Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 đang diễn ra mạnh mẽ, tự động hóa dây chuyền sản xuất đóng vai trò quyết định đến năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp. Theo các khảo sát công nghiệp, các khâu kiểm tra chất lượng và phân loại thủ công chiếm tới 35–45% tổng thời gian đóng gói và tiềm ẩn tỷ lệ sai sót dao động từ 5% đến 8% do yếu tố mệt mỏi của con người. Đối với các ngành sản xuất thực phẩm, nông sản, dược phẩm và linh kiện cơ khí, việc phân loại sản phẩm theo đúng khối lượng định mức (weight grading/checkweighing) là yêu cầu bắt buộc nhằm đảm bảo tính đồng đều, định lượng đóng gói chính xác và đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng khắt khe.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng sử dụng PLC S7 - 1200" (thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Thị Kim Loan và Phạm Trường Duy, dưới sự hướng dẫn của ThS. Võ Minh Thiện – Khoa Điện - Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Kỹ thuật - Công nghệ Cần Thơ) tập trung giải quyết bài toán tự động hóa quy trình phân hạng sản phẩm dựa trên tín hiệu khối lượng thu thập thời gian thực.

                  KIẾN TRÚC TỔNG THỂ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI
+-----------------------------------------------------------------------+
|  GIÁM SÁT & ĐIỀU KHIỂN: SIMATIC WinCC SCADA (TIA Portal V16)          |
|  - Cài đặt ngưỡng: Trọng lượng Nhẹ (W_Light), Trung Bình (W_Medium)  |
|  - Giám sát trạng thái I/O, thời gian thực, lưu trữ & đếm sản phẩm    |
+-----------------------------------+-----------------------------------+
                                    | PROFINET (Industrial Ethernet)
+-----------------------------------v-----------------------------------+
|  BỘ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH: SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC)        |
|  - Khối tổ chức OB1: Quản lý chu trình quét & chuyển đổi chế độ       |
|  - Khối hàm FC1: Điều khiển Manual | Khối hàm FC2: Tự động phân loại  |
|  - Xử lý tín hiệu Analog (IW64) từ Loadcell -> Phân lớp khối lượng   |
+--------------------+------------------------------+--------------------+
                     |                              |
      Tín hiệu Cảm biến (Input)          Điều khiển Cơ cấu Chấp hành (Output)
+--------------------+--------------+  +-----------+--------------------+
| - Cảm biến quang vị trí cân (I0.1) |  | - Động cơ băng tải chính (Q0.2)    |
| - Cảm biến xi lanh Nhẹ (I0.2)     |  | - Van điện từ Xi lanh Nhẹ (Q0.3)   |
| - Cảm biến xi lanh Vừa (I0.3)     |  | - Van điện từ Xi lanh Vừa (Q0.4)   |
| - Cảm biến sản phẩm Nặng (I0.4)   |  | - Băng chuyền chuyển tiếp (Nặng)   |
| - Cảm biến lực Loadcell (IW64)    |  | - Đèn báo Auto (Q0.0), Manu (Q0.1) |
+-----------------------------------+  +--------------------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế và tích hợp hoàn chỉnh hệ thống điều khiển tự động phân loại sản phẩm theo 3 mức khối lượng: Nhẹ, Trung bình và Nặng.
  2. Làm chủ công nghệ lập trình điều khiển logic khả trình trên dòng PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C).
  3. Xử lý chính xác tín hiệu tương tự (Analog Input) từ cảm biến lực Loadcell thông qua khối chuyển đổi kênh IW64.
  4. Thiết kế giao diện SCADA/HMI chuyên nghiệp bằng phần mềm TIA Portal V16 (SIMATIC WinCC Runtime) phục vụ giám sát, thống kê và thay đổi ngưỡng cài đặt linh hoạt.
  5. Xây dựng giải thuật điều khiển phân loại tuần hoàn, đồng bộ giữa hệ thống băng chuyền cấp liệu và cơ cấu chấp hành piston khí nén.

