I. Thiết kế hệ thống sàng lọc tự động
Đề tài tập trung vào thiết kế hệ thống sàng lọc tự động cà chua, tận dụng PLC S7-1200 để điều khiển toàn bộ quy trình. Hệ thống này được thiết kế để tự động phân loại cà chua chín và chưa chín dựa trên màu sắc. Đây là một ứng dụng điển hình của tự động hóa sản xuất nông nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả và năng suất. PLC S7-1200 được lựa chọn vì khả năng lập trình linh hoạt, độ tin cậy cao và khả năng tích hợp với nhiều thiết bị ngoại vi. Hệ thống bao gồm các thành phần chính như băng tải, xi lanh khí nén, cảm biến màu sắc (TCS3200), và Arduino Mega2560 để xử lý tín hiệu cảm biến. Thiết kế hệ thống điều khiển bao gồm việc lập trình cho cả PLC và Arduino, đồng thời thiết kế giao diện SCADA để giám sát và thu thập dữ liệu. Việc sử dụng cảm biến trong hệ thống sàng lọc là yếu tố then chốt đảm bảo độ chính xác của quá trình phân loại. Mục tiêu của đề tài là tạo ra một hệ thống hiệu quả, tiết kiệm chi phí và dễ dàng vận hành.
1.1. Phân tích yêu cầu và thiết kế hệ thống
Yêu cầu của hệ thống bao gồm khả năng phân loại cà chua dựa trên màu sắc, tốc độ xử lý nhanh, độ chính xác cao và dễ dàng vận hành. Sàng lọc cà chua là công đoạn quan trọng trong xử lý sau thu hoạch cà chua. Hệ thống được thiết kế với băng tải vận chuyển cà chua đến vị trí cảm biến. Cảm biến màu sắc (TCS3200) sẽ phân tích màu sắc của cà chua. Arduino xử lý tín hiệu từ cảm biến và truyền dữ liệu đến PLC S7-1200. PLC sẽ điều khiển xi lanh khí nén để phân loại cà chua chín và chưa chín vào các thùng riêng biệt. Việc lựa chọn PLC S7-1200 dựa trên khả năng lập trình mạnh mẽ, độ tin cậy cao và khả năng tích hợp với các thiết bị ngoại vi. Ngôn ngữ lập trình PLC được sử dụng là LAD (Ladder Logic). Thiết kế hệ thống giám sát SCADA cho phép người dùng theo dõi quá trình hoạt động của hệ thống và thu thập dữ liệu sản xuất. Thiết kế này tối ưu hóa hiệu quả hệ thống sàng lọc, giảm thiểu chi phí hệ thống sàng lọc và tăng năng suất lao động. Cơ khí chế tạo máy đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng phần cứng của hệ thống, đảm bảo khả năng vận hành trơn tru và bền bỉ.
1.2. Lựa chọn và tích hợp thiết bị
Đề tài sử dụng PLC S7-1200 như bộ điều khiển trung tâm, một lựa chọn phổ biến trong điều khiển PLC trong công nghiệp. Việc lựa chọn PLC S7-1200 dựa trên khả năng lập trình, độ tin cậy và tính khả dụng của nó. Phần mềm lập trình PLC S7-1200 được sử dụng là TIA Portal. Arduino Mega2560 đóng vai trò là giao diện giữa các cảm biến và PLC, xử lý tín hiệu từ cảm biến trong hệ thống sàng lọc, cụ thể là cảm biến màu TCS3200 và cảm biến tiệm cận E18-D80NK. Cơ cấu chấp hành gồm băng tải và xi lanh khí nén. Thiết kế cơ khí hệ thống sàng lọc được tối ưu để đảm bảo hiệu quả hoạt động. Các thành phần khác bao gồm: tủ điện, nút điều khiển, đèn báo, v.v… Tuyển tính hóa hệ thống được thực hiện bằng cách tối ưu hóa các tham số điều khiển và lựa chọn thiết bị phù hợp. Môi trường lập trình được chuẩn bị kỹ lưỡng, đảm bảo quá trình lập trình thuận lợi. Bố trí các thiết bị được thiết kế hợp lý, tối ưu không gian và thuận tiện bảo trì. Kiểm tra hoạt động của từng thành phần và hệ thống tổng thể được thực hiện cẩn thận.
