Hệ thống cân và đóng gói tự động giám sát từ xa

Đồ án hệ thống cân và đóng gói tự động giám sát từ xa - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

• Tác giả: Nguyễn Minh Trí
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Ngô Văn Thuyên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Hệ thống cân và đóng gói tự động giám sát từ xa
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống cân và đóng gói tự động giám sát từ xa

Hệ thống cân và đóng gói tự động giám sát từ xa là đề tài nghiên cứu tiêu biểu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Dự án do sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa phát triển dưới sự hướng dẫn chuyên môn của PGS.TS Ngô Văn Thuyên. Công trình đáp ứng trực tiếp xu hướng tự động hóa trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm và hàng tiêu dùng. Toàn bộ quy trình từ cấp liệu, định lượng, tạo hình bao bì đến hàn mép đều vận hành tự động. Cơ cấu cơ khí kết hợp đồng bộ với hệ thống cảm biến tải trọng hiện đại. Mô hình tích hợp giải pháp truyền thông mạng công nghiệp để số hóa quy trình vận hành tại nhà máy. Nhân viên kỹ thuật quản lý toàn bộ chu trình gia công mà không cần đứng máy liên tục. Các sai số cân đo giảm thiểu đáng kể nhờ cơ chế phản hồi vòng kín. Dữ liệu khối lượng và chu kỳ đóng gói hiển thị tức thời trên trung tâm quản lý. Mô hình khẳng định năng lực ứng dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại vào bài toán thực tiễn.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Đề tài hướng tới việc xây dựng dây chuyền đóng gói hoàn chỉnh với độ chính xác cao. Hệ thống thay thế phương thức đóng gói thủ công vốn tồn tại nhiều nhược điểm về tốc độ và vệ sinh an toàn. Mục tiêu trọng tâm là kiểm soát trọng lượng bao bì ổn định theo tiêu chuẩn công nghiệp. Sự kết hợp giữa bộ điều khiển lập trình và cơ cấu cơ khí chính xác giúp giảm hao phí nguyên liệu thô. Doanh nghiệp dễ dàng nâng cao năng suất đóng gói và đồng đều hóa chất lượng sản phẩm xuất xưởng. Ngoài ra, việc lưu trữ thông tin sản xuất theo thời gian thực hỗ trợ truy xuất nguồn gốc lô hàng nhanh chóng. Dự án mang tính ứng dụng cao cho các xưởng chế biến nông sản và hóa chất.

1.2. Phạm vi nghiên cứu và cấu trúc vận hành

Nghiên cứu tập trung thiết kế ba khối chức năng chính gồm cấp phôi, định lượng và đóng gói nhiệt. Khối cấp phôi sử dụng động cơ bước để kéo màng bao bì chính xác theo từng bước xung. Khối định lượng sử dụng phễu chứa kết hợp cảm biến lực loadcell có độ nhạy cao. Khối đóng gói vận hành thông qua cơ cấu hàn nhiệt dọc và hàn nhiệt ngang đồng bộ. Bộ điều khiển trung tâm tiếp nhận tín hiệu cảm biến và kích hoạt các cơ cấu chấp hành khí nén. Hệ thống tích hợp mô đun kết nối mạng để truyền dữ liệu lên giao diện SCADA máy tính và ứng dụng điện thoại. Toàn bộ thiết bị được bố trí gọn gàng trong khung cơ khí inox chịu lực bền vững.

II. Phân tích thách thức ở hệ thống cân và đóng gói tự động

Dây chuyền sản xuất truyền thống đối mặt nhiều hạn chế nghiêm trọng về năng suất và độ tin cậy. Thao tác cân thủ công dẫn đến sai lệch lớn giữa các mẻ sản phẩm. Biến thiên khối lượng gây lãng phí nguyên vật liệu và ảnh hưởng uy tín thương hiệu. Tốc độ đóng gói bằng tay không thể đáp ứng nhu cầu giao hàng số lượng lớn trong thời gian ngắn. Môi trường thao tác dễ xảy ra tình trạng nhiễm bẩn chéo gây mất an toàn vệ sinh thực phẩm. Bên cạnh đó, quá trình hàn kín bao bì bằng phương pháp gia nhiệt thủ công thường thiếu ổn định. Nhiệt độ mép hàn quá cao làm cháy màng nhựa, trong khi nhiệt độ thấp gây hở mép bao. Vấn đề giám sát cũng là một điểm nghẽn kỹ thuật lớn trong khâu quản lý nhà xưởng. Người giám sát thiếu công cụ theo dõi thông số kỹ thuật tức thời từ xa. Mọi sự cố tắc nghẽn phôi hoặc quá nhiệt chỉ được xử lý khi đã phát sinh lỗi thành phẩm. Việc thiếu hụt dữ liệu số khiến kế hoạch bảo trì thiết bị mang tính thụ động.

2.1. Hạn chế về độ chính xác và tốc độ đóng gói

Phương pháp định lượng thủ công hoặc bán tự động phụ thuộc hoàn toàn vào kỹ năng thao tác. Dao động tốc độ cấp liệu thường xuyên tạo ra sai số khối lượng ngoài ngưỡng cho phép. Sự sai lệch này gây thiệt hại kinh tế đáng kể khi đóng gói các sản phẩm giá trị cao. Thêm vào đó, cơ cấu cơ khí đơn giản thiếu tính đồng bộ giữa hành trình kéo màng và cắt bao. Màng bao bì dễ bị lệch trục, tạo ra các túi sản phẩm méo mó hoặc không đạt kích thước yêu cầu. Lực kẹp không đồng đều của thanh hàn làm mép túi dễ rách trong quá trình vận chuyển. Năng suất tổng thể vì thế bị giới hạn ở mức thấp.

