Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành công nghiệp sản xuất đòi hỏi mức độ tự động hóa ngày càng cao nhằm nâng cao năng suất lao động, giảm thiểu chi phí nhân công và đảm bảo tính đồng đều của sản phẩm. Các hệ thống vận chuyển liên tục, đặc biệt là băng tải công nghiệp, đóng vai trò huyết mạch trong việc kết nối các công đoạn sản xuất, vận chuyển vật liệu dạng rời, dạng hạt cũng như các bán thành phẩm và thành phẩm qua nhiều phân xưởng.

Tuy nhiên, khảo sát thực tế tại các doanh nghiệp sản xuất quy mô vừa và nhỏ cho thấy nhiều khâu phân loại và đóng gói sản phẩm vẫn phụ thuộc lớn vào thao tác thủ công của công nhân. Việc phân loại thủ công bộc lộ nhiều hạn chế về năng suất, dễ phát sinh sai sót do mệt mỏi và không đáp ứng được yêu cầu nghiêm ngặt về độ chính xác kích thước trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Nhằm giải quyết bài toán tự động hóa khâu phân loại với chi phí hợp lý và độ tin cậy cao, đồ án thực hiện đề tài: "Nghiên cứu tổng quan về hệ thống băng tải, thiết kế mô hình băng tải phân loại sản phẩm theo chiều cao dùng PLC".

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết cấu tạo, nguyên lý làm việc và tính toán truyền động điện cho các hệ thống thiết bị vận tải liên tục trong công nghiệp.
  2. Khảo sát các công nghệ và phương pháp phân loại sản phẩm tự động phổ biến hiện nay.
  3. Tìm hiểu cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động và tập lệnh của bộ điều khiển logic khả trình PLC (trọng tâm là dòng Siemens S7-200).
  4. Thiết kế kết cấu cơ khí 3D và thi công chế tạo mô hình băng tải phân loại sản phẩm theo chiều cao.
  5. Xây dựng mạch điều khiển, tích hợp hệ thống cảm biến quang - cơ cấu chấp hành khí nén và lập trình phần mềm điều khiển cho PLC để vận hành hệ thống tự động hoàn chỉnh.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống thiết bị vận tải liên tục, các thiết bị đo lường cảm biến quang học, cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển PLC Siemens S7-200. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán lý thuyết truyền động băng tải và thiết kế mô hình thực nghiệm phân loại sản phẩm theo kích thước chiều cao tại phòng thí nghiệm chuyên ngành Điện tự động công nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền động điện công nghiệp kết hợp với kỹ thuật điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất:

  • Lý thuyết truyền động và tính toán phụ tải băng tải: Xác định các thành phần lực cản chuyển động khi có tải ($F_1$), lực cản ma sát không tải ($F_2$) và lực nâng vật trên mặt phẳng nghiêng ($F_3$) để tính toán công suất tĩnh $P_{\text{tĩnh}} = P_1 + P_2 + P_3$, từ đó chọn công suất động cơ dẫn động theo công thức: $$P_{\text{đc}} = K_3 \cdot \frac{P_{\text{tĩnh}}}{\eta}$$ Trong đó $K_3$ là hệ số dự trữ công suất ($K_3 = 1,2 \div 1,25$) và $\eta$ là hiệu suất hệ truyền động.
  • Lý thuyết điều khiển logic khả trình: Ứng dụng cấu trúc xử lý tuần hoàn của PLC (chu trình quét gồm đọc đầu vào, thực thi chương trình và cập nhật đầu ra) để thay thế các mạch rơle logic truyền thống.
  • Nguyên lý cảm biến quang điện: Ứng dụng nguyên lý thu phát ánh sáng hồng ngoại kết hợp tầng khuếch đại transistor quang Darlington để phát hiện ngưỡng chiều cao của sản phẩm.
  • Nguyên lý bảo vệ nhiệt: Sử dụng đặc tính giãn nở nhiệt không đồng đều của phiến kim loại kép (bimetal) cấu tạo từ thanh Invar (hệ số giãn nở bé, gồm 36% Ni, 64% Fe) và thanh đồng thau (hệ số giãn nở gấp 20 lần Invar) để bảo vệ quá tải động cơ.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và chế tạo mô hình thực nghiệm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, phân loại các dạng thiết bị vận tải liên tục, các công nghệ cảm biến và cấu trúc vi xử lý PLC.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật: Tính chọn công suất động cơ kéo băng tải, xác định các thông số hình học và vị trí lắp đặt cảm biến quang học theo các ngưỡng phân loại.
  • Phương pháp thiết kế mô hình cơ - điện: Dựng bản vẽ 3D tổng thể, gia công cơ khí khung đỡ, con lăn, lắp ráp hệ thống dẫn động bước, van khí nén và đấu nối tủ điện điều khiển.
  • Phương pháp lập trình và thử nghiệm thực nghiệm: Xây dựng giản đồ thời gian, lưu đồ thuật toán, biên dịch chương trình trên phần mềm chuyên dụng và nạp vào PLC S7-200 để chạy thử nghiệm trên mô hình vật lý.

