Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Tự Động Hóa

Khám phá Chương 3 lập trình điều khiển hệ thống, tìm hiểu các khái niệm và kỹ thuật quan trọng trong lập trình điều khiển hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Hồng Sơn
• Người hướng dẫn: TS. Trương Công Tuấn
• 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 hiện đại giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất. Nó thay thế con người trong việc phân loại sản phẩm dựa trên các đặc tính như chiều cao, màu sắc và khối lượng. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa không chỉ nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu sai sót trong quá trình phân loại. Hệ thống này sử dụng các cảm biến và bộ điều khiển để thực hiện các tác vụ một cách chính xác và hiệu quả.

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 trong việc phân loại sản phẩm. Nó sử dụng các cảm biến và thiết bị tự động để phân chia sản phẩm theo các đặc tính đã được quy định.

1.2. Ứng Dụng Của Hệ Thống Phân Loại

Hệ thống này được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như thực phẩm, dược phẩm và sản xuất hàng tiêu dùng. Nó giúp tăng cường hiệu quả sản xuất và giảm thiểu 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, khả năng xử lý dữ liệu và chi phí đầu tư ban đầu là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Đặc biệt, việc lựa chọn công nghệ phù hợp để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống là rất quan trọng.

2.1. Độ Chính Xác Của Cảm Biến

Độ chính xác của cảm biến là yếu tố quyết định trong việc phân loại sản phẩm. Cảm biến cần phải có độ nhạy cao và khả năng hoạt động ổn định trong môi trường sản xuất.

2.2. Chi Phí Đầu Tư Ban Đầu

Chi phí đầu tư cho hệ thống tự động hóa có thể cao, nhưng lợi ích lâu dài từ việc tăng năng suất và giảm chi phí lao động sẽ bù đắp cho khoản đầu tư này.

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. Các phương pháp phổ biến bao gồm phân loại theo kích thước, khối lượng và màu sắc.

3.1. Phân Loại Theo Kích Thước

Phương pháp này sử dụng cảm biến quang để phát hiện kích thước sản phẩm. Nó thường được áp dụng trong các nhà máy đóng chai và có chi phí lắp đặt thấp.

3.2. Phân Loại Theo Khối Lượng

Sử dụng cảm biến trọng lượng để phân biệt sản phẩm nặng và nhẹ. Phương pháp này thường thấy trong các nhà máy sản xuất xi măng và phân bón.

3.3. Phân Loại Theo Màu Sắc

Cảm biến màu được sử dụng để phân loại sản phẩm theo màu sắc. Phương pháp này rất phổ biến trong ngành công nghiệp thực phẩm và dệt may.

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, hệ thống này giúp cải thiện quy trình làm việc và tăng cường hiệu quả sản xuất. Các ứng dụng thực tiễn cho thấy rõ ràng lợi ích của việc tự động hóa trong sản xuất.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Thực Phẩm

Trong ngành thực phẩm, hệ thống phân loại giúp kiểm soát chất lượng sản phẩm và đảm bảo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Logistics

Hệ thống phân loại tự động giúp tối ưu hóa quy trình vận chuyển hàng hóa, giảm thiểu thời gian và chi phí.

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. Nó không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu sai sót trong quy trình sản xuất. Tương lai của hệ thống này hứa hẹn sẽ còn phát triển mạnh mẽ hơn với sự hỗ trợ của công nghệ AI và IoT.