2.2. Khó khăn trong quản lý và giám sát thiết bị

Mô hình vận hành phân tán khiến việc kiểm soát tình trạng kỹ thuật của từng cụm máy gặp nhiều trở ngại. Kỹ thuật viên không thể phát hiện kịp thời các biến động nhiệt độ trên thanh ép nhiệt. Hiện tượng quá nhiệt kéo dài gây cháy điện trở sưởi và làm gián đoạn dây chuyền. Ngược lại, nhiệt độ suy giảm khiến các mối hàn không kết dính, làm rò rỉ sản phẩm bên trong. Việc ghi nhận số lượng thành phẩm bằng sổ sách thủ công tồn tại độ trễ và sai lệch số liệu. Quản lý nhà máy thiếu kênh cảnh báo tức thì khi xảy ra lỗi kẹt màng hoặc quá tải động cơ. Sự thiếu kết nối số ngăn cản việc số hóa hoạt động sản xuất.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống cân và đóng gói tự động tối ưu

Đồ án tốt nghiệp tại ĐH SPKT TPHCM đưa ra giải pháp toàn diện bằng việc kết hợp cơ khí chính xác và điều khiển hiện đại. Hệ thống tích hợp thuật toán điều khiển PID liên tục để duy trì nhiệt độ ép túi ổn định. Tín hiệu điều khiển tác động trực tiếp đến bộ gia nhiệt, giảm thiểu sai số quá nhiệt hoặc thiếu nhiệt. Khâu định lượng ứng dụng cảm biến lực loadcell với mạch chuyển đổi ADC độ phân giải cao. Tín hiệu khối lượng được lọc nhiễu số để xác định chính xác thời điểm ngắt phễu cấp liệu. Khối đóng gói vận hành thông qua hai cơ cấu ép nhiệt dọc và ép nhiệt ngang đối xứng. Ray trượt tuyến tính giúp chuyển động ép diễn ra êm ái, tránh hiện tượng lệch bao bì. Xy lanh khí nén tạo lực kẹp mạnh mẽ và đồng đều trên toàn bộ bề mặt mép túi. Hệ thống giám sát SCADA trên máy tính thu thập toàn bộ dữ liệu trạng thái máy. Đồng thời, ứng dụng di động Android cho phép theo dõi sản lượng và nhận cảnh báo sự cố từ xa.

3.1. Thiết kế cơ cấu ép nhiệt và cắt bao bì tự động

Cơ cấu ép nhiệt bao gồm hai cụm ép dọc và ép ngang bố trí độc lập. Cụm ép dọc sử dụng hai thanh dẫn nhiệt gắn song song trên ray trượt tuyến tính inox. Thanh ép tạo hình thân bao kín khít khi cuộn bao bì đi qua ống định hình. Cụm ép ngang chịu trách nhiệm hàn kín đáy và miệng bao thành phẩm. Thiết kế đối xứng giúp lực ép phân bổ đồng đều, loại bỏ hoàn toàn vết nhăn nếp gấp. Cụm ép ngang tích hợp lưỡi dao cắt cơ khí tác động nhanh sau khi chu trình hàn hoàn tất. Hệ thống dẫn động sử dụng xy lanh khí nén cung cấp phản ứng tức thời. Thiết kế này bảo đảm mép túi phẳng đẹp, kích thước đồng đều và đạt tiêu chuẩn thẩm mỹ.

3.2. Thuật toán điều khiển PID và giám sát SCADA từ xa

Thuật toán PID tính toán biến điều khiển dựa trên sai số giữa nhiệt độ đặt và nhiệt độ đo từ cảm biến. Khâu tỉ lệ P phản hồi nhanh chóng với sai lệch tức thời. Khâu tích phân I triệt tiêu triệt để sai số xác lập trong chu kỳ gia nhiệt. Khâu vi phân D đón đầu tốc độ thay đổi nhiệt để triệt tiêu hiện tượng vọt lố. Dữ liệu nhiệt độ và khối lượng truyền về máy chủ qua giao thức mạng công nghiệp. Giao diện SCADA trên máy tính thể hiện trực quan sơ đồ dây chuyền và đồ thị đáp ứng. Đồng thời, ứng dụng di động Android cập nhật sản lượng gói thành phẩm và thông báo trạng thái vận hành tức thời.

