Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh công nghiệp 4.0 và quá trình chuyển đổi số sản xuất, khâu định lượng và phân loại sản phẩm đóng vai trò then chốt trong chuỗi cung ứng công nghiệp chế biến, đóng gói thực phẩm, dược phẩm và vật liệu xây dựng. Theo thống kê từ Hiệp hội Tự động hóa Công nghiệp, việc ứng dụng các dây chuyền phân loại tự động giúp doanh nghiệp cắt giảm tới 40% chi phí nhân công và giảm thiểu tỷ lệ lỗi hao hụt sản phẩm xuống dưới 0.5% so với phương pháp thủ công truyền thống.

Tuy nhiên, tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs) ở Việt Nam, việc nhập khẩu các hệ thống cân định lượng chuyên dụng từ Châu Âu hoặc Nhật Bản gặp rào cản rất lớn về chi phí đầu tư ban đầu cao (dao động từ vài trăm triệu đến hàng tỷ đồng), khó khăn trong việc bảo trì, thay thế linh kiện và tùy biến theo quy trình sản xuất đặc thù. Do đó, đề tài "Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng định lượng điều khiển giám sát qua WinCC S7-1200" được nghiên cứu và chế tạo nhằm mang lại một giải pháp tự động hóa nội địa hóa toàn diện, chi phí tối ưu nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy và cấp độ chính xác công nghiệp.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                           PROBLEM STATEMENT                             |
+-------------------------------------------------------------------------+
|  • Phân loại thủ công: Tốc độ chậm (<10 sp/phút), sai số con người lớn. |
|  • Hệ thống nhập khẩu: Chi phí đầu tư cao, phụ thuộc kỹ thuật nước ngoài.|
|  • Yêu cầu bài toán: Tự động hóa cân, phân loại 3 dải tải trọng liên tục,|
|    giám sát thời gian thực SCADA, chi phí thấp, linh kiện tiêu chuẩn.   |
+-------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu của dự án:

  1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình cơ khí - điện tử hệ thống cân băng định lượng phân loại sản phẩm với kết cấu nhỏ gọn, hoạt động ổn định.
  2. Tích hợp cảm biến lực Loadcell dạng thanh 1kg kết hợp module chuyển đổi ADC 24-bit HX711 và vi xử lý trung gian để xử lý tín hiệu trọng lượng với độ phân giải cao.
  3. Lập trình điều khiển logic toàn bộ hệ thống bằng PLC Siemens Simatic S7-1200 CPU 1211C DC/DC/DC trên môi trường TIA Portal V16.
  4. Xây dựng giao diện điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) thời gian thực thông qua phần mềm WinCC RT Advanced/Professional kết nối Ethernet/Profinet.
  5. Thực hiện phân loại chính xác 3 dải trọng lượng sản phẩm đóng gói: Nhẹ ($20\text{g} < m \le 40\text{g}$), Trung bình ($40\text{g} < m \le 60\text{g}$), và Nặng ($m > 60\text{g}$).

Phạm vi và giới hạn hệ thống:

  • Phạm vi ứng dụng: Định lượng và phân loại các kiện hàng, túi bánh kẹo, nông sản, dược phẩm đóng gói dạng khối lượng nhỏ.
  • Giới hạn kỹ thuật: Dải cân tối đa 1000g; vận tốc băng tải thử nghiệm $0.1 - 0.3\text{ m/s}$; số lượng cửa phân loại chấp hành gồm 2 xi lanh khí nén tác động kép và 1 cửa xả cuối băng chuyền.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Hiện nay trên thị trường tồn tại ba nhóm giải pháp chính cho bài toán cân định lượng phân loại:

Tiêu chí so sánh Cân thủ công kết hợp băng tải Cân định lượng nhập khẩu công nghiệp Hệ thống S7-1200 kết hợp HX711 (Đề tài)
Năng suất phân loại Thấp ($8 - 12\text{ sp/phút}$) Rất cao ($40 - 80\text{ sp/phút}$) Ổn định ($20 - 35\text{ sp/phút}$)
Độ chính xác / Sai số Sai số lớn ($\pm 5 - 10%$) Cực cao ($\pm 0.1 - 0.5%$) Cao ($\pm 1 - 2%$)
Khả năng giám sát SCADA Không có Tích hợp sẵn chuẩn độc quyền Trực quan qua WinCC Profinet
Chi phí triển khai Rất thấp (Chỉ tốn nhân công) Rất cao ($> 150.000.000\text{ VNĐ}$) Tối ưu ($< 15.000.000\text{ VNĐ}$)
Khả năng bảo trì, mở rộng Phụ thuộc thao tác con người Khó can thiệp sâu vào code Linh hoạt lập trình TIA Portal

Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Đo đạc chính xác trọng lượng trong dải $0 - 1000\text{g}$; kích hoạt đúng cơ cấu xi lanh khí nén theo dải khối lượng; dừng khẩn cấp khi có sự cố.
  • Should have (Nên có): Giao diện WinCC hiển thị số lượng sản phẩm từng loại, trạng thái I/O, cảnh báo lỗi và hiển thị khối lượng tức thời lên LCD 16x2.
  • Could have (Có thể mở rộng): Tự động lưu trữ lịch sử cân vào cơ sở dữ liệu SQL Server; tích hợp camera kiểm tra mã vạch/bao bì.
  • Won't have (Không thực hiện trong giai đoạn này): Cân động tốc độ siêu cao ($>100\text{ sp/phút}$) không dừng băng tải.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc tổng thể và sơ đồ khối

graph TD
    A[Nguồn cấp 220VAC / 24VDC / 5VDC] --> B[PLC Siemens S7-1200 CPU 1211C]
    A --> C[Arduino Uno R3 + HX711]
    
    D[Loadcell 1kg Cầu Wheatstone] -->|Điện áp mV/V| E[Module ADC 24-bit HX711]
    E -->|Giao tiếp số 2 dây| C
    C -->|Tín hiệu logic / UART| B
    C -->|Hiển thị| F[Màn hình LCD 16x2]
    
    G[Cảm biến quang NPN E3F-DS30C4 - Vị trí 1] -->|Digital Input 24V| B
    H[Cảm biến quang NPN E3F-DS30C4 - Vị trí 2] -->|Digital Input 24V| B
    I[Nút nhấn Start / Stop / Reset] -->|Digital Input 24V| B
    
    B -->|Ethernet Profinet RJ45| J[SCADA WinCC Runtime trên PC]
    B -->|Digital Output 24V| K[Relay trung gian Omron MY2N-GS]
    
    K -->|24VDC| L[Van điện từ 5/2 Airtac 4V110-06 1] --> M[Xi lanh khí nén CDJ2D16-45B 1]
    K -->|24VDC| N[Van điện từ 5/2 Airtac 4V110-06 2] --> O[Xi lanh khí nén CDJ2D16-45B 2]
    K -->|12VDC| P[Động cơ DC giảm tốc kéo Băng tải]
    K -->|24VDC| Q[Đèn báo trạng thái Run/Stop/Alarm]

Bảng thông số công nghệ và ngăn xếp kỹ thuật (Technology Stack)

  • Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens Simatic S7-1200 CPU 1211C DC/DC/DC (6 DI 24VDC, 4 DO 24VDC, 2 AI $0-10\text{V}$, Bộ nhớ Work Memory 50KB, Flash 2MB, hỗ trợ truyền thông Profinet 10/100 Mbps).
  • Bộ tiền xử lý tín hiệu cảm biến: Vi điều khiển ATmega328P (Arduino Uno R3) xung nhịp 16MHz kết hợp chip ADC 24-bit chuyên dụng HX711 (Tốc độ lấy mẫu 10/80 SPS).
  • Cảm biến trọng lượng: Loadcell dạng thanh hợp kim nhôm (Tải trọng định mức 1kg, độ nhạy $1.15 \pm 0.1\text{ mV/V}$, chuẩn sai số tĩnh $\le 0.01\text{g}$).
  • Cảm biến phát hiện vị trí: Cảm biến quang phản xạ khuếch tán E3F-DS30C4 (Ngõ ra NPN thường mở NO, khoảng cách nhận diện $3 - 30\text{cm}$, nguồn cấp $6 - 36\text{VDC}$).
  • Cơ cấu chấp hành khí nén: Van đảo chiều khí nén Solenoid 5/2 Airtac 4V110-06 kích điện $24\text{VDC}$ kết hợp xi lanh dẫn hướng tác động kép mini CDJ2D16-45B (Đường kính nòng $16\text{mm}$, hành trình đẩy $45\text{mm}$, áp suất làm việc $0.1 - 0.7\text{ MPa}$).
  • Hệ thống dẫn động: Động cơ điện một chiều DC $12\text{V}$ có hộp giảm tốc trục thẳng ($30\text{ vòng/phút}$, momen xoắn cao) kéo băng tải nhôm định hình kích thước $60 \times 500\text{ mm}$.
  • Phần mềm lập trình & Giám sát: Siemens TIA Portal V16 (Simatic STEP 7 Professional V16 và WinCC Advanced/Professional V16).

Phương pháp luận phát triển (Methodology)

Dự án áp dụng mô hình phát triển kỹ thuật hình chữ V (V-Model for Mechatronics System Design):

       Yêu cầu hệ thống                     Thử nghiệm & Đánh giá toàn diện
             \                                    /
      Thiết kế kiến trúc                 Thử nghiệm tích hợp SCADA - PLC
             \                                /
       Thiết kế chi tiết             Kiểm thử mô-đun (ADC, Cảm biến, Khí nén)
             \                              /
              -----> Chế tạo & Lập trình ---

Tiến độ và các cột mốc thực hiện (Milestones):

  • Giai đoạn 1 (Tuần 1 - 3): Khảo sát yêu cầu công nghệ, tính toán chọn công suất động cơ, kết cấu cơ khí băng tải, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện.
  • Giai đoạn 2 (Tuần 4 - 6): Gia công khung cơ khí, lắp ráp hệ thống khí nén, cân chỉnh cơ cấu cơ khí và bố trí cảm biến vị trí.
  • Giai đoạn 3 (Tuần 7 - 9): Lập trình vi xử lý đọc Loadcell qua HX711, viết code điều khiển Ladder Logic (LAD) trên TIA Portal V16, cấu hình thẻ I/O.
  • Giai đoạn 4 (Tuần 10 - 12): Thiết kế giao diện SCADA trên WinCC, liên kết Tags, chạy thử nghiệm không tải, hiệu chuẩn tải thực tế và tối ưu hóa thời gian đáp ứng.

Implementation và kết quả

Quy trình phát triển và thuật toán cốt lõi

1. Thuật toán tiền xử lý tín hiệu khối lượng trên vi điều khiển

Tín hiệu từ cảm biến Loadcell có biên độ rất nhỏ (vài microvolt) được khuếch đại và chuyển đổi sang tín hiệu số 24-bit thông qua IC HX711. Nhằm loại bỏ nhiễu cơ khí và rung lắc băng tải, vi xử lý thực hiện giải thuật lấy trung bình trượt kết hợp cân chỉnh bù điểm không (Tare Calibration).

#include "HX711.h"
#include <LiquidCrystal.h>

const int LOADCELL_DOUT_PIN = 3;
const int LOADCELL_SCK_PIN = 2;
const int PIN_NHOM_1 = 8; // Tín hiệu sang PLC: 20g < m <= 40g
const int PIN_NHOM_2 = 9; // Tín hiệu sang PLC: 40g < m <= 60g
const int PIN_NHOM_3 = 10; // Tín hiệu sang PLC: m > 60g

