Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Việt Nam là một quốc gia nông nghiệp với sản lượng xuất khẩu lớn các mặt hàng nông sản như gạo, cà phê, và các loại đậu. Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hội nhập kinh tế, khâu định lượng đóng vai trò trọng yếu tại các nhà máy chế biến và đóng gói nhằm xác định chính xác khối lượng nguyên liệu thô, bán thành phẩm và thành phẩm. Việc ứng dụng hệ thống cân định lượng và đóng gói tự động giúp dây chuyền sản xuất vận hành liên tục, đảm bảo độ đồng đều về khối lượng, nâng cao năng suất, tiết kiệm chi phí vận hành và giảm thiểu số lượng nhân công trực tiếp.
Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) của nhóm sinh viên Phan Sử Đăng Khoa và Nguyễn Hoàng Duy, dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Vi Đô, tập trung nghiên cứu đề tài: "Điều khiển và giám sát hệ thống cân và đóng gói gạo tự động" (Control and Monitoring the Automatic Rice Weighing and Packaging System).
Mục tiêu kỹ thuật và thông số thiết kế của hệ thống bao gồm:
- Thiết kế và chế tạo mô hình cơ khí có kích thước tổng thể: 80 x 60 x 110 (cm).
- Định lượng khối lượng mỗi túi gạo trong phạm vi từ 100 gram đến 600 gram tùy thuộc vào thông số cài đặt.
- Độ sai số khối lượng thành phẩm trong ngưỡng cho phép: 5%.
- Năng suất đóng gói đạt: 90 túi/giờ.
- Loại vật liệu định lượng: Gạo.
- Quy cách bao bì: Túi nylon kích thước 17 x 27 cm (dung tích định danh 1 kg), không có quai xách.
- Chức năng hệ thống: Cân định lượng tự động, hàn kín miệng túi bằng nhiệt, vận chuyển qua băng tải, phân loại và đếm số lượng thành phẩm.
- Thiết kế giao diện HMI Weintek phục vụ vận hành, cài đặt thông số, hiển thị đồ thị (Trend) và cảnh báo lỗi (Alarm).
Phạm vi nghiên cứu của đề tài giới hạn ở mô hình thực nghiệm trong nhà xưởng/phòng thí nghiệm, phục vụ đóng gói các gói gạo khối lượng nhỏ (dưới 600 g).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Cơ sở lý thuyết
Nghiên cứu dựa trên hai nguyên lý kỹ thuật chính:
- Lý thuyết cân định lượng sử dụng cảm biến lực (Loadcell): Loadcell hoạt động như một bộ chuyển đổi lực thành tín hiệu điện, cấu tạo dựa trên mạch cầu Wheatstone gắn các cảm biến biến dạng (strain gauge). Khi có tải trọng tác động, sự biến dạng đàn hồi làm thay đổi điện trở của các nhánh cầu, tạo ra điện áp vi sai tỷ lệ thuận với khối lượng. Tín hiệu này sau đó được khuếch đại qua bộ truyền phát tín hiệu trọng lượng (Weight transmitter) để đưa về bộ điều khiển xử lý.
- Lý thuyết hàn nhiệt bao bì nhựa (Heat sealing): Phương pháp gia nhiệt tiếp xúc sử dụng thanh hàn nhiệt để làm nóng chảy cục bộ mép màng nhựa nylon, kết hợp lực ép cơ học từ xi lanh khí nén nhằm kết dính hai mép túi lại với nhau khi nguội, tạo đường hàn kín ngăn chặn sự xâm nhập của không khí và vi sinh vật.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp mô hình hóa và thiết kế 3D: Sử dụng phần mềm SOLIDWORKS để thiết kế kết cấu khung máy, phễu chứa, phễu định lượng, cơ cấu kẹp, cơ cấu hàn nhiệt và bố trí tủ điện.
- Phương pháp tính toán và lựa chọn thiết bị: Tính toán áp lực khí nén, hành trình và lực đẩy của hệ thống xi lanh; tính toán lực kéo băng tải để lựa chọn động cơ truyền động thích hợp.
