I. Tổng quan hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc chiều cao
Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc, chiều cao đóng vai trò then chốt trong dây chuyền sản xuất công nghiệp. Mô hình nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM năm 2025 tập trung giải quyết bài toán tự động hóa khâu hậu cần. Dây chuyền vận chuyển hàng hóa liên tục qua các trạm kiểm tra kỹ thuật. Cảm biến thực hiện nhiệm vụ thu thập tín hiệu quang học và kích thước vật lý. Bộ xử lý trung tâm phân tích dữ liệu tức thời. Cơ cấu chấp hành điều hướng sản phẩm về đúng vị trí quy định. Giải pháp này giúp cắt giảm thời gian kiểm định thủ công. Doanh nghiệp hạn chế tối đa sai sót do yếu tố con người gây ra. Tốc độ lưu thông hàng hóa trong nhà xưởng được cải thiện rõ rệt. Đồ án kỹ thuật điện tử cung cấp nền tảng thiết kế hoàn chỉnh cho sinh viên kỹ thuật. Toàn bộ thiết kế hướng tới khả năng vận hành bền bỉ và dễ bảo trì. Mô hình đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện đại. Sự kết hợp giữa cơ khí và điện tử tạo ra bước tiến quan trọng cho quy trình đóng gói.
1.1. Mục tiêu nghiên cứu đồ án tốt nghiệp tại HCMUTE
Đề tài tốt nghiệp năm 2025 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM hướng đến mục tiêu xây dựng dây chuyền phân loại tự động. Nhóm nghiên cứu tập trung tích hợp các kiến thức chuyên ngành điện - điện tử vào ứng dụng thực tế. Hệ thống cần phân biệt chính xác hai tiêu chí gồm màu sắc và chiều cao vật phẩm. Dự án đặt trọng tâm vào việc thiết kế phần cứng ổn định và tối ưu chi phí chế tạo. Thiết bị phải vận hành an toàn trong môi trường phòng thí nghiệm và nhà xưởng. Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ điều khiển tiên tiến vào dây chuyền đóng gói.
1.2. Vai trò của tự động hóa trong phân loại sản phẩm
Tự động hóa giữ vai trò quyết định trong việc nâng cao năng suất sản xuất công nghiệp hiện đại. Việc phân loại hàng hóa thủ công thường tiêu tốn nhiều thời gian và nhân lực. Sai sót trong quá trình kiểm tra bằng mắt thường gây ảnh hưởng xấu đến uy tín thương hiệu. Áp dụng hệ thống tự động giúp quy trình kiểm định diễn ra liền mạch và chính xác. Băng tải vận hành liên tục với tốc độ ổn định giúp chuẩn hóa dây chuyền đầu ra. Chi phí vận hành lâu dài của doanh nghiệp giảm đi đáng kể. Công nghệ này đáp ứng tiêu chuẩn nghiêm ngặt của nền sản xuất thông minh 4.0.
II. Thách thức phân loại sản phẩm theo màu sắc chiều cao thực tế
Quá trình thiết kế hệ thống phân loại đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật phức tạp. Yếu tố môi trường ánh sáng thay đổi dễ làm sai lệch tín hiệu từ cảm biến màu sắc. Góc phản xạ ánh sáng trên bề mặt vật thể cũng ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy của thiết bị. Khi sản phẩm di chuyển liên tục, việc nhận diện chiều cao đòi hỏi thời gian đáp ứng cực nhanh. Nếu cảm biến phản hồi chậm, cơ cấu chấp hành sẽ gạt nhầm hoặc bỏ sót sản phẩm. Bên cạnh đó, việc sử dụng các linh kiện điện tử giá rẻ thường dẫn đến hiện tượng nhiễu xung điện từ. Nhiễu điện gây ra tình trạng điều khiển thiếu đồng bộ và làm mất độ chính xác của toàn hệ thống. Cơ cấu phân loại không sử dụng khí nén tuy tiết kiệm chi phí nhưng lại bị giới hạn về tốc độ cơ học. Động cơ servo cần khoảng thời gian nhất định để vươn tay gạt và thu hồi về vị trí ban đầu. Nếu mật độ vật phẩm trên băng tải quá dày, hệ thống sẽ gặp hiện tượng ùn ứ hoặc phân loại sai nhánh.
