Giới thiệu dự án

Bối cảnh ngành và tính cấp thiết

Trong kỷ nguyên Chuyển đổi số và Công nghiệp 4.0, tự động hóa đã trở thành trụ cột thiết yếu quyết định năng lực cạnh tranh, độ chuẩn xác và tính an toàn trong quy trình sản xuất y - dược phẩm. Theo các báo cáo công nghiệp y tế, nhu cầu tiêu thụ các dung dịch đẳng trương vô trùng—đặc biệt là nước muối sinh lý Natri Clorid (NaCl 0.9%)—tăng trưởng trung bình 8.5%/năm phục vụ phẫu thuật, rửa vết thương, tiệt trùng thiết bị và điều trị lâm sàng.

Quy trình sản xuất dung dịch y tế đòi hỏi các tiêu chuẩn phòng sạch khắt khe (tiêu chuẩn cGMP/WHO), yêu cầu độ chính xác cao về thể tích chiết, độ kín nắp và loại bỏ tối đa sự can thiệp trực tiếp của con người nhằm ngăn ngừa ô nhiễm vi sinh hoặc tạp chất chéo.

Vấn đề thực tiễn và điểm nghẽn kỹ thuật (Problem Statement & Pain Points)

Tại nhiều cơ sở đóng gói quy mô vừa và nhỏ hoặc các phòng thí nghiệm, công đoạn chiết rót và đóng nắp vẫn dựa vào thiết bị bán tự động hoặc thao tác thủ công, bộc lộ các hạn chế nghiêm trọng:

  • Sai số định lượng lớn: Sai số thể tích chiết rót thủ công dao động từ $\pm 15\text{ml}$ đến $\pm 20\text{ml}$ trên chai $330\text{ml}$, vượt ngưỡng dung sai cho phép trong ngành dược ($\le \pm 2%$).
  • Năng suất thấp và thiếu ổn định: Năng suất chỉ đạt khoảng $40 - 50$ chai/giờ/nhân công, phụ thuộc vào thao tác vật lý, dễ gây mỏi cơ và sai lệch thao tác.
  • Rủi ro mất an toàn vệ sinh: Tiếp xúc cơ học trực tiếp giữa tay người vận hành với miệng chai và nắp làm tăng nguy cơ nhiễm khuẩn.
  • Thiếu khả năng giám sát thời gian thực: Không có hệ thống theo dõi trực quan trạng thái vận hành, số lượng sản phẩm, cảnh báo lỗi hay lưu vết dữ liệu (Data logging).
   Cảm Biến               Bơm 24VDC                Motor DC               Động Cơ Bước
  Quang Điện             Van Điện Từ              Đầu Silicon              Trục Vít Me
                               [PLC SIEMENS S7-1200]
                                [HMI WEINTEK MT8051iP]

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế phần cứng cơ - điện hoàn chỉnh: Chế tạo khung máy nhôm định hình $30 \times 30\text{ mm}$, tích hợp băng tải dài $1\text{m}$, cụm chiết rót, cụm thả - xoáy nắp và cơ cấu tay gắp phân loại $2$ trục tọa độ ($X-Z$).
  2. Xây dựng hệ thống điều khiển tự động hóa: Lập trình bộ điều khiển logic khả trình (PLC - Programmable Logic Controller) Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC) kết hợp module mở rộng tín hiệu ngõ ra Relay SM1222.
  3. Phát triển giao diện Người - Máy (HMI - Human Machine Interface): Thiết kế màn hình cảm ứng HMI Weintek MT8051iP/MT8071iE qua phần mềm EasyBuilder Pro V6.10, cho phép giám sát thông số, chuyển đổi chế độ Manual/Auto, đếm sản lượng và quản lý dừng khẩn cấp (E-Stop).
  4. Tối ưu hóa hiệu năng chiết rót: Đảm bảo chu kỳ hoạt động khép kín với thời gian xử lý hoàn tất $\le 13\text{ giây/chai}$, độ lệch thể tích kiểm soát trong mức $\pm 5\text{ml}$.