- Phương pháp điều khiển tự động: Lập trình điều khiển logic tuần tự và xử lý tín hiệu analog trên phần mềm Siemens TIA Portal V17; thiết kế giao diện điều khiển, giám sát và cảnh báo trên màn hình cảm ứng HMI Weintek.
- Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp phần cứng hoàn chỉnh, nạp chương trình điều khiển, chạy thử nghiệm theo hai chế độ Manual/Auto và đo đạc thống kê sai số thực tế.
Thiết kế và triển khai hệ thống
Kiến trúc tổng thể và sơ đồ khối
Hệ thống được tổ chức thành 5 khối chức năng chính:
- Khối cấp nguồn: Bộ nguồn tổ ong 24VDC – 20A (480W, có quạt tản nhiệt, bảo vệ quá dòng, quá áp và ngắn mạch).
- Khối điều khiển trung tâm: PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC xử lý toàn bộ thuật toán logic, đọc tín hiệu analog từ bộ transmitter của loadcell và xuất lệnh điều khiển.
- Khối tín hiệu ngõ vào: Nút nhấn điều khiển (LA38-11BN), cảm biến quang thu phát khuếch tán (Omron E3F-DS10C4) đếm sản phẩm, cảm biến lực Loadcell 5kg.
- Khối hiển thị và giao tiếp: Màn hình cảm ứng Weintek MT8071iP (7 inch, 800x480 pixel) kết nối với PLC qua giao thức truyền thông Ethernet.
- Khối cơ cấu chấp hành: Hệ thống 10 xi lanh khí nén tác động hai chiều điều khiển qua cụm van điện từ 5/2, bộ điều khiển nhiệt độ Omron E5CC kết hợp thanh nhiệt hàn miệng túi, và động cơ DC giảm tốc DS400 truyền động băng tải.
+-------------------------------------------------------------+
| Khối Hiển Thị & Giám Sát |
| (Weintek HMI MT8071iP) |
+------------------------------+------------------------------+
| (Ethernet)
+------------------------------v------------------------------+
| Khối Điều Khiển Trung Tâm |
| (Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC) |
+------------------------------+------------------------------+
^ |
| (DI / AI) | (DO)
+--------+--------------------+ +--------+--------------------+
| Khối Tín Hiệu Đầu Vào | | Khối Cơ Cấu Chấp Hành |
| - Loadcell 5kg + JY-S85 | | - Cụm 10 xi lanh khí nén |
| - Cảm biến quang E3F-DS10C4 | | - Van điện từ SMC / Koganei |
| - Nút bấm, công tắc | | - Bộ điều nhiệt Omron E5CC |
| - Đầu đo nhiệt độ | | - Động cơ băng tải DC DS400 |
+-----------------------------+ +-----------------------------+
Kết cấu cơ khí và cơ cấu khí nén
Khung máy được lắp ráp từ nhôm định hình 20x20 mm (gồm 4 thanh dài 110 cm và 14 thanh dài 20 cm) kết hợp các tấm mica trong suốt. Hệ thống chia thành 4 tầng chức năng:
- Tầng 1 (Cấp liệu): Phễu chứa gạo chính dạng hình hộp gồm 6 mảnh ghép bằng nhôm, có nắp đóng mở điều khiển bằng xi lanh.
- Tầng 2 (Định lượng): Phễu cân định lượng dạng phễu tròn gắn trên giá đỡ chữ U liên kết với Loadcell 5kg và bộ chuyển đổi tín hiệu JY-S85.
- Tầng 3 (Kẹp và hàn túi): Cụm xi lanh kẹp giữ miệng túi nylon và cụm xi lanh ép thanh nhiệt hàn kín miệng bao bì.
