Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh cách mạng công nghiệp 4.0 và chuyển đổi số trong sản xuất, yêu cầu tự động hóa dây chuyền phân loại và đóng gói nông sản ngày càng trở nên cấp thiết. Theo thống kê từ Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO) và Viện Cơ điện Nông nghiệp, tổn thất sau thu hoạch tại Việt Nam chiếm từ 15% đến 25% tổng sản lượng, trong đó nguyên nhân lớn xuất phát từ khâu kiểm định, phân loại thủ công chậm trễ và thiếu đồng đều. Các phương pháp thủ công bộc lộ nhiều hạn chế: phụ thuộc vào cảm quan con người, sai số cao (>12%), năng suất thấp (chỉ đạt 15-25 sản phẩm/phút/người) và không đáp ứng được các tiêu chuẩn xuất khẩu quốc tế như GlobalGAP hay VietGAP.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển phân loại sản phẩm theo khối lượng dùng PLC S7-1200" (Chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa – Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng) tập trung giải quyết triệt để bài toán phân cỡ nông sản tự động liên tục trên băng chuyền.

Mục tiêu của dự án:

  1. Thiết kế cơ khí hoàn chỉnh: Xây dựng mô hình băng tải công nghiệp kích thước $1200 \times 300 \times 200\text{ mm}$ khung thép định hình, mặt băng tải hợp kim nhôm chịu lực.
  2. Thiết kế phần cứng điện - tự động hóa: Tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C AC/DC/RLY), đầu cân điện tử chuyên dụng BC360L, cảm biến tải Loadcell dạng strain-gauge, và 5 cảm biến quang điện PNP.
  3. Phát triển thuật toán điều khiển và giao diện giám sát: Lập trình giải thuật xử lý tín hiệu trọng lượng theo dải ngưỡng, tích hợp hệ thống tay gạt phân loại 2 chiều có kiểm soát hành trình và thiết kế giao diện HMI Weintek/WinCC.
  4. Đánh giá kiểm thử thực nghiệm: Tối ưu hóa thời gian cân lấy mẫu đạt dưới $1.0\text{ s/sản phẩm}$, độ chính xác phân loại đạt trên $98.5%$.

Phạm vi và giới hạn đề tài:

  • Phạm vi ứng dụng: Phân loại các loại nông sản dạng củ, quả (cam, táo, chanh, khoai tây) và sản phẩm đóng gói công nghiệp nhẹ.
  • Giới hạn kỹ thuật: Dải đo khối lượng định mức của mô hình từ $10\text{ g}$ đến $5000\text{ g}$; cơ cấu phân loại chia làm 4 kênh (Nhẹ, Trung bình, Nặng, Loại bỏ/Phế phẩm).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng và khoảng trống công nghệ

Tiêu chí so sánh Phương pháp thủ công Hệ thống quang học (Vision/Color) Hệ thống cân trọng lượng PLC S7-1200
Chi phí đầu tư ban đầu Rất thấp (chỉ có nhân công) Rất cao ($8.000 - $20.000) Trung bình ($1.200 - $2.500)
Độ chính xác định lượng Thấp ($75 - 85%$), sai số lớn Phụ thuộc ánh sáng ($90 - 94%$) Rất cao ($98.5 - 99.8%$)
Tốc độ xử lý $15 - 25\text{ sp/phút}$ $80 - 150\text{ sp/phút}$ $110 - 200\text{ sp/phút}$
Tính bền vững môi trường Phụ thuộc thể lực nhân công Dễ lỗi khi bụi bẩn bám camera Chống rung, chuẩn công nghiệp IP65/67
Khả năng mở rộng SCADA Không thể Phức tạp, cần máy tính biên (IPC) Rất dễ dàng qua PROFINET/Modbus

Yêu cầu người dùng được phân loại theo mô hình MoSCoW:

  • Must-have: Cân định lượng chính xác trong vòng 1s; phân loại đúng 4 làn sản phẩm; dừng khẩn cấp (Emergency Stop) khi có sự cố quá tải hoặc kẹt cơ khí.
  • Should-have: Màn hình HMI cài đặt linh hoạt ngưỡng $Min/Max$; bộ đếm sản phẩm thời gian thực lưu trữ trên Data Block (DB).
  • Could-have: Kết nối máy tính qua thư viện S7.Net để xuất báo cáo Excel sản lượng theo ca.
  • Won't-have (giai đoạn này): Xoay lật 360 độ kiểm tra dị tật vỏ ngoài bằng camera AI.

