Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa đóng vai trò trọng yếu trong việc cắt giảm sức lao động thủ công, gia tăng năng suất và cải thiện tính đồng đều của chất lượng sản phẩm. Sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý và bộ điều khiển logic khả trình (PLC) đã cho phép thay thế các mạch điều khiển cơ khí thô sơ bằng các chu trình điều khiển tự động có độ linh hoạt và độ chính xác cao.
Tại các cơ sở sản xuất và xí nghiệp trong nước, công đoạn phân loại kích thước hoặc trọng lượng của các dòng sản phẩm đa dạng trước đây thường được thực hiện thủ công bằng cân điện tử kết hợp nhân công. Quy trình này bộc lộ nhiều nhược điểm: tiêu tốn nhân lực, đẩy chi phí sản xuất lên cao, kéo dài thời gian xử lý và dễ phát sinh sai số do sự mệt mỏi trong các thao tác lặp đi lặp lại của người lao động. Nhằm giải quyết yêu cầu quản lý dây chuyền tự động, vận hành liên tục và kiểm soát chính xác thông số sản phẩm, đề tài "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng sử dụng PLC S7 - 1200" được nhóm tác giả thực hiện.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm 5 nội dung:
- Điều khiển và phân loại sản phẩm hoàn toàn tự động.
- Thiết kế mô phỏng hệ thống phân loại sản phẩm theo từng mức khối lượng đã được lập trình trước.
- Sử dụng PLC Siemens S7-1200 để lập trình và điều khiển toàn bộ chu trình.
- Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên nền tảng SCADA/WinCC.
- Sử dụng cảm biến cân trọng lượng (loadcell) để thu thập dữ liệu khối lượng phục vụ phân loại.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống băng tải cân định lượng và phân loại sản phẩm tự động dựa trên tín hiệu khối lượng.
- Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào thiết kế mô phỏng phân loại các dòng sản phẩm có khối lượng nhỏ (nằm trong giới hạn định mức của cảm biến cân), phân chia thành 3 mức khối lượng: nhẹ, trung bình và nặng; đồng thời xây dựng phương thức lưu trữ thông tin và giám sát hoạt động thông qua giao diện máy tính. Đề tài được thực hiện tại Khoa Điện - Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Kỹ thuật - Công nghệ Cần Thơ năm 2022.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đề tài vận dụng hệ thống cơ sở lý thuyết về điều khiển tự động hóa công nghiệp và kỹ thuật đo lường:
- Lý thuyết về bộ điều khiển logic khả trình (PLC): Tìm hiểu lịch sử phát triển từ ý tưởng của Richard Morley (năm 1968), cấu trúc phần cứng (CPU, các khối bus dữ liệu/địa chỉ/điều khiển/hệ thống, bộ nguồn, các kênh vào/ra số DI/DO, vào/ra tương tự AI/AO) và phương thức thực hiện chương trình theo chu trình vòng quét (Scan cycle). Khung ngôn ngữ lập trình tuân thủ tiêu chuẩn IEC 61131-3 (IL, ST, LD, FBD, SFC).
- Thiết bị PLC Siemens S7-1200: Khảo sát các dòng CPU 1211C, 1212C, 1214C, 1215C; cấu trúc phân vùng bộ nhớ (Load memory, Work memory, Retentive/System memory); cổng truyền thông tích hợp PROFINET; tập lệnh cơ bản trong Step 7 Basic gồm: xử lý bit (tiếp điểm thường hở, thường đóng, ngõ ra Out, Out Not, Set, Reset), hàm thời gian (Timer trễ không nhớ TON), hàm đếm (Counter đếm lên CTU), các phép toán số học (ADD, SUB), lệnh so sánh và lệnh truyền dữ liệu (Move).
