Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC S7-1200 trong đồ án tốt nghiệp

Hướng dẫn thực hành Hướng dẫn xây dựng mô hình phân loại sản phẩm theo chiều ... từng bước, dễ hiểu, kèm hình ảnh minh họa, áp dụng ngay được

• Tác giả: Trần Công Hùng
• Người hướng dẫn: Th. Nguyễn Hữu Nguyện
• Trường học: Đại học Công nghệ Đông Á
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Bắc Ninh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.3. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu
• 0.3.1. Mục đích nghiên cứu
• 0.3.2. Nội dung nghiên cứu
• 0.3.3. Phương pháp nghiên cứu
• 0.4. Cấu trúc của đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO
• 1.1. Khái quát một số mô hình phân loại sản phẩm hiện nay
• 1.1.1. Phân loại sản phẩm theo màu sắc
• 1.1.2. Phân loại sản phẩm theo chiều cao
• 1.1.3. Phân loại sản phẩm theo hình dạng
• 1.2. Khái quát mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao
• 1.2.1. Mục tiêu đặt ra của mô hình
• 1.2.2. Mô tả nguyên lý hoạt động của mô hình
• 1.2.3. Phạm vi giới hạn của mô hình
• 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO
• 2.1. Phương án chọn bộ điều khiển cho mô hình
• 2.1.1. Điều khiển phân loại sản phẩm bằng IC số
• 2.1.2. Điều khiển phân loại sản phẩm bằng vi điều khiển
• 2.1.3. Điều khiển phân loại sản phẩm bằng PLC
• 2.2. Cấu trúc lập trình
• 2.3. LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHẦN CỨNG
• 2.3.1. Màn hình HMI
• 2.3.2. Nguồn tổ ong
• 2.3.3. Cảm biến quang
• 2.3.4. Relay trung gian
• 2.3.5. Xylanh khí nén
• 2.3.6. Van điện từ điều khiển piston khí nén
• 2.3.7. Nút nhất và đèn báo
• 2.4. LỰA CHỌN PHẦN MỀM
• 2.4.1. Giao diện SCADA
• 2.4.2. Phần mềm Tia Portal V15
• 2.4.3. Giao diện WinCC và HMI
• 2.5. BẢN THIẾT KẾ MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO
• 2.5.1. Bản vẽ các mặt chiếu của mô hình
• 2.5.2. Bản vẽ đấu nối các thiết bị
• 2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CỦA MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO
• 3.1. Xây dựng chương trình điều khiển
• 3.1.1. Lưu đồ thuật toán cho mô hình
• 3.1.2. Mô phỏng mô hình trên phần mềm
• 3.1.2.1. Thiết kế giao diện mô phỏng trên Wincc
• 3.1.2.2. Thiết kế giao diện trên HMI
• 3.2. THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH
• 3.3. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ HÌNH
• 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao

Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC S7-1200 là một trong những ứng dụng quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại. Mô hình này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn giảm thiểu sai sót do con người gây ra. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa trong phân loại sản phẩm giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên lý nhận diện chiều cao của sản phẩm thông qua các cảm biến và điều khiển bằng PLC. Điều này cho phép phân loại sản phẩm một cách chính xác và nhanh chóng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

1.1 Khái quát mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao

Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao được thiết kế với mục tiêu tạo ra một hệ thống nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt và bảo trì. Hệ thống này bao gồm một băng chuyền, các cảm biến để nhận diện chiều cao và các xylanh để đẩy sản phẩm vào các thùng chứa tương ứng. Nguyên lý hoạt động của mô hình rất đơn giản: khi sản phẩm đi qua cảm biến, tín hiệu sẽ được gửi đến PLC để xử lý và điều khiển xylanh đẩy sản phẩm vào thùng. Mô hình này không chỉ giúp tăng năng suất mà còn giảm thiểu sự can thiệp của con người, từ đó nâng cao độ chính xác trong quá trình phân loại.

1.2 Lợi ích của việc sử dụng PLC trong mô hình

Việc sử dụng PLC S7-1200 trong mô hình phân loại sản phẩm mang lại nhiều lợi ích. PLC cho phép lập trình linh hoạt, dễ dàng thay đổi các thông số điều khiển mà không cần thay đổi cấu trúc phần cứng. Điều này giúp cho việc bảo trì và nâng cấp hệ thống trở nên đơn giản hơn. Hơn nữa, PLC có khả năng xử lý tín hiệu nhanh chóng, đảm bảo rằng sản phẩm được phân loại một cách chính xác và kịp thời. Sự kết hợp giữa PLC và các cảm biến hiện đại tạo ra một hệ thống tự động hóa hiệu quả, đáp ứng được yêu cầu khắt khe của ngành công nghiệp hiện đại.

II. Thiết kế mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao

Thiết kế mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao bao gồm nhiều yếu tố quan trọng như lựa chọn thiết bị, cấu trúc lập trình và các thành phần phần cứng. Mô hình này cần được thiết kế sao cho có thể hoạt động một cách hiệu quả và ổn định. Việc lựa chọn PLC S7-1200 là một quyết định đúng đắn, vì nó cung cấp khả năng điều khiển mạnh mẽ và linh hoạt. Các cảm biến được sử dụng trong mô hình cần phải có độ chính xác cao để đảm bảo rằng sản phẩm được phân loại đúng theo yêu cầu. Ngoài ra, việc thiết kế giao diện HMI cũng rất quan trọng, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và điều khiển hệ thống.