1.3. Lập trình và Kiểm thử hệ thống
Quá trình lập trình cho PLC S7-1200 và Arduino được thực hiện dựa trên lưu đồ giải thuật đã thiết kế. Ngôn ngữ lập trình PLC được sử dụng là LAD. Phần mềm lập trình cho Arduino là Arduino IDE. Chương trình PLC điều khiển các tín hiệu đầu vào từ cảm biến, xử lý logic phân loại và điều khiển các tín hiệu đầu ra cho xi lanh khí nén và băng tải. Chương trình Arduino xử lý tín hiệu thô từ cảm biến màu và gửi tín hiệu đã được xử lý đến PLC. Mục tiêu của lập trình là đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác và hiệu quả. Sau khi lập trình, hệ thống được kiểm thử kỹ lưỡng để đảm bảo hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Mô phỏng hệ thống sàng lọc được thực hiện trước khi triển khai trên hệ thống thực tế. Khối lượng công việc sàng lọc được tính toán để đảm bảo hiệu quả của hệ thống. Các vấn đề phát sinh trong quá trình lập trình và kiểm thử được ghi nhận và giải quyết kịp thời. Kết quả kiểm thử được đánh giá và phân tích để tối ưu hóa hệ thống.
II. Kết quả và đánh giá
Đề tài đã hoàn thành việc thiết kế hệ thống sàng lọc cà chua sử dụng PLC S7-1200 và Arduino. Hệ thống hoạt động ổn định, phân loại cà chua với độ chính xác cao. Kết quả thực tế cho thấy hệ thống đáp ứng được các yêu cầu đề ra. Hiệu quả hệ thống sàng lọc được đánh giá qua tốc độ xử lý, độ chính xác và hiệu suất hoạt động. Chi phí hệ thống sàng lọc được tính toán và đánh giá. Đề tài đóng góp vào việc ứng dụng công nghệ tự động hóa trong sản xuất nông nghiệp, cụ thể là trong phân loại cà chua. Hệ thống này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy chế biến nông sản. Đánh giá tổng thể cho thấy đề tài đạt được mục tiêu đề ra và có giá trị thực tiễn cao.
2.1. Phân tích kết quả kiểm thử
Kết quả kiểm thử cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đạt được độ chính xác cao trong việc phân loại cà chua chín và chưa chín. Tốc độ xử lý đáp ứng được yêu cầu. Dữ liệu thu thập được từ hệ thống giám sát SCADA cho phép phân tích hiệu quả hoạt động của hệ thống. Các chỉ số như tốc độ xử lý, tỷ lệ phân loại chính xác, và thời gian ngừng hoạt động được ghi nhận và phân tích. Phân tích dữ liệu này giúp đánh giá hiệu quả của hệ thống và xác định các điểm cần cải thiện. So sánh với các phương pháp truyền thống, hệ thống tự động hóa này cho thấy hiệu quả vượt trội về năng suất và chất lượng sản phẩm. Đánh giá chi phí đầu tư cho thấy sự tiết kiệm về nhân công và thời gian trong quá trình phân loại. Đề xuất các giải pháp tối ưu dựa trên kết quả kiểm thử.
2.2. Ứng dụng thực tiễn và hướng phát triển
Hệ thống này có thể áp dụng rộng rãi trong các nhà máy chế biến cà chua và các loại nông sản khác cần phân loại theo màu sắc. Tối ưu hóa hệ thống có thể tập trung vào việc cải tiến thuật toán phân loại, sử dụng cảm biến tiên tiến hơn và nâng cấp giao diện SCADA. Hướng phát triển có thể bao gồm tích hợp hệ thống với các công đoạn khác trong dây chuyền sản xuất, ví dụ như hệ thống rửa, cân, đóng gói. Việc sử dụng điện tử tự động hóa trong nông nghiệp góp phần tăng năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm chi phí. Hệ thống giám sát từ xa có thể được tích hợp để tăng tính tiện lợi và khả năng quản lý. Nghiên cứu mở rộng có thể tập trung vào việc áp dụng trí tuệ nhân tạo để tự động điều chỉnh các thông số hoạt động của hệ thống. HCMUTE đóng góp vào việc đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ trong sản xuất nông nghiệp.