Thiết kế kiến trúc hệ thống

graph TD
    subgraph SENSING_LAYER ["1. Khối Cảm biến & Đo lường"]
        LC[Loadcell Strain Gauge] -->|mV/V| BC[Đầu cân BC360L]
        BC -->|Analog 0-10V / RS485| PLC
        CB1[Cảm biến CB_LOADCELL - I0.3] -->|Digital PNP| PLC
        CB2[Cảm biến CB_N - I0.4] -->|Digital PNP| PLC
        CB3[Cảm biến CB_TB - I0.5] -->|Digital PNP| PLC
        CB4[Cảm biến CB_NN - I0.6] -->|Digital PNP| PLC
        CB5[Cảm biến CB_L - I0.7] -->|Digital PNP| PLC
        LS[Công tắc hành trình] -->|Digital Limit| PLC
    end

    subgraph CONTROL_LAYER ["2. Khối Điều khiển & Tính toán"]
        PLC[PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C]
        DB[(Global DataBlock DB_TrangThai)]
        PLC <--> DB
    end

    subgraph ACTUATION_LAYER ["3. Khối Chấp hành & Động lực"]
        PLC -->|Q0.7| R_BT[Relay Omron H3Y-4] --> M_BT[Motor Băng Tải DC 775]
        PLC -->|Q0.0/Q0.1| R_TG1[H-Bridge Relay] --> M_TG1[Tay gạt Nhẹ]
        PLC -->|Q0.2/Q0.3| R_TG2[H-Bridge Relay] --> M_TG2[Tay gạt Trung Bình]
        PLC -->|Q0.4/Q0.6| R_TG3[H-Bridge Relay] --> M_TG3[Tay gạt Nặng]
    end

    subgraph MONITORING_LAYER ["4. Khối Giám sát HMI / SCADA"]
        HMI[Màn hình HMI Weintek] <-->|PROFINET / Ethernet| PLC
        PC[Máy tính PC SCADA C# S7.Net] <-->|TCP/IP Port 102| PLC
    end

Danh mục công nghệ và thông số kỹ thuật phần cứng

  • Bộ điều khiển trung tâm: Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY (Mã hiệu: 6ES7 214-AG40-0XB0), bộ nhớ làm việc $50\text{ kB}$, bộ nhớ nạp $2\text{ MB}$, chu kỳ quét Boolean $0.1\text{ }\mu\text{s/lệnh}$, tích hợp 1 cổng PROFINET RJ45.
  • Cảm biến trọng lượng (Loadcell): Dạng thanh nhôm đàn hồi, cầu điện trở Wheatstone $350\text{ }\Omega$, độ nhạy $2.0\pm 0.1\text{ mV/V}$, chuẩn bảo vệ IP65.
  • Bộ hiển thị và xử lý tín hiệu cân: Đầu cân kỹ thuật số BC360L, tốc độ lấy mẫu $100\text{ lần/giây}$, độ phân giải nội $24\text{-bit}$, tích hợp lọc số chống rung kỹ thuật số.
  • Cơ cấu phân loại: 4 động cơ DC 775 có hộp giảm tốc kim loại, tỉ số truyền $1:158$ (cho tốc độ $30\text{ vòng/phút}$, mô-men xoắn cao $15\text{ kg.cm}$) và $1:117$ ($55\text{ vòng/phút}$).
  • Khối bảo vệ và cấp nguồn: Nguồn tổ ong Switching $24\text{VDC} - 10\text{A}$ ($240\text{W}$); Aptomat Easy 2P 40A Schneider (dòng cắt $4.5\text{ kA}$); Rơ-le trung gian Omron H3Y-4 ($14\text{ chân dẹt}, 5\text{A}$).
  • Môi trường phát triển: Siemens TIA Portal V16 (Totally Integrated Automation Portal) kết hợp Step 7 Professional và WinCC Advanced.