Nguồn dữ liệu tham khảo chính được trích xuất từ các giáo trình chuyên ngành truyền động điện, tài liệu kỹ thuật của Siemens, Omron và Tạp chí Phát triển Khoa học & Công nghệ (Tập 11, Số 02-2008).

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống mô hình băng tải phân loại sản phẩm theo chiều cao được thiết kế thành một thể thống nhất bao gồm 3 phân hệ chính: cơ khí truyền động, thiết bị phát hiện - chấp hành và hệ thống điều khiển PLC.

Phân hệ Thiết bị / Chi tiết sử dụng Thông số / Đặc tính kỹ thuật theo văn bản Chức năng trong hệ thống
Cơ khí truyền động Khung đỡ, con lăn, mặt băng tải Băng tải chất liệu đàn hồi/PVC, con lăn dẫn hướng đồng trục Nâng đỡ và vận chuyển sản phẩm chuyển động tịnh tiến ổn định
Động lực chính Động cơ bước (Step Motor) Điều khiển theo xung điện rời rạc, góc quay chính xác Kéo trục con lăn chủ động, duy trì tốc độ di chuyển đều
Cảm biến nhận diện Cảm biến quang (Omron series) Cảm biến thu phát chung/riêng, LED phát hồng ngoại, cặp Darlington Nhận biết sự hiện diện và mức chiều cao (cao, thấp) của sản phẩm
Cơ cấu chấp hành Hệ thống tay đẩy khí nén / xylanh Cơ cấu tay gạt/đẩy dẫn hướng Đẩy sản phẩm vào đúng thùng chứa tương ứng sau khi phân loại
Bảo vệ và đóng cắt Rơle nhiệt Phiến kim loại kép bimetal Invar - Đồng thau, $I_{\text{đm}} \le 150\text{A}$, AC 500V Đóng cắt mạch điều khiển, bảo vệ quá tải cho hệ thống điện
Điều khiển trung tâm PLC Siemens S7-200 CPU tích hợp bộ nhớ chương trình, khối vào/ra số Tiếp nhận tín hiệu cảm biến, xử lý logic và xuất lệnh điều khiển

Hệ thống hoạt động theo quy trình công nghệ 2 giai đoạn:

  • Giai đoạn 1 (Nhận biết chiều cao): Sản phẩm được cấp lên băng chuyền đang chuyển động. Khi đi qua khu vực bố trí cụm cảm biến quang ở các độ cao khác nhau, các chùm tia sáng hồng ngoại bị chắn sẽ làm thay đổi mức logic tại các cổng vào của PLC. Khối CPU tiếp nhận, xử lý tín hiệu theo tập lệnh lập trình để xác định chính xác phẩm cấp chiều cao của vật phẩm.
  • Giai đoạn 2 (Phân loại và chuyển hướng): Sản phẩm tiếp tục tịnh tiến đến khu vực đặt các cơ cấu tay đẩy khí nén. Dựa trên kết quả nhận dạng từ giai đoạn 1 kết hợp với định thời gian di chuyển, PLC kích hoạt van điện khí nén điều khiển tay đẩy tương ứng đưa sản phẩm ra khỏi mặt băng vào đúng thùng chứa quy định.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về thiết bị vận tải liên tục

Chương này phân tích sâu về lịch sử phát triển, cấu tạo và nguyên lý của các thiết bị vận chuyển dòng liên tục trong công nghiệp. Tác giả phân loại và làm rõ đặc tính của các hệ thống:

  • Băng chuyền: Sử dụng móc treo, giá treo để chuyển chi tiết bán thành phẩm trong xưởng sản xuất dây chuyền.
  • Băng gàu: Chuyên chở vật liệu dạng bột mịn/hạt theo phương thẳng đứng hoặc góc nghiêng $>60^\circ$, vận chuyển lên các tháp xử lý cao tới 40m.
  • Đường cáp treo: Hệ thống hai đường cáp (cáp mang và cáp kéo) đạt năng suất tới 400 tấn/h, chiều dài hàng trăm kilômét.
  • Thang chuyền: Vận chuyển hành khách với dải vận tốc $0,4 \div 1\text{ m/s}$.
  • Băng cào, đường goong treo: Vận chuyển bột sinh khối hoặc chở khách vùng đồi núi hiểm trở.
  • Băng tải lòng máng và băng tải ống: Băng tải lòng máng thông thường có góc dốc tới $30^\circ$ nhưng dễ rơi vãi vật liệu; băng tải ống cuộn tròn mép băng dạng lục giác giúp uốn cong bán kính nhỏ, làm việc ở góc nghiêng $>30^\circ$, chống bụi và bảo vệ môi trường tối ưu.

Chương 1 cũng trình bày ứng dụng thực tế của băng tải trong các ngành sản xuất:

  • Ngành đóng giày: Băng tải dẫn sản phẩm qua lò điện trở sấy keo ở nhiệt độ $100^\circ\text{C}$ và làm nguội an toàn.
  • Nhà máy xi măng: Hệ thống vận chuyển nguyên liệu phức hợp gồm máy xúc, cẩu 21SL31, máy nghiền 21CR1, thiết bị rải liệu Stacker 21SK2 (năng suất 300 tấn/h), Stacker than 21SK31 (năng suất 150 tấn/h), máy cào Reclaimer (năng suất 350 tấn/h) và Reclaimer 21RR2 (năng suất 100 tấn/h) cấp liệu tới các silo, hopper chứa.
  • Ngành hàng không: Hệ thống xử lý hành lý với các phiến liên kết dạng lưỡi liềm hoặc hình thang, tốc độ vận hành $12 \div 24\text{ m/ph}$.

Về mặt kỹ thuật truyền động, chương này thiết lập các yêu cầu: chế độ làm việc dài hạn phụ tải tĩnh, dải điều chỉnh tốc độ dây chuyền $D = 2:1$, hệ số trượt động cơ lớn để khởi động đầy tải. Phân tích chi tiết 3 chế độ vận hành: tự động từ trung tâm, tại chỗ bằng hộp nút ấn, và độc lập khi hiệu chỉnh/sửa chữa. Đồng thời, chương 1 trình bày hệ thống công thức tính công suất động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc.

Chương 2: Tổng quan về dây chuyền phân loại sản phẩm

Nội dung chương tập trung làm rõ vai trò của dây chuyền phân loại tự động trong sản xuất công nghiệp và phân loại 5 phương pháp chính:

Phương pháp phân loại Thiết bị nhận biết chính Đặc điểm ứng dụng thực tế
Theo kích thước (cao, dài) Cảm biến quang / hồng ngoại Chi phí thấp, cấu tạo đơn giản, phổ biến trong ngành đóng chai, lọ
Theo khối lượng Cảm biến trọng lượng (Loadcell) Kiểm tra đóng bao trong nhà máy xi măng, phân bón
Theo màu sắc Cảm biến nhận diện màu Phân loại trong công nghiệp dệt lụa, sản xuất phẩm màu
Theo hình ảnh Camera quang học so sánh ảnh Xử lý ảnh mẫu bề mặt, phân loại gạch lát granit
Theo mã vạch Đầu đọc mã vạch quét quang Nhận diện chủng loại linh kiện máy móc cơ khí

Đi sâu vào dây chuyền phân loại theo chiều cao, tác giả phân tích chi tiết cấu tạo các phần tử: động cơ bước (biến đổi xung số thành chuyển động góc, cấu tạo gồm mạch điều khiển, bộ chia xung, đĩa quay), các loại băng tải (PVC, PU, Inox), các dòng rơle nhiệt bảo vệ dòng điện xoay chiều đến 500V / 150A, và các series cảm biến quang Omron (dòng khoảng cách hẹp E3Z-LS từ $20 \div 160\text{ mm}$ đến dòng khoảng cách xa E3Z-T62/T82 lên tới $30\text{ m}$).

