Khóa luận: Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm tự động giám sát qua IoT Vbox

Tài liệu khóa luận chi tiết về mô hình phân loại sản phẩm tự động. Trình bày thiết kế, lập trình PLC Wecon và hệ thống giám sát qua IoT Vbox.

• Người hướng dẫn: T.S Nguyễn Duy Minh
• Trường học: Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật và Công Nghệ
• Đề tài: Phân Loại Sản Phẩm Tự Động Với Plc Wecon Và Iot Vbox
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm tự động

Phân loại sản phẩm tự động là quá trình sử dụng công nghệ và thiết bị hiện đại để sắp xếp, phân chia sản phẩm theo các tiêu chí như kích thước, màu sắc, hình dạng và trọng lượng mà không cần can thiệp của con người. Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường hiệu suất sản xuất, giảm chi phí lao động và cải thiện chất lượng sản phẩm. Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, tự động hóa phân loại sản phẩm được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm, linh kiện điện tử và nông nghiệp. Sự kết hợp giữa PLC Wecon và IoT Vbox tạo nên một giải pháp toàn diện, cho phép giám sát và điều khiển hệ thống từ xa một cách hiệu quả, nâng cao năng suất và độ tin cậy của quy trình sản xuất.

1.1. Ứng dụng phân loại sản phẩm trong công nghiệp

Phân loại sản phẩm tự động được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Ngành thực phẩm sử dụng hệ thống này để phân loại rau, quả và sản phẩm thực phẩm. Ngành dược phẩm áp dụng công nghệ để sắp xếp viên thuốc và hộp dược phẩm. Linh kiện điện tử được phân loại theo kích thước và chất lượng. Hệ thống tự động hóa giúp giảm thiểu lỗi, tăng tốc độ xử lý và cải thiện môi trường làm việc cho công nhân.

1.2. Lợi ích của tự động hóa phân loại sản phẩm

Tự động hóa phân loại sản phẩm mang lại nhiều lợi ích: tăng hiệu suất lên 300% so với thủ công, giảm chi phí lao động, giảm thiểu lỗi phân loại, cải thiện chất lượng sản phẩm, tăng tính linh hoạt trong sản xuất. Ngoài ra, hệ thống giúp đảm bảo an toàn lao động, giảm rủi ro chấn thương cho công nhân, và tạo môi trường làm việc an toàn hơn.

II. Công nghệ PLC Wecon trong điều khiển hệ thống

PLC Wecon LX3V là thiết bị điều khiển lập trình được sử dụng để quản lý các hoạt động của hệ thống phân loại sản phẩm tự động. Đây là một bộ điều khiển mạnh mẽ, có khả năng xử lý tín hiệu từ nhiều cảm biến và điều khiển các cơ cấu chấp hành như van khí nén, động cơ giảm tốc và cam phân loại. PLC Wecon được lập trình bằng phần mềm Wecon PLC Editor, cho phép tạo các thuật toán điều khiển phức tạp. Với các module mở rộng, hệ thống có thể kết nối với cảm biến quang để phát hiện kích thước, màu sắc sản phẩm. Thiết kế và lập trình PLC đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác và ổn định.

2.1. Cấu trúc và thành phần của PLC Wecon

PLC Wecon LX3V bao gồm các thành phần chính: đầu vào (Input), đầu ra (Output) kỹ thuật số, các module mở rộng cho cảm biến tương tự. Hệ thống có khả năng kết nối với xylanh khí nén, van điều khiển, cảm biến quang kích thước. Kiến trúc PLC cho phép xử lý dữ liệu nhanh chóng, tạo điều kiện cho phân loại sản phẩm tự động với độ chính xác cao.

2.2. Lập trình điều khiển bằng Wecon PLC Editor

Phần mềm Wecon PLC Editor cung cấp giao diện thân thiện để viết mã điều khiển. Lập trình viên có thể tạo thuật toán phân loại sản phẩm bằng các lệnh logic và xử lý tín hiệu. Lưu đồ thuật toán chi tiết mô tả quá trình nhận diện, so sánh kích thước và đưa sản phẩm vào các đường dẫn phân loại khác nhau, đảm bảo hoạt động chính xác của toàn hệ thống.