Implementation và kết quả

Bảng phân công địa chỉ I/O và cấu trúc dữ liệu

Toàn bộ hệ thống được quy hoạch địa chỉ bộ nhớ PLC và cấu trúc khối dữ liệu toàn cục (Global Data Block) đồng bộ:

Tên biến (Tag Name) Loại dữ liệu Địa chỉ I/O / Memory Chức năng kỹ thuật
START Bool I0.0 Nút ấn khởi động hệ thống (NO)
STOP Bool I0.1 Nút ấn dừng hệ thống (NC)
RESET Bool I0.2 Nút ấn xóa lỗi và reset bộ đếm
CB_LOADCELL Bool I0.3 Cảm biến quang xác nhận vật vào bàn cân
I_CB_N Bool I0.4 Cảm biến quang vị trí tay gạt SP Nhẹ
I_CB_TB Bool I0.5 Cảm biến quang vị trí tay gạt SP Trung Bình
I_CB_NN Bool I0.6 Cảm biến quang vị trí tay gạt SP Nặng
I_CB_L Bool I0.7 Cảm biến quang xác nhận SP Loại ở cuối băng tải
Q_TG_N / Q_TG_N1 Bool Q0.0 / Q0.1 Động cơ tay gạt Nhẹ: Chạy tới / Chạy lùi
Q_TG_TB / Q_TG_TB1 Bool Q0.2 / Q0.3 Động cơ tay gạt TB: Chạy tới / Chạy lùi
Q_TG_NN / Q_TG_NN1 Bool Q0.4 / Q0.6 Động cơ tay gạt Nặng: Chạy tới / Chạy lùi
Q_BT Bool Q0.7 Động cơ truyền động chính băng chuyền
SL_SPN / SL_SPTB Int MW14 / MW20 Số lượng sản phẩm Nhẹ / Trung bình
SL_SPNN / SL_SPL Int MW22 / MW24 Số lượng sản phẩm Nặng / Loại
SET_TL_N / SET_TL_TB Real MD100 / MD104 Ngưỡng khối lượng cài đặt SP Nhẹ / TB
SET_TL_NN / SET_TL_L Real MD108 / MD112 Ngưỡng khối lượng cài đặt SP Nặng / Loại

Thuật toán điều khiển và mã nguồn cốt lõi

Giải thuật phân loại xử lý tín hiệu trọng lượng tức thời và điều khiển cơ cấu tay gạt thông qua khối hàm chuẩn hóa (Scale/Compare) viết bằng SCL (Structured Control Language) trên TIA Portal V16:

// Network: Đọc giá trị cân, phân loại dải trọng lượng và kích hoạt cờ trạng thái
IF "CB_LOADCELL" = TRUE THEN
    // Đọc giá trị thực từ đầu cân BC360L
    #Current_Weight := "DB_TrangThai".Real_Weight;
    