Chương 3: Tìm hiểu về bộ điều khiển Logic khả trình PLC

Chương 3 trình bày tổng quan về thiết bị PLC, khởi nguồn từ yêu cầu kỹ thuật của hãng General Motors năm 1968 nhằm tạo ra bộ điều khiển mềm dẻo, dễ lập trình và độ bền công nghiệp cao. Tác giả khảo sát các dòng PLC phổ biến của Siemens (S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200) và Mitsubishi (FX, FX-0, FX-0N).

Phần cứng PLC được mổ xẻ gồm 3 khối cơ bản: khối tiếp nhận tín hiệu vào, khối vi xử lý trung tâm CPU kèm các vùng nhớ (ROM, RAM), và khối xuất tín hiệu ra điều khiển tải. Trọng tâm của chương đi sâu vào dòng PLC Siemens S7-200: cấu trúc vùng nhớ dữ liệu, định dạng bit/byte/word, các ngôn ngữ lập trình tiêu chuẩn (LAD, FBD, STL) và quy trình chuẩn gồm 5 bước thiết kế hệ thống điều khiển tự động dùng PLC.

Chương 4: Thiết kế và xây dựng mô hình

Chương cuối cùng trình bày quá trình hiện thực hóa mô hình phân loại sản phẩm:

  • Thiết lập yêu cầu kỹ thuật và mục đích của mô hình thực nghiệm.
  • Thiết kế mô hình 3D tổng thể phần cơ khí: tính toán kích thước khung giá đỡ, con lăn chủ động - bị động và khoảng cách bố trí cảm biến quang học theo các ngưỡng chiều cao của mẫu thử.
  • Xây dựng phần cứng: gia công khung đỡ, căng mặt băng tải, căn chỉnh cơ cấu đồng trục con lăn, gá lắp động cơ bước và cụm xylanh đẩy khí nén.
  • Thi công phần điện: đấu nối nguồn cấp, kết nối mạch tín hiệu cảm biến quang vào đầu vào số của PLC Siemens S7-200, kết nối đầu ra điều khiển qua rơle trung gian kích hoạt van điện từ khí nén.
  • Xây dựng phần mềm: lập trình thuật toán điều khiển trên phần mềm, biên dịch và nạp xuống PLC S7-200 để chạy thử nghiệm chu trình phân loại.

Kết quả và đóng góp

Mô hình thực nghiệm đã đạt được các kết quả cụ thể:

  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng băng tải hoàn chỉnh, tích hợp đồng bộ giữa kết cấu cơ khí, động cơ bước kéo tải, cụm cảm biến quang học và hệ thống tay đẩy phân loại bằng khí nén.
  • Lập trình thành công chu trình điều khiển trên PLC Siemens S7-200, thực hiện chính xác chức năng phát hiện và phân loại các mẫu vật thể theo từng cấp chiều cao vào đúng các vị trí thùng chứa riêng biệt.
  • Về mặt giải pháp, tác giả đề xuất việc áp dụng động cơ bước và cảm biến quang điện kết hợp điều khiển khả trình PLC như một phương án tự động hóa tối ưu cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ nhờ chi phí chế tạo thấp, lắp đặt đơn giản và dễ dàng mở rộng thuật toán.
  • Đóng góp chính của đề tài là hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết tính toán lực cản, công suất động cơ băng tải công nghiệp, đồng thời xây dựng một bộ tài liệu thiết kế - thi công mô hình thực nghiệm mang tính trực quan cao phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài dựa trên phạm vi nghiên cứu được văn bản phản ánh:

  • Đề tài dừng lại ở quy mô mô hình phòng thí nghiệm, cơ cấu tay đẩy và tải trọng mẫu vật còn nhỏ, chưa thử nghiệm trên các dây chuyền tải trọng nặng thực tế.
  • Tiêu chí phân loại của mô hình mới chỉ tập trung vào một thông số đơn lẻ là kích thước chiều cao của sản phẩm.