- Tầng 4 (Băng tải và phân loại): Băng tải dây đai cao su (dài 44 cm, rộng 10 cm) tải trọng tối đa 4 kg, dẫn động bởi động cơ DC 24V DS400; cùng hệ thống xi lanh gạt phân loại sản phẩm.
| STT |
Loại xi lanh |
Số lượng |
Chức năng trong hệ thống |
| 1 |
CXSL15-10 |
2 |
Đóng mở nắp phễu chứa gạo chính |
| 2 |
CXSL10-30 |
1 |
Đóng mở cửa xả phễu định lượng gạo |
| 3 |
CXSM10-10-Y7BW |
2 |
Kẹp giữ cố định miệng túi nylon |
| 4 |
AIRTAC TN 16x100 |
2 |
Ép thanh hàn nhiệt để dán kín miệng túi |
| 5 |
CXSM15-100 |
1 |
Đẩy bao gạo hoàn thiện từ bàn đỡ ra băng tải |
| 6 |
CXSM15-100 |
1 |
Phân loại sản phẩm đạt loại 1 |
| 7 |
CXSM15-100 |
1 |
Phân loại sản phẩm đạt loại 2 |
Hệ thống sử dụng tổng cộng 10 xi lanh tác động hai chiều kết hợp 4 van điện từ 5/2 SMC SYJ3143-5LOZ và 1 van Koganei A110-4E1-83-PSL.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Overview (Tổng quan)
Giới thiệu tổng quan về tầm quan trọng của quá trình định lượng tự động trong ngành công nghiệp chế biến nông sản tại Việt Nam. Trình bày mục tiêu thiết kế mô hình máy đóng gói gạo tự động với các thông số: kích thước 80x60x110 cm, khối lượng đóng gói 100–600 g/túi, sai số dưới 5%, năng suất 90 túi/giờ. Nêu rõ các giới hạn của đề tài như việc chưa tích hợp cơ cấu cấp vỏ túi tự động và hệ thống chỉ sử dụng trong không gian kín.
Chương 2: Theoretical Principle (Cơ sở lý thuyết)
Phân tích nguyên lý hoạt động của cảm biến Loadcell và mạch cầu Wheatstone trong đo lường khối lượng động lực học; trình bày lý thuyết hàn nhiệt vật liệu màng dẻo. Thiết lập sơ đồ khối chức năng chi tiết của hệ thống. Phân tích nguyên lý vận hành theo hai chế độ Auto (vận hành tự động liên tục theo chu trình) và Manual (cho phép điều khiển cưỡng bức từng xi lanh, băng tải để kiểm tra, bảo trì).
Chương 3: Hardware Design (Thiết kế phần cứng)
Trình bày chi tiết bản vẽ thiết kế 3D trên phần mềm SOLIDWORKS 2023 cho toàn bộ cơ cấu khung nhôm định hình 20x20, phễu chứa cấp liệu, phễu định lượng hình tròn, tấm đỡ bao gạo và cách bố trí thiết bị trong tủ điện. Trình bày thông số kỹ thuật và sơ đồ đấu nối của các thiết bị:
- PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C (6ES7214-1AG40-0XB0) với 14 ngõ vào số DI, 10 ngõ ra số DO, 2 ngõ vào tương tự AI.
- Cảm biến lực Loadcell 5kg kết hợp mạch khuếch đại JY-S85.
- Bộ điều khiển nhiệt độ kỹ thuật số Omron E5CC-RXA2SM-800.
- Màn hình HMI Weintek MT8071iP (7 inch, cổng Ethernet, COM2 RS485).
- Tính toán động học băng tải: với kích thước dài 44 cm, rộng 10 cm, đường kính trục con lăn $\varnothing 33\text{ mm}$, tốc độ 63 vòng/phút, hệ số ma sát $K=0.8$, lực cản ma sát cực đại $F_{\text{msmax}} = 0.6\text{ N}$ khi tải túi 600 g, từ đó lựa chọn động cơ DC giảm tốc DS400 (nguồn 24VDC) thay thế cho động cơ xoay chiều 3 pha và biến tần Siemens MM420 nhằm tối ưu chi phí và độ phức tạp.