    // Đánh giá dải trọng lượng theo cài đặt
    IF (#Current_Weight >= "DB_TrangThai".Min_TL_N) AND (#Current_Weight < "DB_TrangThai".Max_TL_N) THEN
        "DB_TrangThai".Flag_N := TRUE;
        "DB_TrangThai".Flag_TB := FALSE;
        "DB_TrangThai".Flag_NN := FALSE;
        "DB_TrangThai".Flag_L := FALSE;
    ELSIF (#Current_Weight >= "DB_TrangThai".Min_TL_TB) AND (#Current_Weight < "DB_TrangThai".Max_TL_TB) THEN
        "DB_TrangThai".Flag_N := FALSE;
        "DB_TrangThai".Flag_TB := TRUE;
        "DB_TrangThai".Flag_NN := FALSE;
        "DB_TrangThai".Flag_L := FALSE;
    ELSIF (#Current_Weight >= "DB_TrangThai".Min_TL_NN) AND (#Current_Weight <= "DB_TrangThai".Max_TL_NN) THEN
        "DB_TrangThai".Flag_N := FALSE;
        "DB_TrangThai".Flag_TB := FALSE;
        "DB_TrangThai".Flag_NN := TRUE;
        "DB_TrangThai".Flag_L := FALSE;
    ELSE
        // Nằm ngoài các dải hợp lệ -> Sản phẩm loại
        "DB_TrangThai".Flag_N := FALSE;
        "DB_TrangThai".Flag_TB := FALSE;
        "DB_TrangThai".Flag_NN := FALSE;
        "DB_TrangThai".Flag_L := TRUE;
    END_IF;
END_IF;

// Kích hoạt tay gạt sản phẩm Nhẹ khi vật đến trạm phân loại 1
IF "I_CB_N" AND "DB_TrangThai".Flag_N THEN
    "Q_TG_N" := TRUE;         // Động cơ gạt chạy tới
    "DB_TrangThai".SL_SPN := "DB_TrangThai".SL_SPN + 1;
    "DB_TrangThai".Flag_N := FALSE; // Reset cờ lưu vết
END_IF;

Giao tiếp máy tính giám sát thông qua thư viện thuần C# S7.Net kết nối qua giao thức S7 Communication:

using S7.Net;
using System;

public class PLCInterface
{
    private Plc plc;

    public bool ConnectPLC(string ipAddress)
    {
        // Khởi tạo kết nối CPU 1200, Rack 0, Slot 1
        plc = new Plc(CpuType.S71200, ipAddress, 0, 1);
        plc.Open();
        return plc.IsConnected;
    }

    public void ReadWeightAndCounts()
    {
        if (plc.IsConnected)
        {
            // Đọc dữ liệu từ DB1 (Non-optimized DB)
            var countLight = (ushort)plc.Read("DB1.DBW14");
            var currentWeight = ((uint)plc.Read("DB1.DBD100")).ToFloat();
            Console.WriteLine($"Khối lượng thực: {currentWeight:F2} g | Số lượng nhẹ: {countLight}");
        }
    }
}

[!IMPORTANT] Để truyền thông giữa C#/HMI và S7-1200 qua thư viện S7.Net hoạt động ổn định, trong TIA Portal bắt buộc phải:

  1. Tắt tính năng Optimized block access trong thuộc tính của Data Block (DB).
  2. Đặt Access Level thành Full access (no protection).
  3. Tích chọn Permit access with PUT/GET communication from remote partner trong cấu hình bảo mật CPU.

Kết quả kiểm thử và thực nghiệm

Hệ thống được vận hành thực nghiệm liên tục qua 500 chu kỳ phân loại với mẫu thử là nông sản thực tế (chanh và khoai tây) phân bố ngẫu nhiên:

Tỉ lệ phân loại chính xác tổng thể: 98.8%
  • Thời gian xử lý cân định lượng: $0.85\text{ s} - 1.0\text{ s/sản phẩm}$.
  • Tốc độ đáp ứng tay gạt: $0.35\text{ s}$ từ khi cảm biến quang phát hiện vật.
  • Độ ổn định hệ thống: Không xảy ra hiện tượng xung đột I/O hay kẹt cơ cấu tay gạt trong suốt 4 giờ vận hành thử nghiệm liên tục.