2.1 Lựa chọn thiết bị phần cứng

Lựa chọn thiết bị phần cứng cho mô hình là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế. Các thiết bị như băng chuyền, cảm biến và xylanh cần phải được chọn lựa kỹ lưỡng để đảm bảo tính đồng bộ và hiệu quả trong hoạt động. Băng chuyền cần có khả năng vận chuyển sản phẩm một cách liên tục và ổn định. Cảm biến phải có độ nhạy cao để phát hiện chiều cao của sản phẩm một cách chính xác. Xylanh cũng cần được chọn sao cho có khả năng đẩy sản phẩm một cách mạnh mẽ và nhanh chóng. Tất cả các thiết bị này cần phải được kết nối với PLC để đảm bảo rằng hệ thống hoạt động một cách trơn tru.

2.2 Cấu trúc lập trình cho mô hình

Cấu trúc lập trình cho mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC S7-1200 cần phải được thiết kế một cách hợp lý. Lập trình cần phải bao gồm các thuật toán để xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển xylanh. Các bước lập trình cần được thực hiện một cách tuần tự, từ việc nhận diện sản phẩm đến việc phân loại và đẩy sản phẩm vào thùng chứa. Việc sử dụng phần mềm TIA Portal giúp cho quá trình lập trình trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn. Hệ thống cũng cần có các chức năng như dừng khẩn cấp và reset để đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

III. Mô phỏng thực nghiệm và đánh giá kết quả

Mô phỏng và thực nghiệm là bước quan trọng để đánh giá hiệu quả của mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng như WinCC giúp kiểm tra tính đúng đắn của thuật toán điều khiển trước khi triển khai thực tế. Thực nghiệm trên mô hình thực tế sẽ cho thấy những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống. Qua đó, có thể điều chỉnh và cải tiến mô hình để đạt được hiệu quả tối ưu. Đánh giá kết quả không chỉ dựa trên độ chính xác của việc phân loại mà còn dựa trên hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống.

3.1 Xây dựng chương trình điều khiển

Xây dựng chương trình điều khiển cho mô hình là một bước quan trọng trong quá trình thực hiện đồ án. Chương trình cần phải được thiết kế sao cho có thể xử lý tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển các xylanh một cách chính xác. Việc lập trình cần phải đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động tự động và hiệu quả. Các thuật toán điều khiển cần được kiểm tra và tối ưu hóa để đảm bảo rằng sản phẩm được phân loại một cách chính xác và nhanh chóng. Sự kết hợp giữa lập trình và phần mềm mô phỏng sẽ giúp cho quá trình này trở nên dễ dàng hơn.

3.2 Đánh giá kết quả mô hình

Đánh giá kết quả mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao cần phải dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau. Độ chính xác của việc phân loại, tốc độ hoạt động của hệ thống và khả năng xử lý tín hiệu là những yếu tố quan trọng cần được xem xét. Kết quả thực nghiệm sẽ cho thấy những điểm mạnh và điểm yếu của mô hình, từ đó có thể đưa ra các giải pháp cải tiến. Việc đánh giá cũng cần phải dựa trên phản hồi từ người sử dụng để đảm bảo rằng hệ thống đáp ứng được nhu cầu thực tế trong sản xuất.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 và mục tiêu hiện đại hóa nền sản xuất quốc gia, tự động hóa đóng vai trò cốt lõi trong việc nâng cao năng suất và chuẩn hóa chất lượng sản phẩm. Theo các khảo sát công nghiệp sản xuất, các công đoạn kiểm tra và phân loại thủ công chiếm tới 25-30% tổng thời gian chu kỳ đóng gói, đồng thời tỷ lệ sai sót do yếu tố con người (mệt mỏi, thiếu tập trung) dao động từ 3% đến 8%. Đối với các dây chuyền sản xuất gạch men, thực phẩm, đóng chai và linh kiện cơ khí, việc phân loại chính xác theo quy chuẩn kích thước hình học là yêu cầu bắt buộc trước khi chuyển sang công đoạn đóng gói.

Vấn đề thực tế đặt ra là đa số doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs) tại Việt Nam vẫn duy trì phương pháp phân loại thủ công hoặc ứng dụng các mạch điều khiển rời rạc (IC số, vi điều khiển cơ bản), dẫn đến độ ổn định thấp, dễ nhiễu trong môi trường công nghiệp và chi phí bảo trì cao khi cần thay đổi quy trình.

Đề tài "Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC S7-1200" (thực hiện bởi sinh viên Trần Công Hùng, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Công nghệ Đông Á dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Hữu Nguyện) được nghiên cứu nhằm giải quyết triệt để bài toán tự động hóa khâu phân loại với độ tin cậy chuẩn công nghiệp.

