Mô Hình Phân Loại Sản Phẩm Theo Màu Sắc Và Khối Lượng

Đồ Án HCMUTE: Mô Hình Phân Loại Sản Phẩm Theo Màu Sắc và Khối Lượng

• Tác giả: Nguyễn Sỹ Phú
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Thu Hà
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Mô Hình Phân Loại Sản Phẩm Theo Màu Sắc Và Khối Lượng
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
• 1.1.1. Hoạt động phân loại thủ công
• 1.1.2. Hoạt động phân loại tự động
• 1.2. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
• 1.2.1. Màn hình HMI
• 1.2.2. Cảm biến màu
• 1.2.3. Cảm biến phát hiện sản phẩm
• 1.2.4. Van điện từ khí nén
• 1.2.5. Xi lanh khí nén
• 1.3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 1.3.1. BÀI TOÁN THIẾT KẾ
• 1.3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 1.3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 1.3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch
• 1.3.2.3. Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1.1. Thi công khối xử lý màu sắc
• 4.1.2. Thi công khối khuếch đại loadcell
• 4.1.3. Thi công bộ xử lý trung tâm PLC
• 4.2. THI CÔNG MÔ HÌNH HOÀN CHỈNH
• 4.3. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
• 4.3.1. Phần mềm lập trình cho Arduino
• 4.3.2. Phần mềm tích hợp TIA PORTAL
• 4.4. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
• 5. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ
• 5.1. KIẾN THỨC THU ĐƯỢC
• 5.2. SẢN PHẨM KHI HOÀN THÀNH
• 5.3. KẾT QUẢ CHẠY HỆ THỐNG
• 5.3.1. Theo dõi hệ thống trên HMI
• 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI
• 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan

Đề tài 'Mô Hình Phân Loại Sản Phẩm Theo Màu Sắc và Khối Lượng' được thực hiện nhằm nâng cao hiệu quả trong quy trình sản xuất thông qua việc tự động hóa. Việc phân loại sản phẩm dựa trên màu sắc và khối lượng không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu sai sót do con người. Hệ thống này sử dụng các cảm biến hiện đại như cảm biến màu sắc TCS 3200 và Loadcell để xác định chính xác các thuộc tính của sản phẩm. Qua đó, hệ thống có thể phân loại sản phẩm một cách tự động, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Việc áp dụng công nghệ machine learning trong phân loại sản phẩm cũng được đề cập, mở ra hướng đi mới cho việc tối ưu hóa quy trình sản xuất.

1.1 Mục Tiêu Nghiên Cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là thiết kế và thi công một mô hình phân loại sản phẩm dựa trên màu sắc và khối lượng. Đề tài tập trung vào việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các thiết bị như Loadcell, cảm biến màu sắc, và hệ thống điều khiển PLC. Qua đó, nhóm nghiên cứu mong muốn tạo ra một hệ thống có khả năng phân loại sản phẩm một cách chính xác và hiệu quả, từ đó góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm trong ngành sản xuất.

1.2 Giới Hạn Nghiên Cứu

Đề tài chỉ giới hạn trong việc phân loại sản phẩm có khối lượng từ 1kg trở xuống và kích thước nhỏ hơn 4cm x 4cm x 4cm. Hệ thống chỉ có khả năng phân loại hai màu sắc cơ bản là đỏ và xanh. Điều này cho thấy rằng mặc dù mô hình có tính khả thi, nhưng vẫn cần nhiều cải tiến để có thể áp dụng rộng rãi trong thực tế. Việc phân loại theo khối lượng cũng chưa đạt hiệu quả tối ưu, điều này cần được khắc phục trong các nghiên cứu tiếp theo.

II. Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản liên quan đến hệ thống phân loại sản phẩm. Phân loại sản phẩm có thể thực hiện theo hai phương pháp: thủ công và tự động. Phương pháp thủ công thường gặp nhiều sai sót do phụ thuộc vào con người, trong khi phương pháp tự động sử dụng các cảm biến và thiết bị điều khiển để thực hiện phân loại một cách chính xác hơn. Hệ thống sử dụng HMI (Giao diện người-máy) để người điều hành có thể theo dõi và điều chỉnh quy trình phân loại. Việc áp dụng công nghệ khoa học dữ liệu trong việc phân tích và tối ưu hóa quy trình cũng được nhấn mạnh.

2.1 Hoạt Động Phân Loại Tự Động

Hệ thống phân loại tự động sử dụng băng chuyền để vận chuyển sản phẩm. Các cảm biến màu sắc và Loadcell được lắp đặt bên cạnh băng chuyền để xác định thuộc tính của sản phẩm. Khi sản phẩm đi qua, cảm biến sẽ nhận diện màu sắc và khối lượng, từ đó gửi tín hiệu đến bộ điều khiển PLC để thực hiện phân loại. Sản phẩm không đạt tiêu chuẩn sẽ được đẩy vào thùng riêng, trong khi sản phẩm đạt tiêu chuẩn sẽ được chuyển đến khu vực lưu trữ. Hệ thống này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao độ chính xác trong quy trình sản xuất.