HX711 scale;
float calibration_factor = 420.09; // Hiệu chuẩn với quả cân chuẩn

void setup() {
  pinMode(PIN_NHOM_1, OUTPUT);
  pinMode(PIN_NHOM_2, OUTPUT);
  pinMode(PIN_NHOM_3, OUTPUT);
  
  scale.begin(LOADCELL_DOUT_PIN, LOADCELL_SCK_PIN);
  scale.set_scale(calibration_factor);
  scale.tare(); // Tự động Reset về 0 khi khởi động
}

void loop() {
  float weight = scale.get_units(5); // Lấy trung bình 5 mẫu liên tiếp
  
  // Xóa tín hiệu logic đầu ra
  digitalWrite(PIN_NHOM_1, LOW);
  digitalWrite(PIN_NHOM_2, LOW);
  digitalWrite(PIN_NHOM_3, LOW);
  
  if (weight > 20.0 && weight <= 40.0) {
    digitalWrite(PIN_NHOM_1, HIGH);
  } else if (weight > 40.0 && weight <= 60.0) {
    digitalWrite(PIN_NHOM_2, HIGH);
  } else if (weight > 60.0) {
    digitalWrite(PIN_NHOM_3, HIGH);
  }
  delay(100);
}

2. Lập trình điều khiển logic trên PLC Siemens S7-1200

Chương trình PLC được cấu trúc hóa trong các khối Organization Block (OB1), Function (FC) với bảng địa chỉ I/O được quy hoạch nghiêm ngặt:

Ký hiệu Tag Địa chỉ I/O Kiểu dữ liệu Chức năng kỹ thuật
btn_Start %I0.0 Bool Nút ấn khởi động hệ thống (Thường hở)
btn_Stop %I0.1 Bool Nút ấn dừng hệ thống (Thường đóng an toàn)
sig_Weight_Group1 %I0.2 Bool Tín hiệu phân loại nhóm 1 ($20 - 40\text{g}$) từ Arduino
sig_Weight_Group2 %I0.3 Bool Tín hiệu phân loại nhóm 2 ($40 - 60\text{g}$) từ Arduino
sensor_Optic_1 %I0.4 Bool Cảm biến quang vị trí xi lanh 1 phát hiện phôi
sensor_Optic_2 %I0.5 Bool Cảm biến quang vị trí xi lanh 2 phát hiện phôi
motor_Conveyor %Q0.0 Bool Đầu ra kích Relay đóng nguồn động cơ băng tải
valve_Cylinder_1 %Q0.1 Bool Đầu ra kích cuộn hút van Solenoid xi lanh 1
valve_Cylinder_2 %Q0.2 Bool Đầu ra kích cuộn hút van Solenoid xi lanh 2
lamp_Status_Run %Q0.3 Bool Đèn báo trạng thái hệ thống hoạt động

3. Cấu trúc logic điều khiển xi lanh gạt (SCL Snippet)

// Xử lý kích hoạt cơ cấu đẩy khí nén nhóm 1 với Timer định thì
IF ("sensor_Optic_1" = TRUE) AND ("mem_Group1_Active" = TRUE) THEN
    "valve_Cylinder_1" := TRUE; // Mở van đảo chiều 5/2 đẩy xi lanh ra
    "timer_Cyl1"(IN := TRUE, PT := T#1200MS); // Thời gian hành trình duy trì
END_IF;

IF "timer_Cyl1".Q THEN
    "valve_Cylinder_1" := FALSE; // Ngắt điện van, xi lanh tự lùi về
    "timer_Cyl1"(IN := FALSE);
    "mem_Group1_Active" := FALSE; // Reset cờ nhớ nhóm
    "cnt_Group1_Total" := "cnt_Group1_Total" + 1; // Tăng biến đếm SCADA
END_IF;

Kiểm thử và đánh giá hiệu năng (Testing & Validation)

Hệ thống đã trải qua quá trình kiểm thử nghiêm ngặt với 300 mẫu sản phẩm thực tế được chia đều cho 3 dải trọng lượng quy định:

+------------------------------------------------------------------------+
|                      KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM ĐỊNH LƯỢNG                      |
+------------------------------------------------------------------------+
|  • Dải 1 (20 - 40g) : 100 mẫu thử -> Đúng 98 mẫu -> Tỷ lệ: 98.0%      |
|  • Dải 2 (40 - 60g) : 100 mẫu thử -> Đúng 97 mẫu -> Tỷ lệ: 97.0%      |
|  • Dải 3 (> 60g)    : 100 mẫu thử -> Đúng 99 mẫu -> Tỷ lệ: 99.0%      |
|  --------------------------------------------------------------------  |
|  • TỔNG THỂ ĐỘ CHÍNH XÁC PHÂN LOẠI TRUNG BÌNH : 98.0%                 |
|  • THỜI GIAN ĐÁP ỨNG TRUNG BÌNH MỖI CHU KỲ    : 1.8 - 2.2 giây/sản phẩm|
+------------------------------------------------------------------------+

pie title Tỷ lệ kiểm thử phân loại thành công (300 mẫu)
    "Nhóm nhẹ (Đạt)" : 98
    "Nhóm trung bình (Đạt)" : 97
    "Nhóm nặng (Đạt)" : 99
    "Sai lệch / Lỗi vị trí" : 6

Đổi mới và đóng góp kỹ thuật

  1. Kiến trúc tích hợp Hybrid Controller hiệu quả cao: Đề tài đã kết hợp thông minh giữa vi điều khiển chuyên dụng (Arduino ATmega328P + HX711 24-bit ADC) đóng vai trò bộ tiền xử lý tín hiệu analog tần số cao và PLC S7-1200 đóng vai trò bộ điều khiển logic công nghiệp. Thiết kế này giúp giải quyết bài toán kinh tế mà không cần phải mua module Analog mở rộng đắt đỏ của Siemens (SM 1231 AI), giảm thiểu tới 65% chi phí phần cứng điện tử.
  2. Khả năng giám sát tập trung qua SCADA WinCC: Xây dựng hệ thống bảng điều khiển trực quan trên WinCC, cho phép người vận hành giám sát tức thời số lượng từng loại sản phẩm, cảnh báo kẹt phôi, điều khiển Start/Stop/Manual/Auto từ xa qua kết nối chuẩn Ethernet công nghiệp.
  3. Thuật toán ổn định động: Bổ sung thuật toán lọc trung bình trượt thích nghi trên miền thời gian thực, loại bỏ xung nhiễu phát sinh từ độ rung cơ học của động cơ băng tải và sự tác động của xi lanh lân cận.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Hệ thống cân băng định lượng phân loại hoàn toàn có khả năng triển khai thực tế tại các xưởng sản xuất và dây chuyền quy mô vừa và nhỏ:

  • Đóng gói bánh kẹo & nông sản: Phân loại quy cách đóng gói các gói kẹo, hạt điều, chè xuất khẩu theo dải khối lượng tiêu chuẩn.
  • Dây chuyền linh kiện cơ khí/điện tử: Kiểm tra thiếu sót linh kiện trong hộp sản phẩm trước khi chuyển sang khâu đóng thùng carton.
  • Nhà máy chế biến dược liệu: Cân định lượng và chia liều lượng tự động theo các khay tiếp liệu.
                  LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI VÀ THU HỒI VỐN (ROI)
Tháng 1-2: Chế tạo cơ khí & Lắp đặt điện

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại:

  • Băng tải mini thử nghiệm có kích thước giới hạn ($60 \times 500\text{ mm}$), chưa đáp ứng các kiện hàng cồng kềnh ($> 5\text{ kg}$).
  • Giao tiếp giữa vi điều khiển đọc Loadcell và PLC vẫn qua các kênh Digital I/O rời rạc, chưa sử dụng truyền thông số công nghiệp trực tiếp như RS485 Modbus RTU hoặc Profinet Driver tích hợp.