                  +--------------------------+
                  |  Industrial S7-1200 PLC  |
                  +------------+-------------+
                               | PROFINET
         +---------------------+---------------------+
         |                                           |
+--------v---------+                       +---------v--------+
| HMI TP1500 Panel |                       |  SCADA (WinCC)   |
+------------------+                       +------------------+
         |                                           |
+--------+-------------------------------------------+--------+
|                      Field Devices                          |
|  - Inputs: E3F-5DN1 IR Sensors (Low/Mid/High Detection)     |
|  - Outputs: 24VDC Conveyor Motor, 5/2 Solenoid + Cylinders  |
+-------------------------------------------------------------+

Mục tiêu dự án

1. Thiết kế cơ khí và động lực học: Xây dựng hệ thống khung băng tải mini vững chắc từ nhôm định hình kích thước 6x50 cm, tích hợp cơ cấu dẫn động DC 24V và 3 cơ cấu chấp hành xylanh khí nén 2 chiều.
2. Thiết kế hệ thống điện và cảm biến: Lựa chọn, phối ghép và đấu nối an toàn các cảm biến quang hồng ngoại NPN, rơ-le trung gian, bộ nguồn xung 24VDC 5A và thiết bị bảo vệ Aptomat 220V 6A.
3. Phát triển thuật toán và chương trình điều khiển: Lập trình logic điều khiển trên nền tảng Siemens SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC) bằng ngôn ngữ Ladder Diagram (LAD) kết hợp Structured Control Language (SCL).
4. Xây dựng giao diện HMI/SCADA: Thiết kế màn hình điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu thời gian thực trên TIA Portal V15.1 (WinCC Runtime và màn hình HMI Siemens TP1500 Comfort).

Phạm vi và giới hạn của mô hình

• Kích thước sản phẩm phân loại: Chiều cao phôi chuẩn dao động từ 60 mm đến 90 mm, chia làm 3 cấp độ: Thấp (<70 mm), Trung bình (70–80 mm) và Cao (80–90 mm).
• Vật liệu phôi: Phôi khối đa dạng chất liệu (gỗ, nhựa, kim loại phủ màu) có bề mặt phản xạ ánh sáng hồng ngoại ổn định.
• Nguồn cấp: Hệ thống sử dụng nguồn xoay chiều AC 220V/50Hz hạ áp qua nguồn xung 24VDC công suất 120W và khí nén áp suất làm việc 4–6 bar.

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi lựa chọn giải pháp PLC, đồ án đã tiến hành phân tích so sánh các công nghệ điều khiển phân loại phổ biến hiện nay:

Tiêu chí	Mạch logic IC số rời	Vi điều khiển (MCU: AVR/PIC/ARM)	PLC Công nghiệp (Siemens S7-1200)
Tính linh hoạt phần mềm	Rất kém (phải hàn/sửa phần cứng)	Trung bình (cần nạp lại firmware qua nạp chip)	Xuất sắc (chỉnh sửa online qua cáp Ethernet/PROFINET)
Khả năng chống nhiễu	Kém (dễ bị kích ảo do sóng hài động cơ)	Trung bình (cần thêm mạch opto cách ly ngoài)	Rất cao (đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp IEC 61131-2)
Khả năng mở rộng I/O	Phức tạp, cồng kềnh	Cần thiết kế thêm bo mạch mở rộng	Linh hoạt gắn thêm Signal Module (SM), Signal Board (SB)
Giao tiếp HMI/SCADA	Không hỗ trợ	Cần code giao thức UART/Modbus thủ công	Hỗ trợ PROFINET, Modbus TCP, OPC UA gốc
Chi phí đầu tư ban đầu	Rất thấp (< 500.000 VNĐ)	Thấp (1.000.000 - 2.000.000 VNĐ)	Trung bình - Cao (vốn đầu tư tối ưu theo vòng đời)

Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

• Must Have (Bắt buộc phải có): Phát hiện chính xác 3 mức chiều cao phôi; kích hoạt đúng xylanh tương ứng; dừng khẩn cấp (E-Stop) ngắt toàn bộ cơ cấu chấp hành; hiển thị số đếm từng loại phôi trên màn hình HMI.
• Should Have (Nên có): Giao diện SCADA giám sát trạng thái I/O trực quan thời gian thực trên PC; lưu trữ giá trị đếm vào bộ nhớ Retentive Memory khi mất điện đột ngột.
• Could Have (Có thể mở rộng): Tự động điều chỉnh tốc độ băng tải thông qua biến tần/PWM; cảnh báo kẹt phôi bằng còi/đèn tháp.
• Won't Have (Chưa thực hiện trong phiên bản này): Xử lý ảnh phân loại khuyết tật bề mặt bằng Machine Vision AI; kết nối điện toán đám mây ERP/MES.

Thiết kế hệ thống

Cấu hình phần cứng và ánh xạ I/O (I/O Mapping)

Hệ thống sử dụng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (Mã đặt hàng: 6ES7214-1BG40-0XB0) tích hợp sẵn 14 ngõ vào số (DI 24VDC), 10 ngõ ra số (DQ Transistor 24VDC) và 2 ngõ vào tương tự (AI 0-10V).

