Giới thiệu dự án

Ngành chế biến thực phẩm truyền thống tại Việt Nam đang trải qua giai đoạn chuyển dịch mạnh mẽ từ sản xuất thủ công sang tự động hóa công nghiệp. Tại các làng nghề truyền thống tiêu biểu như Hợp tác xã (HTX) sản xuất Mỳ Chũ Xuân Trường (xã Nam Dương, huyện Lục Ngạn, tỉnh Bắc Giang), quy trình sản xuất đã từng bước cơ giới hóa khâu tráng bánh và phơi sấy. Tuy nhiên, công đoạn cân định lượng và đóng gói thành phẩm phần lớn vẫn được thực hiện hoàn toàn thủ công. Phương pháp truyền thống này bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng: năng suất chỉ đạt trung bình 120–180 gói/giờ/nhân công, sai số khối lượng dao động từ $\pm 15\text{g}$ đến $\pm 25\text{g}$ trên mỗi túi 500g (sai số 3–5%), tiềm ẩn nguy cơ mất vệ sinh an toàn thực phẩm do tiếp xúc trực tiếp và làm tăng chi phí nhân công đóng gói lên tới 25–30% giá thành sản phẩm.

Vấn đề cốt lõi của các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ là sự thiếu hụt các dây chuyền đóng gói tự động chuyên dụng phù hợp với đặc tính cơ lý của sợi mì Chũ (dài, giòn, dễ gãy vụn). Các hệ thống máy đóng gói công nghiệp nhập khẩu từ châu Âu hoặc Nhật Bản thường có chi phí đầu tư rất lớn (dao động từ 500 triệu đến hơn 1 tỷ VNĐ), đồng thời sử dụng cấu trúc điều khiển khép kín, linh kiện độc quyền, khó bảo trì và dễ phát sinh sự cố trong điều kiện khí hậu nóng ẩm tại Việt Nam.

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và mô phỏng Hệ thống đóng gói Mì Chũ theo cân nặng và đếm số lượng ứng dụng PLC S7-1200" do sinh viên Hoàng Viết Chung và Nguyễn Thị Huyền Trang thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S Phùng Thị Vân (Khoa Điện, Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội) được xây dựng nhằm giải quyết triệt để bài toán kỹ thuật trên. Đề tài tập trung vào các mục tiêu cụ thể sau:

  1. Thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển tự động hóa toàn diện dựa trên bộ điều khiển lập trình logic PLC Siemens S7-1200 (CPU 1212C AC/DC/RLY).
  2. Xây dựng thuật toán xử lý tín hiệu tương tự (Analog) từ cảm biến lực Loadcell YZC-133 qua bộ chuyển đổi/khuếch đại JY-S60/E10 để đạt độ chính xác cân định lượng với sai số dưới $\pm 2\text{g}$ ($\le 0.4%$).
  3. Thiết kế chu trình điều khiển liên động tối ưu giữa hệ thống khí nén (xilanh kẹp, xilanh đẩy) và động cơ băng tải nhằm tự động hóa hoàn toàn chuỗi thao tác: cấp bao bì – xả liệu – cân trọng lượng – hàn miệng túi – đếm sản lượng – phân loại sản phẩm lỗi.
  4. Phát triển giao diện điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu SCADA/HMI trên nền tảng phần mềm TIA Portal V15.1 (SIMATIC WinCC Professional/Runtime) qua chuẩn truyền thông công nghiệp PROFINET.
  5. Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá độ tin cậy của toàn bộ hệ thống trước khi triển khai chế tạo phần cứng thực tế.

Giải pháp mang lại kết quả định lượng rõ rệt: nâng năng suất đóng gói lên 600–750 gói/giờ (tương đương 10–12.5 sản phẩm/phút, tăng gấp 3.5–4 lần so với thao tác thủ công), giảm tỷ lệ hao hụt nguyên liệu xuống dưới 0.5%, đồng thời cắt giảm 75% nhân sự tại công đoạn hoàn thiện sản phẩm.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy trình đóng gói định lượng cho sản phẩm mì Chũ đóng túi trọng lượng tiêu chuẩn 500g và 1000g, thực hiện mô phỏng điều khiển vòng kín và giám sát thời gian thực trên môi trường SIMATIC STEP 7 PLCSIM V15.1 và WinCC Professional V15.1.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Để xác định kiến trúc kỹ thuật tối ưu, dự án đã tiến hành phân tích và so sánh đa tiêu chí giữa các giải pháp công nghệ hiện hữu trên thị trường:

Tiêu chí kỹ thuật & Kinh tế Phương pháp thủ công truyền thống Hệ thống nhúng tự chế (Vi điều khiển Arduino/STM32) Dây chuyền công nghiệp nhập khẩu Giải pháp đề xuất (PLC S7-1200 + WinCC)
Năng suất đóng gói 120 – 180 gói/giờ 300 – 400 gói/giờ 800 – 1200 gói/giờ 600 – 750 gói/giờ
Độ chính xác định lượng Sai số $\pm 15\text{g} \div \pm 25\text{g}$ Sai số $\pm 5\text{g} \div \pm 10\text{g}$ Sai số $\pm 1\text{g} \div \pm 2\text{g}$ Sai số $\pm 1\text{g} \div \pm 2\text{g}$
Độ ổn định công nghiệp Phụ thuộc thể lực nhân công Kém (dễ nhiễu điện từ EMC, treo chip) Rất cao Rất cao (chuẩn công nghiệp IEC 61131-3)
Khả năng giám sát SCADA Không có Hạn chế (giao diện web đơn giản) Độc quyền, khó can thiệp Toàn diện qua SIMATIC WinCC / Profinet
Chi phí đầu tư phần cứng Thấp (chỉ tốn nhân công) Thấp (15 – 25 triệu VNĐ) Rất cao (500 – 900 triệu VNĐ) Tối ưu (65 – 85 triệu VNĐ)
Khả năng bảo trì & Thay thế Không áp dụng Khó chuẩn hóa linh kiện Phụ thuộc chuyên gia nước ngoài Dễ dàng, linh kiện sẵn có tại Việt Nam

Áp dụng phương pháp phân loại yêu cầu MoSCoW, cấu trúc chức năng của hệ thống được xác lập:

  • Must have (Bắt buộc): Đọc và giải mã chính xác tín hiệu Analog từ Loadcell; điều khiển van xả nguyên liệu định lượng; điều khiển cơ cấu kẹp, hàn nhiệt và xilanh đẩy; chế độ vận hành Manual/Auto; nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop).
  • Should have (Nên có): Giao diện HMI giám sát trạng thái thiết bị thời gian thực; tính năng tự động phát hiện và loại bỏ sản phẩm không đạt khối lượng (Defect Rejection); bộ đếm sản lượng tích lũy.
  • Could have (Có thể mở rộng): Nhật ký cảnh báo lỗi (Alarm Logging) và lưu trữ dữ liệu thời gian thực (Tag Logging) trên WinCC; tính năng tự động hiệu chuẩn điểm 0 (Auto Zero Calibration).
  • Won't have (Chưa thực hiện trong giai đoạn này): Cơ cấu tự động gập và dán thùng carton cấp 2.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc phần cứng của hệ thống bao gồm 4 khối chức năng chính được tích hợp liền mạch qua mạng truyền thông công nghiệp PROFINET:

+---------------------------------------------------------------------------------------+
|                                TRẠM GIÁM SÁT SCADA / HMI                              |
|                   (SIMATIC WinCC Professional V15.1 / PC Runtime)                     |
+-------------------------------------------+-------------------------------------------+
                                            | (PROFINET Industrial Ethernet / 100 Mbps)
                                            v
+---------------------------------------------------------------------------------------+
|                              BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM                                  |
|                 (Siemens SIMATIC S7-1200 - CPU 1212C AC/DC/RLY)                       |
+---------------------+-------------------------------------------+---------------------+
                      |                                           |
                      v (Analog Input 0-10V)                      v (Digital Outputs 24VDC/Relay)
+-----------------------------------------+   +-----------------------------------------+
|             KHỐI CẢM BIẾN               |   |            KHỐI CHẤP HÀNH               |
| - Loadcell 3Kg YZC-133 (Cầu Wheatstone) |   | - Van xả liệu Xilo TVX 400              |
| - Bộ khuếch đại JY-S60/E10              |   | - Xilanh kẹp túi SMC CKG_P1_Z           |
| - Cảm biến quang Autonics BEN300-DFR    |   | - Xilanh đẩy sản phẩm CXSM 2 ty         |
| - Cảm biến đo mức chất rắn xoay DF24    |   | - Động cơ băng tải cấp/thoát liệu       |
| - Nút nhấn điều khiển, công tắc hành trình| | - Bộ gia nhiệt hàn miệng túi            |
+-----------------------------------------+   +-----------------------------------------+

Technology Stack và thông số kỹ thuật chi tiết:

  • Bộ điều khiển trung tâm: Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1212C (6ES7 212-1BD30-0XB0), bộ nhớ làm việc (Work Memory) 25KB, bộ nhớ nạp (Load Memory) 1MB, tích hợp 8 ngõ vào số DI (24VDC), 6 ngõ ra số DO (Relay 2A), 2 ngõ vào tương tự AI (0–10VDC, độ phân giải 10-bit).
  • Cảm biến trọng lượng: Loadcell YZC-133 tải trọng định mức 3kg, cấp chính xác C2, độ nhạy $2.0 \pm 0.15\text{mV/V}$, điện áp kích thích 5VDC, làm việc theo nguyên lý cầu đo Wheatstone 4 điện trở biến dạng (strain gauge) gắn liên kết:

$$U_r = U_v \cdot \left(\frac{R_2}{R_1 + R_2} - \frac{R_4}{R_3 + R_4}\right)$$

  • Mạch chuẩn hóa tín hiệu: Transmitter khuếch đại Loadcell JY-S60/E10, điện áp nguồn 24VDC, dải đầu ra $0 \div 10\text{VDC}$ tương thích trực tiếp với kênh AI của CPU 1212C, độ tuyến tính $< 0.05%\text{FS}$.
  • Cảm biến phát hiện bao bì & Vị trí: Autonics BEN300-DFR (quang điện phản xạ khuếch tán, khoảng cách phát hiện 300mm, ngõ ra Relay/NPN).
  • Cảm biến mức liệu: Cảm biến cánh xoay DF24 gắn tại bồn chứa trung gian, bảo vệ chống cạn liệu.
  • Cơ cấu truyền động: Động cơ không đồng bộ 1 pha kết hợp hộp giảm tốc trục vít - bánh vít tỉ số truyền $1:30$ kéo băng tải khung nhôm định hình; cơ cấu hàn nhiệt miệng túi điều khiển qua Relay trung gian; hệ thống van xả khí nén điều khiển góc mở Xilo TVX 400.
  • Nền tảng phần mềm: TIA Portal V15.1, STEP 7 Professional V15.1, PLCSIM V15.1, WinCC Professional V15.1.

Methodology

Quy trình phát triển hệ thống tuân theo mô hình chữ V (V-Model) trong kỹ thuật tự động hóa, bao gồm 4 giai đoạn chính:

[Phân tích yêu cầu công nghệ] ----------------------------> [Đánh giá kết quả & Tối ưu]
         |                                                               ^
         v                                                               |
 [Thiết kế kiến trúc phần cứng/I-O] ------------------------> [Kiểm thử tích hợp SCADA]
         |                                                               ^
         v                                                               |
 [Lập trình PLC & Thiết kế HMI WinCC] ---> [Mô phỏng PLCSIM V15.1] ------+

Kế hoạch triển khai và đánh giá rủi ro:

  1. Giai đoạn 1 (Tuần 1–3): Khảo sát quy trình công nghệ đóng gói tại HTX mì Chũ Xuân Trường, phân tích yêu cầu công nghệ và thiết lập bảng phân bổ địa chỉ vào/ra (I/O Mapping).
  2. Giai đoạn 2 (Tuần 4–7): Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển, lựa chọn thiết bị công nghiệp; tính toán dung lượng bồn xả và công suất động cơ.
  3. Giai đoạn 3 (Tuần 8–11): Viết chương trình điều khiển trên TIA Portal V15.1 (ngôn ngữ LAD/SCL), xây dựng thuật toán chuyển đổi Analog NORM_X/SCALE_X, thiết kế giao diện vận hành trên SIMATIC WinCC.
  4. Giai đoạn 4 (Tuần 12–14): Liên kết PLCSIM với WinCC qua PROFINET ảo, chạy thử nghiệm các kịch bản Manual, Auto, kịch bản lỗi, tối ưu thời gian đáp ứng của vòng quét PLC.

Ma trận quản lý rủi ro kỹ thuật:

  • Rủi ro nhiễu tín hiệu Analog Loadcell do rung động cơ học: Sử dụng bộ lọc số trung bình động (Moving Average Filter) trong chương trình PLC kết hợp dây cáp bọc kim chống nhiễu (Shielded Twisted Pair).
  • Rủi ro quán tính rơi tự do của sợi mì làm sai lệch cân: Thiết lập giá trị ngắt sớm van xả (Cut-off Pre-act value) dựa trên tốc độ dòng chảy nguyên liệu.