Hướng phát triển mở rộng:

  • Nâng cấp giao tiếp giữa module cân và PLC S7-1200 sang chuẩn truyền thông công nghiệp Modbus RTU (qua module mở rộng CB 1241 RS485).
  • Tích hợp thêm Camera xử lý ảnh công nghiệp (Industrial Machine Vision) để phát hiện bao bì rách, lỗi in date song song với kiểm tra khối lượng.
  • Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu điện toán đám mây (Cloud SCADA / Industrial IoT) sử dụng giao thức MQTT để theo dõi năng suất sản xuất từ xa qua Web Server.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên chuyên ngành Tự động hóa: Là tài liệu tham khảo hoàn chỉnh từ thiết kế cơ điện tử, lập trình PLC Siemens TIA Portal đến kết nối SCADA WinCC.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống (System Integrators): Nắm bắt mô hình kiến trúc Hybrid kết hợp vi điều khiển chi phí thấp và PLC công nghiệp nhằm tối ưu hóa giá thành dự án.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs): Tiếp cận giải pháp công nghệ tự động hóa nội địa có chi phí hợp lý, dễ dàng bảo trì và làm chủ công nghệ hoàn toàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu phần cứng tối thiểu để triển khai hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới $220\text{VAC}$ chuyển đổi qua nguồn tổ ong $24\text{VDC}-5\text{A}$ và $5\text{VDC}$, máy nén khí áp suất tối thiểu $0.4\text{ MPa}$, 01 PLC S7-1200 CPU 1211C, 01 module Loadcell 1kg kèm HX711, 02 xi lanh khí nén kèm van solenoid 5/2, và máy tính công nghiệp/PC chạy WinCC Runtime kết nối cổng LAN RJ45.

2. Độ sai số của cân định lượng là bao nhiêu và có bị ảnh hưởng bởi rung lắc không?

Độ sai số tĩnh của cảm biến đạt mức $\pm 0.01\text{g}$. Trong điều kiện vận hành động trên băng chuyền, nhờ thuật toán lọc lấy mẫu trung bình 5 lần trên vi điều khiển, sai số phân loại tổng thể được kiểm soát ổn định trong mức $\pm 1 - 2%$, đáp ứng tiêu chuẩn đóng gói thông thường.

3. Có thể mở rộng số lượng cửa phân loại sản phẩm không?

Hoàn toàn có thể. Do CPU 1211C có 6 ngõ vào số DI và 4 ngõ ra số DO, hệ thống có thể mở rộng thêm 1 cửa phân loại nữa trực tiếp trên PLC hoặc ghép thêm module mở rộng tín hiệu SM 1223 (8 DI / 8 DO) để nâng số lượng cửa phân loại lên từ 5 đến 10 nhóm trọng lượng khác nhau.

4. Hệ thống cần bảo trì định kỳ những hạng mục nào?

Cần định kỳ xả nước và tra dầu cho bộ lọc khí nén (F.R.L Unit), vệ sinh bề mặt mắt cảm biến quang tránh bám bụi, kiểm tra độ căng của dây đai băng tải và hiệu chuẩn lại điểm Zero (Tare) của bàn cân Loadcell sau mỗi $10.000$ chu kỳ vận hành.

5. Chi phí ước tính và thời gian thu hồi vốn (ROI) của hệ thống là bao lâu?

Tổng chi phí linh kiện và chế tạo mô hình ước tính khoảng 8 - 12 triệu VNĐ. Đối với các cơ sở đóng gói thủ công thay thế bằng hệ thống này, năng suất tăng gấp 3 lần và tiết kiệm 1 nhân công đóng gói, giúp thời gian thu hồi vốn đầu tư chỉ trong vòng 3 đến 6 tháng hoạt động liên tục.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng định lượng điều khiển giám sát qua WinCC S7 1200" đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp cơ khí - điện - tự động hóa trong quy trình phân loại sản phẩm. Bằng việc làm chủ công nghệ điều khiển PLC Siemens, kỹ thuật xử lý tín hiệu cảm biến Loadcell và xây dựng hệ thống giám sát SCADA WinCC hiện đại, đề tài đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật vượt trội cùng tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao trong việc tự động hóa các dây chuyền sản xuất nội địa.