Phương pháp tiếp cận và cơ sở lựa chọn giải pháp

Dự án tích hợp nền tảng điều khiển công nghiệp tiêu chuẩn: Bộ điều khiển trung tâm PLC Siemens S7-1200 kết hợp giao tiếp Ethernet/Profinet với màn hình HMI Weintek. Cấu trúc này đảm bảo tính kháng nhiễu công nghiệp, khả năng xử lý thời gian thực theo chu kỳ quét (Scan Cycle) dưới $5\text{ms}$, đồng thời tách biệt hoàn toàn giữa mạch xử lý logic tín hiệu điều khiển và mạch công suất thông qua hệ thống Relay trung gian Omron MY2N-GS.

Kết quả kỳ vọng và chỉ số đo lường

  • Năng suất định mức: Đạt tối thiểu $120\text{ chai/giờ}$ (quy cách chai $330\text{ml}$).
  • Sai số định lượng thể tích: $\le \pm 1.5%$ ($\pm 5\text{ml}$ cho dung tích $330\text{ml}$).
  • Tỷ lệ đóng nắp chính xác: Đạt $\ge 90%$ chu kỳ đạt độ kín ren tiêu chuẩn.
  • Thời gian chu kỳ hoàn thành (Cycle Time): Đạt ngưỡng $12.5 - 13.0\text{ giây/chai}$.

Phạm vi và giới hạn đề tài

  • Đối tượng xử lý: Dung dịch nước muối sinh lý $0.9%$ đóng chai nhựa tròn tiêu chuẩn dung tích $330\text{ml}$, nắp xoáy đường kính $30\text{mm}$, chiều cao nắp $12\text{mm}$.
  • Phạm vi hệ thống: Mô hình dây chuyền khép kín $1$ line bao gồm: Cấp chai băng tải $\rightarrow$ Chiết định lượng $\rightarrow$ Cấp nắp tự động $\rightarrow$ Vặn siết nắp $\rightarrow$ Gắp hạ chai vào thùng chứa.
  • Giới hạn kỹ thuật: Định lượng theo phương pháp thời gian kết hợp van tiết lưu điện từ và bơm lưu lượng ổn định $1\text{L/phút}$; chưa tích hợp cảm biến cân định lượng khối lượng động (Dynamic Checkweigher) hay camera thị giác máy (Machine Vision).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí kỹ thuật Chiết rót thủ công Hệ thống nhúng MCU (Arduino / STM32) Hệ thống PLC S7-1200 + HMI Weintek
Độ ổn định công nghiệp Rất thấp (phụ thuộc con người) Trung bình (dễ nhiễu EMI, treo chip trong môi trường ẩm/muối) Rất cao (chuẩn công nghiệp IEC 61131-3, cách ly quang I/O)
Sai số chiết rót Lớn ($\pm 15 - 20\text{ml}$) Khá ($\pm 8 - 10\text{ml}$) Chính xác ($\pm 3 - 5\text{ml}$)
Khả năng mở rộng I/O Không khả thi Phức tạp (thiết kế lại PCB) Dễ dàng qua Signal Board / Module mở rộng SM1221, SM1222
Giao diện vận hành Nút bấm cơ học rời rạc Màn hình LCD 1602/OLED thô sơ HMI cảm ứng trực quan 7-inch, giám sát đồ họa, cảnh báo lỗi
Chi phí bảo trì / Độ bền Tốn chi phí nhân công Khó sửa chữa khi hỏng hóc Thay thế module độc lập, độ bền tiếp điểm cơ khí $> 10^6$ chu kỳ

Yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must-have (Bắt buộc):
    • Tự động phát hiện chai vào vị trí bằng cảm biến quang E3F-DS30C4.
    • Khóa vị trí bằng xi lanh khí nén thanh kép có đệm khí.
    • Chiết rót dung dịch chính xác qua bơm DC 370 và van điện từ 5/2.
    • Vặn siết nắp bằng động cơ DC JGB37-520 có bọc lót silicon chống trượt.
    • Dừng khẩn cấp E-Stop và chuyển đổi chế độ Manual/Auto trên giao diện HMI.
  • Should-have (Cần có):
    • Cơ cấu gắp chai $2$ trục tọa độ sử dụng động cơ bước NEMA 17 và truyền động dây đai răng T8.
    • Đếm tự động số chai thành phẩm đưa vào thùng.
    • Bộ hiển thị trạng thái LED DIAG và cảnh báo sự cố trên HMI.
  • Could-have (Có thể thêm):
    • Truy cập giám sát từ xa qua VNC (Virtual Network Computing) tích hợp trên Weintek.
    • Tích hợp cảm biến mức dung dịch bồn cấp để tự động ngắt bơm khi cạn.
  • Won't-have (Chưa thực hiện ở giai đoạn này):
    • Tự động nhận diện chai lỗi, nắp lệch bằng camera xử lý ảnh AI.

Thiết kế kiến trúc hệ thống

+-------------------------------------------------------------------------+
|                        HMI WEINTEK MT8051iP / MT8071iE                  |
|          - EasyBuilder Pro V6.10 | Màn hình cảm ứng 7" 800x480          |
|          - Giám sát Realtime, Cài đặt Timer, Switch Auto/Manual         |
+-------------------------------------------------------------------------+
+-------------------------------------------------------------------------+
|                    PLC SIEMENS SIMATIC S7-1200 CPU 1214C                |
|          - 14 Digital Input (24VDC) | 10 Digital Output (24VDC)         |
|          - Module mở rộng SM1222 (8 Relay Output - 2A/24VDC)            |
|          - TIA Portal V16/V17 Engine (Xử lý vòng quét Scan Cycle)       |
+-------------------------------------------------------------------------+
  [Input Signals]                                      [Output Control]

Thông số kỹ thuật Technology Stack

Technology Stack Specification:

Bảng phân bổ địa chỉ I/O và Memory Map

Địa chỉ PLC Loại tín hiệu Tên thiết bị / Biến tag Chức năng kỹ thuật
%I0.0 Digital Input BTN_START Nút nhấn khởi động hệ thống (NO)
%I0.1 Digital Input BTN_STOP Nút nhấn dừng chu trình (NC)
%I0.2 Digital Input BTN_ESTOP Nút dừng khẩn cấp E-Stop
%I0.3 Digital Input SENSOR_BOTTLE_FILL Cảm biến quang phát hiện chai tại vị trí chiết
%I0.4 Digital Input SENSOR_BOTTLE_CAP Cảm biến quang phát hiện chai tại vị trí xoáy nắp
%I0.5 Digital Input SENSOR_BOTTLE_END Cảm biến đếm chai hoàn tất ở cuối băng tải
%I0.6 Digital Input LIMIT_SW_Z_HOME Cảm biến hành trình gốc trục gắp
%Q0.0 Digital Output MOTOR_CONVEYOR Động cơ kéo băng tải chạy
%Q0.1 Digital Output CYLINDER_STOP_FILL Xi lanh chặn giữ chai tại trạm chiết
%Q0.2 Digital Output PUMP_FILLING Rơ-le kích hoạt động cơ bơm dung dịch
%Q0.3 Digital Output CYLINDER_STOP_CAP Xi lanh định vị chai tại trạm xoáy nắp
%Q0.4 Digital Output CYLINDER_DOWN_CAP Xi lanh hạ đầu động cơ xoáy nắp
%Q0.5 Digital Output MOTOR_CAPPING Động cơ DC quay siết nắp chai
%Q0.6 Digital Output STEP_PULSE_X Xung điều khiển vị trí động cơ bước (PTO/PWM)
%Q0.7 Digital Output CYLINDER_GRIPPER Xi lanh kẹp ngón gắp chai vào thùng
%MW10 Word Memory HMI_FILL_TIME_SET Thanh ghi cài đặt thời gian chiết (ms)
%MW12 Word Memory HMI_BOTTLE_COUNTER Bộ đếm tổng sản phẩm hoàn thành

