình gồm 1 băng tải chính và 3 băng tải phụ.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Đề tài chuẩn hóa quy trình tích hợp liên ngành Cơ khí - Điện tử - Khí nén - Điều khiển tự động, cung cấp mô hình thực nghiệm trực quan giúp kiểm chứng giải pháp phân loại chính xác, giảm sức lao động và tối ưu hóa năng suất trong các dây chuyền đóng gói công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động hóa công nghiệp và nguyên lý hoạt động của các thiết bị cơ - điện tử:

• Khung lý thuyết và mô hình: Lý thuyết điều khiển khả trình (PLC); lý thuyết giao diện giám sát công nghiệp (HMI); nguyên lý cảm biến quang điện loại NPN thường mở (NO); nguyên lý chuyển đổi nguồn điện áp DC-DC dạng hạ áp (Buck Converter); nguyên lý truyền động cơ khí bằng động cơ điện một chiều (DC Motor); nguyên lý điều khiển khí nén thông qua van điện từ đảo chiều 5/2 và xylanh tác động kép.
• Khảo sát công nghệ phân loại hiện đại: Tác giả tổng hợp các hệ thống phân loại phổ biến gồm hệ thống cảm biến quang, hệ thống robot thao tác và hệ thống thị giác máy tính/camera thông minh (tiêu biểu như máy phân loại nông sản iQS Performance Plus của Finom sử dụng cụm 8 camera hồng ngoại 3 gam màu xanh - vàng - đỏ nhận diện đa tiêu chí).
• Phương pháp nghiên cứu:
  • Phương pháp thiết kế và mô phỏng kỹ thuật (CAD/CAE): Ứng dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế kết cấu cơ khí 3D (khung nhôm định hình 20x20mm, băng tải, giá đỡ cảm biến, đế gá xylanh); ứng dụng phần mềm EPLAN Electric để vẽ sơ đồ nguyên lý phân phối nguồn, bản vẽ đầu vào (Input) và đầu ra (Output) của PLC.
  • Phương pháp thực nghiệm và chế tạo phần cứng: Gia công, cắt gọt khung cơ khí, lắp ghép tấm nền formex, lắp ráp đường dẫn khí nén, bố trí thiết bị trên thanh ray và máng cáp, đi dây bảng điện theo đúng bản vẽ kỹ thuật.
  • Phương pháp lập trình điều khiển và tích hợp hệ thống: Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tuần tự, cấu hình phần cứng và lập trình logic bằng ngôn ngữ LAD trên TIA Portal, kết nối truyền thông Ethernet giữa PLC và màn hình giao diện HMI.
• Nguồn dữ liệu: Tài liệu kỹ thuật (datasheet) từ các nhà sản xuất Siemens, Airtac, SMC, Chint, Omcit; các tiêu chuẩn công nghiệp và dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ mô hình vật lý.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa đồng bộ, phân định rõ ràng giữa tầng chấp hành cơ khí, tầng phân phối điện lực và tầng điều khiển trung tâm.

