Thiết kế hệ thống cơ điện tử và quy trình phân loại sản phẩm

Hệ thống phân loại sản phẩm tự động hóa là một giải pháp công nghiệp hiện đại, giúp thay thế con người trong việc phân loại sản phẩm. 58 trang · 2023.

• Tác giả: Nguyễn Đức Long
• Người hướng dẫn: Thầy Phạm Đức An
• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Tự Động Hóa
• Loại tài liệu: Đồ Án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
• 1.1. Khái niệm và ứng dụng
• 1.2. Nguyên lí hoạt động hệ thống điều khiển
• 1.3. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 1.3.1. Động cơ
• 1.3.2. Xy lanh , van khí nén
• 1.3.2.1. Xy lanh
• 1.3.2.2. Van khí nén
• 1.3.3. Cảm biến
• 3. CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIAO TIẾP VÀ MÔ PHỎNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC HÌNH ẢNH

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Tự Động Hóa

Hệ thống phân loại sản phẩm tự động hóa là một giải pháp công nghiệp hiện đại, giúp thay thế con người trong việc phân loại sản phẩm. Hệ thống này sử dụng các cảm biến và thiết bị tự động để phân chia sản phẩm theo các đặc tính như chiều cao, màu sắc và khối lượng. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa không chỉ nâng cao hiệu suất sản xuất mà còn giảm thiểu sai sót do con người gây ra.

1.1. Khái Niệm Về Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm

Hệ thống phân loại sản phẩm là một giải pháp công nghiệp thay thế con người thực hiện các khâu phân loại sản phẩm. Hệ thống này sử dụng cảm biến và xylanh để phân chia sản phẩm theo các đặc tính mà người sử dụng quy định.

1.2. Ứng Dụng Của Hệ Thống Phân Loại

Hệ thống phân loại sản phẩm tự động được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất thực phẩm, dược phẩm và hàng tiêu dùng. Việc tự động hóa giúp tăng năng suất và giảm chi phí lao động.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại

Mặc dù hệ thống phân loại sản phẩm tự động hóa mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ chính xác của cảm biến, chi phí đầu tư ban đầu và khả năng bảo trì hệ thống là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ Chính Xác Của Cảm Biến

Độ chính xác của cảm biến là yếu tố quyết định đến hiệu quả của hệ thống phân loại. Cảm biến cần phải được lựa chọn và hiệu chỉnh phù hợp để đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình hoạt động.

2.2. Chi Phí Đầu Tư Ban Đầu

Chi phí đầu tư cho hệ thống phân loại tự động hóa có thể cao, đặc biệt là trong giai đoạn đầu. Do đó, việc tính toán chi phí và lợi ích lâu dài là rất quan trọng để đảm bảo tính khả thi của dự án.

III. Phương Pháp Phân Loại Sản Phẩm Tự Động Hóa Hiệu Quả

Có nhiều phương pháp phân loại sản phẩm tự động hóa, mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả.

3.1. Phân Loại Theo Kích Thước

Phương pháp phân loại theo kích thước sử dụng cảm biến quang hoặc hồng ngoại để phát hiện và so sánh kích thước sản phẩm. Đây là phương pháp phổ biến trong các nhà máy sản xuất.

3.2. Phân Loại Theo Khối Lượng

Phân loại theo khối lượng sử dụng cảm biến trọng lượng để phân biệt sản phẩm nặng-nhẹ. Phương pháp này thường được áp dụng trong các nhà máy sản xuất xi măng và phân bón.

3.3. Phân Loại Theo Màu Sắc

Sử dụng cảm biến màu để phân loại sản phẩm theo màu sắc. Phương pháp này rất hữu ích trong ngành công nghiệp dệt may và chế biến thực phẩm.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm

Hệ thống phân loại sản phẩm tự động hóa đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất thực phẩm đến logistics. Những ứng dụng này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao độ chính xác trong quy trình sản xuất.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Sản Xuất Thực Phẩm

Trong ngành sản xuất thực phẩm, hệ thống phân loại tự động giúp phân loại sản phẩm theo kích thước và chất lượng, đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn trước khi đóng gói.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Logistics

Hệ thống phân loại sản phẩm trong logistics giúp phân loại hàng hóa theo kích thước, trọng lượng và địa điểm giao hàng, từ đó tối ưu hóa quy trình vận chuyển.

V. Kết Luận Về Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Tự Động Hóa

Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm tự động hóa là một bước tiến quan trọng trong công nghiệp hiện đại. Hệ thống này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất sản xuất mà còn giảm thiểu sai sót do con người gây ra. Tương lai của hệ thống này hứa hẹn sẽ còn phát triển mạnh mẽ hơn với sự hỗ trợ của công nghệ AI.

5.1. Tương Lai Của Hệ Thống Phân Loại

Với sự phát triển của công nghệ, hệ thống phân loại sản phẩm tự động hóa sẽ ngày càng thông minh hơn, có khả năng tự học và cải thiện quy trình phân loại.