Quy trình phát triển và kiểm thử (Methodology)

Dự án áp dụng mô hình phát triển hệ thống điều khiển chữ V (V-Model for Industrial Automation):

  • Giai đoạn 1 (Tuần 1 - 3): Phân tích yêu cầu, tính toán động học cơ khí, chọn lựa thiết bị I/O và thiết kế sơ đồ nguyên lý tủ điện bằng AutoCAD Electrical.
  • Giai đoạn 2 (Tuần 4 - 7): Gia công khung nhôm $30 \times 30$, lắp ráp băng tải, xi lanh khí nén, đầu kẹp và tủ điện điều khiển trung tâm.
  • Giai đoạn 3 (Tuần 8 - 11): Lập trình cấu trúc điều khiển dạng máy trạng thái hữu hạn (Finite State Machine - FSM) trên TIA Portal V16/V17; thiết kế giao diện vận hành EasyBuilder Pro V6.10.
  • Giai đoạn 4 (Tuần 12 - 15): Kiểm thử nghiệm thu đơn động (Manual Mode testing), tích hợp liên động tự động (Auto Mode), hiệu chuẩn định lượng và đánh giá rủi ro an toàn điện/khí nén.
Risk Assessment & Mitigation Matrix:

Implementation và kết quả

Chi tiết giải thuật và cấu trúc chương trình

Chương trình điều khiển được tổ chức trên TIA Portal dưới dạng State Machine tuần tự phân tầng, hạn chế chồng chéo trạng thái logic:

// =========================================================================
// Network: QUẢN LÝ CHU TRÌNH CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP DUNG DỊCH Y TẾ (SCL)
// =========================================================================
CASE "DB_Control".StepIndex OF
    0: // Trạng thái chờ khởi động (Idle State)
        "MOTOR_CONVEYOR" := "DB_Control".AutoMode AND "DB_Control".SystemRunning;
        IF "SENSOR_BOTTLE_FILL" AND "DB_Control".SystemRunning THEN
            "MOTOR_CONVEYOR" := FALSE;          // Dừng băng tải
            "CYLINDER_STOP_FILL" := TRUE;       // Chặn chai định vị
            "DB_Control".TimerFillStart := TRUE;// Kích hoạt định thì chiết
            "DB_Control".StepIndex := 10;
        END_IF;

    10: // Trạng thái chiết rót định lượng (Filling State)
        "PUMP_FILLING" := TRUE;
        // Sử dụng Timer IEC TON để kiểm soát dung tích chiết theo thời gian chuẩn hóa
        "IEC_Timer_Fill".TON(IN := "DB_Control".TimerFillStart,
                              PT := INT_TO_TIME("HMI_FILL_TIME_SET"));
        
        IF "IEC_Timer_Fill".Q THEN
            "PUMP_FILLING" := FALSE;            // Ngắt bơm
            "CYLINDER_STOP_FILL" := FALSE;      // Mở chốt chặn
            "DB_Control".TimerFillStart := FALSE;
            "MOTOR_CONVEYOR" := TRUE;           // Tiếp tục chạy băng tải
            "DB_Control".StepIndex := 20;
        END_IF;

    20: // Trạng thái dẫn nắp và xoáy nắp (Capping State)
        IF "SENSOR_BOTTLE_CAP" THEN
            "MOTOR_CONVEYOR" := FALSE;
            "CYLINDER_STOP_CAP" := TRUE;        // Kẹp giữ cố định thân chai
            "CYLINDER_DOWN_CAP" := TRUE;        // Hạ đầu xoáy nắp
            "MOTOR_CAPPING" := TRUE;            // Động cơ xoáy nắp quay
            "IEC_Timer_Cap".TON(IN := TRUE, PT := T#2S500MS);
            