Hướng phát triển mở rộng:

  • Mở rộng thêm các tiêu chí phân loại kết hợp như: phân loại theo màu sắc, theo khối lượng (tích hợp Loadcell) hoặc quét mã vạch và nhận diện ảnh qua camera.
  • Tích hợp thêm các khối chức năng mở rộng như bộ đếm sản phẩm hiển thị trên màn hình HMI, kết nối mạng truyền thông công nghiệp để giám sát và thu thập dữ liệu từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Điện tự động công nghiệp, Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử tham khảo phương pháp tính toán phụ tải cơ học và quy trình thiết kế mô hình thực hành tự động hóa.
  • Người làm đề tài nghiên cứu về hệ thống điều khiển lập trình logic khả trình PLC Siemens S7-200 kết hợp thiết bị khí nén và cảm biến quang học.
  • Phần đáng tham khảo nhất là công thức tính toán lực cản - công suất truyền động băng tải ở Chương 1 và quy trình tích hợp phần cứng cảm biến - cơ cấu chấp hành với PLC ở Chương 2 và Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao động cơ bước (Step Motor) được lựa chọn để kéo băng tải trong mô hình này? Động cơ bước được lựa chọn vì có khả năng điều khiển chuyển động góc chính xác theo các xung điện rời rạc kế tiếp nhau, duy trì tốc độ chậm vừa phải, lực kéo đều và có khả năng cố định rôto tại các vị trí cần thiết mà không yêu cầu bộ biến đổi phức tạp.

2. Rơle nhiệt được cấu tạo từ các kim loại nào và nguyên lý bảo vệ quá tải ra sao? Rơle nhiệt sử dụng phiến kim loại kép (bimetal) gồm một tấm làm từ hợp kim Invar (36% Ni, 64% Fe) có hệ số giãn nở nhiệt rất bé, ghép với một tấm đồng thau có hệ số giãn nở nhiệt gấp 20 lần Invar. Khi có dòng quá tải chạy qua làm phát nóng, phiến kim loại sẽ uốn cong về phía kim loại giãn nở kém hơn để tác động ngắt mạch điều khiển bảo vệ động cơ.

3. Trong nhà máy xi măng, hệ thống băng tải kết hợp với các thiết bị nào và đạt năng suất bao nhiêu? Băng tải kết hợp với cẩu trục 21SL31, máy nghiền đập cát/thạch cao 21CR1, máy rải liệu Stacker 21SK2 (năng suất 300 tấn/h), Stacker than 21SK31 (năng suất 150 tấn/h), máy cào Reclaimer chuyển đá vôi (năng suất 350 tấn/h) và Reclaimer 21RR2 chuyển đất sét (năng suất 100 tấn/h) để cung cấp liệu cho các phễu Hopper và máy nghiền Raw Mill/Cool Mill.

4. Ba chế độ vận hành cơ bản của hệ thống băng tải công nghiệp là gì? Ba chế độ vận hành gồm: Chế độ tự động (khởi động tuần tự từ xa tại phòng điều khiển trung tâm), Chế độ tại chỗ (công nhân vận hành trực tiếp ấn nút chạy/dừng tại hộp điều khiển gần cơ cấu sau khi phát tín hiệu âm thanh cảnh báo), và Chế độ độc lập (khóa điều khiển chuyển sang vận hành độc lập để sửa chữa hoặc hiệu chỉnh băng tải mà không tác động liên động).

5. Các dòng cảm biến quang Omron được nêu trong tài liệu có khoảng cách phát hiện như thế nào? Tùy thuộc vào chủng loại, dòng cảm biến phản xạ phát hiện phạm vi hẹp như Omron series E3Z-LS có khoảng cách làm việc từ $20 \div 160\text{ mm}$, trong khi dòng cảm biến quang thu phát riêng cự ly xa như Omron series E3Z-T62, E3Z-T82 có thể phát hiện vật thể ở khoảng cách lên tới $30\text{ m}$.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu tổng quan lý thuyết về các hệ thống thiết bị vận tải liên tục và thiết kế thành công mô hình băng tải phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC Siemens S7-200. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính chính xác và đồng bộ trong việc phối hợp giữa kết cấu cơ khí, cảm biến quang và cơ cấu chấp hành khí nén dưới sự điều khiển của PLC. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật thực tiễn, đóng vai trò là tài liệu tham khảo có giá trị cao cho việc nghiên cứu và ứng dụng tự động hóa trong các dây chuyền phân loại sản phẩm công nghiệp.