III. Hệ thống giám sát IoT Vbox và tích hợp dữ liệu

IoT Vbox H-WF là nền tảng giám sát dữ liệu thời gian thực cho hệ thống phân loại sản phẩm tự động. Thiết bị này cho phép kết nối PLC Wecon qua mạng không dây, truyền dữ liệu lên cloud để giám sát từ xa. Phần mềm V-Net cung cấp giao diện quản lý tập trung, hiển thị các biến dữ liệu quan trọng như số lượng sản phẩm được phân loại, tốc độ băng tải, trạng thái cảm biến. Hệ thống IoT Vbox tích hợp với PLC Wecon tạo nên một giải pháp Industry 4.0 hoàn chỉnh, cho phép doanh nghiệp theo dõi, phân tích hiệu suất sản xuất và tối ưu hóa quy trình.

3.1. Cấu hình và kết nối IoT Vbox với PLC

IoT Vbox H-WF được cấu hình bằng cách cài đặt địa chỉ IP, mạng không dây, và các thông số truyền thông. Kết nối với PLC Wecon LX3V thông qua giao thức Modbus TCP/IP. Quá trình cấu hình bao gồm lấy mã machine code, thêm thiết bị vào tài khoản V-Net, đặt thông số biến điều khiển. Kết nối PLC và IoT Vbox cho phép truyền dữ liệu liên tục, giám sát hiệu suất hệ thống phân loại.

3.2. Giao diện giám sát dữ liệu thời gian thực

Giao diện giám sát trên Vbox hiển thị thông tin chi tiết về quá trình phân loại sản phẩm: số lượng sản phẩm mỗi loại, tốc độ xử lý, trạng thái các cảm biến, lỗi hệ thống. Dữ liệu được cập nhật liên tục, cho phép quản lý nhân viên theo dõi và quyết định kịp thời. Hệ thống giám sát IoT cung cấp báo cáo chi tiết, hỗ trợ phân tích xu hướng sản xuất và tối ưu hóa quy trình.

IV. Kết quả thực nghiệm và đánh giá hiệu suất hệ thống

Hệ thống phân loại sản phẩm tự động với PLC Wecon và IoT Vbox đã được thử nghiệm với nhiều kịch bản khác nhau, bao gồm phân loại sản phẩm theo kích thước và loại. Kết quả cho thấy độ chính xác phân loại đạt trên 95%, tốc độ xử lý ổn định ở mức 40-50 sản phẩm/phút. Hệ thống giám sát IoT hoạt động ổn định, truyền dữ liệu không bị gián đoạn. Các ưu điểm nổi bật bao gồm độ tin cậy cao, khả năng mở rộng, giao diện thân thiện. Tuy nhiên, hệ thống vẫn gặp một số nhược điểm như chi phí đầu tư ban đầu cao, cần kỹ sư chuyên sâu để bảo trì. Các lỗi có thể xảy ra như mất kết nối mạng, cảm biến không phát hiện sản phẩm, được khắc phục qua kiểm tra định kỳ và hiệu chỉnh.

4.1. Kết quả thực nghiệm và chỉ số hiệu suất

Thử nghiệm hệ thống phân loại sản phẩm tự động cho thấy: độ chính xác 95-98%, tốc độ 45 sản phẩm/phút, thời gian phản ứng dưới 500ms. PLC Wecon xử lý tín hiệu nhanh, IoT Vbox truyền dữ liệu ổn định. Hệ thống hoạt động liên tục 8 giờ không sự cố, chứng minh độ tin cậy cao trong điều kiện sản xuất thực tế.