Implementation và kết quả

Development process

Cấu hình bộ nhớ và phân bổ biến địa chỉ phần cứng trong PLC S7-1200:

Tên thiết bị / Tín hiệu Địa chỉ PLC Kiểu dữ liệu Chức năng kỹ thuật
Nút nhấn Start (Hệ thống) %I0.0 Bool Khởi động chu trình tự động
Nút nhấn Stop (Hệ thống) %I0.1 Bool Dừng chu trình làm việc
Nút dừng khẩn cấp (E-Stop) %I0.2 Bool Cắt toàn bộ ngõ ra chấp hành tức thời
Cảm biến quang phát hiện túi %I0.3 Bool Xác nhận bao bì đã vào đúng vị trí kẹp
Cảm biến báo mức cạn Xilo %I0.4 Bool Kích hoạt động cơ cấp liệu bồn chứa
Tín hiệu Analog từ Loadcell %IW64 Word Tín hiệu điện áp $0 \div 10\text{V}$ (tương ứng $0 \div 27648$)
Động cơ băng tải cấp liệu %Q0.0 Bool Đưa mì từ kho vào bồn xả chứa
Van xả nguyên liệu Xilo %Q0.1 Bool Mở cửa xả nguyên liệu vào miệng bao bì
Xilanh kẹp miệng túi %Q0.2 Bool Kẹp và giữ chặt bao bì trong khi xả liệu
Bộ gia nhiệt hàn miệng túi %Q0.3 Bool Cấp nhiệt hàn kín mép bao bì thành phẩm
Xilanh đẩy gói mì lỗi %Q0.4 Bool Đẩy sản phẩm sai cân nặng vào khay loại
Động cơ băng tải thành phẩm %Q0.5 Bool Vận chuyển gói mì đạt tiêu chuẩn ra ngoài

Xử lý tín hiệu tương tự (Analog Processing) trong TIA Portal V15.1 sử dụng cặp khối hàm chuẩn NORM_X và SCALE_X. Thuật toán chuyển đổi giá trị số nguyên thô (Int: $0 \div 27648$) từ thanh ghi đầu vào %IW64 thành giá trị khối lượng thực tế (Real: $0.0 \div 3.0\text{kg}$) được thực hiện theo nguyên lý:

// Khối chuẩn hóa dữ liệu đầu vào Analog (NORM_X)
// OUT_Norm = (VALUE - MIN) / (MAX - MIN)
// Với VALUE = %IW64, MIN = 0, MAX = 27648
#r_Norm_Weight := NORM_X(MIN := 0, 
                         VALUE := #w_Raw_Analog_Input, 
                         MAX := 27648);

// Khối tỷ lệ hóa dữ liệu thực tế (SCALE_X)
// OUT_Scale = OUT_Norm * (MAX - MIN) + MIN
// Với MIN = 0.0 (kg), MAX = 3.0 (kg)
#r_Actual_Weight := SCALE_X(MIN := 0.0, 
                            VALUE := #r_Norm_Weight, 
                            MAX := 3.0);

// Thuật toán kiểm tra dung sai và điều khiển cơ cấu định lượng
IF (#r_Actual_Weight >= (#r_Target_Weight - #r_Pre_Cutoff)) THEN
    #b_Valve_Close_Cmd := TRUE;     // Đóng van xả liệu chính xác
END_IF;

IF (#b_Cycle_Completed = TRUE) THEN
    IF ABS(#r_Actual_Weight - #r_Target_Weight) <= #r_Tolerance THEN
        #b_Quality_Pass := TRUE;    // Sản phẩm đạt chuẩn -> Kích hoạt hàn & đẩy sang băng tải ra
        #n_Total_Passed_Count := #n_Total_Passed_Count + 1;
    ELSE
        #b_Quality_Defect := TRUE;  // Sản phẩm lỗi cân -> Kích hoạt xilanh đẩy phế phẩm
        #n_Total_Defect_Count := #n_Total_Defect_Count + 1;
    END_IF;
END_IF;

           Sơ đồ lưu đồ xử lý tín hiệu Analog và Cân định lượng
  [Tín hiệu Loadcell] 
  [Bộ khuếch đại JY-S60 (0-10V)] 
  [PLC AI (%IW64: 0-27648)] 
  [Khối NORM_X: Chuẩn hóa 0.0 - 1.0] 
  [Khối SCALE_X: Thang đo 0.0 - 3.0 kg] 
  [So sánh khối lượng thực tế với Target & Dung sai]

