Giới thiệu dự án

Trong kỷ nguyên công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa đóng vai trò then chốt giúp tối ưu hóa chi phí sản xuất, giải phóng sức lao động con người và chuẩn hóa chất lượng sản phẩm. Tại các dây chuyền sản xuất hiện đại (chế biến thực phẩm, nông sản, linh kiện điện tử, dược phẩm), công đoạn định lượng và phân loại sản phẩm theo khối lượng là mắt xích kiểm soát chất lượng (QA/QC) bắt buộc. Theo thống kê công nghiệp, việc thực hiện phân loại thủ công chiếm tới 25-30% tổng thời gian đóng gói và tiềm ẩn tỷ lệ sai sót từ 5-8% do yếu tố mệt mỏi của người lao động.

Nhiều doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs) tại Việt Nam vẫn đối mặt với bài toán nan giải: phân loại thủ công cho năng suất thấp, trong khi các hệ thống phân loại định lượng tự động nhập khẩu từ châu Âu hay Nhật Bản có giá thành rất cao (thường dao động từ 15.000 USD đến hơn 40.000 USD), chi phí bảo trì đắt đỏ và cấu hình cứng nhắc khó tùy biến theo quy cách sản phẩm nội địa.

Đồ án tốt nghiệp "Chế tạo và điều khiển mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng" (Thực hiện bởi nhóm sinh viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, chuyên ngành Cơ điện tử / Cơ khí Chế tạo máy, dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Quang Huy) được nghiên cứu nhằm làm chủ công nghệ thiết kế cơ - điện tử, chế tạo một hệ thống phân loại tự động nhỏ gọn, tin cậy, chính xác với chi phí tối ưu.

+------------------+      +-------------------+      +---------------------+
| Bàn cấp phôi &   | ---> | Bàn cân tĩnh      | ---> | Cụm tay gắp xoay    |
| Piston đẩy (S1)  |      | Loadcell + Op-Amp |      | Chân không (A-B-C)  |
+------------------+      +-------------------+      +---------------------+
                                                                |
                                                                v
+------------------+      +-------------------+      +---------------------+
| Phân loại máng B | <--- | Băng chuyền tải   | <--- | Đặt phôi lên        |
| Piston E (CB2)   |      | Động cơ 5W (CB3)  |      | băng chuyền tải     |
+------------------+      +-------------------+      +---------------------+
        |
        v
+------------------+
| Phân loại máng A |
| Piston D (CB1)   |
+------------------+

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể

  1. Thiết kế và gia công hệ thống cơ khí chính xác: Bao gồm khung đỡ, hệ thống băng tải đơn tốc độ ổn định $v = 0.05\text{ m/s}$, bàn cân tích hợp cảm biến lực Loadcell và cụm tay gắp phân phối phôi sử dụng giác hút chân không kết hợp cơ cấu xoay khí nén.
  2. Thiết kế mạch điều hòa và thu thập tín hiệu đo lường: Xây dựng mạch khuếch đại vi sai sử dụng khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier - Op-Amp) với hệ số suy giảm tín hiệu đồng pha (CMRR) cao, kết hợp bộ biến đổi tương tự - số (Analog-to-Digital Converter - ADC) truyền về bộ điều khiển.
  3. Xây dựng chương trình điều khiển thời gian thực: Lập trình điều khiển logic trên PLC Siemens S7-1200 (kết hợp nền tảng Step 7 MicroWIN / TIA Portal), xử lý thuật toán phân loại và định lượng dải sản phẩm $0.3\text{ kg} - 0.6\text{ kg}$.
  4. Tích hợp giao diện giám sát: Thiết kế giao diện SCADA / HMI trên máy tính qua phần mềm WinCC để giám sát thông số cân, trạng thái cơ cấu chấp hành và số lượng sản phẩm theo thời gian thực.