4.2. Ưu điểm nhược điểm và hướng phát triển

Ưu điểm: Độ chính xác cao, tự động hóa hoàn toàn, giám sát từ xa, dễ bảo trì. Nhược điểm: Chi phí đầu tư cao, cần đào tạo nhân sự. Hướng phát triển: Tích hợp AI để nhận diện hình dạng phức tạp, áp dụng machine learning để tối ưu hóa thuật toán phân loại, mở rộng khả năng giám sát đa chiều.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN đã cung cấp cái nhìn chung nhất về hệ thống tự động hóa phân loại sản phẩm trong công nghiệp cũng như ưu nhược điểm của hệ thống và việc kết hợp với hệ thống điều khiển IOT. Từ đó làm cơ sở để đưa ra yêu cầu bài toán, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và cách phân tích, thiết kế hệ thống của đồ án toán ở Chương 2: KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG. 9 CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2. Khảo sát và phân tích 2.

Khảo sát các phương pháp và công nghệ phân loại sản phẩm Trên cơ sở lý thuyết của Chương 1, hệ thống phân loại sản phẩm sẽ đi sâu vào phân tích phương pháp phân loại theo màu sắc và kích thước sử dụng PLC Wecon và giám sát qua IoT VBox. Ðối tượng nghiên cứu: Hệ thống phân loai sản phẩm (dạng khối đơn giản) dựa trên 2 màu sắc (trắng, xám) và kích thước (3 mức cho 2 màu) Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm lập trình điều khiển bằng PLC Wecon có model cu thể, giám sát qua Wecon Vbox và không đi sâu vào xử lý ảnh phức tạp hay Al. Đối tượng phân loại: Gồm 3 loại và 2 màu sắc (trắng, xám) đảm bảo mô phỏng được các chức năng và tính chất của “Hệ thống tự động hóa phân loại sản phẩm theo màu sắc và kích thước ”.  Loại 1: Sản phẩm đạt yêu cầu màu trắng có kích thước 3x3x3cm (SP1)  Loại 2: Sản phẩm đạt yêu cầu màu xám có kích thước 3x3x3cm (SP2)  Loại 3: Sản phẩm không đạt yêu cầu không đúng kích thước 3x3x3cm (SP lỗi) Hình 2.1: Mô hình sản phẩm phân loại của đề tài 10 2.

Các yêu cầu về hệ thống 2. Yêu cầu về tốc độ, độ chính xác Phân loại chính xác theo màu sắc, kích thước của những sản phẩm đạt yêu cầu và lại bỏ sản phẩm không đạt yêu cầu với tốc độ vừa phải. Yêu cầu về giám sát Giám sát đươc trên trang web của hệ thống IoT VBox Wecon về số lượng của các loại sản phẩm đạt yêu cầu (SP1, SP2) và sản phẩm lỗi (SP lỗi). Yêu cầu về môi trường hoạt động an toàn  An toàn cho người vận hành: Hệ thống phải được thiết kế để đảm bảo an toàn cho người vận hành, bao gồm cả việc tránh tiếp xúc với các bộ phận chuyển động hoặc điện.

 An toàn cho thiết bị: Hệ thống phải được thiết kế để đảm bảo an toàn cho thiết bị, bao gồm cả việc tránh quá tải, quá nhiệt hoặc các tình trạng bất thường khác.  An toàn cho môi trường: Hệ thống phải được thiết kế để đảm bảo an toàn cho môi trường, bao gồm cả việc tránh ô nhiễm không khí, nước hoặc đất.  Tuân thủ các quy định: Hệ thống phải tuân thủ các quy định và tiêu chuẩn an toàn hiện hành. Lựa chọn thiết bị 2.

Bǎng tải Băng tải là một thiết bị quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm sản xuất, chế biến, và phân phối. Trong đề tài về tự động hóa phân loại sản phẩm, băng tải đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển sản phẩm từ một điểm đến điểm khác. Giới thiệu chung về băng tải:  Băng tải là một hệ thống vận chuyển bao gồm một băng tải liên tục được kéo bởi một hệ thống pulley và motor. Băng tải có thể được thiết kế để vận chuyển nhiều loại sản phẩm khác nhau, từ hàng hóa nhẹ đến hàng hóa nặng.