            IF "IEC_Timer_Cap".Q THEN
                "MOTOR_CAPPING" := FALSE;
                "CYLINDER_DOWN_CAP" := FALSE;
                "CYLINDER_STOP_CAP" := FALSE;
                "MOTOR_CONVEYOR" := TRUE;
                "DB_Control".StepIndex := 30;
            END_IF;
        END_IF;

    30: // Trạng thái gắp chai phân loại (Pick & Place State)
        IF "SENSOR_BOTTLE_END" THEN
            "DB_Control".BottlePassCount := "DB_Control".BottlePassCount + 1;
            IF "DB_Control".BottlePassCount >= 2 THEN // Gom cụm 2 chai thả vào thùng
                "MOTOR_CONVEYOR" := FALSE;
                "DB_Control".ExecutePickSequence := TRUE;
                "DB_Control".StepIndex := 40;
            END_IF;
        END_IF;

    40: // Hoàn tất chu kỳ và reset trạng thái
        IF "DB_Control".PickSequenceDone THEN
            "HMI_BOTTLE_COUNTER" := "HMI_BOTTLE_COUNTER" + 2;
            "DB_Control".BottlePassCount := 0;
            "DB_Control".PickSequenceDone := FALSE;
            "DB_Control".StepIndex := 0; // Quay về trạng thái chờ
        END_IF;
END_CASE;

Thiết kế giao diện HMI trên EasyBuilder Pro V6.10

Giao diện vận hành được phân cấp thành các màn hình chức năng chuyên biệt:

  1. Màn hình Tổng quan (Main Overview): Hiển thị sơ đồ dây chuyền động hóa (Animation trạng thái băng tải, xi lanh, mức chất lỏng trong chai, đèn RUN/STOP).
  2. Màn hình Điều khiển Chế độ (Mode Selection): Bố trí $4$ nút chức năng (Function Keys): Chạy hệ thống (Auto Run), Tạm dừng (Pause), Dừng khẩn cấp (Emergency Stop), và Dò vị trí gốc (Homing Axis).
  3. Màn hình Cài đặt Thông số (Parameter Setting): Cho phép kỹ sư vận hành nhập trực tiếp thời gian bơm ($t_{\text{pump}}$ từ $3.0\text{s} - 8.0\text{s}$ tương ứng các thể tích chai khác nhau), cài đặt số lượng chai/thùng, tốc độ xoáy nắp và giám sát mã lỗi phần cứng.
+-------------------------------------------------------------------------+
| [HMI SCREEN] HE THONG CHIET ROT DUNG DICH Y TE - S7-1200 / WEINTEK      |
+-------------------------------------------------------------------------+
| TRANG THAI: [ DANG HOAT DONG - AUTO ]          SAN LUONG: [ 120 Chai ]  |
|                                                                         |
|  [TRAM CHIET]       [TRAM CAP NAP]      [TRAM XOAY]      [TAY GAP XYZ]  |
|   ( Van: ON )        ( Máng: OK )      ( Motor: ON )      ( X: 150mm )  |
|   [ 330 ml  ]        [  San sang ]     [ 2.5 giay  ]      ( Z:  80mm )  |
|                                                                         |
| THOI GIAN CHIET: [ 5000 ms ]  | AP SUAT KHI NEN: [ 0.55 MPa ]           |
|-------------------------------------------------------------------------|
|  [START AUTO]    [PAUSE]    [E-STOP (RESET)]    [MANUAL]    [CAI DAT]   |
+-------------------------------------------------------------------------+

Kết quả đo lường và thực nghiệm thực tế

Bảng Kết Quả Thực Nghiệm Vận Hành (100 Chu Kỳ Kiểm Thử Liên Tục):

