Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử: Phân Loại Sản Phẩm Tự Động

Đồ án kỹ thuật nghiên cứu thiết kế hệ thống cơ điện tử 1, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử Hiện Đại

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
• 1.1. Khái niệm và ứng dụng
• 1.1.1. Thế nào là hệ thống phân loại sản phẩm
• 1.1.2. Các loại hệ thống phân loại sản phẩm
• 1.1.3. Ứng dụng trong thực tế
• 1.2. Yêu cầu kỹ thuật cơ bản của các cụm chức năng trong hệ thống
• 2. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG PHÂN LOẠI
• 2.1. Hệ thống khí nén
• 2.1.1. Van điện từ khí nén
• 2.1.2. Xi lanh khí nén
• 2.2. Cảm biến quang tiệm cận E3F-DS30C4 (NPN)
• 2.2.1. Kết nối cảm biến NPN với PLC
• 2.3. Nút nhấn điều khiển
• 2.3.1. Nút nhấn tự giữ
• 3. CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU CHUNG VỀ PLC
• 3.1. Giới thiệu chung về PLC
• 3.1.1. Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình PLC
• 3.1.2. Ưu, nhược điểm khi lập trình hệ thống điều khiển PLC
• 3.2. Cấu trúc PLC
• 3.2.1. Bộ nhớ của PLC
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 4.1. Giới thiệu về phần mềm lập trình và mô phỏng PLC S7-1200 TIA PORTAL
• 4.2. Lựa chọn và chỉnh sửa thiết bị
• 4.2.1. Chọn PLC / module phù hợp
• 4.3. Các chương trình chính
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hướng dẫn thiết kế hệ thống cơ điện tử Nền tảng cốt lõi

Thiết kế hệ thống cơ điện tử hiện đại là một quá trình tích hợp đa ngành, kết hợp kiến thức từ cơ khí, điện tử, và khoa học máy tính để tạo ra các sản phẩm thông minh hơn, hiệu quả hơn. Nền tảng của kỹ thuật cơ điện tử nằm ở việc tạo ra một hệ thống đồng nhất, nơi các thành phần cơ khí được điều khiển chính xác bởi các mạch điện tử và phần mềm thông minh. Trong bối cảnh Công nghiệp 4.0, việc nắm vững các nguyên tắc thiết kế này trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Một hệ thống cơ điện tử điển hình bao gồm ba phần chính: phần cơ khí (khung máy, băng tải, tay gắp), phần điện tử (cảm biến và cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển PLC, vi điều khiển (MCU)), và phần mềm điều khiển. Sự tương tác hài hòa giữa các thành phần này quyết định đến hiệu suất và độ tin cậy hệ thống. Ví dụ, trong một dây chuyền sản xuất, robot công nghiệp (phần cơ khí) thực hiện thao tác vật lý, được dẫn hướng bởi dữ liệu từ cảm biến quang (phần điện tử), và toàn bộ quy trình được điều phối bởi một chương trình chạy trên PLC (phần mềm). Tài liệu nghiên cứu về “Đồ án thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm” nhấn mạnh rằng mục tiêu chính là “hoạt động liên tục và giảm tối đa thời gian trì hoãn hệ thống”, điều này chỉ có thể đạt được thông qua một thiết kế được tính toán kỹ lưỡng ngay từ đầu. Quá trình thiết kế không chỉ dừng lại ở việc lựa chọn linh kiện, mà còn bao gồm cả mô hình hóa và mô phỏng để dự đoán và tối ưu hóa hoạt động trước khi chế tạo, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian.

1.1. Tầm quan trọng của kỹ thuật cơ điện tử trong sản xuất

Trong kỷ nguyên số, kỹ thuật cơ điện tử đóng vai trò xương sống cho nền tự động hóa công nghiệp. Sự tích hợp này không chỉ nâng cao năng suất mà còn cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm và điều kiện làm việc. Các hệ thống cơ điện tử cho phép thực hiện các công việc lặp đi lặp lại với độ chính xác cao, thay thế con người trong môi trường độc hại hoặc đòi hỏi sự tập trung cao độ. Theo tài liệu gốc, hệ thống phân loại tự động giúp “giảm sức lao động, tránh được sự nhàm chán trong công việc” và “nâng cao năng suất lao động”. Hơn nữa, với sự phát triển của Internet vạn vật (IoT), các hệ thống cơ điện tử có thể kết nối với nhau, thu thập dữ liệu và tự tối ưu hóa hoạt động, tạo ra các nhà máy thông minh thực thụ. Điều này mở ra tiềm năng to lớn trong việc quản lý và giám sát sản xuất từ xa, đồng thời tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm và tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường toàn cầu.

1.2. Các thành phần không thể thiếu trong một hệ thống hiện đại

Một hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh được cấu thành từ nhiều khối chức năng liên kết chặt chẽ. Khối đầu tiên là các cảm biến và cơ cấu chấp hành. Cảm biến (như cảm biến quang, tiệm cận) đóng vai trò là “giác quan” của máy, thu thập thông tin từ môi trường. Cơ cấu chấp hành (như động cơ, xi lanh khí nén) là “cơ bắp”, thực hiện các hành động vật lý. Khối thứ hai là bộ não của hệ thống, bao gồm bộ điều khiển PLC hoặc vi điều khiển (MCU). PLC (Programmable Logic Controller) là lựa chọn phổ biến trong công nghiệp nhờ độ bền bỉ, khả năng chống nhiễu tốt và ngôn ngữ lập trình trực quan. MCU phù hợp hơn cho các hệ thống nhúng nhỏ gọn. Khối cuối cùng là hệ thống truyền động và giao tiếp, bao gồm các bộ truyền động cơ khí, hệ thống khí nén và thủy lực, và giao diện người-máy (HMI) để vận hành và giám sát. Sự lựa chọn và phối hợp chính xác các thành phần này là yếu tố quyết định đến sự thành công của toàn bộ hệ thống.

II. Thách thức chính khi thiết kế hệ thống cơ điện tử phức tạp

Việc thiết kế một hệ thống cơ điện tử hiệu quả không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Thách thức lớn nhất đến từ việc tích hợp kiến thức từ nhiều lĩnh vực khác nhau. Kỹ sư phải có hiểu biết sâu rộng về cơ khí chính xác, thiết kế mạch điện tử, lập trình phần mềm, và lý thuyết điều khiển. Bất kỳ sai sót nào trong một lĩnh vực đều có thể ảnh hưởng tiêu cực đến toàn bộ hệ thống. Một vấn đề khác là việc đảm bảo độ tin cậy hệ thống. Trong môi trường công nghiệp, thiết bị phải hoạt động ổn định trong thời gian dài dưới các điều kiện khắc nghiệt về nhiệt độ, độ rung và nhiễu điện từ. Điều này đòi hỏi việc lựa chọn linh kiện chất lượng cao và thiết kế các giải pháp phòng ngừa lỗi hiệu quả. Thêm vào đó, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đặt ra yêu cầu phải liên tục cập nhật. Ví dụ, việc tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) trong cơ điện tử và Internet vạn vật (IoT) đòi hỏi những kỹ năng mới về xử lý dữ liệu lớn và an ninh mạng. Tài liệu nghiên cứu cũng chỉ ra rằng “do kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi sai sót”, điều này khẳng định tầm quan trọng của quá trình mô hình hóa và mô phỏng để kiểm tra và xác thực thiết kế trước khi triển khai, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh.