- Tổng quan các công nghệ phân loại công nghiệp: Đánh giá các phương thức phân loại sản phẩm hiện hành gồm phân loại theo màu sắc (ứng dụng công nghệ quang - cơ điện tử trong hệ thống phân loại gạo của Viện IMI, sử dụng camera CCD quét dòng, nguồn sáng huỳnh quang tần số cao 100 kHz, van khí nén phản hồi dưới 0,7 ms, chu trình xử lý dưới 0,13 ms), phân loại theo chiều cao (cảm biến tiệm cận/quang kết hợp xi lanh khí nén), và phân loại theo hình dạng (xử lý ảnh qua camera kết hợp động cơ bước).
- Hệ thống cân định lượng công nghiệp: Cấu tạo và nguyên lý của cân băng tải định lượng sử dụng cảm biến lực (loadcell) và cảm biến tốc độ (encoder) truyền tín hiệu về đầu cân hiển thị và bộ điều khiển để tính toán lưu lượng tức thời và khối lượng tích lũy.
Phương pháp nghiên cứu được triển khai:
- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết kỹ thuật điều khiển tự động.
- Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Lập bảng phân bổ địa chỉ vào/ra (I/O Mapping), xây dựng thuật toán điều khiển cho hai chế độ vận hành (bằng tay và tự động).
- Phương pháp mô phỏng phần mềm: Lập trình điều khiển bằng ngôn ngữ Ladder (LAD) trên phần mềm TIA Portal v16 và thiết kế giao diện SCADA trên WinCC Runtime.
Thiết kế và triển khai hệ thống
Kiến trúc phần cứng và cấu hình vào/ra (I/O)
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, liên kết với module cân loadcell qua ngõ vào analog, các cảm biến phát hiện vị trí dạng số và các cơ cấu chấp hành (động cơ băng tải, xi lanh khí nén).
Bảng phân bổ địa chỉ đầu vào và đầu ra của PLC S7-1200 được xác định như sau:
| STT |
Ký hiệu (Tag Name) |
Địa chỉ |
Kiểu dữ liệu |
Chức năng giải thích |
| Đầu vào (Inputs) |
|
|
|
|
| 1 |
I_Mode |
I0.0 |
Bool |
Chuyển đổi chế độ (1: Tự động, 0: Bằng tay) |
| 2 |
I_CB_Can |
I0.1 |
Bool |
Cảm biến vị trí đặt cân |
| 3 |
I_CB_Nhe |
I0.2 |
Bool |
Cảm biến vị trí xi lanh đẩy sản phẩm nhẹ |
| 4 |
I_CB_Trung_Binh |
I0.3 |
Bool |
Cảm biến vị trí xi lanh đẩy sản phẩm trung bình |
| 5 |
I_CB_Nang |
I0.4 |
Bool |
Cảm biến phát hiện sản phẩm nặng |
| 6 |
I_BT |
I0.5 |
Bool |
Nút nhấn Chạy/Dừng động cơ băng tải (Manual) |
| 7 |
I_Xylanh_Nhe |
I0.6 |
Bool |
Nút điều khiển đóng/mở xi lanh nhẹ (Manual) |
| 8 |
I_Xylanh_TB |
I0.7 |
Bool |
Nút điều khiển đóng/mở xi lanh trung bình (Manual) |
| 9 |
IW_Loadcell |
IW64 |
Word |
Tín hiệu analog từ cảm biến cân trọng lượng |
| Đầu ra (Outputs) |
|
|
|
|
| 1 |
Q_lamp_Auto |
Q0.0 |
Bool |
Đèn chỉ thị hệ thống ở chế độ Tự động |
| 2 |
Q_lamp_Manu |
Q0.1 |
Bool |
Đèn chỉ thị hệ thống ở chế độ Bằng tay |
| 3 |
Q_BT |
Q0.2 |
Bool |
Điều khiển động cơ băng tải phân loại |
| 4 |
Q_Xylanh_Nhe |
Q0.3 |
Bool |
Điều khiển cuộn van điện từ xi lanh đẩy hàng nhẹ |
| 5 |
Q_Xylanh_TB |
Q0.4 |
Bool |
Điều khiển cuộn van điện từ xi lanh đẩy hàng trung bình |
Thuật toán điều khiển và chương trình PLC
Hệ thống vận hành theo 2 chế độ độc lập:
- Chế độ bằng tay (Manual Mode): Khi
I_Mode = 0, người vận hành có thể chủ động kích hoạt động cơ băng tải thông qua nút bấm I_BT hoặc trực tiếp xuất tín hiệu điều khiển đóng/mở từng xi lanh đẩy hàng nhẹ (I_Xylanh_Nhe) và xi lanh đẩy hàng trung bình (I_Xylanh_TB) để kiểm tra cơ cấu chấp hành.
- Chế độ tự động (Auto Mode): Khi
I_Mode = 1, hệ thống vận hành theo quy trình logic khép kín:
- Người vận hành nhập 2 giá trị ngưỡng trọng lượng: Trọng lượng cài đặt sản phẩm nhẹ ($W_{cài_nhẹ}$) và Trọng lượng cài đặt sản phẩm trung bình ($W_{cài_TB}$).
- Sản phẩm di chuyển đến vị trí cân, cảm biến
I_CB_Can (I0.1) kích hoạt quá trình đọc tín hiệu tương tự từ IW_Loadcell (IW64) để xác định khối lượng thực tế ($W$).
- Nhánh 1 (Sản phẩm nhẹ): Nếu $W < W_{cài_nhẹ}$, khi sản phẩm đến vị trí cảm biến
I_CB_Nhe (I0.2), ngõ ra Q_Xylanh_Nhe (Q0.3) kích hoạt để xi lanh đẩy sản phẩm vào thùng chứa hàng nhẹ, đồng thời tăng biến đếm sản phẩm nhẹ lên 1 đơn vị. Sau khoảng thời gian trễ 3 giây (được thiết lập bởi khối Timer TON), xi lanh tự động thu hồi.
- Nhánh 2 (Sản phẩm trung bình): Nếu $W_{cài_nhẹ} \le W \le W_{cài_TB}$, khi sản phẩm đến vị trí cảm biến
I_CB_Trung_Binh (I0.3), ngõ ra Q_Xylanh_TB (Q0.4) kích hoạt để xi lanh đẩy sản phẩm vào thùng chứa hàng trung bình, tăng biến đếm sản phẩm trung bình lên 1 đơn vị và tự động thu hồi xi lanh sau 3 giây.
- Nhánh 3 (Sản phẩm nặng): Nếu $W > W_{cài_TB}$, sản phẩm tiếp tục đi thẳng về cuối băng tải, đi qua cảm biến
I_CB_Nang (I0.4) để rơi vào thùng chứa hàng nặng và tăng biến đếm sản phẩm nặng thêm 1 đơn vị mà không cần xi lanh tác động.
Cấu trúc chương trình PLC được tổ chức thành khối chương trình chính OB1 (quản lý điều kiện chuyển chế độ và gọi hàm) và các khối hàm chức năng con FC (chẳng hạn FC2 chuyên trách thuật toán chế độ tự động).
[Bắt đầu chế độ Auto]
[Cài đặt ngưỡng W_nhẹ & W_TB]
[W < W_nhẹ] [W_nhẹ ≤ W ≤ W_TB] [W > W_TB]
[CB I0.2 kích hoạt] [CB I0.3 kích hoạt] [CB I0.4 kích hoạt]
[Bật Q0.3 (Xi lanh nhẹ)] [Bật Q0.4 (Xi lanh TB)] [Sản phẩm về cuối băng]
[Tăng bộ đếm nhẹ] [Tăng bộ đếm TB] [Tăng bộ đếm nặng]
[Lặp lại đến khi dừng]
Thiết kế giao diện giám sát SCADA
Giao diện giám sát được xây dựng trên nền tảng WinCC tích hợp trong TIA Portal v16, bao gồm:
- Các nút nhấn ảo điều khiển Chạy/Dừng (Start/Stop), chuyển đổi chế độ Auto/Manual.
- Các trường nhập liệu (I/O Fields) cho phép người vận hành thay đổi ngưỡng trọng lượng phân loại.
- Khối hiển thị số lượng sản phẩm đã phân loại thời gian thực cho từng loại (nhẹ, trung bình, nặng).
- Đèn báo trạng thái hoạt động của băng tải và các xi lanh khí nén.
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Tổng quan phân loại sản phẩm theo khối lượng
Chương I trình bày tính cấp thiết của việc áp dụng tự động hóa vào dây chuyền sản xuất nhằm tiết kiệm năng lượng, cắt giảm nhân công và nâng cao độ chính xác trong công tác quản lý. Tác giả phân tích các hệ thống phân loại công nghiệp phổ biến:
- Hệ thống phân loại hạt theo màu sắc (phân tích chi tiết mô hình máy tách màu hạt gạo của Viện IMI với các thông số kỹ thuật quang điện và thời gian phản hồi ở mức mili giây).
- Hệ thống phân loại theo chiều cao (sử dụng 2 băng chuyền, 2 động cơ DC, 3 cảm biến chiều cao, 2 xi lanh piston và bộ PLC).
- Hệ thống phân loại theo hình dạng (sử dụng camera công nghiệp nhận dạng kết hợp động cơ bước gạt sản phẩm).
- Khái quát về hệ thống cân định lượng và cân băng tải liên tục (cấu tạo gồm khung giá đỡ cơ khí, phễu cấp liệu, con lăn, loadcell, encoder đo tốc độ, đầu cân hiển thị và tủ điện điều khiển). Từ đó, tác giả chỉ ra các hạn chế về chi phí đầu tư cao của các hệ thống ngoại nhập đối với doanh nghiệp vừa và nhỏ, làm cơ sở đề xuất mô hình phân loại theo khối lượng dùng PLC S7-1200.
Chương II: Cơ sở lý thuyết
Chương này cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết phục vụ việc thiết kế hệ thống:
- Lịch sử hình thành PLC từ năm 1968, bảng thống kê các dòng PLC thông dụng trên thị trường (Siemens S7-200/300/400/1200; Omron CPM, CQM1, CP1, CJ1; Mitsubishi FX, Q, L; Delta DVP).
- Cấu trúc phần cứng PLC, sơ đồ khối chức năng, các chuẩn tín hiệu tương tự công nghiệp (4-20mA, 0-5V, 0-10V) và các dạng ngõ ra số (Transistor, Triac, Relay).
- Thông số kỹ thuật chi tiết của các dòng CPU Siemens S7-1200 (CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C) về bộ nhớ (Work/Load/Retentive memory), bộ đệm I/O, số lượng board tín hiệu mở rộng, bộ đếm tốc độ cao (HSC) và thời gian thực thi lệnh (0.2 µs đối với lệnh Boolean, 2.3 µs đối với phép toán số thực).
- Chi tiết tập lệnh lập trình: tiếp điểm logic bit, bộ định thời TON, bộ đếm CTU, các phép tính toán học ADD/SUB/so sánh, lệnh Move; cùng sơ đồ đấu dây nguyên lý cho CPU 1214C các phiên bản AC/DC/Relay, DC/DC/Relay và DC/DC/DC.
- Giới thiệu phần mềm lập trình TIA Portal v16 và trình tự 6 bước khởi tạo một dự án (project).
Chương III: Thiết kế mô phỏng phân loại sản phẩm theo khối lượng
Nội dung chương III tập trung vào quá trình hiện thực hóa mô hình mô phỏng:
- Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể, lưu đồ chế độ bằng tay và lưu đồ chi tiết chế độ tự động.
- Lập bảng danh mục địa chỉ đầu vào (Bảng 3.1 gồm 8 ngõ vào số và 1 ngõ vào analog
IW64) và đầu ra (Bảng 3.2 gồm 5 ngõ ra số).
- Thiết lập chương trình điều khiển dạng Ladder trên TIA Portal với khối tổ chức
OB1 và khối hàm chức năng FC2.
- Cấu hình phần cứng kết nối giữa PLC S7-1200 và trạm giám sát SCADA.
- Thiết kế giao diện vận hành WinCC Runtime và thực hiện nạp chương trình xuống PLC để kiểm tra tính đúng đắn của chu trình phân loại.
Chương IV: Kết luận và kiến nghị
Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được sau quá trình nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng hệ thống; đồng thời đưa ra các đề xuất cải tiến kỹ thuật nhằm phát triển mô hình lên quy mô thực nghiệm phần cứng trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính
- Hoàn thành thiết kế thuật toán điều khiển logic cho hệ thống phân loại 3 mức khối lượng sản phẩm (nhẹ, trung bình, nặng) với đầy đủ 2 chế độ vận hành độc lập (Auto và Manual).
- Xác lập bảng phân bổ địa chỉ I/O chuẩn xác cho PLC S7-1200 CPU 1214C với 9 đầu vào (8 DI, 1 AI dạng Word) và 5 đầu ra số (DO).
- Lập trình hoàn chỉnh các khối chương trình
OB1 và FC2 trên môi trường TIA Portal v16, xử lý chính xác tín hiệu analog từ cảm biến cân và điều khiển trễ thu hồi xi lanh sau 3 giây bằng hàm thời gian TON.
- Xây dựng giao diện SCADA trên WinCC Runtime cho phép cài đặt thông số trực tiếp, hiển thị trạng thái thiết bị và cập nhật số lượng sản phẩm theo từng nhóm phân loại trong thời gian thực.
- Kiểm thử mô phỏng thành công quá trình phân loại, đảm bảo các cơ cấu chấp hành hoạt động đồng bộ theo đúng ngưỡng khối lượng được thiết lập.
Giải pháp và đóng góp của đề tài
- Đưa ra giải pháp tự động hóa quy trình phân loại bằng cách kết hợp bộ điều khiển PLC S7-1200 với cảm biến cân trọng lượng, giúp loại bỏ các thao tác cân thủ công tốn nhiều nhân lực.
- Cấu trúc hệ thống có tính linh hoạt cao: thông số ngưỡng khối lượng có thể tùy biến trực tiếp trên giao diện giám sát theo yêu cầu sản xuất mà không cần can thiệp viết lại mã nguồn PLC.
- Đề xuất một mô hình thiết kế đơn giản, chi phí hợp lý, có tiềm năng ứng dụng vào các dây chuyền phân loại quy mô vừa và nhỏ trong nước.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
- Đề tài dừng lại ở phạm vi nghiên cứu thiết kế và mô phỏng trên phần mềm TIA Portal v16 và WinCC, chưa triển khai chế tạo mô hình phần cứng thực tế với băng chuyền, động cơ và khung cơ khí hoàn chỉnh.
- Đối tượng phân loại chỉ giới hạn ở các sản phẩm có khối lượng nhỏ và chia thành 3 mức định mức cố định (nhẹ, trung bình, nặng).
- Tín hiệu cảm biến trọng lượng mới được mô phỏng dưới dạng từ nhớ analog (IW64), chưa thực hiện các khâu xử lý nhiễu động học hay hiệu chuẩn tải trọng thực tế từ đầu đọc loadcell chuyên dụng.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Chế tạo và lắp ráp mô hình phần cứng hoàn chỉnh bao gồm khung băng tải, động cơ kéo, hệ thống xi lanh khí nén thực tế và đầu cân loadcell công nghiệp.
- Nghiên cứu mở rộng dải phân loại với nhiều cấp khối lượng hơn (trên 3 mức) hoặc tích hợp thêm các phương thức nhận dạng hỗn hợp (kết hợp khối lượng với kích thước hoặc màu sắc sản phẩm).
- Tích hợp các chuẩn truyền thông công nghiệp diện rộng để liên kết dữ liệu SCADA lên hệ thống quản lý sản xuất cấp cao hơn (MES/ERP).