5.2. Lợi Ích Của Việc Tự Động Hóa

Việc tự động hóa không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm, từ đó tạo ra giá trị gia tăng cho doanh nghiệp.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống cơ điện tử – thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm" do sinh viên Nguyễn Đức Long thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Phạm Đức An. Bối cảnh thực tiễn được tác giả nêu rõ xuất phát từ giai đoạn đại dịch COVID-19, khi các biện pháp cách ly xã hội dẫn tới tình trạng thiếu hụt nguồn nhân công nghiêm trọng tại các nhà xưởng, xí nghiệp, làm gián đoạn chuỗi sản xuất công nghiệp. Xu hướng tự động hóa và số hóa quy trình sau đại dịch trở thành nhu cầu thiết yếu nhằm giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động thủ công, tăng năng suất, đồng đều chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa khâu quản lý vận hành. Trong công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa tại Việt Nam, sự phát triển của các hệ thống sản xuất linh hoạt dựa trên máy CNC và robot đặt ra yêu cầu tự động hóa khâu phân loại hàng hóa – một công đoạn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng trước khi lưu thông.

Mục tiêu tổng quát của đồ án là thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cơ điện tử phân loại sản phẩm hình trụ theo chiều cao, kết hợp giữa cơ cấu chấp hành khí nén, động cơ điện, hệ thống cảm biến quang - từ và bộ điều khiển logic lập trình được (PLC), đồng thời xây dựng giao diện giám sát và mô phỏng trực quan.

Các nhiệm vụ và yêu cầu kỹ thuật cụ thể của hệ thống bao gồm:

1. Đảm bảo năng suất vận hành đạt 20 sản phẩm/phút.
2. Đáp ứng dải phân loại chiều cao sản phẩm từ 3 cm đến 15 cm và khối lượng sản phẩm từ 0,2 kg đến 5 kg.
3. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động hoàn chỉnh từ khâu cấp phôi, vận chuyển trên băng chuyền đến khâu phân loại phôi vào các khay chứa riêng biệt.
4. Xây dựng giao diện màn hình HMI thao tác đơn giản, hiển thị đầy đủ thông tin trạng thái và số lượng sản phẩm.
5. Tích hợp nút dừng khẩn cấp (STOP/EMERGENCY), đảm bảo an toàn lao động và độ ổn định của mạch điều khiển điện – khí nén.

Đối tượng nghiên cứu là quy trình phân loại phôi hình trụ thành ba nhóm kích thước: phôi cao, phôi trung bình và phôi thấp. Phạm vi thiết kế tập trung vào việc tính toán, lựa chọn thiết bị công nghiệp thực tế, xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch điện và khí nén, lập trình điều khiển trên phần mềm TIA Portal V15 và mô phỏng vận hành tương tác thời gian thực trên nền tảng Factory I/O.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Về cơ sở lý thuyết, tác giả tổng hợp nguyên lý hoạt động của các phương pháp phân loại tự động trong công nghiệp, bao gồm: phân loại theo kích thước (sử dụng cảm biến quang, hồng ngoại), phân loại theo khối lượng (cảm biến tải loadcell), phân loại theo màu sắc (cảm biến màu), phân loại theo xử lý ảnh camera và phân loại theo mã vạch (barcode/QR code). Đối với bài toán cụ thể của đề tài, tác giả áp dụng phương pháp phân loại theo kích thước (chiều cao) với cảm biến quang nhờ ưu điểm chi phí thấp, lắp đặt đơn giản và độ tin cậy cao.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai thông qua các nội dung kỹ thuật:

• Phương pháp tính toán và lựa chọn phần cứng: Dựa trên năng suất yêu cầu (20 sản phẩm/phút) và tải trọng sản phẩm để tính toán công suất động cơ băng tải, lực đẩy và lưu lượng khí nén cho các xi lanh, từ đó lựa chọn các thiết bị thương mại tương thích điện áp DC 24V.
• Phương pháp mô hình hóa quá trình điều khiển: Ứng dụng lý thuyết điều khiển tuần tự và phương pháp giản đồ Grafcet để chuẩn hóa các chu trình chuyển động, xác định rõ điều kiện kích hoạt, trạng thái hoạt động và các bước chuyển tiếp logic giữa các cơ cấu chấp hành.
• Phương pháp lập trình logic: Sử dụng ngôn ngữ hình thang LAD (Ladder Diagram) trên nền tảng Siemens TIA Portal V15 để xử lý các tín hiệu số đầu vào (DI), ngõ ra (DO), các khối định thời (Timer) và bộ đếm (Counter).
• Phương pháp mô phỏng số: Kết nối truyền thông giữa phần mềm TIA Portal V15 và môi trường 3D Factory I/O thông qua khối hàm liên kết (Function Block), cho phép kiểm chứng giải thuật điều khiển và giao diện người - máy (HMI) trước khi ứng dụng thực tế.

Nguồn dữ liệu của đề tài dựa trên các tài liệu thông số kỹ thuật (datasheet) chính hãng từ các nhà sản xuất thiết bị tự động hóa công nghiệp như Siemens, Airtac, Omron và APT.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc cơ điện tử khép kín, gồm ba khối chính: khối đầu vào (nút nhấn, cảm biến), khối xử lý trung tâm (PLC S7-1200) và khối đầu ra (động cơ băng tải, van điện từ, xi lanh khí nén, đèn báo).