Phạm vi và giới hạn đề tài

  • Đối tượng phân loại: Sản phẩm dạng khối cứng, khối lượng định mức từ $0.3\text{ kg}$ đến $0.6\text{ kg}$ (dung sai kiểm định $\pm 10%$).
  • Năng suất mục tiêu: Đạt xấp xỉ 6 sản phẩm/phút ở chế độ cân tĩnh phân đoạn để đảm bảo độ chính xác cơ học và ổn định của cảm biến.
  • Phạm vi triển khai: Mô hình thực nghiệm cấp phòng lab / xưởng sản xuất quy mô vừa và nhỏ.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí so sánh Phương pháp thủ công Hệ thống quang học / Vision AI Hệ thống phân loại nhiều băng tải Giải pháp đề xuất (Loadcell + Băng tải đơn)
Độ chính xác Thấp (sai lệch 5-10%) Cao (theo kích thước, màu sắc) Rất cao (khối lượng) Cao ($\ge 96.5%$ khối lượng)
Tốc độ xử lý 2 - 4 sản phẩm/phút 30 - 60 sản phẩm/phút 15 - 25 sản phẩm/phút 6 - 10 sản phẩm/phút (mô hình)
Chi phí đầu tư Thấp (nhân công định kỳ cao) Rất cao (> 10.000 USD) Cao (> 5.000 USD) Rất thấp (< 800 USD)
Độ phức tạp cơ khí Không có Trung bình Rất phức tạp (nhiều motor, biến tần) Tối ưu (1 motor, 5 xylanh khí)
Độ bền công nghiệp Phụ thuộc con người Khó căn chỉnh trong bụi bẩn Cần bảo trì bảo dưỡng liên tục Bền vững, chuẩn công nghiệp PLC

Ma trận ưu tiên yêu cầu kỹ thuật (MoSCoW)

  • Must have (Bắt buộc): Đo chính xác khối lượng phôi bằng Loadcell; truyền tín hiệu ADC về PLC; tự động kích hoạt xy lanh phân loại theo 2 ngưỡng khối lượng ($A$ và $B$); dừng băng tải khi phân loại.
  • Should have (Nên có): Cụm gắp sản phẩm tự động bằng giác hút chân không xoay góc $90^\circ$; giao diện giám sát WinCC.
  • Could have (Có thể mở rộng): Lọc số khử rung động cơ khí trên phần mềm PLC; lưu trữ lịch sử cân vào cơ sở dữ liệu.
  • Won't have (Chưa thực hiện ở giai đoạn này): Cân động liên tục tốc độ cao (Dynamic checkweigher trên băng chuyền chuyển động).

Thiết kế hệ thống

Hệ thống được tổ chức theo cấu trúc điều khiển phân tầng công nghiệp:

+-------------------------------------------------------------+
|                      TẦNG GIÁM SÁT (SCADA)                  |
|          Siemens WinCC V7.3 / PC Runtime Interface          |
|      (Giám sát thời gian thực, lưu trữ dữ liệu, cảnh báo)    |
+-------------------------------------------------------------+
                               | Ethernet / Industrial PPI
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|                     TẦNG ĐIỀU KHIỂN (PLC)                   |
|       Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC / S7-200           |
|  - Xử lý ngắt tín hiệu I/O        - Khối thuật toán OB1     |
|  - Đọc kênh Analog AI (ADC)       - Timer / Counter quản lý |
+-------------------------------------------------------------+
          |                                        |
    Tín hiệu Analog                          Tín hiệu Digital (24VDC)
          |                                        |
          v                                        v
+-----------------------+              +-----------------------+
|  TẦNG ĐO LƯỜNG        |              |  TẦNG CHẤP HÀNH       |
| - Loadcell 4 nhánh    |              | - Động cơ băng tải 5W |
|   Strain Gauge        |              | - Van Solenoid 5/2    |
| - Mạch Op-Amp vi sai  |              | - 3 Xylanh khí đẩy    |
| - Cảm biến quang CB1-3|              | - Cụm tay hút chân    |
| - Công tắc hành trình |              |   không Festo         |
+-----------------------+              +-----------------------+

Bảng thông số công nghệ (Technology Stack)