Giá trị tham khảo
Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:
- Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử: Cung cấp phương pháp tiếp cận có hệ thống từ khâu khảo sát công nghệ, lựa chọn phần cứng, lập bảng địa chỉ I/O đến lập trình Ladder trên TIA Portal và thiết kế giao diện SCADA.
- Người nghiên cứu và phát triển các hệ thống cân định lượng / phân loại tự động: Tham khảo cấu trúc thuật toán phân nhánh theo ngưỡng khối lượng, phương pháp xử lý dữ liệu tương tự (Analog Word), và kỹ thuật lập trình phân tách khối hàm (
OB1, FC) trong môi trường Siemens S7-1200.
Câu hỏi thường gặp
1. Đề tài sử dụng bộ điều khiển trung tâm và phần mềm lập trình nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-1200 (khảo sát cấu hình CPU 1214C) và phần mềm lập trình tích hợp TIA Portal v16 (bao gồm Step 7 Basic để lập trình PLC và WinCC để thiết kế giao diện SCADA).
2. Tiêu chí phân loại khối lượng và nguyên lý điều khiển của từng nhánh sản phẩm như thế nào?
Hệ thống phân loại sản phẩm thành 3 nhóm dựa trên 2 ngưỡng cài đặt ($W_{cài_nhẹ}$ và $W_{cài_TB}$):
- Sản phẩm nhẹ ($W < W_{cài_nhẹ}$): Xi lanh nhẹ kích hoạt đẩy sản phẩm vào thùng chứa tương ứng khi cảm biến vị trí nhận diện.
- Sản phẩm trung bình ($W_{cài_nhẹ} \le W \le W_{cài_TB}$): Xi lanh trung bình kích hoạt đẩy sản phẩm vào thùng chứa trung bình.
- Sản phẩm nặng ($W > W_{cài_TB}$): Sản phẩm đi thẳng về cuối băng tải vào thùng chứa hàng nặng mà không cần xi lanh tác động.
3. Cơ cấu đẩy sản phẩm sử dụng thời gian trễ bao lâu để thu hồi xi lanh và dùng lệnh gì trong PLC?
Xi lanh đẩy sản phẩm (cả nhánh nhẹ và trung bình) được duy trì trạng thái tác động trong 3 giây trước khi tự động thu hồi. Chu trình định thời này được thực hiện bằng lệnh Timer trễ không nhớ TON (Timer On Delay).
4. Địa chỉ ngõ vào/ra của cảm biến cân và động cơ băng tải được gán như thế nào?
Tín hiệu cảm biến cân trọng lượng (loadcell) được kết nối với ngõ vào analog có địa chỉ IW64 (kiểu Word). Động cơ băng tải phân loại được điều khiển thông qua ngõ ra số có địa chỉ Q0.2 (kiểu Bool, ký hiệu Q_BT).
5. Hệ thống hỗ trợ những chế độ vận hành nào?
Hệ thống hỗ trợ 2 chế độ vận hành được lựa chọn thông qua công tắc chế độ I_Mode (địa chỉ I0.0): Chế độ tự động (Auto - I0.0 = 1) và Chế độ bằng tay (Manual - I0.0 = 0), có đèn chỉ thị trạng thái tương ứng tại Q0.0 và Q0.1.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng hệ thống phân loại sản phẩm theo 3 mức khối lượng sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 và giao diện giám sát SCADA trên TIA Portal v16. Thông qua việc phân bổ địa chỉ I/O chặt chẽ, xây dựng thuật toán điều khiển rõ ràng cho cả hai chế độ tự động và bằng tay, đề tài đã chứng minh tính khả thi trong việc tự động hóa khâu phân loại định lượng. Kết quả nghiên cứu cung cấp một giải pháp kỹ thuật có cấu trúc mạch lạc, phù hợp làm tài liệu tham khảo cho việc học tập và định hướng phát triển thành mô hình phần cứng thực tế trong sản xuất công nghiệp.
