Giới thiệu dự án

Trong kỷ nguyên công nghiệp hóa và hiện đại hóa, quá trình tự động hóa các dây chuyền sản xuất đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa chi phí vận hành, loại bỏ sai sót do con người và gia tăng năng suất tổng thể (OEE). Trong ngành công nghiệp sản xuất chất tẩy rửa, hóa chất dạng bột và nông sản đóng gói, công đoạn định lượng và đóng bao đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối nhằm đảm bảo định mức thương phẩm, chống thất thoát nguyên liệu và tuân thủ các tiêu chuẩn quản lý chất lượng như ISO 9001:2008. Các khảo sát công nghiệp cho thấy việc định lượng thủ công hoặc bán tự động truyền thống thường phát sinh tỷ lệ sai số khối lượng từ 2% đến 5%, đồng thời giới hạn năng suất đóng gói ở mức dưới 150 bao/giờ/lao động.

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi đặt ra là: Làm thế nào để thiết kế một hệ thống cân định lượng liên tục với sai số nhỏ hơn 0.5%, đáp ứng tốc độ đóng bao công nghiệp, loại bỏ ảnh hưởng của quán tính rơi tự do của dòng vật liệu, đồng thời đảm bảo tính kinh tế và khả năng vận hành ổn định 24/7 trong môi trường bụi bẩn công nghiệp?

Đề tài "Xây dựng và thiết kế hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động" do sinh viên Phạm Văn Cường thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Trọng Thắng tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (chuyên ngành Điện Tự động Công nghiệp) giải quyết trọn vẹn bài toán này. Đồ án xây dựng giải pháp tự động hóa tích hợp hoàn chỉnh từ cơ điện tử, mạch đo lường xử lý tín hiệu analog đến phần mềm điều khiển khả trình PLC và giao diện giám sát HMI.

Mục tiêu cụ thể của dự án:

  1. Thiết kế cơ cấu định lượng hai buồng cân song song (dual-hopper system) với nguyên lý cấp liệu hai giai đoạn (xả thô kết hợp rung bù xả tinh) để triệt tiêu sai số quán tính dòng vật liệu.
  2. Xây dựng chuỗi đo lường analog độ nhạy cao: Cảm biến lực Loadcell $\rightarrow$ Bộ chuyển đổi khuếch đại chuẩn công nghiệp LAC 74.1 $\rightarrow$ Module Analog Input EM235 $\rightarrow$ PLC SIMATIC S7-200 CPU 224.
  3. Thiết kế toàn diện hệ thống mạch động lực, mạch điều khiển khí nén (pneumatic solenoid valves), mạch bảo vệ liên động (interlock protection) và tủ điều khiển tiêu chuẩn.
  4. Lập trình thuật toán điều khiển tuần hoàn, tự động bù sai số trên phần mềm STEP 7-Micro/WIN v4.0 SP9.
  5. Thiết kế giao diện vận hành, giám sát thời gian thực và cài đặt tham số mẻ cân (Recipe/Setpoints) trên nền tảng Siemens WinCC Flexible 2008.

Phạm vi và giới hạn đề tài: Hệ thống tập trung tối ưu hóa cho vật liệu dạng hạt/bột công nghiệp (trọng tâm là bột giặt tổng hợp), dải cân định lượng từ 1kg đến 25kg/mẻ cho mỗi đầu cân, sử dụng khí nén công nghiệp áp suất 0.4 - 0.6 MPa cho cơ cấu chấp hành xilanh hai chiều, vận hành thông qua sự phối hợp giữa chu trình cân tự động và thao tác dập bàn đạp chân (Foot Switch) của công nhân bao gói.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tại các nhà máy đóng gói quy mô vừa và nhỏ, việc lựa chọn phương án định lượng tác động trực tiếp đến chi phí đầu tư ban đầu (CAPEX) và chi phí vận hành (OPEX).

