Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình tự động hóa các dây chuyền sản xuất nông nghiệp và chế biến thực phẩm, việc phân loại nông sản theo tiêu chuẩn chất lượng và độ chín đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao giá trị thương phẩm và tối ưu hóa năng suất lao động. Khóa luận tốt nghiệp "Hệ thống sàng lọc cà chua sử dụng PLC S7-1200" do sinh viên Trịnh Thanh Lâm và Lê Văn Hiệp thực hiện (dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Tấn Đời tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành tháng 01/2019) được xây dựng dựa trên nguyên mẫu dây chuyền phân loại cà chua chín công suất lớn trong công nghiệp. Đề tài tập trung giải quyết bài toán tự động nhận diện màu sắc nông sản, kết hợp điều khiển cơ cấu chấp hành khí nén thông qua bộ điều khiển lập trình logic (PLC) và hệ thống giám sát SCADA.

Mục tiêu cốt lõi của đồ án là thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình sàng lọc cà chua tự động, ứng dụng PLC Siemens S7-1200 kết hợp với module xử lý cảm biến màu sắc trên nền tảng vi điều khiển Arduino Mega 2560, đồng thời thu thập dữ liệu và vận hành tập trung qua giao diện SCADA.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể qua 11 nội dung:

  1. Cài đặt phần mềm TIA Portal và Arduino để kết nối với PLC, thiết bị ngoại vi và module.
  2. Tính toán, đo đạc thông số kỹ thuật dùng cho thiết kế mô hình phần cứng bao gồm băng tải và xi-lanh khí nén.
  3. Thiết kế, tính toán và đo đạc thông số dòng áp, đi dây trong thiết kế tủ điện và nút điều khiển hệ thống.
  4. Thiết kế khối nhận diện màu sắc dựa trên cảm biến TCS3200.
  5. Thiết kế mạch công suất giao tiếp giữa Arduino, các cảm biến và PLC.
  6. Kết nối cảm biến màu với Arduino để kiểm tra hoạt động, đưa tín hiệu phân loại thành công qua mạch công suất dùng điều khiển PLC.
  7. Lập lưu đồ giải thuật và viết chương trình cho Arduino và PLC.
  8. Kết nối hệ thống Arduino, cảm biến màu đến PLC để điều khiển xi-lanh khí nén và băng tải hoạt động.
  9. Thiết kế hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA.
  10. Cho chạy toàn bộ hệ thống hoàn chỉnh để kiểm tra hoạt động.
  11. Ghi nhận kết quả thực hiện và hoàn thiện báo cáo.

Phạm vi và giới hạn kỹ thuật của hệ thống:

  • Quy mô mô hình cơ khí: Chiều dài 1,2 m; chiều rộng 1,0 m; chiều cao 1,0 m.
  • Cấu trúc phân loại: Băng tải thiết kế tối đa 4 làn sàng lọc song song.
  • Quy chuẩn quả sàng lọc: Cà chua có đường kính từ 6 cm đến 8 cm.
  • Tiêu chí phân loại màu sắc: Quả chín nhận diện qua các tông màu chủ đạo gồm đỏ, vàng, cam; quả chưa chín nhận diện qua màu xanh lá cây.
  • Cơ cấu chấp hành phân loại: Sử dụng hệ thống xi-lanh khí nén tác động kép kết hợp van điện từ đóng vai trò cần gạt định hướng quả vào thùng chứa tương ứng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu ứng dụng các nguyên lý quang học, kỹ thuật điều khiển tự động hóa công nghiệp và kỹ thuật ghép nối phần cứng nhúng:

  • Nguyên lý nhận diện màu sắc quang học: Cảm biến TCS3200 hoạt động dựa trên sự hấp thụ và phản xạ ánh sáng trắng của bề mặt vật thể. Cảm biến chứa ma trận photodiode gồm 4 nhóm bộ lọc màu (đỏ - Red, xanh lá - Green, xanh dương - Blue và không lọc - Clear). Cường độ ánh sáng của từng dải màu được bộ dao động nội biến đổi thành tín hiệu sóng vuông có tần số tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ, cho phép vi điều khiển tính toán tỷ lệ RGB để định danh màu sắc.
  • Nguyên lý phát hiện vật cản tiệm cận: Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK sử dụng cặp mắt phát - thu tia hồng ngoại theo tần số riêng biệt để chống nhiễu ánh sáng môi trường, ngõ ra dạng NPN cực thu hở (Open Collector), phát hiện cà chua khi đi vào vùng quét để kích hoạt chu trình đọc màu của cảm biến TCS3200.
  • Lý thuyết điều khiển logic lập trình (PLC): Nền tảng điều khiển trung tâm sử dụng dòng PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/Rly, tích hợp cổng truyền thông PROFINET chuẩn Ethernet/IP, hoạt động theo chu kỳ quét vòng (Scan Cycle: Đọc ngõ vào -> Thực thi chương trình logic -> Cập nhật ngõ ra).
  • Nguyên lý cách ly quang (Optocoupler): Sử dụng linh kiện opto PC817 (EL817 SOP4) để chuyển đổi và cách ly mức điện áp logic giữa khối vi điều khiển 5VDC và ngõ vào công nghiệp 24VDC của PLC, triệt tiêu xung nhiễu điện từ lan truyền ngược từ cơ cấu chấp hành về mạch xử lý tín hiệu.
  • Lý thuyết truyền động khí nén và động cơ: Ứng dụng van điện từ khí nén 3 cửa 2 vị trí (van 3/2) điều khiển dòng khí nén cấp vào xi-lanh tác động kép (Double Acting Cylinder - DAC), kết hợp động cơ điện xoay chiều AC 1 pha (Panasonic MX9G10B) kéo băng tải dẫn động.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện qua các bước:

  1. Phương pháp tính toán thông số điện áp, dòng tải của từng khối phần cứng để định cỡ bộ nguồn và thiết bị đóng cắt MCB.
  2. Phương pháp thiết kế mạch in (PCB) trung gian chuyển tiếp mức tín hiệu giữa vi điều khiển và PLC.
  3. Phương pháp lập trình tuần tự và ngắt: Viết mã nguồn C/C++ trên Arduino IDE để tính toán tần số màu; lập trình sơ đồ bậc thang (Ladder Diagram - LAD) trên TIA Portal V13 cho PLC S7-1200.
  4. Phương pháp thiết kế giao diện điều khiển và giám sát thu thập dữ liệu trên phần mềm WinCC V13 tích hợp trong TIA Portal.
  5. Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng từng phần và tích hợp hệ thống tổng thể trên mô hình vật lý.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được chia thành 6 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

[Khối Nguồn AC 220V / DC 24V / DC 9V]
                   [Khối Cơ Cấu Chấp Hành]

Tính toán và phân bổ nguồn điện

Khối chức năng / Linh kiện Số lượng Điện áp định mức Dòng tiêu thụ đơn vị Tổng dòng điện Nguồn cấp lựa chọn
Arduino Mega 2560 1 5VDC / 9VDC 30 mA 30 mA Adapter 9VDC - 1A
Cảm biến TCS3200 4 5VDC 20 mA 80 mA Adapter 9VDC - 1A (qua ổn áp vi điều khiển)
LED chỉ thị mạch 4 5VDC 60 mA 240 mA Adapter 9VDC - 1A
Cảm biến E18-D80NK 4 5VDC 15 mA (kích 300 mA max) 60 mA Adapter 9VDC - 1A
Cuộn dây Van điện từ 3/2 4 24VDC 110 mA 440 mA Bộ nguồn tổ ong 24VDC - 5A
PLC S7-1200 CPU 1214C 1 220VAC / 24VDC - - Lưới điện 220VAC / Nguồn 24VDC nội bộ
Động cơ Panasonic MX9G10B 1 220VAC - - Lưới điện 220VAC qua công tắc điều khiển

Tổng dòng tiêu thụ khối cảm biến và vi điều khiển là 410 mA, do đó Adapter 9VDC - 1A đáp ứng hệ số an toàn. Tổng dòng cuộn hút van khí nén là 440 mA, được cấp từ nguồn công nghiệp 24VDC - 5A.