Chương 4: Software Design (Thiết kế phần mềm)
Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng quát (Active Program Flowchart), lưu đồ chế độ Manual, lưu đồ chu trình cân và xả gạo, chu trình hàn miệng túi và phân loại sản phẩm. Cấu hình phần cứng trên TIA Portal V17. Thiết kế các trang màn hình giao diện HMI Weintek gồm: Màn hình chính (Main Screen), Màn hình vận hành tự động (Auto Mode), Màn hình điều khiển bằng tay (Manual Mode), Màn hình hiển thị đồ thị dao động khối lượng (Trend Screen) và Màn hình cảnh báo sự cố (Alarm Screen).
Chương 5: Experimental Results (Kết quả thực nghiệm)
Trình bày hình ảnh và kết quả lắp ráp mô hình phần cứng thực tế sau khi hoàn thiện; kết quả hiển thị và điều khiển thực tế trên giao diện HMI Weintek; đánh giá chất lượng mối hàn miệng túi nylon và độ chính xác của quá trình định lượng thông qua bảng số liệu thống kê thực nghiệm.
Chương 6: Conclusion and Recommendations (Kết luận và kiến nghị)
Tổng kết mức độ hoàn thành so với mục tiêu ban đầu; nêu rõ các ưu điểm về độ ổn định, khả năng giám sát trực quan và các tồn tại kỹ thuật cần cải tiến trong các giai đoạn phát triển tiếp theo.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính
- Mô hình phần cứng hoàn chỉnh: Chế tạo thành công mô hình hệ thống cân và đóng gói gạo tự động với kết cấu khung nhôm định hình và mica gọn gàng, hệ thống khí nén 10 xi lanh hoạt động ổn định.
- Hệ thống điều khiển và đo lường: Lập trình điều khiển tự động hoàn chỉnh trên PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C; thu nhận chính xác tín hiệu khối lượng từ Loadcell 5kg qua bộ chuyển đổi JY-S85.
- Chất lượng bao bì và năng suất: Hệ thống hàn nhiệt điều khiển bởi Omron E5CC dán kín miệng túi nylon không bị cháy hoặc biến dạng đen; đạt năng suất định mức 90 túi/giờ với dải khối lượng từ 100g đến 600g/túi và sai số duy trì dưới 5%.
- Giao diện giám sát trực quan: Màn hình HMI Weintek MT8071iP cho phép cài đặt linh hoạt khối lượng cân, theo dõi đồ thị dao động thực thời (Trend), ghi nhận cảnh báo lỗi (Alarm) và đếm chính xác số lượng sản phẩm hoàn thành.
Đóng góp của đề tài
- Hiện thực hóa mô hình tự động hóa tích hợp liên ngành Cơ khí - Khí nén - Điện tử - Tự động hóa ở quy mô nhỏ.
- Cung cấp giải pháp tối ưu hóa chi phí khi sử dụng động cơ DC giảm tốc kết hợp cơ cấu cân định lượng phễu tròn đơn giản, phù hợp cho các cơ sở sản xuất nông sản quy mô vừa và nhỏ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế được ghi nhận
- Hệ thống chưa có cơ cấu cấp vỏ bao bì tự động; người vận hành vẫn phải lồng miệng túi nylon vào phễu xả thủ công trước mỗi chu trình đóng gói.
- Mô hình chỉ được thiết kế và kiểm thử cho môi trường hoạt động trong nhà, chưa có vỏ bọc chống bụi công nghiệp hoặc tiêu chuẩn chống nước cao.
- Hệ thống chỉ thực hiện chức năng định lượng khối lượng và đóng gói, chưa tích hợp mô-đun quang học hoặc cảm biến chuyên sâu để phát hiện các lỗi vật lý bên trong sản phẩm hoặc lỗi rách màng bao bì.
Hướng phát triển
- Thiết kế và tích hợp thêm cơ cấu cấp túi tự động sử dụng giác hút chân không hoặc cơ cấu tạo túi liên tục từ cuộn màng dẻo (Form-Fill-Seal).
- Bổ sung hệ thống xử lý ảnh công nghiệp (Machine Vision) để kiểm tra ngoại quan mối hàn và nhận diện dị vật trong hạt gạo.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu thực hành và tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành:
- Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Tham khảo phương pháp lập trình điều khiển tuần tự, xử lý tín hiệu analog từ cảm biến lực và thiết kế giao diện HMI công nghiệp.
