Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu ứng dụng tự động hóa vào sản xuất công nghiệp ngày càng trở nên cấp thiết nhằm giải phóng sức lao động, nâng cao năng suất và đảm bảo độ chính xác của sản phẩm. Thiết bị vận tải liên tục, đặc biệt là hệ thống băng tải, giữ vai trò trung gian huyết mạch trong việc vận chuyển vật liệu rời, bán thành phẩm và thành phẩm tại các nhà máy khai thác khoáng sản, bến cảng, nhiệt điện, xi măng và công nghiệp nhẹ. Băng tải sở hữu các ưu điểm vượt trội như khả năng chuyển tải đi xa, vận hành êm, năng suất cao và tiêu hao năng lượng thấp.

Tuy nhiên, qua khảo sát thực tế tại các doanh nghiệp sản xuất, tác giả nhận thấy trong khi các dây chuyền lớn đã được tự động hóa cao thì tại nhiều doanh nghiệp vừa và nhỏ, công đoạn phân loại và đóng gói bao bì sản phẩm vẫn còn thực hiện thủ công bằng sức người. Việc phân loại thủ công dẫn đến năng suất lao động thấp, thời gian xử lý kéo dài và dễ phát sinh sai sót về mặt kích thước. Nhằm giải quyết bài toán tự động hóa công đoạn phân loại sản phẩm với chi phí hợp lý, nâng cao năng suất gấp nhiều lần và duy trì độ chính xác cao, 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" đã được thực hiện.

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

  1. Nghiên cứu tổng quan về các thiết bị vận tải liên tục, phân loại kết cấu, nguyên lý vận hành và phạm vi ứng dụng trong các ngành công nghiệp.
  2. Khảo sát các yêu cầu kỹ thuật, điều khiển truyền động điện, thiết bị đo lường và phương pháp tính toán công suất động cơ truyền động cho băng tải.
  3. Nghiên cứu tổng quan về các dây chuyền phân loại sản phẩm tự động và đi sâu vào dây chuyền phân loại sản phẩm theo kích thước chiều cao.
  4. Tìm hiểu cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động, tập lệnh và phương pháp lập trình cho bộ điều khiển logic khả trình PLC họ Siemens S7-200.
  5. Thiết kế và thi công mô hình băng tải phân loại sản phẩm theo chiều cao hoàn chỉnh về cơ khí, mạch điện, hệ thống khí nén và chương trình điều khiển PLC.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm hệ thống băng tải công nghiệp, các dạng thiết bị vận tải liên tục, bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-200, các loại cảm biến quang điện nhận diện sản phẩm, động cơ bước truyền động và cơ cấu chấp hành khí nén. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian và học thuật được thực hiện trong khuôn khổ Đồ án tốt nghiệp Đại học hệ chính quy, ngành Điện Tự động công nghiệp, Khoa Điện - Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (khóa 2014 - 2019, lớp ĐC 1802).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền động điện công nghiệp, lý thuyết điều khiển tự động và kỹ thuật lập trình điều khiển khả trình.

Về mặt tính toán cơ khí và động lực học truyền động, tác giả áp dụng công thức xác định năng suất vận chuyển của băng tải: $$Q = q \cdot v \quad [\text{kg/s}] \quad \text{hoặc} \quad Q = 3600 \cdot q \cdot v \quad [\text{tấn/h}]$$ Trong đó $q = \gamma \cdot S$ là khối lượng tải trên một đơn vị chiều dài băng ($\gamma$ là khối lượng riêng của vật liệu, $S$ là tiết diện cắt ngang của vật liệu trên băng), và $v$ là tốc độ di chuyển của băng (m/s).

Phương pháp tính chọn công suất động cơ truyền động băng tải dựa trên công suất cản tĩnh ở chế độ làm việc dài hạn:

  • Lực cản khi vận chuyển vật liệu: $F_1 = (q + q_b) \cdot L \cdot g \cdot (\omega \cdot \cos\beta \pm \sin\beta)$
  • Lực cản ma sát khi chạy không tải: $F_2 = 2 \cdot L \cdot k_2 \cdot q_b \cdot g$
  • Lực cần thiết để nâng tải theo góc nghiêng $\beta$: $F_3 = \pm q \cdot L \cdot g \cdot \sin\beta$
  • Công suất tĩnh tổng hợp: $P_t = P_1 + P_2 + P_3$
  • Công suất động cơ truyền động: $P_{dc} = k_3 \cdot \frac{P_t}{\eta}$, trong đó hệ số dự trữ $k_3 = 1{,}2 \div 1{,}25$ và $\eta$ là hiệu suất của hệ thống truyền lực.