Testing và validation

Quá trình kiểm thử tích hợp giữa chương trình PLC và giao diện WinCC Runtime được thực hiện qua 150 chu trình mô phỏng liên tục:

  • Thời gian một chu trình đóng gói hoàn chỉnh: $4.8\text{s/gói}$ (bao gồm: Kẹp túi $0.5\text{s}$ $\rightarrow$ Xả liệu & Cân $2.2\text{s}$ $\rightarrow$ Hàn nhiệt $1.3\text{s}$ $\rightarrow$ Đẩy sản phẩm & Băng tải $0.8\text{s}$).
  • Thời gian chu kỳ quét PLC (Scan Cycle Time): Dao động từ $1.2\text{ms}$ đến $3.4\text{ms}$, đảm bảo tính năng thời gian thực nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn PROFINET.
  • Độ chính xác định lượng: Kiểm thử tại mốc $500.0\text{g}$, kết quả ghi nhận giá trị cân dao động trong dải $498.8\text{g} \div 501.2\text{g}$, sai số cực đại $\pm 1.2\text{g}$ ($< 0.25%$).
  • Kiểm thử xử lý lỗi (Defect Handling): Cố ý giả lập 20 trường hợp thiếu liệu ($< 490\text{g}$) và quá tải ($> 510\text{g}$). Hệ thống kích hoạt chính xác $100%$ xilanh loại bỏ %Q0.4, ghi nhận Alarm trên WinCC và không tăng bộ đếm sản phẩm đạt chuẩn.

Kết quả đạt được

Hệ thống điều khiển và giám sát hoàn chỉnh bao gồm các phân hệ chức năng:

  1. Màn hình HMI Tổng quan (Overview): Hiển thị sơ đồ công nghệ thời gian thực, trạng thái Run/Stop của các động cơ, vị trí xilanh và khối lượng cân tức thời.
  2. Màn hình Chế độ Bằng tay (Manual Control): Cho phép vận hành cưỡng bức độc lập từng cơ cấu chấp hành (Test van xả, test hàn nhiệt, jog băng tải) phục vụ bảo trì và xử lý sự cố.
  3. Màn hình Chế độ Tự động (Auto Mode): Cài đặt tham số khối lượng mục tiêu (Target_Weight), giá trị dung sai cho phép (Tolerance), tốc độ băng tải và hiển thị tổng sản lượng ca làm việc.
  4. Hệ thống Cảnh báo & Nhật ký (Alarm & Tag Logging): Lưu trữ dữ liệu cân theo thời gian thực với tần suất lấy mẫu $100\text{ms}$, ghi nhận chi tiết thời điểm xuất hiện các lỗi: cạn nhiên liệu bồn chứa, lỗi lệch cân nặng, sự cố kẹt xilanh.

Đổi mới và đóng góp

Đề tài mang lại những cải tiến kỹ thuật nổi bật và giá trị thực tiễn thiết thực:

  1. Chuẩn hóa giải thuật xử lý tín hiệu tương tự tích hợp: Kết hợp bộ lọc trung bình động số với các khối hàm NORM_X/SCALE_X của TIA Portal, loại bỏ triệt để hiện tượng dao động số đo do rung động cơ học từ khung băng tải, tăng độ ổn định tín hiệu lên $45%$ so với việc đọc trực tiếp ngõ vào Analog.
  2. Bảo mật và an toàn vận hành 4 cấp độ: Ứng dụng toàn diện cơ chế phân quyền truy cập của Siemens TIA Portal (Full Access, Read Access, HMI Access, No Access) kết hợp bảo vệ mật khẩu khối hàm (Block Protection), ngăn chặn việc chỉnh sửa trái phép thuật toán điều khiển và thông số cân nhạy cảm.
  3. Kiến trúc truyền thông công nghiệp thời gian thực: Ứng dụng giao thức PROFINET Ethernet công nghiệp giúp giảm thiểu 60% khối lượng cáp tín hiệu điều khiển giữa trạm SCADA và PLC, đạt tốc độ truyền thông $100\text{Mbps}$ với thời gian đáp ứng $< 1\text{ms}$.
  4. Nâng cao hiệu quả sản xuất định lượng:
    • Tăng năng suất đóng gói từ 150 gói/giờ lên trung bình 650 gói/giờ (cải thiện $333%$).
    • Giảm tỷ lệ sai số bao bì từ $\pm 4.0%$ xuống $\le 0.24%$.
    • Giảm tiêu hao điện năng nhờ cơ chế tự ngắt động cơ cấp liệu khi cảm biến báo mức DF24 kích hoạt trạng thái đầy.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