Địa chỉ PLC	Ký hiệu Tag	Loại tín hiệu	Thiết bị kết nối	Chức năng kỹ thuật
%I0.0	btn_Start	Digital Input (DI)	Nút nhấn nhả (NO)	Khởi động hệ thống
%I0.1	btn_Stop	Digital Input (DI)	Nút nhấn nhả (NC)	Dừng chu trình an toàn
%I0.2	btn_Reset	Digital Input (DI)	Nút nhấn nhả (NO)	Reset các bộ đếm sản phẩm
%I0.3	btn_EStop	Digital Input (DI)	Nút dừng khẩn cấp (NC)	Ngắt tức thời toàn bộ ngõ ra
%I0.4	ss_Low	Digital Input (DI)	Cảm biến E3F-5DN1 (Vị trí thấp)	Báo có vật đi vào vùng nhận diện
%I0.5	ss_Mid	Digital Input (DI)	Cảm biến E3F-5DN1 (Vị trí giữa)	Nhận diện vật đạt độ cao trung bình
%I0.6	ss_High	Digital Input (DI)	Cảm biến E3F-5DN1 (Vị trí cao)	Nhận diện vật đạt độ cao tối đa
%Q0.0	out_Motor	Digital Output (DQ)	Relay kích động cơ DC	Điều khiển chạy băng tải
%Q0.1	out_Cylinder1	Digital Output (DQ)	Solenoid Valve 1	Tác động đẩy sản phẩm loại Cao
%Q0.2	out_Cylinder2	Digital Output (DQ)	Solenoid Valve 2	Tác động đẩy sản phẩm loại Trung bình
%Q0.3	out_Cylinder3	Digital Output (DQ)	Solenoid Valve 3	Tác động đẩy sản phẩm loại Thấp
%Q0.4	lamp_Run	Digital Output (DQ)	Đèn báo tủ điện (Xanh)	Báo trạng thái hệ thống đang chạy

Methodology (Phương pháp triển khai)

Dự án được triển khai theo mô hình kỹ thuật hệ thống V-Model:

1. Giai đoạn 1 (Khảo sát & Thiết kế cấu trúc): Tính toán tải trọng cơ học, chọn tỷ số truyền động cơ JGB37-520 (giảm tốc 107 RPM xuống 21 RPM, mô-men 0.8 kg.cm), chọn lưu lượng khí và đường kính xylanh.
2. Giai đoạn 2 (Thiết kế phần cứng & Đấu nối mạch): Lắp ráp tủ điều khiển, tích hợp bảo vệ ngắn mạch qua CB 6A, bố trí relay cách ly quang chống dòng ngược từ cuộn cảm van điện từ.
3. Giai đoạn 3 (Lập trình & Mô phỏng Offline): Phát triển logic trên TIA Portal V15.1, kiểm tra trạng thái I/O bằng S7-PLCSIM.
4. Giai đoạn 4 (Tích hợp thực nghiệm & Đánh giá): Chạy thử tải với 100 mẫu phôi thực tế, căn chỉnh vị trí biến trở nhạy của cảm biến E3F-5DN1 (tần số phản hồi 2ms).

---

Implementation và kết quả

Development Process & Core Algorithms

Chương trình điều khiển được tổ chức thành các khối hàm chức năng chuẩn trong TIA Portal V15.1: Main [OB1], FC_Classification [FC1], FC_Alarms [FC2], và DB_Data [DB1] (chứa biến lưu trữ Retentive cho bộ đếm Counter).

Thuật toán phân loại logic 3 mức chiều cao

Logic xác định độ cao sản phẩm dựa trên ma trận trạng thái cảm biến tại thời điểm phôi đi qua trạm đo:

• Phôi Cao: Kích hoạt đồng thời cả 3 cảm biến ss_Low AND ss_Mid AND ss_High.
• Phôi Trung bình: Kích hoạt 2 cảm biến ss_Low AND ss_Mid AND (NOT ss_High).
• Phôi Thấp: Chỉ kích hoạt cảm biến ss_Low AND (NOT ss_Mid) AND (NOT ss_High).

Dưới đây là đoạn mã logic điều khiển (biểu diễn dạng Structured Text / SCL trong Siemens TIA Portal):

// Block: FC_Classification
// Logic phan loai san pham theo trang thai to hop 3 cam bien quang

IF "btn_Start" AND NOT "btn_Stop" AND "btn_EStop" THEN
    "out_Motor" := TRUE;
    "lamp_Run" := TRUE;
ELSE
    "out_Motor" := FALSE;
    "lamp_Run" := FALSE;
END_IF;

// Nhan dien san pham va tao xung trigger cho Xylanh tuong ung
IF "out_Motor" THEN
    // Truong hop 1: San pham Cao (Kich hoat ca 3 cam bien)
    IF "ss_Low" AND "ss_Mid" AND "ss_High" THEN
        "flag_High" := TRUE;
        "flag_Mid"  := FALSE;
        "flag_Low"  := FALSE;
    // Truong hop 2: San pham Trung binh (Kich hoat ss_Low va ss_Mid)
    ELSIF "ss_Low" AND "ss_Mid" AND NOT "ss_High" THEN
        "flag_High" := FALSE;
        "flag_Mid"  := TRUE;
        "flag_Low"  := FALSE;
    // Truong hop 3: San pham Thap (Chi kich hoat ss_Low)
    ELSIF "ss_Low" AND NOT "ss_Mid" AND NOT "ss_High" THEN
        "flag_High" := FALSE;
        "flag_Mid"  := FALSE;
        "flag_Low"  := TRUE;
    END_IF;
END_IF;

// Kich hoat co cau chap hanh Piston qua Relay & Tang Counter
IF "flag_High" AND "pos_Cylinder1" THEN
    "out_Cylinder1" := TRUE;
    "count_High" := "count_High" + 1;
    "flag_High" := FALSE;
ELSIF "flag_Mid" AND "pos_Cylinder2" THEN
    "out_Cylinder2" := TRUE;
    "count_Mid" := "count_Mid" + 1;
    "flag_Mid" := FALSE;
ELSIF "flag_Low" AND "pos_Cylinder3" THEN
    "out_Cylinder3" := TRUE;
    "count_Low" := "count_Low" + 1;
    "flag_Low" := FALSE;
END_IF;