Thiết bị / Thành phần	Mã hiệu / Quy cách kỹ thuật	Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình (PLC)	Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (6ES7214-1AE30-0XB0)	Xử lý logic trung tâm, nhận tín hiệu cảm biến và điều khiển chấp hành (14 DI 24VDC, 10 DO 24VDC 2A, 2 AI 0-10VDC)
Bộ nguồn tổ ong	Nguồn xung 24VDC - 10A (Công suất 240W, hiệu suất >85%)	Cung cấp nguồn DC 24V ổn định cho PLC, cuộn hút van điện từ, cảm biến và relay
Aptomat bảo vệ	Chint MCB 2 Pha NXB-63 (63A, 230/400V, dòng cắt 6kA, IP20)	Đóng cắt và bảo vệ quá tải, ngắn mạch cho toàn bộ hệ thống điện
Mạch hạ áp Buck	Mạch hạ áp DC-DC LM2596 (Vin 4-35V, Vout điều chỉnh, Iout 3A, f=150kHz)	Hạ áp từ 24VDC xuống 12VDC để cấp nguồn hoạt động cho các động cơ băng tải
Relay trung gian	OMCIT MY2N 24VDC (8 chân, 2 cặp tiếp điểm, dòng định mức 5A)	Đệm tín hiệu công suất, cách ly quang giữa đầu ra PLC và các phụ tải dòng lớn
Van điện từ khí nén	AirTAC 4V210-08 24VDC (Loại 5/2, ren cổng 1/4 - 13mm, xả 1/8 - 9.6mm)	Đảo chiều cấp khí nén điều khiển hành trình tiến/lùi của xylanh (áp suất 0.15-0.8MPa, đáp ứng $\le$20ms)
Cảm biến quang điện	PMM18 C301NA E3F-DS30C4 (NPN NO, khoảng cách 10-30cm, IP67)	Nhận diện sự hiện diện và phát hiện chiều cao sản phẩm, đếm số lượng phôi vào hộp
Xylanh khí nén	SMC CDJ2B10 75-B (Hành trình 75mm)	Tác động lực đẩy sản phẩm đạt chuẩn chiều cao từ băng tải chính sang băng tải phụ
Động cơ truyền động	Động cơ DC 12V	Kéo chuyển động cho 1 băng tải chính và 3 băng tải phụ
Thiết bị điều khiển mặt tủ	Nút nhấn nhả, đèn báo 24VDC IP65, công tắc xoay 2 vị trí (Switch)	Thao tác Start/Stop, báo trạng thái và chuyển đổi chế độ Auto/Manual

Kiến trúc vận hành của hệ thống gồm 1 băng tải chính đóng vai trò vận chuyển phôi qua cụm cảm biến quang đo chiều cao đặt ở các cao độ khác nhau. Bố trí 3 băng tải phụ đặt vuông góc để tiếp nhận 3 loại sản phẩm (chiều cao thấp, chiều cao trung bình, chiều cao lớn). Hệ thống khí nén gồm bình tích khí, đường ống dẫn và 2 cụm van điện từ - xylanh phụ trách đẩy phôi loại thấp và loại trung bình sang 2 băng tải phụ tương ứng; phôi loại cao nhất tiếp tục di chuyển về cuối băng tải chính để rơi vào băng tải phụ thứ ba.

[Phôi mức 1: Thấp]          [Phôi mức 2: Vừa]              [Phôi mức 3: Cao]
Xylanh 1 đẩy sang Băng tải 1   Xylanh 2 đẩy sang Băng tải 2   Đi thẳng về Băng tải 3
[Cảm biến đếm vào hộp]        [Cảm biến đếm vào hộp]        [Cảm biến đếm vào hộp]
                         [Đủ số lượng đặt trước]
             [Băng tải phụ kích hoạt chuyển hộp đầy đi, đưa hộp rỗng vào]

Về mặt điều khiển phần mềm, chương trình PLC thiết lập hai lưu đồ thuật toán chính:

• Chế độ Auto: Tự động kích hoạt băng tải chính khi có tín hiệu Start. Cảm biến phát hiện phôi kích hoạt xylanh tương ứng đẩy sản phẩm xuống hộp chứa trên băng tải phụ. Cảm biến tại băng tải phụ thực hiện đếm số lượng. Khi biến đếm đạt giá trị cài đặt trước trên giao diện, băng tải phụ tự động chạy trong một khoảng thời gian xác định để đưa hộp đã đủ sản phẩm ra ngoài và đưa hộp rỗng mới vào vị trí nhận phôi.
• Chế độ Manual: Cho phép người vận hành cưỡng bức chạy/dừng độc lập từng băng tải, kích hoạt từng xylanh và kiểm tra trạng thái từng cảm biến thông qua màn hình Manual trên HMI phục vụ công tác hiệu chỉnh và bảo trì.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan và cơ sở lý thuyết

Chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống phân loại tự động và vai trò của nó trong dây chuyền sản xuất hiện đại. Tác giả phân tích ưu, nhược điểm của các giải pháp kỹ thuật hiện nay bao gồm cảm biến quang, camera thị giác máy tính và cánh tay robot công nghiệp. Trọng tâm của chương đi sâu vào khảo sát chi tiết cấu tạo, nguyên lý và thông số kỹ thuật của từng linh kiện dự kiến tích hợp: PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, bộ nguồn tổ ong 24V-10A (240W), aptomat Chint MCB 2P NXB-63 (63A), domino cầu đấu 15A 12 cực, relay OMCIT MY2N, mạch Buck LM2596 (150kHz), van điện từ AirTAC 4V210-08 24V, cảm biến quang E3F-DS30C4 NPN NO và động cơ DC 12V. Đồng thời, chương giới thiệu phần mềm EPLAN Electric và thiết lập các bản vẽ phân phối nguồn, bản vẽ kết nối Input/Output của PLC.

Chương 2: Thiết kế hệ thống

Chương 2 tập trung vào giải pháp hiện thực hóa phần cứng cơ khí và bảng điện điều khiển. Tác giả xác định các yêu cầu kỹ thuật và quy trình công nghệ chi tiết, xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống. Trên nền tảng SolidWorks, tác giả thiết kế bản vẽ 3D chi tiết cho băng tải chính, băng tải phụ, cụm gá cảm biến, giá đỡ xylanh và khung mô hình tổng thể sử dụng thanh nhôm định hình 20x20mm kết hợp tấm nền formex. Phần thiết kế bảng điện tính toán kích thước lắp đặt, bố trí máng đi dây, thanh cài thiết bị, sơ đồ khối cấp khí nén và hoàn thiện quy trình đấu nối dây thực tế đảm bảo an toàn điện công nghiệp.

Chương 3: Lập trình hệ thống

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình xây dựng phần mềm điều khiển trên TIA Portal. Tác giả thực hiện cấu hình trạm PLC S7-1200, gán địa chỉ IP qua mạng LAN, xây dựng bảng phân công ngõ vào (Input), ngõ ra (Output) và hệ thống biến nhớ trung gian (Tags) đồng bộ với HMI. Chương làm rõ lưu đồ thuật toán tổng quan, thuật toán chi tiết cho chế độ tự động (Auto) và chế độ bằng tay (Manual). Đồng thời, tác giả thiết kế giao diện HMI hoàn chỉnh gồm Màn hình chính (Main Screen - hiển thị trạng thái, nhập số lượng đếm, hiển thị giá trị đếm phôi) và Màn hình điều khiển thủ công (Manual Screen), sau đó thiết lập kết nối truyền thông công nghiệp giữa PLC và HMI.

Chương 4: Kết quả và tổng kết

Chương 4 đánh giá kết quả chế tạo và vận hành mô hình thực nghiệm sau quá trình hiệu chỉnh theo ý kiến đóng góp của Hội đồng đánh giá (sửa đổi sơ đồ khối hệ thống và sơ đồ thuật toán). Tác giả kiểm chứng khả năng phân loại chính xác 3 mức kích thước sản phẩm, chức năng đếm số lượng và cơ chế tự động chuyển hộp phôi trên băng tải phụ. Chương kết thúc bằng việc phân tích các hạn chế kỹ thuật hiện tại và đề xuất các hướng mở rộng phát triển mô hình cho các ứng dụng công nghiệp phức tạp hơn.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu kỹ thuật đề ra, được nghiệm thu với các kết quả cụ thể:

• Kết quả thực nghiệm phần cứng: Chế tạo thành công mô hình vật lý hoàn chỉnh gồm khung nhôm định hình 20x20mm, 4 băng tải DC 12V, 2 xylanh khí nén SMC hành trình 75mm điều khiển bởi cụm van AirTAC 5/2, 6 cảm biến quang E3F-DS30C4 và tủ điện điều khiển trung tâm đạt chuẩn vận hành.
• Kết quả điều khiển và lập trình: Xây dựng chương trình điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C hoạt động ổn định; phân loại chính xác 100% các mẫu phôi theo 3 dải chiều cao; thuật toán đếm sản phẩm kích hoạt chính xác chu trình dịch chuyển băng tải phụ khi đủ số lượng phôi cài đặt.
• Giao diện vận hành: Thiết kế giao diện HMI trực quan với đầy đủ tính năng giám sát thông số thời gian thực và điều khiển linh hoạt giữa 2 chế độ Auto và Manual.
• Đóng góp của đề tài: Khác với các mô hình phân loại đơn thuần chỉ đẩy phôi vào khay cố định, đề tài đã đề xuất và hiện thực hóa thành công giải pháp kết hợp phân loại - đếm số lượng - tự động thay thế hộp chứa trên băng tải phụ, nâng cao mức độ tự động hóa cho công đoạn tiền đóng gói.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đạt được các kết quả thực nghiệm khả quan, đồ án vẫn còn một số điểm hạn chế kỹ thuật được tác giả ghi nhận:

• Hạn chế:
  • Hệ thống đo chiều cao dựa trên các cảm biến quang đặt ở vị trí cố định, do đó chỉ phân loại được số cấp kích thước rời rạc (3 mức) và đòi hỏi phải căn chỉnh lại vị trí gá cơ khí khi thay đổi dải kích thước sản phẩm.
  • Cơ cấu chuyển phôi sử dụng xylanh khí nén có hành trình cố định (75mm), phụ thuộc vào nguồn cấp khí nén bên ngoài.
  • Chưa tích hợp các công nghệ nhận dạng nâng cao để phân loại theo nhiều thuộc tính đồng thời (màu sắc, khối lượng, khuyết tật bề mặt, mã vạch).
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Tích hợp hệ thống thị giác máy tính (Machine Vision / Camera công nghiệp) kết hợp thuật toán xử lý ảnh để phân loại đa tiêu chí và phát hiện khuyết tật sản phẩm liên tục.
  • Ứng dụng cảm biến đo khoảng cách analog hoặc cảm biến laser để đo chính xác chiều cao liên tục của vật thể không phụ thuộc vị trí lắp đặt cố định.
  • Nâng cấp hệ thống truyền động băng tải sử dụng động cơ Servo hoặc động cơ bước điều khiển qua biến tần để kiểm soát chính xác vị trí và vận tốc phôi.
  • Tích hợp hệ thống SCADA/IoT phục vụ thu thập dữ liệu, giám sát năng suất và cảnh báo sự cố từ xa qua mạng Internet.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tiễn cao đối với:

• Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc các dự án nghiên cứu ứng dụng PLC/HMI.
• Kỹ sư thiết kế hệ thống tự động hóa vừa và nhỏ cần tài liệu tham khảo về quy trình kết hợp các phần mềm công nghiệp tiêu chuẩn (SolidWorks - EPLAN - TIA Portal).
• Các nội dung đáng tham khảo đặc biệt gồm:
  • Bản vẽ nguyên lý phân phối nguồn và đấu nối I/O chuẩn hóa trên phần mềm EPLAN Electric.
  • Thiết kế cơ khí khung nhôm định hình và bố trí băng tải trên SolidWorks.
  • Cấu trúc chương trình PLC, kỹ thuật lập trình phân chia chế độ Auto/Manual và thiết kế giao diện vận hành HMI trên TIA Portal.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình (PLC) nào và cấu hình phần cứng ra sao?
Hệ thống sử dụng PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (mã đặt hàng: 6ES7214-1AE30-0XB0). CPU này tích hợp bộ nhớ chương trình 50 KB, bộ nhớ dữ liệu 100 KB, 14 đầu vào số (24VDC), 10 đầu ra số (24VDC, 2A), 2 đầu vào analog (0–10VDC), hỗ trợ giao tiếp Ethernet công nghiệp và cho phép mở rộng tối đa 3 module tín hiệu.