Thành phần Thiết bị / Nền tảng Thông số kỹ thuật chi tiết
Bộ điều khiển trung tâm Siemens S7-1200 / S7-200 CPU 1214C, 14 DI (24VDC), 10 DO (Transistor), 2 AI (0-10V), bộ nhớ 100KB Work Memory
Môi trường lập trình TIA Portal V13 SP1 / Step 7 MicroWIN V4.0 SP9 Ngôn ngữ Ladder Diagram (LAD), chu kỳ quét trung bình 2-5ms
Cảm biến khối lượng Loadcell dạng thanh uốn (Strain Gauge) Cầu Wheatstone 4 điện trở dán, dải đo 0-5kg, độ nhạy $2.0\text{ mV/V}$, điện áp kích thích 5-12VDC
Khâu tiền xử lý tín hiệu Mạch khuếch đại thuật toán vi sai Op-Amp LM324 / INA128, hệ số khuếch đại $A_v \approx 500 - 1000$, dải xuất $0 - 10\text{VDC}$
Khâu chấp hành cơ khí Động cơ giảm tốc AC 1 pha + Tang dẫn Công suất danh định $P = 5\text{W}$, tốc độ $n = 25\text{ rpm}$, đường kính tang $D = 40\text{ mm}$
Hệ thống khí nén Khí nén tiêu chuẩn công nghiệp Áp suất vận hành $4 - 6\text{ bar}$, van điện từ Solenoid 5/2 (24VDC), 3 xylanh đẩy, 1 giác hút chân không
Phần mềm SCADA/HMI Siemens WinCC V7.3 Giao tiếp qua giao thức S7 Protocol / Industrial Ethernet

Methodology

Đồ án áp dụng mô hình phát triển hệ thống cơ điện tử chữ V (V-Model) kết hợp kiểm thử phân đoạn trong thời gian 15 tuần:

Tuần 1-3: Khảo sát, lập yêu cầu, tính toán động lực học cơ khí
  └── Tuần 4-6: Thiết kế CAD/CAM chi tiết, tính chọn trục, ổ bi, động cơ
        └── Tuần 7-9: Thiết kế mạch Op-Amp vi sai, lựa chọn Loadcell, đấu nối I/O PLC
              └── Tuần 10-12: Gia công cơ khí, lắp ráp băng tải, lập trình khối OB1 trên TIA Portal
                    └── Tuần 13-14: Tích hợp hệ thống, hiệu chuẩn cảm biến và chạy thử nghiệm
                          └── Tuần 15: Đánh giá sai số, hoàn thiện tài liệu đồ án

Ma trận quản lý rủi ro kỹ thuật

Rủi ro kỹ thuật Mức độ Biện pháp giảm thiểu
Nhiễu tín hiệu tương tự từ Loadcell Cao Sử dụng cáp bọc kim chống nhiễu (Shielded Cable), thiết kế mạch vi sai triệt tiêu điện áp đồng pha, bổ sung bộ lọc số trung bình động (Moving Average) trên PLC.
Lệch tâm giữa trục động cơ và tang băng tải Trung bình Bố trí khớp nối mềm chữ thập (Oldham coupling) cho phép bù sai lệch góc và lệch trục mà vẫn giữ nguyên tỷ số truyền.
Kẹt phôi tại khâu phân loại Trung bình Tích hợp cảm biến quang kiểm tra vị trí phôi trước khi kích hoạt hành trình đẩy của xy lanh khí nén; cài đặt Time-out bảo vệ.

Implementation và kết quả

Quá trình tính toán và phát triển cơ khí

1. Tính toán chọn động cơ dẫn động băng tải

Khối lượng tải tối đa trên băng chuyền tại một thời điểm (4 sản phẩm cùng lúc, mỗi sản phẩm tối đa $0.66\text{ kg}$): $$m_{max} = 4 \times 0.66\text{ kg} = 2.64\text{ kg} \approx 3.0\text{ kg}$$

Vận tốc dài băng tải: $v = 0.05\text{ m/s}$. Đường kính tang dẫn động: $D = 40\text{ mm} = 0.04\text{ m}$. Công suất kéo hữu ích trên băng tải: $$N = F_k \cdot v = (m_{max} \cdot g) \cdot v = (3.0 \times 9.81) \times 0.05 \approx 1.47\text{ W} \approx 1.5\text{ W}$$

Hiệu suất chung của hệ thống truyền động: $$\eta = \eta_1 \cdot \eta_2 = 0.97 \times 0.995 \approx 0.965$$ Trong đó $\eta_1 = 0.97$ là hiệu suất bộ truyền bánh răng giảm tốc, $\eta_2 = 0.995$ là hiệu suất cặp ổ bi đỡ trục.

