Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại, tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc giải phóng sức lao động, nâng cao năng suất và chuẩn hóa chất lượng sản phẩm công nghiệp. Tại các dây chuyền sản xuất, khâu kiểm tra, phân loại và đóng gói hàng hóa thủ công bộc lộ nhiều điểm hạn chế: phụ thuộc lớn vào kỹ năng và sự tập trung của công nhân, dễ phát sinh nhầm lẫn khi làm việc kéo dài với các thao tác lặp lại, năng suất thấp và không đáp ứng được yêu cầu cạnh tranh về giá thành trong nền kinh tế thị trường. Các mặt hàng phổ biến như gạch men, hoa quả (dừa, bưởi), kiện hàng theo kích thước hoặc dây chuyền nước ngọt đóng chai đòi hỏi phải có cơ cấu phân loại tự động để phân tách sản phẩm đạt chuẩn và phế phẩm. Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu mô hình sản xuất dùng xi lanh thuỷ lực để phân loại sản phẩm" được thực hiện bởi sinh viên Đỗ Minh Dương (lớp DCL2401, chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng) dưới sự hướng dẫn của ThS. Đỗ Anh Dũng.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định trong văn bản gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật điều khiển logic khả trình (PLC), khảo sát cấu trúc phần cứng, tập lệnh và nguyên lý lập trình của họ PLC S7-200 (CPU 224).
  2. Phân tích các dạng chuyển động, nguyên lý phân loại sản phẩm theo kích thước (chiều cao) và đánh giá các phương án công nghệ để lựa chọn cấu hình hệ thống băng tải và cơ cấu chấp hành cơ khí.
  3. Thiết kế, tính toán và xây dựng các khối phần cứng chức năng của mô hình: khối nguồn điện một chiều ổn áp (24VDC và 12VDC), khối động cơ dẫn động băng tải, hệ thống rơle trung gian, cảm biến nhận dạng chiều cao và đếm sản phẩm.
  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng dây chuyền phân loại tự động nước ngọt đóng chai kết hợp vi điều khiển 8051 và cảm biến hồng ngoại TCRT5000.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống băng chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng cơ cấu đẩy bằng xi lanh thủy lực, điều khiển thông qua thiết bị logic lập trình (PLC S7-200), vi điều khiển và các thiết bị cảm biến công nghiệp.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp ngành Điện Tự Động Công Nghiệp tại Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng, hướng tới ứng dụng trong các xưởng đóng gói và dây chuyền phân loại công nghiệp nhẹ.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được giao thực hiện từ ngày 04 tháng 4 năm 2022 và hoàn thành vào ngày 24 tháng 6 năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài sử dụng hệ thống cơ sở lý thuyết kỹ thuật điện - tự động hóa và các phương pháp thiết kế phần cứng:

  • Lý thuyết điều khiển khả trình PLC: Cấu trúc vi xử lý chuyên dụng của PLC với hệ điều hành tích hợp, cơ chế quét vòng lặp (Scan Time: đọc dữ liệu đầu vào DI/AI $\rightarrow$ thực hiện chương trình $\rightarrow$ ghi dữ liệu đầu ra DO/AO $\rightarrow$ truyền thông và kiểm tra lỗi). Cấu trúc bộ nhớ họ S7-200 gồm vùng nhớ chương trình, vùng nhớ tham số, vùng nhớ dữ liệu (V, I, O, M, SM) và vùng nhớ đối tượng (Timer T, Counter C, bộ đếm tốc độ cao HSC, thanh ghi tích lũy AC).
  • Lý thuyết truyền động điện và máy điện một chiều: Cấu tạo stato, roto, cổ góp phiến đồng cách điện mica (0,4 - 1,2 mm), chổi than; phương trình đặc tính cơ tổng quát của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: $\omega = \omega_0 - \Delta\omega$; nguyên lý tạo lực điện từ $F_{đt}$ theo quy tắc bàn tay trái và sức phản điện động $E_ư$ theo quy tắc bàn tay phải.
  • Lý thuyết quang điện tử và cảm biến: Hiệu ứng quang điện ngoài (hiệu ứng Compton) với điều kiện năng lượng photon $W_P = hf \ge W_B$; đặc tính phát xạ của LED hồng ngoại vật liệu bán dẫn Gallium Arsenide (GaAs) có độ rộng vùng cấm 1,43 eV ứng với bước sóng khoảng 950 nm; nguyên lý chuyển tiếp P-N phân cực ngược của photodiode và khuếch đại dòng quang điện của phototransistor silic NPN ở chế độ quang dẫn ($V_{BC} = 0,6 - 0,7\text{ V}$).
  • Lý thuyết điện từ trường trong khí cụ điện: Nguyên lý đóng cắt của rơle trung gian kiểu kín dựa trên lực hút điện từ nam châm điện ($F = I \cdot W$), điều kiện hút nắp khi $F_{đt} > F_{ph}$ (lực lò xo nhả hình xoắn trụ).