Phần cứng và cơ cấu chấp hành

Dây chuyền cơ khí sử dụng băng tải dẫn động bằng động cơ điện một chiều kết hợp hộp giảm tốc. Cơ cấu chuyển động tịnh tiến sử dụng năng lượng khí nén nhờ ưu điểm tốc độ tác động nhanh, chi phí lắp đặt thấp và vận hành an toàn trong môi trường công nghiệp. Các thiết bị phần cứng được lựa chọn và tính toán cụ thể trong đồ án:

Thiết bị	Mã hiệu / Xuất xứ	Thông số kỹ thuật chính
Động cơ băng tải	K8DG25N2	Động cơ DC 24V, dòng 1.9A, công suất 25W, tốc độ 2900 rpm, momen 3000 Nmm
Hộp giảm tốc	4GN50KF	Tỉ số truyền 1:50, tốc độ trục ra sau giảm tốc 58 rpm
Xi lanh cấp phôi	Airtac MAL 20x200	Xi lanh tác động kép, đường kính piston 20 mm, hành trình 200 mm
Xi lanh phân loại (2 bộ)	Airtac MAL 20x300	Xi lanh tác động kép, đường kính piston 20 mm, hành trình 300 mm
Van đảo chiều khí nén (3 bộ)	Airtac 7V0210-08	Van điện từ 5 cửa 2 vị trí (5/2), điều khiển đơn, cuộn hút DC 24V, cổng ren PT 1/4"
Cảm biến nhận diện chiều cao (3 bộ)	Omron E3F-DS30B4	Cảm biến quang khuếch tán PNP, khoảng cách 5–30 cm, nguồn 6–36 VDC, LED hồng ngoại 600 nm
Cảm biến vị trí xi lanh (6 bộ)	Airtac CS1-M-020-S-20	Cảm biến từ tiệm cận lắp rãnh xi lanh, giám sát hai đầu hành trình piston
Bộ điều khiển logic khả trình	Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC	14 ngõ vào DI, 10 ngõ ra DO, 2 ngõ vào AI; bộ nhớ làm việc 100 kB; 1 cổng PROFINET
Rơ le trung gian (4 bộ)	Omron LY2N 24V-10A 8P	8 chân (2 NO - 2 NC), điện áp cuộn hút 24 VDC, tiếp điểm tải tối đa 10A
Bộ nguồn công nghiệp	S-240-24	Nguồn xung tổ ong, vào 100–240 VAC, ra 24 VDC – 10A, công suất định mức 240W
Màn hình hiển thị HMI	SIMATIC HMI KTP700 Basic PN	Màn hình cảm ứng 7 inch, giao tiếp PROFINET/Ethernet

Mạch khí nén toàn hệ thống được cấp từ một nguồn chung qua bộ lọc khí, điều áp, đồng hồ đo áp suất, phân phối đến 3 van đảo chiều 5/2 và 6 van tiết lưu một chiều để hiệu chỉnh tốc độ tiến/lùi của piston (vận tốc hành trình đạt 30 mm/s, áp suất hoạt động 1,5–10 bar).

Cấu trúc điều khiển và thuật toán

Hệ thống được tổ chức thành hai chế độ vận hành độc lập thông qua biến trạng thái %M1.1 (MODE):

1. Chế độ bằng tay (Manual): Cho phép người vận hành cưỡng bức chạy/dừng động cơ băng tải thông qua nút ảo %M1.0 (MAN_DC) và đóng/mở độc lập từng xi lanh (cấp phôi XL1 qua %M0.7, phân loại XL2, XL3) nhằm mục đích kiểm tra lỗi phần cứng, bảo dưỡng hoặc xử lý sự cố kẹt phôi.
2. Chế độ tự động (Auto): Vận hành tuần tự theo giản đồ Grafcet:
   • Khi nhấn nút START (%I0.0), biến nhớ trung gian M_START (%M0.0) được kích hoạt, đèn LED_START sáng và động cơ băng tải M1 (%Q0.6) bắt đầu chạy.
   • Cảm biến phát hiện phôi tại khay cấp CB1 (%I0.3) kiểm tra nguồn phôi. Nếu sau 20 giây liên tục không có phôi, hệ thống tự động ngắt động cơ băng tải để tiết kiệm năng lượng.
   • Nếu có phôi và xi lanh 1 ở vị trí lùi hoàn toàn (cảm biến CB11 tích cực), Timer DelayT1 đếm 3 giây rồi kích hoạt van điện từ đẩy xi lanh cấp phôi ra. Khi cảm biến cuối hành trình CB12 chạm mức 1, sau trễ 0,5 giây, xi lanh tự động thu về.
   • Phôi di chuyển trên băng tải qua cụm cảm biến quang: Nếu phôi cao kích hoạt cảm biến CB2, rơ le cấp điện van phân loại 2 mở sau thời gian trễ 0,5 giây (DelayT2), đẩy phôi vào khay chứa phôi cao; khi cảm biến mở CB22 báo về, xi lanh thu về sau 0,5 giây; bộ đếm tăng giá trị %QD30 thêm 1. Nếu giá trị đếm bằng giá trị đặt trước PV, đèn báo đầy Full_cao (%Q0.3) sáng.
   • Quá trình diễn ra tương tự đối với phôi trung bình qua cảm biến CB3 và xi lanh phân loại 3. Phôi thấp không kích hoạt hai cảm biến trên sẽ tiếp tục chạy thẳng về cuối băng tải rơi vào thùng chứa phôi thấp và được ghi nhận bởi bộ đếm tương ứng.
   • Nút STOP (%I0.1) dừng toàn bộ chu trình và duy trì trạng thái bằng %M0.1. Nút RESET (%I0.2) dừng băng chuyền, đặt lại toàn bộ van khí nén về trạng thái đóng và xóa các bộ đếm sản phẩm về 0.