Tiêu chí kỹ thuật Phương pháp định lượng trục vít (Auger Filler) Hệ thống cân đồng hồ cơ khí / Cắt tay Giải pháp cân điện tử 2 phễu luân phiên (Đề tài)
Độ chính xác đo lường $\pm 1.5% - 2.5%$ (Bị ảnh hưởng bởi độ tơi xốp) $\pm 2.0% - 5.0%$ (Phụ thuộc thị giác công nhân) $\mathbf{\pm 0.2% - 0.5%}$ (Đo trực tiếp tải trọng tĩnh)
Tốc độ định lượng 300 - 400 gói/giờ 100 - 150 gói/giờ 600 - 800 gói/giờ (Chu kỳ luân phiên 2 thùng)
Khả năng tự động hóa Khó tích hợp thu thập dữ liệu số Không có khả năng kết nối Tích hợp PLC, SCADA/HMI, lưu trữ Recipe
Chi phí bảo trì Cao (mài mòn cơ khí trục vít do ma sát) Thấp nhưng tốn nhân công giám sát Thấp (Loadcell tĩnh không chuyển động quay)
Tính linh hoạt dải cân Cần thay đổi khuôn trục vít Đổi quả cân cơ học phức tạp Cài đặt trực tiếp trên màn hình cảm ứng HMI

Yêu cầu người dùng được phân loại theo mô hình MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Đo lường tải trọng chính xác dải 0 - 50 kg; tự động ngắt van cấp liệu thô khi đạt ngưỡng 90%; tự động ngắt bộ rung bù khi đạt ngưỡng 100%; cơ cấu liên động khóa chéo không cho xả bột khi chưa kẹp bao; nút dừng khẩn cấp E-Stop.
  • Should have (Nên có): Giao diện HMI hiển thị đồ thị trọng lượng thời gian thực; bàn đạp chân (Foot switch) độc lập cho công nhân đóng gói; đèn cảnh báo trạng thái hệ thống (RUN/STOP/SF).
  • Could have (Có thể mở rộng): Tích hợp máy in mã vạch tự động; kết nối truyền thông Ethernet Modbus TCP/IP về hệ thống ERP quản trị doanh nghiệp.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Cơ cấu robot tự động cấp vỏ bao và khâu miệng bao tự động hoàn toàn (giữ lại công đoạn gá bao thủ công nhằm tối ưu chi phí).

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc hệ thống được phân chia thành 4 phân tầng chức năng rõ rệt: Tầng Cảm biến & Cơ cấu chấp hành, Tầng Thu thập & Xử lý Tương tự, Tầng Điều khiển Trung tâm và Tầng Giám sát Vận hành HMI.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  TẦNG GIÁM SÁT HMI (WinCC Flexible 2008)                |
|           [Cài đặt SP] [Hiển thị khối lượng tức thời] [Cảnh báo lỗi]     |
+-------------------------------------------------------------------------+
                                     │  Cáp PPI (RS485 - 9.6 kbps)
                                     ▼
+-------------------------------------------------------------------------+
|                TẦNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM (PLC S7-200 CPU 224)           |
|  - Xử lý thuật toán ngắt, lọc số Analog                                  |
|  - Logic điều khiển tuần tự 2 thùng cân luân phiên                     |
+-------------------------------------------------------------------------+
       ▲                                                   │
       │ Bus mở rộng nội bộ                                │ Ngõ ra số (Q0.0 - Q0.7)
       │ (12-bit Digital Data)                             │ (24VDC $\rightarrow$ Rơ le trung gian RA)
       │                                                   ▼
+-----------------------+              +----------------------------------+
|  MODULE ANALOG EM235  |              |    CƠ CẤU CHẤP HÀNH KHÍ NÉN      |
|  4 AI (0-10V) / 1 AO  |              |  - Van điện từ SV2/SV5 (Cửa xả)  |
+-----------------------+              |  - Van điện từ SV3/SV6 (Xả đáy)  |
       ▲                               |  - Động cơ rung cấp liệu tinh   |
       │ 0 - 10V DC                    +----------------------------------+
+-----------------------+
| BỘ BIẾN ĐỔI LAC 74.1  |
| Khuếch đại chuẩn hóa  |
+-----------------------+
       ▲
       │ Tín hiệu vi sai (0 - 20 mV)
+-----------------------+
|  LOADCELL ZEMIC L6F   |
|  C3 - 50kg (Cầu Whea) |
+-----------------------+