2.2 Giới Thiệu Về PLC

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình được, cho phép thực hiện các giải pháp điều khiển logic một cách linh hoạt. Hệ thống PLC có nhiều ưu điểm như giảm thiểu số lượng dây nối, dễ dàng lập trình và thay đổi chức năng điều khiển. Việc sử dụng PLC trong hệ thống phân loại sản phẩm giúp tăng tính linh hoạt và hiệu quả trong quy trình sản xuất. Hệ thống PLC Siemens S7-1200 được lựa chọn cho mô hình này nhờ vào tính năng mạnh mẽ và khả năng mở rộng dễ dàng.

III. Thi Công Hệ Thống

Chương này mô tả quy trình thi công hệ thống phân loại sản phẩm. Các bước thi công bao gồm thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm và kiểm tra hệ thống. Việc thiết kế phần cứng bao gồm việc lắp đặt các cảm biến, băng chuyền và các thiết bị điều khiển. Sau khi hoàn thành phần cứng, phần mềm điều khiển được lập trình trên nền tảng TIA Portal để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Cuối cùng, hệ thống được chạy thử nghiệm để đánh giá hiệu suất và độ chính xác trong việc phân loại sản phẩm.

3.1 Thiết Kế Phần Cứng

Thiết kế phần cứng là bước quan trọng trong việc xây dựng mô hình phân loại sản phẩm. Các linh kiện như cảm biến màu sắc TCS 3200, Loadcell, và các thiết bị điều khiển PLC được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo tính chính xác và độ bền của hệ thống. Băng chuyền được thiết kế để phù hợp với kích thước và trọng lượng của sản phẩm, giúp quá trình vận chuyển diễn ra mượt mà. Việc lắp đặt các cảm biến cũng cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo chúng hoạt động hiệu quả trong việc nhận diện sản phẩm.

3.2 Lập Trình Phần Mềm

Lập trình phần mềm cho hệ thống phân loại sản phẩm được thực hiện trên nền tảng TIA Portal. Phần mềm này cho phép lập trình các quy trình điều khiển, từ việc nhận diện sản phẩm đến việc phân loại và lưu trữ. Các thuật toán được sử dụng để xử lý dữ liệu từ cảm biến và đưa ra quyết định phân loại. Việc lập trình cần đảm bảo tính chính xác và nhanh chóng trong việc xử lý thông tin, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống. Sau khi lập trình xong, hệ thống sẽ được kiểm tra để đảm bảo mọi chức năng hoạt động đúng như mong đợi.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học kỹ thuật và tự động hóa công nghiệp, việc nâng cao năng suất lao động, hạ giá thành sản xuất và bảo đảm an toàn cho con người là yêu cầu cấp thiết của các doanh nghiệp. Trước đây, các hệ thống điều khiển truyền thống chủ yếu dựa trên việc kết nối các linh kiện rời rạc và rơ-le tiếp điểm cơ khí. Phương pháp này bộc lộ nhiều hạn chế: mạch điện phức tạp, tốn thời gian thi công lắp đặt, khó khăn trong công tác bảo trì, chi phí cao và thiếu tính linh hoạt khi cần thay đổi quy trình vận hành.

Sự xuất hiện của bộ điều khiển logic khả trình (PLC) kết hợp với màn hình giao diện người - máy (HMI) đã giải quyết căn bản các nhược điểm trên. Tuy nhiên, tại Việt Nam, mức độ tự động hóa vẫn chưa đồng đều; nhiều doanh nghiệp vừa và nhỏ vẫn duy trì quy trình thủ công ở các khâu phân loại, cân trọng lượng và đóng gói sản phẩm. Việc kiểm tra thủ công phụ thuộc lớn vào sự tập trung của công nhân, dễ phát sinh sai sót sau thời gian dài làm việc, dẫn đến chất lượng phân cấp sản phẩm không đồng đều. Kế thừa các công trình nghiên cứu trước đó tại các trường đại học (như đề tài phân loại theo chiều cao của Đặng Xuân Hải tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, hoặc đề tài phân loại theo màu sắc dùng Arduino của Huỳnh Thanh Thoại và Phạm Công Đức tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM), nhóm tác giả đã thực hiện đề tài thiết kế mô hình tích hợp đồng thời hai thông số: màu sắc và khối lượng.

Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm:

1. Nghiên cứu các dây chuyền phân loại sản phẩm đang được áp dụng trong thực tế.
2. Nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý vận hành của bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200.
3. Ứng dụng phần mềm TIA Portal để lập trình điều khiển tự động mô hình phân loại sản phẩm.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 6 nội dung:

1. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến lực Loadcell, cảm biến màu sắc, màn hình HMI, biến tần và van điện từ khí nén.
2. Nghiên cứu lập trình PLC và phần mềm hệ thống điều khiển PLC Siemens.
3. Thiết kế và thi công phần cứng của mô hình.
4. Thiết kế chương trình điều khiển và xây dựng giao diện vận hành trên màn hình HMI.
5. Chạy thử nghiệm toàn bộ hệ thống mô hình.
6. Đánh giá, nhận xét kết quả thực hiện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phân loại sản phẩm tự động trên băng tải kết hợp cảm biến màu sắc, cảm biến khối lượng, bộ điều khiển trung tâm PLC S7-1200, màn hình HMI và cơ cấu chấp hành khí nén.
• Không gian thực hiện: Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
• Thời gian thực hiện: Từ ngày 02/04/2018 đến ngày 02/07/2018.
• Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống nhận diện 2 nhóm màu (đỏ và xanh); mỗi lượt vận hành chỉ cho phép 1 sản phẩm di chuyển trên băng tải; sản phẩm mẫu có khối lượng tối đa 1 kg và kích thước tối đa 4 cm x 4 cm x 4 cm; mô hình dừng lại ở mức độ thử nghiệm thực nghiệm trong phòng lab.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật vi xử lý và kỹ thuật cảm biến công nghiệp để xây dựng hệ thống:

• Lý thuyết điều khiển khả trình PLC: Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 (CPU 1212C AC/DC/RL) hoạt động theo nguyên lý quét vòng lặp tuần tự (đọc tín hiệu đầu vào Process Image Input - PII, thực thi logic chương trình trong các khối OB, FC, FB và cập nhật dữ liệu đầu ra Process Image Output - PIQ).
• Lý thuyết đo lường khối lượng: Sử dụng cảm biến Loadcell cấu tạo bởi cầu điện trở Wheatstone với 4 phần tử lá điện trở (strain gauge). Khi có tải trọng, biến dạng cơ học của thanh kim loại làm thay đổi điện trở, tạo ra tín hiệu điện áp vi sai (mV/V) tỷ lệ thuận với lực tác dụng. Tín hiệu này được khuếch đại qua mạch tích hợp IC chuyên dụng (INA128/INA129) để đưa về bộ vi xử lý/PLC.
• Lý thuyết nhận dạng màu sắc: Cảm biến quang học TCS3200 sử dụng mảng ma trận 8x8 photodiode gồm 4 nhóm (16 photodiode lọc màu đỏ, 16 lọc màu xanh dương, 16 lọc màu xanh lá và 16 không lọc). Cảm biến chuyển đổi cường độ bức xạ quang học thành chuỗi xung vuông có tần số thay đổi từ 2 Hz đến 500 kHz, được cấu hình tỷ lệ tần số đầu ra qua các chân S0, S1 và lựa chọn dải màu qua các chân S2, S3.
• Lý thuyết truyền động và khí nén: Động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha điều khiển tốc độ vô cấp bằng biến tần qua phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) nghịch lưu áp. Hệ thống chấp hành sử dụng van đảo chiều điện từ 3/2 tác động gián tiếp lên 3 xi lanh khí nén tác động kép để đẩy sản phẩm ra khỏi băng tải.
• Lý thuyết giao tiếp mạng: Sử dụng chuẩn Ethernet công nghiệp thông qua giao thức PROFINET để kết nối truyền thông nội bộ giữa PLC S7-1200, màn hình HMI KTP700 Basic và máy tính lập trình.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm: thiết kế sơ đồ nguyên lý phần cứng, gia công cơ khí mô hình băng tải khung kim loại, lập trình logic trên TIA Portal và Arduino IDE, căn chỉnh (calib) độ nhạy của cảm biến và chạy thử nghiệm đo lường lặp lại để đối chiếu độ chính xác.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module phân cấp rõ ràng giữa các khối chức năng.