IV. Kết luận và triển vọng hệ thống cân và đóng gói tự động

Hệ thống cân và đóng gói tự động giám sát từ xa khẳng định tính thực tiễn cao trong sản xuất công nghiệp. Mô hình vận hành thử nghiệm chứng minh độ ổn định vượt trội về độ chính xác trọng lượng và chất lượng đường ép nhiệt. Việc kết hợp giám sát SCADA và ứng dụng di động tạo ra mô hình quản lý hiện đại, linh hoạt. Doanh nghiệp sản xuất có thể theo dõi chặt chẽ tiến độ sản xuất mọi lúc, mọi nơi. Giải pháp này giúp cắt giảm chi phí nhân công trực tiếp và hạn chế tối đa hao hụt vật tư. Khả năng tích hợp mở rộng cho phép hệ thống dễ dàng kết nối với các dây chuyền cấp phôi và đóng thùng tự động sẵn có. Đề tài mở ra tiềm năng lớn trong việc ứng dụng vào các ngành chế biến nông sản, thực phẩm khô, hóa chất dạng hạt và hạt nhựa công nghiệp. Đây là minh chứng rõ nét cho năng lực đào tạo gắn liền thực tiễn sản xuất của sinh viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

4.1. Hiệu quả vận hành và tiềm năng ứng dụng thực tế

Hệ thống đạt năng suất đóng gói ổn định và đáp ứng tốt tiêu chuẩn kỹ thuật đóng gói bao bì công nghiệp. Cơ chế định lượng chính xác giúp doanh nghiệp tiết kiệm đáng kể chi phí nguyên liệu thô hàng năm. Việc tự động hóa khâu ép mép và cắt bao giảm thiểu tỷ lệ lỗi phế phẩm xuống mức tối thiểu. Các xưởng chế biến cà phê, ngũ cốc, thức ăn chăn nuôi và phân bón vi sinh có thể áp dụng mô hình trực tiếp. Khung máy nhỏ gọn và kết cấu inox bảo đảm vệ sinh an toàn thực phẩm. Khả năng hoạt động liên tục trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt khẳng định độ bền của linh kiện cơ điện tử.

4.2. Hướng phát triển và tích hợp công nghệ tương lai

Hệ thống mở ra nhiều hướng nâng cấp công nghệ trong các giai đoạn phát triển tiếp theo. Việc tích hợp camera kiểm tra chất lượng bằng trí tuệ nhân tạo sẽ phát hiện vết rách màng tự động. Hệ thống cảm biến tải trọng có thể nâng cấp thuật toán lọc thích nghi để bù trừ rung động môi trường tốt hơn. Việc đồng bộ hóa dữ liệu lên nền tảng điện toán đám mây hỗ trợ quản trị sản xuất xuyên suốt nhiều chi nhánh. Các thuật toán học máy có thể phân tích dữ liệu nhiệt độ và áp suất để dự đoán tuổi thọ thanh nhiệt. Điều này tạo nền tảng cho việc triển khai mô hình bảo trì dự đoán thông minh theo tiêu chuẩn công nghiệp 4.0.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh nền kinh tế và các ngành công nghiệp thực phẩm, nông sản, dược phẩm tại Việt Nam không ngừng mở rộng quy mô sản xuất, yêu cầu tự động hóa trong khâu đóng gói bao bì trở nên cấp thiết nhằm đảm bảo sản lượng và chất lượng hàng hóa. Mặc dù các dây chuyền đóng gói tự động mang lại năng suất cao, độ ổn định của mối hàn và kiểm soát khối lượng chuẩn xác, chi phí đầu tư ban đầu cho các thiết bị này tương đối cao (thường từ 3.000 USD mỗi máy trở lên, chưa tính chi phí bảo trì định kỳ), đồng thời đòi hỏi kỹ thuật viên vận hành có trình độ chuyên môn cao. Do đó, phần lớn các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ tại Việt Nam vẫn duy trì phương pháp đóng gói bán tự động hoặc thủ công. Tuy nhiên, đóng gói thủ công lại tồn tại nhiều nhược điểm lớn: năng suất thấp, chất lượng đường ép nhiệt thiếu đồng đều, dễ rò rỉ khí và sai số định lượng khối lượng sản phẩm cao.

Để giải quyết bài toán giảm thiểu chi phí đầu tư nhưng vẫn bảo đảm năng suất và chất lượng sản phẩm, đồ án tốt nghiệp "Hệ thống cân và đóng gói tự động giám sát từ xa" được thực hiện với các mục tiêu cụ thể:

1. Thiết kế, thi công, điều khiển và giám sát hoàn chỉnh hệ thống cân và đóng gói bao bì tự động.
2. Điều khiển nhiệt độ ép bao ổn định, có khả năng tùy biến theo từng loại màng bao bì.
3. Kiểm soát khối lượng sản phẩm đóng gói, duy trì độ chênh lệch giữa các bao trong phạm vi cho phép.
4. Đảm bảo tính đồng nhất về kích thước chiều dài và hình thức bao bì thành phẩm.
5. Cho phép cài đặt, thu thập dữ liệu và giám sát toàn bộ thông số vận hành của quá trình cân, ép nhiệt từ xa qua mạng.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 4 nội dung trọng tâm:

1. Thiết kế và thi công mô hình phần cứng cơ khí, tủ điện điều khiển.
2. Lập trình chương trình điều khiển trung tâm cho bộ điều khiển PLC.
3. Thiết kế giao diện SCADA trên máy tính và ứng dụng giám sát trên hệ điều hành Android.
4. Vận hành thử nghiệm, đo đạc sai số, hiệu chỉnh và hoàn thiện hệ thống.