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp phân tích và so sánh phương án: So sánh kỹ thuật và kinh tế giữa 2 phương án công nghệ phân loại (hệ 1 băng tải - 1 xi lanh so với hệ 2 băng tải - 2 xi lanh) và so sánh 4 loại băng tải công nghiệp (dây đai, lá, thanh đẩy, con lăn) để chọn giải pháp khả thi cho mô hình.
  • Phương pháp thiết kế mạch và tính toán linh kiện phần cứng: Thiết kế mạch nguồn chỉnh lưu hạ áp kết hợp IC ổn áp tuyến tính LM7824 và LM7812; phối ghép cảm biến quang/công tắc hành trình với mạch so sánh thuật toán dùng khuếch đại thuật toán (Op-Amp) và cơ cấu chấp hành.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thông số kỹ thuật của Siemens đối với PLC S7-200 CPU 224; sổ tay tra cứu linh kiện điện tử (LM78xx, cảm biến TCRT5000, vi điều khiển 8051) và giáo trình máy điện, khí cụ điện công nghiệp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về PLC và cấu trúc họ phần cứng PLC S7-200

Chương này trình bày lịch sử hình thành và phát triển của bộ điều khiển lập trình từ năm 1968 (phát minh bởi các kỹ sư hãng General Motors - Hoa Kỳ), sự ra đời của bộ lập trình cầm tay năm 1969 đến các bước tiến phần cứng từ năm 1975. Tác giả phân loại PLC theo 4 quy mô: Micro PLC (Onboard như Logo! Siemens, Zen Omron), Mini PLC (S7-200, S5-900, CPM1 Omron), Medium PLC (S7-300, Mitsubishi A1SHCPU) và Great PLC (S7-400, PCS, DCS). Bốn chế độ làm việc được phân tích gồm: Stop mode, Runner mode, chế độ trung gian và Error mode.

Về cấu trúc phần cứng của Siemens Simatic S7-200 CPU 224, văn bản cung cấp các thông số cụ thể:

  • Kích thước vật lý: 1205 mm $\times$ 80 mm $\times$ 62 mm.
  • Bộ nhớ: Dung lượng bộ nhớ chương trình 4096 Word, dung lượng bộ nhớ dữ liệu 2560 Word; dữ liệu lưu giữ được 190 giờ sau khi mất điện.
  • Cổng vào/ra: 14 cổng vào số (DI), 10 cổng ra số (DO); hỗ trợ mở rộng tối đa 7 module; tích hợp 6 bộ đếm tốc độ cao (HSC).
  • Bộ định thời và bộ đếm: 256 Timer (TON, TOF, TONR với dải địa chỉ T0 - T255) và 256 Counter (đếm lên CU, đếm xuống CD, đếm lên/xuống giới hạn từ -32767 đến 32767 hoặc giá trị nạp PV dạng BCD 0 - 999).
  • Cổng truyền thông: Cổng nối tiếp RS-485 chuẩn jack cắm 9 chân, giao thức PPI tốc độ 9600 baud (chân 1, 5 nối đất; chân 2 cấp nguồn 24VDC; chân 3, 8 truyền/nhận dữ liệu; chân 6 cấp nguồn 5VDC điện trở trong 100 $\Omega$; chân 7 cấp nguồn 4VDC dòng tối đa 100 mA).

Về phần mềm và tập lệnh, chương trình mô tả cấu trúc phần mềm Step 7 Micro/WIN, phân định 2 ngôn ngữ lập trình phổ biến là LAD (Ladder logic) và STL (Statement List), giới thiệu các lệnh cơ bản: tiếp điểm thường mở, tiếp điểm thường đóng, cuộn dây Output, lệnh gán Set (S), lệnh xóa Reset (R) và nguyên lý hoạt động của các bộ đếm Up Counter, Down Counter, Up-Down Counter.

Chương 2: Khái quát hệ thống phân loại sản phẩm, lựa chọn phương án thiết kế băng tải

Chương 2 mô tả bài toán công nghệ phân loại sản phẩm dựa trên kích thước chiều cao. Sản phẩm di chuyển tịnh tiến trên băng tải nhờ động cơ điện một chiều truyền động qua bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng. Khi qua vùng kiểm tra, chiều cao sản phẩm được nhận diện; nếu vượt ngưỡng cho phép, xi lanh thủy lực tác động đẩy phế phẩm ra khỏi dây chuyền. Sản phẩm đạt kích thước tiếp tục hành trình, được cảm biến đếm số lượng cho đến khi đủ số lượng quy định theo lô để đóng thùng.

Tác giả lập bảng so sánh và phân tích 2 phương án bố trí hệ thống:

  • Phương án 1: Sử dụng 1 băng tải đơn, 1 công tắc hành trình đặt ở cao độ chuẩn phía trên băng tải để phát hiện sản phẩm quá chiều cao, 1 xi lanh thủy lực điều khiển bởi van phân phối 5 cửa 2 vị trí (van 5/2) để đẩy phế phẩm và 1 cảm biến đếm sản phẩm đạt chuẩn. Ưu điểm là chi phí chế tạo thấp, cấu trúc điều khiển đơn giản, tốc độ xử lý nhanh; nhược điểm là chỉ phân loại được một ngưỡng chiều cao duy nhất.
  • Phương án 2: Sử dụng 2 băng tải độc lập (băng tải 1 nhận phôi, băng tải 2 đóng thùng), 2 xi lanh thủy lực và hệ thống cảm biến phức hợp. Ưu điểm là phân loại được nhiều dải kích thước; nhược điểm là kết cấu cơ khí cồng kềnh, chi phí tốn kém, chu kỳ vận hành kéo dài làm giảm năng suất.

Dựa trên mục tiêu mô hình học tập, tác giả quyết định lựa chọn Phương án 1. Đồng thời, văn bản khảo sát các hệ thống băng tải trên thị trường và đưa ra số liệu tải trọng kỹ thuật:

Loại băng tải Giới hạn tải trọng Phạm vi ứng dụng theo thiết kế
Băng tải dây đai $< 50\text{ kg}$ Vận chuyển từng chi tiết giữa các nguyên công, vận chuyển thùng chứa gia công và lắp ráp
Băng tải lá $25 \div 125\text{ kg}$ Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh trong gia công chuẩn bị phôi và lắp ráp
Băng tải thanh đẩy $50 \div 250\text{ kg}$ Vận chuyển chi tiết lớn giữa các bộ phận với cự ly $> 50\text{ m}$
Băng tải con lăn $30 \div 500\text{ kg}$ Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh giữa các nguyên công cự ly $< 50\text{ m}$

Bên cạnh đó, văn bản dẫn chứng băng tải dạng cào (năng suất 1,5 tấn/h, vận tốc 0,2 m/s, lực kéo 10 kN) và băng tải xoắn vít (loại 1 buồng năng suất 4 tấn/h, chiều dài 80 cm; loại 2 buồng xoắn ngược chiều). Tác giả chọn loại băng tải dây đai cho mô hình thực nghiệm do tải trọng vận chuyển nhỏ, kết cấu cơ khí đơn giản, chi phí gia công thấp và dễ hiệu chỉnh, dù có hạn chế về ma sát suy giảm theo thời gian.

