Giới thiệu dự án

Trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0 và chuyển đổi số quy trình sản xuất, tự động hóa đóng vai trò xương sống nhằm tối ưu hóa năng suất, cắt giảm chi phí vận hành và triệt tiêu sai sót do con người. Theo thống kê từ Tổ chức Lao động Quốc tế (ILO) và các hiệp hội tự động hóa sản xuất, các công đoạn kiểm tra và phân loại thủ công lặp đi lặp lại chiếm tới 25-35% tổng thời gian đóng gói và tiềm ẩn tỷ lệ lỗi phân loại từ 8% đến 12% do sự suy giảm tập trung của người lao động.

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng dùng PLC S7-1200" do sinh viên Phạm Thế Duyệt (Ngành Tự động hóa, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Kinh doanh và Công nghệ Hà Nội) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Hội, tập trung giải quyết triệt để bài toán tự động hóa khâu kiểm soát trọng lượng và định tuyến dòng sản phẩm trong dây chuyền công nghiệp.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI TỰ ĐỘNG                             |
|                                                                               |
|   [Đặt vật] --> [Bàn Cân Loadcell YZC-133]                                    |
|                       |                                                       |
|                  (Trễ 1.5s)                                                   |
|                       v                                                       |
|               [Xi lanh đẩy 1]                                                 |
|                       |                                                       |
|                       v                                                       |
|             ====== BĂNG TẢI DÂY ĐAI ======                                    |
|             |                            |                                    |
|    (Cảm biến quang 1)           (Cảm biến quang 2)           (Điểm cuối)      |
|             |                            |                        |           |
|             v                            v                        v           |
|      [Xi lanh gạt 2]              [Xi lanh gạt 3]            [Thùng chứa 3]   |
|             |                            |                        |           |
|             v                            v                        v           |
|     Thùng 1 (0.1-0.5kg)          Thùng 2 (0.5-1.0kg)        Thùng 3 (>1.0kg)  |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế và thi công hệ thống cơ điện tử tích hợp: Xây dựng mô hình băng tải dây đai vận hành liên tục bằng động cơ giảm tốc DC 24V, kết hợp trạm cân tĩnh và 3 cụm chấp hành khí nén.
  2. Tích hợp cảm biến đo lường chính xác cao: Ghép nối cảm biến lực Loadcell YZC-133 (tải trọng 5kg, độ nhạy $1.15\text{ mV/V}$) với đầu cân hiển thị Laumas W100, truyền thông dữ liệu về bộ điều khiển.
  3. Phát triển chương trình điều khiển logic trên PLC Siemens S7-1200: Sử dụng CPU 1214C AC/DC/RLY và phần mềm TIA Portal để lập trình phân loại 3 dải khối lượng: Nhỏ ($0.1 - 0.5\text{ kg}$), Trung bình ($0.5 - 1.0\text{ kg}$) và Lớn ($> 1.0\text{ kg}$).
  4. Hiện thực hóa giải thuật an toàn và chẩn đoán sự cố: Giám sát áp suất khí nén và hành trình cơ cấu chấp hành với cơ chế ngắt bảo vệ tự động sau $5.0\text{ s}$ timeout và nhấp nháy đèn báo lỗi chu kỳ $0.5\text{ s}$.

Giải pháp tiếp cận và phạm vi nghiên cứu

Đồ án lựa chọn giải pháp cấu trúc 1 băng tải trung tâm kết hợp trạm cân đầu vào và cơ cấu phân nhánh khí nén. Phương án này giúp giảm 45% chi phí chế tạo cơ khí so với hệ thống đa băng tải phức tạp, đồng thời đảm bảo tính linh hoạt khi thay đổi dải cân phân loại thông qua cấu hình phần mềm.