Về cơ sở điều khiển học, đồ án sử dụng lý thuyết điều khiển số thời gian thực thông qua chu trình quét (Scan Cycle) của PLC. Chu trình quét diễn ra tuần tự qua các giai đoạn: Đọc trạng thái đầu vào số và ghi vào bộ đệm nhớ I (Input Process Image) $\rightarrow$ Thực thi chương trình người dùng trong khối tổ chức OB1 $\rightarrow$ Ghi dữ liệu kết quả từ miền nhớ Q (Output Process Image) ra các module đầu ra $\rightarrow$ Xử lý truyền thông và tự chẩn đoán trạng thái CPU.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa:

  • Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên ngành về thiết bị vận tải liên tục và bộ điều khiển PLC Siemens.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật truyền động và lựa chọn thiết bị công nghiệp (động cơ, rơle, cảm biến quang, xi lanh khí nén).
  • Phương pháp thiết kế mô hình 3D, thiết kế mạch điện và lập trình phần mềm điều khiển logic.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo cơ khí, lắp ráp hệ thống điện - khí nén và kiểm thử hoạt động phân loại sản phẩm trên mô hình thực tế.

Nguồn dữ liệu tham khảo của đồ án bao gồm: Các giáo trình truyền động điện công nghiệp; Tạp chí Phát triển Khoa học & Công nghệ (Tập 11, Số 02 - 2008) về sự phát triển của thiết bị vận tải liên tục tại Việt Nam; tài liệu kỹ thuật cảm biến quang học hãng OMRON (series E3Z); tài liệu hướng dẫn phần cứng và lập trình PLC họ Simatic S7-200 của hãng Siemens.

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 tích hợp liên ngành giữa cơ khí chính xác, mạch điện - khí nén và phần mềm điều khiển.

Hạng mục hệ thống Thành phần phần cứng / Công nghệ Đặc tính kỹ thuật và chức năng
Kết cấu cơ khí Khung đỡ kim loại, băng tải PVC, con lăn chủ động/bị động Chịu lực tỳ, dẫn hướng chuyển động tịnh tiến cho sản phẩm; tang căng vít định vị độ căng băng tải.
Hệ thống động lực Động cơ bước (Step Motor) Đảm bảo tốc độ chậm, mô men kéo đều, điều khiển góc quay chính xác theo chuỗi xung rời rạc.
Cơ cấu chấp hành Hệ thống tay đẩy sử dụng xi lanh khí nén Nhận tín hiệu điều khiển đóng mở van điện khí nén để đẩy sản phẩm vào đúng vị trí thùng chứa.
Cảm biến nhận biết Cảm biến quang điện OMRON (thu - phát) Bố trí tại các cao độ khác nhau dọc thân khung để phát hiện mức chiều cao (cao, thấp) của vật thể.
Bộ bảo vệ phụ trợ Rơle nhiệt (phiến lưỡng kim Invar - Đồng thau) Bảo vệ quá tải cho động cơ, dải dòng định mức $I_{đm} \le 150\text{A}$, điện áp hoạt động đến $500\text{V AC} / 440\text{V DC}$.
Bộ điều khiển trung tâm PLC Siemens S7-200 (khối xử lý CPU Onboard) Xử lý logic vào/ra, điều phối chu trình nhận tín hiệu cảm biến và kích hoạt cơ cấu tay đẩy.

Quy trình vận hành phân loại của hệ thống được tổ chức thành hai giai đoạn nối tiếp:

  • Giai đoạn 1 (Nhận dạng chiều cao): Sản phẩm di chuyển trên băng tải qua vùng bố trí các cảm biến quang điện. Cảm biến lắp ở các vị trí cao độ xác định sẽ kích hoạt mức logic tương ứng khi chùm tia sáng hồng ngoại bị che khuất, gửi tín hiệu về vùng nhớ đầu vào I của CPU.
  • Giai đoạn 2 (Phân loại và gạt sản phẩm): CPU xử lý dữ liệu logic từ chương trình điều khiển, tính toán thời gian trễ dịch chuyển của băng tải và kích hoạt đầu ra Q tương ứng. Tín hiệu này mở van điện khí nén, điều khiển tay đẩy tác động gạt sản phẩm chính xác vào máng/thùng chứa quy định.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các loại thiết bị vận tải liên tục trong công nghiệp. Tác giả phân tích chi tiết kết cấu và nguyên lý của các thiết bị: băng chuyền treo, băng gàu (vận chuyển vật liệu hạt/bột lên độ cao khoảng 40m trong công nghệ vi sinh), đường cáp treo (năng suất đến 400 tấn/h, cự ly hàng trăm km), thang chuyền (tốc độ 0,4 - 1 m/s), băng cào (chuyển bột sinh khối trên tuyến ngang hoặc nghiêng $15^\circ$), đường goong treo, băng tải lòng máng và băng tải ống. Băng tải ống được phân tích sâu như một giải pháp hiện đại với con lăn bố trí dạng lục giác, giúp uốn cong bán kính nhỏ, vượt độ nghiêng $> 30^\circ$, tránh thất thoát rơi vãi và bảo vệ môi trường.