2.1. Tích hợp đa lĩnh vực Cơ khí Điện tử và Khoa học máy tính

Sự hội tụ của cơ khí, điện tử và khoa học máy tính là bản chất của cơ điện tử, nhưng cũng là nguồn gốc của nhiều thách thức. Về mặt cơ khí, cần sử dụng các phần mềm CAD/CAM/CAE để thiết kế các kết cấu chịu lực, tối ưu hóa động học và đảm bảo độ chính xác gia công. Về điện tử, việc thiết kế mạch điện tử cho các module cảm biến, mạch công suất và giao tiếp đòi hỏi kiến thức chuyên sâu để chống nhiễu và đảm bảo tín hiệu ổn định. Về khoa học máy tính, kỹ sư phải thành thạo lập trình C/C++ cho hệ thống nhúng hoặc lập trình PLC để xây dựng logic điều khiển phức tạp, thuật toán xử lý tín hiệu số (DSP) và phát triển giao diện người-máy (HMI). Việc dung hòa các yêu cầu kỹ thuật đôi khi trái ngược nhau từ các lĩnh vực này là một bài toán khó, đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ và tư duy hệ thống.

2.2. Vấn đề về độ tin cậy hệ thống và khả năng xử lý lỗi

Độ tin cậy là yếu tố sống còn trong các ứng dụng công nghiệp. Một hệ thống cơ điện tử phải có khả năng hoạt động liên tục 24/7 mà không gặp sự cố. Thách thức nằm ở việc dự đoán và ngăn ngừa các lỗi tiềm ẩn. Lỗi có thể đến từ phần cứng (hỏng cảm biến, kẹt cơ cấu chấp hành) hoặc phần mềm (lỗi logic, tràn bộ nhớ). Do đó, thiết kế cần bao gồm các cơ chế an toàn, chẩn đoán lỗi và khả năng phục hồi. Ví dụ, trong hệ thống điều khiển PLC, chương trình cần có các khối xử lý ngắt (Interrupt) để phản ứng tức thời với các sự kiện khẩn cấp. Tài liệu gốc đề cập đến việc hệ thống phân loại phải có “độ tin cậy cao”, cho thấy đây là một yêu cầu kỹ thuật cơ bản. Việc lựa chọn các linh kiện có tiêu chuẩn công nghiệp và thực hiện các bài kiểm tra nghiêm ngặt (stress testing) là bắt buộc để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và an toàn.

III. Phương pháp chọn linh kiện cho thiết kế hệ thống cơ điện tử

Lựa chọn linh kiện là một bước quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, chi phí và độ tin cậy hệ thống. Quá trình này đòi hỏi sự cân bằng giữa yêu cầu kỹ thuật và ngân sách. Đối với bộ não của hệ thống, bộ điều khiển PLC là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng tự động hóa công nghiệp quy mô lớn. Tài liệu “Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử” đã lựa chọn PLC S7-1200 của Siemens, một dòng PLC phổ biến nhờ “dải hiệu suất từ thấp đến trung bình, chi phí thấp” và khả năng mở rộng linh hoạt. Với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, việc lựa chọn phụ thuộc vào đối tượng và môi trường làm việc. Ví dụ, cảm biến quang tiệm cận E3F-DS30C4 được chọn để phát hiện sản phẩm vì tính đơn giản và hiệu quả. Tương tự, hệ thống khí nén và thủy lực, cụ thể là xi lanh và van điện từ, được sử dụng để thực hiện các chuyển động đẩy sản phẩm vì tốc độ đáp ứng nhanh và lực đẩy lớn. Mỗi lựa chọn đều phải dựa trên việc phân tích kỹ lưỡng các thông số kỹ thuật như điện áp hoạt động, thời gian đáp ứng, tuổi thọ và khả năng tương thích với các thành phần khác trong hệ thống điều khiển tự động.

3.1. Phân tích cảm biến và cơ cấu chấp hành trong tự động hóa

Cảm biến là mắt và tai của hệ thống. Việc lựa chọn đúng loại cảm biến quyết định khả năng nhận biết môi trường của máy. Trong hệ thống phân loại sản phẩm, cảm biến quang được dùng để xác định sự hiện diện và chiều cao của vật thể. Các loại cảm biến khác như cảm biến tiệm cận điện cảm dùng để phát hiện kim loại, cảm biến màu sắc dùng để phân loại theo màu. Cơ cấu chấp hành là bộ phận thực thi nhiệm vụ. Động cơ DC được dùng để vận hành băng tải, trong khi xi lanh khí nén (điều khiển bởi van điện từ) được dùng để đẩy sản phẩm ra khỏi dây chuyền. Việc tính toán và lựa chọn công suất động cơ, lực đẩy của xi lanh phải dựa trên khối lượng và tốc độ yêu cầu của sản phẩm, đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru và không bị quá tải.

3.2. Vai trò của bộ điều khiển PLC trong công nghiệp hiện đại

PLC (Programmable Logic Controller) được xem là trái tim của hầu hết các hệ thống tự động hóa công nghiệp. Ưu điểm vượt trội của PLC so với các hệ thống điều khiển bằng rơ-le truyền thống là tính linh hoạt. Theo tài liệu tham khảo, “chương trình PLC dễ thay đổi và sửa chữa”, cho phép thay đổi logic điều khiển mà không cần đi lại dây phức tạp. PLC được thiết kế để hoạt động bền bỉ trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, có khả năng chống nhiễu cao. Các dòng PLC hiện đại như S7-1200 còn tích hợp các cổng giao tiếp mạng (PROFINET), cho phép kết nối dễ dàng với HMI, các PLC khác và hệ thống giám sát cấp cao hơn, tạo nền tảng vững chắc cho việc xây dựng các nhà máy thông minh theo mô hình Công nghiệp 4.0.

IV. Bí quyết mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử

Mô hình hóa và mô phỏng là giai đoạn không thể thiếu trong quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử hiện đại. Thay vì chế tạo thử và sửa lỗi tốn kém, các kỹ sư sử dụng phần mềm chuyên dụng để xây dựng một bản sao kỹ thuật số (digital twin) của hệ thống. Quá trình này cho phép kiểm tra logic điều khiển, phân tích động học, phát hiện các va chạm tiềm ẩn và tối ưu hóa các thông số vận hành ngay trên máy tính. Các công cụ như MATLAB/Simulink cực kỳ mạnh mẽ cho việc mô hình hóa các hệ thống điều khiển tự động phức tạp, phân tích đáp ứng của hệ thống và thiết kế các bộ điều khiển nâng cao. Đối với việc lập trình và gỡ lỗi PLC, các phần mềm như TIA Portal của Siemens cung cấp một môi trường tích hợp toàn diện. Tài liệu “Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử” đã trình bày chi tiết việc sử dụng TIA Portal để “khai báo cấu hình cho một trạm PLC”, lập trình logic và mô phỏng hoạt động của toàn bộ hệ thống phân loại sản phẩm. Việc mô phỏng không chỉ giúp xác thực thuật toán mà còn cho phép đào tạo người vận hành trước khi hệ thống thực tế đi vào hoạt động, đảm bảo an toàn và hiệu quả.

4.1. Ứng dụng MATLAB Simulink trong phân tích động học hệ thống

MATLAB/Simulink là bộ công cụ tiêu chuẩn trong giới học thuật và công nghiệp để mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống động. Kỹ sư có thể xây dựng mô hình toán học của các thành phần cơ khí (như động cơ, băng tải) và các thuật toán điều khiển (như PID, điều khiển mờ). Simulink cung cấp một giao diện đồ họa trực quan, cho phép kéo-thả các khối chức năng để xây dựng sơ đồ hệ thống. Thông qua mô phỏng, có thể phân tích các đặc tính như thời gian đáp ứng, độ vọt lố, sai số xác lập và sự ổn định của hệ thống. Kết quả phân tích này giúp tinh chỉnh các thông số của bộ điều khiển để đạt được hiệu suất tối ưu trước khi triển khai trên phần cứng thực tế.

4.2. Sử dụng TIA Portal để lập trình và mô phỏng hoạt động PLC

TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) là một nền tảng phần mềm hợp nhất của Siemens, cho phép kỹ sư thực hiện toàn bộ quá trình tự động hóa từ thiết kế, lập trình, đến vận hành và bảo trì. Trong đồ án tham khảo, TIA Portal được sử dụng để cấu hình phần cứng cho PLC S7-1200, lập trình logic điều khiển cho hệ thống phân loại bằng ngôn ngữ Ladder và mô phỏng toàn bộ chương trình. Chức năng mô phỏng PLC S7-PLCSIM cho phép chạy chương trình PLC ảo trên máy tính mà không cần kết nối với PLC thật. Điều này cực kỳ hữu ích cho việc kiểm tra và gỡ lỗi logic, đảm bảo thuật toán hoạt động chính xác trước khi nạp vào thiết bị, giúp rút ngắn đáng kể thời gian phát triển và triển khai dự án tự động hóa công nghiệp.