  • Kết quả kỳ vọng: Tốc độ xử lý đạt $12 - 15\text{ sản phẩm/phút}$, độ chính xác phân loại đạt trên $98.5%$, sai số khối lượng $\le \pm 2\text{ g}$.
  • Phạm vi & Giới hạn: Áp dụng cho các sản phẩm dạng khối thể rắn có khối lượng từ $0.1\text{ kg}$ đến $5.0\text{ kg}$, hoạt động trong môi trường phòng thí nghiệm/nhà xưởng tiêu chuẩn (nhiệt độ $-20^\circ\text{C} \sim 65^\circ\text{C}$).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng và đánh giá công nghệ

Trong các nhà máy đóng gói thực phẩm, nông sản và linh kiện, hiện diện 3 phương pháp phân loại sản phẩm chính:

Tiêu chí so sánh Phân loại thủ công Phân loại cơ học / Kích thước Phân loại khối lượng PLC S7-1200
Độ chính xác Thấp ($85 - 90%$, phụ thuộc con người) Trung bình ($90 - 93%$) Rất cao ($> 98.5%$, kiểm soát số hóa)
Tốc độ xử lý $5 - 8\text{ sp/phút}$ $10 - 12\text{ sp/phút}$ $15 - 20\text{ sp/phút}$
Tính linh hoạt Kém Kém (phải thay đổi cữ cơ khí) Cực cao (cài đặt ngưỡng trên phần mềm/HMI)
Độ ổn định 24/7 Không đảm bảo (mệt mỏi lao động) Khá tốt nhưng dễ mòn cơ khí Hoàn hảo (chuẩn công nghiệp Siemens)
Khả năng mở rộng SCADA Không có Không có Sẵn sàng qua cổng PROFINET / RS485

Yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc):
    • Đọc chính xác giá trị trọng lượng từ trạm cân Loadcell qua đầu cân W100.
    • Điều khiển động cơ băng tải DC chạy/dừng mượt mà.
    • Kích hoạt chính xác 3 xi lanh khí nén gạt sản phẩm vào đúng khay chứa.
    • Tự động phát hiện lỗi mất khí nén/kẹt cơ cấu đẩy trong vòng $5.0\text{ s}$.
  • Should have (Nên có):
    • Đèn chỉ báo trạng thái hoạt động Run/Stop và chế độ cảnh báo nháy chu kỳ $0.5\text{ s}$.
    • Cơ chế bù trừ tải tĩnh (Tare/Zero calibration) tự động trên đầu cân W100.
  • Could have (Có thể có):
    • Module truyền thông CM1241 RS422/485 kết nối mạng Modbus RTU gửi dữ liệu lên máy tính PC giám sát.
  • Won't have (Chưa thực hiện):
    • Nhận dạng hình ảnh phân loại màu sắc bằng Camera AI công nghiệp (dành cho giai đoạn nâng cấp tiếp theo).

Thiết kế kiến trúc hệ thống

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                            KIẾN TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG                          |
|                                                                                   |
|  +------------------------+                     +------------------------------+  |
|  |   KHỐI THU TÍN HIỆU    |                     |     KHỐI ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM |  |
|  | - Loadcell YZC-133 5kg |                     |                              |  |
|  | - Mạch cầu Wheatstone  |                     |  SIEMENS SIMATIC S7-1200     |  |
|  |          |             |                     |  CPU 1214C AC/DC/RLY         |  |
|  |          v             |                     |  (6ES7214-1BG40-0XB0)        |  |
|  | - Đầu cân Laumas W100  |---(Analog/RS485)--->|  - 14 Digital Inputs (24VDC) |  |
|  +------------------------+                     |  - 10 Relay Outputs (2A)     |  |
|                                                 |  - 2 Analog Inputs (0-10V)   |  |
|  +------------------------+                     |  - PROFINET Port             |  |
|  |   KHỐI CẢM BIẾN VÀO    |                     +------------------------------+  |
|  | - Nút nhấn Start/Stop  |                                    |                  |
|  | - Nút Reset báo lỗi    |---(Tín hiệu DI 24VDC)--------------+                  |
|  | - 3x Cảm biến quang    |                                    |                  |
|  |   NPN (3 - 10cm)       |                                    v                  |
|  +------------------------+                     +------------------------------+  |
|                                                 |        KHỐI ĐẦU RA           |  |
|  +------------------------+                     | - Động cơ DC giảm tốc 24V    |  |
|  |      KHỐI NGUỒN        |                     |   mã 370 115rpm (Băng tải)   |  |
|  | - Nguồn tổ ong 12V-5A  |---(Cấp nguồn DC)--->| - 3x Van điện từ Airtac      |  |
|  | - Nguồn công nghiệp 24V|                     |   4V210-08 (5/2, DC24V)      |  |
|  +------------------------+                     | - 3x Xi lanh Airtac MAL16x50 |  |
|                                                 +------------------------------+  |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Danh mục công nghệ và thiết bị phần cứng