Chi tiết cấu hình phần cứng:

  • Bộ điều khiển lập trình: Siemens SIMATIC S7-200 CPU 224 (Mã hiệu: 6ES7 214-1BD23-0XB8). Nguồn nuôi 120/220VAC, tích hợp 14 ngõ vào số (24VDC Sink/Source) và 10 ngõ ra Relay (2A). Tần số quét vi xử lý: xung nhịp 1 - 8 MHz, thời gian thực thi lệnh cơ bản: 0.22 $\mu s$.
  • Module mở rộng Analog: Siemens EM235 (Mã hiệu: 6ES7 235-0KD22-0XA8). Tích hợp 4 Analog Inputs và 1 Analog Output, độ phân giải bộ chuyển đổi A/D là 12-bit (dải số nguyên: 0 đến 32000 ứng với dải tín hiệu không đối xứng 0 - 10V DC).
  • Cảm biến trọng lượng: Zemic L6F-C3-50kg chuẩn OIML R60 C3, cấu trúc dạng thanh (Single Point Load Cell), độ nhạy đầu ra: $2.0 \pm 0.2 \text{ mV/V}$, điện trở đầu vào $406 \pm 6\ \Omega$, điện trở đầu ra $350 \pm 3\ \Omega$, chuẩn bảo vệ IP65, vật liệu hợp kim nhôm chống ăn mòn.
  • Bộ chuyển đổi tín hiệu Loadcell: LAC 74.1, nguồn cấp 24VDC, khuếch đại tín hiệu điện áp từ cầu đo Wheatstone chuyển đổi tuyến tính sang tín hiệu điện áp chuẩn $0 - 10\text{V DC}$.

Bảng cấu hình DIP Switch trên Module Analog EM235 (Dải đo 0 - 10V không đối xứng):

Cấu hình SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 Dải tín hiệu vào Độ phân giải toàn dải
OFF ON OFF OFF OFF ON $0 - 10\text{V DC}$ $2.5\text{ mV}$ (12-bit)

Methodology

Quy trình nghiên cứu và triển khai dự án được thực hiện theo mô hình V-Model kỹ thuật nghiêm ngặt:

Yêu cầu công nghệ ───────────────> Nghiệm thu & Chạy thử thực tế
      │                                       ▲
      ▼                                       │
Thiết kế Kiến trúc/Cơ điện ──────> Tích hợp Hệ thống & Kiểm thử tải
      │                                       ▲
      ▼                                       │
Thiết kế Chi tiết Thuật toán ───> Kiểm thử Đơn vị & Căn chỉnh Analog
      │                                       ▲
      └─────────> Lập trình STEP 7 & HMI ──────┘

Ma trận đánh giá rủi ro kỹ thuật và giải pháp xử lý:

  1. Nhiễu tín hiệu Analog: Tín hiệu từ Loadcell rất nhỏ ($0 - 20\text{ mV}$), dễ bị can nhiễu bởi sóng điện từ từ động cơ rung và cuộn hút van điện từ.
    • Giải pháp: Sử dụng cáp bọc kim chống nhiễu (Shielded Twisted Pair), nối đất tập trung một điểm (PE Busbar), tích hợp bộ lọc trung bình số (Digital Moving Average Filter) trong PLC.
  2. Sai số do nguyên liệu rơi tự do (Free-fall In-flight Material): Khi van cơ khí đóng lại hoàn toàn, một lượng bột giặt đang bay lơ lửng trong không khí sẽ tiếp tục rơi xuống phễu cân làm vượt tải định mức.
    • Giải pháp: Thiết lập giá trị ngắt sớm cơ chế cấp liệu tinh ($\Delta W_{fly}$) trong phần mềm PLC.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình điều khiển định lượng dựa trên nguyên lý cân động hai tốc độ kết hợp logic luân phiên giữa Thùng cân 1 và Thùng cân 2.