V. Ứng dụng thực tiễn Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm

Để minh họa cho các nguyên tắc lý thuyết, hãy xem xét một ứng dụng thực tiễn: thiết kế hệ thống cơ điện tử phân loại sản phẩm theo chiều cao, được mô tả chi tiết trong tài liệu tham khảo. Hệ thống này là một ví dụ điển hình của tự động hóa công nghiệp, tích hợp đầy đủ các thành phần cơ, điện và điều khiển. Về cơ khí, hệ thống sử dụng một băng tải được dẫn động bởi động cơ DC để vận chuyển sản phẩm và các xi lanh khí nén để đẩy sản phẩm vào các thùng chứa tương ứng. Về điện tử, hệ thống trang bị các cảm biến quang để phát hiện sản phẩm và đo chiều cao của chúng. Trung tâm điều khiển là bộ điều khiển PLC S7-1200, nhận tín hiệu từ cảm biến và xuất tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành (động cơ và van điện từ). Toàn bộ logic hoạt động được lập trình bên trong PLC, bao gồm cả chế độ tự động (AUTO) và bằng tay (MANUAL). Sơ đồ đấu nối chi tiết cho thấy cách các cảm biến NPN, nút nhấn, đèn báo được kết nối với các ngõ vào/ra (I/O) của PLC. Hệ thống này chứng minh cách các thành phần cơ điện tử phối hợp với nhau để giải quyết một bài toán công nghiệp cụ thể, từ đó nâng cao năng suất và giảm thiểu sai sót do con người.

5.1. Phân tích mô hình phân loại sản phẩm tự động theo chiều cao

Nguyên lý hoạt động của hệ thống khá trực quan. Sản phẩm được đặt lên băng tải và di chuyển qua một loạt các cảm biến quang đặt ở các độ cao khác nhau. Khi một sản phẩm đi qua, PLC sẽ đọc tín hiệu từ các cảm biến này. Nếu sản phẩm che khuất cảm biến cao nhất, nó được xác định là “sản phẩm cao”. Nếu nó chỉ che khuất cảm biến ở giữa, nó là “sản phẩm trung bình”. Nếu không che khuất cảm biến nào, nó là “sản phẩm thấp”. Dựa trên nhận dạng này, PLC sẽ kích hoạt xi lanh khí nén tương ứng tại đúng thời điểm để đẩy sản phẩm vào đúng thùng chứa. Sơ đồ giải thuật trong tài liệu cho thấy rõ luồng xử lý logic này, bao gồm cả việc khởi động, dừng băng tải và điều khiển thời gian tác động của xi lanh. Mô hình này có thể được mở rộng để phân loại theo các tiêu chí khác như màu sắc hoặc trọng lượng bằng cách thay đổi loại cảm biến.

5.2. Quy trình thiết kế mạch và sơ đồ đấu nối PLC trong thực tế

Từ sơ đồ nguyên lý, bước tiếp theo là thiết kế mạch điện tử và sơ đồ đấu nối thực tế. Sơ đồ đấu dây trong tài liệu gốc (Hình 4-4, 4-5) là một tài liệu kỹ thuật quan trọng. Nó chỉ rõ cách kết nối nguồn 24VDC, cách nối các cảm biến (loại NPN) vào các ngõ vào số (Digital Input) của PLC. Các nút nhấn (START, STOP, MODE) và công tắc hành trình cũng được kết nối tương tự. Các ngõ ra số (Digital Output) của PLC được kết nối với rơ-le trung gian hoặc trực tiếp với cuộn dây của van điện từ (để điều khiển xi lanh) và contactor (để điều khiển động cơ băng tải). Việc thiết kế sơ đồ đấu nối rõ ràng, tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn điện là cực kỳ quan trọng để đảm bảo độ tin cậy hệ thống, dễ dàng lắp đặt và bảo trì sau này.

VI. Xu hướng tương lai của ngành kỹ thuật cơ điện tử hiện đại

Ngành kỹ thuật cơ điện tử đang phát triển với tốc độ vũ bão, được thúc đẩy bởi những tiến bộ trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo và kết nối vạn vật. Trong tương lai gần, các hệ thống cơ điện tử sẽ không chỉ thực hiện các nhiệm vụ được lập trình sẵn mà còn có khả năng học hỏi, thích ứng và tự ra quyết định. Sự tích hợp của trí tuệ nhân tạo (AI) trong cơ điện tử sẽ cho phép robot công nghiệp có khả năng nhận dạng vật thể phức tạp qua thị giác máy tính (computer vision), tự tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động để tiết kiệm năng lượng. Bên cạnh đó, Internet vạn vật (IoT) sẽ kết nối hàng tỷ thiết bị cơ điện tử, từ thiết bị gia dụng đến dây chuyền sản xuất, vào một mạng lưới khổng lồ. Dữ liệu thu thập từ các cảm biến sẽ được phân tích trên nền tảng đám mây để giám sát tình trạng thiết bị, dự đoán hỏng hóc và lên kế hoạch bảo trì một cách chủ động. Những xu hướng này đang định hình nên cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, hướng tới các hệ thống điều khiển tự động hoàn toàn, linh hoạt và thông minh, mở ra những tiềm năng to lớn cho sản xuất và cuộc sống.

6.1. Tích hợp Trí tuệ nhân tạo AI và Robot công nghiệp thông minh

AI đang thổi một luồng sinh khí mới vào lĩnh vực robot. Thay vì các robot công nghiệp truyền thống chỉ lặp lại một chuỗi hành động cố định, robot thế hệ mới được trang bị AI có thể hiểu và tương tác với môi trường xung quanh. Chúng có thể nhận dạng giọng nói, xử lý ngôn ngữ tự nhiên để nhận lệnh từ con người, hoặc sử dụng các thuật toán học máy để cải thiện độ chính xác sau mỗi lần thực hiện nhiệm vụ. Trong các ứng dụng như lắp ráp sản phẩm phức tạp, robot có thể sử dụng camera và AI để xác định vị trí của linh kiện một cách linh hoạt, thay vì yêu cầu chúng phải được đặt ở một vị trí cố định. Sự kết hợp này tạo ra các hệ thống sản xuất linh hoạt, có khả năng thích ứng nhanh với sự thay đổi của mẫu mã sản phẩm.

6.2. Vai trò của Internet vạn vật IoT trong giám sát và bảo trì

Internet vạn vật (IoT) tạo ra một cầu nối giữa thế giới vật lý và thế giới số. Trong một nhà máy thông minh, mỗi động cơ, cảm biến, và bộ điều khiển PLC đều có thể được gắn một địa chỉ IP và kết nối vào mạng. Điều này cho phép thu thập dữ liệu vận hành theo thời gian thực, chẳng hạn như nhiệt độ động cơ, áp suất hệ thống khí nén, số chu kỳ hoạt động của xi lanh. Dữ liệu này được truyền về một hệ thống trung tâm để phân tích. Các thuật toán có thể phát hiện các dấu hiệu bất thường và cảnh báo sớm về nguy cơ hỏng hóc, cho phép kỹ sư thực hiện bảo trì προληπτική (predictive maintenance) trước khi sự cố xảy ra. Điều này giúp tối đa hóa độ tin cậy hệ thống và giảm thiểu thời gian dừng máy ngoài kế hoạch.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển của kỹ thuật điều khiển, công nghệ thông tin và truyền thông, lĩnh vực điều khiển và tự động hóa ngày càng mở rộng nhằm đáp ứng các yêu cầu khắt khe của sản xuất công nghiệp. Trước các yêu cầu thực tiễn của cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, các doanh nghiệp sản xuất đứng trước đòi hỏi phải lựa chọn hệ thống điều khiển tự động phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất, tiết kiệm chi phí vận hành, nâng cao hiệu quả sản xuất và dễ dàng bảo trì khi xảy ra sự cố.

