Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh chuyển dịch mạnh mẽ của cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, tự động hóa dây chuyền đóng gói và chiết rót chất lỏng đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa chuỗi cung ứng thực phẩm, đồ uống (F&B) và dược phẩm. Theo thống kê công nghiệp đóng gói toàn cầu, việc áp dụng các dây chuyền tự động hóa giúp doanh nghiệp giảm thiểu tới 65% tỷ lệ hao hụt nguyên liệu và tăng năng suất vận hành liên tục lên hơn 250% so với phương pháp thủ công. Tuy nhiên, tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs) hoặc cơ sở sản xuất hộ gia đình, rào cản về chi phí đầu tư các hệ thống chiết rót công nghiệp cồng kềnh khiến khâu định lượng và đóng nắp chai vẫn phụ thuộc nhiều vào nhân công thủ công.

Thực trạng thao tác thủ công tại các cơ sở quy mô vừa và nhỏ phát sinh nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng:

  • Dung tích chiết rót sai lệch cao (dung sai vượt mức $\pm 5%$), dẫn đến hao hụt thành phẩm hoặc không đạt tiêu chuẩn kiểm định định lượng.
  • Rủi ro mất an toàn vệ sinh thực phẩm do tiếp xúc trực tiếp giữa con người và miệng chai/nắp chai trong quá trình thao tác.
  • Năng suất đóng nắp thấp, lực vặn nắp không đồng đều dẫn đến hiện tượng hở nắp, rò rỉ dung dịch khi lưu kho và vận chuyển.
  • Thiếu khả năng giám sát tập trung, không thống kê được sản lượng theo thời gian thực để phục vụ quản trị sản xuất.
       QUY TRÌNH TỰ ĐỘNG HÓA 4 TRẠM TRÊN MÂM XOAY
[Băng tải cấp] -> [Trạm 1: Chiết rót] -> [Trạm 2: Cấp nắp] 
               -> [Trạm 3: Siết nắp]  -> [Trạm 4: Đẩy thành phẩm ra băng tải]

Mục tiêu cụ thể của đồ án tốt nghiệp bao gồm:

  1. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình hệ thống tự động hóa khép kín gồm 4 công đoạn: Chiết rót chất lỏng định lượng $\rightarrow$ Cấp nắp tự động $\rightarrow$ Vặn siết nắp chai $\rightarrow$ Đếm và phân loại/đẩy sản phẩm ra khay chứa.
  2. Ứng dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC làm trung tâm điều phối và xử lý logic toàn bộ hệ thống.
  3. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển người - máy HMI Weintek MT8051iP qua chuẩn truyền thông công nghiệp Ethernet/PROFINET.
  4. Tích hợp công nghệ cảm biến đa tầng: Cảm biến quang điện phát hiện chai, cảm biến điện dung không tiếp xúc xác định mực chất lỏng xuyên thành chai, và cảm biến từ hành trình khí nén.
  5. Đạt năng suất vận hành ổn định tối thiểu 100 sản phẩm/giờ đối với mẫu chai tiêu chuẩn 327ml, đảm bảo chất lỏng không trào, nắp vặn kín khít $100%$.

Giải pháp kỹ thuật được lựa chọn là cấu trúc mâm xoay phân độ 4 vị trí (Rotary Indexing Table) kết hợp băng tải dẫn hướng. Cấu trúc này tối ưu hóa tối đa diện tích lắp đặt (footprint), giảm thiểu thời gian dịch chuyển giữa các trạm, đồng thời triệt tiêu sai số định vị cơ khí nhờ truyền động động cơ bước (Step Motor) điều khiển phát xung chính xác cao.

Phạm vi và giới hạn của đề tài:

  • Đối tượng bao bì thực nghiệm: Chai nước cam ép Teppy thể tích $327\text{ ml}$, chiều cao thân $180\text{ mm}$, đường kính thân $60\text{ mm}$, đường kính nắp ren $30\text{ mm}$.
  • Dung dịch chiết rót: Dung dịch lỏng không hạt, độ nhớt thấp đến trung bình ($\eta < 100\text{ cP}$).
  • Không gian ứng dụng: Mô hình pilot công nghiệp, phòng thí nghiệm tự động hóa chuyên sâu, dây chuyền sản xuất quy mô vừa và nhỏ.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi tiến hành thiết kế hệ thống mâm xoay tích hợp PLC, các giải pháp chiết rót phổ biến trên thị trường được tiến hành khảo sát và đánh giá toàn diện:

Công nghệ chiết rót Nguyên lý hoạt động Ưu điểm Nhược điểm Khả năng ứng dụng cho đề tài
Bơm bánh răng (Gear Pump) Dẫn động rotor bánh răng ăn khớp ngoài/trong Lưu lượng đều, dải chiết rộng (250–5000ml), hạn chế tạo bọt Kết cấu phức tạp, khó vệ sinh khi đổi chất lỏng Trung bình
Bơm Piston Servo Xi lanh piston hành trình tịnh tiến bằng động cơ servo Độ chính xác định lượng rất cao, chiết được chất lỏng sệt Chi phí đầu tư cơ khí chính xác và servo rất đắt đỏ Thấp (do ngân sách)
Bơm trục vít (Auger/Screw) Trục vít quay xoắn đẩy lưu chất Phù hợp dầu nhớt, hóa chất có độ nhớt cao Dễ bám dính cặn, tốc độ chiết trung bình Thấp
Chiết đẳng áp / Đối lưu Áp suất cân bằng trong bồn và chai Tối ưu cho đồ uống có gas, nước ngọt đóng chai Yêu cầu buồng áp kín, van áp suất phức tạp Không phù hợp
Bơm màng/Van điện từ kết hợp Cảm biến mức Bơm đẩy lưu chất kết hợp cảm biến tiệm cận quang/điện dung Kết cấu nhỏ gọn, linh hoạt, dễ lập trình hiệu chỉnh qua PLC Phụ thuộc vào độ nhạy của cảm biến phản hồi Rất cao (Lựa chọn)

Ma trận ưu tiên yêu cầu hệ thống theo khung chuẩn MoSCoW:

  • Must-Have (Bắt buộc phải có): Chu trình chiết rót tự ngắt khi đầy chai; Cơ cấu cấp nắp và siết nắp hoạt động tự động; Giám sát số lượng thành phẩm trên HMI; Chức năng dừng khẩn cấp (Emergency Stop).
  • Should-Have (Nên có): Chế độ chuyển đổi linh hoạt giữa Auto (Tự động) và Manual (Thủ công) từng cơ cấu chấp hành trên HMI; Cảm biến phát hiện chai trước khi kích hoạt bơm chống tràn ("Không chai - Không rót").
  • Could-Have (Có thể mở rộng): Lưu trữ lịch sử mẻ sản xuất (Data logging/Recipe); Cài đặt vận tốc quay mâm và thời gian trễ ngay trên màn hình cảm ứng.
  • Won't-Have (Chưa triển khai trong giai đoạn này): Cụm dán nhãn màng co nhiệt tự động; Cụm đóng thùng carton bằng tay máy Scara.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc điều khiển hệ thống bao gồm 5 tầng phân cấp rõ rệt: Tầng giao diện giám sát (HMI) $\rightarrow$ Tầng điều khiển trung tâm (PLC S7-1200) $\rightarrow$ Tầng cách ly công suất (Relay trung gian & Driver) $\rightarrow$ Tầng chấp hành (Động cơ bước, Động cơ DC siết nắp, Xi lanh khí nén, Bơm) $\rightarrow$ Tầng thu thập tín hiệu (Cảm biến).

Danh mục cấu hình phần cứng và công nghệ sử dụng trong hệ thống:

  • Bộ điều khiển trung tâm: Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (Firmware V4.4, Bộ nhớ làm việc 100 KB, 14 Digital Inputs 24VDC, 10 Digital Outputs 24VDC, 2 Analog Inputs 0–10VDC).
  • Màn hình giao diện HMI: Weintek MT8051iP (4.3 inch TFT LCD, $480 \times 272\text{ pixels}$, CPU Cortex-A8 600 MHz, 128 MB RAM / 128 MB Flash, giao thức Modbus TCP/IP và S7-1200 Ethernet Driver).
  • Phần mềm kỹ thuật: Siemens TIA Portal V16/V17 (Lập trình Ladder LAD/SCL), Weintek EasyBuilder Pro V6.08, SolidWorks 2022 (Thiết kế 3D cơ khí).
  • Cảm biến chuyên dụng:
    • Cảm biến quang thu phát tán xạ PNP NO: Omron/Aotoro E3F-DS30P1 (Khoảng cách nhận biết $0–30\text{ cm}$, nguồn cấp 6–36VDC).
    • Cảm biến phát hiện mức chất lỏng điện dung không tiếp xúc: XKC-Y25-V (Độ nhạy xuyên thành bình phi kim $0–20\text{ mm}$, ngõ ra mức logic cao/thấp).
    • Cảm biến từ gá rãnh xi lanh: CS1-U (Kiểu thường mở SPST, dải điện áp 5–240V AC/DC, cấp bảo vệ IP67).
    • Cảm biến tiệm cận kim loại: LJ12A3-4-Z/BX (Ngõ ra NPN NO, khoảng cách phát hiện $4\text{ mm}$).
  • Cơ cấu chấp hành và khí nén:
    • Động cơ xoay mâm: Step Motor 2 pha kết hợp Driver vi bước (Microstepping) thiết lập 5000 xung/góc quay $90^\circ$.
    • Động cơ siết nắp: Động cơ giảm tốc DC JGB37-520 (Điện áp 24VDC, tốc độ định mức $60\text{ RPM}$, momen xoắn $4.5\text{ kg.cm}$, tích hợp trục vát D $6\text{ mm}$).
    • Thiết bị khí nén: Xi lanh khí nén tác động kép (Double-acting cylinder), van điện từ đảo chiều 5/2 coil 24VDC, van tiết lưu một chiều chỉnh lưu lượng khí nén.

Bảng phân bổ địa chỉ I/O trên PLC S7-1200 CPU 1214C:

Ký hiệu Tag Địa chỉ I/O Loại dữ liệu Chức năng kỹ thuật
BTN_START I0.0 Bool Nút nhấn khởi động hệ thống (Thường hở - NO)
BTN_STOP I0.1 Bool Nút nhấn dừng chu trình (Thường đóng - NC)
CB_MUC_NUOC I0.2 Bool Cảm biến điện dung XKC-Y25-V báo mức nước đạt chuẩn
CB_CHAI_ROT I0.4 Bool Cảm biến quang E3F-DS30P1 phát hiện chai tại vị trí chiết
CB_HT_SIET_UP I0.5 Bool Cảm biến từ hành trình xi lanh siết nắp đi lên hết hành trình
CB_CHAI_MAM I0.6 Bool Cảm biến quang xác nhận có phôi chai vào mâm xoay
CB_DEM_SP I0.7 Bool Cảm biến quang đếm sản phẩm hoàn thiện tại ngõ ra
CB_HT_DAY_OUT I0.8 Bool Cảm biến từ báo xi lanh đẩy sản phẩm đã ra hết cữ
DEN_RUN Q0.0 Bool Đèn báo trạng thái hệ thống đang chạy (Xanh)
MOTOR_BT_VAO Q0.2 Bool Kích hoạt Relay điều khiển động cơ băng tải nạp chai
PUMP_ROT Q0.3 Bool Kích hoạt Relay cấp nguồn bơm nước chiết rót 24VDC
MOTOR_SIET Q0.4 Bool Kích hoạt động cơ DC JGB37-520 vặn xoáy nắp
VALVE_SIET Q0.5 Bool Kích hoạt cuộn coil van 5/2 hạ xi lanh siết nắp xuống
VALVE_DAY Q0.6 Bool Kích hoạt van 5/2 đẩy xi lanh đưa chai ra khay chứa
MOTOR_BT_RA Q0.7 Bool Kích hoạt Relay điều khiển động cơ băng tải ra

Methodology

Quy trình nghiên cứu và triển khai dự án tuân thủ theo mô hình V-Model cải tiến (Agile-Mechatronics), đảm bảo tính liên kết chặt chẽ giữa thiết kế cơ khí 3D, thi công tủ điện và lập trình thuật toán điều khiển:

[Yêu cầu kỹ thuật] ----------------------------> [Kiểm thử tích hợp hệ thống]
       \                                                /
   [Thiết kế 3D SolidWorks] -----------------> [Thực nghiệm cơ khí & Tối ưu]
          \                                          /
       [Thiết kế Điện & I/O Mapping] ----> [Kiểm thử truyền thông HMI-PLC]
             \                            /
              ---> [Lập trình TIA Portal]
  • Giai đoạn 1 (Tuần 1–3): Khảo sát bài toán, tính toán động lực học cơ khí, mô phỏng kết cấu mâm xoay và cơ cấu cấp nắp trên phần mềm SolidWorks.
  • Giai đoạn 2 (Tuần 4–6): Gia công cơ khí chính xác (cắt Laser Mica $3–5\text{ mm}$, in 3D FDM vật liệu PLA/PETG cho cụm gá nắp và đầu vặn), lắp ráp khung nhôm định hình $20 \times 20\text{ mm}$.
  • Giai đoạn 3 (Tuần 7–9): Lắp ráp tủ điện công nghiệp, bố trí máng đi dây, bộ nguồn xung chống nhiễu 24VDC 10A, đấu nối khối relay cách ly quang, gá đặt mạng lưới cảm biến.
  • Giai đoạn 4 (Tuần 10–12): Lập trình khối hàm OB1, FC, FB trên TIA Portal; Thiết kế giao diện Dashboard HMI 6 trang màn hình trên EasyBuilder Pro; Cấu hình mạng Ethernet nội bộ.
  • Giai đoạn 5 (Tuần 13–15): Kiểm thử liên động (Commissioning), ghi nhận sự cố qua 6 chu kỳ lặp và tối ưu hóa hệ thống.

Implementation và kết quả

Development process

Cốt lõi của thuật toán điều khiển là sự đồng bộ hóa giữa chuyển động xoay phân độ của động cơ bước và các chu trình chấp hành song song tại các trạm chức năng. Khi chai được nạp vào mâm xoay, PLC quản lý trạng thái máy theo chu trình tuần tự (Sequential Function Chart logic).

// =============================================================================
// Đoạn mã SCL minh họa logic điều khiển chu trình Chiết rót & Động cơ mâm xoay
// Triển khai trên khối hàm FB_StationControl (TIA Portal V16 / S7-1200)
// =============================================================================

#TON_FillTimeout(IN := #b_PumpActive,
                 PT := T#3S500MS); // Thời gian ngắt dự phòng chống tràn

// 1. Logic kiểm soát trạm chiết rót định lượng
IF (#b_SystemAutoRun AND #b_BottleAtFillPos) THEN
    IF (NOT #b_LiquidLevelReached AND NOT #TON_FillTimeout.Q) THEN
        #b_PumpActive := TRUE;
        #b_InletConveyor := FALSE; // Tạm dừng băng tải khi đang rót
    ELSE
        #b_PumpActive := FALSE;
        #b_FillCompleted := TRUE;
        #b_InletConveyor := TRUE;  // Cho phép băng tải chạy lại
    END_IF;
ELSE
    #b_PumpActive := FALSE;
END_IF;

// 2. Logic điều kiện quay mâm phân độ 90 độ (5000 xung PTO)
IF (#b_FillCompleted AND #b_CappingCompleted AND NOT #b_IndexTableMoving) THEN
    #b_StepMotorTrigger := TRUE;
    #b_IndexTableMoving := TRUE;
    #b_FillCompleted    := FALSE;
    #b_CappingCompleted := FALSE;
END_IF;

// 3. Đếm sản phẩm và truyền thông hiển thị
IF (#b_BottleExitSensor AND NOT #b_ExitEdgeMem) THEN
    #n_TotalProductCount := #n_TotalProductCount + 1;
END_IF;
#b_ExitEdgeMem := #b_BottleExitSensor;

Chi tiết cải tiến kết cấu cơ khí thực nghiệm:

  1. Cơ cấu cấp nắp tự lựa: Thiết kế máng trượt nghiêng dài $165\text{ mm}$, bề rộng lọt lòng $33\text{ mm}$ (cho nắp $30\text{ mm}$), chế tạo bằng công nghệ in 3D. Cơ cấu sử dụng 2 tay kẹp đàn hồi đối xứng kết hợp tấm chặn nắp trên đỉnh. Khi cổ chai di chuyển ngang qua mâm xoay, miệng chai tiếp xúc mép dưới nắp và kéo nắp ra khỏi máng nhờ lực ma sát, ngay lập tức vòng đai đàn hồi ép tay kẹp giữ nắp kế tiếp không bị rơi tự do.
  2. Cụm mâm xoay 2 tầng chống nghiêng chai: Mâm xoay đường kính $240\text{ mm}$ gồm 4 hốc định vị $R = 31.5\text{ mm}$. Để triệt tiêu hiện tượng chai bị nghiêng do lực quán tính ly tâm khi dừng/chạy đột ngột, thiết kế sử dụng 2 đĩa Mica $3\text{ mm}$ đặt song song cách nhau $50\text{ mm}$, tạo 2 điểm tì vững chắc trên thân chai.
  3. Đầu xoáy nắp tăng cường ma sát: Đầu siết nắp in 3D đường kính trong $34\text{ mm}$, sâu $14\text{ mm}$ được dán lót một lớp cao su nhiệt đàn hồi bên trong. Khi xi lanh khí nén ấn đầu xoáy xuống nắp chai với chu kỳ ép $4\text{ giây}$, lớp cao su ôm sát gai ren nắp, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng trượt quay, giúp nắp được vặn chặt tuyệt đối.