Hệ thống được thiết kế đặc thù cho các hợp tác xã, doanh nghiệp chế biến nông sản thực phẩm khô tại Việt Nam, bao gồm:

  • Dây chuyền đóng gói mì Chũ, mì sợi rút xuất khẩu tại huyện Lục Ngạn, Bắc Giang.
  • Dây chuyền đóng gói miến dong, bún khô, phở khô, bánh đa cua tại các làng nghề truyền thống phía Bắc.
  • Dây chuyền đóng gói các loại nông sản hạt (đậu đỗ, ngô, gạo ST25) với dải cân điều chỉnh linh hoạt từ $200\text{g}$ đến $2500\text{g}$.

Yêu cầu triển khai và lắp đặt phần cứng

Để triển khai hệ thống trong môi trường nhà xưởng thực tế, cấu hình thiết bị cần đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật:

  • Nguồn cấp điện: Nguồn xoay chiều $220\text{VAC} \pm 10%$, tần số $50\text{Hz}$; tích hợp bộ nguồn xung công nghiệp SITOP PM1207 ($24\text{VDC} / 2.5\text{A}$) cấp nguồn điều khiển ổn định cho PLC và cảm biến.
  • Hệ thống cấp khí nén: Áp suất làm việc $0.4 \div 0.6\text{MPa}$ ($4 \div 6\text{bar}$), trang bị bộ lọc khí đôi kết hợp tra dầu (FRL) SMC để bảo vệ tuổi thọ van solenoid và xilanh.
  • Tủ điện điều khiển: Tiêu chuẩn bảo vệ tối thiểu IP54 chống bụi bột mì, bố trí rãnh đi dây riêng biệt giữa cáp động lực ($380\text{V}/220\text{V}$) và cáp tín hiệu điều khiển/Analog ($24\text{VDC} / 0 \div 10\text{VDC}$) nhằm triệt tiêu hiện tượng cảm ứng điện từ.
  • Cấu hình máy tính trạm SCADA: Vi xử lý Intel Core i5 thế hệ 8 trở lên, RAM tối thiểu 8GB, ổ cứng SSD 256GB, màn hình độ phân giải Full HD ($1920 \times 1080$), hệ điều hành Windows 10 Pro 64-bit cài đặt SIMATIC WinCC Runtime V15.1.

Phân tích Chi phí - Lợi ích và Thời gian hoàn vốn (ROI)

Bảng tính toán hiệu quả kinh tế cho một cơ sở sản xuất quy mô 1.5 tấn mì Chũ/ngày:

|               DỰ TOÁN CHI PHÍ ĐẦU TƯ BAN ĐẦU (CAPEX)                      |
| 1. PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C + Nguồn PM1207           : 11.500.000 đ  |
| 2. Cảm biến (Loadcell 3kg, Transmitter JY-S60, Quang, Mức):  5.200.000 đ  |
| 3. Cơ cấu khí nén (Xilanh SMC, Van Solenoid, FRL)         :  8.500.000 đ  |
| 4. Cơ khí khung máy, phễu Xilo TVX 400, Băng tải tải nhẹ  : 28.000.000 đ  |
| 5. Cơ cấu hàn nhiệt tự động & Động cơ giảm tốc            : 12.000.000 đ  |
| 6. Tủ điện công nghiệp, thiết bị đóng cắt, dây dẫn, nhân công:10.000.000 đ|
| TỔNG CHI PHÍ ĐẦU TƯ HỆ THỐNG                              : 75.200.000 đ  |

|                 LỢI ÍCH KINH TẾ HÀNG THÁNG (OPEX SAVING)                  |
| - Cắt giảm 3 nhân công đóng gói thủ công (7.000.000 đ/người/tháng)         |
|   => Tiết kiệm chi phí nhân công                          : 21.000.000 đ  |
| - Giảm thất thoát do sai số khối lượng (tiết kiệm ~150kg mì/tháng)         |
|   => Giá trị nguyên liệu thu hồi                          :  4.500.000 đ  |
| - Trừ chi phí điện năng và bảo trì định kỳ                : -1.500.000 đ  |
| TỔNG LỢI ÍCH KINH TẾ RÒNG / THÁNG                         : 24.000.000 đ  |

  Thời gian thu hồi vốn đầu tư (Payback Period):
  ROI = (75.200.000 đ) / (24.000.000 đ/tháng) ≈ 3.13 tháng (khoảng hơn 90 ngày)