Tại các dây chuyền sản xuất thủ công, các công đoạn phân loại sản phẩm có tính tuần hoàn, lặp đi lặp lại và đòi hỏi sự tập trung cao thường khiến công nhân khó duy trì độ chính xác liên tục. Sự suy giảm độ chuẩn xác này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín doanh nghiệp. Để giải quyết bất cập đó, việc ứng dụng hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm trở thành nhu cầu cấp thiết nhằm thay thế sức lao động con người, đảm bảo hoạt động liên tục với độ tin cậy cao và giảm thiểu thời gian trì hoãn.

Xuất phát từ thực tiễn trên, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đưa nội dung thiết kế hệ thống phân loại vào chương trình đào tạo chuyên ngành Cơ điện tử. Đề tài "Thiết kế hệ thống cơ điện tử" do sinh viên Trần Ngọc Hiệp thực hiện tập trung vào việc nghiên cứu, tính toán lựa chọn thiết bị và xây dựng hệ thống phân loại sản phẩm tự động theo chiều cao ứng dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC kết hợp cơ cấu truyền động điện - khí nén.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm các nội dung cụ thể sau:

1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm tự động, các tiêu chuẩn phân loại, mức độ tự động hóa và các ứng dụng thực tế trong công nghiệp.
2. Tính toán, lựa chọn các phần tử chấp hành cơ khí, thiết bị khí nén, cảm biến nhận biết và thiết bị đóng cắt - hiển thị cho mô hình phân loại.
3. Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động, tập lệnh và cấu trúc vùng nhớ của bộ điều khiển logic khả trình PLC họ Siemens S7-1200.
4. Xây dựng sơ đồ giải thuật điều khiển chi tiết cho hai chế độ vận hành bằng tay (MANUAL) và tự động (AUTO); phân bổ bảng địa chỉ vào/ra (I/O) và thiết kế sơ đồ đấu nối nguyên lý.
5. Thiết lập cấu hình phần cứng, lập trình chương trình điều khiển trên phần mềm TIA Portal và tích hợp mô phỏng hoạt động hệ thống qua giao diện WinCC RT Advanced.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống băng tải phân loại sản phẩm thành 3 cấp chiều cao (cao, trung bình, thấp) tích hợp cơ cấu cấp phôi và đẩy phôi bằng xilanh khí nén. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở khâu tính toán lựa chọn thiết bị phần cứng công nghiệp, thiết kế mạch điều khiển, lập trình logic trên PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC và mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm chuyên dụng trong phạm vi đồ án môn học tại Bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý cốt lõi của kỹ thuật cơ điện tử và tự động hóa quá trình sản xuất:

• Khái niệm và cấp độ tự động hóa: Hệ thống phân loại tự động được xem xét theo các tiêu chí: hình thức (tự động hóa một phần hoặc toàn phần), cấp độ (công đoạn, phân xưởng, toàn nhà máy) và mức độ tự động hóa chia làm 7 mức (từ 0 đến toàn bộ). Hệ số tự động hóa được xác định theo công thức: $$K = \frac{T_M}{T_{ch}} = \frac{T_M}{T_M + T_T}$$ Trong đó $T_M$ là thời gian thực hiện bằng máy, $T_T$ là thời gian thực hiện bằng tay, và $T_{ch}$ là thời gian chiếc.
• Phương pháp nhận dạng sản phẩm: Lý thuyết nhận diện sản phẩm dựa trên các đặc tính vật lý như kích thước (dùng cảm biến quang), màu sắc (dùng cảm biến màu), hoặc hình ảnh (dùng camera chụp và so sánh với ảnh mẫu). Trong đồ án này, phương pháp xác định chiều cao bằng các cảm biến tiệm cận quang được ứng dụng trực tiếp.
• Lý thuyết truyền động khí nén và cơ khí: Nguyên lý tích trữ và truyền năng lượng của dòng khí nén qua van đảo chiều 5/2 điều khiển bằng điện từ (Solenoid Valve) để điều khiển xilanh khí nén tác động kép; lý thuyết tính toán động cơ điện một chiều kết hợp hộp giảm tốc và bộ truyền xích dẫn động tang băng tải.
• Lý thuyết điều khiển khả trình (PLC): Kiến trúc xử lý tín hiệu số của CPU PLC, cấu trúc vòng quét (Scan Cycle), và phân vùng bộ nhớ (vùng chương trình ứng dụng gồm Organization Block OB1, Subroutine, Interrupt; vùng dữ liệu gồm Data Block DB, Local Data Block L).

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp kỹ thuật: Nghiên cứu catalog thiết bị từ các nhà sản xuất công nghiệp (Siemens, Schneider Electric, Airtac, Omron) để lựa chọn thông số định mức phù hợp.
• Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Tính toán động học truyền động băng tải, xác định tỉ số truyền giảm tốc, tỉ số truyền xích và công suất động cơ dẫn động.
• Phương pháp mô hình hóa và lập trình điều khiển: Thiết kế sơ đồ thuật toán điều khiển tuần tự, xây dựng bảng biến tag và lập trình sơ đồ bậc thang (Ladder Diagram) trên nền tảng TIA Portal, kết nối giao diện mô phỏng HMI/SCADA trên WinCC RT Advanced.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án là các tài liệu kỹ thuật, bảng thông số catalog của thiết bị cơ khí, khí nén, cảm biến, PLC S7-1200 và giáo trình chuyên ngành Cơ điện tử thuộc Đại học Bách Khoa Hà Nội.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống phân loại sản phẩm trong đồ án được thiết kế đồng bộ giữa phần cứng cơ điện, hệ thống khí nén và chương trình điều khiển số.

1. Lựa chọn thiết bị phần cứng và tính toán động cơ

Dựa trên kết quả tính toán động lực học, các thành phần phần cứng được xác định cụ thể như sau:

• Động cơ dẫn động băng tải: Động cơ một chiều 24V mã hiệu DC4GN25-24 kết hợp hộp giảm tốc 4GN-K.
  • Công suất động cơ: 25W.
  • Điện áp hoạt động: 24V DC; dòng điện định mức: 0,7A.
  • Tốc độ quay động cơ: 3000 vòng/phút.
  • Kích thước thân động cơ: Đường kính 80mm, mặt bích vuông 80x80mm, chiều dài 120mm, trọng lượng 1,7kg.
  • Hộp giảm tốc đi kèm: Kích thước 46mm, trục đầu ra phi 10mm, tỷ số truyền tải 3:200, mô men xoắn 0,3 - 8 N.cm, trọng lượng 0,4 - 0,6kg. Tốc độ quay sau hộp giảm tốc đạt 50 vòng/phút.
  • Bộ truyền xích: Để đạt tốc độ quay của tang chủ động băng tải là 37,24 vòng/phút, tỉ số truyền xích được tính toán: $u_x = \frac{50}{37,24} \approx 1,34$.
• Hệ thống khí nén:
  • Van điện từ: Van đảo chiều khí nén AIRTAC 5/2 mã hiệu 4V210-08 (kích thước cổng 13mm, áp suất làm việc 0,18 MPa, 1 đầu coil điện 24VDC, dải nhiệt độ hoạt động -20 đến 70°C).
  • Cơ cấu chấp hành: Gồm 3 xilanh khí nén thực hiện chức năng cấp phôi tự động, đẩy phân loại sản phẩm cao và đẩy phân loại sản phẩm trung bình.
• Cảm biến và thiết bị điều khiển ngoại vi:
  • Cảm biến: Cảm biến quang tiệm cận E3F-DS30C4 ngõ ra NPN dùng nhận diện sản phẩm và phát hiện các mức chiều cao. Hệ thống sử dụng 6 công tắc hành trình để giám sát vị trí đầu - cuối của 3 xilanh.
  • Nút nhấn: Nút nhấn tự giữ Schneider XA2EH031 (phi 22mm, điện trở tiếp điểm < 50 mΩ, cách điện 660VAC/DC, tiếp điểm đồng) dùng làm công tắc nguồn, chọn chế độ; Nút nhấn nhả Schneider XA2EA31 dùng cho lệnh START, STOP, RESET.
  • Đèn báo: Đèn báo Schneider XA2EVFD4LC (điện áp 220VAC/24VDC, dòng tiêu thụ < 18mA, tuổi thọ trên 100.000 giờ sáng liên tục, nhiệt độ -25 đến 70°C).