Phương pháp tiếp cận và Phạm vi nghiên cứu

  • Phương pháp tiếp cận: Sử dụng bộ điều khiển logic công nghiệp tiêu chuẩn (PLC) kết hợp mô đun đọc cảm biến biến dạng (Strain-gauge Loadcell), xử lý tín hiệu đầu vào theo thời gian thực và kích hoạt các van đảo chiều khí nén tác động lên xi lanh đẩy sản phẩm vào các khay chứa riêng biệt.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình thử nghiệm tập trung vào các sản phẩm đóng gói cỡ nhỏ và vừa, phân định thành 3 ngưỡng khối lượng (Nhẹ, Trung bình, Nặng), vận hành ở 2 chế độ độc lập là Manual (Bằng tay) và Auto (Tự động), có khả năng điều chỉnh thông số tải trọng trực tiếp trên giao diện SCADA.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trong các dây chuyền phân loại công nghiệp hiện nay, nhiều giải pháp kỹ thuật đã được triển khai với các đặc tính kỹ thuật khác nhau:

Phương pháp phân loại Nguyên lý nhận dạng Ưu điểm Nhược điểm Chi phí & Độ phức tạp
Cân thủ công Công nhân đặt lên cân tĩnh Đầu tư ban đầu thấp, linh hoạt Năng suất thấp (<15 sp/phút), sai số cao do mệt mỏi, tốn nhân công Thấp / Đơn giản
Thị giác máy tính (Vision) Camera CCD + Thuật toán xử lý ảnh Tốc độ cao, phân loại màu sắc, hình dạng, khuyết tật bề mặt Chi phí rất cao, thuật toán xử lý ảnh phức tạp, nhạy cảm với ánh sáng Rất cao / Rất phức tạp
Chiều cao / Kích thước Cảm biến quang thu - phát đa điểm Cấu trúc cơ khí đơn giản, chi phí trung bình Không phân biệt được sản phẩm cùng kích thước nhưng rỗng/đặc hoặc sai khối lượng Trung bình / Trung bình
Cân động PLC + Loadcell (Giải pháp đề xuất) Cảm biến lực biến dạng + Bộ chuyển đổi ADC của PLC Độ chính xác cao, tin cậy công nghiệp, kiểm soát đúng trọng lượng tịnh, dễ tích hợp SCADA Cần xử lý chống rung cơ học trên băng tải Hợp lý / Khả thi cao

Phân tích yêu cầu theo mô hình MoSCoW

  • Must Have (Bắt buộc phải có): Phân loại chính xác 3 cấp tải trọng; vận hành 2 chế độ Auto/Manual; tự động thu hồi piston sau 3 giây; nút dừng khẩn cấp và bảo vệ liên động.
  • Should Have (Nên có): Giao diện SCADA hiển thị trực quan sản lượng tức thời; cảnh báo trạng thái cảm biến trên màn hình; khả năng cài đặt ngưỡng khối lượng mềm không cần nạp lại code PLC.
  • Could Have (Có thể mở rộng): Lưu trữ dữ liệu lịch sử sản xuất vào cơ sở dữ liệu SQL; xuất báo cáo ca làm việc định dạng CSV/Excel.
  • Won't Have (Chưa thực hiện trong phạm vi này): Nhận diện lỗi quang học bề mặt bằng AI; băng tải cân động tốc độ siêu cao không dừng (Continuous high-speed dynamic checkweighing).

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc điều khiển và Bảng phân bổ địa chỉ I/O

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C, nguồn cấp 24VDC, tích hợp sẵn 14 cổng Digital Input (DI), 10 cổng Digital Output (DO) và 2 cổng Analog Input (AI).

          BẢNG ĐỊA CHỈ PHẦN CỨNG PLC S7-1200 (CPU 1214C)
+------------------+---------------+-----------+-------------------------------+
| Tên biến (Tag)   | Địa chỉ PLC   | Kiểu DL   | Chức năng kỹ thuật            |
+------------------+---------------+-----------+-------------------------------+
| I_Mode           | %I0.0         | Bool      | Công tắc chuyển Auto (1)/Manu(0)|
| I_CB_Can         | %I0.1         | Bool      | Cảm biến quang tại bàn cân     |
| I_CB_Nhe         | %I0.2         | Bool      | Cảm biến vị trí xi lanh Nhẹ   |
| I_CB_Trung_Binh  | %I0.3         | Bool      | Cảm biến vị trí xi lanh Vừa   |
| I_CB_Nang        | %I0.4         | Bool      | Cảm biến vị trí sản phẩm Nặng |
| I_BT             | %I0.5         | Bool      | Nút nhấn Chạy/Dừng băng tải   |
| I_Xylanh_Nhe     | %I0.6         | Bool      | Nút thử nghiệm xi lanh Nhẹ    |
| I_Xylanh_TB      | %I0.7         | Bool      | Nút thử nghiệm xi lanh Vừa    |
| IW_Loadcell      | %IW64         | Word      | Tín hiệu tương tự từ Loadcell |
+------------------+---------------+-----------+-------------------------------+
| Q_lamp_Auto      | %Q0.0         | Bool      | Đèn chỉ thị chế độ Tự động    |
| Q_lamp_Manu      | %Q0.1         | Bool      | Đèn chỉ thị chế độ Bằng tay   |
| Q_BT             | %Q0.2         | Bool      | Khởi động động cơ băng tải    |
| Q_Xylanh_Nhe     | %Q0.3         | Bool      | Điều khiển van điện xi lanh Nhẹ|
| Q_Xylanh_TB      | %Q0.4         | Bool      | Điều khiển van điện xi lanh Vừa|
+------------------+---------------+-----------+-------------------------------+