Testing và validation

Quá trình hiệu chỉnh và kiểm thử mô hình thực tế diễn ra qua 6 lần lặp thử nghiệm (Iterations) để khắc phục triệt để các lỗi vật lý và điều khiển:

Lần thử nghiệm Hiện tượng phát sinh Nguyên nhân kỹ thuật Giải pháp khắc phục Đánh giá kết quả
Lần 1 Chai không lấy được nắp khi đi qua máng Nắp bị kẹt hoặc bật văng ra ngoài do thiếu cữ chặn Thiết kế lại cụm gá có 2 tay kẹp đàn hồi và bổ sung nắp chặn trên máng trượt Đạt 70%
Lần 2 Chai bị nghiêng đổ khi mâm quay $90^\circ$ Mâm xoay đơn tầng chỉ đỡ 1 điểm dưới đáy, trọng tâm chai cao ($180\text{ mm}$) Gia công lắp ghép mâm kép (2 tầng Mica cách nhau $5\text{ cm}$) Đạt 90%
Lần 3 Xi lanh siết nắp hạ xuống chậm hoặc không hết hành trình Áp suất cấp từ máy nén khí chưa đủ ($< 3\text{ bar}$), lưu lượng qua van tiết lưu quá nhỏ Tăng áp suất nguồn cấp lên $5.5\text{ bar}$ và hiệu chỉnh mở rộng vít van tiết lưu Đạt 95%
Lần 4 Cảm biến đếm nhận diện sai (đếm 1 chai thành 2-3 lần) Cảm biến quang bị nhiễu do ánh sáng môi trường và hiện tượng dội tín hiệu mép chai Tinh chỉnh biến trở độ nhạy cảm biến quang E3F-DS30P1, lập trình bộ lọc sườn xung (Positive Edge) trong PLC Đạt 98%
Lần 5 Nắp vặn không đủ chặt, vẫn có độ rơ Đầu xoáy nhựa in 3D ma sát trơn trượt với nắp nhựa PP Bọc lót lớp đệm cao su chuyên dụng bên trong lòng đầu siết nắp Đạt 99%
Lần 6 Toàn bộ hệ thống chạy liên tục, tự ngắt chính xác Hệ thống cơ - điện - khí nén hoạt động đồng bộ Cố định các thông số vận hành trên PLC và giao diện HMI Hoàn thành xuất sắc

Kết quả đạt được

Hệ thống sau khi tối ưu đạt được các chỉ số vận hành thực nghiệm vượt mức mục tiêu thiết kế ban đầu:

TỔNG HỢP NĂNG SUẤT VÀ HIỆU QUẢ VẬN HÀNH
[Chu kỳ hoàn thành 1 chai]: 34 giây/chai
[Năng suất thực tế]:        105 chai/giờ (Mục tiêu: 100 chai/giờ)
[Tỷ lệ đóng nắp kín]:       99.2%
[Dung sai chiết rót]:       ±1.2 ml / 327 ml (Độ chính xác >99.6%)
  • Thời gian chu trình 1 sản phẩm: $34\text{ giây}$ (bao gồm: nạp chai $3\text{s}$, xoay mâm $2\text{s}$, chiết rót $12\text{s}$, xoay mâm cấp nắp $2\text{s}$, siết nắp $6\text{s}$, xoay mâm và đẩy sản phẩm $9\text{s}$). Nhờ cơ chế hoạt động gối đầu (song song) giữa các trạm, năng suất đạt 105 chai/giờ.
  • Độ chính xác định lượng: Cảm biến XKC-Y25-V kết hợp ngắt timer $3.5\text{s}$ đảm bảo mức chất lỏng đạt chính xác mức $327\text{ ml} \pm 1.2\text{ ml}$, hoàn toàn không có hiện tượng nhỏ giọt hay trào bọt ra ngoài thân chai.
  • Giao diện HMI đa chức năng: Hoàn thiện 6 màn hình chuyên sâu: Trang chủ $\rightarrow$ Bàn điều khiển trung tâm (Start/Stop/Auto/Manual) $\rightarrow$ Cài đặt thông số thời gian trễ và số xung mâm $\rightarrow$ Phân quyền User/Admin $\rightarrow$ Báo cáo sản lượng theo ca $\rightarrow$ Giám sát trạng thái I/O theo thời gian thực.