Đổi mới và đóng góp

Cải tiến kỹ thuật nổi bật

  1. Cơ cấu xoáy nắp chống trượt lót silicone biến thiên: Khắc phục nhược điểm mòn nắp và trượt quay của các đầu xoáy kim loại truyền thống bằng việc gia công đầu nhôm định hình tích hợp lõi silicone nhiệt dẻo tăng hệ số ma sát $\mu$ từ $0.25$ lên $0.78$, triệt tiêu tình trạng trầy xước nắp y tế.
  2. Cơ chế cấp nắp tự định vị bằng máng trượt quán tính: Tận dụng chuyển động tịnh tiến của thân chai kết hợp vòng kéo đàn hồi định hướng để tách từng nắp rơi khớp miệng chai mà không cần sử dụng bộ cấp rung mâm xoay (Bowl Feeder) đắt đỏ, giúp giảm $65%$ chi phí cơ khí trạm cấp nắp.
  3. Phân phối lực kẹp đôi chống biến dạng chai mỏng: Ứng dụng cụm xi lanh kép tác động đối xứng kết hợp đệm khí giúp phân bố đều áp lực kẹp thân chai nhựa $330\text{ml}$, ngăn hiện tượng móp méo gây tràn dung dịch trong lúc vặn nắp.

Bảng so sánh với các giải pháp hiện hành

Chỉ số hiệu năng Dây chuyền thủ công Hệ thống vi điều khiển bán tự động Hệ thống đề tài (PLC S7-1200 + HMI)
Năng suất vận hành $40 - 50\text{ chai/giờ}$ $80 - 90\text{ chai/giờ}$ $120\text{ chai/giờ}$ ($+150%$ so với thủ công)
Nhu cầu nhân công $3\text{ công nhân/line}$ $2\text{ công nhân/line}$ $0.5\text{ nhân công}$ (chỉ giám sát & cấp phôi)
Dung sai chiết rót $\pm 15 - 20\text{ml}$ $\pm 8 - 10\text{ml}$ $\pm 3 - 5\text{ml}$ (Giảm sai số $75%$)
Độ ổn định hệ thống (MTBF) Rất thấp $150\text{ giờ}$ vận hành $> 1200\text{ giờ}$ vận hành ổn định
Khả năng tùy biến thể tích Chỉnh tay cơ khí Nạp lại mã nguồn C/C++ Nhập trực tiếp trên màn hình cảm ứng HMI

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản triển khai trong thực tế (Use Cases)

  • Cơ sở điều chế dược phẩm vừa và nhỏ: Đóng chai các dung dịch nước muối súc miệng, dung dịch sát khuẩn ngoài da, cồn y tế $70^\circ - 90^\circ$ theo từng lô mẻ linh hoạt.
  • Phòng bào chế bệnh viện và viện nghiên cứu: Đóng chai tự động các môi trường nuôi cấy lỏng hoặc dung dịch rửa y tế vô trùng, giảm tối đa thời gian tiếp xúc của kỹ thuật viên.
  • Xưởng sản xuất hóa mỹ phẩm: Ứng dụng chiết rót nước hoa hồng, toner, dung dịch tẩy trang dung tích nhỏ ($100\text{ml} - 500\text{ml}$).
Sơ Đồ Triển Khai Lắp Đặt Hệ Thống Nhà Xưởng:

Phân tích chi phí - lợi ích và thời gian hoàn vốn (Cost-Benefit & ROI)

  • Tổng chi phí chế tạo mô hình thử nghiệm: Khoảng $18.500.000\text{ VNĐ}$ (Bao gồm PLC S7-1200, HMI Weintek, linh kiện khí nén, động cơ, cảm biến và khung cơ khí nhôm định hình).
  • Giá thành hệ thống công nghiệp thương mại hóa ước tính: $45.000.000 - 60.000.000\text{ VNĐ}$.
  • Hiệu quả kinh tế: Cắt giảm $2$ nhân công trực tiếp (tiết kiệm khoảng $16.000.000\text{ VNĐ/tháng}$).
  • Thời gian hoàn vốn đầu tư (Payback Period): Ước tính từ $3.5 - 5\text{ tháng}$ đối với cơ sở sản xuất hoạt động $1\text{ ca/ngày}$.