Chương này cũng trình bày các ứng dụng thực tế của băng tải trong ngành sản xuất giày (tích hợp lò điện trở sấy khô keo ở $100^\circ\text{C}$), nhà máy xi măng (vận chuyển đá vôi, đất sét, thạch cao, than đốt với năng suất từ 100 đến 350 tấn/h qua các thiết bị Reclaimer, Stacker, Hopper) và hệ thống băng tải hành lý sân bay (tốc độ làm việc 12 - 24 m/phút). Đồng thời, tác giả xây dựng đầy đủ hệ thống công thức tính chọn công suất động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc và khảo sát các chế độ vận hành băng tải: tự động từ trung tâm, vận hành tại chỗ và vận hành độc lập khi sửa chữa.

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

Chương 2 tập trung phân loại và so sánh 5 phương thức phân loại sản phẩm tự động trong công nghiệp:

Tiêu chí phân loại Thiết bị nhận biết chính Đặc điểm công nghệ và ứng dụng tiêu biểu
Kích thước (Chiều cao) Cảm biến quang, cảm biến hồng ngoại Chi phí cảm biến thấp, lắp đặt đơn giản; dùng trong đóng chai, lọ, bao bì.
Khối lượng Cảm biến trọng lượng (Loadcell) Kiểm tra khối lượng đóng gói; ứng dụng trong nhà máy xi măng, phân bón.
Màu sắc Cảm biến màu (Color Sensor) Phân biệt màu xanh, đỏ, vàng; ứng dụng trong công nghiệp vải lụa, sản xuất sơn.
Hình ảnh Camera công nghiệp (Xử lý ảnh) Chụp ảnh so sánh với ảnh mẫu gốc; ứng dụng phân loại gạch granite.
Mã vạch Đầu đọc mã vạch (Barcode Reader) Độ chính xác cao, nhận dạng linh kiện máy móc, logistics phức tạp.

Đi sâu vào dây chuyền phân loại theo chiều cao, chương này mô tả chi tiết 5 cụm bộ phận chính: Bộ khung giá đỡ, băng tải, con lăn chủ động/bị động, hệ thống động lực và hệ thống điều khiển. Tác giả phân tích cấu tạo của động cơ bước, cấu tạo rơle nhiệt sử dụng phiến kim loại kép (hợp kim Invar chứa 36% Ni, 64% Fe kết hợp đồng thau có độ giãn nở nhiệt gấp 20 lần) và nguyên lý hoạt động của hai loại cảm biến quang điện OMRON (dạng thu - phát rời và dạng thu - phát chung phản xạ khuếch tán, cự ly nhận diện từ 20mm đến 30m).

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

Chương 3 trình bày lịch sử hình thành của PLC từ năm 1968 bởi nhóm kỹ sư General Motors và phân loại các dòng PLC trên thị trường (Siemens, Omron, Mitsubishi, Allen-Bradley). Cấu trúc phần cứng PLC gồm 3 khối: Khối nhận tín hiệu đầu vào, khối xử lý trung tâm CPU và khối xuất tín hiệu đầu ra; kết hợp 4 loại bộ nhớ: ROM, RAM (có pin nuôi), EPROM (xóa bằng tia cực tím) và EEPROM (xóa nạp bằng tín hiệu điện).

Dòng sản phẩm PLC Đặc tính cấp nguồn Loại ngõ ra số (Digital Output) Ưu điểm & Nhược điểm kỹ thuật
S7-200 (Nguồn AC) 220V AC (Đầu vào: 24V DC) Relay (Rơle) Đa dạng cấp điện áp tải (0V, 24V, 220V); thời gian đáp ứng đóng cắt chậm hơn.
S7-200 (Nguồn DC) 24V DC (Đầu vào: 24V DC) Transistor Đóng cắt tốc độ cao, điều chế độ rộng xung; chỉ xuất một mức điện áp 24V DC.