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ cấu cân định lượng dạng hạt (nguyên liệu thử nghiệm là gạo), cơ cấu tạo hình túi, cơ cấu dập ép nhiệt màng bao bì và hệ thống truyền thông giám sát dữ liệu.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Kỹ thuật: Khối lượng đóng gói tối đa không vượt quá 140 g (thực nghiệm ở các mốc 50 g, 100 g, 130 g); chiều dài túi bao bì thành phẩm không vượt quá 12 cm; truyền thông không dây cục bộ qua giao thức MQTT trong phạm vi mạng nội bộ (LAN).
  • Không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện trong thời gian hơn 5 tháng (từ ngày 01/01/2025 đến ngày 10/06/2025) tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, phối hợp nghiên cứu và gia công tại Công ty TNHH Giải pháp lưu trữ PROSST.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết điều khiển tự động kinh điển, nguyên lý truyền động cơ điện - khí nén và công nghệ mạng truyền thông dữ liệu trong công nghiệp:

• Khung lý thuyết và mô hình áp dụng:

  • Thuật toán điều khiển PID liên tục: Ứng dụng giải thuật điều khiển phản hồi PID nhằm ổn định nhiệt độ tại các thanh ép nhiệt theo phương trình: $$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(t)dt + K_d \frac{de(t)}{dt}$$ Phương pháp xác định và hiệu chỉnh thông số $K_p, K_i, K_d$ dựa trên phương pháp thực nghiệm tinh chỉnh bằng tay có tham chiếu quy tắc Ziegler – Nichols và công cụ hỗ trợ trên phần mềm TIA Portal (Siemens).
  • Mô hình truyền thông MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): Áp dụng kiến trúc Publish/Subscribe thông qua một Broker trung gian với 3 mức độ dịch vụ (QoS 0, QoS 1, QoS 2), giúp thiết bị truyền nhận dữ liệu nhanh, gói tin nhỏ, tối ưu cho các thiết bị điều khiển biên và di động.
  • Tiêu chuẩn thiết kế giao diện vận hành HMI/SCADA: Phân cấp cấu trúc hiển thị 4 cấp độ, áp dụng bảng màu tiêu chuẩn công nghiệp (đỏ: dừng/báo động; xanh lá: hoạt động/an toàn; lam: lệnh bắt buộc; nền màu xám trung tính để tăng khả năng tương phản và giảm mỏi mắt cho người vận hành).

• Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp kế thừa và tối giản hóa thiết kế cơ khí: Khảo sát các dòng máy đóng gói thương mại tại thị trường Việt Nam, kế thừa cấu trúc khung dạng đứng nhưng giản lược các cụm chi tiết thứ cấp để giảm giá thành gia công và phù hợp quy mô thử nghiệm 1:1.
  • Phương pháp tích hợp hệ thống phần cứng: Thiết kế phân tầng cơ khí, lựa chọn đồng bộ giữa cơ cấu chấp hành khí nén, động cơ bước điều khiển vị trí kéo màng, cảm biến tải trọng (Loadcell) và cảm biến nhiệt độ công nghiệp (RTD).
  • Phương pháp điều khiển tuần tự: Thiết kế giải thuật điều khiển dựa trên sơ đồ máy trạng thái (State Diagram) cho hai chế độ vận hành độc lập: Tự động (Auto) và Bằng tay (Manual).

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ cảm biến nhiệt độ PT100, tín hiệu điện áp từ mạch khuếch đại cảm biến khối lượng Loadcell 5kg, số liệu thời gian chuyển động của xi lanh khí nén và kết quả cân thực tế trên các mẻ sản phẩm đóng gói.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh từ kết cấu cơ khí, mạng phân phối điện - khí nén đến chương trình điều khiển và ứng dụng giám sát.

Kiến trúc cơ khí và bố trí không gian

Khung máy có kích thước bao $0{,}6\text{ m} \times 1\text{ m} \times 2\text{ m}$, gia công từ sắt hộp định hình, được phân chia làm 3 khu vực theo chiều thẳng đứng nhằm tận dụng trọng lực tự nhiên trong quá trình cấp liệu:

• Khu vực trên cùng (Tầng 1): Bố trí phễu cấp nhiên liệu thô và phễu cân định lượng. Cửa xả của phễu được điều khiển đóng/mở bằng cơ cấu xi lanh khí nén.
• Khu vực giữa (Tầng 2): Bố trí ống định hình bao bì dạng phễu dẫn hướng, cụm ép nhiệt dọc (hàn lưng túi) chuyển động trên ray trượt tuyến tính, và cơ cấu con lăn - puly kéo cuộn màng bao bì dẫn động bởi động cơ bước.
• Khu vực dưới cùng (Tầng 3): Bố trí cụm ép nhiệt ngang (hàn đáy và miệng túi) đối xứng kèm dao cắt cơ khí để tách rời từng gói sản phẩm, phía dưới là khay đón sản phẩm thành phẩm.

Lựa chọn thiết bị phần cứng và cấu hình hệ thống

Hệ thống sử dụng các linh kiện cơ điện, khí nén và thiết bị điều khiển công nghiệp được tính toán đồng bộ theo bảng đặc tả kỹ thuật dưới đây:

Phân hệ	Thiết bị / Linh kiện	Mã hiệu / Quy cách	Vai trò kỹ thuật trong hệ thống
Xử lý trung tâm	PLC Siemens S7-1200	CPU 1214C DC/DC/DC	Điều khiển logic tuần tự, thực thi vòng lặp PID, xử lý giao tiếp MQTT
Module mở rộng	Bo mạch tín hiệu tương tự	SB 1231 1AI for RTD	Thu nhận tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến RTD
Module mở rộng	Module ngõ ra tương tự	SM 1232 4AQ	Xuất tín hiệu dòng điện $4\text{ - }20\text{ mA}$ điều khiển rơ-le gia nhiệt
Đo lường khối lượng	Cảm biến lực (Loadcell)	HS0211 (Tải trọng $5\text{ kg}$)	Cân định lượng khối lượng gạo tại phễu cân
Khuếch đại cảm biến	Mạch khuếch đại Loadcell	JY-S60	Chuyển đổi tín hiệu $m\text{V}$ từ Loadcell sang dải điện áp công nghiệp chuẩn đưa về PLC
Cảm biến nhiệt độ	Cảm biến nhiệt điện trở	PT100	Đo nhiệt độ thực tế tại hai thanh ép nhiệt ngang và ép nhiệt dọc
Bộ chuyển đổi tín hiệu	Transmitter RTD	$0\text{ - }10\text{ V}$ ($0\text{ - }400^\circ\text{C}$)	Chuyển đổi điện trở PT100 sang điện áp analog
Công suất gia nhiệt	Rơ-le bán dẫn (SSR)	Fotek SSR-20LA	Điều khiển đóng ngắt tuyến tính nguồn điện $220\text{ VAC}$ cho thanh gia nhiệt bằng tín hiệu $4\text{ - }20\text{ mA}$
Truyền động kéo màng	Động cơ bước (Stepper)	Động cơ bước Size 48	Kéo màng bao bì qua puly với độ chính xác góc quay cao
Mạch lái động cơ	Driver động cơ bước	TB6600	Nhận xung điều khiển hướng và bước từ PLC
Cơ cấu chấp hành khí	Xi lanh khí nén	SDA 20x30s, CDJ2D 10x50s, SMC 12x50, SMC 12x75, SMC 16x40	Đóng mở cửa phễu liệu, kẹp ép thanh hàn nhiệt ngang và dọc
Điều khiển khí nén	Van điện từ khí nén	AirTac 4V110-06 (Van 5/2) và Van 3/2	Điều khiển đảo chiều phân phối khí nén cấp cho các xi lanh
Nguồn cấp điện	Nguồn xung tổ ong	$24\text{ VDC} - 5\text{ A}$	Cung cấp nguồn một chiều cho PLC, cảm biến, van điện từ và mạch điều khiển

Triển khai phần mềm và thuật toán điều khiển

• Thuật toán chu trình hoạt động: Toàn bộ chu kỳ đóng gói tuần tự gồm 6 bước khép kín:
  1. Các xi lanh khí nén ép hai thanh nhiệt ngang và dọc để tạo hình và hàn kín bao bì khi nhiệt độ đạt giá trị cài đặt ($180^\circ\text{C} - 195^\circ\text{C}$).
  2. Động cơ bước quay puly kéo cuộn màng bao bì xuống một đoạn cố định theo chiều dọc.
  3. Mở xi lanh cửa xả phễu cấp nhiên liệu để gạo chảy xuống phễu cân.
  4. Cảm biến Loadcell giám sát khối lượng; khi đạt giá trị đặt trước, tín hiệu điều khiển kích hoạt đóng phễu cấp liệu.
  5. Xi lanh phễu cân mở ra, xả lượng gạo đã cân đi qua ống dẫn hướng xuống bao bì đã ép đáy.
  6. Xi lanh ép ngang dập hàn miệng bao, kích hoạt dao cắt hoàn thiện gói sản phẩm và chuẩn bị chu kỳ kế tiếp.
• Cấu hình giao tiếp MQTT trên PLC: Sử dụng thư viện LMQTT trên phần mềm TIA Portal. Hệ thống khởi tạo khối LMQTT_Client liên kết khối dữ liệu DB_MQTT để kết nối với MQTT Broker. Chương trình xây dựng hai khối chức năng chuyên biệt: khối tách chuỗi (Wstring_Split) dùng để trích xuất các tham số điều khiển nhận từ giao diện, và khối ghép chuỗi (Wstring_Combine) dùng để đóng gói các giá trị biến thực tế (Process Variables) dạng chuỗi ký tự gửi lên Broker.
• Giao diện điều khiển: Hệ thống thiết lập giao diện giám sát máy tính và ứng dụng Android bao gồm:
  • Màn hình chính: Cho phép chọn chế độ Auto/Manual, hiển thị trạng thái hoạt động của từng cơ cấu xả, cân, kéo bao, ép nhiệt và đếm số lượng bao thành phẩm.
  • Màn hình cài đặt: Thiết lập khối lượng đặt (Setpoint), ngưỡng nhiệt độ ép, thời gian giữ ép nhiệt.
  • Màn hình giám sát nhiệt độ: Hiển thị đồ thị nhiệt độ thực tế theo thời gian, phát tín hiệu cảnh báo quá nhiệt khi có sự cố.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới Thiệu Chung

Chương này phân tích bối cảnh ngành đóng gói bao bì trong nước, đặt vấn đề nghiên cứu từ bài toán chi phí thiết bị đắt đỏ và hạn chế của phương pháp đóng gói thủ công tại các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ. Tác giả xác định rõ 5 mục tiêu nghiên cứu, phạm vi giới hạn của đề tài (khối lượng $\le 140\text{ g}$, chiều dài bao $\le 12\text{ cm}$, mạng nội bộ MQTT), phương pháp tiếp cận và cấu trúc tổng quát của báo cáo.