Đổi mới và đóng góp

  1. Tích hợp khối lọc tín hiệu số chống rung trực tiếp: Loại bỏ hoàn toàn nhiễu dao động cơ học khi sản phẩm rơi lên băng cân nhờ thuật toán trung bình trượt kết hợp bộ lọc phần cứng trên đầu cân BC360L, duy trì sai số cân chỉ $\pm 0.5\text{ g}$.
  2. Cơ chế tay gạt hồi vị tự động vòng kín: Khác với các hệ thống phân loại rẻ tiền dùng định thời (Timer) dễ gây kẹt khi có biến thiên điện áp, hệ thống kết hợp cảm biến quang và công tắc hành trình kép để xác lập điểm gốc cơ học chính xác $100%$.
  3. Kiến trúc điều khiển mở (Open Automation Architecture): Tích hợp đồng thời giao diện HMI Weintek tại chỗ và khả năng kết nối SCADA/PC qua Ethernet/PROFINET thông qua nền tảng mã nguồn mở C# S7.Net, mở đường cho việc kết nối hệ thống thực thi sản xuất (MES) và Cloud IoT.
  4. Hiệu quả kinh tế vượt trội: Chi phí chế tạo hệ thống chỉ bằng khoảng $35%$ so với các dây chuyền nhập khẩu nguyên chiếc cùng dải thông số, với tỷ lệ nội địa hóa thiết kế và gia công cơ khí đạt $100%$.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Tình huống ứng dụng thực tế (Use Cases)

  • Hợp tác xã nông nghiệp công nghệ cao: Dây chuyền phân loại trái cây có múi (cam, bưởi, quýt) đạt chuẩn xuất khẩu theo từng loại kích cỡ đóng thùng.
  • Nhà máy chế biến thủy hải sản: Phân cỡ tôm, cá đông lạnh đóng gói tự động trước khi vào buồng cấp đông nhanh.
  • Dây chuyền logistics và bưu phẩm chuyển phát nhanh: Tự động cân bưu phẩm để tính cước phí và chia chọn theo tải trọng xe vận chuyển.
                   LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI VÀ THỰC THI DỰ ÁN
  Tuần:   1 - 2       3 - 4       5 - 6       7 - 8       9 - 10     11 - 12

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI Analysis)

  • Chi phí đầu tư phần cứng & thi công: ~18.500.000 VNĐ.
  • Năng suất vận hành: Tương đương 4 công nhân phân loại thủ công làm việc liên tục.
  • Tiết kiệm chi phí nhân công: $\approx 24.000.000\text{ VNĐ/tháng}$ (tính trung bình $6.000.000\text{ VNĐ/người/tháng}$).
  • Thời gian hoàn vốn (ROI): Dưới 1.5 tháng vận hành thực tế.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Băng tải cân hiện tại yêu cầu sản phẩm đi vào đơn lẻ từng chiếc; nếu hai sản phẩm đi quá sát nhau ($< 15\text{ cm}$), hệ thống có thể đọc sai trọng lượng tổng.
  • Cơ cấu tay gạt bằng động cơ gạt DC phù hợp với nông sản có vỏ cứng; với các loại quả mềm (dâu tây, cà chua chín), cần cơ cấu gạt đệm khí nén (Pneumatic) hoặc cơ cấu lật khay nhẹ nhàng hơn.

Hướng phát triển mở rộng

  • Nâng cấp thuật toán cân động (Dynamic Weighing - Checkweigher) sử dụng module công nghệ chuyên dụng SIWAREX WP231 của Siemens để nâng tốc độ phân loại lên $180\text{ sp/phút}$ mà không cần dừng sản phẩm trên bàn cân.
  • Tích hợp thêm module xử lý ảnh công nghiệp (Machine Vision) nhận diện màu sắc, khuyết tật bề mặt để tạo hệ thống phân loại đa tiêu chí: Khối lượng + Kích thước + Độ chín.
  • Phát triển giao diện Web Server tích hợp trên CPU 1214C và kết nối giao thức MQTT/OPC UA để đẩy dữ liệu sản lượng lên Dashboard đám mây (Cloud SCADA).