Công suất cần thiết của động cơ: $$N_{ct} = \frac{N}{\eta} = \frac{1.5}{0.965} \approx 1.55\text{ W}$$

Quyết định chọn: Động cơ giảm tốc có công suất danh định $P_{dm} = 5\text{W}$, hiệu suất $\eta_{dc} = 0.8 \rightarrow$ Công suất thực tế $P_{thuc} = 4\text{W} > 1.55\text{W}$ (đảm bảo hệ số an toàn $k > 2.5$). Tốc độ quay trục ra động cơ $n_{dc} = 25\text{ rpm}$.

Tốc độ quay yêu cầu của tang băng tải: $$n_{tang} = \frac{60 \cdot v}{\pi \cdot D} = \frac{60 \times 0.05}{\pi \times 0.04} \approx 23.87\text{ rpm} \approx 24\text{ rpm}$$ Tỷ số truyền khớp nối: $i = \frac{25}{24} = 1.04$.

2. Tính toán sức bền trục tang và lựa chọn ổ bi

Mô-men xoắn truyền trên trục tang: $$T = 9.55 \times 10^6 \times \frac{P_{thuc}}{n_{tang}} = 9.55 \times 10^6 \times \frac{0.00398\text{ kW}}{24\text{ rpm}} \approx 1583\text{ N}\cdot\text{mm}$$

Đường kính sơ bộ trục chịu xoắn thuần túy với ứng suất cho phép $[\tau] = 15 - 20\text{ MPa}$: $$d \ge \sqrt[3]{\frac{T}{0.2 \cdot [\tau]}} = \sqrt[3]{\frac{1583}{0.2 \times 20}} = \sqrt[3]{395.75} \approx 7.34\text{ mm}$$

Để đảm bảo độ cứng vững khi chịu lực căng đai ($F = 30\text{ N}$, khoảng cách gối đỡ $L = 1000\text{ mm}$) và thuận tiện tiện ren/khớp nối, nhóm chọn đường kính trục tiêu chuẩn $d = 15\text{ mm}$. Ổ lăn đỡ chặn được chọn tương ứng có kích thước: đường kính trong $d = 15\text{ mm}$, đường kính ngoài $D = 42\text{ mm}$, kiểu lắp ghép tiêu chuẩn $H7/js6$ trên gối đỡ và $h6$ trên trục.

Lực căng đai F = 30N (tại giữa nhịp a = 500mm, b = 1000mm)
     |
     v
[A]-------------------[F]-------------------[B]  (L = 1000mm)
 ^                                           ^
RAy = 15N                                   RBy = 15N

Biểu đồ mô-men uốn M_x:
      0 ------------------/\------------------ 0
                       M_max = 7500 N.mm

Mạch khuếch đại tín hiệu Loadcell và chuyển đổi ADC

Loadcell gồm 4 điện trở lá kim loại mỏng ($R_1, R_2, R_3, R_4 = 350\Omega$) dán trên thanh kim loại đàn hồi tạo thành mạch cầu Wheatstone cân bằng. Khi có lực $P$ tác động:

  • Hai nhánh chịu kéo dãn: $R + \Delta R$
  • Hai nhánh chịu nén ép: $R - \Delta R$

Điện áp vi sai ngõ ra của cầu Wheatstone: $$\Delta U = U_{in} \cdot \left( \frac{\Delta R}{R} \right)$$

Do $\Delta U$ có biên độ cực nhỏ ($\approx 0 - 15\text{ mV}$), tín hiệu được đưa qua mạch khuếch đại vi sai sử dụng 3 bộ khuếch đại thuật toán:

IN+ (U2) ----[ + ]\
             |   |-----(+)----+
        +----[ - ]/           |
        |                     [ R2 ]
      [ R1 ]                  |
        |             +-------+------[ R3 ]----+
        +----[ - ]\   |                        |
             |   |----+                        \---[ - ]\
IN- (U1) ----[ + ]/   |                                 |---- V_out (0-10V)
                      [ R2 ]                   /---[ + ]/
                      |                        |    |
                     GND              GND ----[ R4 ]+

Công thức điện áp ngõ ra của bộ khuếch đại: $$V_{out} = \frac{R_3}{R_2} \cdot \left( 1 + \frac{2 R_2}{R_1} \right) \cdot (U_2 - U_1)$$

Bằng cách điều chỉnh biến trở $R_1$, hệ số khuếch đại được căn chỉnh để chuyển đổi dải khối lượng $0 - 1.0\text{ kg}$ tương ứng với dải điện áp $0 - 10\text{VDC}$, hoàn toàn tương thích với ngõ vào Analog AI0 của PLC S7-1200.

Cấu trúc chương trình PLC và mã thuật toán

Bảng phân bổ địa chỉ vào/ra (I/O Mapping) của hệ thống:

Địa chỉ PLC Loại tín hiệu Tên thiết bị Chức năng kỹ thuật
I0.0 Digital Input Start Button Nút khởi động chu trình hệ thống
I0.1 Digital Input Stop Button Nút dừng khẩn cấp hệ thống
I0.2 Digital Input Limit Switch S1 Cảm biến công tắc hành trình tại bàn cấp phôi
I0.3 Digital Input Optical Sensor CB3 Cảm biến quang phát hiện phôi vào đầu băng tải
I0.4 Digital Input Optical Sensor CB1 Cảm biến quang tại vị trí phân loại sản phẩm loại A
I0.5 Digital Input Optical Sensor CB2 Cảm biến quang tại vị trí phân loại sản phẩm loại B
AIW0 / IW64 Analog Input Loadcell Output Tín hiệu điện áp analog tương ứng khối lượng
Q0.0 Digital Output Conveyor Motor Rơ-le đóng cắt động cơ kéo băng tải
Q0.1 Digital Output Cylinder A Solenoid Xylanh đẩy phôi lên bàn cân Loadcell
Q0.2 Digital Output Cylinder B (Rotate) Xylanh xoay $90^\circ$ đưa tay hút sang băng tải
Q0.3 Digital Output Cylinder C (Lift) Xylanh nâng hạ giác hút chân không
Q0.4 Digital Output Vacuum Ejector Van cấp khí tạo áp suất âm giác hút
Q0.5 Digital Output Cylinder D Solenoid Xylanh gạt sản phẩm loại A vào máng A
Q0.6 Digital Output Cylinder E Solenoid Xylanh gạt sản phẩm loại B vào máng B 
// Thuật toán Structured Control Language (SCL) trên PLC Siemens S7-1200
// Khối hàm FC10: Đọc và Xử lý Lọc tín hiệu Cân định lượng

FUNCTION "FC_Process_Weight" : VOID
VAR_INPUT
    Raw_Analog_Input : INT;       // Giá trị thô từ kênh IW64 (0 - 27648)
    Scale_Factor     : REAL;      // Hệ số chuyển đổi sang Gram (vd: 0.03617)
    Offset_Zero      : REAL;      // Giá trị cân bằng 0 (Tare offset)
END_VAR
VAR_OUTPUT
    Current_Weight   : REAL;      // Khối lượng thực tế tính bằng Gram
    Product_Type     : INT;       // 1: Loại A (300g-450g), 2: Loại B (451g-600g), 0: Lỗi/Không xác định
END_VAR
VAR_STATIC
    Filtered_Val     : REAL := 0.0;
    Alpha            : REAL := 0.2; // Hệ số lọc số thông thấp (Low-pass Filter)
END_VAR

BEGIN
    // 1. Bộ lọc số thông thấp khử rung chấn cơ học trên bàn cân
    Filtered_Val := (Alpha * INT_TO_REAL(Raw_Analog_Input)) + ((1.0 - Alpha) * Filtered_Val);
    
    // 2. Chuyển đổi tuyến tính sang đơn vị vật lý (Grams)
    Current_Weight := (Filtered_Val * Scale_Factor) - Offset_Zero;
    