2. Cấu hình phần cứng PLC và phân bổ đầu vào/ra (I/O)

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC kết hợp thêm 1 module mở rộng DI 8/DQ 8x24VDC nhằm đảm bảo đủ số lượng cổng tín hiệu. Bảng phân bổ địa chỉ I/O trên PLC được thiết lập như sau:

Ký hiệu Tag	Kiểu dữ liệu	Địa chỉ PLC	Chức năng chi tiết
I_MODE	Bool	%I0.0	Công tắc chuyển đổi chế độ Auto / Manual
I_CB_Cao	Bool	%I0.1	Cảm biến phát hiện sản phẩm loại cao
I_CB_TB	Bool	%I0.2	Cảm biến phát hiện sản phẩm loại trung bình
I_CB_Thap	Bool	%I0.3	Cảm biến phát hiện sản phẩm loại thấp
I_BT	Bool	%I0.4	Công tắc bật/tắt băng tải bằng tay
I_Xylanh_Cao	Bool	%I0.5	Công tắc kích xilanh đẩy sản phẩm cao bằng tay
I_Xylanh_TB	Bool	%I0.6	Công tắc kích xilanh đẩy sản phẩm trung bình bằng tay
I_CB_SP	Bool	%I0.7	Cảm biến phát hiện có sản phẩm tại khay cấp
I_Xylanh_SP	Bool	%I1.0	Công tắc kích xilanh cấp sản phẩm bằng tay
I_START	Bool	%I1.1	Nút nhấn khởi động hệ thống (START)
I_STOP	Bool	%I1.2	Nút nhấn dừng hệ thống (STOP)
I_A0	Bool	%I2.0	Công tắc hành trình xilanh cấp SP ở vị trí thu
I_A1	Bool	%I2.1	Công tắc hành trình xilanh cấp SP ở vị trí duỗi
I_B0	Bool	%I2.2	Công tắc hành trình xilanh SP cao ở vị trí thu
I_B1	Bool	%I2.3	Công tắc hành trình xilanh SP cao ở vị trí duỗi
I_C0	Bool	%I2.4	Công tắc hành trình xilanh SP TB ở vị trí thu
I_C1	Bool	%I2.5	Công tắc hành trình xilanh SP TB ở vị trí duỗi
Q_Lamp_Auto	Bool	%Q0.0	Đèn báo hiển thị chế độ Tự động (AUTO)
Q_Lamp_Manu	Bool	%Q0.1	Đèn báo hiển thị chế độ Bằng tay (MANUAL)
Q_BT	Bool	%Q0.2	Tín hiệu điều khiển động cơ băng tải chạy
Q_Xylanh_Cao	Bool	%Q0.3	Tín hiệu kích van điện từ xilanh đẩy sản phẩm cao
Q_Xylanh_TB	Bool	%Q0.4	Tín hiệu kích van điện từ xilanh đẩy sản phẩm TB
Q_Xylanh_SP	Bool	%Q0.5	Tín hiệu kích van điện từ xilanh cấp sản phẩm
Q_RUN	Bool	%Q0.6	Đèn báo trạng thái toàn hệ thống đang hoạt động

3. Cấu trúc chương trình điều khiển và mô phỏng

Chương trình PLC được cấu trúc hóa trong môi trường TIA Portal bao gồm:

• Chương trình chính (Main OB1): Quản lý trạng thái khởi động/dừng qua cờ nhớ hệ thống Q_RUN. Khi Q_RUN tích cực, chương trình kiểm tra biến I_MODE: nếu bật chuyển sang thực thi khối hàm FC_AUTO_MODE, nếu tắt chuyển sang chế độ MANU. Sau đó, PLC tiếp tục quét qua hàm OUTPUT để xuất tín hiệu vật lý và hàm SIMU để đồng bộ dữ liệu giao diện mô phỏng.
• Khối hàm chế độ tự động (FC_AUTO_MODE):
  • Khi nhấn START, băng tải tự động vận hành (Q_BT = True).
  • Cảm biến I_CB_SP phát hiện phôi sẽ kích hoạt van Q_Xylanh_SP để xilanh cấp đẩy phôi vào băng chuyền. Tín hiệu duy trì mức cao để xilanh đi hết hành trình, sau khoảng trễ thời gian 2 giây sẽ hạ xuống mức thấp để thu xilanh về.
  • Phôi di chuyển trên băng chuyền qua các vị trí cảm biến. Nếu cảm biến chiều cao I_CB_Cao tác động, băng tải tạm dừng, xilanh đẩy sản phẩm cao Q_Xylanh_Cao tác động trong 2 giây rồi thu về, đồng thời tăng giá trị bộ đếm sản phẩm cao.
  • Nếu cảm biến cao không nhận diện, sản phẩm đi tiếp đến vùng cảm biến trung bình I_CB_TB. Khi cảm biến này tác động, xilanh trung bình Q_Xylanh_TB kích hoạt đẩy sản phẩm trong 2 giây và tăng bộ đếm sản phẩm trung bình.
  • Nếu cả hai cảm biến trên đều không tác động, sản phẩm tiếp tục đi đến cuối băng tải, kích hoạt cảm biến thấp I_CB_Thap để đếm và rơi vào thùng chứa sản phẩm thấp.
  • Nhấn nút RESET sẽ thiết lập lại toàn bộ giá trị của các bộ đếm sản phẩm về 0.
• Mô phỏng WinCC RT Advanced: Kết nối với trạm PLC qua mạng truyền thông PROFINET IO, gán các tag hệ thống (AlwaysFALSE, Clock_2), tag ngõ vào, tag ngõ ra và tag vùng nhớ trung gian (M) để kiểm tra giao diện vận hành trực quan.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan hệ thống phân loại sản phẩm

Chương 1 trình bày tổng quan về định nghĩa, vai trò và tính cấp thiết của hệ thống phân loại tự động trong dây chuyền sản xuất hiện đại. Tác giả hệ thống hóa các phương thức phân loại sản xuất theo hình thức (tự động một phần, toàn phần), cấp độ (từ công đoạn đơn lẻ đến toàn bộ nhà máy), mức độ tự động hóa (chia thành 7 cấp độ tính theo hệ số K), và theo phương thức nhận biết (kích thước, màu sắc, camera so khớp ảnh). Chương này cũng phân tích các ứng dụng thực tế của công nghệ phân loại trong ngành sản xuất gạch ngói, đá granite, chế biến nông sản (gạo, cà phê), công nghiệp thực phẩm và nước giải khát, đồng thời xác lập các yêu cầu kỹ thuật cơ bản cho 3 cụm chức năng chính: cụm cấp phôi tự động, cụm băng chuyền vận chuyển và cụm cơ cấu phân loại kết hợp bộ đếm sản phẩm.