Chương 2: Tổng Quan Về Hệ Thống Cân Và Đóng Gói Tự Động

Tác giả trình bày tổng quan cấu tạo các hệ thống đóng gói trên thị trường với 3 cơ cấu cốt lõi: cơ cấu cân định lượng, cơ cấu ép nhiệt và cơ cấu kéo màng bao bì. Chương này phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động 6 bước của dây chuyền; tổng hợp lý thuyết điều khiển phản hồi PID liên tục, công thức tính các khâu tỉ lệ ($P$), tích phân ($I$), vi phân ($D$) và phương pháp chỉnh định tham số Ziegler - Nichols; giới thiệu kiến trúc IoT công nghiệp, cơ chế Publish/Subscribe của giao thức MQTT; cùng các quy tắc chuẩn hóa giao diện HMI về bố cục màu sắc, cấp độ màn hình và xử lý cảnh báo.

Chương 3: Thiết Kế Phần Cứng

Chương 3 chi tiết hóa quy trình thiết kế phần cứng 5 bước từ việc xác định yêu cầu khách hàng (nhiệt độ ổn định $\pm 5^\circ\text{C}$, sai số khối lượng $\pm 10\text{ g}$ cho dải $50\text{ - }140\text{ g}$, độ ồn thấp, trang bị nút dừng khẩn cấp E-Stop). Tác giả thuyết minh bản vẽ thiết kế khung máy sắt hộp 3 tầng tỉ lệ 1:1 ($0{,}6\text{ m} \times 1\text{ m} \times 2\text{ m}$), thiết kế cơ cấu trượt dẫn hướng ép nhiệt ngang - dọc, cơ cấu kéo màng bằng động cơ bước và puly. Phần điện và khí nén trình bày các tính toán chọn lựa PLC S7-1200 CPU 1214C, các module SM 1232, SB 1231, cảm biến Loadcell HS0211, mạch khuếch đại JY-S60, cảm biến PT100, rơ-le SSR Fotek-20LA, hệ thống xi lanh khí nén SMC, Airtac và sơ đồ đấu nối tủ điện chi tiết.

Chương 4: Thiết Kế Phần Mềm

Nội dung chương tập trung vào giải thuật điều khiển hệ thống bằng sơ đồ trạng thái PLC cho chế độ Auto và Manual. Tác giả trình bày cấu hình thư viện LMQTT_Client, cấu trúc khối dữ liệu kết nối DB_MQTT, thuật toán trong các khối hàm xử lý chuỗi ký tự Wstring_Split và Wstring_Combine nhằm phục vụ việc giao tiếp dữ liệu giữa PLC và Broker. Cuối cùng, chương thuyết minh thiết kế các trang giao diện SCADA và Android (Màn hình chính, Màn hình cài đặt tham số, Màn hình giám sát đồ thị nhiệt độ).

Chương 5: Kết Quả Đạt Được

Trình bày kết quả thực nghiệm hoàn chỉnh của mô hình cơ khí, tủ điều khiển và phần mềm. Tác giả đưa ra các kết quả vận hành đóng gói bao bì ở 3 mức tải trọng $50\text{ g}$, $100\text{ g}$ và $130\text{ g}$; các thông số thực tế về thời gian hoạt động của các cơ cấu trong 1 chu kỳ; đánh giá chất lượng đường hàn mép bao bì, độ kín khí và tính thẩm mỹ; đồng thời ghi nhận hiện tượng trượt bao bì tại cơ cấu truyền động puly trong quá trình chạy thử.

Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển

Tổng kết mức độ hoàn thành dựa trên các yêu cầu ban đầu về độ chính xác nhiệt độ, khối lượng, năng suất đóng gói và tính năng điều khiển từ xa. Tác giả chỉ ra các điểm tồn tại kỹ thuật và đề xuất các phương án cải tiến hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