Giao diện HMI và mô phỏng Factory I/O

Màn hình KTP700 Basic PN được thiết kế trực quan gồm công tắc chuyển chế độ Auto/Manual, cụm phím điều khiển chạy/dừng/reset, các nút tác động thủ công từng cơ cấu chấp hành và các ô số liệu giám sát sản lượng theo thời gian thực (số lượng phôi cao, phôi trung bình, phôi thấp và tổng sản lượng). Phần mềm mô phỏng không gian ba chiều Factory I/O liên kết với PLC S7-1200 thông qua mạng Ethernet công nghiệp (giao thức PROFINET), đóng vai trò biên dịch tín hiệu I/O đa chiều giúp kiểm chứng chuyển động cơ học của sản phẩm trên băng chuyền theo đúng các kịch bản lập trình trong TIA Portal.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

Chương này giới thiệu khái niệm hệ thống phân loại tự động và phân tích 5 phương pháp phân loại phổ biến trong sản xuất công nghiệp: phân loại theo kích thước, theo khối lượng, theo màu sắc, theo xử lý hình ảnh và theo mã vạch barcode/QR code. Tác giả trình bày các ứng dụng cụ thể trong ngành logistics, thương mại điện tử, sản xuất thực phẩm, phân loại nông sản và đóng gói công nghiệp. Tiếp đó, tác giả xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động tổng thể của hệ thống điều khiển gồm ba khối: khối đầu vào (nút ấn, cảm biến), khối xử lý trung tâm (PLC) và khối đầu ra (cơ cấu chấp hành khí nén, động cơ, đèn báo). Chương 1 khép lại bằng việc xác lập bảng yêu cầu kỹ thuật cơ bản cho hệ thống thiết kế: năng suất 20 sản phẩm/phút, phân loại phôi chiều cao 3–15 cm, khối lượng 0,2–5 kg, tích hợp nút dừng khẩn cấp và giao diện giám sát HMI.

CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Nội dung chương tập trung vào cơ sở tính toán, so sánh và lựa chọn từng thành phần thiết bị cho hệ thống:

• Phân tích ưu nhược điểm của động cơ DC và động cơ AC; lựa chọn động cơ DC K8DG25N2 (24V, 25W) kết hợp hộp giảm tốc 4GN50KF (tỉ số truyền 50, tốc độ ra 58 rpm, momen xoắn 3000 Nmm).
• So sánh truyền động thủy lực và khí nén; lựa chọn hệ thống khí nén với 01 xi lanh tác động kép cấp phôi MAL 20x200 và 02 xi lanh phân loại MAL 20x300 của hãng Airtac. Lựa chọn 03 van điện từ đảo chiều 5/2 Airtac 7V0210-08 điện áp 24 VDC.
• Phân tích nguyên lý các dòng cảm biến đo khoảng cách; lựa chọn 03 cảm biến quang điện Omron E3F-DS30B4 (ngõ ra PNP, cự ly 5–30 cm, thời gian đáp ứng 1,5 ms) để phát hiện chiều cao và 06 cảm biến từ tiệm cận Airtac CS1-M-020-S-20 lắp trên thân xi lanh để giám sát vị trí hành trình piston.
• Đánh giá các bộ điều khiển công nghiệp; lựa chọn PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC dựa trên cấu hình 14 ngõ vào số DI và 10 ngõ ra số DO, hỗ trợ cổng truyền thông PROFINET.
• Lựa chọn thiết bị phụ trợ: rơ le trung gian Omron LY2N 24V-10A 8P, bộ nguồn tổ ong S-240-24 (24V - 10A, 240W), các nút nhấn LA38-11DN, nút dừng khẩn cấp LA38-11ZS và hệ thống đèn báo hiển thị APT 24V, AD16-16C 220VAC.
• Xây dựng bản vẽ sơ đồ mạch điện điều khiển và sơ đồ nguyên lý cấp khí nén toàn hệ thống.

CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

Chương 3 trình bày toàn bộ giải thuật điều khiển của hệ thống:

• Xây dựng sơ đồ thuật toán tổng quan phân nhánh chế độ Auto và Manual.
• Chuẩn hóa quy trình điều khiển bằng phương pháp giản đồ Grafcet, quy định rõ điều kiện logic chuyển tiếp giữa các trạng thái cấp phôi, chạy băng chuyền, nhận diện kích thước và kích hoạt xi lanh gạt.
• Lựa chọn ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder Diagram) trong phần mềm Siemens TIA Portal V15 sau khi so sánh với ngôn ngữ khối chức năng (FBD) và ngôn ngữ cấu trúc (SCL).
• Lập bảng phân bổ địa chỉ các biến vào/ra (DI/DO), biến trung gian và danh mục các lệnh logic: tiếp điểm thường hở, tiếp điểm thường đóng, xung cạnh lên, bộ định thời Timer, bộ đếm Counter và lệnh cộng (ADD).
• Thuyết minh chi tiết các khối chương trình LAD: khối hàm liên kết Factory I/O, chương trình chọn chế độ (%M1.1), chương trình điều khiển tay cho động cơ và xi lanh, chương trình khởi động tự động (START %I0.0), chương trình dừng hệ thống (STOP %I0.1), chương trình RESET (%I0.2), chương trình trễ 20 giây tắt băng tải khi hết phôi, chương trình điều khiển xi lanh cấp phôi và hai xi lanh phân loại theo cảm biến CB2, CB3 kèm các khối đếm sản lượng và báo đầy khay chứa.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIAO TIẾP VÀ MÔ PHỎNG