Chương 2: Tìm hiểu về các thành phần trong hệ thống phân loại

Chương 2 đi sâu vào khảo sát chi tiết và tính toán lựa chọn các thiết bị phần cứng cơ điện và khí nén:

• Động cơ băng tải: Lựa chọn động cơ một chiều DC4GN25-24 (25W, 24V, 3000 vòng/phút, 0,7A) đi kèm hộp giảm tốc 4GN-K tỷ số truyền 3:200 để tạo tốc độ đầu ra 50 vòng/phút, kết hợp bộ truyền xích có tỉ số truyền $u_x = 1,34$ dẫn động tang chủ động quay ở tốc độ 37,24 vòng/phút.
• Hệ thống khí nén: Phân tích ưu - nhược điểm của truyền động khí nén; khảo sát cấu tạo và nguyên lý đảo chiều của van điện từ AIRTAC 5/2 model 4V210-08 (cổng 13mm, áp suất 0,18 MPa, 1 coil 24VDC, nhiệt độ -20 đến 70°C).
• Cảm biến và thiết bị điều khiển: Trình bày nguyên lý cảm biến quang tiệm cận E3F-DS30C4 kiểu ngõ ra NPN và sơ đồ kết nối với PLC; khảo sát đặc tính kỹ thuật của nút nhấn tự giữ Schneider XA2EH031, nút nhấn nhả Schneider XA2EA31 và đèn báo Schneider XA2EVFD4LC (tuổi thọ trên 100.000 giờ sáng liên tục).

Chương 3: Tìm hiểu chung về PLC

Chương 3 tổng hợp lý thuyết toàn diện về bộ điều khiển logic khả trình:

• Lịch sử hình thành từ hệ thống PLC đầu tiên năm 1968 (General Motors) qua các mốc phát triển năm 1969, 1970 và từ 1975 đến nay.
• Định nghĩa, lợi ích công nghiệp, tiêu chuẩn hóa các chức năng chính (điều khiển chuyên gia giám sát, điều khiển dãy, điều khiển mềm dẻo) và các lĩnh vực ứng dụng điển hình (hóa chất, chế tạo máy, thực phẩm, luyện kim, năng lượng).
• Phân tích ưu - nhược điểm của PLC so với mạch điều khiển rơ-le cổ điển (ưu điểm về khả năng lập trình linh hoạt, chống nhiễu, kết nối mạng; nhược điểm về giá thành ở quy mô nhỏ và dòng ngõ ra nhỏ hơn 500mA đòi hỏi rơ-le trung gian).
• Cấu trúc phần cứng gồm 5 bộ phận cơ bản: CPU, bộ nguồn, bộ nhớ (ROM, RAM, EEPROM), giao diện I/O (dạng Relay hoặc Solid State Transistor/Triac) và thiết bị lập trình. Cấu trúc vùng nhớ phân định rõ vùng chương trình (OB1, Subroutine, Interrupt) và vùng dữ liệu (DB, L).
• Khảo sát các dòng CPU Siemens S7-1200 và lựa chọn model CPU 1214C DC/DC/DC dựa trên bảng so sánh thông số:

Thông số kỹ thuật	CPU 1211C	CPU 1212C	CPU 1214C
Kích thước vật lý (mm)	90 x 100 x 75	90 x 100 x 75	110 x 100 x 75
Bộ nhớ làm việc (Work Memory)	25 kB	50 kB	50 kB
Bộ nhớ nạp (Load Memory)	1 MB	1 MB	2 MB
Bộ nhớ giữ lại (Retentive Memory)	2 kB	2 kB	2 kB
I/O tích hợp cục bộ kiểu số	6 vào / 4 ra	8 vào / 6 ra	14 vào / 10 ra
Ngõ vào/ra tương tự	2 ngõ vào	2 ngõ vào	2 ngõ vào
Kích thước ảnh tiến trình	1024 byte (I) / 1024 byte (Q)	1024 byte (I) / 1024 byte (Q)	1024 byte (I) / 1024 byte (Q)
Bộ nhớ bit (M)	4096 byte	4096 byte	8192 byte
Khả năng mở rộng module tín hiệu	Không	2 module	8 module
Khả năng mở rộng bảng tín hiệu (Signal Board)	1	1	1
Module truyền thông mở rộng	3	3	3

Chương 4: Thiết kế hệ thống

Chương 4 hoàn thiện thiết kế kỹ thuật chi tiết của hệ thống phân loại:

• Xây dựng 3 lưu đồ thuật toán điều khiển: sơ đồ giải thuật chính, sơ đồ giải thuật chế độ Tự động (AUTO) và sơ đồ giải thuật chế độ Bằng tay (MANUAL).
• Lập bảng phân bổ địa chỉ Input (17 đầu vào từ %I0.0 đến %I2.5) và Output (7 đầu ra từ %Q0.0 đến %Q0.6).
• Xây dựng sơ đồ nguyên lý đấu dây kết nối tín hiệu từ các cảm biến NPN, công tắc hành trình, nút bấm vào module đầu vào PLC và mạch điều khiển đầu ra cho các van điện từ khí nén, động cơ băng tải.

Chương 5: Chương trình PLC và mô phỏng hoạt động của hệ thống

Chương 5 hiện thực hóa logic điều khiển trên nền tảng phần mềm:

• Giới thiệu môi trường phần mềm TIA Portal (gồm Portal View và Project View) và phần mềm thiết kế giao diện WinCC RT Advanced.
• Cấu hình phần cứng trên phần mềm gồm trạm CPU 1214C DC/DC/DC, module mở rộng DI 8/DQ 8x24VDC và khối truyền thông PROFINET kết nối với WinCC RT Advanced.
• Thiết lập hệ thống tag: kích hoạt System and clock memory (sử dụng tag AlwaysFALSE, Clock_2), thiết lập các tag đầu vào, tag đầu ra và các biến trung gian vùng nhớ M.
• Viết các khối hàm logic điều khiển:
  • Network điều khiển khởi động/dừng hệ thống và chọn chế độ vận hành qua biến Q_RUN và I_MODE.
  • Khối hàm FC_AUTO_MODE: logic điều khiển chạy/dừng băng tải khi phát hiện phôi; logic kích hoạt van điện từ xilanh cấp phôi và xilanh phân loại với độ trễ thời gian 2 giây; logic đếm và đặt lại giá trị bộ đếm sản phẩm các loại về 0 bằng nút RESET.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

• Tính toán và lựa chọn phần cứng đồng bộ: Xác định chính xác cấu hình cơ điện gồm động cơ 25W 24VDC (3000 vòng/phút), hộp giảm tốc 4GN-K (3:200), bộ truyền xích ($u_x = 1,34$) đảm bảo tốc độ tang chủ động 37,24 vòng/phút; lựa chọn van điện từ Airtac 5/2 4V210-08 và 3 xilanh khí nén cho các cơ cấu chấp hành.
• Thiết kế hệ thống điều khiển PLC: Lựa chọn thành công cấu hình phần cứng Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC kết hợp module mở rộng DI 8/DQ 8x24VDC, đáp ứng đầy đủ 17 đầu vào số và 7 đầu ra số.
• Xây dựng hoàn chỉnh chương trình điều khiển và mô phỏng: Lập trình thành công các khối hàm điều khiển cho 2 chế độ AUTO và MANUAL trên phần mềm TIA Portal; thiết lập các bộ đếm sản phẩm riêng biệt cho từng mức chiều cao (cao, trung bình, thấp); định thời gian trễ 2 giây cho các hành trình xilanh; thiết lập liên kết truyền thông mô phỏng với WinCC RT Advanced.

Đóng góp của đồ án

• Hệ thống hóa quy trình thiết kế một hệ thống cơ điện tử phân loại sản phẩm hoàn chỉnh từ khâu tính toán động cơ, thiết kế mạch khí nén đến lập trình PLC và giám sát HMI.
• Đưa ra giải pháp điều khiển tự động có cấu trúc mô-đun hóa rõ ràng, dễ bảo trì, có khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa vận hành tự động và vận hành bằng tay phục vụ học tập và nghiên cứu thực nghiệm.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế:
  • Đề tài tập trung vào việc tính toán lý thuyết, thiết kế sơ đồ nguyên lý và lập trình mô phỏng trên phần mềm TIA Portal / WinCC RT Advanced, chưa tiến hành chế tạo mô hình cơ khí thực tế để đo đạc và đánh giá sai số thực nghiệm khi dây chuyền hoạt động ở tải trọng biến thiên liên tục.
  • Phương pháp phân loại chỉ giới hạn ở tiêu chí chiều cao dựa trên cảm biến quang tiệm cận, chưa tích hợp nhận diện đa tiêu chí (màu sắc, khối lượng, khuyết tật bề mặt).
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Gia công, lắp ráp mô hình phần cứng thực tế để kiểm chứng độ ổn định động học của băng tải và các cơ cấu xilanh khí nén.
  • Tích hợp thêm cảm biến màu sắc, cảm biến lực hoặc module xử lý ảnh (Camera/Webcam) để nâng cao khả năng phân loại sản phẩm phức tạp.
  • Khai thác tính năng Web Server và cổng PROFINET IO tích hợp sẵn trên CPU 1214C để mở rộng kết nối mạng IoT và hệ thống giám sát SCADA từ xa qua mạng công nghiệp.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp cho sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa, Cơ khí chế tạo máy tại các trường đại học kỹ thuật khi thực hiện các học phần "Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí" và "Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử". Các nội dung có giá trị ứng dụng cao bao gồm:

• Quy trình tính toán tỉ số truyền động cơ - hộp giảm tốc - bộ truyền xích cho hệ thống băng tải.
• Sơ đồ đấu nối chi tiết cảm biến quang NPN, nút nhấn công nghiệp và van điện từ 5/2 với PLC.
• Cấu trúc chương trình mẫu trên TIA Portal phân định rõ các khối hàm điều khiển AUTO/MANUAL và cách thức liên kết mô phỏng qua WinCC RT Advanced.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ dẫn động băng tải trong đồ án có các thông số kỹ thuật chính nào?
Hệ thống sử dụng động cơ điện một chiều 24V model DC4GN25-24 có công suất 25W, dòng điện 0,7A, tốc độ quay 3000 vòng/phút, đường kính thân 80mm, mặt bích 80x80mm, chiều dài 120mm và trọng lượng 1,7kg. Động cơ đi kèm hộp giảm tốc 4GN-K với tỷ số truyền 3:200 để hạ tốc độ đầu ra xuống 50 vòng/phút.

2. Làm thế nào để tang chủ động của băng tải đạt được vận tốc 37,24 vòng/phút?
Từ tốc độ đầu ra của hộp giảm tốc là 50 vòng/phút, hệ thống sử dụng thêm một bộ truyền xích ngoài có tỉ số truyền $u_x = \frac{50}{37,24} \approx 1,34$ để truyền động đến tang chủ động, giúp tang quay đúng tốc độ thiết kế 37,24 vòng/phút.

3. Tại sao tác giả lại chọn dòng PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC và bổ sung module mở rộng?
CPU 1214C có dung lượng bộ nhớ làm việc 50 kB, bộ nhớ nạp 2 MB, tích hợp sẵn 14 đầu vào và 10 đầu ra số, hỗ trợ mở rộng tối đa 8 module tín hiệu. Do hệ thống yêu cầu 17 đầu vào số (gồm các cảm biến, công tắc hành trình, nút bấm) và 7 đầu ra số nên tác giả đã ghép nối thêm một module mở rộng DI 8/DQ 8x24VDC để đáp ứng đủ số lượng I/O.

4. Quy trình phân loại 3 loại sản phẩm theo chiều cao ở chế độ AUTO diễn ra như thế nào?
Khi băng tải chạy, phôi được xilanh cấp đẩy vào băng chuyền (duỗi hết hành trình và trễ 2s rồi thu về). Khi phôi di chuyển qua cụm cảm biến quang: nếu cảm biến cao tác động, xilanh đẩy sản phẩm cao hoạt động trong 2s để gạt sản phẩm vào khay riêng và tăng bộ đếm SP cao; nếu cảm biến cao không bắt được nhưng cảm biến trung bình tác động, xilanh trung bình sẽ gạt sản phẩm trong 2s và đếm SP trung bình; nếu cả hai cảm biến không tác động, sản phẩm đi đến cuối băng tải rơi vào thùng chứa sản phẩm thấp và kích hoạt cảm biến thấp để đếm số lượng.

5. Van điện từ khí nén sử dụng trong hệ thống là loại nào và có thông số ra sao?
Đồ án sử dụng van điện từ khí nén AIRTAC 5/2 model 4V210-08 với kích thước cổng 13mm, áp suất hoạt động 0,18 MPa, sử dụng 1 đầu coil điện áp 24VDC và dải nhiệt độ làm việc từ -20 đến 70°C.

---

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống cơ điện tử" của tác giả Trần Ngọc Hiệp đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tự động hóa quy trình phân loại sản phẩm theo chiều cao phục vụ công tác đào tạo chuyên ngành tại Đại học Bách Khoa Hà Nội. Công trình kết hợp hài hòa giữa việc tính toán động học truyền động cơ khí, thiết kế hệ thống phân phối khí nén và xây dựng giải thuật điều khiển trên PLC Siemens S7-1200 kết hợp mô phỏng TIA Portal / WinCC RT Advanced. Đây là tài liệu tổng hợp có tính hệ thống cao, cung cấp cơ sở kỹ thuật rõ ràng cho việc phát triển và ứng dụng các hệ thống phân loại tự động trong môi trường sản xuất công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 1. Khái niệm và ứng dụng 1. Thế nào là hệ thống phân loại sản phẩm Một hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống có thể phân loại các sản phẩm với độ tin cậy cao, hoạt động liên tục và giảm tối đa thời gian trì hoãn hệ thống.

Hơn thế nữa, đối với những công việc đòi hỏi sự tập trung cao và có tính tuần hoàn, nên các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc. Điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất. Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này. Các loại hệ thống phân loại sản phẩm Các hình thức phân loại: Để phân loại hệ thống tự động hóa sản xuất nói chung và hệ thống phân loại sản phẩm nói riêng tư dựa vào các tiêu chuẩn khác nhau như: hình thức, cấp độ, và mức độ tự động, phương pháp điều khiển tự động, cách thức nhận biết sản phẩm….

- Dựa vào hình thức: Hệ thống tự động một phần hoặc toàn phần +) Tự động một phần: là tự động quá trình công nghệ hoặc hệ thống, trong đó một phần năng lượng của con người được thay thế bằng năng lượng phi sinh vật trừ việc điều khiển khi tự động hóa. +) Tự động hóa toàn phần là tự động quá trình, trong đó toàn bộ năng lượng của con người được thay thế bằng năng lượng phi sinh vật kể quá quá trình điều khiển tự động hóa. Trang 5 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Bộ môn Cơ điện tử - Dựa vào cấp độ: Quá trình tự động diễn ra trong 1 công đoạn hay trong nhiều công đoạn, trong một phân xưởng hay trong nhiều công xưởng hay toàn bộ nhà máy… - Dựa vào mức độ tự động hóa: Mức độ tự động được chia làm 7 mức: thấp, nhỏ, vừa, lớn, nâng cao, cao và toàn bộ. Hệ số tự động tính theo công thức sau: K== Trong đó: TM – thời gian thực hiện bằng máy TT – Thời gian thực hiện bằng tay Tch - Thời gian chiếc Số mức Tên gọi Giá trị K 0 Không 0 1 Thấp 0.99…1 - Dựa vào cách thức nhận biết sản phẩm: Trang 6 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Bộ môn Cơ điện tử Căn cứ vào các yếu tố như: như kích thước, màu sắc, chiều cao, khối lượng, chiều dài, hình ảnh … +) Phân loại sản phẩm theo kích thước (to – nhỏ) sử dụng cảm biển quang dựa vào mức độ cản trở cảm biển do vật thẻ to nhỏ, cao thấp … +) Phân loại sản phẩm theo mầu sắc: sử dụng cảm biển màu sắc.