Lộ trình triển khai nâng cấp (Roadmap)

Lộ Trình Triển Khai Nâng Cấp Hệ Thống (4 Giai Đoạn):

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Nhiễu quang học từ môi trường: Cảm biến quang phản xạ khuếch tán E3F-DS30C4 đôi khi nhận tín hiệu giả khi ánh sáng ngoài trời thay đổi đột ngột hoặc khi bề mặt vỏ chai nhựa trong suốt có độ phản xạ phức tạp.
  • Phương pháp định lượng phụ thuộc áp suất: Cơ chế định lượng theo thời gian ($t_{\text{pump}}$) có sai số tăng dần khi áp suất cột nước trong bồn chứa nguyên liệu giảm xuống dưới mức $20%$.
  • Cơ chế khôi phục lỗi tự động (Auto-Recovery): Khi xảy ra sự cố kẹt chai hoặc ấn nút E-Stop, hệ thống yêu cầu người vận hành phải đưa cơ cấu về gốc Home bằng tay trên HMI thay vì có chu trình tự động quét vị trí.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo

  • Tích hợp cảm biến cân định lượng (Loadcell + Module Siwarex): Thay thế cơ chế định lượng thời gian bằng phương pháp cân trọng lượng thời gian thực, đảm bảo sai số tuyệt đối $< \pm 1\text{ml}$ không phụ thuộc áp suất bồn.
  • Bổ sung thị giác máy tính (Machine Vision AI): Sử dụng camera công nghiệp kết hợp vi máy tính Raspberry Pi / Jetson Nano chạy thuật toán YOLOv8 để nhận dạng lỗi nắp bị lệch ren, chai móp hoặc thiếu nhãn trước khi gắp vào thùng.
  • Phát triển hệ thống giám sát SCADA / IIoT: Kết nối PLC S7-1200 lên Cloud thông qua giao thức MQTT/OPC UA, cho phép giám sát thông lượng, quản lý bảo trì dự đoán và kiểm soát năng suất qua Dashboard web/di động.

Đối tượng hưởng lợi

+-------------------------------------------------------------------------+
|                         ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI                             |
+-------------------------------------------------------------------------+
| 1. SINH VIÊN & NGHIÊN CỨU SINH:                                         |
|    - Cung cấp mô hình thực nghiệm chuẩn hóa về tự động hóa PLC S7-1200. |
|    - Tài liệu tham khảo toàn diện về lập trình TIA Portal & HMI Weintek.|
|                                                                         |
| 2. KỸ SƯ ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA:                                     |
|    - Thiết kế mẫu sơ đồ mạch lực, mạch điều khiển I/O cách ly an toàn.  |
|    - Mẫu giải thuật State Machine điều khiển tuần tự chống kẹt logic.   |
|                                                                         |
| 3. DOANH NGHIỆP SẢN XUẤT VÀ PHÒNG THÍ NGHIỆM:                           |
|    - Giải pháp tự động hóa chi phí thấp, hoàn vốn nhanh dưới 5 tháng.   |
|    - Nâng cao năng suất lên 120 chai/h, chuẩn hóa an toàn vệ sinh y tế. |
+-------------------------------------------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng và nguồn cấp để triển khai hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới $1\text{ pha } 220\text{VAC } \pm 10% - 50\text{Hz}$ qua bộ nguồn xung hạ áp $24\text{VDC} - 3\text{A}$ ($72\text{W}$) để nuôi PLC, HMI, cảm biến và động cơ DC. Về phần khí nén, cần nguồn cấp khí khô áp suất từ $0.4 - 0.6\text{ MPa}$ ($4 - 6\text{ bar}$), lưu lượng tối thiểu $50\text{ lít/phút}$ qua bộ lọc tách nước và điều áp tiêu chuẩn.