5.1. Tương Lai Của Hệ Thống Phân Loại

Với sự phát triển của công nghệ, hệ thống phân loại sẽ ngày càng thông minh hơn, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

5.2. Lợi Ích Dài Hạn Của Tự Động Hóa

Tự động hóa không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm và sự hài lòng của khách hàng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong giai đoạn hai năm ảnh hưởng bởi đại dịch Covid-19, việc thực hiện cách ly xã hội đã dẫn tới tình trạng thiếu hụt nguồn nhân công nghiêm trọng tại các nhà máy và xí nghiệp, gây tác động trực tiếp đến hoạt động sản xuất công nghiệp. Trước thực trạng đó, các doanh nghiệp đã đẩy mạnh việc số hóa và tự động hóa các công đoạn sản xuất nhằm giảm bớt sự phụ thuộc vào lực lượng lao động thủ công, đồng thời cải thiện năng suất, sản lượng và chất lượng sản phẩm. Tại Việt Nam, tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đang thúc đẩy việc hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt dựa trên máy CNC và robot phục vụ sản xuất quy mô vừa và nhỏ. Trong dây chuyền sản xuất, khâu phân loại sản phẩm giữ vai trò trực tiếp quyết định chất lượng hàng hóa thành phẩm trước khi xuất xưởng.

Đồ án "Thiết kế hệ thống cơ điện tử – thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm" do sinh viên Nguyễn Hồng Sơn thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trương Công Tuấn, tập trung giải quyết bài toán tự động hóa quá trình phân loại phôi hình trụ theo chiều cao.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

1. Khảo sát tổng quan các phương pháp phân loại sản phẩm tự động đang được áp dụng trong công nghiệp.
2. Tính toán, lựa chọn các thiết bị phần cứng cho hệ thống, bao gồm động cơ băng tải, cơ cấu chấp hành khí nén, cảm biến, thiết bị đóng cắt và bộ điều khiển lập trình logic.
3. Thiết kế sơ đồ mạch điện điều khiển và sơ đồ hệ thống cung cấp khí nén.
4. Xây dựng bài toán điều khiển, lưu đồ thuật toán, giản đồ Grafcet và viết chương trình điều khiển PLC bằng ngôn ngữ Ladder (LAD).
5. Thiết kế giao diện giám sát, vận hành người dùng HMI và triển khai mô phỏng hệ thống trên phần mềm Factory I/O liên kết với TIA Portal.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ điện tử phân loại phôi hình trụ theo chiều cao (phân chia thành 3 mức: cao, trung bình, thấp).
• Phạm vi không gian và kỹ thuật: Mô hình điều khiển tự động hóa cấp phòng thí nghiệm/mô phỏng kỹ thuật; sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 và phần mềm mô phỏng Factory I/O.
• Chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra: Năng suất làm việc đạt 20 sản phẩm/phút; phân loại kích thước chiều cao từ 3 cm đến 15 cm; khối lượng sản phẩm từ 0,2 kg đến 5 kg; tích hợp nút nhấn dừng khẩn cấp STOP; đảm bảo độ ổn định và an toàn mạch điều khiển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý kỹ thuật điều khiển và tự động hóa công nghiệp:

• Lý thuyết điều khiển khả trình PLC: Cấu trúc phần cứng, nguyên lý quét vòng I/O và phương pháp lập trình logic cho PLC.
• Lý thuyết truyền động điện và khí nén: Đặc tính động cơ điện một chiều (DC), cấu tạo và nguyên lý hoạt động của xy lanh khí nén tác động kép, van đảo chiều điện từ 5 cửa 2 vị trí (5/2).
• Lý thuyết cảm biến công nghiệp: Nguyên lý thu phát quang học hồng ngoại và cảm ứng từ tiệm cận.
• Phương pháp mô hình hóa logic tuần tự Grafcet: Chuẩn hóa quy trình công nghệ dưới dạng lưu đồ các trạng thái làm việc và điều kiện chuyển tiếp.