Khối chức năng	Linh kiện / Thiết bị chính	Thông số kỹ thuật cơ bản	Chức năng trong hệ thống
Xử lý trung tâm	PLC Siemens S7-1200 (CPU 1212C AC/DC/RL)	Nguồn cấp 100–230VAC; 8 ngõ vào DI, 6 ngõ ra Relay, 2 ngõ vào AI; 1 cổng PROFINET RJ45	Điều khiển toàn bộ tiến trình logic, kích hoạt van khí, nhận tín hiệu cảm biến
Giao diện giám sát	HMI Siemens KTP700 Basic	Màn hình 7 inch TFT LCD, 800x480 pixel, 65.536 màu, nguồn 24VDC, bộ nhớ 10 MB	Cài đặt thông số cân, theo dõi số lượng, hiển thị trạng thái vận hành
Đo khối lượng	Loadcell YZC-133 & IC khuếch đại INA128/129	Tải trọng định mức 1 kg; Ngõ ra 1,15 mV/V; Trở kháng vào 1066±20 Ω; Nguồn 5VDC	Chuyển đổi lực nén của sản phẩm thành điện áp và khuếch đại gửi về bộ xử lý
Xử lý màu sắc	Cảm biến màu TCS3200 & Kit Arduino Uno (ATmega328)	Mảng 8x8 photodiode; Nguồn 2,7–5,5V; Tần số ra 2Hz–500kHz; Arduino xung nhịp 16MHz	Thu nhận tần số phản xạ ánh sáng của vật thể, phân tích dải màu đỏ/xanh và xuất tín hiệu số sang PLC
Phát hiện vị trí	Cảm biến quang E3F-DS30C4	Nguồn 6–36VDC; Khoảng cách 5–30 cm; Ngõ ra NPN cực thu hở (300 mA)	Xác định vật thể trên băng tải để kích hoạt các chu trình đo và đẩy
Chấp hành cơ khí	Động cơ 3 pha, biến tần, 3 xi lanh khí nén tác động kép	Biến tần Danfoss FC202 / Chziri ZVF330 (220V); Xi lanh có hành trình 70mm, 170mm, 65mm	Kéo băng tải dây đai PVC và gạt sản phẩm vào các khay phân loại theo phân cấp
Điều khiển khí	Van điện từ 3/2 SY3120-5LZ-M5	Điện áp cuộn coil 24VDC	Đóng ngắt đường khí nén điều khiển hành trình piston xi lanh

Quy trình vận hành logic của hệ thống:

1. Khi nhấn Start trên giao diện HMI, biến tần kích hoạt động cơ 3 pha kéo băng tải PVC chuyển động.
2. Sản phẩm được đưa lên đầu băng tải. Cảm biến quang E3F-DS30C4 phát hiện sự hiện diện của vật thể và gửi tín hiệu về PLC.
3. Băng tải đưa sản phẩm qua vùng kiểm tra màu. Cảm biến TCS3200 đọc tần số phản xạ, mạch Arduino Uno xử lý dải giá trị RGB tương ứng và kích ngõ ra số tương ứng gửi sang đầu vào của PLC.
4. Nếu màu sắc không đạt yêu cầu thiết lập, PLC kích hoạt xi lanh số 1 (hành trình 70 mm) đẩy sản phẩm vào thùng phế phẩm.
5. Nếu màu sắc hợp lệ, sản phẩm tiếp tục di chuyển đến vị trí bàn cân Loadcell YZC-133. Tín hiệu vi sai từ cầu điện trở được khuếch đại qua mạch INA128 và chuyển đổi để PLC đọc giá trị khối lượng.
6. PLC đối chiếu giá trị đo với ngưỡng cài đặt trên HMI: Nếu đạt chuẩn loại 1, xi lanh số 2 (hành trình 170 mm) gạt sản phẩm vào khay loại 1; nếu đạt chuẩn loại 2, xi lanh số 3 (hành trình 65 mm) gạt vào khay loại 2.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích tính cấp thiết của việc tự động hóa khâu phân loại trong sản xuất công nghiệp, so sánh giữa phương thức phân loại thủ công bằng sức người và phương thức tự động hóa bằng PLC. Tác giả xác định rõ ràng mục tiêu nghiên cứu, 6 nội dung công việc cụ thể, lịch trình thực hiện theo tuần và các giới hạn kỹ thuật của đề tài về màu sắc (đỏ, xanh), khối lượng (dưới 1 kg), kích thước mẫu và số lượng sản phẩm trên băng chuyền.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết nguyên lý cấu tạo và đặc tính kỹ thuật của từng thành phần trong mô hình:

• Cấu tạo băng chuyền dây đai PVC và động cơ xoay chiều 3 pha (stator, rotor, khe hở không khí 0,5–2 mm, công thức tính công suất và mô-men).
• Cấu trúc phần cứng và vùng nhớ của PLC Siemens S7-1200 (Load Memory, Work Memory, System Memory; các kiểu dữ liệu BOOL, BYTE, WORD, INT, DINT, REAL); thông số CPU 1212C AC/DC/RL.
• Màn hình HMI KTP700 Basic 7 inch, hỗ trợ PROFINET Ethernet.
• Cảm biến lực Loadcell YZC-133 cấu tạo cầu Wheatstone cùng các bộ chuyển đổi tín hiệu công nghiệp KELI KM02A và DS 7200.
• Cảm biến màu TCS3200 với các bảng chân chọn bộ lọc (S2, S3) và bảng chọn tỷ lệ tần số ngõ ra (S0, S1); giới thiệu bo mạch vi điều khiển Arduino Uno ATmega328.
• Cảm biến quang hồng ngoại E3F-DS30C4, van điện từ khí nén 3/2 SY3120-5LZ-M5 và các loại xi lanh khí nén tác động đơn/kép.
• Nguyên lý biến tần chỉnh lưu - nghịch lưu PWM và sơ đồ đấu nối biến tần Danfoss FC202, Chziri ZVF330 Series.
• Khái niệm mạng cục bộ LAN và giao thức truyền thông Ethernet.