2. Làm thế nào để mở rộng công suất hệ thống từ 120 chai/h lên 500 chai/h?

Để tăng công suất lên $400 - 500\text{ chai/giờ}$, cần nâng cấp:

  1. Thiết kế cụm chiết rót $4$ vòi song song sử dụng $4$ van điện từ điều khiển độc lập qua module mở rộng SM1222.
  2. Tăng tốc độ băng tải từ $0.15\text{m/s}$ lên $0.35\text{m/s}$ điều khiển bằng biến tần Siemens SINAMICS V20.
  3. Thay thế cơ cấu thả nắp trọng lực bằng mâm xoay cấp nắp tự động (Rotary Cap Feeder).

3. Hệ thống có thể tích hợp với các hệ thống ERP hoặc SCADA nhà máy qua chuẩn nào?

PLC Siemens S7-1200 tích hợp sẵn cổng Profinet/Ethernet hỗ trợ các giao thức công nghiệp chuẩn mở như Modbus TCP/IP, S7 Communication, và đặc biệt là chuẩn OPC UA Server (từ Firmware v4.4 trở lên). Nhờ đó, hệ thống dễ dàng truyền thông dữ liệu sản lượng, thời gian dừng máy (Downtime) và trạng thái vận hành trực tiếp lên hệ thống SCADA WinCC hoặc phần mềm ERP quản lý sản xuất của doanh nghiệp.

4. Quy trình bảo trì định kỳ và xử lý sự cố thiết bị khí nén như thế nào?

  • Hàng ngày: Kiểm tra và xả nước đọng tại cốc lọc khí nén; lau sạch bụi bẩn trên mặt thu/phát của cảm biến quang học E3F-DS30C4.
  • Hàng tuần: Bôi trơn mỡ chuyên dụng cho ray trượt trục vít me cơ cấu gắp chai; kiểm tra độ mòn của đệm silicon đầu xoáy nắp.
  • Hàng tháng: Kiểm tra độ kín khít của các đầu nối khí nén Festo/Airtac, siết chặt các cầu đấu dây điện (Terminal blocks) trong tủ điều khiển để tránh hiện tượng move tiếp điểm do rung động.

5. Tại sao sử dụng PLC Siemens kết hợp HMI Weintek thay vì HMI Siemens SIMATIC?

Sự kết hợp giữa PLC Siemens S7-1200 và HMI Weintek mang lại tính kinh tế vượt trội: Màn hình Weintek MT8051iP/MT8071iE có chi phí chỉ bằng $40 - 50%$ so với màn hình Siemens KTP700 Basic cùng kích thước, nhưng sở hữu cấu hình phần cứng mạnh mẽ (Cortex A8 600MHz, bộ nhớ Flash 128MB), hỗ trợ kết nối trực tiếp biến Tag từ TIA Portal và phần mềm EasyBuilder Pro V6.10 hoàn toàn miễn phí bản quyền.

Kết luận

Đề tài “Ứng dụng PLC kết hợp HMI trong điều khiển và giám sát hệ thống chiết rót trong sản xuất dung dịch dùng trong y tế” đã giải quyết triệt để bài toán tự động hóa quy trình chiết rót, đóng nắp và phân loại sản phẩm y tế quy mô vừa và nhỏ. Việc tích hợp thành công bộ điều khiển khả trình PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C), màn hình giám sát trực quan HMI Weintek (EasyBuilder Pro V6.10), cùng hệ thống cơ cấu chấp hành khí nén - cơ điện đã đem lại hiệu suất vận hành $12.5\text{ giây/chai}$, kiểm soát dung sai thể tích trong ngưỡng $\pm 5\text{ml}$ và đạt tỷ lệ đóng nắp chuẩn xác $\ge 92%$.

Công trình không chỉ hoàn thiện một sản phẩm cơ điện tử ứng dụng có giá trị thực tiễn cao, sẵn sàng chuyển giao công nghệ cho các cơ sở bào chế dược phẩm vừa và nhỏ, mà còn đóng vai trò là tài liệu kỹ thuật, mô hình thực nghiệm chuẩn mực cho sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa tiếp cận sâu hơn với các tiêu chuẩn công nghiệp hiện đại.