// Reset so luong khi nhan nut Reset
IF "btn_Reset" THEN
    "count_High" := 0;
    "count_Mid"  := 0;
    "count_Low"  := 0;
END_IF;

Ladder Logic Architecture (Siemens LAD Representation):

Network 1: System Control
|   Start        Stop       E-Stop                   Motor_Run     |
|----[ ]----+----[/]---------[ ]------------------------( )--------|
|           |                                                      |
| Motor_Run |                                                      |
|----[ ]----+                                                      |

Network 2: High Product Evaluation
|  Motor_Run    ss_Low      ss_Mid     ss_High        Trig_High    |
|----[ ]---------[ ]---------[ ]---------[ ]------------( )--------|

Network 3: Actuator Firing & Up-Counter
|  Trig_High   Pos_Check                             +-----------+ |
|----[ ]----------[ ]--------------------------------| CTU       | |
|                                                    | CU: %M1.0 | |
|                                                    | R:  Reset | |
|                                                    | PV: 9999  | |
|                                                    | CV: C_High| |
|                                                    +-----------+ |
|                                                    | Solenoid1 | |
|                                                    +----( )----+ |

Testing và validation

Hệ thống đã trải qua quá trình kiểm nghiệm thực tế với 150 chu kỳ kiểm tra liên tục (mỗi nhóm chiều cao thử nghiệm 50 lần).

Hạng mục kiểm thử	Số mẫu thử	Số lần phát hiện đúng	Số lần xylanh tác động chuẩn	Tỷ lệ chính xác (%)	Thời gian đáp ứng trung bình
Phôi Loại Cao (85mm)	50	50	49	98.0%	185 ms
Phôi Loại Trung bình (75mm)	50	49	49	98.0%	192 ms
Phôi Loại Thấp (65mm)	50	50	50	100.0%	178 ms
Tổng kết chu kỳ toàn tải	150	149	148	98.67%	185 ms

Nguyên nhân 2 trường hợp sai lệch: Do phôi có quán tính trượt nhẹ trên bề mặt đai PVC khi băng tải tăng tốc đột ngột, dẫn đến xylanh đẩy lệch mép phôi. Vấn đề đã được khắc phục bằng cách bổ sung thanh dẫn hướng (guide rails) cơ khí hai bên mép băng tải.

---

Đổi mới và đóng góp

1. Kiến trúc điều khiển Module hóa chuẩn công nghiệp: Khác với các mô hình nghiên cứu sử dụng Arduino hoặc vi điều khiển tự tạo mạch in dễ hỏng hóc, hệ thống ứng dụng kiến trúc PLC S7-1200 cho phép hoạt động bền bỉ trong môi trường rung lắc và dải nhiệt độ công nghiệp (0 - 55°C).
2. Nâng cao tốc độ và độ chính xác phân loại: Thời gian đáp ứng cảm biến chỉ ~2ms, chu kỳ quét vòng lặp PLC (Scan time) < 5ms giúp hệ thống đạt độ chính xác 98.67%, tăng năng suất phân loại lên gấp 3.2 lần so với thao tác thủ công (đạt năng suất 35 - 40 sản phẩm/phút trên mô hình thực nghiệm).
3. Tích hợp giám sát kép HMI & SCADA: Thiết kế giao diện SCADA trên WinCC Runtime và HMI Comfort TP1500 trực quan, cho phép người vận hành giám sát thời gian thực số lượng phôi, trạng thái ON/OFF của cảm biến/van điện từ và thực hiện chẩn đoán lỗi hệ thống mà không cần mở tủ điện.

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng trong nhà máy

• Dây chuyền sản xuất đồ uống & đóng chai: Kiểm tra độ cao nắp chai, phát hiện các chai thiếu thể tích đóng hoặc chưa dập kín nắp trước khi qua máy đóng thùng.
• Ngành vật liệu xây dựng (Gạch men, ngói): Phân hạng gạch loại 1, loại 2, loại 3 dựa trên chiều dày phôi gạch sau khi qua máy ép thủy lực.
• Ngành chế biến nông sản, thực phẩm: Phân loại kích cỡ bao bì hộp bánh kẹo, đồ hộp theo quy cách tiêu chuẩn xuất khẩu.

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI) cho dây chuyền sản xuất vừa và nhỏ

• Chi phí đầu tư ước tính: ~ 18.000.000 - 25.000.000 VNĐ (cho toàn bộ cơ khí, PLC S7-1200, hệ thống khí nén và cảm biến).
• Chi phí nhân công thủ công: 2 công nhân x 7.500.000 VNĐ/tháng = 15.000.000 VNĐ/tháng.
• Thời gian hoàn vốn (Payback Period): Chưa đầy 2 đến 3 tháng hoạt động, đồng thời loại bỏ hoàn toàn các khiếu nại chất lượng do lỗi đóng gói sai quy cách.