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống

Chương này cụ thể hóa bài toán thiết kế thông qua các sơ đồ nguyên lý:

• Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống và mối liên kết tín hiệu giữa các khối.
• Thiết kế sơ đồ nối dây khối cảm biến màu sắc TCS3200 kết nối với Arduino Uno và truyền tín hiệu số sang các ngõ vào của PLC S7-1200.
• Thiết kế mạch khuếch đại tín hiệu Loadcell sử dụng IC chuyên dụng INA128/INA129, kết nối với đầu vào tương tự của PLC.
• Thiết kế sơ đồ cấp nguồn và đấu nối biến tần điều khiển động cơ kéo băng chuyền.
• Thiết kế mạch điều khiển van điện từ khí nén đóng mở 3 xi lanh gạt sản phẩm.
• Lập bảng phân bổ địa chỉ đầu vào/đầu ra (I/O) và xây dựng sơ đồ nguyên lý toàn mạch.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thi công thực tế phần cứng và lập trình phần mềm:

• Thi công cơ khí khung băng chuyền, lắp đặt các cơ cấu gá cảm biến quang, cảm biến màu, bàn cân Loadcell và cụm 3 xi lanh khí nén.
• Lắp ráp bo mạch khuếch đại Loadcell và mạch xử lý màu sắc Arduino.
• Đấu nối dây tín hiệu và cấp nguồn cho tủ điều khiển chứa PLC S7-1200, biến tần và rơ-le trung gian.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật cho khối xử lý màu sắc trên Arduino và lưu đồ giải thuật điều khiển trung tâm trên PLC.
• Lập trình chương trình điều khiển PLC và thiết kế các trang giao diện giám sát trên HMI (Trang giới thiệu, Trang tổng quan, Trang giám sát mô hình, Trang hiệu chuẩn Loadcell) bằng phần mềm TIA Portal.
• Thực hiện quy trình nạp (download) chương trình xuống PLC và HMI qua cổng mạng LAN.

Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá

Chương 5 trình bày sản phẩm hoàn thiện và các kết quả thu được qua thực nghiệm:

• Hình ảnh thực tế của toàn bộ mô hình khi hoạt động hoàn chỉnh.
• Kết quả chạy thử nghiệm phân loại sản phẩm theo màu sắc (nhận diện chính xác 2 màu đỏ và xanh).
• Kết quả kiểm tra độ lặp lại của khâu cân khối lượng qua 4 lần cân liên tiếp trên mô hình để đánh giá độ sai lệch.
• Ghi nhận trạng thái hiển thị số lượng và phân loại sản phẩm trên màn hình HMI.
• Đưa ra nhận xét khách quan về hoạt động của hệ thống, chỉ rõ các điểm đạt được và các hạn chế kỹ thuật phát sinh trong quá trình chạy thực tế.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối tóm tắt toàn bộ kết quả đạt được về mặt lý thuyết và sản phẩm phần cứng; đồng thời đề xuất các hướng cải tiến mô hình nhằm nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng công nghiệp trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Về mặt kỹ thuật và thực nghiệm, đề tài đã hoàn thành các nội dung sau:

• Thi công hoàn chỉnh một mô hình băng chuyền cơ điện tử tích hợp đầy đủ hệ thống cấp nguồn, động cơ truyền động 3 pha qua biến tần, cụm khí nén 3 xi lanh, cảm biến quang, cảm biến màu sắc và đầu cân loadcell.
• Thiết lập thành công kết nối truyền thông mạng LAN/PROFINET giữa PLC S7-1200 CPU 1212C và màn hình cảm ứng HMI KTP700 Basic, cho phép điều khiển Run/Stop và giám sát số lượng phân loại trực quan.
• Module nhận diện màu sắc TCS3200 kết hợp Arduino Uno xử lý và phân biệt được 2 nhóm màu đỏ và xanh, kích hoạt tín hiệu chính xác sang PLC để loại bỏ phế phẩm không đúng màu.
• Khối cân khối lượng sử dụng Loadcell YZC-133 (1 kg) qua mạch khuếch đại INA128 đã ghi nhận được dữ liệu tải trọng qua 4 lần cân thử nghiệm và phân loại sản phẩm theo 2 cấp chất lượng.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc tích hợp thành công hai tiêu chí phân loại độc lập (quang học và cơ học) trên cùng một chu trình điều khiển tập trung bằng PLC S7-1200, tạo ra tài liệu hướng dẫn cụ thể từ khâu thiết kế mạch khuếch đại cảm biến đến lập trình TIA Portal cho sinh viên các khóa sau.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được nhóm tác giả ghi nhận trực tiếp trong đồ án:

• Hệ thống mới chỉ nhận biết và phân loại được 2 màu sắc cơ bản (đỏ và xanh).
• Mô hình chỉ cho phép 1 sản phẩm di chuyển và xử lý trên băng tải tại một thời điểm, chưa hỗ trợ chế độ phân loại liên tục nhiều sản phẩm.
• Giới hạn tải trọng đo lường nhỏ (dưới 1 kg) và kích thước mẫu bị giới hạn dưới 4 cm x 4 cm x 4 cm.
• Khâu phân loại theo khối lượng hoạt động chưa thực sự ổn định, độ nhạy và độ chính xác của cảm biến loadcell trên mô hình động còn bị ảnh hưởng bởi rung lắc cơ khí.
• Băng tải dây đai PVC có độ chính xác vị trí chưa cao, ma sát và độ căng thay đổi theo thời gian và nhiệt độ môi trường.

Hướng phát triển được đề xuất:

• Cải tiến giải thuật xử lý tín hiệu cân nặng và thiết kế bàn cân giảm chấn để nâng cao độ chính xác khi cân động.
• Nâng cấp cảm biến màu hoặc tích hợp camera xử lý ảnh công nghiệp để nhận dạng đa dạng màu sắc và kiểm tra khuyết tật bề mặt sản phẩm.
• Tăng cường cơ cấu cấp phôi tự động để xử lý liên tục nhiều sản phẩm trên băng chuyền.
• Mở rộng dải đo khối lượng và nâng cấp kết cấu cơ khí để đáp ứng yêu cầu ứng dụng trong dây chuyền sản xuất thực tế.

---

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo phù hợp cho:

• Sinh viên thuộc các ngành Kỹ thuật Điện tử – Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp liên quan đến hệ thống phân loại sản phẩm.
• Người nghiên cứu muốn tìm hiểu quy trình thiết kế mạch giao tiếp cảm biến Loadcell sử dụng IC khuếch đại vi sai INA128/INA129 đưa vào PLC.
• Tài liệu cung cấp quy trình từng bước cấu hình kết nối PROFINET, lập trình PLC S7-1200 và thiết kế giao diện vận hành HMI KTP700 Basic trên nền tảng phần mềm TIA Portal.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm và màn hình giám sát được sử dụng trong đồ án là loại nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RL (gồm 8 ngõ vào số, 6 ngõ ra rơ-le, 2 ngõ vào tương tự) kết hợp cùng màn hình cảm ứng HMI Siemens KTP700 Basic (kích thước 7 inch, độ phân giải 800x480 pixel, kết nối qua cổng PROFINET Ethernet).

2. Cảm biến màu sắc TCS3200 giao tiếp với PLC như thế nào?
Cảm biến TCS3200 không kết nối trực tiếp với PLC mà kết nối với bo mạch vi điều khiển Arduino Uno. Arduino thực hiện điều khiển các chân cấu hình S0, S1, S2, S3, đo tần số xung ngõ ra từ TCS3200 để xác định màu sắc (đỏ/xanh), sau đó xuất các mức logic số sang các chân ngõ vào số (DI) của PLC S7-1200.

3. Mạch đo khối lượng sử dụng loại cảm biến và IC khuếch đại nào?
Khối đo khối lượng sử dụng cảm biến Loadcell thanh nhôm YZC-133 có tải trọng định mức 1 kg (ngõ ra định mức 1,15 mV/V, trở kháng vào 1066±20 Ω). Tín hiệu điện áp vi sai nhỏ từ Loadcell được khuếch đại qua IC chuyên dụng INA128 (hoặc INA129) trước khi đưa về bộ điều khiển.

4. Cơ cấu chấp hành phân loại sản phẩm gồm những thiết bị gì?
Cơ cấu chấp hành gồm 3 xi lanh khí nén tác động kép có hành trình lần lượt là 70 mm, 170 mm và 65 mm. Việc đảo chiều hành trình của các xi lanh được điều khiển thông qua các van điện từ 3/2 SY3120-5LZ-M5 sử dụng nguồn 24VDC kết nối với ngõ ra của PLC.