Hạn chế và hướng phát triển

Mặc dù hệ thống đạt được các kết quả khả quan trên mô hình mô phỏng và tính toán lý thuyết, dự án vẫn còn một số điểm giới hạn kỹ thuật cần được tiếp tục hoàn thiện:

  1. Đặc thù cơ lý của nguyên liệu: Sợi mì Chũ có độ đàn hồi và ma sát tĩnh không đồng đều; cơ cấu xả liệu trọng lực kiểu cửa lật đơn tầng có thể gây kẹt phôi cục bộ khi sợi mì xếp chồng chéo.
  2. Phạm vi thực nghiệm: Nghiên cứu hiện mới dừng lại ở cấp độ mô phỏng toàn diện trên phần mềm TIA Portal V15.1 và PLCSIM kết hợp kiểm thử giao diện WinCC Runtime; chưa tiến hành thử nghiệm liên tục trong môi trường công nghiệp thực tế với tải trọng động khắc nghiệt.

Hướng phát triển công nghệ trong giai đoạn tiếp theo:

  • Tối ưu hóa cơ cấu định lượng: Ứng dụng hệ thống nạp liệu rung hai cấp tốc độ (xả thô 85% lưu lượng - xả tinh 15% lưu lượng) điều khiển bằng biến tần Siemens SINAMICS V20 để triệt tiêu hoàn toàn quán tính dòng rơi, nâng độ chính xác lên mức sai số $< \pm 0.5\text{g}$.
  • Tích hợp IoT và Giám sát đám mây: Kích hoạt tính năng Web Server nhúng trên CPU S7-1200 và cấu hình giao thức truyền thông OPC UA hoặc MQTT, cho phép ban quản lý HTX theo dõi sản lượng, trạng thái máy và cảnh báo sự cố từ xa qua điện thoại thông minh.
  • Tự động hóa khâu mở miệng bao bì: Bổ sung cơ cấu tay gắp hút chân không (Vacuum Ejector) để tự động hóa hoàn toàn khâu cấp và mở túi ni-lông, loại bỏ hoàn toàn sự can thiệp của con người.

Đối tượng hưởng lợi

Hồ sơ thiết kế và kết quả nghiên cứu của đồ án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn đa dạng cho nhiều đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Điện - Điện tử: Nguồn tài liệu học tập thực tế và chuẩn mực về quy trình thiết kế hệ thống điều khiển PLC Siemens S7-1200, kỹ thuật lập trình xử lý tín hiệu tương tự (NORM_X, SCALE_X), truyền thông PROFINET và thiết kế giao diện SCADA trên WinCC Professional.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống (System Integrators): Cung cấp tài liệu thiết kế tham chiếu (Reference Design), sơ đồ đấu nối phần cứng I/O và cấu trúc mã nguồn điều khiển chu trình máy đóng gói định lượng đã được chuẩn hóa.
  • Chủ cơ sở sản xuất và Hợp tác xã làng nghề: Cung cấp phương án chuyển đổi số và tự động hóa khả thi với chi phí đầu tư thấp, khả năng thu hồi vốn nhanh, làm chủ hoàn toàn công nghệ vận hành mà không phụ thuộc vào thiết bị ngoại nhập.
  • Nhà nghiên cứu ứng dụng: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về bài toán điều khiển cân định lượng động cho các sản phẩm phi định hình dạng sợi giòn trong ngành công nghiệp thực phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu hình phần cứng tối thiểu để triển khai nạp chương trình và giám sát SCADA hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu máy tính lập trình/giám sát cài đặt hệ điều hành Windows 10/11 64-bit, vi xử lý tối thiểu Intel Core i5 (khuyến nghị Core i7 xung nhịp $\ge 3.0\text{GHz}$), RAM tối thiểu 8GB (khuyến nghị 16GB), dung lượng ổ cứng trống tối thiểu 20GB (chuẩn SSD). Phần mềm yêu cầu bộ cài SIMATIC TIA Portal V15.1 (hoặc các phiên bản mới hơn như V16, V17) bao gồm STEP 7 Professional V15.1, PLCSIM V15.1 và WinCC Professional V15.1.