Chương 3: Thiết kế xây dựng mô hình phân loại sản phẩm

Nội dung chương 3 đi sâu vào thiết kế chi tiết từng khối phần cứng trong hệ thống:

  • Khối nguồn một chiều ổn áp: Cung cấp 2 mức điện áp 24VDC (cấp cho rơle, van điện từ/xi lanh) và 12VDC (cấp cho động cơ và cảm biến). Sơ đồ mạch bao gồm máy biến áp hạ áp từ 220VAC xuống 20VAC; cầu chỉnh lưu diode biến đổi thành điện áp một chiều đỉnh xấp xỉ 28VDC ($20\text{ V} \times \sqrt{2} \approx 28\text{ VDC}$); tụ lọc $C_1, C_3, C_4$ san phẳng điện áp nhấp nhô; tụ xoay chiều $C_2$ khử thành phần sóng hài bậc cao; điện trở xả $R$; IC ổn áp LM7824 tạo điện áp chuẩn 24VDC; IC LM7812 mắc nối tiếp ở tầng sau để hạ xuống điện áp chuẩn 12VDC.
  • Động cơ điện một chiều dẫn động băng tải: Lựa chọn loại động cơ công suất nhỏ 20 - 40 W, điện áp làm việc 12 - 24 VDC. Cấu tạo cơ học gồm phần tĩnh (cực từ chính đúc khối hoặc ghép tôn, cực từ phụ, cuộn kích từ) và phần quay (lõi thép tôn silic dày 0,5 mm, rãnh chứa dây quấn phần ứng, cổ góp các phiến đồng cách điện mica dày 0,4 - 1,2 mm và chổi than).
  • Rơle trung gian kiểu kín: Đóng vai trò cách ly và đóng cắt mạch lực. Hoạt động dựa trên lực hút điện từ nam châm điện ($F = I \cdot W$), gồm tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh, thanh dẫn và lò xo nhả xoắn trụ.
  • Cảm biến quang và thiết bị nhận dạng: Phân tích nguyên lý cảm biến quang (bước sóng LED hồng ngoại GaAs $\sim 950\text{ nm}$, năng lượng vùng cấm 1,43 eV, công suất bức xạ $\approx 10\text{ mW}$; phototransistor có $V_{BC} = 0,6 - 0,7\text{ V}$). Tuy nhiên, đối với khâu nhận dạng phân loại chiều cao, tác giả quyết định chọn công tắc hành trình lắp đặt trực tiếp trên khung băng tải do ưu thế chống nhiễu vượt trội trong môi trường bụi bẩn và độ rung cơ khí so với cảm biến quang.
  • Cấu trúc hệ thống điều khiển: Sơ đồ liên kết chức năng gồm Khối cảm biến (LED phát hồng ngoại, LED thu kết hợp Op-Amp so sánh tạo xung kích) $\rightarrow$ Khối xử lý trung tâm $\rightarrow$ Khối hiển thị $\rightarrow$ Khối chấp hành (động cơ DC và cơ cấu xi lanh).

Chương 4: Ứng dụng dây chuyền phân loại tự động sản phẩm nước ngọt đóng chai

Chương này trình bày khả năng ứng dụng thực tiễn của quy trình phân loại tự động vào dây chuyền sản xuất nước ngọt đóng chai:

  • Khái quát về dây chuyền chiết rót và phân loại nước ngọt đóng chai trong công nghiệp tự động hóa.
  • Khảo sát giải pháp điều khiển sử dụng vi điều khiển 8051 kết hợp module thu phát hồng ngoại TCRT5000 để nhận biết sự hiện diện của chai nước ngọt trên băng tải và phục vụ thuật toán đếm sản phẩm.
  • Sơ đồ khối hệ thống và phân tích nguyên lý làm việc của dây chuyền phân loại chai nước ngọt đạt chuẩn và loại bỏ chai lỗi trước công đoạn đóng thùng.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Dựa trên các số liệu và sơ đồ nguyên lý được cung cấp trong đồ án, cấu trúc kỹ thuật của mô hình được thiết kế và tích hợp đồng bộ theo các phân hệ sau:

[ Nguồn lưới 220VAC ]
                        [ IC LM7824: Ổn áp 24VDC ]                               [ IC LM7812: Ổn áp 12VDC ]
        [ Khối chấp hành ]                  [ PLC S7-200 CPU 224 ]                 [ Động cơ băng tải DC ]
    - Xi lanh thủy lực                    - 14 ngõ vào số (DI)                     - Công suất 20 - 40 W
    - Van phân phối 5/2                   - 10 ngõ ra số (DO)                      - Điện áp 12 - 24 VDC
                                         - Bộ thu/phát hồng ngoại TCRT5000       [ Phân loại sản phẩm ]
                                         - Mạch so sánh Op-Amp                   - Phế phẩm: Đẩy ra ngoài
                                                                                 - Đạt chuẩn: Đếm & đóng gói

1. Phân hệ cung cấp nguồn điện

Mạch nguồn sử dụng biến áp hạ áp $220\text{ VAC} / 20\text{ VAC}$. Điện áp xoay chiều 20VAC được chỉnh lưu toàn kỳ qua mạch cầu diode (CL), nạp vào tụ hóa lọc nguồn để tạo điện áp một chiều không ổn định xấp xỉ 28VDC ($U_{DC} \approx 20\text{ V} \times 1,414 \approx 28,28\text{ VDC}$).

  • Tầng ổn áp thứ nhất: Sử dụng IC LM7824 (3 chân: chân 1 nhận điện áp vào $\ge 24\text{ V}$, chân 2 nối đất $0\text{ V}$, chân 3 xuất điện áp ổn định +24VDC). Mức điện áp này dùng để cấp nguồn cho cuộn hút rơle trung gian, van tiết lưu/điều khiển xi lanh thủy lực và khối vào/ra của PLC.
  • Tầng ổn áp thứ hai: Mắc nối tiếp IC LM7812 nhận nguồn từ tầng trước để hạ áp xuống +12VDC cung cấp cho động cơ DC kéo băng tải và mạch khuếch đại cảm biến.
  • Hệ thống lọc và bảo vệ: Tụ hóa $C_1, C_3, C_4$ san phẳng độ nhấp nhô của điện áp; tụ gốm $C_2$ triệt tiêu nhiễu cao tần; điện trở xả $R$ mắc song song để tiêu tán năng lượng tích lũy trong tụ khi ngắt nguồn.

2. Phân hệ điều khiển logic và thuật toán xử lý

Hệ thống sử dụng hai nền tảng điều khiển tùy chọn theo phương án triển khai:

  • Cấu hình PLC Siemens Simatic S7-200 (CPU 224): Quản lý 14 ngõ vào số nhận tín hiệu từ nút bấm Start/Stop, công tắc hành trình báo quá kích thước và cảm biến đếm; 10 ngõ ra số điều khiển động cơ băng tải thông qua rơle trung gian và kích hoạt cuộn hút của van điện từ thủy lực 5/2. Chương trình sử dụng các khối hàm định thời TON để tạo trễ cho chu trình đóng gói và khối bộ đếm Up Counter (CU) để đếm đủ cơ số sản phẩm theo quy định trước khi ra lệnh dừng băng chuyền.
  • Cấu hình vi điều khiển 8051 (ứng dụng chương 4): Tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại TCRT5000 thông qua bộ so sánh Op-Amp, xử lý tín hiệu xung logic để quản lý quá trình đếm và phân loại sản phẩm chai nước ngọt.

3. Phân hệ cơ khí truyền động và chấp hành

  • Băng tải vận chuyển: Sử dụng loại băng tải dây đai chịu tải dưới 50 kg, trục chủ động nhận chuyển vị quay từ động cơ điện một chiều 20 - 40 W qua bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng.
  • Cơ cấu phân loại: Gồm 1 xi lanh thủy lực tác động kép bố trí vuông góc với phương di chuyển của băng chuyền, phối hợp với van tiết lưu/phân phối 5 cửa 2 vị trí (5/2). Khi sản phẩm vượt chiều cao chạm vào công tắc hành trình gắn trên giá đỡ phía trên, tín hiệu điện kích hoạt van 5/2 mở đường dầu thủy lực đẩy piston tịnh tiến đẩy sản phẩm hỏng vào máng thu hồi phế phẩm, sau đó piston lùi về vị trí ban đầu.

Kết quả và đóng góp

Văn bản đồ án ghi nhận các kết quả kỹ thuật và đề xuất giải pháp cụ thể:

1. Kết quả kỹ thuật đạt được kèm số liệu trong văn bản

  • Xây dựng thành công phương án thiết kế hệ thống phân loại 1 băng tải dây đai kết hợp 1 xi lanh thủy lực và van phân phối 5/2, đạt yêu cầu tối ưu về chi phí và tính đơn giản trong điều khiển so với phương án 2 băng tải.
  • Hoàn thiện sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 2 cấp điện áp ổn định: ngõ vào 220VAC, qua biến áp 20VAC, điện áp sau cầu nắn đạt xấp xỉ 28VDC, hạ áp ổn định qua LM7824 đạt 24VDC và qua LM7812 đạt 12VDC.
  • Xác lập đầy đủ cấu hình phần cứng điều khiển S7-200 CPU 224 (kích thước vật lý 1205 mm $\times$ 80 mm $\times$ 62 mm; 14 DI / 10 DO; 256 Timer; 256 Counter; 6 bộ đếm HSC; bộ nhớ chương trình 4096 Word, bộ nhớ dữ liệu 2560 Word; pin duy trì dữ liệu 190 giờ; cổng truyền thông RS-485 PPI 9600 baud).
  • Tính toán và lựa chọn thông số động cơ điện một chiều kéo băng tải công suất nhỏ 20 - 40 W, dải điện áp 12 - 24 VDC; lựa chọn băng tải đai cho tải trọng dưới 50 kg.
  • Phân tích và lựa chọn công tắc hành trình thay cho cảm biến quang tại vị trí nhận diện chiều cao phế phẩm nhằm tăng tính ổn định cơ học và chống nhiễu quang học trong môi trường công nghiệp.

2. Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng mô hình tự động hóa phân loại từng phần hoặc toàn bộ để giải quyết bài toán lặp lại đơn điệu của công nhân trong các nhà máy sản xuất gạch men, phân loại hoa quả (bưởi, dừa) hoặc nước ngọt đóng chai.
  • Đề xuất quy trình làm việc tự động khép kín: Khởi động hệ thống bằng nút Start $\rightarrow$ băng chuyền vận hành đưa phôi vào $\rightarrow$ công tắc hành trình phát hiện sản phẩm lỗi kích hoạt xi lanh thủy lực đẩy phế phẩm $\rightarrow$ cảm biến hồng ngoại đếm các sản phẩm đạt chuẩn $\rightarrow$ khi đếm đủ số lượng quy định, hệ thống tự động dừng băng tải trong một khoảng thời gian trễ cài đặt trước để đóng thùng $\rightarrow$ lặp lại chu trình cho đến khi có lệnh dừng toàn hệ thống.

3. Đóng góp tự nêu của đề tài

  • Tổng hợp có hệ thống cơ sở lý thuyết về thiết bị khả trình họ S7-200 và ứng dụng các lệnh xử lý logic, timer, counter trong bài toán phân loại sản phẩm.
  • Đưa ra phân tích so sánh định lượng giữa các phương án kết cấu băng tải và cơ cấu chấp hành, làm cơ sở lựa chọn thiết bị phù hợp với mô hình đào tạo thực hành và xưởng sản xuất quy mô nhỏ.
  • Mở rộng hướng tiếp cận từ điều khiển PLC công nghiệp sang hệ thống nhúng giá thành thấp sử dụng vi điều khiển 8051 và cảm biến TCRT5000 cho dây chuyền đóng chai.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung phân tích phương án và phạm vi kỹ thuật của văn bản, các hạn chế và hướng phát triển được xác định:

Hạn chế của hệ thống

  • Tính linh hoạt thấp: Phương án 1 được lựa chọn chỉ cho phép phân loại sản phẩm theo một tiêu chí kích thước duy nhất là chiều cao vượt ngưỡng, chưa phân loại được nhiều cấp kích thước hoặc phân loại theo trọng lượng, màu sắc, vật liệu.
  • Đặc tính cơ học của băng tải dây đai: Băng tải đai có độ chính xác vị trí không cao, hệ số ma sát giữa dây đai và con lăn có xu hướng suy giảm theo thời gian làm việc, đồng thời độ ổn định vận hành dễ bị tác động bởi nhiệt độ môi trường.
  • Hạn chế của thiết bị nhận dạng: Việc sử dụng công tắc hành trình cơ học làm giảm độ nhạy phát hiện so với cảm biến quang điện không tiếp xúc và có thể gây biến dạng bề mặt đối với các sản phẩm mềm hoặc dễ vỡ khi va chạm cơ khí.
  • Sự thiếu đồng nhất trong kiến trúc điều khiển: Văn bản trình bày chi tiết về PLC S7-200 CPU 224 ở chương 1, nhưng ở chương 3 và 4 lại chuyển sang mô tả khối cảm biến phối ghép với vi điều khiển 8051 và module TCRT5000 mà chưa có phần tích hợp hoàn chỉnh hai nền tảng điều khiển này trong một mô hình phần cứng thống nhất.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng cơ cấu phân loại đa bậc (tương tự Phương án 2) bằng cách bổ sung nhiều trạm xi lanh và nhiều mức công tắc hành trình hoặc cảm biến khoảng cách để phân chia sản phẩm thành nhiều phân hạng kích thước khác nhau.
  • Thay thế công tắc hành trình cơ học bằng hệ thống cảm biến quang hiện đại hoặc hệ thống thị giác máy (camera công nghiệp) để nâng cao độ chính xác nhận dạng mà không cần tiếp xúc vật lý.
  • Tích hợp thêm cảm biến cân định lượng và cảm biến vật liệu (kim loại / phi kim) trên cùng một băng chuyền.
  • Hoàn thiện chương trình điều khiển tích hợp trên PLC công nghiệp kết hợp giao diện giám sát HMI hoặc SCADA nhằm theo dõi sản lượng và cảnh báo sự cố từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên chuyên ngành Điện tự động công nghiệp, Tự động hóa và Cơ điện tử: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết về cấu trúc phần cứng, cách phân bổ bộ nhớ (V, I, Q, M, SM, T, C), vòng quét và tập lệnh cơ bản của dòng PLC Siemens S7-200 CPU 224; đồng thời là tài liệu tham khảo tốt về phương pháp thiết kế mạch nguồn tuyến tính 2 cấp điện áp 24VDC/12VDC dùng IC họ LM78xx.
  • Người làm đồ án, dự án tốt nghiệp về hệ thống phân loại sản phẩm: Các bảng so sánh thông số kỹ thuật giữa các loại băng tải (dây đai, lá, thanh đẩy, con lăn) và bảng phân tích ưu - nhược điểm giữa phương án 1 băng tải và 2 băng tải là nguồn dữ liệu thực tế giúp định hình phương án thiết kế cơ khí và điều khiển.
  • Kỹ thuật viên bảo trì dây chuyền đóng gói nhỏ: Cung cấp nguyên lý hoạt động trực quan của hệ thống xi lanh khí nén/thủy lực điều khiển qua van phân phối 5/2 kết hợp rơle trung gian cách ly điện áp.

Câu hỏi thường gặp

1. Trong đồ án, tác giả lựa chọn phương án công nghệ nào để phân loại sản phẩm và vì sao?
Tác giả lựa chọn Phương án 1 (sử dụng 1 băng chuyền, 1 công tắc hành trình đặt phía trên để đo chiều cao, 1 xi lanh thủy lực điều khiển bằng van 5 cửa 2 vị trí và 1 cảm biến đếm sản phẩm). Lý do lựa chọn là phương án này có kết cấu cơ khí đơn giản, sử dụng ít xi lanh và băng tải giúp giá thành chế tạo thấp, dễ điều khiển, vận chuyển sản phẩm nhanh hơn và cho năng suất cao hơn so với phương án 2 băng tải.