5. Những giới hạn kỹ thuật chính của mô hình phân loại này là gì?
Hệ thống chỉ phân loại được sản phẩm có khối lượng từ 1 kg trở xuống, kích thước tối đa 4 cm x 4 cm x 4 cm, chỉ nhận diện được 2 màu đỏ và xanh, chỉ xử lý được 1 sản phẩm trên băng tải trong mỗi chu trình và độ chính xác của phần phân loại theo khối lượng chưa thực sự ổn định.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc và khối lượng" của sinh viên Nguyễn Sỹ Phú và Trịnh Thiên Nam đã hiện thực hóa thành công một mô hình tự động hóa phân loại dựa trên nền tảng PLC Siemens S7-1200 và giao diện HMI KTP700 Basic. Đề tài đã giải quyết được việc tích hợp các module phần cứng cơ bản gồm cảm biến màu sắc TCS3200 qua Arduino, cảm biến lực Loadcell YZC-133, biến tần điều khiển động cơ băng tải và hệ thống xi lanh khí nén. Dù còn một số hạn chế về độ ổn định của khâu cân khối lượng và phạm vi nhận diện màu sắc, công trình đã cung cấp đầy đủ sơ đồ thiết kế, lưu đồ giải thuật và quy trình thử nghiệm thực nghiệm có giá trị tham khảo rõ ràng cho các nghiên cứu tự động hóa ứng dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan. Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống, các chuẩn truyền, giao thức.

Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống. Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống. Chương 4: Thi Công Hệ Thống. Thiết kế hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình.

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá. Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Trình bày những kết luận về hệ thống những phần làm rồi và chưa làm, đồng thời nếu ra hướng phát triển cho hệ thống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 2.1 Hoạt động phân loại thủ công Khi sản phẩm được sản xuất ra, người công nhân dùng các thiết bị đo kiểm để xác định sản phẩm thuộc loại nào. Sau đó xếp sản phẩm vào trong hộp, đếm đủ số lượng. Việc này phụ thuộc rất nhiều về công nhân, công nhân làm việc lâu không tránh khỏi những sai sót dẫn đến chất lượng sản phẩm không đều.2 Hoạt động phân loại tự động Khi sản phẩm được sản xuất ra, được tự động sắp xếp đều trên băng chuyền.

Bên cạnh băng chuyền có đặt các cảm biến, xilanh đẩy. Phụ thuộc vào màu sắc và cân nặng của sản phẩm mà chúng có tác động vào các sản phẩm lỗi, sản phẩm không phù hợp sẽ tự động được đẩy vào các thùng riêng, các sản phẩm đạt sẽ nằm trong thùng riêng. Hệ thống hoạt động tuần tự cho đến khi có lệnh dừng. Người công nhân chỉ việc tới lấy hộp xếp lên xe đẩy đưa vào kho hàng.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.

Giới thiệu về băng tải.1 Một hệ thống vận chuyển sử dụng băng tải Băng tải thường được sử dụng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệụ rời theo phương ngang và phương nghiên. Trong các dây chuyền sản xuất, băng tải được sử dụng rộng rãi như những phương tiện vận chuyển các cơ cấu nhẹ, trong các xưởng luyện kim dùng để vận chuyển quặng, than đá, các loại xỉ lò trên các trạm thủy điện thì dùng vận chuyển nhiên liệu. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Ưu điểm của băng tải: Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo các hướng nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp giữa nằm ngang với nằm nghiêng.

Vốn đầu tư không lớn lắm, có thể tự động được, vận hành đơn giản, bảo dưỡng dễ dàng, làm việc tin cậy, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển khác không lớn lắm.  Cấu tạo chung của băng tải: Hình 2.2 Cấu tạo chung băng tải 1. Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật. Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo.

Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo. Hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ.) làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu tố làm việc. Giới thiệu băng tải sử dụng trong mô hình. Tùy theo từng loại nguyên vật liệu hay sản phẩm mà có nhiều loại băng tải khác nhau: băng tải xích, băng tải con lăn, băng tải xoắn ốc, băng tải dây đai, băng tải đứng… Do băng tải dùng trong mô hình làm nhiệm vụ vận chuyển sản phẩm nên nhóm đã lựa chọn loại băng tải dây đai PVC với những lý do sau đây: - Tải trọng băng tải không quá lớn.

- Kết cấu cơ khí không quá phức tạp. - Dễ dàng thiết kế chế tạo. - Có thể dễ dàng hiệu chỉnh băng tải. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tuy nhiên loại băng tải này cũng có 1 vài nhược điểm như độ chính xác khi vận chuyển không cao, đôi lúc băng tải hoạt động không ổn định do nhiều yếu tố: nhiệt độ môi trường ảnh hưởng tới con lăn, độ ma sát của dây đai giảm qua thời gian. Giới thiệu về PLC PLC là viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các giải pháp điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm.

Hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như: hệ thống nâng vận chuyển, dây chuyền đóng gói, các robot lắp ráp sản phẩm, điều khiển hệ thống đèn giao thông.3 Một hệ thống điều khiển bằng PLC  Những ưu điểm của PLC: Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng như các khái niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có những ưu điểm sau: - Giảm đến 80% số lượng dây nối. - Giảm thiểu số lượng rơle và timer so với hệ điều khiển cổ điển. - Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình, khi không có các yêu cầu thay đổi các đầu vào ra thì không cần phải nâng cấp phần cứng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Dung lượng chương trình lớn để có thể chứa được nhiều chương trình phức tạp. - Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp. - Dễ dàng kết nối được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, kết nối mạng Internet, các module mở rộng.  Nguyên lý hoạt động của PLC CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC.

Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ. Tổng quan về PLC Siemens Trên thế giới hiện tại có rất nhiều các hãng sản xuất PLC nổi tiếng và phổ biến: Mitsubishi, Siemen, Omron, Idec, Fuji, Panasonic… Ở Việt Nam, các thiết bị điều khiển của Siemens đã trở nên rất thông dụng trong lĩnh vực tự động hóa với nhiều dòng PLC như:  S7-200 thích hợp cho những ứng dụng vừa và nhỏ.

 S7-300 thích hợp cho những dự án tầm trung, mô đun hóa, điều khiển linh hoạt, nâng cấp hay mở rộng dễ dàng.  S7-400 thích hợp cho những dự án lớn, hoạt động hiệu suất cao, các hệ thống tự động điều khiển thích nghi, điều khiển dự phòng, dễ dàng chuẩn đoán lỗi.  Dòng PLC S7-1200 của Siemen S7-1200 ra đời năm 2009 dùng để thay thế dần cho S7-200. So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội hơn.

S7-1200 được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4 So sánh S7-200 và S7-1200 về các mô-đun mở rộng  Cấu trúc bộ nhớ trong PLC S7-1200 Vùng nhớ chương trình (Load Memory): Là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng cho người sử dụng viết và được chứa trong các OB, FC, FB hoặc trong các khối chương trình trong thư viện hệ thống được sử dụng (SFB, SFC) và khối dữ liệu DB. Khi thực hiện xóa thì toàn bộ khối chương trình bị xóa hết, khi chương trình được download từ máy tính vào CPU, chúng sẽ được ghi lên vùng nhớ này.

Vùng nhớ chương trình được chia làm 3 miền: - OB (Organisation Block): Miền chứa chương trình tổ chức. - FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm, có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi. - FB (Function Block): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm, có khả năng trao đổi dữ liệu với bất kì khối chương trình nào. Các dữ liệu được xây dựng trên một khối riêng gọi là DB.

Vùng nhớ làm việc (Work Memory): Là vùng nhớ chứa các khối dữ liệu DB đang mở, khối chương trình OB, FB, FC, SFC, SFB đang được CPU thực hiện. Vùng nhớ làm việc chia thành 2 miền: - DB (Data Block): Miền chứa các dữ liệu tổ chức thành khối, kích thước và số lượng do người sử dụng quy định. Chương trình có thể truy cập miền này theo bit (DBX), byte (DBB), word (DBW), double word (DBD). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT - L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương được các khối chương trình OB, FC, FB sử dụng cho các biến tạm thời và trao đổi các biến hình thức với các khối đã gọi nó. Nội dung dữ liệu trong khối này sẽ bị xóa khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB, FC, FB. Miền này có thể truy cập theo bit (L), byte (LB), word (LW) hoặc double word (LD). Tùy theo các khối chương trình khác nhau mà bảng khai báo chứa các biến khác nhau nhằm phục vụ cho yêu cầy của khối đó.

Vùng nhớ hệ thống (System memory): Là vùng chứa các bộ đệm vào/ra số (I, Q), các biến cờ, thanh ghi C-word, PV, T-bit hoặc C-bit của Timer và Counter. Vùng nhớ này chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được chia thành 7 miền khác nhau: - PII: (Process image input): Miền bộ đệm các cổng vào số. Trước khi thực hiện chương trình, PLC đọc tất cả dữ liệu đầu vào và cất vào miền nhớ I. PLC thường không đọc trực tiếp cổng vào mà đọc từ bộ đệm I.

- PIQ (Process image output): Miền bộ đệm các cổng ra số. Kết thúc chương trình PLC chuyển giá trị từ bộ đệm Q đến các cổng ra số. Thông thường chương trình không gán trực tiếp giá trị tới cổng ra mà chỉ chuyển chúng vào bộ đệm Q. - M: Miền nhớ các bit cờ.

Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu các tham số cần thiết và có thể truy nhập theo bit, byte, word, double word.