Thuật toán tính toán quy đổi Analog sang Giá trị Khối lượng thực tế:

Tín hiệu điện áp $0 - 10\text{V}$ qua bộ A/D chuyển thành số nguyên $0 - 32000$ lưu tại thanh ghi AIW0 (Thùng 1) và AIW2 (Thùng 2). Công thức chuẩn hóa tuyến tính được viết dưới dạng:

$$W_{\text{thực}} (kg) = \frac{AIW0 - Offset}{32000 - Offset} \times W_{\text{max_scale}}$$

Trong đó:

  • $Offset$: Giá trị số đọc được khi thùng cân rỗng (Zero Calibration).
  • $W_{\text{max_scale}}$: Khối lượng định mức tối đa của Loadcell ($50.0\text{ kg}$).

Đoạn mã chương trình STL (Statement List) trên STEP 7-Micro/WIN v4.0:

// =================================================================
// NETWORK 1: ĐỌC VÀ CHUẨN HÓA TÍN HIỆU ANALOG TỪ LOADCELL THÙNG CÂN 1
// AIW0: Giá trị số nguyên từ EM235 (0 - 32000)
// VD100: Giá trị khối lượng thực sau tính toán (Số thực - Real kg)
// =================================================================
LD     SM0.0
ITD    AIW0, VD10           // Chuyển Integer 16-bit sang Double Integer 32-bit
DTR    VD10, VD14           // Chuyển Double Integer sang Real (Floating Point)
MOVR   VD14, VD18
-R     VD200, VD18          // Trừ giá trị Offset điểm không (Zero Tare - VD200)
MOVR   VD18, VD100
/R     32000.0, VD100       // Chia dải phân giải cực đại của EM235
*R     50.0, VD100          // Nhân tải trọng định mức Loadcell (50.0 kg)

// =================================================================
// NETWORK 2: LOGIC ĐIỀU KHIỂN CỬA XẢ CHÍNH (CẤP LIỆU THÔ - COARSE FEED)
// VD104: Giá trị cài đặt khối lượng mục tiêu (Setpoint - SP)
// VD108: Ngưỡng ngắt cấp liệu thô (Coarse Cutoff = 90% Setpoint)
// Q0.0: Cuộn hút Relay RA2 điều khiển Xilanh SV2 (Mở cửa xả thô)
// =================================================================
LD     M0.0                 // Cờ hệ thống sẵn sàng cân (Ready)
AND    M0.1                 // Lệnh khởi động chu kỳ cân Thùng 1
MOVR   VD104, VD108
*R     0.90, VD108          // Tính toán ngưỡng 90% giá trị đặt
LDR<   VD100, VD108         // Nếu khối lượng tức thời < 90% SP
=      Q0.0                 // Bật xilanh cấp liệu thô SV2 (FAST1)

// =================================================================
// NETWORK 3: LOGIC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ RUNG BÙ (CẤP LIỆU TINH - FINE FEED)
// VD112: Khối lượng ngắt tinh = Setpoint - Lượng rơi tự do (Fly compensation)
// Q0.1: Kích hoạt động cơ rung cấp liệu phụ
// =================================================================
LD     M0.1
LDR>=  VD100, VD108         // Khi đã đạt ngưỡng thô (>= 90%)
LDR<   VD100, VD112         // Nhưng chưa đạt ngưỡng ngắt tinh (VD112)
=      Q0.1                 // Kích hoạt rung bù

// =================================================================
// NETWORK 4: XẢ THÀNH PHẨM KHI CÔNG NHÂN NHẤN BÀN ĐẠP CHÂN (FS - I0.0)
// Q0.2: Cuộn hút Relay RA3 điều khiển Xilanh SV3 (Xả đáy đóng bao)
// =================================================================
LD     I0.0                 // Tín hiệu bàn đạp chân đóng
A      M0.2                 // Cờ báo Thùng 1 đã cân đủ trọng lượng
AN     Q0.5                 // Khóa chéo liên động với Thùng 2 (Interlock)
=      Q0.2                 // Mở xilanh xả đáy SV3 (OPEN1)

Testing và validation

Hệ thống được đưa vào kiểm thử thực nghiệm tại xưởng thực hành Tự động hóa với 500 mẻ cân mẫu liên tục ở các dải tải trọng: $5\text{ kg}$, $10\text{ kg}$, và $20\text{ kg}$.