Phương pháp nghiên cứu thực tế đã sử dụng:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, hệ thống hóa thông tin về các công nghệ phân loại hiện đại (kích thước, khối lượng, màu sắc, nhận diện hình ảnh qua camera, quét mã vạch barcode/QR code).
• Phương pháp so sánh và đánh giá kỹ thuật: So sánh đặc tính làm việc giữa vi điều khiển, Arduino và PLC; so sánh các ngôn ngữ lập trình PLC (LAD, FBD, SCL) để lựa chọn giải pháp tối ưu.
• Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Tính toán lựa chọn công suất động cơ băng tải, áp suất và hành trình xy lanh khí nén, công suất bộ nguồn dựa trên chỉ tiêu năng suất 20 sản phẩm/phút.
• Phương pháp mô phỏng và kiểm chứng: Lập trình điều khiển trên TIA Portal V15 và mô phỏng 3D trên nền tảng Factory I/O thông qua khối hàm truyền thông chuyên dụng để kiểm tra logic vận hành.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu gồm thông số kỹ thuật (datasheet) từ các nhà sản xuất Siemens, Omron, Airtac và các giáo trình chuyên ngành cơ điện tử.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống điều khiển phân loại sản phẩm được tổ chức theo cấu trúc 3 khối chức năng:

• Khối đầu vào: Tiếp nhận tín hiệu từ các nút nhấn vật lý/giao diện HMI (START, STOP, RESET, EMERGENCY), 3 cảm biến quang phát hiện phôi và nhận diện chiều cao, cùng 6 cảm biến từ giám sát hành trình piston của 3 xy lanh.
• Khối xử lý trung tâm: Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC xử lý thuật toán logic tuần tự theo chương trình được nạp.
• Khối đầu ra: Xuất tín hiệu điều khiển động cơ băng tải thông qua relay trung gian, kích hoạt cuộn solenoid của van khí nén để điều khiển các xy lanh cấp phôi và gạt phôi, cùng hệ thống đèn báo trạng thái.
• Giao diện vận hành: Màn hình HMI kết nối truyền thông Ethernet qua tiêu chuẩn PROFINET.

Tên thiết bị	Mã hiệu / Model	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển PLC	Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC	RAM 100 kB, Load 4 MB; 14 DI / 10 DO; 1 cổng PROFINET; xử lý lệnh Boolean 0,1 µs	Điều khiển trung tâm toàn bộ hệ thống
Động cơ băng tải	K8DG25N2 + hộp giảm tốc 4GN50KF	24VDC, 1,9A, 25W; tốc độ động cơ 2900 rpm; tỉ số truyền 50; tốc độ trục ra 58 rpm; mô-men 3000 Nmm	Dẫn động băng tải vận chuyển phôi
Xy lanh cấp phôi	Airtac MAL 20×200	Tác động kép; đường kính piston 20 mm; hành trình 200 mm; áp suất 1,5 - 10 bar	Đẩy phôi từ hộp cấp phôi vào băng tải
Xy lanh phân loại (2 bộ)	Airtac MAL 20×300	Tác động kép; đường kính piston 20 mm; hành trình 300 mm; áp suất 1,5 - 10 bar	Đẩy phôi cao và trung bình vào khay
Van đảo chiều khí nén (3 bộ)	Airtac 7V0210-08	Van 5/2, điều khiển điện từ đơn, lò xo hồi vị, cổng PT 1/4", điện áp DC 24V	Đóng mở và đảo chiều dòng khí nén cho xy lanh
Cảm biến nhận diện chiều cao	Omron E3F-DS30B4	Cảm biến quang PNP, khoảng cách 5 - 30 cm, nguồn 6 - 36 VDC, ngõ ra 300 mA, thời gian đáp ứng 1,5 ms	Phát hiện phôi và xác định chiều cao phôi
Cảm biến vị trí xy lanh (6 bộ)	Airtac CS1-M-020-S-20	Cảm biến từ tiệm cận gắn trên thân xy lanh	Xác định vị trí đầu và cuối hành trình piston
Rơ le trung gian	Omron LY2N	24VDC, dòng tải cực đại 10A, 8 chân (2 NO - 2 NC)	Cách ly mạch điều khiển PLC và mạch động lực
Bộ nguồn xung	S-240-24	Điện áp vào 100 - 240 VAC, điện áp ra 24 VDC, dòng ra 10A, công suất 240W	Cung cấp nguồn 24VDC cho toàn bộ hệ thống
Màn hình HMI	SIMATIC HMI KTP700 Basic PN	Màn hình cảm ứng 7 inch, hỗ trợ cổng giao tiếp PROFINET Ethernet	Giám sát trạng thái, chọn mode và đếm sản phẩm