Sơ đồ đấu nối chân tín hiệu cảm biến với Arduino Mega 2560

Làn / Bộ cảm biến Cảm biến Tiệm Cận (E18-D80NK) Chân S0 (TCS3200) Chân S1 (TCS3200) Chân S2 (TCS3200) Chân S3 (TCS3200) Chân OUT (TCS3200) Tín hiệu Kích Ngõ Ra (Opto PC817)
Làn 0 (CBM0 / Enable0) Chân Digital 13 Chân 12 Chân 11 Chân 6 Chân 5 Chân 7 RED0
Làn 1 (CBM1 / Enable1) Chân Digital 3 Chân 16 Chân 17 Chân 20 Chân 21 Chân 19 RED1
Làn 2 (CBM2 / Enable2) Chân Digital 29 Chân 33 Chân 31 Chân 25 Chân 23 Chân 27 RED2
Làn 3 (CBM3 / Enable3) Chân Digital 49 Chân 53 Chân 51 Chân 45 Chân 43 Chân 47 RED3

Phân bổ địa chỉ Vào/Ra (I/O) trên PLC S7-1200 CPU 1214C

  • Ngõ vào số (Digital Inputs - DI): Sử dụng 7 ngõ vào gồm:
    • Tín hiệu nút nhấn ON hệ thống (chân 24VDC).
    • Tín hiệu nút nhấn OFF hệ thống (chân 24VDC).
    • Tín hiệu nút dừng khẩn cấp Emergency Stop (chân 24VDC, phi 22 mm).
    • 4 ngõ vào nhận tín hiệu phân loại quả chín (RED0, RED1, RED2, RED3) xuất ra từ mạch công suất Opto PC817 (mức áp 24VDC).
  • Ngõ ra số (Digital Outputs - DO): Sử dụng 7 ngõ ra relay gồm:
    • Tín hiệu điều khiển contactor đóng nguồn động cơ băng tải.
    • 4 ngõ ra kích hoạt cuộn coil của 4 van điện từ 3/2 điều khiển xi-lanh khí nén gạt cà chua.
    • Các ngõ ra điều khiển đèn báo trạng thái (Run, Stop, Error) trên mặt tủ điện.

Triển khai phần mềm và giao diện SCADA

  • Chương trình Arduino: Thiết lập vòng quét đọc trạng thái chân Enable từ cảm biến tiệm cận E18-D80NK. Khi phát hiện quả (mức thấp 0V), vi điều khiển lần lượt kích hoạt các bộ lọc S2/S3 của TCS3200 để đọc tần số xung của 3 kênh màu, so sánh ngưỡng tần số để xác định quả chín (đỏ/vàng/cam) và xuất xung kích hoạt mức cao ra chân tương ứng của Opto PC817.
  • Chương trình PLC S7-1200: Viết trên TIA Portal V13 bằng ngôn ngữ Ladder (LAD). Khối logic tiếp nhận tín hiệu Start/Stop, khóa liên động với nút Emergency Stop, đếm số lượng quả theo từng làn thông qua các khối bộ đếm High-Speed Counter/Bộ đếm chuẩn, đồng thời xuất lệnh đóng mở relay van khí nén với thời gian trễ được định thời chính xác bằng khối Timer.
  • Giao diện giám sát WinCC V13: Hiển thị bảng điều khiển trực quan gồm các nút vận hành Start/Stop, trạng thái hoạt động của băng tải, đồ họa mô phỏng vị trí các xi-lanh khí nén theo thời gian thực và các ô hiển thị số lượng quả chín / quả chưa chín đã được sàng lọc trên từng làn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc áp dụng tự động hóa trong phân loại nông sản công nghiệp; nêu rõ lý do lựa chọn bộ điều khiển PLC S7-1200 làm hạt nhân xử lý; xác lập mục tiêu thiết kế, 11 nội dung nhiệm vụ nghiên cứu, giới hạn kỹ thuật của mô hình (kích thước 1,2m x 1m x 1m, 4 làn phân loại, đường kính quả 6-8 cm) và cấu trúc 6 chương của báo cáo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày chi tiết cấu tạo, nguyên lý vận hành và tiêu chí lựa chọn của từng thành phần phần cứng:

  • Nguyên lý quang phổ và chuyển đổi tần số của cảm biến màu TCS3200; nguyên lý phản xạ hồng ngoại của cảm biến tiệm cận E18-D80NK.
  • Khái niệm, phân loại và nguyên lý ngắt mạch của aptomat khối (MCB) theo dòng cực đại và sụt áp thấp.
  • Cấu trúc phần cứng, tập lệnh và thông số kỹ thuật của PLC dòng S7-1200, so sánh các CPU 1211C, 1212C, 1214C (trong đó CPU 1214C sở hữu bộ nhớ làm việc 50 kB, bộ nhớ nạp 2 MB, 14 DI / 10 DO tích hợp, tốc độ xử lý lệnh Boolean 0,1 µs/lệnh).
  • Giới thiệu phần mềm lập trình TIA Portal V13, WinCC V13 và công cụ mô phỏng PLCSIM V13.
  • Cấu hình vi điều khiển Arduino Mega 2560 R3 (chip ATmega2560, 54 chân Digital, 16 chân Analog, bộ nhớ Flash 256 KB) và môi trường Arduino IDE.
  • Cấu tạo, phân loại van điện từ (loại 2 cửa, 3 cửa, thường đóng NC, thường mở NO), xi-lanh khí nén đơn/kép và động cơ xoay chiều AC 1 pha.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Tập trung xây dựng sơ đồ khối và thiết kế kỹ thuật chi tiết:

  • Phân tích chức năng của 6 khối: Khối nguồn, khối cảm biến, bảng nút nhấn, khối xử lý màu sắc, khối xử lý trung tâm (PLC), khối đếm và khối cơ cấu chấp hành.
  • Tính toán phụ tải dòng điện để lựa chọn bộ nguồn Adapter 9VDC - 1A và nguồn tổ ong 24VDC - 5A.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch đệm cách ly quang sử dụng IC Opto PC817 kết hợp transistor để chuyển đổi mức logic 5V từ Arduino sang tín hiệu 24V cấp cho ngõ vào PLC.
  • Thiết lập bảng đấu nối chân chi tiết giữa 4 cụm cảm biến TCS3200 + E18-D80NK với Arduino Mega 2560 và sơ đồ I/O toàn diện của PLC CPU 1214C kết nối với van khí nén và nút nhấn công nghiệp.

Chương 4: Thi công hệ thống

Trình bày quy trình chế tạo phần cứng, đóng gói và phát triển phần mềm:

  • Chế tạo và hàn lắp bo mạch in (PCB) công suất giao tiếp trung gian Arduino - PLC.
  • Lắp ráp cơ khí khung bàn, bố trí động cơ kéo băng tải, gá đặt 4 cụm cảm biến và 4 xi-lanh khí nén cùng van điện từ 3/2.
  • Gia công, đi dây và lắp đặt tủ điện điều khiển chứa MCB, nguồn tổ ong 24V, PLC S7-1200, bo mạch vi điều khiển và bảng nút nhấn điều khiển (ON, OFF, Emergency Stop phi 22 mm).
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật và viết mã nguồn trên Arduino IDE và TIA Portal V13.
  • Thiết kế giao diện giám sát SCADA trên WinCC V13 và biên soạn tài liệu hướng dẫn vận hành, quy trình thao tác chuẩn cho người dùng.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Tổng hợp các kết quả thực nghiệm đạt được:

  • Hoàn thiện mô hình cơ khí toàn cảnh với chiều dài 1,2 m, vận hành ổn định 4 làn băng tải.
  • Tủ điều khiển đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn đi dây, cách ly an toàn điện và bố trí trực quan.
  • Cụm cảm biến nhận diện chính xác quả chín và quả chưa chín khi đi qua vùng phát hiện; mạch công suất Opto PC817 truyền tín hiệu 24VDC dứt khoát về PLC.
  • Cơ cấu gạt bằng xi-lanh khí nén tác động chính xác, phân luồng quả chín và chưa chín về hai khu vực chứa riêng biệt mà không làm dập nát cà chua.
  • Giao diện SCADA trên WinCC phản ánh chính xác trạng thái hoạt động thực tế và hiển thị dữ liệu đếm số lượng quả theo từng làn.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá toàn diện mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo mục tiêu ban đầu; chỉ ra các điểm làm được, các tồn tại kỹ thuật và đề xuất định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình sàng lọc cơ khí 4 làn với kích thước 1,2 m x 1,0 m x 1,0 m, truyền động bằng động cơ AC 1 pha Panasonic MX9G10B kết hợp dây đai băng tải.
  • Thiết kế hoàn chỉnh mạch in PCB trung gian sử dụng Opto PC817 SOP4, giải quyết triệt để sự sai lệch mức điện áp (5VDC và 24VDC) và ngăn ngừa nhiễu giữa vi điều khiển và PLC.
  • Hệ thống cảm biến kép (E18-D80NK và TCS3200) nhận biết chính xác kích thước quả trong dải đường kính 6 - 8 cm và phân tách đúng các dải màu chín (đỏ, cam, vàng) so với dải màu chưa chín (xanh lá).
  • Cơ cấu khí nén gồm 4 van 3/2 (cuộn hút 24VDC - 110 mA) và 4 xi-lanh tác động kép thực hiện thao tác gạt phân loại dứt khoát theo lệnh điều khiển từ PLC S7-1200 CPU 1214C.
  • Xây dựng hoàn chỉnh giao diện SCADA trên WinCC V13, hỗ trợ thu thập dữ liệu số lượng sản phẩm và hiển thị trạng thái vận hành trực quan.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng giải pháp điều khiển lai (Hybrid Control Architecture): Sử dụng vi điều khiển giá thành thấp (Arduino Mega 2560) đảm nhiệm tác vụ xử lý tín hiệu tần số phức tạp từ cảm biến màu sắc, sau đó chuyển giao tín hiệu điều khiển logic cho PLC công nghiệp (S7-1200) để chấp hành đóng cắt công suất. Giải pháp này giúp tối ưu hóa chi phí cảm biến công nghiệp đắt tiền mà vẫn đảm bảo độ bền và độ tin cậy của tầng điều khiển công nghiệp.
  • Kiến nghị chuẩn hóa môi trường ánh sáng tại khu vực quét màu của cảm biến TCS3200 (lắp hộp che chắn sáng bên ngoài) để loại bỏ nhiễu quang sai do ánh sáng môi trường thay đổi.