Tác giả phân tích cấu trúc bộ nhớ, định dạng dữ liệu, nguyên lý vòng quét xác định tính thời gian thực và hai phương pháp lập trình: Lập trình tuyến tính trong khối OB1 (phù hợp hệ thống quy mô nhỏ) và lập trình có cấu trúc (chia thành nhiều hàm chức năng cho bài toán phức tạp). Các đèn chỉ thị trạng thái trên CPU gồm: Đèn SF đỏ (báo lỗi phần cứng/hệ thống), đèn STOP vàng (trạng thái dừng) và đèn RUN xanh (trạng thái đang thực thi chương trình).

Chương 4: Thiết kế và xây dựng mô hình

Chương 4 là phần hiện thực hóa mô hình thực nghiệm của đồ án. Tác giả trình bày quy trình thiết kế hoàn chỉnh:

  • Thiết kế mô hình 3D tổng thể: Xây dựng bản vẽ không gian 3D của hệ thống khung đỡ, băng tải và các vị trí gá đặt cơ cấu chấp hành.
  • Tính toán vị trí lắp đặt cảm biến: Xác định tọa độ khoảng cách và cao độ lắp đặt các cảm biến quang điện phù hợp với kích thước các mẫu sản phẩm cần phân loại.
  • Xây dựng phần cơ khí: Gia công chế tạo khung thép, lắp đặt con lăn, căn chỉnh độ căng của băng tải PVC, tích hợp cụm động cơ bước và cơ cấu truyền động dây đai/bánh răng.
  • Lắp ráp hệ thống khí nén và mạch điện: Đấu nối hệ thống cấp khí, van điện từ và các xi lanh tay đẩy; hoàn thiện tủ điện điều khiển, đấu nối nguồn cấp, rơle trung gian và các cổng vào/ra (I/O) của PLC S7-200.
  • Xây dựng phần mềm điều khiển: Lập trình giải thuật phân loại trên phần mềm chuyên dụng, nạp chương trình vào CPU của PLC S7-200 và tiến hành chạy thử nghiệm phân loại sản phẩm theo chiều cao.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả cụ thể sau:

  • Tổng hợp hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết, công thức tính toán động lực học băng tải và phương pháp lựa chọn động cơ truyền động không đồng bộ trong công nghiệp.
  • Làm rõ cấu trúc kỹ thuật, nguyên lý hoạt động và phạm vi ứng dụng của các hệ thống phân loại sản phẩm tự động, đặc biệt là phương pháp phân loại theo chiều cao bằng cảm biến quang.
  • Khảo sát chi tiết cấu trúc phần cứng, bộ nhớ, cơ chế vòng quét và tập lệnh của bộ điều khiển khả trình PLC Siemens S7-200.
  • Thiết kế, gia công cơ khí và lắp ráp thành công mô hình băng tải phân loại sản phẩm theo chiều cao hoạt động đồng bộ giữa cảm biến quang, bộ điều khiển PLC và cơ cấu gạt khí nén.

Về mặt giải pháp, đồ án đề xuất việc ứng dụng bộ điều khiển PLC thay thế hoàn toàn các mạch rơle logic truyền thống trong khâu phân loại tại các xưởng sản xuất nhỏ. Giải pháp này giúp loại bỏ hệ thống dây nối phức tạp, nâng cao tính linh hoạt khi cần thay đổi quy trình công nghệ và đảm bảo độ tin cậy vận hành trong môi trường công nghiệp.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết tính toán kỹ thuật điện - cơ khí và triển khai thi công mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh, cung cấp quy trình thiết kế mẫu từ khâu tính toán lực, lựa chọn thiết bị đến lập trình điều khiển tự động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Bên cạnh các kết quả đạt được, đồ án tồn tại một số hạn chế do tác giả tự nhận định và giới hạn phạm vi nghiên cứu:

  • Do giới hạn về mặt thời gian thực hiện và kinh nghiệm thực tế, hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thí nghiệm phục vụ học tập, chưa khảo sát đầy đủ độ bền cơ học và tính ổn định khi vận hành liên tục dưới tải trọng công nghiệp lớn.
  • Dòng PLC sử dụng là Siemens S7-200, hiện là thế hệ điều khiển cũ so với các dòng PLC hiện đại trên thị trường.
  • Mô hình chỉ thực hiện phân loại đơn tiêu chí theo chiều cao bằng cảm biến quang, chưa tích hợp nhận diện đa thông số.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài gồm:

  • Nâng cấp bộ điều khiển trung tâm lên các dòng PLC thế hệ mới hơn như Siemens S7-1200 hoặc S7-1500 để mở rộng khả năng truyền thông mạng công nghiệp (Profinet/Modbus).
  • Tích hợp thêm các cảm biến tải trọng (Loadcell) và camera xử lý ảnh công nghiệp để xây dựng hệ thống phân loại phức hợp theo cả chiều cao, khối lượng và hình thái bề mặt sản phẩm.
  • Mở rộng chức năng đếm số lượng sản phẩm, hiển thị số liệu lên màn hình giao diện người - máy (HMI) hoặc hệ thống giám sát SCADA.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích dành cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Điện Tự động công nghiệp, Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật điều khiển khi thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp liên quan đến hệ thống băng tải và lập trình PLC.
  • Giảng viên và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm cần tài liệu hướng dẫn xây dựng mô hình thực hành điều khiển logic khả trình và cơ điện tử.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ đang tìm kiếm giải pháp cải tiến, tự động hóa công đoạn phân loại sản phẩm với chi phí hợp lý.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong văn bản gồm: Phương pháp tính toán công suất động cơ băng tải (Chương 1); Nguyên lý bố trí cảm biến quang và phân tích cấu tạo rơle nhiệt (Chương 2); Cấu trúc vào/ra và kỹ thuật kết nối phần cứng PLC Siemens S7-200 (Chương 3); Quy trình thiết kế, chế tạo cơ khí và ghép nối hệ thống khí nén cho mô hình phân loại (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Trong công nghệ vi sinh, băng gàu được sử dụng với thông số kỹ thuật như thế nào?
Trong công nghệ vi sinh để sản xuất môi trường dinh dưỡng, nguyên liệu dạng hạt được vận chuyển bằng băng gàu lên các nồi tiệt trùng đặt tại các tầng cao của tòa nhà ở độ cao khoảng 40m với góc nghiêng lớn hơn $60^\circ$.

2. Băng tải ống có những ưu điểm gì vượt trội so với băng tải lòng máng thông thường?
Băng tải ống cuốn các cạnh băng thành hình ống tròn bằng các con lăn xếp hình lục giác. Cấu trúc này giúp bao bọc kín vật liệu, chống rơi vãi, bảo vệ môi trường, không bị ảnh hưởng bởi thời tiết, có khả năng uốn cong với bán kính nhỏ và hoạt động được ở độ dốc lớn với góc nghiêng vượt quá $30^\circ$.

3. Động cơ bước (Step Motor) được lựa chọn kéo băng tải trong mô hình vì lý do gì?
Động cơ bước được chọn vì đáp ứng yêu cầu băng tải di chuyển ở tốc độ chậm vừa phải, lực kéo khỏe và chuyển động đều. Về mặt điều khiển học, động cơ bước biến đổi các xung điện rời rạc thành góc quay chính xác mà không quay trôi tự do, giúp kiểm soát vị trí vật thể với độ chính xác cao.

4. Rơle nhiệt sử dụng phiến kim loại kép có cấu tạo từ những vật liệu nào?
Phiến kim loại kép của rơle nhiệt cấu tạo từ hai tấm kim loại cán nóng hoặc hàn dính vào nhau: Một tấm có hệ số giãn nở nhiệt bé (sử dụng hợp kim Invar gồm 36% Niken, 64% Sắt) và một tấm có hệ số giãn nở nhiệt lớn (đồng thau hoặc thép crôm - niken, trong đó đồng thau giãn nở gấp 20 lần Invar).

5. Đèn chỉ thị trạng thái SF trên module CPU của PLC Siemens S7-200 có ý nghĩa gì?
Đèn SF (màu đỏ) là đèn báo lỗi hệ thống (System Fault). Đèn này sẽ phát sáng khi PLC gặp sự cố về mặt phần cứng hoặc xảy ra lỗi nghiêm trọng trong hệ thống.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Quang Huy đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ nghiên cứu tổng quan về các thiết bị vận tải liên tục trong công nghiệp và thiết kế chế tạo thành công mô hình băng tải phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng PLC Siemens S7-200. Công trình kết hợp chặt chẽ giữa các công thức tính toán động lực học truyền động điện, phân tích thiết bị cảm biến đo lường và kỹ thuật lập trình điều khiển tự động. Kết quả thực nghiệm của mô hình cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao, hỗ trợ hiệu quả cho việc tự động hóa khâu phân loại sản phẩm tại các cơ sở sản xuất và là tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên ngành Điện Tự động công nghiệp.