Technology Stack

  • Phần cứng điều khiển: Siemens SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC, Work Memory: 100 KB, Retentive Memory: 10 KB, Boolean execution speed: 0.08 µs/lệnh).
  • Cảm biến và cơ cấu chấp hành: Strain-gauge Loadcell kèm bộ khuếch đại tín hiệu transmitter 0–10V, cảm biến quang điện thu - phát hồng ngoại PNP, xi lanh khí nén tác động kép kết hợp van điện từ đảo chiều 5/2 (Solenoid Valve 24VDC), động cơ kéo băng tải DC/AC giảm tốc.
  • Nền tảng phần mềm: TIA Portal V16 (SIMATIC STEP 7 Basic V16 lập trình PLC, SIMATIC WinCC Runtime Advanced V16 thiết kế giao diện SCADA).
  • Giao thức truyền thông: PROFINET Industrial Ethernet chuẩn IEEE 802.3, tốc độ truyền 100 Mbps, hỗ trợ kết nối mạng trực tiếp giữa PLC và máy tính giám sát SCADA.

Methodology

Quy trình nghiên cứu và phát triển được xây dựng dựa trên mô hình chữ V (V-Model) dành cho hệ thống tự động hóa công nghiệp:

[Phân tích yêu cầu & Định mức tải]       --->     [Nghiệm thu toàn hệ thống]
       \                                               /
 [Thiết kế thuật toán & Sơ đồ I/O]      --->    [Kiểm thử Scada & Runtime]
        \                                             /
   [Lập trình OB1, FC1, FC2]           --->   [Mô phỏng PLC-SIM & TIA V16]
          \                                         /
           ------> [Cấu hình phần cứng TIA] <------
  1. Giai đoạn chuẩn bị (Tuần 1–3): Khảo sát quy trình phân loại thực tế, xác định dải đo trọng lượng, lập bảng phân bổ đầu vào/đầu ra (I/O Allocation Table).
  2. Giai đoạn thiết kế giải thuật và cấu hình (Tuần 4–7): Xây dựng lưu đồ giải thuật cho 2 chế độ Auto/Manual, phân chia cấu trúc chương trình thành OB1 (Main), FC1 (Manual Routine), FC2 (Auto Routine).
  3. Giai đoạn lập trình và thiết kế SCADA (Tuần 8–11): Viết logic xử lý bit, chuyển đổi tín hiệu analog, định thời gian trễ bằng Timer TON, đếm sản phẩm bằng Counter CTU; thiết kế tag kết nối và giao diện đồ họa WinCC.
  4. Giai đoạn mô phỏng, tối ưu và đánh giá (Tuần 12–14): Nạp chương trình xuống PLC-SIM, chạy kiểm thử các kịch bản biên, đo thời gian đáp ứng và hoàn thiện báo cáo kỹ thuật.

Implementation và kết quả

Development process

Cấu trúc chương trình PLC được module hóa triệt để nhằm tối ưu chu trình quét (Scan Time) và đảm bảo tính tường minh:

  • Tổ chức bộ nhớ: Khối OB1 thực hiện quét vòng tuần hoàn, kiểm tra trạng thái biến chế độ I_Mode (%I0.0). Nếu %I0.0 = 0, hệ thống gọi hàm FC1 (Chế độ bằng tay); nếu %I0.0 = 1, hệ thống gọi hàm FC2 (Chế độ tự động).
  • Thuật toán chuẩn hóa tín hiệu Analog: Tín hiệu số nguyên từ kênh IW64 (giá trị thô từ 0 đến 27648 ứng với dải 0–10V hoặc 4–20mA) được quy đổi sang giá trị khối lượng thực tế (gram) thông qua hai lệnh chuẩn hóa liên tiếp: $$\text{Scaled_Val} = \text{SCALE_X}\left( \text{MIN}, \text{MAX}, \text{NORM_X}(0, 27648, \text{IW64}) \right)$$
  • Thuật toán phân loại logic trong FC2:
    • Sản phẩm Nhẹ: Khi cảm biến cân %I0.1 kích hoạt, nếu $W_{\text{thực tế}} < W_{\text{Nhẹ_Cài_Đặt}}$, cờ nhớ xác định sản phẩm nhẹ được set. Khi sản phẩm di chuyển đến vị trí cảm biến %I0.2, ngõ ra %Q0.3 kích hoạt xi lanh đẩy phôi vào khay 1. Đồng thời, một bộ định thời TON (Time-On Delay) với $PT = 3.0\text{s}$ được kích hoạt để tự động thu hồi xi lanh về vị trí gốc và tăng bộ đếm CTU thêm 1 đơn vị.
    • Sản phẩm Trung bình: Nếu $W_{\text{Nhẹ_Cài_Đặt}} \le W_{\text{thực tế}} \le W_{\text{TB_Cài_Đặt}}$, cờ nhớ sản phẩm vừa được bật. Khi sản phẩm đến cảm biến %I0.3, ngõ ra %Q0.4 tác động mở van điện, đẩy phôi vào khay 2, duy trì 3 giây rồi thu hồi và ghi nhận vào Counter sản phẩm vừa.
    • Sản phẩm Nặng: Nếu $W_{\text{thực tế}} > W_{\text{TB_Cài_Đặt}}$, sản phẩm không bị tác động bởi 2 xi lanh đầu, tiếp tục trượt thẳng đến cuối băng tải nơi cảm biến %I0.4 phát hiện và đưa vào khay sản phẩm nặng.
// =============================================================================
// TRÍCH ĐOẠN GIẢI THUẬT PHÂN LOẠI KHỐI LƯỢNG (SCL / LOGIC EQUIVALENT TRONG FC2)
// Hệ thống phân loại sản phẩm theo 3 mức: Nhẹ, Trung Bình, Nặng
// =============================================================================

// Bước 1: Chuẩn hóa tín hiệu Analog từ Loadcell (IW64: 0..27648 tương ứng 0..1000g)
#Normalized_Raw := NORM_X(MIN := 0, MAX := 27648, VALUE := "IW_Loadcell");
#Actual_Weight  := SCALE_X(MIN := 0.0, MAX := 1000.0, VALUE := #Normalized_Raw);

// Bước 2: Phân loại ngưỡng khi sản phẩm chạm cảm biến vị trí cân (I_CB_Can = TRUE)
IF "I_CB_Can" AND NOT #Weighing_Done THEN
    IF #Actual_Weight < "DB_Config".Weight_Light_Set THEN
        #Flag_Product_Light := TRUE;
        #Flag_Product_Medium := FALSE;
        #Flag_Product_Heavy := FALSE;
    ELSIF (#Actual_Weight >= "DB_Config".Weight_Light_Set) AND 
          (#Actual_Weight <= "DB_Config".Weight_Medium_Set) THEN
        #Flag_Product_Light := FALSE;
        #Flag_Product_Medium := TRUE;
        #Flag_Product_Heavy := FALSE;
    ELSE
        #Flag_Product_Light := FALSE;
        #Flag_Product_Medium := FALSE;
        #Flag_Product_Heavy := TRUE;
    END_IF;
    #Weighing_Done := TRUE;
END_IF;

// Bước 3: Kích hoạt Xi lanh đẩy sản phẩm Nhẹ và duy trì 3 giây (TON Timer)
IF "I_CB_Nhe" AND #Flag_Product_Light THEN
    "Q_Xylanh_Nhe" := TRUE;
END_IF;

"TON_Cylinder_Light"(IN := "Q_Xylanh_Nhe",
                     PT := T#3S,
                     Q => #Timer_Light_Done);

IF #Timer_Light_Done THEN
    "Q_Xylanh_Nhe" := FALSE;            // Thu hồi piston về vị trí ban đầu
    #Flag_Product_Light := FALSE;       // Xóa cờ trạng thái
    "DB_Stats".Count_Light += 1;        // Tăng bộ đếm sản phẩm nhẹ
END_IF;

// Bước 4: Kích hoạt Xi lanh đẩy sản phẩm Trung bình và duy trì 3 giây
IF "I_CB_Trung_Binh" AND #Flag_Product_Medium THEN
    "Q_Xylanh_TB" := TRUE;
END_IF;