Chương này hoàn thiện phần giao tiếp người - máy và kiểm chứng vận hành:

• Trình bày khái niệm, vai trò của hệ thống HMI trong dây chuyền sản xuất tự động.
• Lựa chọn thiết bị phần cứng màn hình SIMATIC HMI KTP700 Basic PN tương thích giao thức PROFINET của Siemens.
• Thiết kế giao diện đồ họa giám sát và điều khiển trên HMI, bố trí các nút ấn cảm ứng, đèn chỉ thị trạng thái và bảng số liệu đếm phôi theo từng chủng loại (phôi cao, phôi trung bình, phôi thấp và tổng phôi).
• Cấu hình truyền thông và thực hiện mô phỏng tương tác liên kết giữa phần mềm TIA Portal V15 và phần mềm mô phỏng không gian ba chiều Factory I/O, xác nhận chu trình phân loại phôi hoạt động chính xác theo đúng yêu cầu công nghệ đề ra.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các nội dung kỹ thuật theo đúng mục tiêu đặt ra:

• Kết quả tính toán và thiết kế: Xác định và lựa chọn đồng bộ hệ thống thiết bị phần cứng công nghiệp đáp ứng năng suất 20 sản phẩm/phút, bao gồm động cơ DC 25W tỉ số truyền 50, cụm 3 xi lanh khí nén Airtac MAL đường kính 20 mm, hệ thống van đảo chiều 5/2, bộ nguồn xung 24V – 10A và bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC.
• Kết quả lập trình và thuật toán: Xây dựng thành công giản đồ Grafcet và chương trình Ladder (LAD) hoàn chỉnh trên TIA Portal V15 với đầy đủ hai chế độ Auto/Manual, xử lý mượt mà chu trình cấp phôi tuần hoàn 3 giây, tự ngắt băng tải khi không có phôi sau 20 giây và phân loại chính xác ba kích cỡ phôi dựa trên tín hiệu cảm biến quang Omron E3F-DS30B4.
• Kết quả giao diện và kiểm chứng: Thiết kế giao diện giám sát HMI KTP700 Basic PN và liên kết mô phỏng thành công với phần mềm Factory I/O, chứng minh hệ thống vận hành ổn định, không xung đột tín hiệu logic giữa các cơ cấu chấp hành.
• Đóng góp của đồ án: Theo tác giả tự đánh giá, đề tài củng cố kiến thức chuyên ngành cơ điện tử, gắn kết chặt chẽ kiến thức lý thuyết đã học trong nhà trường với các ứng dụng thực tiễn trong sản xuất công nghiệp, cụ thể là khâu vận chuyển, đếm và phân loại sản phẩm tự động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ trên các nội dung văn bản đề cập, đồ án còn một số điểm hạn chế và các hướng mở:

• Hạn chế: Hệ thống mới dừng lại ở mức độ nghiên cứu thiết kế, lập trình điều khiển và kiểm chứng thông qua mô phỏng trên phần mềm Factory I/O kết nối TIA Portal, chưa chế tạo và thử nghiệm trên mô hình phần cứng thực tế. Tiêu chí phân loại chỉ giới hạn ở việc phân biệt ba mức chiều cao phôi hình trụ đơn giản, chưa tích hợp nhận diện khối lượng thực tế hay các đặc tính bề mặt phức tạp.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu chế tạo mô hình thực nghiệm cơ khí hoàn chỉnh; nghiên cứu tích hợp thêm cảm biến trọng lượng (loadcell) hoặc hệ thống xử lý ảnh công nghiệp (Machine Vision / AI) và đầu đọc mã vạch (barcode/QR code) như tác giả đã khảo sát ở Chương 1 nhằm đáp ứng yêu cầu phân loại đa dạng của các dây chuyền sản xuất và logistics hiện đại.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa, Điều khiển và Tự động hóa công nghiệp hoặc Kỹ thuật Cơ khí đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về hệ thống phân loại tự động.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

• Phương pháp lựa chọn và tính toán thông số các thiết bị khí nén, động cơ điện và cảm biến công nghiệp theo bảng dữ liệu chuẩn.
• Cách thức chuyển đổi từ yêu cầu công nghệ thực tế sang giản đồ trạng thái Grafcet và chuyển dịch thành chương trình Ladder (LAD) trên phần mềm Siemens TIA Portal V15.
• Cấu hình kỹ thuật kết nối truyền thông giữa TIA Portal và phần mềm mô phỏng 3D Factory I/O để kiểm chứng giải thuật điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ truyền động băng tải trong hệ thống có thông số kỹ thuật như thế nào?
Hệ thống sử dụng động cơ điện một chiều mã hiệu K8DG25N2 đi kèm hộp giảm tốc 4GN50KF. Các thông số chính gồm: điện áp hoạt động 24 VDC, dòng điện 1,9A, công suất định mức 25W, tốc độ quay của động cơ 2900 rpm, tốc độ trục sau hộp giảm tốc là 58 rpm, tỉ số truyền 1:50 và momen xoắn đạt 3000 Nmm.