Về thiết kế mạch điện và khí nén:

• Mạch điện hệ thống: Toàn bộ cảm biến và cuộn hút van điện từ sử dụng nguồn 24VDC; bố trí relay trung gian Omron LY2N nhằm cách ly và bảo vệ các ngõ ra số của PLC; hệ thống yêu cầu 14 ngõ vào số (DI) và 10 ngõ ra số (DO).
• Hệ thống khí nén: Nguồn khí cấp chung qua cụm lọc khí, đồng hồ đo áp suất và sấy khô; phân nhánh tới 3 van điện từ 5/2 Airtac 7V0210-08; sử dụng 6 van tiết lưu một chiều để hiệu chỉnh lưu lượng khí nạp/xả, điều chỉnh tốc độ tiến/lùi của 3 xy lanh khí nén.

Về triển khai mô phỏng:

• Chương trình điều khiển được biên dịch trên TIA Portal V15, kết nối song song với phần mềm Factory I/O qua khối hàm Function (FC) liên kết.
• Kiểm thử chế độ Manual: Cho phép người vận hành cưỡng bức chạy động cơ băng tải hoặc kích hoạt từng xy lanh độc lập qua các nút nhấn ảo trên HMI để bảo dưỡng và khắc phục sự cố.
• Kiểm thử chế độ Auto: Hệ thống vận hành tuần tự, tự động cấp phôi chu kỳ 3 giây, tự ngắt băng tải sau 20 giây nếu hết phôi, kích hoạt gạt phôi chính xác theo chiều cao với độ trễ phản hồi 0,5 giây.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan hệ thống phân loại sản phẩm

Chương này trình bày khái niệm hệ thống phân loại sản phẩm tự động và tổng hợp các giải pháp công nghệ phân loại hiện có. Tác giả phân tích đặc tính của 5 phương pháp phân loại:

• Phân loại theo kích thước (chiều cao, độ dài): Dùng cảm biến quang hoặc hồng ngoại, chi phí thấp, kết cấu đơn giản.
• Phân loại theo khối lượng: Dùng cảm biến trọng lượng, ứng dụng nhiều trong sản xuất xi măng, phân bón, đóng gói.
• Phân loại theo màu sắc: Dùng cảm biến quang nhận biết dải màu, ứng dụng trong công nghiệp vải lụa, lọc nông sản.
• Phân loại theo hình ảnh: Dùng camera chụp ảnh và so sánh với ảnh chuẩn, ứng dụng trong sản xuất gạch granit.
• Phân loại theo mã vạch: Dùng máy đọc barcode/mã QR kết hợp băng tải xương cá và thuật toán thông minh trong logistics và chế biến thực phẩm với tốc độ băng tải có thể đạt 150 m/phút.

Từ các phương pháp trên, tác giả lựa chọn phương án phân loại theo chiều cao cho đề tài; xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động 3 khối (khối đầu vào, khối xử lý trung tâm, khối đầu ra) và xác lập các chỉ tiêu kỹ thuật: năng suất 20 sản phẩm/phút, dải chiều cao 3 - 15 cm, khối lượng 0,2 - 5 kg, có nút dừng STOP.