Đóng góp của đề tài

  • Hiện thực hóa mô hình phân loại nông sản đa làn kết hợp giữa công nghệ vi điều khiển mã nguồn mở và thiết bị tự động hóa công nghiệp tiêu chuẩn Siemens.
  • Cung cấp toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch đệm cách ly quang, sơ đồ đấu nối chân I/O thực tế và tài liệu quy trình vận hành hệ thống sàng lọc nông sản tự động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

  • Cảm biến màu TCS3200 nhạy cảm với sự thay đổi của nguồn sáng bên ngoài; nếu cường độ sáng môi trường thay đổi đột ngột có thể làm sai lệch tần số đọc về vi điều khiển.
  • Phạm vi nhận diện quả bị giới hạn trong dải kích thước đường kính 6 - 8 cm; chưa hỗ trợ tự động bù trừ đối với các quả có hình dạng bất đối xứng hoặc dải màu loang lổ (vừa đỏ vừa xanh).
  • Mô hình cơ khí cố định 4 làn sàng lọc, chưa tích hợp module điều chỉnh linh hoạt khoảng cách giữa các làn dẫn hướng.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu thay thế hoặc kết hợp cảm biến màu sắc bằng công nghệ xử lý ảnh (Camera Module / Machine Vision) để nhận diện toàn diện diện tích bề mặt, phát hiện vết xước, dập nát hoặc khuyết tật trên vỏ quả.
  • Tích hợp thêm các công đoạn tiền xử lý và hậu xử lý trên cùng một dây chuyền liên tục như: Cân trọng lượng tự động, buồng rửa khử trùng, phân loại kích cỡ chi tiết và đóng thùng tự động.
  • Nâng cấp hệ thống SCADA kết nối Web Server của PLC S7-1200 để giám sát và xuất báo cáo dữ liệu từ xa qua mạng Internet/IoT.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực tiễn hữu ích cho sinh viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Điện tử Công nghiệp và Cơ điện tử.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

  • Thiết kế mạch ghép nối cách ly quang giữa mạch vi điều khiển (5V) và PLC công nghiệp (24V) sử dụng Opto PC817.
  • Thuật toán đọc tần số và xử lý ma trận màu sắc của IC cảm biến TCS3200 trên Arduino Mega 2560.
  • Quy trình cấu hình phần cứng, lập trình điều khiển logic tuần tự trên TIA Portal V13 cho PLC S7-1200 CPU 1214C kết hợp điều khiển hệ thống van khí nén và cơ cấu chấp hành.
  • Kỹ thuật thiết kế và liên kết thẻ nhớ (Tags) giám sát SCADA trên phần mềm WinCC V13.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống phải sử dụng kết hợp cả Arduino Mega 2560 và PLC S7-1200 thay vì chỉ dùng một bộ điều khiển?