  1. Bộ điều khiển lập trình PLC: Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY (Mã sản phẩm: 6ES7214-1BG40-0XB0), bộ nhớ làm việc $100\text{ KB}$, tích hợp cổng PROFINET và bộ đếm tốc độ cao HSC.
  2. Module truyền thông mở rộng: Siemens CM1241 RS422/485 (Mã sản phẩm: 6ES7241-1CH32-0XB0) hỗ trợ giao thức Modbus RTU / Freeport.
  3. Cảm biến lực & Bộ chỉ thị cân:
    • Cảm biến trọng lượng Loadcell Model YZC-133 tải trọng $5\text{ kg}$, cấu tạo cầu Wheatstone với trở kháng đầu vào $1066 \pm 20,\Omega$, trở kháng ngõ ra $1000 \pm 20,\Omega$.
    • Đầu cân chuyên dụng Laumas W100/W100ANA, hiển thị LED 6 chữ số 7 đoạn (cao 14mm), tích hợp bộ lọc số chống rung, độ phân giải 16-bit analog output, đạt chuẩn bảo vệ IP54.
  4. Cơ cấu chấp hành khí nén:
    • 03 Xi lanh khí nén tác động kép Airtac MAL16x50 (đường kính nòng $D = 16\text{ mm}$, hành trình $L = 50\text{ mm}$).
    • 03 Van điện từ khí nén Airtac 4V210-08 loại 5 cửa 2 vị trí (5/2), cuộn coil DC 24V, dải áp suất hoạt động $0.15 - 0.8\text{ MPa}$.
  5. Động cơ truyền động: Động cơ giảm tốc nam châm vĩnh cửu DC 12V-24V mã 370, tốc độ không tải $115\text{ rpm}$, dòng không tải $50\text{ mA}$.
  6. Cảm biến phát hiện vị trí: 03 Cảm biến quang điện ngõ ra NPN thường mở (NO), dải đo phát hiện $3 - 10\text{ cm}$, nguồn cấp $6 - 24\text{ VDC}$.
  7. Phần mềm kỹ thuật: TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) V16, lập trình theo chuẩn IEC 61131-3 (ngôn ngữ LAD/FBD/SCL).

Cơ sở tính toán cơ học và khí nén

Nguyên lý cầu Wheatstone trên Loadcell

Biến thiên điện áp ngõ ra $E_m$ từ Loadcell khi chịu biến dạng cơ học được xác định theo phương trình vi sai:

$$E_m = \frac{V_s}{4} \left[ \frac{\Delta R_1}{R_1} - \frac{\Delta R_2}{R_2} + \frac{\Delta R_3}{R_3} - \frac{\Delta R_4}{R_4} \right]$$

Trong đó $V_s = 5\text{ VDC}$ là điện áp kích thích (excitation voltage), $R_i$ là điện trở danh định của các strain gauge dán trên thân hợp kim nhôm đàn hồi.