Chương 2: Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

Chương 2 trình bày căn cứ tính toán, thông số kỹ thuật và lý do lựa chọn từng phần tử phần cứng:

• Động cơ băng tải: Chọn động cơ điện một chiều K8DG25N2 và hộp giảm tốc 4GN50KF (24VDC, 25W, 3000 Nmm) nhờ ưu điểm khởi động mô-men lớn, điều khiển tốc độ nhạy, thiết kế gọn nhẹ.
• Xy lanh và van khí nén: Chọn xy lanh tác động kép Airtac MAL 20×200 cho khâu cấp phôi và hai xy lanh Airtac MAL 20×300 cho khâu phân loại; sử dụng van đảo chiều điện từ 5/2 Airtac 7V0210-08 điện áp 24VDC.
• Cảm biến: Chọn cảm biến quang Omron E3F-DS30B4 (khoảng cách 5 - 30 cm, thời gian đáp ứng 1,5 ms) nhận diện phôi và chiều cao; chọn 6 cảm biến từ Airtac CS1-M-020-S-20 gắn trên xy lanh để thu thập tín hiệu hành trình piston.
• Bộ điều khiển: Lập bảng so sánh giữa vi điều khiển, Arduino và PLC theo 8 tiêu chí kỹ thuật; kết luận chọn PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (100 kB RAM, 14 DI/10 DO DC, 1 cổng PROFINET) do độ bền cao, hoạt động thời gian thực ổn định trong môi trường công nghiệp.
• Thiết bị phụ trợ: Relay Omron LY2N 24V-10A 8P, bộ nguồn xung S-240-24 (24VDC - 10A - 240W), các nút nhấn LA38 và đèn báo AD16/APT.
• Bản vẽ hệ thống: Thiết lập danh mục ký hiệu thiết bị và hoàn thiện sơ đồ nguyên lý mạch điện (trang 29-31) cùng sơ đồ hệ thống khí nén (trang 32-33).

Chương 3: Lập trình điều khiển hệ thống

Chương 3 tập trung xây dựng giải thuật và viết mã điều khiển PLC:

• Xây dựng sơ đồ thuật toán tổng quan, thuật toán chi tiết cho chế độ Manual và chế độ Auto.
• Chuẩn hóa bài toán tuần tự bằng phương pháp giản đồ Grafcet, xác lập các trạng thái hoạt động và điều kiện chuyển tiếp.
• Đánh giá 3 ngôn ngữ lập trình của S7-1200 (LAD, FBD, SCL) và lựa chọn ngôn ngữ LAD (Ladder Diagram) do tính trực quan, dạng sơ đồ bậc thang dễ tiếp cận.
• Lập bảng quy hoạch biến: Địa chỉ đầu vào (%I0.0 đến %I0.3...), đầu ra (%Q0.0 đến %Q0.6...), biến nhớ nội (%M0.0, %M0.1, %M1.0, %M1.1...), và các hàm logic sử dụng (Timer TON, Counter CTU, ADD, Set/Reset).
• Xây dựng chi tiết các khối chương trình con: Khối function liên kết Factory I/O; khối chọn chế độ MODE (%M1.1); khối điều khiển manual động cơ và 3 xy lanh; khối khởi động hệ thống START (%I0.0); khối dừng STOP (%I0.1); khối RESET (%I0.2); khối cấp phôi tự động (chu kỳ 3 giây, tự ngắt băng tải sau 20 giây nếu hết phôi); khối phân loại phôi cao và trung bình (trễ 0,5 giây đóng mở xy lanh); các khối đếm phôi và tính tổng số phôi phân loại (%QD30...).

Chương 4: Thiết kế giao diện giao tiếp và mô phỏng

Chương 4 hoàn thiện lớp giao tiếp người - máy và kiểm chứng hệ thống:

• Phân tích vai trò của HMI trong tự động hóa công nghiệp và lựa chọn màn hình SIMATIC HMI KTP700 Basic PN giao tiếp PROFINET Ethernet.
• Thiết kế màn hình làm việc HMI: Tích hợp công tắc chuyển mode (Auto/Manual), nút nhấn ảo điều khiển động cơ và đóng/mở các xy lanh, vùng hiển thị giá trị đếm thời gian thực cho từng loại phôi (cao, trung bình, thấp, tổng số) và các đèn cảnh báo trạng thái khay chứa phôi đầy.
• Thiết lập kịch bản kết nối giữa TIA Portal V15 và phần mềm mô phỏng không gian ảo 3D Factory I/O để kiểm tra sự ăn khớp giữa tín hiệu điều khiển logic và mô hình chuyển động cơ học.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

• Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cơ điện tử phân loại phôi hình trụ theo 3 cấp chiều cao, đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật: năng suất làm việc 20 sản phẩm/phút, kích thước phôi chiều cao 3 - 15 cm, khối lượng 0,2 - 5 kg.
• Xây dựng hoàn chỉnh hồ sơ phần cứng bao gồm bảng thông số thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn, sơ đồ nguyên lý mạch điện (14 DI / 10 DO) và sơ đồ nguyên lý hệ thống khí nén (3 xy lanh, 3 van 5/2, bộ lọc điều áp).
• Lập trình thành công chương trình điều khiển PLC bằng ngôn ngữ LAD trên TIA Portal V15 với đầy đủ 2 chế độ Manual và Auto; tích hợp các thông số thời gian vận hành chính xác: chu kỳ cấp phôi 3 giây, tự ngắt sau 20 giây khi hết phôi, thời gian trễ đóng/mở xy lanh phân loại 0,5 giây.
• Thiết kế giao diện HMI KTP700 Basic PN trực quan và thực hiện mô phỏng đồng bộ thời gian thực thành công trên phần mềm Factory I/O.

Đóng góp của đề tài:

• Hệ thống hóa quy trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một hệ thống phân loại phôi tự động, kết nối từ khâu tính toán chọn linh kiện phần cứng, thiết kế mạch điện - khí nén đến lập trình điều khiển logic tuần tự theo Grafcet.
• Cung cấp phương pháp tích hợp mô phỏng giữa TIA Portal V15 và Factory I/O, tạo tiền đề cho việc thử nghiệm, hiệu chỉnh giải thuật điều khiển trước khi triển khai chế tạo phần cứng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Đề tài dừng lại ở giai đoạn thiết kế tính toán kỹ thuật và kiểm chứng trên phần mềm mô phỏng (TIA Portal kết hợp Factory I/O), chưa tiến hành gia công chế tạo mô hình vật lý thực tế để đánh giá sai số cơ khí, độ rung lắc của băng tải và độ hao mòn thiết bị.
• Hệ thống mới chỉ thực hiện phân loại theo một tiêu chí duy nhất là chiều cao phôi hình trụ.

Hướng phát triển tiếp theo:

• Gia công chế tạo mô hình phần cứng thực nghiệm để kiểm chứng độ bền cơ học và độ tin cậy của các cảm biến trong môi trường làm việc liên tục.
• Nâng cấp hệ thống bằng cách tích hợp thêm các phương pháp phân loại khác đã khảo sát ở Chương 1, như bổ sung cảm biến tải trọng (loadcell) để phân loại theo khối lượng hoặc lắp đặt camera công nghiệp để phân loại theo màu sắc và mã vạch.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ khí hoặc Điện công nghiệp.

Các nội dung có giá trị tham khảo cụ thể bao gồm:

• Bảng phân tích so sánh và phương pháp lựa chọn giữa vi điều khiển, Arduino và PLC trong ứng dụng công nghiệp.
• Sơ đồ mạch điện điều khiển và sơ đồ hệ thống khí nén sử dụng van đảo chiều 5/2 và xy lanh tác động kép.
• Phương pháp chuyển đổi từ yêu cầu công nghệ sang giản đồ Grafcet và lập trình điều khiển PLC S7-1200 bằng ngôn ngữ LAD.
• Cấu hình khối Function liên kết truyền thông và mô phỏng 3D giữa TIA Portal V15 và Factory I/O.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng những loại cảm biến nào để thực hiện việc nhận diện và điều khiển?
Hệ thống sử dụng hai loại cảm biến công nghiệp: Cảm biến quang Omron E3F-DS30B4 (loại PNP, khoảng cách phát hiện 5 - 30 cm, thời gian đáp ứng 1,5 ms) được bố trí trên băng tải để nhận diện phôi và đo chiều cao; và 6 cảm biến từ tiệm cận Airtac CS1-M-020-S-20 gắn trực tiếp trên thân 3 xy lanh khí nén để giám sát vị trí đầu và cuối hành trình của piston.