Tần suất sai số phân bố (500 chu kỳ thử nghiệm dải 10kg)
+-------------------------------------------------------------+
| Sai số [ -10g đến +10g ] : [██████████████████████████] 88.4%|
| Sai số [ ±10g đến ±20g ] : [████] 9.8%                      |
| Sai số [ > ±20g ]        : [█] 1.8%                         |
+-------------------------------------------------------------+

Bảng dữ liệu kiểm tra độ lặp lại và sai số định lượng thực tế:

Dải tải trọng danh định Giá trị thực tế đo bằng cân chuẩn ($\bar{X}$) Độ lệch chuẩn ($\sigma$) Sai số tương đối cực đại Thời gian hoàn thành chu kỳ
$5.000\text{ kg}$ $5.008\text{ kg}$ $0.006\text{ kg}$ $+0.16%$ $4.8\text{ giây}$
$10.000\text{ kg}$ $10.015\text{ kg}$ $0.011\text{ kg}$ $+0.15%$ $6.2\text{ giây}$
$20.000\text{ kg}$ $20.022\text{ kg}$ $0.018\text{ kg}$ $+0.11%$ $8.5\text{ giây}$

Kết quả đạt được

  1. Hiệu suất vận hành: Hệ thống 2 phễu cân luân phiên nâng tốc độ đóng gói lên 650 - 750 bao/giờ (tăng hơn 350% so với phương pháp thủ công).
  2. Độ chính xác đo lường: Sai số định lượng ổn định ở mức $\mathbf{<\pm 0.2%}$ toàn dải, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng thất thoát nguyên liệu công nghiệp.
  3. Độ tin cậy thiết bị: 100% các rơ le trung gian ($RA2, RA3, RA5, RA6$) và van xilanh khí nén vận hành đồng bộ, cơ chế khóa chéo điện học và logic phần mềm triệt tiêu hoàn toàn sự cố mở nhầm van xả khi chưa có bao bì.

Đổi mới và đóng góp

  • Cơ chế cấp liệu phân cấp thích nghi (Two-stage Adaptive Dosing): Khắc phục triệt để bài toán đối kháng giữa "tốc độ cấp liệu" và "độ chính xác cân". Cửa xả chính chịu trách nhiệm cấp 90% khối lượng trong 60% thời gian đầu chu kỳ; bộ rung bù điều khiển bằng vi bước thời gian đảm nhiệm 10% còn lại, giúp kiểm soát chính xác từng gam vật liệu.
  • Tối ưu hóa chi phí phần cứng (Cost-effective Industrial Design): Thay vì sử dụng các đầu cân chuyên dụng nhập khẩu đắt tiền (Indicator weighing controller như METTLER TOLEDO hay AND), đồ án kết hợp trực tiếp Loadcell Zemic tiêu chuẩn với bộ chuyển đổi tín hiệu LAC 74.1 và Module EM235 của Siemens. Giải pháp này giúp hạ giá thành sản xuất tủ điều khiển đến 55% mà vẫn duy trì cấp chính xác OIML R60 C3.
  • Kiến trúc luân phiên kép (Dual-hopper Interlocking): Tối ưu hóa thời gian nhàn rỗi của nhân công. Trong khi Thùng cân 1 đang xả vật liệu vào bao thì Thùng cân 2 lập tức tiến hành chu kỳ nạp và định lượng tự động, giúp dây chuyền hoạt động liên tục không có thời gian chết (Zero Idle Time).

Ứng dụng thực tế và triển khai

Trường hợp ứng dụng thực tế

Hệ thống được thiết kế tối ưu hóa trực tiếp cho các ngành công nghiệp sau:

  1. Sản xuất chất tẩy rửa & Hóa chất: Đóng gói bột giặt, hạt nhựa, phụ gia xây dựng, bột keo chà ron.
  2. Nông sản & Thức ăn chăn nuôi: Định lượng cám viên, phân bón NPK dạng hạt, gạo xuất khẩu, đường tinh luyện.
Mặt bằng bố trí dây chuyền sản xuất:
[Bồn chứa tổng 100kg Inox] 
            │
            ├───> [Phễu cân 1 (Loadcell 1)] ───> [Cửa xả SV3] ──> [Đóng bao] ──┐
            │                                                                  │
            └───> [Phễu cân 2 (Loadcell 2)] ───> [Cửa xả SV6] ──> [Đóng bao] ──┴──> [Băng tải] ──> [Máy hàn nhiệt] ──> [Đóng thùng]

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

  • Chi phí đầu tư ước tính: ~45.000.000 VNĐ (Bao gồm PLC S7-200, Module EM235, 02 Loadcell Zemic, 02 bộ LAC 74.1, Màn hình HMI, hệ thống khí nén Airtac và tủ điện gia công).
  • Tiết kiệm nhân công: Cắt giảm từ 4 nhân công định lượng xuống còn 1 nhân công đóng bao/vận hành máy.
  • Tiết kiệm nguyên liệu thất thoát: Ước tính giảm 1.5% hao hụt trên sản lượng 10 tấn/ngày $\approx$ 150 kg bột giặt/ngày.
  • Thời gian hoàn vốn (Payback Period): Dưới 4.5 tháng vận hành thực tế.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  1. PLC Siemens S7-200 hiện đã ngừng sản xuất mới (phụ tùng thay thế dần khan hiếm), cổng giao tiếp RS485 PPI có tốc độ truyền nhận giới hạn ($9.6 - 187.5\text{ kbps}$) so với tiêu chuẩn công nghiệp hiện đại.
  2. Hệ thống chưa tích hợp thuật toán tự động học (Auto-tuning / Self-optimizing) để tự động vi chỉnh giá trị bù rơi tự do ($\Delta W_{fly}$) khi độ ẩm và độ linh động của nguyên liệu thay đổi đột ngột giữa các lô sản xuất.

Hướng phát triển mở rộng

  • Nâng cấp nền tảng phần cứng: Chuyển đổi toàn bộ hệ thống sang dòng PLC thế hệ mới Siemens S7-1200 CPU 1214C kết hợp Module mở rộng tín hiệu cân chuyên dụng SIWAREX WP231, truyền thông trực tiếp qua mạng cáp quang PROFINET Industrial Ethernet.
  • Tích hợp IoT Công nghiệp (IIoT): Kết nối dữ liệu lên Cloud thông qua giao thức MQTT/OPC UA để giám sát sản lượng, OEE và bảo trì dự đoán từ xa qua Smartphone/Web Dashboard.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Kỹ sư Tự động hóa mới tốt nghiệp: Tài liệu tham khảo toàn diện, chuẩn mực về phương pháp xử lý tín hiệu tương tự (Analog Processing), lập trình PLC Siemens Step 7 và thiết kế mạch liên động khí nén công nghiệp.
  • Kỹ sư bảo trì & Tích hợp hệ thống: Cung cấp chi tiết sơ đồ chân, bảng cấu hình switch phần cứng và mã nguồn mẫu để ứng dụng nâng cấp các hệ thống máy đóng gói cơ cũ trong nhà máy.
  • Chủ doanh nghiệp sản xuất vừa và nhỏ: Mô hình giải pháp có tính khả thi kinh tế cao, chi phí chế tạo thấp, dễ bảo trì, phụ tùng phổ thông và khả năng thu hồi vốn cực nhanh.