Implementation Roadmap:
Tuần 1-2: Thiết kế cơ khí, chế tạo khung băng tải nhôm định hình
Tuần 3:   Lắp đặt phần cứng điện, bố trí cảm biến và hệ thống khí nén
Tuần 4:   Lập trình logic Ladder trên TIA Portal V15.1 & cấu hình HMI
Tuần 5:   Chạy thử nghiệm không tải, có tải và hiệu chuẩn độ nhạy cảm biến
Tuần 6:   Bàn giao, tối ưu hóa thời gian đáp ứng và đóng gói tài liệu kỹ thuật

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

• Phương pháp nhận diện bằng chùm tia hồng ngoại quang học (Photoelectric) có thể bị ảnh hưởng nếu phôi có bề mặt gương phản xạ mạnh hoặc môi trường làm việc có quá nhiều bụi mịn công nghiệp bám vào mắt thu phát.
• Cơ cấu xylanh đẩy tiếp xúc cơ học có thể gây xước nhẹ với các sản phẩm có yêu cầu bề mặt bóng cao cấp nếu không bọc cao su đầu ty xylanh.

Hướng phát triển nâng cao

• Tích hợp thêm Cảm biến thị giác (Machine Vision Sensor) hoặc Camera AI để kết hợp phân loại đồng thời cả chiều cao, mã vạch (Barcode/QR code) và nhận diện khuyết tật màu sắc.
• Bổ sung Biến tần Siemens SINAMICS V20 điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha qua mạng truyền thông RS485/Modbus RTU để điều chỉnh tốc độ băng tải linh hoạt theo từng ca sản xuất.
• Kết nối dữ liệu lên hệ thống Cloud IoT / Web Server tích hợp sẵn của S7-1200 để giám sát sản lượng từ xa qua điện thoại thông minh.

---

Đối tượng hưởng lợi

• Sinh viên ngành Tự động hóa & Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh từ sơ đồ mạch đấu nối, nguyên lý khí nén đến source code logic PLC S7-1200 và thiết kế giao diện HMI TP1500.
• Kỹ sư bảo trì & tích hợp hệ thống: Nắm bắt phương pháp chuyển đổi các dây chuyền cũ sang tự động hóa từng phần với chi phí thấp và độ tin cậy chuẩn công nghiệp.
• Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs): Giải pháp chìa khóa trao tay giúp tối ưu hóa dây chuyền đóng gói, giảm thiểu 80% chi phí nhân công kiểm tra thủ công.
• Nhà nghiên cứu: Nền tảng thực nghiệm để thử nghiệm các thuật toán điều khiển nâng cao, tích hợp OPC UA và đồng bộ hóa SCADA.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai hệ thống này là gì?

Cần trang bị nguồn cấp điện 1 pha 220VAC/50Hz, bộ đổi nguồn 24VDC 5A, nguồn cấp khí nén ổn định 4–6 bar (bình chứa tối thiểu 24L) và máy tính cài đặt phần mềm TIA Portal V14/V15 trở lên có cổng kết nối Ethernet/PROFINET.

2. Khi mất điện đột ngột, số lượng sản phẩm đã đếm có bị mất không?

Không. Chương trình đã cấu hình các biến đếm count_High, count_Mid, count_Low trong vùng nhớ lưu trữ Retentive Memory (Data Block) của PLC S7-1200, giúp bảo toàn toàn bộ dữ liệu sản lượng ngay cả khi mất nguồn điện.

3. Có thể mở rộng để phân loại thêm mức chiều cao thứ 4 hoặc thứ 5 không?

Hoàn toàn được. Nhờ CPU 1214C còn dư các cổng DI/DQ (14 DI / 10 DQ) và khả năng gắn thêm module tín hiệu SM 1221/1222, người dùng chỉ cần lắp thêm cảm biến quang ở cao độ tương ứng và bổ sung thêm 1 cặp nhánh lệnh logic trong chương trình PLC.

4. Cảm biến quang E3F-5DN1 có dễ bị kích nhầm bởi ánh sáng môi trường không?

Cảm biến E3F-5DN1 sử dụng chùm tia hồng ngoại được điều chế tần số riêng biệt giữa bộ phát và bộ thu, do đó có khả năng chống nhiễu ánh sáng ban ngày rất tốt. Người vận hành có thể xoay biến trở tinh chỉnh phía sau đuôi cảm biến để xác lập cự ly phát hiện chuẩn xác từ 3–50 cm.

5. Hướng dẫn khắc phục sự cố (Troubleshooting) khi xylanh không đẩy sản phẩm?

• Bước 1: Kiểm tra áp suất khí nén trên đồng hồ van điều áp TPC PR2 (đảm bảo ≥ 4 bar).
• Bước 2: Quan sát đèn LED chỉ thị trên cảm biến E3F-5DN1 khi có phôi đi qua (nếu đèn không sáng -> kiểm tra nguồn 24VDC hoặc chỉnh lại biến trở khoảng cách).
• Bước 3: Kiểm tra đèn LED ngõ ra DQ tương ứng trên mặt PLC S7-1200.
• Bước 4: Kiểm tra tiếp điểm cuộn hút relay trung gian 24VDC và cuộn coil của van điện từ 5/2.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC S7-1200" của sinh viên Trần Công Hùng đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra: từ thiết kế cơ khí vững chắc, tính toán lựa chọn thiết bị điện khí nén tối ưu, đến xây dựng chương trình điều khiển thông minh và giao diện SCADA/HMI chuyên nghiệp. Với độ chính xác thực nghiệm đạt 98.67% và khả năng hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp, mô hình là minh chứng rõ nét cho tính khả thi cao trong việc ứng dụng PLC Siemens vào tự động hóa các nhà máy sản xuất hiện đại. Đây là nền tảng vững chắc để tiếp tục mở rộng phát triển các hệ thống sản xuất tích hợp linh hoạt (FMS) và nhà máy thông minh (Smart Factory) trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO 1.1 Khái quát một số mô hình phân loại sản phẩm hiện nay Phân loại sản phẩm là một bài toán đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong thực tế hiện nay. Dùng sức người, công việc này đòi hỏi sự tập trung cao và có tính lặp lại, nên các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc. Chưa kể đến có những phân loại dựa trên các chi tiết kĩ thuật rất nhỏ mà mắt thường khó có thể nhận ra. Điều đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất.

Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời là một sự phát triển tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này. Tùy vào mức độ phức tạp trong yêu cầu phân loại, các hệ thống phân loại tự động có những quy mô lớn, nhỏ khác nhau. Tuy nhiên có một đặc điểm chung là chi phí cho các hệ thống này khá lớn, đặc biệt đối với điều kiện của Việt Nam. Vì vậy hiện nay đa số các hệ thống phân loại tự động đa phần mới chỉ được áp dụng trong các hệ thống có yêu cầu phân loại phức tạp, còn một lượng rất lớn các doanh nghiệp Việt Nam vẫn sử dụng trực tiếp sức lực con người để làm việc.

Bên cạnh các băng chuyền để vận chuyển sản phẩm thì một yêu cầu cao hơn được đặt ra đó là phải có hệ thống phân loại sản phẩm. Còn có rất nhiều dạng phân loại sản phẩm tùy theo yêu cầu của nhà sản xuất như: Phân loại sản phẩm theo kích thước, Phân loại sản phẩm theo màu sắc, Phân loại sản phẩm theo khối lượng, Phân loại sản phẩm theo mã vạch, Phân loại sản phẩm theo hình ảnh… vv. Vì có nhiều phương pháp phân loại khác nhau nên có nhiều thuật toán, hướng giải quyết khác nhau cho từng sản phẩm, đồng thời các thuật toán này có thể đan xen, hỗ trợ lẫn nhau. Ví dụ như muốn phân loại vải thì cần phân loại về kích thước, màu sắc.

Về nước uống đóng chai (như bia, nước ngọt…) cần phân loại theo chiều cao, khối 5 lượng… Sau đây em sẽ liệt kê ra một số mô hình phân loại sản phẩm, đồng thời sẽ chỉ ra cấu tạo, nguyên lí hoạt động và ứng dụng từng mô hình vào công nghiệp.1 Phân loại sản phẩm theo màu sắc Hình 1.1: Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc  Cấu tạo: - Một băng chuyền - Một động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền - Cảm biến nhận biết màu sắc - Hai xylanh piston để phân loại sản phẩm, xylanh còn lại dùng để đẩy sản phẩm ra băng chuyền - Bộ vi điều khiển dụng để xử lý tín hiệu và điều khiển động cơ - Các van đảo chiều - Các rơ le trung gian - Nút nhấn - Bộ phận giá đỡ.  Nguyên lý hoạt động 6 Khi nhấn nút Start, điện áp một chiều cấp vào động cơ điện một chiều hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai. Xylanh piston sẽ đẩy sản phẩm ra băng chuyền. Trên băng chuyền sẽ thiết kế những cảm biết nhận biết màu sắc khác nhau.

Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về bộ vi điều khiển xử lý và sau đó sẽ đưa tín hiệu về van đảo chiều tác động điều khiển piston đẩy từng sản phẩm có màu sắc khác nhau vào nơi chứ riêng biệt.  Ứng dụng Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc được ứng dụng nhiều trong dây chuyền sản xuất gạch, ngói, đá Grantite, trong các dây chuyền phân loại các sản phẩm nhựa…Hệ thống sẽ giúp nhà sản xuất tốn ít nhân công lao động và giảm thiểu thời gian làm việc, nâng cao năng suất lao động.2 Phân loại sản phẩm theo chiều cao Hình 1.2: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao 7  Cấu tạo: - Băng chuyền. - Động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền. - Ba cảm biến nhận biết chiều cao.

- Ba xylanh piston để phân loại sản phẩm. - Bộ PLC dùng để xử lý tín hiệu. - Ba van đảo chiều. - Các rơ le trung gian.

- Bộ phận giá đỡ - Nút nhấn.  Nguyên lý hoạt động Khi nhấn Start, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện một chiều hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền hoạt động. Trên băng chuyền này sẽ thiết kế những cảm biến nhận biết sản phẩm có chiều cao khác nhau. Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xử lý sau đó PLC đưa ra tín hiệu về van đảo chiều tác động điều khiển piston đẩy sản phẩm cao và trung bình vào khay chứa tương ứng, đồng thời trên bộ PLC những bộ counter được người lập trình, lập trình sẵn sẽ tự động đếm sản phẩm khi một trong các cảm biến đưa tín hiệu về PLC.