    // 3. Phân ngưỡng phân loại sản phẩm
    IF (Current_Weight >= 270.0) AND (Current_Weight <= 450.0) THEN
        Product_Type := 1; // Sản phẩm Loại A
    ELSIF (Current_Weight > 450.0) AND (Current_Weight <= 660.0) THEN
        Product_Type := 2; // Sản phẩm Loại B
    ELSE
        Product_Type := 0; // Ngoài dải tiêu chuẩn (Phế phẩm hoặc không có tải)
    END_IF;
END_FUNCTION

Kiểm thử và đánh giá kết quả thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh được vận hành thử nghiệm liên tục trong 120 phút với tập mẫu gồm 60 sản phẩm có khối lượng phân bố từ $300\text{g}$ đến $600\text{g}$.

Tập mẫu thử nghiệm: 60 sản phẩm (30 mẫu Loại A: 300-450g, 30 mẫu Loại B: 451-600g)
Tỷ lệ phân loại chính xác: 96.67% (58/60 mẫu đạt chuẩn)
Thời gian đáp ứng trung bình mỗi chu trình: 9.8 giây/sản phẩm

Dữ liệu thực nghiệm phân loại sản phẩm

Nhóm mẫu thử nghiệm Dải khối lượng chuẩn Số lượng thử nghiệm Phân loại đúng Phân loại sai Độ chính xác Ghi chú nguyên nhân sai lệch
Nhóm A (Nhẹ) $300\text{g} - 450\text{g}$ 30 29 1 96.67% Mẫu 448g bị nhiễu quán tính cơ học khi đặt lệch tâm bàn cân.
Nhóm B (Nặng) $451\text{g} - 600\text{g}$ 30 29 1 96.67% Mẫu 452g nằm sát biên phân ngưỡng, độ trễ chuyển mạch cảm biến quang.
Tổng cộng $300\text{g} - 600\text{g}$ 60 58 2 96.67% Năng suất đạt 6.12 sản phẩm/phút

Đổi mới và đóng góp

  1. Cơ cấu tay gắp xoay tích hợp giác hút chân không đa trục: Thay vì sử dụng cơ cấu đẩy trượt cơ học dễ làm móp méo sản phẩm mềm, hệ thống tích hợp cụm gắp xoay $90^\circ$ điều khiển bằng 3 xylanh khí nén kết hợp giác hút chân không (Vacuum Suction Cup). Giải pháp này giúp phôi chuyển dịch êm từ bàn cân sang băng chuyền mà không làm thay đổi trọng tâm phôi.
  2. Mạch khuếch đại vi sai chuyên dụng khử nhiễu đồng pha: Triệt tiêu hiện tượng sụt áp và trôi điểm không (Zero Drift) thường gặp trên Loadcell giá rẻ bằng mạch khuếch đại thuật toán vi sai đối xứng cao ($CMRR > 85\text{ dB}$), giúp độ chính xác của tín hiệu vào PLC đạt độ phân giải thực tế xấp xỉ 10-bit mà không cần mua thêm module chuyển đổi chuyên dụng đắt tiền.
  3. Thuật toán điều khiển linh hoạt: Kiến trúc chương trình phân tách rõ ràng giữa khối xử lý chu trình máy (State Machine logic trong OB1) và khối hàm chức năng (FC) xử lý lọc tín hiệu analog, cho phép thay đổi dải ngưỡng phân loại trên giao diện WinCC mà không cần can thiệp nạp lại mã nguồn PLC.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng trong sản xuất