Phân tích về băng tải sử dụng trong đề tài: Trong đề tài về tự động hóa phân loại sản phẩm, băng tải được sử dụng để vận chuyển sản phẩm từ trạm này đến trạm khác, nơi sản phẩm sẽ được phân loại và xử lý. Băng tải có thể được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của hệ thống phân loại, bao gồm:  Tốc độ vận chuyển: Băng tải có thể được thiết kế để vận chuyển sản phẩm với tốc độ phù hợp với yêu cầu của hệ thống phân loại. 11  Khả năng chịu tải: Băng tải phải có khả năng chịu tải trọng lượng của sản phẩm được vận chuyển.  Độ chính xác: Băng tải phải đảm bảo độ chính xác trong việc vận chuyển sản phẩm đến đúng vị trí.

 Tích hợp với hệ thống phân loại: Băng tải phải được tích hợp với hệ thống phân loại để đảm bảo sản phẩm được phân loại chính xác.2: Băng tải sử dụng trong hệ thống phân loại sản phẩm 2. Cảm biến kích thước Nguyên lý hoạt động chung của cảm biến kích thước: Cảm biến kích thước hoạt động dựa trên nguyên lý đo lường khoảng cách hoặc kích thước của đối tượng bằng cách sử dụng các công nghệ khác nhau như: sóng siêu âm, tia laser, ánh sáng, sự thay đổi điện dung để đo lường khoảng cách hoặc kích thước của đối tượng. Các loại cảm biến kích thước:  Cảm biến kích thước siêu âm: Đo lường khoảng cách hoặc kích thước của đối tượng bằng sóng siêu âm.  Cảm biến kích thước laser: Đo lường khoảng cách hoặc kích thước của đối tượng bằng tia laser.

 Cảm biến kích thước quang: Đo lường khoảng cách hoặc kích thước của đối tượng bằng ánh sáng.  Cảm biến kích thước điện dung: Đo lường khoảng cách hoặc kích thước của đối tượng bằng sự thay đổi điện dung.  Cảm biến kích thước cơ học: Đo lường kích thước của đối tượng bằng cách sử dụng các bộ phận cơ học như cần gạt hoặc con lăn. Ứng dụng của cảm biến kích thước:  Phân loại sản phẩm: Cảm biến kích thước được sử dụng để phân loại sản phẩm dựa trên kích thước.

12  Kiểm tra chất lượng: Cảm biến kích thước được sử dụng để kiểm tra chất lượng sản phẩm dựa trên kích thước.  Tự động hóa: Cảm biến kích thước được sử dụng trong tự động hóa để xác định kích thước của đối tượng và thực hiện các hành động tương ứng. Hệ thống sử dụng cảm biến kích thước quang là loại cảm biến sử dụng ánh sáng để đo lường kích thước hoặc khoảng cách của đối tượng. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc sử dụng ánh sáng để phát hiện và đo lường sự thay đổi trong khoảng cách hoặc kích thước của đối tượng.

Nguyên lý hoạt động: gồm 4 giai đoạn  Phát xạ ánh sáng: Cảm biến kích thước quang phát xạ ánh sáng vào đối tượng.  Phản xạ ánh sáng: Ánh sáng được phản xạ trở lại từ đối tượng.  Đo lường ánh sáng: Cảm biến kích thước quang đo lường cường độ hoặc thời gian phản xạ của ánh sáng.  Tính toán kích thước: Dựa trên dữ liệu đo lường, cảm biến kích thước quang tính toán kích thước hoặc khoảng cách của đối tượng.3: Cảm biến kích thước quang 2.