Cảm biến màu TCS3200 xuất tín hiệu dạng tần số sóng vuông thay đổi liên tục theo cường độ ánh sáng. Việc đọc và giải mã 4 cảm biến TCS3200 đòi hỏi nhiều chân I/O và tác vụ xử lý tần số xung liên tục. Arduino Mega 2560 (sở hữu 54 chân Digital, xung nhịp 16 MHz) đảm nhận vai trò tiền xử lý tín hiệu tần số với chi phí thấp. Sau khi phân loại xong màu sắc, Arduino gửi tín hiệu mức logic qua mạch đệm cách ly quang Opto PC817 sang PLC S7-1200 CPU 1214C để thực thi điều khiển công nghiệp, đóng cắt van khí nén và vận hành băng tải, đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy cao của toàn hệ thống.

2. Cảm biến E18-D80NK đóng vai trò gì trong chu trình nhận diện của cụm cảm biến?

Cảm biến E18-D80NK là cảm biến tiệm cận hồng ngoại, đóng vai trò làm khóa mở (Enable) cho cảm biến màu TCS3200. Khi cà chua trên băng tải di chuyển đến vị trí đo, E18-D80NK phát hiện vật cản và chuyển trạng thái ngõ ra từ mức cao xuống mức thấp (0V). Tín hiệu này kích hoạt Arduino Mega 2560 bắt đầu quá trình quét và đọc mẫu tần số màu từ cảm biến TCS3200, tránh việc cảm biến màu phải quét liên tục khi không có quả, giảm sai số và xung đột xử lý.

3. Hệ thống phân loại cà chua chín và chưa chín dựa trên quy chuẩn màu sắc nào?

Hệ thống cài đặt nhận biết các tông màu chủ đạo gồm màu đỏ, màu cam và màu vàng là quả chín; màu xanh lá cây là quả chưa chín. Cà chua chín sau khi nhận diện sẽ được cơ cấu xi-lanh khí nén kích hoạt gạt sang thùng chứa quả chín, trong khi quả chưa chín tiếp tục trôi thẳng theo làn băng tải về thùng chứa riêng.

4. Mạch công suất giao tiếp giữa Arduino và PLC được thiết kế như thế nào?

Do vi điều khiển Arduino hoạt động ở mức logic 5VDC, không đủ dòng và áp để kích hoạt ngõ vào số 24VDC của PLC S7-1200, nhóm tác giả thiết kế bo mạch trung gian sử dụng các IC cách ly quang Opto PC817 (EL817 SOP4). Khi ngõ ra vi điều khiển xuất mức cao (5V), LED bên trong Opto phát sáng kích thông phototransistor, cho phép nguồn 24VDC từ bộ nguồn công nghiệp đi vào các chân ngõ vào số (RED0 - RED3) của PLC, đồng thời cách ly hoàn toàn điện áp để bảo vệ vi điều khiển.

5. Dung lượng nguồn điện một chiều cấp cho hệ thống được tính toán như thế nào?

Khối xử lý màu sắc (gồm 1 Arduino Mega 2560 tiêu thụ 30 mA, 4 cảm biến TCS3200 tiêu thụ 80 mA, 4 LED báo tiêu thụ 240 mA và 4 cảm biến E18-D80NK tiêu thụ 60 mA) có tổng dòng tiêu thụ là 410 mA, được cấp nguồn từ Adapter 9VDC - 1A. Khối chấp hành khí nén gồm 4 cuộn dây van điện từ 3/2 tiêu thụ 110 mA mỗi cuộn (tổng dòng 440 mA) được cấp nguồn từ bộ nguồn công nghiệp 24VDC - 5A để đảm bảo cung cấp đủ công suất tức thời và độ sụt áp an toàn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống sàng lọc cà chua sử dụng PLC S7-1200" của sinh viên Trịnh Thanh Lâm và Lê Văn Hiệp đã thiết kế và thi công thành công mô hình sàng lọc nông sản tự động 4 làn hoàn chỉnh về cả cơ khí, mạch điện tử và chương trình điều khiển. Việc kết hợp giải pháp tiền xử lý màu sắc qua vi điều khiển Arduino Mega 2560 và điều khiển chấp hành trung tâm qua PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C mang lại giải pháp công nghệ hiệu quả, tối ưu chi phí chế tạo. Hệ thống vận hành đồng bộ với cơ cấu xi-lanh khí nén phân loại chính xác quả chín và quả xanh theo kích thước quy chuẩn, đồng thời hiển thị dữ liệu giám sát trực quan trên nền tảng SCADA WinCC V13.