  • Phân loại nông sản đóng gói: Ứng dụng trong các vựa xuất khẩu xoài, bưởi, thanh long đóng hộp để phân loại hàng loại 1, loại 2 theo trọng lượng trước khi dán nhãn tem truy xuất.
  • Dây chuyền sản xuất linh kiện đúc / dập kim loại: Tự động phát hiện chi tiết bị thiếu hụt nguyên liệu (bọt khí, khuyết tật đúc) thông qua khối lượng tổng thể của sản phẩm so với mẫu tiêu chuẩn.
+---------------------------------------------------------------+
|             THÔNG SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI HỆ THỐNG             |
+---------------------------------------------------------------+
| 1. Nguồn cấp điện      : 220VAC / 50Hz, 1 pha, công suất <150W|
| 2. Nguồn cấp khí nén   : Áp suất 4.0 - 6.0 bar, lưu lượng 40L/m|
| 3. Kích thước tổng thể : 1200mm (Dài) x 600mm (Rộng) x 800mm  |
| 4. Khối lượng toàn máy : ~28 kg                               |
| 5. Môi trường làm việc : 0 - 50°C, độ ẩm < 85% không đọng nước|
+---------------------------------------------------------------+

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

Hạng mục chi phí Phương án thủ công (1 năm) Hệ thống tự động đề xuất
Chi phí nhân công 72.000.000 VNĐ (1 công nhân $\times$ 6 tr/tháng) 0 VNĐ
Chi phí đầu tư thiết bị 2.000.000 VNĐ (Cân bàn điện tử đơn giản) 16.500.000 VNĐ (Vật tư, PLC, cơ khí, van khí)
Chi phí bảo trì / điện năng 500.000 VNĐ/năm 1.800.000 VNĐ/năm
Tỷ lệ thất thoát do sai lỗi ~12.000.000 VNĐ/năm (lỗi thừa/thiếu khối lượng) < 1.000.000 VNĐ/năm
Tổng chi phí năm đầu 84.500.000 VNĐ 19.300.000 VNĐ

$$\text{Thời gian hoàn vốn (Payback Period)} = \frac{16.500.000}{84.500.000 - 19.300.000} \times 12 \text{ tháng} \approx 3.03 \text{ tháng}$$

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Cơ cấu cân tĩnh (Static Weighing): Sản phẩm phải dừng lại trên bàn cân trong khoảng thời gian $\approx 1.2\text{s}$ để triệt tiêu dao động cơ học, làm giới hạn năng suất tổng thể ở mức 6-8 sản phẩm/phút.
  • Rung động ngoại vi: Mô hình chưa có cụm giảm chấn độc lập giữa khung máy băng tải và bàn đặt Loadcell, dẫn đến việc động cơ băng tải khởi động có thể gây nhiễu gợn sóng nhỏ lên tín hiệu đo.

Hướng phát triển đề xuất

  1. Nâng cấp sang công nghệ Cân động liên tục (Dynamic Checkweigher): Tích hợp loadcell trực tiếp dưới mặt băng tải cân riêng biệt, ứng dụng bộ lọc Kalman (Kalman Filter) trên vi xử lý ARM/DSP tốc độ cao để tính toán khối lượng chính xác ngay khi sản phẩm đang lướt qua với vận tốc $0.3 - 0.5\text{ m/s}$, nâng năng suất lên 30-45 sản phẩm/phút.
  2. Tích hợp Computer Vision: Bổ sung Camera công nghiệp để nhận dạng đồng thời khuyết tật bề mặt, màu sắc kết hợp với khối lượng, phục vụ bài toán phân loại đa tiêu chí.
  3. Kết nối Công nghiệp 4.0 (Industrial IoT): Nâng cấp CPU PLC hỗ trợ giao thức OPC-UA hoặc MQTT để đẩy dữ liệu sản lượng lên nền tảng Cloud Dashboard (AWS IoT / ThingsBoard), phục vụ quản trị bảo trì dự đoán (Predictive Maintenance).

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa, Cơ khí Chế tạo máy: Cung cấp tài liệu hoàn chỉnh về quy trình thiết kế cơ điện tử liên ngành từ tính toán động lực học, chọn động cơ, tính trục, đến thiết kế mạch khuếch đại đo lường và lập trình PLC thực tế.
  • Kỹ sư và lập trình viên điều khiển tự động: Tham khảo kiến trúc phối hợp giữa rơ-le, van khí nén solenoid, giác hút chân không và kỹ thuật xử lý tín hiệu analog đầu vào trên PLC S7-1200.
  • Doanh nghiệp sản xuất vừa và nhỏ (SMEs): Bản thiết kế có tính ứng dụng cao, dễ dàng nội địa hóa với chi phí chỉ bằng 15-20% so với dây chuyền ngoại nhập, rút ngắn thời gian thu hồi vốn xuống dưới 4 tháng.
  • Nhà nghiên cứu học thuật: Nền tảng mở để thử nghiệm các giải pháp điều khiển nâng cao như điều khiển mờ (Fuzzy Logic), lọc nhiễu thích nghi cho các hệ thống định lượng động.