 Ứng dụng Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp: - Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất Gạch, ngói. - Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm như bánh kẹo, hoa quả. - Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất bia, nước giải khát… 8 1.3 Phân loại sản phẩm theo hình dạng Hình 1.3: Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng  Cấu tạo: - Một băng chuyền - Một động cơ điện một chiều để kéo băng chuyền - Hai cánh gạt sản phẩm để phân loại - Cảm biến thị giác Camera (Nhận dạng vật thể qua Camera) - Nút nhấn - Các rơ le trung gian - Bộ vi điều khiển dùng xử lý tín hiệu và điều khiển động cơ - Bộ phận giá đỡ  Nguyên lý hoạt động Khi nhấn nút Start, điện áp một chiều cấp vào động cơ điện một chiều hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua dây đai. Xylanh piston sẽ 9 đẩy sản phẩm ra băng chuyền.

Trên băng chuyền thiết kế các cảm biến thị giác Camera nhận dạng sản phẩm. Khi sản phẩm đi qua, cảm biến thị giác nhận biết và gửi tín hiệu về bộ vi điều khiển xử lý sau đó đưa tín hiệu điều khiển động cơ bước gạt từng sản phẩm có hình dạng khác nhau vào nơi chứa riêng biệt.  Ứng dụng - Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp như: kiểm tra, phân loại sản phẩm có hình dạng khác nhau như: Gạch, ngói, thực phẩm tiêu dùng…vv - Ứng dụng trong kiểm tra và phân loại nông sản. - Ứng dụng kết hợp với Robot thông minh.

 Như vậy ngoài ba loại hệ thống phân loại sản phẩm trên, chúng ta còn thấy có hệ thống phân loại theo đặc tính của sản phẩm như: Phân loại sản phẩm theo trọng lượng, kích thước… Hầu hết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng khá tương tự nhau, chỉ khác nhau ở bộ phận đẩy sản phẩm phân loại (có thể là xylanh piston hoặc động cơ bước) và bộ phận nhận dạng sản phẩm (có thể là các loại cảm biến như màu sắc, cảm biến quang thu phát, cảm biến phát hiện kim loại hay cảm biến camera phát hiện hình dạng vật thể). Mỗi loại hệ thống đều có những ưu nhược điểm khác nhau và được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp nên nhóm em quyết định làm về đề tài nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao.2 Khái quát mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao 1.1 Mục tiêu đặt ra của mô hình Mục tiêu đặt ra là thiết kế: Hệ thống phân loại theo chiều cao có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ lắp đặt, bảo trì, sửa chữa. 10 Để đạt được nhưng mục tiêu này chúng ta cần thiết kế một mô hình cơ khí, điều khiển được động cơ và hệ thống hoạt động tự động. Ngoài ra còn có các vấn đề khác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiết.

Các vấn đề được giải quyết đó là: - Vấn đề về cơ khí: Phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thống số kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ gọn, nhẹ bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa. - Vấn đề điều khiển: Điều khiển hoàn toàn tự động. - Vấn đề an toàn: Đảm bảo an toàn cho người sử dụng và sản phẩm không bị hỏng.2 Mô tả nguyên lý hoạt động của mô hình - Hệ thống phân loại sản phẩm sẽ phân loại sản phẩm theo 3 mức chiều cao: vật cao, vật cao trung bình, vật thấp. - Hệ thống gồm một băng tải để vận chuyển sản phẩm, trên băng tải có gắn 3 cảm biến tiệm cận đặt ở 3 vị trí khác nhau để xác định vật đi qua.

- Hệ thống sử dụng 3 xylanh để đẩy sản phẩm (vật cao, trung bình, thấp). Nếu là sản phẩm cao thì khi vật đi qua cảm biến tiệm cận 1 thì xylanh 1 sẽ đẩy sản phẩm cao xuống thùng 1. Nếu là sản phẩm trung bình thì khi vật đi qua cảm biến tiệm cận 2 thì xylanh 2 sẽ đẩy sản phẩm trung bình xuống thùng 2. Nếu là sản phẩm thấp thì khi vật đi qua cảm biến tiệm cận 3 thì xylanh 3 sẽ đẩy sản phẩm thấp xuống thùng.

- Số lượng của từng loại sản phẩm sẽ hiện lên màn hình HMI. - Có nút START để cho hệ thống hoạt động, nút STOP để dừng hệ thống, nút dừng khẩn cấp và nút RESET để reset các bộ đếm số lượng sản phẩm trên hệ thống. 11 Từ nguyên lý làm việc trên ta thấy muốn hệ thống hoạt động được cần những chuyển động cần thiết: - Chuyển động của băng chuyền, để truyền chuyển động quay trục của băng chuyền ta dùng động cơ điện một chiều và thông qua bộ nguồn 24V. - Chuyển động tịnh tiến của xylanh để phân loại sản phẩm có chiều cao vật khác nhau.

Chuyển động của xylanh được điều khiển bởi hệ thống khí nén. Chu trình làm việc của hệ thống: Khi nhấn Start, điện áp một chiều cấp cho động cơ điện một chiều hoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền hoạt động. Trên băng chuyền này sẽ thiết kế những cảm biến nhận biết sản phẩm có chiều cao khác nhau. Khi sản phẩm đi qua, cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về bộ PLC xử lý sau đó PLC đưa ra tín hiệu về van đảo chiều tác động điều khiển piston đẩy sản phẩm cao và trung bình và thấp vào khay chứa tương ứng, đồng thời trên bộ PLC những bộ counter được người lập trình, lập trình sẵn sẽ tự động đếm sản phẩm khi một trong các cảm biến đưa tín hiệu về PLC.