"TON_Cylinder_Medium"(IN := "Q_Xylanh_TB",
                      PT := T#3S,
                      Q => #Timer_Medium_Done);

IF #Timer_Medium_Done THEN
    "Q_Xylanh_TB" := FALSE;             // Thu hồi piston
    #Flag_Product_Medium := FALSE;      // Xóa cờ trạng thái
    "DB_Stats".Count_Medium += 1;       // Tăng bộ đếm sản phẩm trung bình
END_IF;

// Bước 5: Ghi nhận sản phẩm Nặng tại cuối băng chuyền
IF "I_CB_Nang" AND #Flag_Product_Heavy THEN
    "DB_Stats".Count_Heavy += 1;        // Tăng bộ đếm sản phẩm nặng
    #Flag_Product_Heavy := FALSE;       // Reset cờ
    #Weighing_Done := FALSE;            // Sẵn sàng cho chu kỳ cân tiếp theo
END_IF;

Testing và validation

Quá trình kiểm thử được tiến hành trên môi trường mô phỏng TIA Portal V16 kết hợp S7-PLCSIM và WinCC Runtime với 150 chu kỳ kiểm tra liên tục ở các dải tải trọng khác nhau:

                    KẾT QUẢ KIỂM THỬ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
+----------------------+--------------------+-------------------+---------------+
| Kịch bản kiểm thử    | Ngưỡng cài đặt (g) | Tải trọng nạp (g) | Kết quả xử lý |
+----------------------+--------------------+-------------------+---------------+
| Phân loại Nhẹ        | W_Set < 150g       | 85g, 120g, 145g   | Piston 1 đẩy  |
| Phân loại Trung bình | 150g <= W <= 350g  | 150g, 250g, 348g  | Piston 2 đẩy  |
| Phân loại Nặng       | W_Set > 350g       | 355g, 420g, 500g  | Chạy qua khay 3|
| Trường hợp biên 1    | Ngưỡng = 150.0g    | 149.9g vs 150.1g  | Tách lớp đúng |
| Trường hợp biên 2    | Ngưỡng = 350.0g    | 349.9g vs 350.1g  | Tách lớp đúng |
+----------------------+--------------------+-------------------+---------------+
  • Độ ổn định chu trình quét (Scan Cycle Time): Thời gian thực thi trung bình của OB1 ghi nhận ở mức 2.8 ms – 3.5 ms, thấp hơn rất nhiều so với giới hạn định mức 150 ms của CPU 1214C, đảm bảo tính phản hồi tức thời cho các cảm biến quang tốc độ cao.
  • Thời gian phân loại mỗi chu kỳ: Trung bình 3.5 – 4.2 giây/sản phẩm (bao gồm thời gian dừng cân tĩnh ổn định và 3 giây đẩy của xi lanh khí nén).
  • Tỷ lệ phân loại chính xác: Đạt 100% trên mô hình mô phỏng, không xuất hiện xung đột địa chỉ bộ nhớ hay lỗi tràn stack trong quá trình runtime SCADA.

Kết quả đạt được

[====================] 100% Hoàn thành chức năng lập trình PLC S7-1200
[====================] 100% Tích hợp trơn tru giao diện giám sát WinCC SCADA
[====================] 100% Đáp ứng yêu cầu chuyển đổi mượt mà giữa Auto và Manual
[====================] 100% Cơ chế an toàn tự động thu hồi piston sau 3s tác động

Hệ thống đã hiện thực hóa trọn vẹn các yêu cầu thiết kế ban đầu:

  • Giao diện SCADA hiển thị trực quan trạng thái bật/tắt của động cơ băng tải, vị trí tác động của từng xi lanh, đèn báo trạng thái hệ thống, biểu đồ trọng lượng tức thời và bảng đếm sản lượng từng loại.
  • Toàn bộ tham số phân loại có thể được hiệu chỉnh trực tiếp trên màn hình điều khiển mà không cần truy cập source code của PLC, nâng cao tính linh hoạt trong sản xuất thực tế.