2. Giải pháp phân phối nguồn điện trong hệ thống được thiết kế như thế nào để tương thích với các thiết bị khác điện áp?
Hệ thống sử dụng một bộ nguồn tổ ong 24VDC - 10A (công suất 240W) lấy nguồn từ điện lưới thông qua Aptomat MCB 2 Pha NXB-63 (Chint) để cấp nguồn cho PLC, van điện từ và cụm relay OMCIT MY2N. Để cấp nguồn cho 4 động cơ băng tải hoạt động ở điện áp 12VDC, tác giả sử dụng mạch hạ áp Buck LM2596 để chuyển đổi điện áp từ 24VDC xuống 12VDC với dòng tải định mức 3A và tần số chuyển mạch 150kHz.

3. Cơ cấu phân loại 3 cấp chiều cao và chuyển hộp phôi hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
Sản phẩm di chuyển dọc theo băng tải chính qua cụm cảm biến quang E3F-DS30C4. Khi cảm biến nhận diện đúng dải chiều cao:

• Chiều cao thấp: Xylanh khí nén 1 (SMC CDJ2B10 75-B) đẩy phôi sang băng tải phụ 1.
• Chiều cao vừa: Xylanh khí nén 2 đẩy phôi sang băng tải phụ 2.
• Chiều cao lớn: Sản phẩm đi thẳng về cuối băng tải chính và chuyển sang băng tải phụ 3.
  Trên mỗi băng tải phụ, cảm biến đếm số phôi rơi vào hộp. Khi số lượng đạt mức cài đặt trước, băng tải phụ tự động chạy để đưa hộp đầy ra ngoài và chuyển hộp rỗng mới vào vị trí nhận phôi.

4. Hai chế độ Auto và Manual trên hệ thống khác nhau như thế nào?
Ở chế độ Auto, toàn bộ quy trình cấp phôi, đo chiều cao, kích hoạt xylanh đẩy phôi, đếm số lượng và dịch chuyển hộp chứa diễn ra hoàn toàn tự động theo thuật toán lập trình sẵn trên PLC. Ở chế độ Manual, chu trình tự động ngắt, cho phép người vận hành sử dụng các nút điều khiển trên màn hình Manual của HMI hoặc công tắc cơ để kích hoạt/dừng độc lập từng động cơ băng tải và từng xylanh khí nén nhằm phục vụ công tác căn chỉnh, kiểm tra lỗi hoặc bảo dưỡng.

5. Những phần mềm kỹ thuật nào đã được tác giả ứng dụng trong toàn bộ quy trình thực hiện đồ án?
Đồ án ứng dụng đồng bộ ba phần mềm kỹ thuật chuyên dụng: phần mềm SolidWorks dùng để mô hình hóa và thiết kế kết cấu cơ khí 3D; phần mềm EPLAN Electric dùng để thiết kế bản vẽ phân phối nguồn và sơ đồ đấu nối dây điện I/O; phần mềm TIA Portal (Siemens) dùng để lập trình logic điều khiển cho PLC S7-1200 và thiết kế giao diện vận hành HMI.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Màn Việt Anh đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao kết hợp tính năng đếm và đóng hộp tự động. Bằng việc tích hợp đồng bộ các công cụ thiết kế kỹ thuật hiện đại (SolidWorks, EPLAN, TIA Portal) cùng các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn (PLC Siemens S7-1200, khí nén SMC/AirTAC, cảm biến quang điện), hệ thống chứng minh tính khả thi, độ tin cậy và khả năng vận hành chính xác ở cả hai chế độ Auto và Manual. Kết quả nghiên cứu không chỉ đáp ứng tốt các yêu cầu học thuật của đồ án kỹ sư Tự động hóa mà còn cung cấp một mô hình thực nghiệm có giá trị tham khảo ứng dụng cao cho các dây chuyền sản xuất và đóng gói công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan về hệ thống 1.1 Tổng quan Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao là hệ thống tự động hoặc bán tự động được sử dụng để phân loại các sản phẩm dựa trên chiều cao của chúng. Hệ thống này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: - Ngành thực phẩm: phân loại trái cây, rau củ, thịt, cá, v. - Ngành dược phẩm: phân loại thuốc viên, viên nang, v. - Ngành sản xuất: phân loại linh kiện điện tử, đồ chơi, v.

- Ngành logistics: phân loại hàng hóa trong kho bãi, bưu điện, v. Nguyên lý hoạt động Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao hoạt động dựa trên nguyên tắc đo chiều cao của sản phẩm và sau đó phân loại chúng vào các vị trí tương ứng. Có nhiều phương pháp đo chiều cao khác nhau được sử dụng trong hệ thống này 1.2 Vai trò của hệ thống phân loại sản phẩm trong tự động hóa Hệ thống phân loại sản phẩm là một phần quan trọng trong quá trình sản xuất và đóng góp vào việc tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Công nghệ này thường sử dụng cảm biến và thiết bị tự động hóa để phân loại sản phẩm theo các tiêu chí như chiều cao, kích thước, hoặc trọng lượng.

Hệ thống phân loại sản phẩm giúp giảm sức lao động, tăng hiệu suất sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Công nghệ này được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất và công nghiệp, từ ngành in ấn đến công nghệ thông tin.3 Các hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay Hiện nay, trong công nghiệp có nhiều hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao khác nhau, mỗi hệ thống có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với nhu cầu sử dụng và loại sản phẩm cụ thể. Dưới đây là một số hệ thống phổ biến: Hệ thống sử dụng cảm biến quang: Sinh viên thực hiện: Màn Việt Anh Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Văn Thiêm 25 - Cảm biến quang: là thiết bị sử dụng tia sáng để phát hiện sự hiện diện của vật thể.

- Cách thức hoạt động: Hệ thống sử dụng hai cảm biến quang đặt ở hai độ cao khác nhau. Khi sản phẩm di chuyển qua vị trí cảm biến, hệ thống sẽ xác định chiều cao của sản phẩm dựa trên thời gian tia sáng bị phản xạ lại từ sản phẩm. Hệ thống sử dụng camera: - Camera: có thể ghi lại hình ảnh của sản phẩm và truyền tải đến bộ xử lý hình ảnh. - Cách thức hoạt động: Hệ thống sử dụng camera để chụp ảnh sản phẩm.

Sau đó, bộ xử lý hình ảnh sẽ phân tích hình ảnh để xác định chiều cao của sản phẩm. Hệ thống sử dụng robot: - Robot: có thể di chuyển và thao tác với sản phẩm. - Cách thức hoạt động: Hệ thống sử dụng robot để lấy sản phẩm và đưa đến vị trí cảm biến. Sau đó, cảm biến sẽ đo chiều cao của sản phẩm và robot sẽ đưa sản phẩm đến vị trí phân loại phù hợp.

Ngoài ra, còn có một số hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao khác như hệ thống sử dụng cảm biến laser, hệ thống sử dụng cân điện tử, v. Việc lựa chọn hệ thống nào phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: - Loại sản phẩm cần phân loại. - Năng suất phân loại yêu cầu. - Chi phí đầu tư.

- Mức độ tự động hóa mong muốn. Sinh viên thực hiện: Màn Việt Anh Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Văn Thiêm 26 Ví dụ về hệ thống sử dụng camera:[19] Hình 1. 1: Máy phân loại trái cây bằng camera thông minh iQS Performance Plus của Công ty TNHH Finom.

Máy phân loại trái cây iQS Performance Plus do Công ty TNHH Finom cung ứng sử dụng hệ thống 8 camera tia hồng ngoại với 3 gam màu xanh – vàng – đỏ cao cấp, có ánh sáng được phân bố đồng đều đến các vị trí trái cây đi qua, dễ dàng quan sát hình ảnh trái cây và nhận diện chi tiết các khuyết điểm theo góc xoay 360 độ. Nhờ sử dụng hệ thống camera, máy có khả năng tự động lưu lại các thông số của trái cây, từ đó phân loại rất chính xác trái cây theo từng nhóm chất lượng được phân tầng. Camera ở máy phân loại trái cây iQS Performance Plus ghi lại được 160 đến hình ảnh trên mỗi sản phẩm nên nhận biết và phân biệt được nhiều khiếm khuyết. Nhờ đó, máy phân loại trái cây iQS Performance Plus giúp đảm bảo chất lượng cao và ổn định cho sản phẩm đầu ra, tiết kiệm nhân công, tối ưu hóa chi phí hoạt động của doanh nghiệp, cơ sở sản xuất.

Sinh viên thực hiện: Màn Việt Anh Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Văn Thiêm 27 Máy phân loại trái cây iQS Performance Plus được thiết kế để hoạt động theo công suất từ 1-10 tấn/giờ tùy theo yêu cầu. Các mô đun được thiết kế linh hoạt. Máy đáp ứng đa dạng các tiêu chí phân loại như: màu sắc, kích thước, cân nặng, loại bỏ các trái có khiếm khuyết bên trong và ngoài trái.

Đây là dòng sản phẩm giúp tối ưu hóa quá trình phân loại nông sản sau thu hoạch, đảm bảo chất lượng cao và ổn định cho nông sản đầu ra, vận hành hoàn toàn tự động nên không cần nhân công lao động phổ thông. Được thiết kế theo hướng đa dụng, máy phân loại trái cây iQS Performance Plus có khả năng phân loại nhiều sản phẩm trái cây, rau củ quả với đường kính khác nhau như táo, việt quất, kiwi, bơ, măng cụt, chanh, cam, xoài. và một số loại rau của quả thông dụng. Đặc biệt, số lượng và kích thước có thể được tuỳ chỉnh theo yêu cầu của khách hàng, vì thế mà đơn vị tiếp nhận máy có thể sử dụng liên tục, linh hoạt tùy theo từng mùa vụ, từng dòng sản phẩm.1 Thiết bị thành phần 1.1PLC PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) là một thiết bị điều khiển kỹ thuật số được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa.

PLC của Siemens là một trong những thương hiệu PLC phổ biến nhất trên thị trường. Dòng sản phẩm PLC của Siemens: - Simatic S7-1200: Dòng PLC nhỏ gọn, phù hợp cho các ứng dụng đơn giản. - Simatic S7-300: Dòng PLC tầm trung, phù hợp cho các ứng dụng vừa và lớn. - Simatic S7-400: Dòng PLC cao cấp, phù hợp cho các ứng dụng phức tạp và đòi hỏi hiệu suất cao.

- Simatic S7-1500: Dòng PLC mới nhất của Siemens, với nhiều tính năng tiên tiến và khả năng mở rộng cao. Ưu điểm của PLC Siemens: - Độ tin cậy cao: PLC Siemens được sản xuất với chất lượng cao và được kiểm tra nghiêm ngặt trước khi xuất xưởng. Sinh viên thực hiện: Màn Việt Anh Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Văn Thiêm 28 - Hiệu suất mạnh mẽ: PLC Siemens có tốc độ xử lý nhanh và khả năng xử lý nhiều dữ liệu.

- Dễ sử dụng: PLC Siemens có phần mềm lập trình dễ sử dụng và có nhiều tài liệu hướng dẫn. - Khả năng mở rộng cao: PLC Siemens có thể mở rộng thêm nhiều module I/O, truyền thông và chức năng đặc biệt. - Hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình: PLC Siemens hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình phổ biến như LAD, FBD, STL, SCL. Ứng dụng của PLC Siemens: Điều khiển máy móc: PLC Siemens được sử dụng để điều khiển nhiều loại máy móc trong các ngành công nghiệp khác nhau như: Ngành sản xuất, Ngành chế biến thực phẩm, Ngành dệt may, Ngành đóng gói.

Hệ thống tự động hóa: PLC Siemens được sử dụng để xây dựng các hệ thống tự động hóa cho các ứng dụng như: Hệ thống điều khiển tòa nhà, Hệ thống băng tải, Hệ thống xử lý nước, Hệ thống năng lượng mặt trời. 2: PLC S7-1200 1214C-DC-DC-DC-6ES7214-1AE30-0XB0. Thông số của PLC S7-1200 1214C:[1] Bộ xử lý: - CPU 1214C. - Bộ nhớ chương trình: 50 KB.

Sinh viên thực hiện: Màn Việt Anh Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Văn Thiêm 29 - Bộ nhớ dữ liệu: 100 KB. I/O: - 14 đầu vào số (24 VDC). - 10 đầu ra số (24 VDC, 2A).

- 2 đầu vào analog (0-10 VDC). Giao tiếp: - Ethernet (TCP/IP, ISO-on-TCP). Khả năng mở rộng: - Hỗ trợ 3 module mở rộng. - Có thể mở rộng thêm I/O, analog, truyền thông, chức năng đặc biệt.

Kích thước: 110 x 100 x 75 mm. Môi trường hoạt động: - Nhiệt độ: -20°C đến +60°C. Chức năng: - Hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình: LAD, FBD, STL, SCL. - Có thể cài đặt chương trình từ thẻ nhớ SD.

- Hỗ trợ nhiều chức năng điều khiển: PID, timer, counter, v. Chức năng bảo mật: bảo vệ chương trình, bảo vệ truy cập. Ứng dụng: - Dùng cho các ứng dụng điều khiển nhỏ gọn. - Dùng cho các ứng dụng tự động hóa trong nhiều ngành công nghiệp.

Sinh viên thực hiện: Màn Việt Anh Giảng viên hướng dẫn: TS.2 Nguồn tổ ong [2] Nguồn tổ ong hay còn gọi là nguồn xung, là một loại nguồn điện được sử dụng phổ biến hiện nay. Cái tên "nguồn tổ ong" bắt nguồn từ hình dạng các lỗ thông hơi thoát nhiệt của bộ nguồn xung được đục lỗ lục giác giống với cấu tạo của tổ ong. Nguyên lý hoạt động: Nguồn tổ ong hoạt động dựa trên nguyên tắc biến đổi điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC) bằng cách sử dụng các linh kiện điện tử như transistor công suất, biến áp xung, mạch chỉnh lưu, mạch lọc,. Ưu điểm: - Hiệu suất cao, tiết kiệm điện năng hơn so với các loại nguồn điện truyền thống.

- Kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ. - Dải điện áp đầu vào rộng. - Giá thành rẻ. Nhược điểm: - Tuổi thọ thấp hơn so với các loại nguồn điện truyền thống.

- Có thể gây nhiễu điện từ. - Nguy cơ cháy nổ cao nếu sử dụng không đúng cách. Ứng dụng: Nguồn tổ ong được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử như máy tính, laptop, tivi, điện thoại di động,. Lý do sử dụng nguồn tổ ong 24VDC: Do PLC sử dụng nguồn cấp từ 20.8VDC do đó để phù hợp với PLC nên dùng nguồn 24V.

Sinh viên thực hiện: Màn Việt Anh Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Văn Thiêm 31 Hình 1. 3: Nguồn tổ ong 24V-10A. Thông số kỹ thuật: Thông số Giá trị Điện áp đầu vào AC 100-240V (50/60Hz) Điện áp đầu ra DC 24V Dòng điện đầu ra 10A Công suất 240W Hiệu suất >85% Bảo vệ Quá áp, quá dòng, ngắn mạch Kích thước 210 x 110 x 50 mm Trọng lượng 650g Bảng 1.

1: Thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong 24VDC.3 Aptomat [3] Aptomat, hay còn gọi là cầu dao tự động, là thiết bị đóng cắt mạch điện được sử dụng phổ biến trong hệ thống điện dân dụng và công nghiệp.