- Kỹ thuật Cơ điện tử và Kỹ thuật Cơ khí: Tham khảo quy trình thiết kế 3D trên SOLIDWORKS, tính toán lựa chọn xi lanh khí nén tác động hai chiều, van điện từ và thiết kế băng tải dẫn động động cơ DC.
- Kỹ thuật Ứng dụng trong Chế biến Nông sản: Tham khảo mô hình định lượng dạng hạt và giải pháp đóng gói nhiệt cho bao bì thực phẩm quy mô nhỏ.
Câu hỏi thường gặp
1. Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống đóng gói gạo trong đề tài là gì?
Hệ thống có kích thước mô hình 80 x 60 x 110 cm, dải khối lượng cân từ 100 g đến 600 g/túi, sử dụng bao bì nylon kích thước 17 x 27 cm (loại 1 kg), năng suất đạt 90 túi/giờ và sai số khối lượng thành phẩm không quá 5%.
2. Vì sao nhóm tác giả sử dụng động cơ DC DS400 thay vì động cơ AC 3 pha kết hợp biến tần Siemens MM420?
Do băng tải của mô hình có kích thước nhỏ (dài 44 cm, tải trọng tối đa 4 kg), chỉ thực hiện nhiệm vụ vận chuyển bao gạo thành phẩm đã đóng gói vào thùng chứa với tải trọng ma sát rất nhỏ ($F_{\text{msmax}} = 0.6\text{ N}$). Việc điều chỉnh tốc độ linh hoạt là không cần thiết, nên việc dùng động cơ DC 24V DS400 giúp hệ thống đơn giản, giảm giá thành và tiết kiệm không gian lắp đặt.
3. Hệ thống sử dụng bao nhiêu xi lanh khí nén và phân bổ nhiệm vụ ra sao?
Hệ thống sử dụng tổng cộng 10 xi lanh tác động hai chiều, gồm: 2 xi lanh đóng mở nắp phễu chứa gạo chính (CXSL15-10), 1 xi lanh đóng mở cửa xả phễu định lượng (CXSL10-30), 2 xi lanh kẹp giữ miệng túi (CXSM10-10-Y7BW), 2 xi lanh ép thanh hàn nhiệt (AIRTAC TN 16x100), 1 xi lanh đẩy sản phẩm ra băng tải (CXSM15-100), và 2 xi lanh phân loại sản phẩm loại 1 và loại 2 (CXSM15-100).
4. Thiết bị điều khiển trung tâm, cảm biến nhiệt và màn hình giám sát sử dụng model nào?
Hệ thống sử dụng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (mã 6ES7214-1AG40-0XB0), bộ điều khiển nhiệt độ Omron E5CC-RXA2SM-800, màn hình cảm ứng HMI Weintek MT8071iP (7 inch), và bộ truyền phát tín hiệu Loadcell JY-S85.
5. Nhược điểm lớn nhất của hệ thống trong thực tế là gì?
Hạn chế lớn nhất được nhóm tác giả nêu rõ là hệ thống chưa có cơ cấu tự động cấp vỏ túi nylon; người vận hành vẫn phải thao tác thủ công đặt túi vào miệng phễu trước khi kích hoạt quy trình xả gạo và hàn miệng túi.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát hệ thống cân và đóng gói gạo tự động" của sinh viên Phan Sử Đăng Khoa và Nguyễn Hoàng Duy đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế và thực nghiệm đặt ra. Hệ thống kết hợp đồng bộ giữa cơ cấu cơ khí, chấp hành khí nén, đo lường khối lượng Loadcell và điều khiển trung tâm qua PLC Siemens S7-1200 cùng HMI Weintek. Kết quả thử nghiệm chứng minh mô hình vận hành ổn định ở cả hai chế độ Auto và Manual, kiểm soát tốt sai số định lượng dưới 5% và đảm bảo năng suất đóng gói 90 túi/giờ. Đây là giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho các dây chuyền đóng gói nông sản quy mô vừa và nhỏ.