Tính toán lực đẩy xi lanh khí nén

Lực đẩy tịnh tiến khi mở rộng piston ($F_{\text{tiến}}$) được tính toán theo công thức:

$$F_{\text{tiến}} = p \cdot A = p \cdot \frac{\pi \cdot D^2}{4}$$

Với đường kính nòng xi lanh $D = 16\text{ mm} = 0.016\text{ m}$, diện tích bề mặt piston $A = \frac{\pi \times (0.016)^2}{4} \approx 2.01 \times 10^{-4}\text{ m}^2$. Để tạo ra lực đẩy an toàn nhằm gạt sản phẩm rơi êm vào khay ($F_{\text{tiến}} \in [2\text{ N}, 4\text{ N}]$):

$$p_{\text{min}} = \frac{2}{2.01 \times 10^{-4}} \approx 9950\text{ Pa} \approx 0.1\text{ bar}$$

$$p_{\text{max}} = \frac{4}{2.01 \times 10^{-4}} \approx 19900\text{ Pa} \approx 0.2\text{ bar}$$

Thực tế hệ thống sử dụng nguồn cấp khí nén $0.2 - 0.4\text{ MPa}$ qua van điều áp và tiết lưu khí nhằm triệt tiêu rung giật cơ khí khi thanh piston dịch chuyển hành trình $50\text{ mm}$.

Implementation và kết quả

Quy trình phân công địa chỉ I/O trên PLC S7-1200

Ký hiệu Tag Địa chỉ PLC Loại dữ liệu Chức năng chi tiết
btn_Start I0.0 Bool Nút nhấn khởi động hệ thống (NO)
btn_Stop I0.1 Bool Nút nhấn dừng khẩn cấp hệ thống (NC)
btn_Reset I0.2 Bool Nút nhấn xóa trạng thái báo lỗi và khởi động lại
ss_Scale I0.3 Bool Cảm biến phát hiện vật trên bàn cân
ss_Opt1 I0.4 Bool Cảm biến quang phát hiện vật tại vị trí Xi lanh 2
ss_Opt2 I0.5 Bool Cảm biến quang phát hiện vật tại vị trí Xi lanh 3
q_Conveyor Q0.0 Bool Điều khiển đóng cắt Rơ-le động cơ băng tải DC
q_Cylinder1 Q0.1 Bool Điều khiển Van Solenoid xi lanh 1 (đẩy vào băng tải)
q_Cylinder2 Q0.2 Bool Điều khiển Van Solenoid xi lanh 2 (phân loại $0.1-0.5\text{kg}$)
q_Cylinder3 Q0.3 Bool Điều khiển Van Solenoid xi lanh 3 (phân loại $0.5-1.0\text{kg}$)
q_LampRun Q0.4 Bool Đèn báo trạng thái hệ thống đang chạy (Xanh)
q_LampFault Q0.5 Bool Đèn báo trạng thái lỗi kẹt/áp suất khí nén (Đỏ)

Thuật toán điều khiển hệ thống (Ladder Logic / SCL)

// =============================================================================
// THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PHÂN LOẠI KHỐI LƯỢNG VÀ BẢO VỆ ÁP SUẤT
// Thực thi trong Tổ chức Khối OB1 - Chu kỳ quét định thời PLC S7-1200
// =============================================================================

REGION Khoi_Dong_He_Thong
    // Mạch duy trì chạy hệ thống an toàn
    IF "btn_Start" AND NOT "btn_Stop" AND NOT "b_SysFault" THEN
        "b_SysRun" := TRUE;
    ELSIF "btn_Stop" OR "b_SysFault" THEN
        "b_SysRun" := FALSE;
    END_IF;
    "q_LampRun" := "b_SysRun";
END_REGION

REGION Xu_Ly_Tin_Hieu_Can
    // Khi có sản phẩm đặt lên bàn cân, định thời 1.5s để ổn định dao động
    "ton_Stabilize"(IN := "b_SysRun" AND "ss_Scale",
                    PT := T#1500MS);
    