Xylanh Trong đề tài trên, xy lanh được sử dụng để thực hiện các hành động cụ thể như đẩy sản phẩm, nâng sản phẩm hoặc điều khiển các bộ phận khác. Giới thiệu về xy lanh: Xy lanh là một thiết bị cơ khí sử dụng áp suất khí nén hoặc thủy lực để tạo ra chuyển động tuyến tính. Xy lanh bao gồm một piston di chuyển trong một ống hình trụ, và chuyển động của piston được điều khiển bởi áp suất khí nén hoặc thủy lực. Phân tích về xy lanh sử dụng trong đề tài: Trong hệ thống phân loại sản phẩm, xy lanh có thể được sử dụng để: 13  Đẩy sản phẩm: Xy lanh có thể được sử dụng để đẩy sản phẩm từ băng tải này sang băng tải khác hoặc đến các trạm phân loại khác nhau.

 Nâng sản phẩm: Xy lanh có thể được sử dụng để nâng sản phẩm lên hoặc xuống để thực hiện các hành động cụ thể như kiểm tra hoặc đóng gói.  Điều khiển các bộ phận khác: Xy lanh có thể được sử dụng để điều khiển các bộ phận khác như cánh tay robot hoặc các thiết bị khác trong hệ thống phân loại.4: Xylanh sử dụng trong hệ thống phân loại sản phẩm 2. Van khí nén Van khí nén là một thiết bị quan trọng trong hệ thống khí nén, được sử dụng để điều khiển dòng khí nén trong hệ thống. Trong hệ thống tự động hóa phân loại sản phẩm, van khí nén có thể được sử dụng để điều khiển các thiết bị khí nén như xy lanh, động cơ khí nén,… Giới thiệu về van khí nén: Van khí nén là một thiết bị cơ khí sử dụng để điều khiển dòng khí nén trong hệ thống.

Van khí nén có thể được điều khiển bằng tay hoặc tự động bằng cách sử dụng tín hiệu điện hoặc khí nén. Các loại van khí nén thường được sử dụng:  Van khí nén 2/2: Van khí nén có 2 cổng và 2 vị trí, được sử dụng để điều khiển dòng khí nén trong hệ thống.  Van khí nén 3/2: Van khí nén có 3 cổng và 2 vị trí, được sử dụng để điều khiển dòng khí nén và xả khí nén trong hệ thống.  Van khí nén 5/2: Van khí nén có 5 cổng và 2 vị trí, được sử dụng để điều khiển dòng khí nén và xả khí nén trong hệ thống phức tạp.

Phân tích về van khí nén sử dụng trong đề tài: Trong hệ thống phân loại sản phẩm, van khí nén có thể được sử dụng để: 14  Điều khiển xy lanh: Van khí nén có thể được sử dụng để điều khiển xy lanh khí nén, giúp đẩy sản phẩm hoặc thực hiện các hành động cụ thể.  Điều khiển động cơ khí nén: Van khí nén có thể được sử dụng để điều khiển động cơ khí nén, giúp quay hoặc di chuyển các bộ phận trong hệ thống phân loại.  Điều khiển hệ thống khí nén: Van khí nén có thể được sử dụng để điều khiển hệ thống khí nén, giúp phân phối khí nén đến các thiết bị khác nhau trong hệ thống.5: Van khí nén sử dụng trong hệ thống phân loại sản phẩm 2. Cam phân loại Cam phân loại trong tự động hóa là một thiết bị đem lại nhiều lợi ích như tăng hiệu suất, cải thiện độ chính xác và giảm chi phí lao động.

Trong hệ thống đề tài đồ án, cam phân loại được sử dụng để phân loại sản phẩm theo hình dạng, kích thước và màu sắc với các chức năng chính:  Chụp ảnh sản phẩm: Cam phân loại có thể chụp ảnh sản phẩm để phân tích và xác định các đặc điểm của sản phẩm.  Phân tích hình ảnh: Cam phân loại có thể phân tích hình ảnh của sản phẩm để xác định các đặc điểm như hình dạng, màu sắc, kích thước,…  Phân loại sản phẩm: Dựa trên kết quả phân tích hình ảnh, cam phân loại có thể giúp phân loại sản phẩm vào các loại khác nhau.