2. Tiêu chí phân loại sản phẩm trong đồ án dựa trên nguyên lý nào và sử dụng loại cảm biến gì?
Hệ thống phân loại sản phẩm dựa trên kích thước chiều cao của các phôi hình trụ. Thiết bị được sử dụng là cảm biến quang điện Omron E3F-DS30B4 (loại PNP, nguồn sáng LED hồng ngoại bước sóng 600 nm, điện áp cấp 6–36 VDC, khoảng cách phát hiện từ 5 cm đến 30 cm, thời gian đáp ứng tối đa 1,5 ms).

3. Hệ thống khí nén được thiết kế với những cơ cấu chấp hành nào?
Hệ thống khí nén sử dụng 3 xi lanh tác động kép của hãng Airtac gồm: 1 xi lanh cấp phôi mã hiệu MAL 20x200 (đường kính 20 mm, hành trình 200 mm) và 2 xi lanh phân loại phôi MAL 20x300 (đường kính 20 mm, hành trình 300 mm). Cả ba xi lanh đều được điều khiển thông qua van điện từ đảo chiều 5 cửa 2 vị trí Airtac 7V0210-08 cuộn hút 24 VDC và giám sát vị trí bởi 6 cảm biến từ Airtac CS1-M-020-S-20.

4. Trong chế độ tự động (Auto), chu trình cấp phôi và cơ chế tự ngắt khi hết phôi diễn ra như thế nào?
Khi có phôi tại hộp cấp phôi và xi lanh 1 đang ở trạng thái đóng, cảm biến CB1 và CB11 kích hoạt Timer DelayT1; sau 3 giây, xi lanh 1 sẽ đẩy phôi ra băng tải, khi chạm cảm biến cuối hành trình CB12 thì xi lanh sẽ thu về sau trễ 0,5 giây. Nếu cảm biến CB1 không phát hiện thấy phôi ở vị trí cấp phôi liên tục trong vòng 20 giây, hệ thống sẽ tự động ngắt động cơ băng tải M1.

5. Bộ điều khiển PLC và phần mềm được sử dụng trong đồ án là loại nào?
Bộ điều khiển trung tâm là PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (14 ngõ vào số DI, 10 ngõ ra số DO, tích hợp 1 cổng PROFINET). Phần mềm lập trình là Siemens TIA Portal V15 sử dụng ngôn ngữ LAD, kết hợp mô phỏng vận hành trên phần mềm Factory I/O và thiết kế giao diện điều khiển trên màn hình SIMATIC HMI KTP700 Basic PN.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Đức Long đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế hệ thống cơ điện tử phân loại sản phẩm theo chiều cao dựa trên bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 và cơ cấu chấp hành khí nén. Tác giả đã tính toán, lựa chọn đồng bộ các phần tử phần cứng công nghiệp, chuẩn hóa quy trình điều khiển thông qua giản đồ Grafcet và lập trình chi tiết bằng ngôn ngữ Ladder trên TIA Portal V15. Toàn bộ dây chuyền cùng giao diện giám sát HMI KTP700 đã được mô phỏng, kiểm chứng thành công trên phần mềm Factory I/O, cung cấp một giải pháp tự động hóa có tính thực tiễn và giá trị học thuật rõ ràng cho sinh viên khối ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 1. Khái niệm và ứng dụng 1.Khái niệm Hệ thống phân loại sản phẩm là một giải pháp công nghiệp thay thế con người thực hiện các khâu phân loại sản phẩm, từ thực hiện bằng tay chuyển đổi sang sử dụng các hệ thống tự động hóa để phân chia sản phẩm theo từng đặc tính mà người sử dụng quy định ( chiều cao, màu sắc, khối lượng,… ) nhờ việc sử dụng các cảm biến, xylanh,… 1.Các phương pháp phân loại sản phẩm tự động và ứng dụng Tùy vào độ phức tạp yêu của từng loại sản phẩm mà ta có thể đưa ra những phương pháp phân loại sản phẩm khác nhau. a, Phân loại theo kích thước (cao thấp, dài-ngắn,): kiểu phân loại này sử dụng các cảm biến quang hay hồng ngoại… để phát hiện và so sánh kích thước của sản phẩm, sau đó đưa tín hiệu về PLC và PLC thực hiện chức năng phân loại sản phẩm theo yêu cầu.

Kiểu phân loại này được sử dụng nhiều trong các nhà máy đóng chai, lọ…Ưu điểm lớn nhất của kiểu phân loại này đó là chi phí cho cảm biến là khá thấp, lắp đặt đơn giản và dễ vận hành. Mô hình dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao Hình 1. Dây chuyền phân loại trứng, cà chua theo kích thước (lớn-nhỏ) 2 b. Phân loại theo khối lượng sản phẩm: kiểu phân loại này sử dụng cảm biến trọng lượng để phân biệt sản phẩm nặng-nhẹ, đủ khối lượng yêu cầu hay chưa… Cách hoạt động giống như kiểu phân loại theo kích thước.