    // Giám sát an toàn: Lỗi nếu sau 5s không đẩy được vật ra khỏi bàn cân
    "ton_FaultWatch"(IN := "b_SysRun" AND "ss_Scale" AND NOT "b_PushedToBelt",
                     PT := T#5000MS);
    
    IF "ton_FaultWatch".Q THEN
        "b_SysFault" := TRUE; // Kích hoạt cờ lỗi hệ thống
    END_IF;

    // Reset lỗi khi nhấn nút Reset
    IF "btn_Reset" THEN
        "b_SysFault" := FALSE;
    END_IF;

    // Đọc khối lượng và phân loại sau khi cân ổn định
    IF "ton_Stabilize".Q AND NOT "b_WeighDone" THEN
        "r_CurrentWeight" := "w_RawWeight"; // Đọc từ đầu cân W100
        
        IF ("r_CurrentWeight" >= 0.1) AND ("r_CurrentWeight" < 0.5) THEN
            "i_ProductClass" := 1; // Loại nhỏ
        ELSIF ("r_CurrentWeight" >= 0.5) AND ("r_CurrentWeight" <= 1.0) THEN
            "i_ProductClass" := 2; // Loại trung bình
        ELSIF ("r_CurrentWeight" > 1.0) THEN
            "i_ProductClass" := 3; // Loại lớn
        END_IF;
        
        "b_WeighDone" := TRUE;
        "q_Cylinder1" := TRUE;  // Xi lanh 1 duỗi ra đẩy vật lên băng tải
        "q_Conveyor"  := TRUE;  // Băng tải hoạt động chuyển hàng
    END_IF;
END_REGION

REGION Phap_Phan_Loai_Co_Cau_Gat
    // Phân loại 1: Đẩy sản phẩm nhẹ (0.1 - 0.5kg) vào Thùng 1
    IF "ss_Opt1" AND ("i_ProductClass" = 1) THEN
        "q_Cylinder2" := TRUE; // Kích hoạt xi lanh 2 gạt hàng
    END_IF;
    
    // Phân loại 2: Đẩy sản phẩm trung bình (0.5 - 1.0kg) vào Thùng 2
    IF "ss_Opt2" AND ("i_ProductClass" = 2) THEN
        "q_Cylinder3" := TRUE; // Kích hoạt xi lanh 3 gạt hàng
    END_IF;
    
    // Phân loại 3: Sản phẩm nặng (> 1.0kg) tự động trôi về cuối băng tải
    // Sau khi xi lanh hoàn tất hành trình, thu hồi xi lanh và reset trạng thái chu kỳ
    "ton_CylRetract"(IN := "q_Cylinder2" OR "q_Cylinder3" OR ("ss_Opt2" AND "i_ProductClass" = 3),
                     PT := T#800MS);
    
    IF "ton_CylRetract".Q THEN
        "q_Cylinder1" := FALSE;
        "q_Cylinder2" := FALSE;
        "q_Cylinder3" := FALSE;
        "b_WeighDone" := FALSE;
        "i_ProductClass" := 0;
    END_IF;
END_REGION

REGION Canh_Bao_Su_Co
    // Nhấp nháy đèn báo lỗi chu kỳ 0.5s khi phát hiện sự cố mất áp suất khí
    IF "b_SysFault" THEN
        "q_LampFault" := "Clock_2Hz"; // Sử dụng Clock Memory byte của S7-1200
        "q_Conveyor" := FALSE;
    ELSE
        "q_LampFault" := FALSE;
    END_IF;
END_REGION

Kết quả thử nghiệm và kiểm chứng thực tế

Hệ thống đã trải qua quá trình chạy nghiệm thu liên tục với 150 mẫu thử phân bố đều qua 3 dải tải trọng:

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      KẾT QUẢ PHÂN LOẠI THỰC NGHIỆM (150 MẪU)                  |
|                                                                               |
|  Dải 0.1 - 0.5kg  [================================================] 98.0%    |
|  Dải 0.5 - 1.0kg  [==================================================] 100%   |
|  Dải > 1.0kg      [================================================] 98.0%    |
|                                                                               |
|  Độ chính xác trung bình toàn hệ thống: 98.67%                                |
|  Thời gian chu kỳ cân trung bình: 1.5 giây                                    |
|  Tỷ lệ phát hiện lỗi kẹt khí nén bảo vệ: 100% (sau 5.0s ngắt an toàn)         |
+-------------------------------------------------------------------------------+
  • Hiệu năng định lượng: Thời gian ổn định trọng lượng thực tế đạt $1.5\text{ s}$, độ lặp lại của phép đo trên Loadcell YZC-133 đạt sai số tuyệt đối $\Delta m \le \pm 1.5\text{ g}$.
  • Hiệu năng chấp hành: Thời gian đáp ứng của van điện từ Airtac 4V210-08 kết hợp xi lanh MAL16x50 là $110 - 130\text{ ms}$, không xảy ra hiện tượng kẹt cơ khí hay va đập móp méo mẫu thử.

Đổi mới và đóng góp kỹ thuật

  1. Ứng dụng đầu cân công nghiệp Laumas W100 với bộ lọc số chuyên dụng:
    • Đổi mới: Thay vì đọc tín hiệu điện áp micro-volt ($\mu\text{V}$) thô từ Loadcell qua module Analog đắt tiền dễ bị nhiễu do động cơ DC, đề tài sử dụng đầu cân W100 tích hợp bộ lọc số trung bình trượt và chống rung.
    • Hiệu quả: Tăng tỷ lệ ổn định tín hiệu lên 40%, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng nhảy số cân do dao động cơ khí của khung băng tải.
  2. Cơ chế chẩn đoán an toàn 2 cấp (Dual-stage Fault Detection):
    • Đổi mới: Tích hợp logic Timer TON kiểm soát dòng thời gian hành trình. Nếu sau $5.0\text{ s}$ kể từ khi phát hiện sản phẩm mà xi lanh không thể hoàn tất chu trình đẩy (do sụt áp khí nén hoặc kẹt cơ khí), hệ thống lập tức ngắt toàn bộ đầu ra và cảnh báo đèn nháy.
    • Hiệu quả: Bảo vệ tuổi thọ cuộn coil van điện từ và chống cháy động cơ băng tải, giảm thiểu rủi ro hư hỏng phần cứng.
  3. Tối ưu hóa chi phí đầu tư phần cứng:
    • Chi phí thi công mô hình hoàn thiện chỉ bằng xấp xỉ $15%$ so với các trạm Checkweigher nhập khẩu nguyên chiếc từ Châu Âu/Nhật Bản, mở ra tiềm năng ứng dụng lớn cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.

Ứng dụng thực tế và triển khai

+---------------------------------------------------------------------------------+
|                       LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI VÀ KHẢ NĂNG MỞ RỘNG                   |
|                                                                                 |
|  [Mô hình Hiện tại]               [Triển khai Nhà máy]          [Nhà máy Thông minh] |
|  - Cân tĩnh trạm dừng (1.5s)  -->  - Cân động Dynamic Check -->  - Tích hợp Vision AI |
|  - PLC S7-1200 Standalone         - Mạng PROFINET / SCADA       - MES / ERP Cloud IoT|
|  - 3 Kênh phân loại khí nén       - 5-8 Cửa xả Servo/Pneumatic  - Tự động In/Dán nhãn|
+---------------------------------------------------------------------------------+

Kịch bản ứng dụng trong sản xuất thực tế

  • Chế biến và phân loại nông sản: Ứng dụng trong dây chuyền đóng gói xoài, thanh long, bưởi xuất khẩu theo barem kích thước và khối lượng tiêu chuẩn.
  • Sản xuất gạch ngói, vật liệu xây dựng: Kiểm tra trọng lượng gạch sau ép nhằm phát hiện sớm các sản phẩm rỗ xốp, nứt vỡ trong lõi trước khi vào lò nung.
  • Bưu chính & Logistics: Tự động chia chọn bưu kiện, gói hàng thương mại điện tử ($0.1 - 5.0\text{ kg}$) tại các trạm trung chuyển hàng hóa bưu chính.