Câu hỏi thường gặp

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

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới 1 pha 220V/50Hz (tiêu thụ điện dưới 150W) và một máy nén khí mini cung cấp áp suất từ 4 đến 6 bar. Không gian lắp đặt tối thiểu là $1.5\text{ m} \times 1.0\text{ m}$, sàn phẳng không bị rung chấn mạnh từ các máy dập công nghiệp lân cận.

2. Làm thế nào để mở rộng hệ thống lên 4 hoặc 5 mức phân loại khối lượng khác nhau?

Để mở rộng mức phân loại, chỉ cần:

  • Lắp thêm các cụm cảm biến quang và xy lanh gạt phôi dọc theo chiều dài băng chuyền tương ứng với số mức cần phân loại.
  • Bổ sung các ngõ ra Digital Output trên PLC (hoặc gắn thêm module mở rộng Signal Board / Signal Module SM 1222).
  • Khai báo thêm các khối so sánh ngưỡng (CMP >I, CMP <=I) trong chương trình PLC trên TIA Portal.

3. Tại sao không đưa trực tiếp tín hiệu Loadcell vào PLC mà phải qua mạch khuếch đại vi sai?

Tín hiệu ngõ ra của cảm biến Loadcell dạng cầu Wheatstone có biên độ điện áp cực nhỏ, chỉ từ $0\text{ mV}$ đến vài chục $\text{mV}$ (tỷ lệ $2\text{ mV/V}$). Trong khi đó, module Analog tiêu chuẩn của PLC chỉ nhận dải tín hiệu công nghiệp chuẩn $0 - 10\text{V}$ hoặc $4 - 20\text{mA}$. Mạch Op-Amp vi sai vừa đóng vai trò khuếch đại biên độ lên hàng trăm lần, vừa loại bỏ thành phần điện áp nhiễu đồng pha (Common Mode Noise) từ môi trường.

4. Chi phí bảo dưỡng định kỳ hệ thống bao gồm những gì?

Chi phí bảo dưỡng định kỳ rất thấp, chủ yếu bao gồm: kiểm tra độ căng của mặt đai băng tải cao su, bôi trơn ổ bi đỡ trục sau mỗi 6 tháng vận hành, vệ sinh bụi bẩn bám trên đầu thu/phát của cảm biến quang và thay thế đệm giác hút cao su chân không khi bị mòn rách (chi phí dưới 50.000 VNĐ/cái).

5. Hệ thống có khả năng tích hợp vào dây chuyền sản xuất có sẵn không?

Hoàn toàn khả thi. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens chuẩn công nghiệp, dễ dàng giao tiếp với các máy đóng gói, máy dán nhãn phía trước và phía sau thông qua các tiếp điểm khô (Dry Contact I/O) hoặc truyền thông mạng công nghiệp Profinet / Modbus TCP/IP.

Kết luận

Đề tài "Chế tạo và điều khiển mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng" đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp liên ngành giữa Cơ khí chính xác, Điện tử đo lường và Tự động hóa điều khiển logic. Nhóm nghiên cứu đã tính toán, thiết kế và chế tạo thành công một hệ thống hoàn chỉnh với độ chính xác phân loại đạt 96.67%, năng suất ổn định trên 6 sản phẩm/phút, chứng minh tính khả thi vượt trội về mặt kỹ thuật và giá trị kinh tế cho các doanh nghiệp đóng gói quy mô vừa và nhỏ.

Mô hình là tài liệu tham khảo và học cụ thực hành giá trị cho sinh viên, kỹ sư chuyên ngành Cơ điện tử và Tự động hóa trong việc làm chủ quy trình thiết kế máy tự động từ khâu ý tưởng đến sản phẩm thực nghiệm.