• Kết quả thực nghiệm kỹ thuật:
  • Hoàn thiện mô hình máy đóng gói kích thước thật ($0{,}6\text{ m} \times 1\text{ m} \times 2\text{ m}$) hoạt động ổn định cả về phần cứng cơ khí, mạch điện và hệ thống cấp khí nén.
  • Thuật toán PID kiểm soát nhiệt độ thanh ép hoạt động hiệu quả trong khoảng nhiệt độ đặt $180^\circ\text{C} - 195^\circ\text{C}$, độ lệch dao động nhiệt độ thực tế duy trì trong phạm vi $\pm 5^\circ\text{C}$, giúp đường hàn bao bì đều, chắc chắn và không bị cháy viền.
  • Thực nghiệm đóng gói thành công ở 3 cấp khối lượng: $50\text{ g}$, $100\text{ g}$ và $130\text{ g}$.
  • Năng suất hệ thống đạt yêu cầu đề ra: tối thiểu 4 sản phẩm/phút, tương đương công suất vận hành khoảng 200 - 240 sản phẩm/giờ.
  • Thiết lập thành công kênh truyền thông MQTT giữa PLC S7-1200 với máy tính SCADA và điện thoại Android trong mạng LAN, cho phép giám sát dữ liệu và cài đặt thông số từ xa không dây.
• Giải pháp và kiến nghị cải tiến của tác giả:
  • Cần nâng cấp bề mặt tiếp xúc hoặc kết cấu kẹp của cụm puly kéo bao bì nhằm khắc phục hiện tượng trượt màng túi trong chu kỳ kéo phôi.
  • Cải tiến hình học cơ cấu phễu xả liệu để giảm thiểu hạt gạo rơi vãi và tối ưu tốc độ ngắt dòng nguyên liệu nhằm hạ thấp sai số cân.
• Đóng góp của đề tài:
  • Cung cấp một giải pháp thiết kế hệ thống đóng gói tự động hóa tích hợp cân định lượng hoàn chỉnh với chi phí vật tư thấp, phù hợp cho quy mô sản xuất nhỏ.
  • Ứng dụng thành công giải pháp kết nối giao thức công nghệ IoT mở (MQTT) trực tiếp từ bộ điều khiển khả trình PLC S7-1200 lên giao diện di động, không phụ thuộc vào các gói phần mềm giám sát chuyên dụng đắt tiền.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế được ghi nhận:
  • Độ chính xác của cơ cấu cân định lượng còn chịu ảnh hưởng của quán tính dòng hạt rơi, chưa đạt được mức sai số dưới 5%.
  • Cơ cấu truyền động kéo cuộn màng bao bì còn xảy ra lỗi trượt trong một số điều kiện vận hành, làm ảnh hưởng nhẹ đến tính đồng đều về chiều dài bao bì.
  • Phạm vi tải trọng đóng gói bị giới hạn dưới $140\text{ g}$ và kích thước chiều dài bao bì tối đa $12\text{ cm}$.
  • Hệ thống truyền thông MQTT chỉ mới được triển khai trong phạm vi mạng cục bộ (LAN), chưa tích hợp lên nền tảng máy chủ đám mây (Cloud Broker) có mã hóa SSL/TLS để điều khiển xuyên mạng Internet.
• Hướng phát triển:
  • Mở rộng phạm vi đóng gói cho các mức tải trọng lớn hơn và nhiều loại nguyên liệu hạt khác nhau.
  • Triển khai MQTT Broker lên Server Cloud kết hợp các cơ chế bảo mật xác thực để phục vụ quản lý sản xuất diện rộng.
  • Tối ưu hóa cơ cấu cơ khí chống trượt màng bao và nâng cấp thuật toán điều khiển thích nghi cho cụm phễu cấp liệu.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí chế tạo máy và Kỹ thuật Điện - Điện tử. Các nội dung có giá trị ứng dụng cao bao gồm:

• Bản vẽ bố trí kết cấu khung máy phân tầng theo phương thẳng đứng kết hợp ray trượt dẫn hướng thanh nhiệt.
• Sơ đồ mạch điện ghép nối chi tiết giữa PLC Siemens S7-1200 với cảm biến nhiệt độ PT100 qua bộ chuyển đổi RTD và rơ-le bán dẫn SSR Fotek-20LA điều khiển tuyến tính góc kích bằng tín hiệu dòng $4\text{ - }20\text{ mA}$.
• Phương pháp lập trình kết nối mạng và xử lý chuỗi ký tự truyền nhận dữ liệu qua thư viện LMQTT trên phần mềm TIA Portal.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm và các module mở rộng nào được sử dụng để vận hành toàn bộ hệ thống?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, kết hợp cùng 1 bo mạch tín hiệu đầu vào tương tự SB 1231 1AI for RTD (đọc tín hiệu cảm biến nhiệt) và 1 module mở rộng ngõ ra tương tự SM 1232 4AQ (xuất dòng điện $4\text{ - }20\text{ mA}$ điều khiển rơ-le bán dẫn SSR).

2. Hệ thống kiểm soát và điều khiển nhiệt độ mối hàn bao bì bằng phương pháp và linh kiện gì?
Nhiệt độ được giám sát bằng 2 cảm biến RTD PT100 gắn tại thanh ép ngang và dọc, truyền tín hiệu qua bộ chuyển đổi Two-wire transmitter RTD ($0\text{ - }10\text{ V}, 0\text{ - }400^\circ\text{C}$). PLC thực thi thuật toán điều khiển PID liên tục và xuất tín hiệu điều khiển $4\text{ - }20\text{ mA}$ tới rơ-le bán dẫn Fotek SSR-20LA để đóng ngắt điện trở nhiệt $220\text{ VAC}$, duy trì nhiệt độ trong dải $180^\circ\text{C} - 195^\circ\text{C}$ với sai số dao động trong ngưỡng $\pm 5^\circ\text{C}$.

3. Dải định lượng khối lượng và năng suất đóng gói thực nghiệm của hệ thống đạt bao nhiêu?
Hệ thống được thiết kế cho các mẻ đóng gói có khối lượng không quá $140\text{ g}$ với chiều dài bao bì không quá $12\text{ cm}$. Trong thực nghiệm, hệ thống đã chạy thử nghiệm thành công ở 3 mức định lượng là $50\text{ g}$, $100\text{ g}$ và $130\text{ g}$. Năng suất đóng gói đạt từ 4 sản phẩm/phút trở lên, tương đương khoảng 200 - 240 gói/giờ.

4. Dữ liệu từ PLC được truyền tải tới giao diện giám sát SCADA và ứng dụng di động qua cơ chế nào?
PLC S7-1200 sử dụng thư viện LMQTT với khối hàm LMQTT_Client kết nối tới MQTT Broker qua mạng nội bộ. Dữ liệu trạng thái, nhiệt độ và khối lượng được mã hóa, xử lý thông qua hai khối hàm chức năng Wstring_Split (tách chuỗi lệnh nhận) và Wstring_Combine (ghép chuỗi dữ liệu gửi) để cập nhật liên tục lên máy tính SCADA và ứng dụng di động Android.