Cám biển máu sắc phát hiện màu sắc bằng cách sử dụng các yếu tố và tỷ lệ phản chiều của các màu khác nhau. +) Phân loại sản phẩm sử dụng webcam: sử dụng 1 camera chụp lại sản phẩm khi chạy qua và đưa ảnh về so sánh với ảnh gốc. Nếu giống thì sản phẩm đi qua, còn nếu không thì loại sản phẩm đó. - Ngoài ra còn một số cách phân loại dựa vào bộ phân điều khiển quá trình tự động như: điều khiển bằng rơle, điều khiển bằng bộ vi xử lý, điều khển bằng PLC, điều khiển có sử dụng máy tính.

Ứng dụng trong thực tế - Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc: thường ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyền sản xuất Gạch, Ngói, Đá Granite, trong các dây chuyền phân loại các sản phẩm nhựa hay trong chế biến Nông sản (như Cà Phê, Gạo)… Hệ thống sẽ giúp nhà sản xuất tốn ít nhân công lao động và giảm thiểu thời gian làm việc, nâng cao năng suất lao động. - Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao: thường ứng dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm như bánh kẹo, hoa quả.hoặ c trong công nghiệp sản xuất bia hay nước giải khát. - Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng: thường ứng dụng trong kiểm tra và phân loại nông sản và kết hợp với Robot thông minh. Trang 7 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Bộ môn Cơ điện tử Từ đây ta có thể thấy hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho chúng ta là rất lớn, cụ thể như: Giảm sức lao động, tránh được sự nhàm chán trong công việc, cải thiện được điều kiện làm việc của con người, tạo cho con người tiếp cận với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và được làm việc trong môi trường ngày càng văn minh hơn.

Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm, cũng như thay đổi mẫu mã một cách nhanh chóng. Giúp cho việc quản lý và giám sát trở nên rất đơn giản, bởi vì nó không những thay đổi điều kiện làm việc của công nhân mà còn có thể giảm số lượng công nhân đến mức tối đa… 1. Yêu cầu kỹ thuật cơ bản của các cụm chức năng trong hệ thống Chuyển động tịnh tiến đưa sản phẩm đến bộ phận phân loại, hầu hết trong hệ thống phân loại sản phẩm dùng băng chuyền để tạo ra chuyển động này. Để truyền động quay cho trục của băng chuyền người ta dùng động cơ điện thông qua các bộ truyền ngoài như xích hoăc đai.

Ngoài chuyển động đưa sản phẩm vào của băng chuyền máy còn chuyển động cần thiết nữa đó là hai chuyển động tịnh tiến để đẩy sản phẩm của piston, xilanh hoặc khí nén. Chuyển động của piston, xilanh được điều khiển bởi hệ thống khí nén. - Chức năng cấp phôi tự động: sử dụng piston đẩy phôi vào băng tải với lực phù hợp. - Chức năng vận chuyển sản phẩm: chọn băng tải phù hợp từ các thông số đầu vào như hình dáng, khối lượng phôi để vận chuyển liên tục với vận tốc mong muốn.

Từ đó chọn công suất động cơ phù hợp cho hệ thống. Trang 8 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Bộ môn Cơ điện tử - Chức năng phân loại: sử dụng hai cảm biến tiệm cận để phân loại 3 sản phẩm khác nhau. Dưới mỗi cảm biến sẽ có 1 piston để đẩy sản phẩm, đồng thời đếm số lượng sản phẩm mỗi loại. Ví dụ về thành phần của hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao Trang 9 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Bộ môn Cơ điện tử CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG PHÂN LOẠI 2.1 Động cơ - Qua quá trình tìm hiểu về động cơ đã thực hiện trong môn học “Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí”, cần chọn động cơ có công suất là 25W, tốc độ quay là 37,24 vòng/phút.

- Từ đây em chọn động cơ 25W 24V DC4GN25-24 với tỉ số truyền 1: 120. Động cơ DC4GN25-24 - Thông số động cơ điện 25W : ▪ Công suất của động cơ 25W. ▪ Điện áp cho động cơ 24V. ▪ Tốc độ quay của động cơ 3000 vòng/phút.

▪ Dòng điện 1 chiều 0,7 ampe. Trang 10 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Bộ môn Cơ điện tử ▪ Kích thước của động cơ phi 80mm. Mặt bích vuông 80x80mm. ▪ Chiều dài động cơ 120mm.

Đường kính trục phi mm. ▪ Trọng lượng 1,7kg ▪ Model: DC4GN25-24 - Thông số của hộp giảm tốc (đi kèm động cơ): ▪ Hộp giảm tốc có kích thước dài 46mm. Thân vuông 80x80mm. Trục hộp số phi 10mm.

▪ Tỷ số truyền tải 3:200 ▪ Tốc độ đầu ra của trục hộp số 15-1000 vòng/phút. ▪ Mô men xoắn 0,3-8 N.cm ▪ Trọng lượng 0,4-0,6kg ▪ Model:4GN-K ▪ Ta có số vòng quay động cơ là 3000 v/ph, qua hộp giảm tốc thì tốc độ còn lại là 50 v/ph. Số vòng quay lô chủ động (tang chủ động) là 37,24 v/ph. ▪ Tỉ số truyền xích cần là ux = 50/37,24 = 1,34.

Trang 11 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Bộ môn Cơ điện tử 2. Hệ thống khí nén Hình 2-2. Hệ thống khí nén cơ bản 1 Nguồn khí nén 4 Đồng hồ đo áp suất 2 Van lọc 5 Van phân phối 3/2 3 Van điều chỉnh áp suất 6 Van tiết lưu - Ưu điểm của hệ thống khí nén: + Do không khí có khả năng chịu nén (đàn hồi) nên có thể nén và trích chứa trong bình chứa với áp suất cao thuận lợi, xem như một kho chứa năng lượng. + Có khả năng truyền tải đi xa bằng hệ thống đường ống với tổn thất nhỏ, khí nén sau khi sinh công cơ học có thể thải ra ngoài mà không gây hại cho môi trường.

+ Tốc độ truyền động cao, linh hoạt, dễ điều khiển với độ tin cậy và chính xác. + Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất hiệu quả. - Nhược điểm của hệ thống khí nén: Trang 12 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Bộ môn Cơ điện tử + Công suất truyền động không lớn. Ở nhu cầu công suất truyền động lớn, chi phí cho truyền động khí nén sẽ cao hơn 10-15 lần so với truyền động điện cùng công suất, tuy nhiên kích thước và trọng lượng lại chỉ bằng 30% so với truyền động điện.

+ Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền động luôn có xu hướng thay đổi do khả năng đàn hồi của khí nén khá lớn, vì vậy khả năng duy trì chuyển động thẳng đều hoặc quay đều thường khó thực hiện. + Dòng khí nén được giải phóng ra môi trường có thể gây tiếng ồn. Van điện từ khí nén Qua quá trình tìm hiểu về hệ thống khí nén đã thực hiện trong môn học “Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí”, ta chọn van điện từ khí nén AIRTAC 5/2 4V210-08 Tên van Van điện từ khí nén AIRTAC 5/2 4V210-08 Kích thước cổng 13 mm Áp suất hoạt động 0.18 Mpa Số đầu coil điện 1 Nhiệt độ hoạt động -20 đến 70oC Điện áp đầu vào 24V Bảng 2-1. Thông số van AIRTAC 5/2 4V210-08 - Điều khiển van: Trang 13 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Bộ môn Cơ điện tử Hình 2-3.

Cấu tạo bên trong của van điện từ 5/2 +) Van 5/2 được thiết kế và hoạt động bằng cách cấp nguồn điện 220V hoặc 24V. Khi có nguồn điện sẽ sinh ra lực từ trường. Lực này sẽ hút trục van chuyển động dọc trục và khiến cho các cửa van được mở ra để cho khí nén thông cửa. Hoạt động này giúp cho van có thể thực điện nhiệm vụ cấp hoặc đóng dòng khí nén cho thiết bị cần hoạt động.

+) Khi van nằm ở trạng thái bình thường hay còn gọi là ở trạng thái van đóng thì cửa số 1 sẽ được thiết kế thông với cửa số 2. Trong khi đó thì cửa số 4 sẽ được thông với cửa số 5.