Và ta có thể thấy hình thức phân loại này ở các nhà máy sản xuất xi mang, phân bón hay nói chung là các nhà máy sản xuất sản phẩm dưới dạng đóng gói bao bì cần khối lượng chính. Máy phân loại sản phẩm theo khối lượng sản phẩm. Phân loại theo màu sắc của sản phẩm: sử dụng các cảm biến màu ( mỗi cảm biến sẽ nhận biết 1 màu riêng biệt như: xanh, đỏ, vàng…) Cách thức hoạt động cũng giống như 2 hình thức phân loại trên.Ứng dụng của phân loại theo màu sắc chủ yếu trong công nghiệp vải lụa, sản xuất màu, lọc hoa quả, các loại hạt ưe… d. Phân loại theo hình ảnh sản phẩm: hình thức phân loại này không sử dụng cảm biến mà người ta dùng camera để chụp ảnh của sản phẩm cần phân loại, sau đó đưa ảnh đó so sánh với ảnh gốc chuẩn xem sản phẩm đó thuộc loại nào.

Hiện nay thì hình thức phân loại này đang được ứng dụng để phân loại gạch granit. Dây chuyền phân loại táo theo màu sắc e. Phân loại theo mã vạch của sản phẩm: đây là kiểu phân loại khá hiện đại, sử dụng tới máy đọc mã vạch. Dây chuyền phân loại sản phẩm theo mã vạch được sử dụng rất phổ biến hiên nay.

Dây chuyền sorting này được sử dụng để phân loại các kiện hàng, bưu phẩm, sản phẩm thành phẩm đã được đóng thùng carton, đóng túi và dán mã vạch barcode, mã QR. Với các thông tin lưu trữ trên mã vạch dán trên sản phẩm, hệ thống có thể dễ dàng sàng lọc và lựa chọn, gom sản phẩm vào các vị trí tập kết (hub) theo yêu cầu đặt ra như : Với sản phẩm điện tử, công nghệ: phân theo cùng lô sản xuất, ngày sản xuất, model… Với các bưu phẩm, đơn hàng chuyển phát nhanh: phân loại theo ngày lên đơn, cách thức đóng gói, địa điểm giao hàng, hàng chuyển nhanh-tiêu chuẩn… Với các sản phẩm nông sản đóng gói: phân loại theo hạn sử dụng, số lô chế biến, cấp sản phẩm… Hình 1. Máy phân loại sản phẩm theo mã vạch 4 Trong ngành logistic, thương mại điện tử, các gói hàng được đóng trong các hộp với trọng lượng, màu sắc, kích thước khác nhau dễ dàng được phân loại nhờ hệ thống phân loại lựa với camera và thuật toán phân loại thông minh. Hàng hóa được phân loại trên băng tải chính theo các băng tải xương cá di chuyển tới các vị trí tập kết.

Phân loại sản phẩm tự động giúp giảm thiểu sức người và thời gian cho khâu phân loại vốn nhàm chán nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác ở tốc độ cao với năng suất vượt trội. Với các ngành chế biến, sản xuất bánh kẹo, thực phẩm, sản phẩm sau khi chế biến chạy trên băng tải hoàn toàn có thể được hệ thống chọn/bỏ theo các tiêu chí về hình dáng, màu sắc, giúp quá trình đóng gói diễn ra liền mạch và chất lượng sản phẩm được kiểm soát đồng đều hơn. Hệ thống nhận diện và phân loại ngày càng thông minh hơn với việc áp dụng AI vào công việc phân loại, lựa sản phẩm theo các kịch bản mong muốn từ trước. Hệ thống băng tải cấp, chọn hàng với tốc độ lên tới 150m/phút có khả năng chịu mài mòn, nhiệt độ, độ ẩm cao và các điều kiện sản xuất đặc biệt.

Nguyên lí hoạt động hệ thống điều khiển a. Nguyên lí hoạt động Hệ thống điều khiển nhận tín hiệu đầu vào thông qua các cảm biến , để xác định yếu tố mang tính chất phân loại sản phẩm. Từ đó, đưa ra tín hiệu điều khiển tới các cơ cấu chấp hành như động cơ băng tải, xy lanh cấp phôi, xylanh phân loại. Các sản phẩm sau khi phân loại sẽ được chuyển đến thùng hàng để đóng gói.

Chu trình này sẽ lặp lại cho đến khi hết sản phẩm. * Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống: Hình 1. Sơ đồ nguyên lí hoạt động chung của hệ thống điều khiển 5 - Khối đầu vào : nhận tín hiệu điều khiển thông qua các nút ấn từ màn hình và cảm biến có sẵn rồi chuyển tín hiệu đó đến khối xử lý trung tâm. - Khối xử lí trung tâm : dựa vào tín hiệu từ khối đầu vào thông qua các điều kiện lập trình sẵn đưa tín hiệu kết quả cho khối đầu ra.