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên ngành Tự động hóa: Cung cấp đồ án mẫu chuẩn mực từ khâu thiết kế mạch lực, mạch điều khiển, lập trình TIA Portal đến kết nối truyền thông công nghiệp.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống & Developers: Cung cấp tài liệu tham khảo thực chiến về cấu hình driver S7.Net, thiết kế Data Block phi tối ưu và tối ưu hóa thời gian quét của PLC.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs): Giải pháp tự động hóa chi phí thấp, thời gian triển khai nhanh, dễ bảo trì và vận hành mà không phụ thuộc vào chuyên gia nước ngoài.
  • Giảng viên và Nhà nghiên cứu: Nền tảng mô hình thực hành phục vụ giảng dạy môn học PLC nâng cao, Điều khiển truyền động điện và Mạng truyền thông công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn cấp điện lưới $220\text{VAC}\pm 10%$, $50\text{Hz}$, có dây nối đất an toàn (PE). Nguồn DC điều khiển sử dụng bộ nguồn chuyển mạch $24\text{VDC} \ge 10\text{A}$. Băng tải cần đặt trên mặt phẳng có độ nghiêng $<1.5^\circ$ và tránh các nguồn rung chấn công nghiệp trực tiếp.

2. Giới hạn năng suất và tải trọng tối đa của hệ thống là bao nhiêu?

Mô hình hiện tại phân loại tối ưu ở dải tải trọng $10\text{g} - 5000\text{g}$ với tốc độ $40 - 60\text{ sp/phút}$. Khi nâng cấp động cơ băng tải công nghiệp và ứng dụng module cân động SIWAREX, hệ thống hoàn toàn có thể đạt công suất $150 - 200\text{ sp/phút}$.

3. Có thể kết nối hệ thống với phần mềm ERP hoặc cơ sở dữ liệu SQL của nhà máy không?

Hoàn toàn được. Thông qua cổng mạng PROFINET tích hợp trên S7-1200, có thể sử dụng giao thức Modbus TCP, OPC UA Server hoặc ứng dụng trung gian C#/.NET viết qua S7.Net để ghi dữ liệu trực tiếp vào cơ sở dữ liệu MySQL, SQL Server hoặc hệ thống ERP của doanh nghiệp.

4. Quy trình bảo dưỡng định kỳ hệ thống bao gồm những gì?

  • Hàng tuần: Vệ sinh bề mặt thu/phát của 5 cảm biến quang điện bằng khăn mềm; kiểm tra độ căng của dây đai băng chuyền.
  • Hàng tháng: Hiệu chuẩn lại điểm 0 (Zero Calibration) và quả cân chuẩn (Span Calibration) cho Loadcell; kiểm tra độ mòn chổi than động cơ DC 775.
  • Hàng quý: Siết lại các ốc vít tiếp điểm trên cầu đấu PLC và rơ-le Omron H3Y-4.

5. Chi phí đầu tư dự toán và thời gian thu hồi vốn (ROI) như thế nào?

Tổng chi phí chế tạo mô hình thực tế dao động từ 15 đến 20 triệu VNĐ tùy chủng loại linh kiện. Với các xưởng sản xuất sử dụng 2 - 3 nhân công đóng gói, thời gian hoàn vốn thực tế đạt được trong vòng 1.5 đến 3 tháng nhờ giảm thiểu lỗi hao hụt và nâng cao năng suất đóng gói.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển phân loại sản phẩm theo khối lượng dùng PLC S7-1200" đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa từ khâu nghiên cứu lý thuyết, thiết kế phần cứng, lập trình điều khiển đến thi công mô hình thực nghiệm hoạt động ổn định. Bằng việc làm chủ công nghệ điều khiển khả trình PLC S7-1200, tích hợp cảm biến tải Loadcell và truyền thông giám sát HMI/SCADA, đề tài mang lại giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho ngành chế biến nông sản và sản xuất công nghiệp, khẳng định năng lực ứng dụng khoa học kỹ thuật hiện đại vào phục vụ đời sống kinh tế - xã hội.