Đổi mới và đóng góp

  1. Cấu trúc chương trình chuẩn công nghiệp: Thiết kế chương trình theo mô hình module hóa thông qua các Function Block (FC1, FC2) kết hợp khối điều hành OB1, giúp mã nguồn dễ bảo trì, mở rộng và tuân thủ chặt chẽ tiêu chuẩn IEC 61131-3.
  2. Khả năng cấu hình ngưỡng động (Dynamic Threshold Reconfiguration): Không cố định giá trị so sánh khối lượng trong logic cứng, hệ thống lưu trữ các ngưỡng tải trọng trong khối dữ liệu (Data Block), cho phép người vận hành tái cấu hình dải cân cho nhiều loại sản phẩm khác nhau ngay trên SCADA.
  3. Cơ chế kiểm soát an toàn kép: Tích hợp khóa liên động (Interlocking) giữa hai chế độ Manual và Auto nhằm triệt tiêu nguy cơ kích hoạt sai cơ cấu chấp hành khí nén; tích hợp Timer TON phần mềm đảm bảo xi lanh luôn tự thu hồi ngay cả khi cảm biến hành trình gặp sự cố kẹt tín hiệu.
                    SO SÁNH CÁC CHỈ SỐ VẬN HÀNH CHÍNH
+------------------------------------+------------------+-------------------+
| Tiêu chí đánh giá                  | Quy trình cũ     | Giải pháp PLC     |
|                                    | (Cân thủ công)   | S7-1200 + SCADA   |
+------------------------------------+------------------+-------------------+
| Năng suất phân loại                | 10 - 12 sp/phút  | 18 - 22 sp/phút   |
| Sai số phân loại do con người      | 5% - 8%          | < 0.5%            |
| Số lượng nhân công vận hành        | 3 công nhân      | 1 giám sát        |
| Khả năng lưu trữ & thống kê số liệu| Ghi chép sổ sách | Tự động trên SCADA|
| Thời gian tái cấu hình mã hàng     | 15 - 20 phút     | < 30 giây         |
+------------------------------------+------------------+-------------------+

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng trong thực tế sản xuất

  • Ngành chế biến nông sản và xuất khẩu gạo: Phân hạng các bao gạo đóng gói sẵn (1kg, 2kg, 5kg) hoặc phân loại củ, quả (thanh long, xoài, cam) theo các tiêu chuẩn trọng lượng xuất khẩu loại 1, loại 2 và hàng loại.
  • Ngành dược phẩm và mỹ phẩm: Kiểm tra độ đầy của chai lọ dung dịch, phát hiện và loại bỏ các hộp thuốc thiếu vỉ hoặc chai bị rò rỉ dung dịch trước khi đóng thùng carton.
  • Ngành cơ khí và phụ tùng ốc vít: Đếm và kiểm tra số lượng chi tiết trong túi đóng gói dựa trên khối lượng tổng, tự động loại bỏ các túi bị thiếu chi tiết.

Yêu cầu triển khai phần cứng tại nhà máy

  • Tủ điện điều khiển: Chuẩn IP54 hoặc IP65 chống bụi và ẩm, tích hợp bộ nguồn xung ổn áp Phoenix Contact / Omron 24VDC - 5A, aptomat bảo vệ nhánh, rơ le đệm trung gian IDEC và biến tần điều khiển tốc độ động cơ băng tải (Siemens SINAMICS V20).
  • Hạ tầng khí nén: Áp suất nguồn cấp ổn định từ 4.0 đến 6.0 bar, trang bị bộ lọc tách nước và tra dầu tự động (FRL Unit) để bảo vệ van điện từ và gioăng phớt xi lanh.
  • Hạ tầng mạng: Cáp Ethernet bọc kim chống nhiễu (STP Cat6 Industrial) kết nối trực tiếp cổng RJ45 PROFINET trên CPU 1214C về trạm điều khiển trung tâm.

Phân tích chi phí và Hiệu quả đầu tư (ROI)

  • Ước tính chi phí đầu tư mô hình thực tế: Khoảng 35.000.000 – 48.000.000 VNĐ (Bao gồm PLC S7-1200 CPU 1214C, Loadcell + Bộ chỉ thị cân, hệ thống băng tải con lăn cơ khí, 2 bộ xi lanh khí nén SMC, van điện từ và tủ điện điều khiển).
  • Thời gian hoàn vốn (Payback Period): Nhờ cắt giảm 2 vị trí lao động trực tiếp (tiết kiệm khoảng 16.000.000 VNĐ/tháng) và giảm thiểu thất thoát do sản phẩm lỗi, doanh nghiệp quy mô vừa và nhỏ có thể thu hồi vốn đầu tư trong thời gian từ 5 đến 7 tháng.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Phương thức cân: Mô hình sử dụng giải thuật dừng - cân tĩnh (Stop-and-weigh) tại vị trí bàn cân để triệt tiêu dao động cơ học, khiến tốc độ tổng thể của dây chuyền chưa đạt mức tối đa như các hệ thống cân động tốc độ cao (Dynamic In-motion Checkweighing).
  • Giới hạn số mức phân loại: Hệ thống hiện mới thiết lập 3 mức phân loại vật lý (2 xi lanh gạt và 1 đường thoát thẳng).
  • Chưa tích hợp truyền thông đám mây: Dữ liệu SCADA hiện lưu trữ cục bộ tại máy tính trạm, chưa hỗ trợ giám sát từ xa qua Web Server hoặc giao thức MQTT/OPC UA lên nền tảng IoT.

Hướng phát triển trong tương lai

  1. Tích hợp mô đun cân chuyên dụng SIWAREX WP231: Tăng cường độ phân giải đọc Loadcell, tích hợp thuật toán lọc số chống rung kỹ thuật số (FIR/IIR Filter), cho phép cân chính xác ngay khi sản phẩm đang lướt qua băng tải với vận tốc cao.
  2. Mở rộng cơ cấu phân loại đa tầng: Ứng dụng mô đun mở rộng I/O (Signal Module SM 1223) để tăng số lượng cửa phân loại lên 5–8 mức trọng lượng khác nhau.
  3. Chuyển đổi số và Kết nối IIoT: Kích hoạt tính năng OPC UA Server tích hợp trên S7-1200, truyền dữ liệu hiệu suất thiết bị tổng thể (OEE) và sản lượng lên hệ thống điều hành sản xuất MES (Manufacturing Execution System) hoặc Dashboard quản lý trên Cloud.

Đối tượng hưởng lợi

                         ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI
+--------------------+---------------------------------------------------------+
| Nhóm đối tượng     | Giá trị và Lợi ích thu nhận                             |
+--------------------+---------------------------------------------------------+
| Sinh viên kỹ thuật | - Nắm vững phương pháp lập trình PLC S7-1200 thực tế     |
| (Điện - Tự động hóa)| - Thành thạo xử lý tín hiệu Analog (NORM_X, SCALE_X)   |
|                    | - Làm chủ công cụ thiết kế SCADA trên TIA Portal V16    |
+--------------------+---------------------------------------------------------+
| Kỹ sư / Lập trình  | - Tham khảo cấu trúc chương trình module hóa (OB1, FC)  |
| viên tự động hóa   | - Áp dụng giải thuật định thời an toàn cho cơ cấu khí nén|
|                    | - Tái sử dụng template giao diện WinCC Runtime chuẩn    |
+--------------------+---------------------------------------------------------+
| Doanh nghiệp SME / | - Giải pháp tự động hóa chi phí thấp, độ bền công nghiệp|
| Xưởng sản xuất     | - Tăng 100% năng suất phân loại, loại bỏ sai sót thủ công|
|                    | - Thu hồi vốn nhanh chóng trong 5 - 7 tháng             |
+--------------------+---------------------------------------------------------+
| Giảng viên & Nhóm  | - Tài liệu tham khảo giảng dạy môn Điều khiển logic & SCADA|
| nghiên cứu         | - Khung nền tảng để phát triển các đề tài cân động IIoT |
+--------------------+---------------------------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống cần những yêu cầu kỹ thuật phần cứng và phần mềm nào để có thể triển khai thực tế?

Để triển khai hệ thống, cần trang bị:

  • Phần cứng: 01 PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (tối thiểu CPU 1211C hoặc 1214C DC/DC/DC), 01 cảm biến lực Loadcell chuẩn công nghiệp kèm bộ chuyển đổi tín hiệu (Transmitter đưa ra ngõ ra 0–10VDC hoặc 4–20mA), 04 cảm biến quang điện PNP loại phản xạ khuếch tán, 02 xi lanh khí nén tác động kép có gắn cảm biến từ báo vị trí, 02 van điện từ 5/2 (24VDC), 01 động cơ DC/AC kèm bộ điều khiển tốc độ và khung băng tải cơ khí.
  • Phần mềm: TIA Portal V16 (hoặc các phiên bản từ V14 trở lên) tích hợp STEP 7 Basic để lập trình nạp code PLC và WinCC Runtime Advanced để chạy giao diện giám sát SCADA trên máy tính điều hành.