Đổi mới và đóng góp

Đồ án mang lại nhiều cải tiến kỹ thuật thực tiễn trong phân khúc thiết bị tự động hóa quy mô vừa và nhỏ:

  1. Cơ cấu phân độ mâm xoay 2 tầng chống lật đổ: Thay vì sử dụng cơ cấu định vị Geneva phức tạp hoặc băng tải thẳng tốn diện tích, hệ thống sử dụng mâm xoay Mica kép dẫn động trực tiếp bằng động cơ bước vi bước. Giải pháp này giúp triệt tiêu góc nghiêng chai khi gia tốc thay đổi, định vị vị trí dừng chính xác với sai số góc $< 0.5^\circ$.
  2. Cơ chế cấp nắp tự lựa trọng lực kết hợp vòng kẹp đàn hồi: Loại bỏ hoàn toàn cụm phễu rung cấp nắp (Vibratory Bowl Feeder) cồng kềnh, đắt tiền. Cơ cấu máng trượt in 3D tự động tách và cấp từng nắp đơn lẻ với độ tin cậy đạt $99.5%$, giảm $85%$ chi phí chế tạo cụm cấp phôi.
  3. Phương pháp định lượng dung dịch không tiếp xúc (Non-contact Sensing): Ứng dụng cảm biến điện dung XKC-Y25-V dán ngoài thành chai trong suốt giúp kiểm soát mực chất lỏng chính xác mà không cần cắm đầu dò vào trong chai, đảm bảo tiêu chuẩn vô trùng khắt khe của ngành F&B.

Bảng so sánh đối chuẩn kỹ thuật giữa mô hình đồ án và các giải pháp hiện hành:

Tiêu chí so sánh Thao tác thủ công truyền thống Dây chuyền chiết rót thẳng công nghiệp Mô hình Đồ án (Mâm xoay PLC S7-1200)
Chi phí đầu tư Rất thấp (dụng cụ thô sơ) Rất cao ($> 150.000.000\text{ VNĐ}$) Tối ưu, thấp ($< 15.000.000\text{ VNĐ}$)
Năng suất vận hành $40–50\text{ chai/giờ}$ (phụ thuộc nhân công) $1500–3000\text{ chai/giờ}$ $100–120\text{ chai/giờ}$ (ổn định)
Độ đồng đều nắp vặn Không đồng đều, dễ hở ren Rất cao (Clutch moment điều khiển) Cao (Đầu siết đệm cao su khống chế lực)
Diện tích lắp đặt $2.5\text{ m}^2$ (bàn thao tác) Dài $6–10\text{ m}$ ($> 15\text{ m}^2$) Gọn nhẹ ($0.6\text{ m} \times 0.8\text{ m} \approx 0.48\text{ m}^2$)
Giám sát số liệu Ghi sổ thủ công, dễ sai lệch Tích hợp SCADA/MES cao cấp Hiển thị trực tiếp và lưu trữ trên HMI
Mức độ giảm nhân công $0%$ (cần 2–3 nhân công) Giảm $90%$ Giảm $75%$ (chỉ cần 1 nhân công nạp/dỡ phôi)

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

  • Hộ kinh doanh và xưởng sản xuất F&B quy mô vừa: Đóng chai nước ép trái cây tươi, mật ong, nước mắm truyền thống, nước tinh khiết đóng chai nhỏ.
  • Ngành hóa mỹ phẩm và hóa chất gia dụng: Chiết rót nước rửa tay sát khuẩn, cồn y tế, tinh dầu, dầu gội mini dùng cho khách sạn.
  • Cơ sở đào tạo và nghiên cứu: Làm mô hình thực hành tích hợp Mechatronics - Tự động hóa tại các trường Đại học, Cao đẳng chuyên ngành Điện - Tự động hóa.
       LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI TỪNG GIAI ĐOẠN
Giai đoạn 1: Chuẩn bị mặt bằng & Nguồn cấp (220VAC, Khí nén 6 bar)
Giai đoạn 2: Lắp đặt cơ khí & Đấu nối I/O Module PLC S7-1200
Giai đoạn 3: Download chương trình TIA Portal & Cấu hình IP HMI
Giai đoạn 4: Hiệu chuẩn cảm biến XKC-Y25-V & Kiểm tra E-Stop
Giai đoạn 5: Vận hành thử nghiệm Pilot (100 chai) & Bàn giao