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Chi phí nhân công truyền thống: 02 nhân công kiểm tra và cân sản phẩm thủ công tiêu tốn khoảng $120 - 150\text{ triệu VNĐ/năm}$.
  • Chi phí đầu tư trạm tự động hóa: Khoảng $45 - 60\text{ triệu VNĐ}$ (cho dây chuyền thực tế cấp công nghiệp).
  • Thời gian hoàn vốn (Payback Period): Chỉ từ $4 - 6\text{ tháng}$, đồng thời nâng cao công suất phân loại lên gấp $2.5\text{ lần}$.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  1. Phương pháp cân tĩnh: Sản phẩm cần dừng lại $1.5\text{ s}$ trên bàn cân để ổn định dao động, chưa thực hiện được chế độ cân động liên tục (Dynamic Checkweighing) khi hàng đang trôi trên băng chuyền.
  2. Số lượng kênh phân loại: Hiện tại hệ thống mới phân loại thành 3 khay chứa cố định.
  3. Môi trường sử dụng: Cần bổ sung bộ lọc khí tách nước để duy trì độ bền cho xi lanh trong điều kiện độ ẩm cao.

Hướng phát triển đề xuất

  • Tích hợp cảm biến cân động (Dynamic Loadcell): Kết hợp thuật toán lọc Kalman trên PLC để đọc giá trị khối lượng chính xác ngay khi vật phẩm đang di chuyển với vận tốc $0.5\text{ m/s}$.
  • Mở rộng giao diện điều khiển HMI & SCADA: Sử dụng màn hình cảm ứng Siemens KTP700 Basic kết nối qua cáp mạng PROFINET, cho phép cài đặt dải trọng lượng linh hoạt và lưu trữ nhật ký sản xuất vào cơ sở dữ liệu SQL Server.
  • Tích hợp xử lý ảnh công nghiệp (Machine Vision): Kết hợp camera quét mã vạch/QR code và phân loại song song cả màu sắc, khuyết tật bề mặt lẫn khối lượng.

Đối tượng hưởng lợi

+---------------------------------------------------------------------------------+
|                              GIÁ TRỊ MANG LẠI                                   |
|                                                                                 |
|  [Sinh viên & Nghiên cứu sinh]  --> Nắm vững kiến trúc phần cứng S7-1200,       |
|                                     kỹ thuật xử lý tín hiệu cân & khí nén.      |
|                                                                                 |
|  [Kỹ sư Tự động hóa]           --> Mẫu thiết kế chuẩn mực tích hợp PLC,        |
|                                     đầu cân W100, bảo vệ bẫy lỗi Timer an toàn. |
|                                                                                 |
|  [Doanh nghiệp Sản xuất SMEs]  --> Giải pháp nâng cấp tự động hóa tin cậy,      |
|                                     thu hồi vốn nhanh, tối ưu hóa chi phí.      |
+---------------------------------------------------------------------------------+
  • Sinh viên ngành Cơ điện tử / Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh từ lý thuyết tính toán lực khí nén, nguyên lý cầu Wheatstone đến mã nguồn Ladder Logic chuyên nghiệp.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống: Nắm bắt giải pháp xử lý triệt để bài toán chống nhiễu tín hiệu cảm biến tải và kỹ thuật cấu hình đầu cân Laumas W100 trong môi trường công nghiệp.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ: Sở hữu giải pháp tự động hóa dây chuyền đóng gói chi phí thấp, linh hoạt chuyển đổi quy cách đóng gói mà không phụ thuộc vào tay nghề công nhân.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu phần cứng tối thiểu để triển khai lại mô hình này là gì?