- Khối đầu ra : nhận kết quả từ khối trung tâm xử lý để hoạt động, hiện thị kết quả theo yêu cầu. Yêu cầu kỹ thuật cơ bản của các cụm chức năng trong hệ thống - Năng suất làm việc : 20sp/ph - Khả năng phân loại theo chiều cao từ 3 đến 15cm; khối lượng từ 0,2 đến 5 kg. - Màn hình hiển thị cần đơn giản dễ thao tác nhưng vẫn phải đầy đủ thông tin cần thiết. - Có nút nhấn dừng STOP trong trường hợp khẩn cấp.

- Đảm bảo độ ổn định và an toàn của mạch điều khiển. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Các thành phần trên sơ đồ bố trí động học hệ thống (1)– Xy lanh cấp phôi (2)– Hộp cấp phôi (3)– Băng tải (4), (6), (8) – Cảm biến tiệm cận (5), (7) – Xy lanh phân loại (9), (12), (13) – Hộp chứa phôi (10)– Bộ truyền xích (11)– Động cơ 2. Động cơ Động cơ là một thiết bị chuyển đổi điện năng thành cơ năng. Phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu.

Khi cuộn dây trên rotor và stato được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các từ trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1 mômen. Có nhiều loại động cơ khác nhau được sử dụng trong công nghiệp. Có thể phân loại động cơ ra làm các loại: 7 - Động cơ điện một chiều ( động cơ giảm tốc, động cơ rung, động cơ bước, động cơ servo)  Ưu điểm : • Điều khiển tốc độ nhanh, nhạy. • Tiết kiệm điện năng, tuổi thọ lớn.

• Khả năng tạo mômen lực lớn khi khởi động.  Nhược điểm : • Chi phí lắp đặt tốn kém do cần bộ chỉnh lưu. • Ít sử dụng để tạo công suất lớn • Nhanh hao mòn cấu kiện - Động cơ điện xoay chiều.( đồng bộ, xoay chiều 1 pha , xoay chiểu 3 pha.)  Ưu điểm : • Hoạt động trong thời gian dài với hiệu năng cao. • Giá thành rẻ do sự đồng bộ mạng lưới dân dụng.

 Nhược điểm : • Tốn kém khá nhiều điện năng • Tuổi thọ trung bình không cao Mô hình hoạt động với kích thước sản phẩm và khối lượng nhỏ do đó không cần thiết sử dụng các động cơ công suất lớn. Hệ thống hoạt động yêu cầu độ ổn định, trơn tru, liên tục. Không yêu cầu tính chính xác cao, thiết kế cần gọn nhẹ, dễ điều khiển, mô men lớn, chi phí sử dụng thấp,tuổi thọ lớn. Do vậy từ những yêu cầu đó em sử dụng động cơ điện một chiều để truyền động cho băng tải.

8 Thông qua việc tính toán dựa vào năng suất của hệ thống, em đã lựa chọn được động cơ DC là K8DG25N2 đi kèm theo hộp giảm tốc 4GN50KF. Động cơ băng tải K8DG25N2 và hộp giảm tốc 4GN50KF. Thông số cơ bản của động cơ K8DG25N2 cùng hộp giảm tốc 4GN50KF Điện áp hoạt động (V) 24 Dòng điện hoạt động (A) 1.9 Công suất định mức (W) 25 Tốc độ trục động cơ giảm tốc (rpm) 58 Tốc độ quay động cơ (rpm) 2900 Tỉ số truyền hộp giảm tốc 50 Momen xoắn (Nmm) 3000 2. Xy lanh , van khí nén a.

Xy lanh Đây là chi tiết quan trọng không thể thiếu trong các động cơ và tạo không gian để piston chuyển động trong quá trình vận hành động cơ. Xy lanh được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp tự động hóa như: sản xuất lắp ráp linh kiện điện tử, sản xuất giấy, chế biến gỗ, lắp ráp xe ô tô, cơ khí chế tạo thiết bị máy móc công nghiệp.Hiện nay trong công nghiệp sử dụng chủ yếu 2 loại xilanh là xi lanh khí nén và xi lanh thủy lực. Trong phạm vi đề tài đồ án, kết hợp với tính toán nên em cho xylanh khí nén vì có rất nhiều ưu điểm nổi bật so với thủy lực như: - Có thể cấp nguồn áp suất thấp. - Dịch chuyển năng lượng khí nén đạt vận tốc lớn.

- Có khả năng chuyển năng lượng đi xa vì độ nhớt và tổn thất áp suất trong hệ thống khí nén là nhỏ. - Khả năng chịu nén tốt của không khí nên có thể chứa khí rất thuận lợi. - Không khí dùng để nén là vô tận và có thể thải ra khí quyển. - Hệ thống khí nén đối với việc vệ sinh tương đối là sạch sẽ.

- Chi phí thiết lập hệ thống khí nén thì rẻ. - Hệ thống phòng ngừa quá áp được đảm bảo. Bên cạnh đó thì khí nén còn một số nhược điểm như: 10 - Lực tác động tới cơ cấu chấp hành (xy lanh) tương đối thấp. - Dòng khí thoát ra ở đường dẫn gây tiếng ồn.

Thông thường có hai loại xy lanh khí nén thường xuyên được sử dụng: Xy lanh tác động đơn, xy lanh tác động kép.