2. Khi nhu cầu sản xuất mở rộng, PLC S7-1200 CPU 1212C có khả năng nâng cấp thêm module vào/ra không?

CPU 1212C hỗ trợ mở rộng tối đa 2 Module tín hiệu (Signal Module - SM) bên cạnh phải (ví dụ: module mở rộng ngõ vào/ra số SM 1223 hoặc ngõ vào tương tự SM 1231), 1 Bảng mạch tín hiệu (Signal Board - SB) gắn trực tiếp trên mặt CPU (thêm 1 ngõ ra Analog hoặc 2 ngõ vào/ra số) và tối đa 3 Module truyền thông (Communication Module - CM) bên cạnh trái (RS485/Modbus RTU, PROFIBUS). Khi quy mô dây chuyền tăng cao hơn, có thể nâng cấp trực tiếp lên CPU 1214C hoặc 1215C mà không cần viết lại mã nguồn chương trình.

3. Hệ thống có thể kết nối và đồng bộ dữ liệu với hệ thống quản trị sản xuất của doanh nghiệp (MES/ERP) không?

Có. PLC Siemens S7-1200 tích hợp sẵn cổng vật lý PROFINET (chuẩn giao tiếp Ethernet công nghiệp TCP/IP) và hỗ trợ giao thức Modbus TCP, S7 Communication, OPC UA (từ Firmware V4.4 trở lên). Dữ liệu sản lượng, khối lượng, tỷ lệ lỗi từ các Data Block (DB) có thể dễ dàng đồng bộ lên các phần mềm quản lý cấp cao như SCADA nhà máy, MES hoặc hệ thống cơ sở dữ liệu SQL Server của doanh nghiệp.

4. Quy trình hiệu chuẩn cảm biến Loadcell và bộ khuếch đại JY-S60 được thực hiện như thế nào?

Quy trình hiệu chuẩn phần cứng bao gồm 2 bước:

  1. Hiệu chuẩn điểm không (Zero Calibration): Khi bàn cân không có tải, điều chỉnh chiết áp Vzero trên mạch JY-S60/E10 để điện áp ngõ ra đạt chính xác $0.00\text{VDC}$ (tương ứng thanh ghi %IW64 nhận giá trị xấp xỉ 0).
  2. Hiệu chuẩn toàn thang đo (Span Calibration): Đặt quả cân chuẩn tải trọng định mức $3.000\text{kg}$ lên Loadcell, điều chỉnh chiết áp Vspan để điện áp ngõ ra đạt chính xác $10.00\text{VDC}$ (tương ứng thanh ghi %IW64 nhận giá trị 27648). Sau đó kiểm tra độ tuyến tính tại các mốc tải trung gian $500\text{g}$, $1000\text{g}$, $2000\text{g}$.

5. Chi phí bảo dưỡng hệ thống định kỳ hàng năm ước tính là bao nhiêu?

Chi phí bảo dưỡng định kỳ hàng năm rất thấp, ước tính chỉ chiếm khoảng $3 \div 5%$ tổng mức đầu tư ban đầu (khoảng 2.5–3.5 triệu VNĐ/năm). Các hạng mục bảo trì chủ yếu bao gồm: kiểm tra độ căng và vệ sinh mặt băng tải, thay thế gioăng phớt xilanh khí nén sau mỗi 1.000.000 chu kỳ hoạt động, kiểm tra dây hàn nhiệt miệng túi và hiệu chuẩn lại điểm 0 của cảm biến Loadcell định kỳ 6 tháng/lần.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và mô phỏng Hệ thống đóng gói Mì Chũ theo cân nặng và đếm số lượng ứng dụng PLC S7-1200" của nhóm tác giả Hoàng Viết Chung và Nguyễn Thị Huyền Trang đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ giới hóa và tự động hóa công đoạn đóng gói định lượng cho một sản phẩm làng nghề truyền thống đặc thù. Thông qua việc ứng dụng đồng bộ nền tảng phần cứng công nghiệp hiện đại PLC Siemens S7-1200, cảm biến lực Loadcell YZC-133, cơ cấu chấp hành khí nén SMC và hệ thống giám sát SCADA WinCC Professional V15.1 trên nền mạng PROFINET thời gian thực, hệ thống đã chứng minh được tính khả thi vượt trội với năng suất đạt 600–750 sản phẩm/giờ và độ chính xác định lượng cao (sai số $< 0.4%$).

Kết quả nghiên cứu không chỉ khẳng định năng lực ứng dụng kiến thức chuyên ngành Tự động hóa của sinh viên Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội vào thực tiễn sản xuất, mà còn mở ra một mô hình công nghệ giá thành tối ưu, độ bền cao, dễ làm chủ cho các cơ sở chế biến thực phẩm vừa và nhỏ tại Việt Nam trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn.