Đồ án tốt nghiệp HUTECH: Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng

Báo cáo đồ án chi tiết về hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng. Thiết kế và thi công mô hình dùng PLC S7-1200, Loadcell và giao diện SCADA.

• Tác giả: Vũ Trịnh Hoài Nam
• Người hướng dẫn: Ths. Phạm Nguyễn Nhựt Thanh
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Theo Khối Lượng
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm và ứng dụng hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng tự động

Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng tự động là giải pháp công nghệ hiện đại trong lĩnh vực sản xuất và chế biến nông thủy sản. Hệ thống này sử dụng cảm biến Loadcell để đo lường chính xác khối lượng từng sản phẩm, từ đó thực hiện việc phân loại tự động theo các tiêu chuẩn định trước. Công nghệ này giúp tăng hiệu suất sản xuất, giảm nhân công và nâng cao chất lượng sản phẩm. Ứng dụng của máy phân loại theo khối lượng rất rộng trong các ngành công nghiệp thực phẩm, nông sản, và các sản phẩm đòi hỏi độ chính xác cao. Đặc biệt, hệ thống này có thể xử lý lượng lớn sản phẩm trong thời gian ngắn với độ sai số tối thiểu, mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội cho các doanh nghiệp.

1.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến Loadcell trong phân loại sản phẩm

Cảm biến Loadcell là thiết bị đo trọng lượng dựa trên nguyên lý biến dạng cơ học. Khi sản phẩm được đặt lên, Loadcell sẽ chuyển đổi lực tác dụng thành tín hiệu điện, được gửi đến bộ khuếch đại tín hiệu để xử lý. Hệ thống điều khiển PLC sẽ so sánh dữ liệu nhận được với các ngưỡng khối lượng cài đặt sẵn để quyết định hành động phân loại. Độ chính xác của cảm biến Loadcell có thể đạt đến ±0.05% giúp phân loại sản phẩm với độ sai số cực kỳ thấp.

1.2. Lợi ích của tự động hóa trong quy trình phân loại sản phẩm

Hệ thống tự động phân loại mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho doanh nghiệp. Thứ nhất, tăng năng suất lao động lên 300-500% so với phương pháp thủ công. Thứ hai, giảm chi phí nhân công đáng kể và loại bỏ các lỗi do con người gây ra. Thứ ba, cải thiện chất lượng sản phẩm nhờ vào độ chính xác cao và nhất quán trong quy trình phân loại.

II. Cấu trúc và thành phần chính của hệ thống phân loại tự động

Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng bao gồm các phần chính: phần cứng và phần mềm điều khiển. Phần cứng gồm băng tải vận chuyển, bàn cân điện tử, xylanh khí nén, van điện từ, và các cảm biến cần thiết. Phần mềm sử dụng PLC S7-1200 để lập trình logic điều khiển và giao diện SCADA để giám sát toàn bộ hệ thống. Bộ nguồn 24VDC cung cấp năng lượng ổn định cho tất cả thiết bị. Hệ thống hoạt động theo hai chế độ: chế độ Auto tự động phân loại liên tục và chế độ Manual cho phép điều khiển thủ công. Mỗi thành phần được thiết kế cẩn thận để đảm bảo độ tin cậy cao và thời gian hoạt động lâu dài.

2.1. Vai trò của PLC S7 1200 trong điều khiển hệ thống

PLC S7-1200 là bộ điều khiển lập trình chính của hệ thống, có khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng và chính xác. PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến, so sánh với giá trị cài đặt, rồi gửi lệnh điều khiển đến các thiết bị hoạt động như xylanh, motor, van điện từ. Tốc độ xử lý của S7-1200 cho phép hệ thống hoạt động với tần suất cao, phù hợp cho các ứng dụng phân loại sản phẩm công nghiệp.

2.2. Chức năng của giao diện SCADA trong giám sát hệ thống

Giao diện SCADA cung cấp nền tảng giám sát toàn diện cho hệ thống phân loại sản phẩm. Qua SCADA, người vận hành có thể xem trạng thái thực time, điều chỉnh thông số phân loại, theo dõi số lượng sản phẩm phân loại từng loại, và xuất báo cáo định dạng Excel. Giao diện trực quan giúp nâng cao hiệu quả vận hành và phát hiện sự cố nhanh chóng.

III. Quy trình phân loại sản phẩm và các tiêu chuẩn kỹ thuật

Quy trình phân loại sản phẩm theo khối lượng thực hiện theo trình tự logic được lập trình trong PLC. Sản phẩm được đặt lên bàn cân điện tử (có tải trọng từ 0 đến 185 gram), cảm biến Loadcell đo khối lượng và gửi dữ liệu đến PLC. Hệ thống điều khiển so sánh khối lượng với các ngưỡng giới hạn cài đặt sẵn để phân loại sản phẩm vào các hạng mục khác nhau. Sau đó, xylanh khí nén được kích hoạt thông qua van điện từ 5/2 để đẩy sản phẩm vào đường ray tương ứng. Cảm biến vật cản hồng ngoại xác nhận vị trí sản phẩm. Các tiêu chuẩn kỹ thuật yêu cầu độ chính xác đo lường ±0.5 gram, thời gian phân loại mỗi sản phẩm không quá 2 giây.

3.1. Các bước thực hiện phân loại sản phẩm tự động

Bước 1: Sản phẩm đến từ băng tải vận chuyển. Bước 2: Cảm biến hồng ngoại phát hiện sản phẩm và gửi tín hiệu đến PLC. Bước 3: PLC điều khiển xylanh khí nén đẩy sản phẩm lên bàn cân. Bước 4: Loadcell đo khối lượng. Bước 5: PLC so sánh dữ liệu và kích hoạt van điều khiển tương ứng. Bước 6: Sản phẩm được đẩy vào ngăn phân loại đúng.

3.2. Các tiêu chuẩn kỹ thuật và độ chính xác yêu cầu

Độ chính xác đo lường phải đạt ±0.5 gram để đảm bảo phân loại chính xác. Tốc độ xử lý tối thiểu 50 sản phẩm/phút. Điện áp hoạt động 24VDC ±5%. Độ lặp lại của hệ thống không vượt quá 1% để đảm bảo chất lượng ổn định.

IV. Hướng phát triển và ứng dụng tương lai của hệ thống phân loại tự động

Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng tự động đang được cải tiến liên tục để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp. Hướng phát triển tiêu biểu bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và nhận dạng hình ảnh để phân loại đa chiều, không chỉ dựa trên khối lượng. Công nghệ Internet of Things (IoT) cho phép kết nối hệ thống với các platform quản lý chung, theo dõi dữ liệu từ xa. Hệ thống cloud-based giúp lưu trữ báo cáo và dữ liệu lịch sử dài hạn. Tương lai, hệ thống phân loại tự động sẽ trở thành tiêu chuẩn bắt buộc trong các nhà máy hiện đại, cải thiện hiệu suất sản xuất và chất lượng sản phẩm một cách toàn diện.

4.1. Tích hợp công nghệ AI và học máy vào hệ thống phân loại

Công nghệ AI cho phép hệ thống học từ dữ liệu lịch sử để tối ưu hóa ngưỡng phân loại. Mạng nơ-ron nhân tạo có thể dự đoán và điều chỉnh tự động các tiêu chuẩn phân loại dựa trên đặc tính sản phẩm thay đổi. Kết hợp camera vision và xử lý ảnh, hệ thống có thể phân loại theo nhiều tiêu chí cùng lúc: khối lượng, kích thước, màu sắc.

4.2. Ứng dụng IoT và cloud computing trong quản lý hệ thống

Công nghệ IoT kết nối hệ thống phân loại với máy chủ trung tâm, cho phép giám sát từ xa và kiểm soát tập trung. Dữ liệu thực time được tải lên cloud, tạo kho dữ liệu khổng lồ cho phân tích và báo cáo. Các doanh nghiệp có thể tối ưu hóa quy trình sản xuất dựa trên thông tin chi tiết từ dashboard trực tuyến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GIỚI THIỆU 1. Thực trạng của phân loại nông thủy sản Hiện nay ngành thực phẩm Việt Nam đang phát triển rất mạnh, đặc biệt là ngành nông thủy sản xuất khẩu đang là sản phẩm chính mang lại ngoại tệ lớn cho nước nhà. Trong khi đó nguồn lao động khan hiếm đang là vấn đề chính khiến không ít các công ty, nhà máy phải đau đầu tìm các phương án thay thế. Vì công nhân đa số đều ước chừng sản phẩm bằng tay hoặc bằng mắt thường khiến cho công việc phân loại có sai số cao, không những vậy chi phí, thời gian đào tạo và kinh nghiệm sản xuất là vấn đề lớn cho doanh nghiệp.

Do đó dòng sản phẩm máy phân loại đã ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu giải quyết vấn đề về nhân công sản xuất, ngoài ra thiết bị phân loại còn nâng cao hiệu quả công suất. Tổng quan về các hệ thống tự động phân loại sản phẩm nông thủy sản Các hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng đều an toàn, dễ sử dụng, hiệu suất công việc tăng lên, an toàn vệ sinh thực phẩm và giảm thời gian làm việc của công nhân. Sử dụng điện, không có khí thải, chất liệu không gây hại môi trường. Máy phân loại sản phẩm theo khối lượng dạng tay gạt Hình 1.1: Máy phân loại sản phẩm theo khối lượng dạng tay gạt Máy phân loại trọng lượng gia cầm này sử dụng băng tải có hiệu suất cho nguyên con cả gà và vịt, đặc biết là phương pháp làm sạch gia cầm với việc cung cấp thủ công.

Ngoài ra phân loại ức gà, cánh gà và chân gà sẽ có mô hình nhỏ hơn cho chúng. Thông số kỹ thuật: • Mã sản phẩm: DHWS600*300-8. • Máy phân loại gồm 4 phần: thiết bị cung cấp thủ công, dây đai đệm, dây cân và băng tải phân loại. • Nguồn cấp: AC220V, 50/60Hz.

• Tốc độ phân loại: 100pcs/min. • Phạm vi trọng lượng: 1-3000g±3-5g. • Kích thước sản phẩm tối đa: 400x250x100mm (Dài x Rộng x Cao). • Kích thước hệ thống cân: 600x300mm (Dài x Rộng).

3 • Tiêu chuẩn: IP65. Tính năng: • Tốc độ phân loại cao: 6000 pcs / phút có thể điều chỉnh. • Chống thấm nước và chống ẩm, thiết bị chống ngưng tụ trong hộp điện. • Hệ thống cân và kiểm soát đáng tin cậy và ổn định.

• Có thể xuất dữ liệu cân xuống cổng USB trong trang tính Excel. • Màn hình hoạt động: Màn hình cảm ứng màu 8 inch. • Bộ tay gạt mạnh mẽ: Ba triệu lần. • Chức năng đếm cho từng trạm trọng lượng có sẵn.

Kinh tế: • Giá mua: 11000-15000 USD. Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng dạng khay Hình 1.2: Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng dạng khay 4 Hệ thống có thể cho nhiều loại sản phẩm vào khay cân để cân, phân loại sản phẩm một cách tự động. Các sản phẩm mềm hơn, loãng hơn và nhớt hơn sẽ dễ phân loại hơn. Phù hợp để cân và phân loại gia cầm, hải sản và thảo mộc.

Thông số kỹ thuật: • Mã sản phẩm: YGW-YP170F8. • Nguồn cấp: AC220V, 50/60Hz. • Tốc độ phân loại: 250-300 pcs/phút. • Phạm vi khối lượng: ≤500g ± 0.

• Kích thước sản phẩm tốt đa: 120x80mm (Dài x Rộng). • Tiêu chuẩn: IP65. Tính năng: • Khay nạp có thể được tùy chỉnh với 4 kích cỡ: nhỏ, vừa, lớn và siêu lớn. • Mức độ phân loại sản phẩm từ 4-16 mức.

• Số lượng khay từ 36-92. • Toàn bộ động cơ được thiết kế an toàn, không thấm nước và chống lại sự ăn mòn của nước biển. Đạt mức chống nước IP65 trở lên. • Tuân thủ các tiêu chuẩn vệ sinh thực phẩm HACCP, IFS, CE và FDA.

• Giao diện hoạt động dễ sử dụng: Màn hình màu cảm ứng 10 inch, có tính bảo mật người dùng, lưu trữ thông số 100 sản phẩm. • Lưu trữ và xuất dữ liệu thuận tiện, kết nối Bluetooth có thể xuất dữ liệu sang USB. Kết nối thiết bị ngoại vi và quản lý nhiều máy với nhau. • Tốc độ có thể điều chỉnh tốc độ động cơ theo yêu cầu.

• Chức năng báo cáo, tạo báo cáo ở định dạng Excel. Kinh tế: 5 • Giá mua: 9000-10000 USD. • Bảo hành 1 năm và dịch vụ trọn đời. Máy phân loại trọng lượng kết hợp với nhận dạng hình ảnh Hình 1.3: Máy phân loại trọng lượng kết hợp với nhận dạng hình ảnh Máy phân loại trọng lượng và kiểm tra bằng hình ảnh là thế hệ mới, được phát triển độc lập.

Dựa trên việc phân loại trọng lượng ban đầu kết hợp với phân loại trực quan được tích hợp một cách sáng tạo. Phù hợp phân loại các sản phẩm hải sản và các ngành công nghiệp hậu cần. Thông số kỹ thuật: • Mã sản phẩm: YGW-SJ200F8-2. • Nguồn cấp: AC220V, 50/60Hz.

• Tốc độ phân loại: 200pcs/phút. • Phạm vi trọng lượng: ≤500g ± 1-3g. • Kích thước sản phẩm tối đa: 200x130mm (Dài x Rộng). • Tiêu chuẩn: IP65.

6 Tính năng: • Thiết bị cho nhiều ứng dụng, phân loại theo kích thước khác nhau thông qua hình ảnh. • Hai chức năng phân loại sản phẩm theo trọng lượng và hình ảnh có thể tùy chọn theo nhu cầu của khách hàng. • Giao diện thân thiện với người dùng với màn hình cảm ứng màu 17 inch. • Chức năng báo cáo, tạo và cập nhật báo cáo ở định dạng Excel.

• Lưu trữ và xuất dữ liệu thuận tiện. • Thiết kế chống thấm chuyên nghiệp. Kinh tế: • Giá mua: 25000-40000 USD. • Bảo hành 1 năm và dịch vụ trọn đời.

Xác định mục tiêu và giới hạn đề tài 1. Mục tiêu Mục tiêu công nghệ: áp dụng công nghệ điều khiển tự động Grafcet và sử dụng PLC S7-1200 để vận hành hệ thống. Mục tiêu giám sát và phân tích quá trình hoạt động trên màn hình HMI để nâng cao năng suất lao động và đạt năng suất cao. Giới hạn đề tài Do kiến thức và thời gian có giới hạn nên đề tài chỉ dừng lại ở mức độ tìm hiểu, thiết kế và thi công mô hình phân loại sản phẩm theo 3 khoảng khối lượng từ 40g - 105g, 105g – 185g và hơn 185g.

Từ kết quả nghiên cứu của đề tài này có thể bổ sung, chỉnh sửa và phát triển ra các hệ thống trên thực tế. Khái quát hệ thống dự kiến 1. Các thông số kỹ thuật yên cầu để thiết kế Dự kiến thiết kế mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng: • Sử dụng PLC S7-1200. • Diện tích mô hình: 1x1m.

• Băng tải: băng tải vận chuyển sản phẩm dài 300mm và băng tải phân loại sản phẩm dài 600mm. • Cơ cấu đẩy vật: xy lanh sử dụng hệ thống khí nén thông qua việc điều khiển van điện từ. • Cảm biến: sử dụng cảm biến loadcell để cân vật và cảm biến hồng ngoại để phát hiện vật. • Hệ thống nút nhấn: nút nhấn Start, nút nhấn Stop, nút nhấn Emergency, công tắc 3 vị trí và các nút nhấn cho chế độ Manual.

Các yêu cầu về an toàn CB để bảo vệ nguồn điện và các thiết bị điện. Mô tả chức năng của hệ thống Chế độ tự động: các quá trình vận chuyển, cân và phân loại sản phẩm sẽ được hệ thống làm việc một cách tự động. Chế độ thủ công: hệ thống sử dụng các nút nhấn để điều khiển băng tải 1(băng tải vận chuyển sản phẩm), băng tải 2(băng tải phân loại sản phẩm), xy lanh 1, xy lanh 2 và xy lanh 3. Phát hiện sự cố.

Sơ đồ khối của hệ thống NGUỒN CẤP CẢM BIẾN RELAY ĐỘNG CƠ KHỐI LƯỢNG TRUNG GIAN BĂNG TẢI CẢM BIẾN PLC VAN ĐIỆN TỪ HỒNG NGOẠI KHÍ NÉN XYLANH CẢM BIẾN TỪ ĐÈN BÁO NÚT NHẤN PC/SCADA Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống Chức năng của từng khối: • Nguồn cấp: Cung cấp nguồn cho toàn bộ thiết bị trong hệ thống. • Cảm biến khối lượng: Tạo ra tín hiệu điện có độ lớn tỷ lệ thuận với lực được đo. • Cảm biến hồng ngoại: Phát hiện vật bằng cách phát hoặc nhận bức xạ hồng ngoại trong môi trường. • Cảm biến từ: Phát hiện ra vật mang từ tính không tiếp xúc ở khoảng cách gần, dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ.

• Nút nhấn: Nhiệm vụ đóng, cắt dòng điện. • PLC: Nhận các tín hiệu đầu vào số hoặc tương tự sau đó xuất ra các tín hiệu đầu ra số điều khiển các thiết bị đầu ra số hoặc tương tự. • PC/SCADA: Thiết bị lập trình. • Relay trung gian: Khối trung gian chuyển tiếp mạch điện cho thiết bị khác.

• Động cơ băng tải: Điều khiển băng tải. • Van điện từ khí nén: Điều khiển chuyển động của xylanh. • Xy lanh: Đẩy vật thông qua việc điều khiển van điện từ khí nén. 9 • Đèn báo: Nhiệm vụ hiển thị, báo sự cố.

Các phần mềm và công cụ tính toán FluidSIM-P: phần mềm để mô phỏng các mạch khí nén, thủy lực, điện và vẽ lưu đồ giải thuật cho hệ thống.5: Giao diện FluidSIM-P Solidworks: phần mềm thiết kế các mô hình phần cứng cho hệ thống phân loại sản phẩm.6: Giao diện thiết kế Solidworks 10 Tia Portal V16: phần mềm lập trình được tổng hợp của nhiều phần mềm điều hành quản lý tự động hóa, vận hành điện của hệ thống.7: Giao diện lập trình Tia Portal V16 Microsoft Visio: phần mềm để vẽ các sơ đồ mạch điện khác nhau từ đơn giản đến phức tạp tùy thuộc vào môi trường làm việc.8: Giao diện thiết kế Microsoft Visio 11 Automation Studio: phần mềm thiết kế mạch và mô phỏng hệ thống khí nén.9: Giao diện thiết kế Automation Studio 12 Chương 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2. Thiết kế cơ khí cho hệ thống Hình 2.1: Bản vẽ thiết kế mô hình phân loại - Băng tải 1: Vận chuyển sản phẩm vào khu vực bàn cân. - Băng tải 2: Vận chuyển sản phẩm đến các cơ cấu phân loại khi đã cân xong. - Xy lanh 1: Đẩy sản phẩm sang khu vực phân loại khi đã cân xong.

- Xy lanh 2 và xy lanh 3: Đẩy sản phẩm vào khu vực đã được nhận lệnh. - Cảm biến 1, 2 và 3: Cảm biến phát hiện vật. Vật liệu thiết kế - Nhôm định hình 20x20mm 13 - Tấm nhựa mica - Sắt V lỗ loại V3x3cm - Tấm gỗ ép 100x80cm 2. Thiết kế băng tải và bàn cân Băng tải 1: Băng tải vận chuyển sản phẩm Hình 2.2: Thiết kế băng tải 1 • Băng chuyền cao su PVC có chiều rộng 100mm.

• Kích thước băng tải 1: 370x154x130mm (Dài x Rộng x Cao). • Đường kính rulo: 30mm. Băng tải 2: Băng tải phân loại sản phẩm Hình 2.3: Thiết kế băng tải 2 14 • Băng chuyền cao su PVC với chiều rộng 100mm. • Kích thước băng tải 2: 590x154x130mm (Dài x Rộng x Cao).

• Đường kính rulo: 30mm.