Hệ thống yêu cầu 01 PLC Siemens S7-1200 (CPU 1211C hoặc 1214C), 01 Loadcell tải trọng phù hợp ($1 - 5\text{ kg}$) chuẩn ngõ ra $1 - 2\text{ mV/V}$, 01 đầu cân hiển thị Laumas W100, 02 cảm biến quang NPN $24\text{ VDC}$, cụm van và xi lanh khí nén tác động kép có hành trình tương thích với bề rộng băng tải, cùng nguồn cấp DC $24\text{ V}$ và bình tích áp khí nén tối thiểu $4\text{ bar}$.

2. Làm thế nào để cải thiện tốc độ phân loại cao hơn 15 sản phẩm/phút?

Để gia tăng năng suất, cần nâng cấp sang cơ chế cân động (Dynamic Checkweighing). Khi đó, cảm biến lực được lắp trực tiếp dưới một module băng tải cân riêng biệt, sử dụng thuật toán lọc số FIR/Kalman trên PLC để xác định khối lượng trong thời gian $< 300\text{ ms}$ mà không cần dừng chuyển động của sản phẩm.

3. Đầu cân Laumas W100 kết nối với PLC S7-1200 qua các giao thức nào?

Đầu cân W100 hỗ trợ 3 phương thức giao tiếp chính với PLC:

  • Xuất tín hiệu Analog $0 - 10\text{ V}$ hoặc $4 - 20\text{ mA}$ tương ứng với dải cân vào cổng AI của PLC.
  • Xuất các ngõ ra Relay đặt ngưỡng logic trực tiếp vào ngõ vào số DI của PLC.
  • Truyền thông mạng công nghiệp RS485 chuẩn giao thức Modbus RTU thông qua Module Siemens CM1241.

4. Hệ thống xử lý thế nào khi xảy ra hiện tượng kẹt cơ khí hoặc mất nguồn khí nén?

Chương trình tích hợp khối Timer giám sát (ton_FaultWatch) thời gian $5.0\text{ s}$. Nếu sản phẩm nằm trên bàn cân quá thời gian cho phép mà không được đẩy sang băng tải, PLC sẽ tự động ngắt toàn bộ rơ-le chấp hành, khóa lệnh chạy băng tải và kích hoạt đèn báo sự cố Q0.5 nhấp nháy tần số $2\text{ Hz}$. Người vận hành sau khi xử lý kẹt chỉ cần nhấn nút Reset (I0.2) để đưa hệ thống về trạng thái sẵn sàng.

5. Dự toán ngân sách và thời gian bảo trì định kỳ của hệ thống như thế nào?

Chi phí linh kiện cho mô hình thực nghiệm dao động từ $10 - 15\text{ triệu VNĐ}$. Trong môi trường sản xuất công nghiệp, hệ thống cần được bảo dưỡng định kỳ mỗi 3 tháng/lần: tra dầu bôi trơn khí nén cho xi lanh, vệ sinh bụi quang học trên bề mặt cảm biến quang và hiệu chuẩn lại điểm Zero (Calib) của đầu cân bằng quả cân chuẩn F1.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng dùng PLC S7-1200" của tác giả Phạm Thế Duyệt đã hoàn thành xuất sắc toàn bộ mục tiêu đề ra: từ việc nghiên cứu lý thuyết cảm biến biến dạng, tính chọn cơ cấu khí nén, thiết kế tủ điện điều khiển, đến việc lập trình làm chủ hệ thống trên nền tảng Siemens TIA Portal.

Sự kết hợp ăn khớp giữa bộ điều khiển lập trình công nghiệp PLC S7-1200 CPU 1214C, đầu cân hiển thị thông minh Laumas W100 và cơ cấu cơ khí băng tải khí nén đã mang lại một giải pháp tự động hóa ổn định, chính xác ($98.67%$) và an toàn cao. Đề tài không chỉ là công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật xuất sắc tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Kinh doanh và Công nghệ Hà Nội, mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn to lớn trong việc nâng cao năng suất cho ngành công nghiệp sản xuất và logistics hiện đại.