Phân tích hiệu quả kinh tế và hoàn vốn (ROI)

  • Tổng chi phí chế tạo hệ thống (CapEx): Ước tính khoảng $12.500.000\text{ VNĐ}$ (Bao gồm PLC S7-1200 qua sử dụng, HMI Weintek, linh kiện khí nén, động cơ bước, nhôm định hình và vật tư in 3D/Mica).
  • Chi phí nhân công tiết kiệm: Thay thế 2 lao động thủ công (mức lương trung bình $6.000.000\text{ VNĐ/tháng/người}$). Tiết kiệm ròng hàng tháng: $12.000.000\text{ VNĐ}$.
  • Thời gian hoàn vốn đầu tư (Payback Period): $$\text{Thời gian hoàn vốn} = \frac{\text{Tổng chi phí đầu tư}}{\text{Lợi ích tiết kiệm hàng tháng}} = \frac{12.500.000}{12.000.000} \approx 1.04\text{ tháng}$$ Ngay cả khi tính thêm chi phí điện năng, bảo trì khí nén và khấu hao thiết bị, thời gian hoàn vốn thực tế chỉ dao động từ 2.5 đến 4 tháng.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Độ nhớt dung dịch: Cụm chiết sử dụng bơm màng mini nên chỉ đáp ứng tốt các chất lỏng có độ nhớt thấp; chưa hỗ trợ chiết các dung dịch đặc sệt (gel đặc, sữa đặc, kem dưỡng).
  • Độ linh hoạt kích thước chai: Mâm xoay và máng cấp nắp được thiết kế cố định theo kích thước chai Teppy $327\text{ ml}$ (đường kính thân $60\text{ mm}$, nắp $30\text{ mm}$). Khi thay đổi quy cách bao bì cần gia công lại đĩa mâm và máng trượt.
  • Lực siết nắp: Sử dụng động cơ DC kiểm soát qua thời gian trễ, chưa tích hợp cảm biến đo lực xoắn (Torque Sensor) để tự ngắt động cơ chính xác theo lực siết tiêu chuẩn.

Hướng phát triển mở rộng

  1. Tích hợp trạm dán nhãn thân chai sử dụng con lăn ép xoay đồng bộ tốc độ và trạm gia nhiệt màng co nắp chai bằng điện trở nhiệt.
  2. Nâng cấp cụm chiết rót sang cơ cấu xilanh Piston điều khiển bằng động cơ Servo để chiết được đa dạng chất lỏng có độ nhớt cao.
  3. Tích hợp module truyền thông IoT Gateway (MQTT / OPC UA) trên PLC S7-1200 để đẩy dữ liệu sản xuất lên Cloud Dashboard, hỗ trợ giám sát từ xa qua điện thoại thông minh (Industrial IoT).
  4. Thiết kế cụm tay gắp phôi (Pick and Place) bằng cơ cấu Cartesian 2 trục khí nén để tự động bốc dỡ chai thành phẩm vào thùng carton.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên chuyên ngành Tự động hóa / Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh từ thiết kế cơ khí 3D, sơ đồ mạch điện công nghiệp đến cấu trúc code chuẩn PLC S7-1200 và thiết kế giao diện HMI.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống (System Integrators): Cung cấp giải pháp mẫu (Design Pattern) về hệ thống chia độ mâm xoay kết hợp điều khiển phát xung PTO cho động cơ bước trên nền tảng TIA Portal.
  • Chủ cơ sở sản xuất và Doanh nghiệp SMEs: Tiếp cận giải pháp tự động hóa chi phí thấp, tối ưu diện tích lắp đặt, thời gian hoàn vốn dưới 4 tháng, giúp nâng cao năng lực cạnh tranh sản phẩm.
  • Giảng viên và Nhà nghiên cứu: Bộ giáo cụ trực quan ứng dụng trong các học phần "Điều khiển logic và PLC", "Mạng truyền thông công nghiệp", và "Thực tập tốt nghiệp Cơ điện tử".