Câu hỏi thường gặp

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

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới 1 pha $220\text{V AC} \pm 10%$, $50\text{Hz}$ cấp cho Aptomat tổng CP1 (10A) và bộ nguồn chuyển đổi Meanwell 24VDC/5A. Nguồn khí nén yêu cầu áp suất làm việc ổn định từ $0.4 - 0.6\text{ MPa}$ ($4 - 6\text{ bar}$), lưu lượng tối thiểu $150\text{ lít/phút}$, có trang bị bộ lọc tách nước và tra dầu bôi trơn tự động (FRL Unit).

2. Làm thế nào để khử trôi điểm không (Zero Drift) của cảm biến Loadcell sau thời gian dài hoạt động?

Trong đồ án, việc hiệu chuẩn được xử lý qua 2 lớp:

  • Lớp phần cứng: Tinh chỉnh biến trở Offset và Gain trực tiếp trên bo mạch khuếch đại chuẩn hóa LAC 74.1.
  • Lớp phần mềm: Tích hợp nút chức năng Tare / Zero Calibration trên màn hình HMI WinCC Flexible. Khi nhấn nút này ở trạng thái phễu rỗng, PLC sẽ lưu giá trị đọc từ AIW0 vào thanh ghi VD200 làm giá trị gốc bù trừ cho các chu kỳ cân tiếp theo.

3. Tại sao không nối trực tiếp dây tín hiệu từ Loadcell vào Module Analog EM235 mà phải qua bộ khuếch đại LAC 74.1?

Điện áp ngõ ra của cảm biến Loadcell dựa trên cầu Wheatstone cực kỳ nhỏ, chỉ đạt mức milivolt ($0 - 20\text{ mV}$ với nguồn kích thích 10V). Trong khi đó, module EM235 dải đo chuẩn thường là $0 - 10\text{V}$ hoặc $0 - 5\text{V}$. Nếu đưa trực tiếp $20\text{ mV}$ vào EM235, giá trị số chuyển đổi chỉ chiếm chưa tới 2% dải 12-bit (sai số lượng tử hóa cực lớn và tín hiệu bị chìm hoàn toàn trong nhiễu công nghiệp). Bộ chuyển đổi LAC 74.1 đóng vai trò khuếch đại và chuẩn hóa dải đo lên $0 - 10\text{V DC}$.

4. Hệ thống xử lý thế nào khi xảy ra sự cố kẹt van khí nén hoặc đứt bao bì?

Hệ thống trang bị chức năng kiểm soát thời gian quét (Watchdog Timer). Nếu sau thời gian đặt trước (ví dụ 10 giây) mà khối lượng cân không tăng hoặc van xả không đóng về công tắc hành trình, PLC sẽ lập tức ngắt toàn bộ ngõ ra $Q$, kích hoạt còi báo động và hiển thị cảnh báo lỗi (Fault Alarm) trên màn hình HMI để người vận hành can thiệp.

5. Chi phí triển khai tủ điện và phần mềm điều khiển này chiếm bao nhiêu trong tổng mức đầu tư?

Phần tủ điện điều khiển, PLC, Module Analog, HMI và thiết bị đo lường chiếm khoảng 50 - 60% tổng chi phí hệ thống (khoảng 25 - 28 triệu VNĐ). Phần còn lại là chi phí gia công cơ khí bồn chứa Inox 304, khung đỡ định hình và cơ cấu xilanh khí nén.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Xây dựng và thiết kế hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động" của tác giả Phạm Văn Cường đã giải quyết xuất sắc các yêu cầu kỹ thuật và công nghệ đặt ra trong dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại. Bằng việc kết hợp nhuần nhuyễn giữa bộ điều khiển lập trình Siemens SIMATIC S7-200, Module Analog EM235, cảm biến lực Loadcell Zemic và giao diện giám sát HMI WinCC Flexible, đề tài đã tạo nên một giải pháp hoàn chỉnh có độ chính xác cao ($\pm 0.15%$), năng suất vượt trội (trên 700 bao/giờ) và giá thành chế tạo tối ưu. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn và tính ứng dụng cao, sẵn sàng chuyển giao công nghệ và triển khai trực tiếp vào các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm và nông sản đóng gói.