2.1. Giới hạn độ nhạy cảm biến và nhiễu tín hiệu điện
Cảm biến công nghiệp giá rẻ thường dễ bị ảnh hưởng bởi tạp âm điện từ trong môi trường làm việc. Sự dao động điện áp nguồn cấp gây ra tín hiệu sai lệch tại đầu vào PLC. Bề mặt vật thể bóng gương hoặc khúc xạ ánh sáng phức tạp làm cảm biến màu nhận diện nhầm mã màu. Khi ánh sáng ngoại cảnh biến thiên theo thời gian trong ngày, thông số ngưỡng đo lường bị trôi dạt. Ngoài ra, việc thiếu dây nối đất chống nhiễu chuyên dụng làm tăng nguy cơ phát sinh tín hiệu giả. Tình trạng này khiến bộ điều khiển trung tâm xuất lệnh chấp hành sai lệch, làm giảm độ tin cậy của toàn bộ dây chuyền sản xuất.
2.2. Nhược điểm của cơ cấu tay gạt servo không dùng khí nén
Thiết kế cơ cấu gạt sử dụng động cơ servo mang lại lợi thế về chi phí và tính linh hoạt. Tuy nhiên, phương pháp này tồn tại nhược điểm lớn về mặt động học so với xi lanh khí nén. Thời gian vươn cán gạt và thời gian rút lùi cần một độ trễ nhất định để tránh rung lắc cơ khí. Khi khoảng cách giữa các phôi trên băng tải quá ngắn, tay gạt chưa kịp thu về vị trí nghỉ. Sự cố này cản trở đường đi của sản phẩm kế tiếp và gây tắc nghẽn dây chuyền. Lực đẩy từ servo góc quay cũng hạn chế hơn so với piston khí nén. Do đó, hệ thống chỉ phù hợp cho vật thể có trọng lượng nhẹ và kích thước vừa phải.
III. Giải pháp phân loại sản phẩm theo màu sắc chiều cao bằng PLC
Mô hình tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM áp dụng cấu trúc điều khiển tập trung bằng PLC Siemens S7-1200. Phần mềm TIA Portal V18 đảm nhiệm chức năng lập trình logic và giám sát toàn bộ chu trình. Thuật toán phân loại kết hợp đồng thời hai biến số đầu vào gồm màu sắc và chiều cao vật phẩm. Băng tải chuyển động liên tục nhờ động cơ giảm tốc DC được điều khiển ổn định. Trạm cảm biến đầu tiên xác định kích thước chiều cao của sản phẩm qua các cảm biến tiệm cận hoặc quang học. Trạm cảm biến thứ hai đọc giá trị phản xạ quang phổ để phân tích màu sắc đỏ hoặc xanh. Khi vật thể di chuyển đến vị trí định trước, PLC tính toán thời gian trễ và gửi xung kích hoạt servo. Cơ cấu cánh gạt gạt sản phẩm sang bốn nhánh phân loại riêng biệt: đỏ cao, đỏ thấp, xanh cao và xanh thấp. Các vật thể không đạt tiêu chuẩn kích thước hoặc màu sắc sẽ đi thẳng vào thùng chứa hàng lỗi. Thiết kế mạch tích hợp tụ lọc và tiếp địa giúp triệt tiêu nhiễu điện từ hiệu quả.
3.1. Thuật toán điều khiển PLC Siemens S7 1200 trên TIA Portal
Chương trình điều khiển được xây dựng trên nền tảng TIA Portal V18 với kiến trúc khối hàm logic rõ ràng. Khối chương trình tự động phân bổ mạng Network độc lập cho từng nhiệm vụ cụ thể. Network 1 phụ trách khởi động băng tải và duy trì tốc độ truyền động. Network 2 đến Network 5 tiếp nhận tín hiệu cảm biến để nhận diện vật thể màu đỏ, màu xanh, kích thước cao hoặc thấp. Logic xử lý kết hợp từ Network 6 đến Network 9 để phân định bốn trạng thái sản phẩm tương ứng. Network 10 thực hiện lệnh đặt lại góc quay servo và đếm sản phẩm sau mỗi chu kỳ. Network 11 cảnh báo sản phẩm lỗi khi tín hiệu không khớp tiêu chuẩn cài đặt.