2. Làm thế nào để giải quyết vấn đề nhiễu tín hiệu và dao động khi cân sản phẩm trên băng tải?

Trong môi trường thực tế, rung động cơ học từ động cơ băng tải có thể gây sai lệch giá trị tức thời của Loadcell. Có 3 giải pháp kỹ thuật chính:

  • Cơ khí: Cách ly bàn cân thành một cụm độc lập bằng cao su giảm chấn, không gắn trực tiếp khung cân lên khung động cơ truyền động.
  • Phần mềm (Lọc số): Lập trình thuật toán lấy mẫu trung bình động (Moving Average Filter) trong hàm FC của PLC bằng cách đọc 10–20 mẫu tín hiệu liên tiếp từ IW64 rồi tính trung bình trước khi so sánh ngưỡng.
  • Điều khiển: Sử dụng cảm biến quang chặn phôi dừng băng tải trong khoảng thời gian cực ngắn (0.2 – 0.5 giây) để đọc giá trị cân tĩnh trước khi mở băng tải chạy tiếp.

3. Hệ thống có thể tích hợp với các dây chuyền đóng gói hoặc hệ thống ERP/MES hiện có không?

Có. Nhờ tích hợp sẵn cổng giao tiếp PROFINET và hỗ trợ các giao thức chuẩn công nghiệp như Modbus TCP, S7 Communication và OPC UA (từ Firmware 4.4+), PLC S7-1200 có thể:

  • Bắt tay tín hiệu (Handshaking I/O) với máy đóng gói, máy dán nhãn đặt ở phía trước hoặc phía sau dây chuyền.
  • Đóng vai trò là OPC UA Server truyền dữ liệu sản lượng, khối lượng từng mẻ hàng lên phần mềm quản trị doanh nghiệp (ERP) hoặc hệ thống điều hành sản xuất (MES) theo thời gian thực mà không cần gắn thêm card truyền thông mở rộng.

4. Khi gặp sự cố cảm biến hoặc mất nguồn đột ngột, hệ thống có lưu trữ được dữ liệu sản lượng không?

Có. PLC S7-1200 được trang bị 10 KB vùng nhớ duy trì (Retentive Memory). Các biến đếm sản phẩm trong Counter CTU và các ngưỡng cài đặt khối lượng được cấu hình lưu trữ trong các khối Data Block (DB) có thuộc tính Retentive. Khi xảy ra sự cố sụt áp hoặc mất nguồn điện, các giá trị này vẫn được lưu giữ nguyên vẹn trong bộ nhớ flash của PLC và tự động khôi phục ngay khi hệ thống khởi động lại.

5. Chi phí đầu tư dự toán và lộ trình bảo trì hệ thống như thế nào?

  • Dự toán đầu tư: Tổng chi phí chế tạo hệ thống quy mô công nghiệp vừa và nhỏ dao động từ 35–48 triệu VNĐ.
  • Lộ trình bảo trì:
    • Hàng tháng: Xả nước đọng ở bộ lọc khí nén, kiểm tra độ căng của dây đai băng chuyền và lau sạch bụi bám trên bề mặt gương cảm biến quang.
    • Định kỳ 6 tháng: Hiệu chuẩn lại điểm Zero và độ nhạy của Loadcell bằng quả cân chuẩn; kiểm tra các đầu nối dây điện và siết chặt terminal tủ điện điều khiển.

Kết luận

Đề tài "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng sử dụng PLC S7 - 1200" là một công trình nghiên cứu ứng dụng có hàm lượng kỹ thuật cao, bám sát nhu cầu cấp thiết của quá trình hiện đại hóa sản xuất công nghiệp. Bằng việc kết hợp thành công bộ điều khiển khả trình SIMATIC S7-1200, kỹ thuật xử lý tín hiệu tương tự từ cảm biến lực Loadcell và giao diện giám sát SCADA trực quan trên TIA Portal V16, nhóm nghiên cứu đã xây dựng một giải pháp phân loại tự động hóa toàn diện, đạt độ chính xác cao, vận hành bền bỉ và tối ưu chi phí đầu tư.

Kết quả của đề tài không chỉ cung cấp tài liệu kỹ thuật, sơ đồ giải thuật và mẫu mã nguồn giá trị cho sinh viên, kỹ sư ngành Công nghệ kỹ thuật Điện - Điện tử và Tự động hóa, mà còn mở ra khả năng chuyển giao công nghệ trực tiếp cho các cơ sở sản xuất đóng gói nông sản, thực phẩm tại khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long và trên toàn quốc.