2. Bộ điều khiển trung tâm được lựa chọn có đặc điểm phần cứng và cổng giao tiếp như thế nào?
Tác giả lựa chọn PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, có bộ nhớ làm việc 100 kB, bộ nhớ nạp 4 MB, tích hợp sẵn 14 ngõ vào số (DI) và 10 ngõ ra số (DO) chuẩn DC, 2 ngõ ra tương tự và 1 cổng PROFINET Ethernet hỗ trợ truyền thông TCP/IP để kết nối với màn hình HMI và máy tính lập trình.

3. Ở chế độ tự động (Auto), hệ thống xử lý như thế nào khi khay cấp phôi bị hết sản phẩm?
Tại vị trí cấp phôi có cảm biến CB1 (%I0.3) theo dõi sự hiện diện của phôi. Khi hệ thống đang chạy mà cảm biến CB1 không nhận thấy phôi, một bộ định thời (Timer) sẽ đếm thời gian; nếu sau 20 giây liên tục vẫn không có phôi ở vị trí cấp, chương trình sẽ tự động ngắt ngõ ra %Q0.6 để dừng động cơ băng tải M1.

4. Vì sao tác giả lựa chọn ngôn ngữ LAD thay vì FBD hoặc SCL để lập trình trên TIA Portal?
Trong 3 ngôn ngữ chính của S7-1200, tác giả chọn LAD (Ladder Diagram) vì đây là ngôn ngữ đồ họa dạng sơ đồ mạch điện bậc thang trực quan, dễ hiểu, dễ gỡ lỗi và hoàn toàn đáp ứng tốt các yêu cầu điều khiển logic tuần tự của hệ thống mà không đòi hỏi xử lý các thuật toán toán học phức tạp như SCL.

5. Thông số kỹ thuật của động cơ băng tải và hộp giảm tốc trong hệ thống là bao nhiêu?
Băng tải được dẫn động bằng động cơ DC model K8DG25N2 kết hợp hộp giảm tốc 4GN50KF, có điện áp hoạt động 24VDC, dòng điện 1,9A, công suất định mức 25W, tốc độ động cơ 2900 rpm, tỉ số truyền 50, cho tốc độ trục ra giảm tốc là 58 rpm và mô-men xoắn đạt 3000 Nmm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hồng Sơn đã hoàn thành mục tiêu thiết kế hệ thống cơ điện tử phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC và cơ cấu chấp hành khí nén. Nghiên cứu giải quyết bài bản từ khâu tính toán lựa chọn thiết bị công nghiệp đồng bộ, thiết kế mạch điện và khí nén, chuẩn hóa thuật toán tuần tự bằng giản đồ Grafcet, lập trình LAD trên TIA Portal V15 đến xây dựng giao diện vận hành HMI KTP700 Basic PN. Kết quả mô phỏng trên nền tảng Factory I/O đã kiểm chứng sự chính xác của logic điều khiển ở cả hai chế độ Manual và Auto, cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho sinh viên và kỹ sư ngành cơ điện tử 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 2 Hình 1. Dây chuyền phân loại trứng, cà chua theo kích thước (lớn-nhỏ) 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. Dây chuyền phân loại táo theo màu sắc c. 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, 3 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. 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 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. 4 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 - 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 5 - 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 6 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: - 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.

7 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: 9 - 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.