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu nguồn điện và nguồn khí nén để vận hành hệ thống là gì?

Hệ thống sử dụng nguồn điện lưới xoay chiều dân dụng $220\text{VAC } / 50\text{Hz}$ qua bộ chuyển đổi nguồn tổ ong Meanwell sang $24\text{VDC} - 10\text{A}$ cung cấp cho PLC, HMI, cảm biến và động cơ DC. Nguồn khí nén yêu cầu áp suất làm việc từ $4.5\text{ bar} \text{ đến } 6.0\text{ bar}$ với lưu lượng tối thiểu $40\text{ lít/phút}$, có tích hợp bộ lọc khí đôi (bọc tách nước và điều áp) để bảo vệ xi lanh và van 5/2.

2. Có thể thay đổi thể tích chiết rót cho các mẫu chai khác nhau được không?

Hoàn toàn có thể. Đối với chai cùng đường kính thân, người dùng chỉ cần điều chỉnh vị trí gá trượt của cảm biến mức XKC-Y25-V dọc theo trục đứng của thân chai, hoặc thay đổi thông số cài đặt thời gian bơm (Fill_Timer) trực tiếp trên trang Cài đặt (Trang 3) của màn hình cảm ứng HMI mà không cần nạp lại code PLC.

3. Làm thế nào để mở rộng kết nối PLC S7-1200 với hệ thống máy tính chủ SCADA/MES?

PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C tích hợp sẵn cổng PROFINET (giao thức TCP/IP). Để kết nối lên SCADA trên PC, kỹ sư có thể sử dụng phần mềm WinCC Professional, phần mềm Kepware OPC Server thông qua driver Siemens TCP/IP, hoặc lập trình khối hàm TSEND_C / TRCV_C để truyền dữ liệu qua giao thức Socket TCP.

4. Quy trình bảo dưỡng định kỳ hệ thống cần thực hiện những gì?

  • Hàng tuần: Xả đáy bình lọc khí nén để loại bỏ nước đọng; kiểm tra bề mặt lớp đệm cao su của đầu siết nắp.
  • Hàng tháng: Bôi trơn mỡ chuyên dụng cho vòng bi đỡ mâm xoay và trục vít định hướng; kiểm tra độ căng của dây đai băng tải; vệ sinh bề mặt kính của các cảm biến quang điện.
  • Hàng quý: Kiểm tra độ siết chặt của các đầu cốt dây điện tại domino tủ điện nhằm phòng tránh hiện tượng move nhiệt.

5. Chi phí đầu tư trọn gói và thời gian hoàn vốn thực tế là bao lâu?

Chi phí linh kiện và gia công chế tạo mô hình dao động từ $12.000.000\text{ VNĐ}$ đến $15.000.000\text{ VNĐ}$. Nhờ việc cắt giảm 1–2 nhân công trực tiếp tại khâu chiết và vặn nắp, doanh nghiệp có thể tiết kiệm từ $6.000.000\text{ VNĐ}$ đến $12.000.000\text{ VNĐ}$ chi phí vận hành mỗi tháng, mang lại thời gian hoàn vốn nhanh chóng chỉ sau 2 đến 4 tháng vận hành liên tục.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống chiết rót và đóng nắp hiển thị số lượng trên HMI sử dụng PLC" đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa dây chuyền đóng gói thực phẩm quy mô vừa và nhỏ. Bằng việc kết hợp hài hòa giữa bộ điều khiển lập trình công nghiệp Siemens S7-1200, giao diện trực quan HMI Weintek, cơ cấu mâm xoay phân độ 4 vị trí và hệ thống cảm biến chuyên dụng, nhóm nghiên cứu đã xây dựng thành công một mô hình hoàn chỉnh, đạt năng suất thực tế 105 sản phẩm/giờ với độ tin cậy vận hành vượt trội.

Công trình không chỉ mang giá trị học thuật sâu sắc trong việc chuẩn hóa phương pháp luận thiết kế Cơ điện tử - Tự động hóa mà còn mở ra tiềm năng thương mại hóa thực tế cao cho các cơ sở sản xuất đang tìm kiếm giải pháp tối ưu hóa chi phí. Các nhà phát triển và sinh viên quan tâm có thể tiếp tục mở rộng đề tài bằng cách tích hợp module thị giác máy tính (AI Camera Check nắp) hoặc kết nối hệ sinh thái điện toán đám mây theo định hướng Nhà máy Thông minh (Smart Factory).