2. Thông số kỹ thuật chính của PLC Siemens S7-200 CPU 224 được trình bày trong đồ án gồm những gì?
PLC S7-200 CPU 224 có kích thước 1205 mm $\times$ 80 mm $\times$ 62 mm; dung lượng bộ nhớ chương trình 4096 Word; bộ nhớ dữ liệu 2560 Word; dữ liệu được lưu giữ 190 giờ sau khi mất điện. Thiết bị có 14 cổng vào số, 10 cổng ra số, hỗ trợ mở rộng tối đa 7 module, tích hợp 256 Timer, 256 Counter, 6 bộ đếm tốc độ cao (HSC) và cổng truyền thông RS-485 chuẩn PPI với tốc độ truyền 9600 baud.

3. Mạch nguồn một chiều trong mô hình được thiết kế như thế nào để tạo ra hai mức điện áp 24VDC và 12VDC?
Mạch nhận điện áp lưới 220VAC qua máy biến áp hạ xuống 20VAC, sau đó đi qua cầu chỉnh lưu tạo điện áp một chiều xấp xỉ 28VDC ($20\text{ V} \times \sqrt{2}$). Điện áp này được san phẳng bởi các tụ điện $C_1, C_3, C_4$ và lọc nhiễu sóng hài bằng tụ xoay chiều $C_2$, xả qua điện trở $R$. Mạch dùng IC ổn áp LM7824 để tạo ra nguồn chuẩn +24VDC (cấp cho van điều khiển, rơle), sau đó ngõ ra 24VDC tiếp tục được đưa vào đầu vào của IC LM7812 để hạ xuống mức nguồn chuẩn +12VDC (cấp cho động cơ DC và cảm biến).

4. Tại sao tác giả lại chọn công tắc hành trình thay vì cảm biến quang để nhận dạng sản phẩm quá kích thước trên băng chuyền?
Theo phân tích của tác giả, mặc dù cảm biến quang có độ nhạy cao và dải hoạt động rộng, nhưng trong môi trường công nghiệp thực tế dễ bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn và các nguồn nhiễu quang học. Công tắc hành trình tuy có độ nhạy cơ học kém hơn và cự ly tác động tiếp xúc hạn chế, nhưng sở hữu ưu điểm vượt trội về độ ổn định, khả năng làm việc bền bỉ trong môi trường khắc nghiệt và khả năng chống nhiễu cao, phù hợp với điều kiện vận hành thực tế của mô hình nhà máy.

5. Động cơ điện một chiều dùng kéo băng tải trong đồ án có các thông số và cấu tạo cơ bản nào?
Động cơ điện một chiều được lựa chọn có công suất nhỏ từ 20 - 40 W, điện áp danh định từ 12 - 24 VDC. Cấu tạo gồm phần tĩnh (stato) chứa cực từ chính ghép bằng thép lá mỏng hoặc đúc khối, cực từ phụ và cuộn dây kích từ; phần quay (roto) gồm lõi thép tôn silic kỹ thuật điện dày 0,5 mm xẻ rãnh quấn dây đồng, cổ góp gồm các phiến đồng ghép cách điện mica dày 0,4 - 1,2 mm và chổi than dẫn dòng điện.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu mô hình sản xuất dùng xi lanh thuỷ lực để phân loại sản phẩm" của sinh viên Đỗ Minh Dương đã giải quyết trọn vẹn các yêu cầu cơ bản trong việc nghiên cứu và thiết kế mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao. Tác giả đã hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về điều khiển logic PLC S7-200 CPU 224, phân tích lựa chọn giải pháp băng tải dây đai kết hợp cơ cấu đẩy xi lanh thủy lực tối ưu về mặt kinh tế - kỹ thuật, đồng thời tính toán chi tiết mạch nguồn tuyến tính 24VDC/12VDC và các mạch ghép nối cảm biến - chấp hành. Đồ án cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn cao cho sinh viên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp trong các bài toán thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa dây chuyền đóng gói sản phẩm.