3.2. Tích hợp cảm biến nhận dạng và cơ cấu chấp hành servo
Hệ thống phần cứng kết hợp hài hòa giữa cảm biến công nghiệp và cơ cấu chấp hành gọn nhẹ. Cảm biến tiệm cận được lắp đặt tại các mốc chiều cao khác nhau trên thân băng tải để phát hiện vật cao hay thấp. Cảm biến màu sắc bố trí ngay phía sau để đo chính xác bước sóng quang học của vật liệu. Tín hiệu số gửi trực tiếp về module mở rộng của PLC Siemens S7-1200 nhằm giảm độ trễ phản hồi. Cơ cấu gạt sử dụng các động cơ servo góc xoay để lùa phôi vào khay chứa tương ứng mà không dùng bình khí nén. Thiết kế này giúp thu gọn kích thước mô hình, tiết kiệm năng lượng điện và tạo thuận lợi cho công tác vận hành, sửa chữa.
IV. Đánh giá ứng dụng phân loại sản phẩm theo màu sắc chiều cao
Đồ án tốt nghiệp ngành Điện - Điện tử năm 2025 tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đạt kết quả thực nghiệm khả quan. Hệ thống phân loại vận hành ổn định trong các điều kiện kiểm tra tiêu chuẩn. Việc không sử dụng hệ thống khí nén cồng kềnh giúp tiết giảm diện tích lắp đặt trong nhà xưởng. Quy trình bảo trì, thay thế linh kiện và kiểm tra định kỳ diễn ra nhanh chóng. Tuy nhiên, để đưa vào dây chuyền công nghiệp quy mô lớn, hệ thống cần được nâng cấp về tốc độ cơ học. Động cơ servo cần kết hợp thêm cảm biến vị trí để tối ưu chu kỳ quét và thu hồi cánh tay gạt. Giải pháp cách ly quang và nối đất an toàn là yêu cầu bắt buộc để triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng nhiễu tín hiệu. Công nghệ này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành chế biến thực phẩm, dược phẩm và lắp ráp linh kiện điện tử. Mô hình đóng vai trò nền tảng vững chắc cho việc phát triển các giải pháp tự động hóa tích hợp trí tuệ nhân tạo trong tương lai.
4.1. Khả năng triển khai thực tế trong công nghiệp sản xuất
Hệ thống phân loại tự động sở hữu tiềm năng thương mại hóa cao nhờ chi phí đầu tư ban đầu hợp lý. Các doanh nghiệp vừa và nhỏ dễ dàng tiếp cận giải pháp nhờ loại bỏ hệ thống máy nén khí phức tạp. Mô hình thích hợp ứng dụng trong các xưởng đóng gói nông sản, phân loại dược phẩm dạng chai lọ hoặc linh kiện cơ khí chính xác. Thiết kế module hóa cho phép người vận hành mở rộng thêm số lượng nhánh phân loại khi cần thiết. Quy trình tích hợp vào dây chuyền sẵn có diễn ra thuận lợi mà không đòi hỏi cải tạo lớn về mặt bằng hạ tầng kỹ thuật của phân xưởng.
4.2. Định hướng cải tiến tối ưu hóa tốc độ và khả năng kháng nhiễu
Nghiên cứu mở ra nhiều hướng phát triển nhằm hoàn thiện công nghệ phân loại trong tương lai. Nâng cấp bộ vi xử lý và bổ sung camera công nghiệp sẽ giúp hệ thống nhận diện biên dạng phức tạp hơn. Việc lập trình tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động của tay gạt servo giúp rút ngắn chu kỳ thao tác cơ học. Hệ thống cần lắp đặt bổ sung bộ lọc thông thấp và mạch bảo vệ cách ly quang học để chống nhiễu công nghiệp. Kỹ thuật nối đất vỏ máy cần tuân thủ nghiêm ngặt các quy chuẩn an toàn điện. Những nâng cấp này sẽ nâng cao tính bền bỉ và đưa hệ thống đạt chuẩn vận hành trong nhà máy thông minh.