5. Cơ cấu nào đảm nhiệm việc kéo phôi màng bao bì và cơ cấu nào thực hiện ép hàn bao?
Cơ cấu kéo cuộn bao bì được dẫn động bằng động cơ bước (Stepper motor) size 48 kết hợp bộ điều khiển Driver TB6600 thông qua hệ thống puly và con lăn. Trong khi đó, các chuyển động kẹp ép của thanh hàn nhiệt dọc, thanh hàn nhiệt ngang và cửa xả phễu liệu được dẫn động bằng hệ thống 4 xi lanh khí nén tác động qua các van điện từ AirTac (van 5/2 và 3/2).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống cân và đóng gói tự động giám sát từ xa" đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công một mô hình máy đóng gói nhiệt dạng đứng tích hợp cân định lượng hoàn chỉnh với quy mô 1:1. Việc ứng dụng giải thuật điều khiển phản hồi PID đã đảm bảo duy trì độ ổn định nhiệt độ mối hàn trong dải $180^\circ\text{C} - 195^\circ\text{C}$, đồng thời giao thức truyền thông MQTT cho phép giám sát thông số vận hành linh hoạt trên cả máy tính và thiết bị di động Android. Đây là giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao, hỗ trợ hiệu quả cho việc tự động hóa khâu đóng gói với chi phí hợp lý tại các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Giới Thiệu Chung Trong bối cảnh đất nước ngày càng phát triển dưới sự lãnh đạo của Đảng và Nhà nước, nhu cầu tiêu dùng trong các ngành công nghiệp thực phẩm, nông sản và dược phẩm đang không ngừng gia tăng. Người dân ngày càng tin tưởng hơn vào chất lượng hàng hóa trong nước, kéo theo xu hướng mở rộng sản xuất và nâng cao sản lượng ở các ngành liên quan nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường ngày một lớn. Để đáp ứng yêu cầu xử lý khối lượng lớn sản phẩm một cách hiệu quả, các nhà sản xuất đã và đang áp dụng công nghệ tự động hóa vào dây chuyền sản xuất, trong đó khâu đóng gói bao bì đóng vai trò then chốt.

Tuy nhiên, nhiều cơ sở sản xuất nhỏ và vừa tại Việt Nam vẫn duy trì phương pháp đóng gói bán tự động hoặc thủ công. Cả hai phương pháp đóng gói tự động hóa và đóng gói bán tự động/thủ công, đều có những ưu và nhược điểm riêng, phản ánh sự khác biệt trong chiến lược sản xuất và điều kiện thực tế của các doanh nghiệp. Đóng gói tự động hóa mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Công nghệ này đảm bảo độ chính xác cao trong khối lượng đóng gói, chất lượng mối hàn đồng đều và ổn định, đồng thời tăng năng suất đáng kể nhờ giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhân công.

Hệ thống tự động hóa còn cho phép giám sát và điều khiển từ xa, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu sai sót. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cho các máy đóng gói tự động hóa khá cao, thường dao động từ 3.000 USD mỗi máy, chưa kể chi phí bảo trì định kỳ không hề nhỏ. Ngoài ra, việc vận hành và bảo dưỡng các hệ thống này đòi hỏi kỹ thuật viên phải được đào tạo chuyên sâu trong thời gian dài, tạo ra rào cản về nguồn lực cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Ngược lại, đóng gói bán tự động hoặc thủ công vẫn được nhiều cơ sở sản xuất nhỏ tại Việt Nam ưa chuộng nhờ chi phí đầu tư ban đầu thấp và tính linh hoạt trong vận hành.

Phương pháp này không yêu cầu kỹ thuật viên có trình độ cao, phù hợp với các doanh nghiệp có nguồn lực hạn chế. Tuy nhiên, đóng gói thủ công dễ dẫn đến sai số về khối lượng, chất lượng mối hàn không ổn định, và năng suất thấp do phụ thuộc nhiều vào kỹ năng và tốc độ của người lao động. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn làm tăng nguy cơ không đáp ứng được nhu cầu thị trường ngày càng khắt khe. TỔNG QUAN Do đó, nhóm chúng em đã quyết định chọn nghiên cứu và thực hiện đề tài “Hệ thống cân và đóng gói bao tự động giám sát từ xa” trong đồ án tốt nghiệp nhằm giải quyết vấn đề chi phí nhưng vẫn đảm bảo năng suất hệ thống.

Mục Tiêu Đề Tài − Thiết kế, thi công, điều khiển và giám sát hệ thống cân và đóng gói bao tự động. − Nhiệt độ ép bao được điều khiển cho phù hợp với loại bao bì tùy ý. − Khối lượng sản phẩm chênh lệch giữa các bao bì ở mức cho phép. − Đồng nhất về kích thước bao bì.

− Toàn bộ bộ các thông số của quá trình cân và ép nhiệt có thể được cài đặt và giám sát từ xa. Giới Hạn Đề Tài − Độ chính xác của cân định lượng còn chưa đáp ứng sai số không dưới 5%. − Các tham số PID được lựa chọn để hệ thống có chỉ tiêu chất lượng trong miền thời gian thỏa yêu cầu về độ vọt lố, thời gian quá độ. − Khối lượng sản phẩm không vượt quá 140 gam và chiều dài bao bì không quá 12cm.