Đồ án tốt nghiệp: Hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai tự động

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp hệ thống chiết rót đóng nắp và dán nhãn chai tự động, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Trần Quyết Thắng
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Phong Lưu
• 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 Chiết Rót, Đóng Nắp Và Dán Nhãn Chai Tự Động
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu đề tài, mục tiêu, giải pháp và giới hạn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan dây chuyền chiết rót và các hệ thống trên thị trường
• 2.2. Các phương pháp dán nhãn
• 2.2.1. Phương pháp dùng con lăn di động
• 2.2.2. Phương pháp dùng cơ cấu kẹp thủy lực
• 2.2.3. Phương pháp dùng cơ cấu băng ma
• 2.3. Các phương pháp chiết rót có trong thị trường hiện nay
• 2.3.1. Định lượng bằng bình định mức
• 2.3.2. Định lượng thông qua chiết tới mức cố định
• 2.3.3. Định lượng chiết theo thời gian
• 2.3.4. Phương pháp chiết rót của máy chiết rót định lượng
• 2.3.5. Phương pháp chiết rót áp suất thường
• 2.3.6. Phương pháp chiết rót áp suất chân không
• 2.3.7. Phương pháp chiết rót đẳng áp
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. Yêu cầu thiết kế
• 3.1.1. Yêu cầu thiết kế phần cơ
• 3.1.2. Yêu cầu thiết kế phần điện
• 3.2. Quy trình vận hành của hệ thống
• 3.3. Thiết kế hệ thống
• 3.3.1. Thiết kế phần cơ khí
• 3.3.2. Thiết kế phần điện
• 3.4. Thiết bị có trong hệ thống
• 3.4.1. Bộ điều khiển PLC
• 3.4.2. Cảm biến khoảng cách
• 3.4.3. Cụm van khí nén VQ1100
• 3.4.4. Xy lanh 2 ty
• 3.4.5. Động cơ xoáy nắp JGY370 40RPM
• 3.4.6. Stepper Driver TB6550
• 3.5. Sơ đồ thiết bị kết nối với PLC
• 3.6. Giải thuật và lưu đồ
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. Thi công phần cứng
• 4.1.1. Khâu băng tải chờ đưa chai rỗng vào khâu chiết rót
• 4.1.2. Khâu di chuyển chai
• 4.1.3. Khâu cấp và đóng nắp
• 4.1.4. Khâu dán nhãn chai tự động
• 4.2. Giao diện điều khiển và giám sát
• 4.3. Cài đặt và cấu hình cho động cơ bước bằng Driver điều khiển động cơ
• 4.4. Phát xung điều khiển động cơ bước bằng PLC Siemens S7 – 1200
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN
• 5.1. Kết quả về phần cứng
• 5.2. Giao diện điều khiển SCADA
• 5.3. Đánh giá kết quả đạt được
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Kết quả đạt được
• 6.2. Những hạn chế cần cải thiện
• 6.3. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống chiết rót và dán nhãn chai tự động

Ngành công nghiệp sản xuất nước giải khát hiện nay đang áp dụng hệ thống chiết rót và dán nhãn chai tự động để nâng cao hiệu quả sản xuất. Việc sử dụng máy chiết rót tự động giúp giảm thiểu nhân công và tăng năng suất. Các công đoạn như chiết rót, đóng nắp và dán nhãn đều yêu cầu độ chính xác cao. Theo thống kê, các tập đoàn lớn như Coca-Cola và PepsiCo đã thành công trong việc triển khai dây chuyền sản xuất tự động, mang lại hiệu quả kinh tế cao. Công nghệ chiết rót hiện đại không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm. Hệ thống này thường được tích hợp với các thiết bị như PLC để điều khiển và giám sát toàn bộ quy trình sản xuất.

1.1. Quy trình chiết rót và dán nhãn

Quy trình chiết rót bao gồm nhiều bước từ việc làm sạch chai, chiết rót, đóng nắp cho đến dán nhãn. Mỗi bước đều cần được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Hệ thống dán nhãn tự động đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin sản phẩm và tăng tính thẩm mỹ. Việc áp dụng công nghệ dán nhãn tự động giúp tiết kiệm thời gian và giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất. Các thiết bị dán nhãn hiện nay thường được thiết kế để phù hợp với nhiều loại chai khác nhau, từ chai tròn đến chai vuông.

II. Các phương pháp chiết rót hiện nay

Trong ngành công nghiệp sản xuất, có nhiều phương pháp chiết rót khác nhau được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm chiết rót áp suất thường, chiết rót áp suất chân không và chiết rót đẳng áp. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp chiết rót áp suất thường là phương pháp phổ biến nhất, cho phép chiết rót nhanh chóng và hiệu quả. Tuy nhiên, độ chính xác có thể không cao bằng các phương pháp khác. Chiết rót áp suất chân không giúp giảm thiểu sự tiếp xúc của chất lỏng với không khí, từ đó bảo quản chất lượng sản phẩm tốt hơn. Chiết rót đẳng áp là phương pháp tiên tiến nhất, đảm bảo độ chính xác cao và giảm thiểu sự thất thoát chất lỏng trong quá trình chiết rót.

2.1. Định lượng bằng bình định mức

Phương pháp này sử dụng bình định mức để đo lường chính xác lượng chất lỏng cần chiết rót. Ưu điểm của phương pháp này là độ chính xác cao, giúp đảm bảo rằng mỗi chai đều được chiết rót đúng lượng. Tuy nhiên, quy trình này có thể tốn thời gian và yêu cầu sự chuẩn bị kỹ lưỡng trước khi chiết rót. Việc sử dụng bình định mức cũng đòi hỏi phải có thiết bị hỗ trợ để đảm bảo rằng quá trình chiết rót diễn ra một cách liên tục và hiệu quả.

III. Thiết kế và thi công hệ thống

Thiết kế hệ thống chiết rót và dán nhãn chai tự động bao gồm nhiều yếu tố như thiết kế cơ khí, điện và lập trình điều khiển. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả. Thiết kế phần cơ khí cần đảm bảo tính linh hoạt và dễ dàng thay đổi để phù hợp với nhiều loại chai khác nhau. Thiết kế phần điện bao gồm việc lựa chọn các cảm biến, động cơ và bộ điều khiển PLC. Quá trình thi công hệ thống cần được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo rằng tất cả các thành phần hoạt động hài hòa với nhau.

3.1. Thi công phần cứng

Thi công phần cứng của hệ thống bao gồm việc lắp đặt các thiết bị như băng tải, máy chiết rót và máy dán nhãn. Quá trình này cần được thực hiện theo đúng quy trình kỹ thuật để đảm bảo an toàn và hiệu quả. Việc lắp đặt các cảm biến và bộ điều khiển cũng cần được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động tự động. Hệ thống tự động hóa không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất.

IV. Kết quả thực hiện và đánh giá

Kết quả thực hiện của hệ thống chiết rót và dán nhãn chai tự động cho thấy sự cải thiện rõ rệt về năng suất và chất lượng sản phẩm. Hệ thống đã đạt được tỷ lệ chai được chiết rót và dán nhãn thành công lên đến 95%. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa đã giúp giảm thiểu thời gian sản xuất và tăng cường hiệu quả công việc. Đánh giá kết quả cho thấy rằng hệ thống không chỉ đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật mà còn mang lại giá trị kinh tế cao cho doanh nghiệp.

4.1. Đánh giá hiệu quả

Đánh giá hiệu quả của hệ thống chiết rót và dán nhãn cho thấy rằng việc tự động hóa quy trình sản xuất đã mang lại nhiều lợi ích. Hệ thống hoạt động liên tục và có khả năng xử lý nhiều chai cùng một lúc, giúp tăng cường năng suất. Ngoài ra, độ chính xác trong quá trình chiết rót và dán nhãn cũng được cải thiện đáng kể, giảm thiểu sai sót và nâng cao chất lượng sản phẩm. Điều này không chỉ giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao uy tín thương hiệu trên thị trường.

V. Kết luận và hướng phát triển

Hệ thống chiết rót và dán nhãn chai tự động đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả trong ngành công nghiệp sản xuất nước giải khát. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc cải tiến các thiết bị và quy trình để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường. Ngoài ra, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới trong lĩnh vực tự động hóa cũng sẽ góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.

5.1. Đề xuất hướng phát triển

Đề xuất hướng phát triển cho hệ thống chiết rót và dán nhãn chai tự động bao gồm việc tích hợp thêm các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy để tối ưu hóa quy trình sản xuất. Việc áp dụng các giải pháp này sẽ giúp hệ thống hoạt động thông minh hơn, tự động phát hiện và xử lý các sự cố trong quá trình sản xuất. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả mà còn giảm thiểu chi phí vận hành cho doanh nghiệp.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp sản xuất thực phẩm và nước giải khát, các công đoạn đóng gói như chiết rót chất lỏng, cấp - xoáy nắp và dán nhãn bao bì chiếm tỷ trọng lớn trong chuỗi vận hành lặp lại. Sự gia tăng nhu cầu tiêu thụ nước đóng chai tại thị trường Đông Nam Á và toàn cầu thúc đẩy các doanh nghiệp chuyển dịch mạnh mẽ từ quy trình thủ công sang các dây chuyền tự động hóa nhằm nâng cao năng suất, tiết kiệm nhân công và chuẩn hóa chất lượng sản phẩm. Trong cấu trúc điều khiển công nghiệp, bộ điều khiển logic lập trình (PLC) giữ vai trò trung tâm, trong đó dòng thiết bị của Siemens chiếm thị phần toàn cầu đáng kể (khoảng 45,5%).

Đề tài "Hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai tự động" được tác giả Trần Quyết Thắng thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Phong Lưu tại Bộ môn Tự động điều khiển, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (thời gian thực hiện từ ngày 14/02/2024 đến ngày 20/06/2024).

Mục tiêu kỹ thuật của đề tài bao gồm các nhiệm vụ cụ thể:

1. Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai tự động tích hợp PLC Siemens S7-1200.
2. Kiểm soát độ sai sót thể tích trong quá trình chiết rót chất lỏng dưới 5%.
3. Đạt tỷ lệ đóng nắp chai thành công từ 95% trở lên.
4. Đạt tỷ lệ dán nhãn thân chai chính xác và dính chặt từ 95% trở lên.
5. Xây dựng hệ thống vận hành liên tục, có khả năng xử lý nhiều chai đồng thời thông qua cơ cấu mâm xoay chia độ và băng tải chờ.
6. Thiết kế giao diện HMI/SCADA trên nền tảng WinCC Unified hỗ trợ điều khiển, giám sát và truy xuất dữ liệu trên máy tính cũng như thiết bị di động.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào việc tính toán, thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm với kích thước không gian $1 \times 1 \times 1\text{ m}$. Đề tài giới hạn ở mức độ mô hình thử nghiệm phòng thí nghiệm, áp dụng phương pháp định lượng chiết rót theo thời gian và chưa tích hợp các thuật toán thị giác máy tính (xử lý ảnh) để kiểm tra khuyết tật bao bì.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu tài liệu tổng quan, tính toán thiết kế kỹ thuật cơ – điện và phương pháp thực nghiệm hiệu chỉnh trên mô hình vật lý.

1. Khung lý thuyết và khảo sát công nghệ

Tác giả tiến hành khảo sát các hệ thống công nghiệp thực tế và mô hình nghiên cứu trước đó:

• Hệ thống công nghiệp: Dây chuyền rửa - chiết rót - đóng nắp của Mestech (Việt Nam), dây chuyền công suất lớn của SMF Technology (Ba Lan), các máy dán nhãn chuyên dụng như NTMD 001 và CH-150.
• Đề tài liên quan: Mô hình chiết rót, đóng nắp và phân loại kết hợp cánh tay robot của Bùi Hữu Hoàng Quân và Trần Ngọc Anh (ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) sử dụng PLC S7-1200 và AC Servo Mitsubishi MR-J3.

2. Đánh giá và lựa chọn giải pháp kỹ thuật

Trong quá trình xây dựng cơ sở lý thuyết, tác giả phân tích và so sánh các nguyên lý chiết rót và dán nhãn hiện hành trên thị trường:

Công đoạn	Phương pháp khảo sát	Đặc điểm nguyên lý	Ưu điểm / Nhược điểm chính
Chiết rót	Định lượng bằng bình định mức	Đo lường dung tích chuẩn trước khi rót	Độ chính xác cao; cơ cấu chuẩn bị phức tạp
	Chiết rót tới mức cố định	Rót đến ngưỡng ống thông hơi	Tốc độ nhanh; sai số phụ thuộc độ đồng đều của vỏ chai
	Định lượng theo thời gian (Được chọn)	Bơm chất lỏng với lưu lượng ổn định theo khoảng thời gian đặt trước	Kết cấu đơn giản, dễ điều khiển qua PLC; độ chính xác phụ thuộc độ ổn định áp lực bơm
	Chiết rót áp suất thường / chân không / đẳng áp	Dựa trên chênh lệch thủy tĩnh, hút chân không hoặc duy trì áp suất CO2	Lựa chọn áp suất thường phù hợp cho chất lỏng không gas, độ nhớt thấp
Dán nhãn	Con lăn di động	Dán nhãn qua cặp bánh ma sát ép lò xo	Cơ cấu đơn giản; độ chính xác không cao, dễ bong nhãn
	Cơ cấu kẹp thủy lực	Hai xylanh kẹp kết hợp cảm biến màu	Độ chính xác cao; cơ khí phức tạp, giá thành chế tạo lớn
	Băng ma sát hai mặt	Băng tải ép chai miết nhãn	Độ chính xác cao (99%); yêu cầu nhãn keo đắt tiền
	Cơ cấu bẻ góc ma sát gấp khúc (Được chọn)	Nhãn căng qua thanh bẻ góc $>270^\circ$, xylanh và motor ép miết	Năng suất cao, kết cấu gọn, độ bám dính chắc chắn

3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

• Phương pháp thu thập dữ liệu: Thử nghiệm đo lưu lượng bơm mini DC 385 để lập bảng quy đổi thời gian cấp điện sang thể tích chiết rót (ml).
• Phương pháp vi bước (Microstepping): Cài đặt và thực nghiệm xác định dòng điện, số xung phát cho động cơ bước qua các bộ điều khiển TB6600 và TB6550.
• Phương pháp lập trình điều khiển: Lập trình hàm phát xung chuỗi PTO (Pulse Train Output) trên TIA Portal cho CPU 1214C DC/DC/DC, cấu hình giao diện SCADA trên WinCC Unified.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

1. Thiết kế cơ khí và nguyên lý bố trí

Hệ thống được thiết kế đồng bộ trên khung giá đỡ có các rãnh soi (lỗ xoài) giúp việc căn chỉnh chiều cao, khoảng cách giữa các trạm làm việc linh hoạt theo nhiều kích cỡ chai. Cấu trúc cơ khí gồm 5 cụm chức năng chính:

• Băng tải cấp phôi vào: Đưa chai rỗng từ hàng chờ vào vị trí chiết rót; có thanh dẫn hướng chống đổ chai.
• Cơ cấu chiết rót: Gá cố định đầu phun từ máy bơm mini, tích hợp cảm biến phát hiện chai.
• Cơ cấu mâm xoay 4 vị trí: Sử dụng động cơ bước Nema 23 dẫn động mâm chia độ $90^\circ$, tích hợp cảm biến tiệm cận xác định vị trí gốc (Home).
• Cơ cấu cấp và vặn nắp: Cụm máng trượt cấp nắp trọng lực kết hợp cơ cấu hạ trục bằng xylanh khí nén 2 ty và động cơ giảm tốc DC xoay nắp chai.
• Cơ cấu băng tải ra và dán nhãn: Gồm cơ cấu nhả nhãn bẻ góc căng nhãn dẫn động bằng động cơ bước, trạm miết nhãn gồm xylanh khí nén ép chai vào con lăn quay chủ động.

2. Thiết kế phần điện và điều khiển

Hệ thống điện sử dụng nguồn xung công nghiệp chuyển đổi 220VAC sang 24VDC cấp cho PLC, rơ-le trung gian, van khí nén và các bộ điều khiển động cơ bước.

Tên thiết bị / Linh kiện	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (6ES7 214-1AG40-0XB0)	Nguồn 24VDC; 14 DI (24VDC), 10 DO (24VDC), 2 AI (0–10V / 4–20mA); Bộ nhớ 100 KB	Bộ điều khiển trung tâm toàn bộ chu trình, xử lý I/O và phát xung PTO
Bộ nguồn QUINT-PS	Điện áp vào 100–240VAC, ra 24VDC – 5A, nhiệt độ $-25^\circ\text{C} \sim 70^\circ\text{C}$	Cung cấp nguồn một chiều ổn định cho hệ thống điều khiển
Động cơ bước Nema 23 & Driver TB6600	Góc bước $1.8^\circ$, dòng 3A, moment xoắn $\ge 4\text{ N.m}$; Driver cấu hình 2.5A, 1600 xung/vòng	Dẫn động mâm xoay phân độ chính xác $90^\circ$
Động cơ bước & Driver TB6550	Driver cấp dòng 1.6A, cấu hình vi bước 1600 xung/vòng	Dẫn động cơ cấu nhả cuộn nhãn dán
Cảm biến quang E3F-DS30C4	Dạng NPN, ngõ ra DC 6–36V, khoảng cách phát hiện $10–30\text{ cm}$	Phát hiện chai tại băng tải vào, mâm xoay và vị trí dán nhãn
Động cơ bơm mini DC 385	Điện áp 12VDC, công suất 3W, lưu lượng $1–2\text{ lít/phút}$	Bơm dung dịch định lượng vào chai
Xylanh khí nén 2 ty & Van điện từ SMC VQ1100	Đường kính nòng 25 mm, hành trình 75 mm, áp suất max $13\text{ kg/cm}^2$; Van 5/2 hồi vị lò xo 24VDC	Nén đầu xoáy nắp và ép miết nhãn chai
Động cơ giảm tốc JGY370	Điện áp 24VDC, tốc độ không tải 40 vòng/phút, lực xoắn lớn	Truyền động đầu xoắn nắp chai
Rơ-le đệm Slim Relay	Tiếp điểm 24VAC/DC, tuổi thọ $1 \times 10^7$ lần đóng ngắt, bề rộng mỏng 6.2 mm	Đệm công suất giữa ngõ ra PLC và các cơ cấu chấp hành

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

• Ngõ vào (Inputs): I0.4 (Cảm biến SS01 - phát hiện chai vào), I0.5 (Cảm biến SS02 - vị trí mâm xoay Home), I0.6 (Cảm biến SS03 - phát hiện chai tại trạm nắp), I0.7 (Cảm biến SS04 - phát hiện nắp), I1.0 (Cảm biến SS05 - vị trí dán nhãn).
• Ngõ ra (Outputs): Q0.0 (PUL+ / Bơm nước P01), Q0.1 (DIR+ chọn hướng xung), Q0.2 (CLK+ phát xung), Q0.5 (Relay BC01 - băng tải vào), Q0.6 (Relay BC02 - băng tải ra).

3. Thuật toán điều khiển và giao diện SCADA

Hệ thống hỗ trợ 2 chế độ vận hành chính:

• Chế độ Manual (Bằng tay): Cho phép người vận hành cưỡng bức chạy/dừng riêng rẽ từng động cơ, kích hoạt từng van khí nén, test hành trình mâm xoay và kiểm tra tín hiệu cảm biến phục vụ bảo trì.
• Chế độ Auto (Tự động):
  1. Đưa mâm xoay về vị trí Home chuẩn;
  2. Băng tải vào kéo chai rỗng đến vị trí chiết rót, cảm biến I0.4 kích hoạt;
  3. Bơm DC 385 hoạt động theo thời gian định mức;
  4. Mâm xoay quay $90^\circ$ đưa chai đến trạm cấp nắp;
  5. Xylanh nén hạ đầu vặn, động cơ JGY370 xoay siết chặt nắp;
  6. Mâm xoay chuyển chai sang băng tải ra, nhãn được kéo căng và xylanh ép con lăn miết chặt nhãn;
  7. Khi nhấn nút Stop, băng tải ngừng lập tức nhưng mâm xoay vẫn hoàn thành trọn vẹn chu kỳ $90^\circ$ trước khi dừng hẳn.
• Hệ thống giám sát WinCC Unified: Thiết kế giao diện gồm: Màn hình Đăng nhập (Login), Màn hình Tổng quan hệ thống, Màn hình chi tiết khâu Chiết rót, Màn hình khâu Đóng nắp, Popup điều khiển mâm xoay, Popup giám sát động cơ, Màn hình Cảnh báo lỗi (Alarm), Màn hình Cài đặt thông số (Settings) và giao diện Web Server hỗ trợ truy cập từ xa qua điện thoại thông minh và máy tính.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa dây chuyền đóng chai trong ngành công nghiệp nước giải khát. Giới thiệu tổng quan về thị trường PLC và vị thế của Siemens S7-1200. Xác định rõ mục tiêu đề tài, giải pháp cơ khí (sử dụng rãnh trượt lỗ xoài, tăng chiều dài băng tải chờ) và giới hạn quy mô mô hình $1\times 1\times 1\text{ m}$.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Tổng hợp và phân tích các dây chuyền thực tế trong và ngoài nước (Mestech, SMF Technology, các dòng máy thương mại NTMD 001, CH-150). Khảo sát ưu nhược điểm của các phương pháp dán nhãn (con lăn di động, kẹp thủy lực, băng ma sát hai mặt, ma sát gấp khúc) và các phương pháp chiết rót định lượng (bình định mức, mức cố định, theo thời gian; áp suất thường, chân không, đẳng áp).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Xây dựng yêu cầu thiết kế cho phần cơ khí và điện. Lập lưu đồ thuật toán vận hành tổng quát, lưu đồ chế độ Auto và Manual. Tính toán chọn lựa linh kiện chi tiết (PLC CPU 1214C DC/DC/DC, nguồn QUINT-PS, cảm biến quang E3F-DS30C4, động cơ bước Nema 23, van SMC VQ1100, xylanh 2 ty 25x75mm, motor xoáy nắp JGY370 40RPM, driver TB6600 và TB6550). Thiết lập sơ đồ nguyên lý mạch nguồn, bản vẽ đấu nối PLC và sơ đồ mạch lực/điều khiển.

Chương 4: Thi công hệ thống

Mô tả chi tiết quá trình gia công, lắp ráp 5 cụm cơ khí phần cứng: băng tải chờ vào, trạm chiết rót, mâm xoay định vị, cụm cấp nắp - đóng nắp, cụm bẻ góc và miết nhãn chai ra. Trình bày phương pháp cấu hình phát xung PTO trên PLC Siemens S7-1200 (chế độ Pulse A/Direction B) và cài đặt thông số vi bước trên Driver (1600 step/rev). Thiết kế hệ thống giao diện giám sát WinCC Unified với đầy đủ các trang điều khiển và liên kết Web SCADA.

Chương 5: Kết quả thực hiện

Trình bày hình ảnh thực tế của tủ điện, toàn bộ khung máy cơ khí hoàn thiện, sản phẩm chai sau khi đóng nắp và dán nhãn. Đánh giá giao diện SCADA trên nền tảng máy tính và điện thoại di động. Kiểm nghiệm thời gian chiết rót mẫu (thực nghiệm chiết rót trong 11 giây) và khả năng hoạt động đồng bộ của các trạm chấp hành.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo mục tiêu đề ra; tổng kết các ưu điểm về tính module và độ linh hoạt của mô hình; chỉ ra các hạn chế còn tồn tại về mặt năng suất, độ bền cơ khí và đề xuất các hướng nâng cấp trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

• Chế tạo phần cứng hoàn chỉnh: Hoàn thiện mô hình cơ khí tích hợp $1\times 1\times 1\text{ m}$ gồm đầy đủ 5 khâu: cấp chai rỗng, chiết rót định lượng, mâm xoay phân độ, cấp - xoáy nắp và dán nhãn.
• Tủ điện điều khiển chuẩn hóa: Đấu nối hoàn chỉnh tủ điện với PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, bộ nguồn QUINT 24VDC 5A, hệ thống rơ-le đệm Slim relay, cầu đấu terminal đồng 2.5 mm² và 2 bộ driver điều khiển bước.
• Điều khiển chuyển động chính xác: Làm chủ kỹ thuật phát xung PTO từ PLC S7-1200 để điều khiển động cơ bước Nema 23 quay mâm chia độ $90^\circ$ chuẩn xác với cảm biến Home chống tích lũy sai số, cùng cơ cấu cấp nhãn vi bước 1600 xung/vòng.
• Hệ thống giám sát SCADA đa nền tảng: Xây dựng thành công hệ thống giám sát SCADA trên nền tảng WinCC Unified, hiển thị trạng thái I/O trực quan, cảnh báo Alarm, cho phép cài đặt tham số và truy cập điều khiển linh hoạt qua mạng web trên cả PC lẫn điện thoại thông minh.
• Thực nghiệm chiết rót: Khảo sát và vận hành thử nghiệm thành công chu trình chiết rót mẫu ổn định trong khoảng thời gian 11 giây.

2. Giải pháp và đóng góp của đề tài

• Tính linh hoạt cơ khí: Thiết kế các cụm trạm với rãnh soi lỗ xoài cho phép người vận hành dễ dàng nâng hạ, thay đổi cự ly để thích ứng với các mẫu chai có kích thước và chiều cao khác nhau.
• Tối ưu hóa không gian lắp đặt: Ứng dụng mâm xoay 4 trạm kết hợp băng tải chờ giúp thu gọn diện tích tổng thể của dây chuyền mà vẫn duy trì khả năng xử lý nhiều chai đồng thời.
• Quy trình dừng an toàn: Thuật toán điều khiển đảm bảo khi nhấn Stop, mâm xoay không dừng đột ngột gây kẹt phôi mà tiếp tục hoàn tất góc quay $90^\circ$ hiện tại, giữ an toàn cho cơ cấu chấp hành.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế

• Quy mô mô hình: Hệ thống mới dừng lại ở mức độ mô hình thử nghiệm phòng thí nghiệm ($1\times 1\times 1\text{ m}$), tốc độ làm việc và công suất bơm chưa được tối ưu hóa cho quy mô công nghiệp lớn.
• Thiếu khâu kiểm tra tự động: Chưa tích hợp các thuật toán xử lý ảnh hoặc cảm biến thị giác công nghiệp để tự động phát hiện các lỗi như: chai bị móp méo, nắp đóng lệch ren, mực nước chiết không đều hoặc nhãn dán bị nhăn/rách.
• Độ chính xác chiết rót: Phương pháp định lượng theo thời gian phụ thuộc vào độ ổn định của áp suất cột áp chất lỏng trong bình chứa; khi mực nước trong bình thay đổi có thể gây sai lệch thể tích nhỏ.

2. Hướng phát triển

• Nâng cấp cảm biến mức hoặc ứng dụng cảm biến lưu lượng/loadcell cân trọng lượng để nâng cao độ chính xác chiết rót.
• Tích hợp camera công nghiệp và giải thuật xử lý ảnh (Computer Vision / AI) tại trạm kiểm tra chất lượng nắp và nhãn sau khi đóng gói.
• Nâng cấp cơ cấu cơ khí sang vật liệu inox công nghiệp đạt chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm và tối ưu hóa vận tốc mâm xoay để tăng năng suất tổng thể.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu 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, Kỹ thuật Cơ điện tử và Kỹ thuật Điện tử:

• Lập trình điều khiển phát xung PLC: Tham khảo phương pháp cấu hình chuỗi xung PTO (Pulse Train Output) trên dòng PLC Siemens S7-1200 để điều khiển chính xác vị trí góc quay của động cơ bước thông qua Driver vi bước.
• Thiết kế hệ thống SCADA hiện đại: Cung cấp giải pháp triển khai giao diện điều khiển giám sát trên WinCC Unified có khả năng mở rộng máy chủ web kết nối đa thiết bị (máy tính và điện thoại di động).
• Thiết kế cơ cấu đóng gói tự động: Tham khảo bản vẽ nguyên lý bố trí mâm xoay phân độ, cụm miết nhãn căng bẻ góc và cụm xoáy nắp bằng động cơ giảm tốc kết hợp xylanh khí nén.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại PLC nào và cấu hình ngõ vào/ra (I/O) ra sao?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, mã CPU 1214C DC/DC/DC (6ES7 214-1AG40-0XB0). CPU tích hợp nguồn 24VDC, 14 ngõ vào số DI (24VDC), 10 ngõ ra số DO (24VDC transistor hỗ trợ phát xung PTO) và 2 ngõ vào tương tự AI ($0–10\text{V} / 4–20\text{mA}$).

2. Động cơ bước điều khiển mâm xoay và cấp nhãn được cấu hình vi bước như thế nào?
Động cơ bước dẫn động mâm xoay sử dụng Driver TB6600 cài đặt dòng điện 2.5A; động cơ bước cấp nhãn sử dụng Driver TB6550 cài đặt dòng điện 1.6A. Cả hai bộ driver đều được thiết lập độ phân giải vi bước là 1600 xung cho một vòng quay (tương đương chế độ $1/8$ bước).

3. Cơ cấu dán nhãn của hệ thống hoạt động theo nguyên lý nào?
Hệ thống áp dụng phương pháp dán nhãn ma sát gấp khúc. Cuộn nhãn được động cơ bước kéo căng và bẻ hướng qua một thanh gập góc lớn hơn $270^\circ$ để tách mép nhãn. Khi chai di chuyển ngang qua sẽ dính lấy đầu nhãn, sau đó một xylanh khí nén ép chai vào con lăn quay để miết chặt nhãn quanh thân chai.

4. Khi nhấn nút dừng (Stop), hệ thống xử lý trạng thái hoạt động của mâm xoay như thế nào?
Khi người vận hành nhấn nút Stop, các băng tải vào/ra và các trạm chức năng sẽ lập tức dừng lại, nhưng động cơ mâm xoay vẫn tiếp tục quay cho đến khi hoàn thành đủ góc quay $90^\circ$ đã cài đặt trước nhằm tránh tình trạng kẹt phôi hoặc dừng lửng giữa chu kỳ.

5. Giao diện giám sát SCADA của hệ thống được xây dựng trên nền tảng nào và có những tính năng gì?
Giao diện được thiết kế trên nền tảng WinCC Unified của Siemens. Hệ thống hỗ trợ hiển thị giám sát trạng thái thiết bị theo thời gian thực, bảng cảnh báo Alarm, popup cài đặt thông số vận hành, chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ Auto/Manual và hỗ trợ truy cập giám sát qua nền tảng web trên cả máy tính lẫn điện thoại di động.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Trần Quyết Thắng đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu thiết kế và thi công mô hình "Hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai tự động" sử dụng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C. Tác giả đã giải quyết hiệu quả bài toán phối hợp liên động giữa cơ cấu cơ khí mâm xoay phân độ, hệ thống truyền động khí nén, động cơ bước điều khiển phát xung PTO và bơm chiết rót định lượng. Hệ thống giám sát SCADA trên WinCC Unified vận hành ổn định trên nền tảng Web, mang lại khả năng kiểm soát trực quan và có giá trị thực tiễn cao cho đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan: Giới thiệu đề tài, mục tiêu, giải pháp và giới hạn của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết:Tổng quan dây chuyền chiết rót và các hệ thống trên thị trường, các phương pháp dán nhãn. Chương 3: Tính toán và thiết kế:Thiết kế cơ khí và điện dựa trên quy trình vận hành, có bản vẽ cơ khí và sơ đồ khối hệ thống, lựa chọn các thiết bị phù hợp cho hệ thống. Chương 4: Thi công hệ thống: Quá trình thi công phần cứng và phần mềm.

Chương 5: Kết quả thực hiện: Kết quả đạt được và nhận xét đánh giá. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển: Đánh giá công việc đã thực hiện và đề xuất hướng phát triển trong tương lai của đề tài. Tổng quan về hệ thống chiết rót và đóng nắp chai Như trong các ngành công nghiệp khác sử dụng dây chuyền sản xuất, ngành công nghiệp sản xuất nước giải khát đóng chai hiện nay cũng áp dụng rộng rãi dây chuyền sản xuất với hiệu quả cao nhất. Các công đoạn như chiết rót nước vào chai, đóng nắp và dán nhãn thương hiệu là các quy trình lặp lại và yêu cầu độ chính xác cao.

Do đó, việc áp dụng dây chuyền sản xuất cho các công đoạn này là cần thiết, giúp giảm thiểu nhân công, nâng cao năng suất và đảm bảo chính xác trong quy trình sản xuất. Thực tế cho thấy các nhãn hiệu nước uống đóng chai và các tập đoàn nước giải khát lớn đã thành công trong việc triển khai dây chuyền sản xuất cho các công đoạn chiết rót và đóng nắp chai, đem lại hiệu quả kinh tế và chất lượng sản phẩm cao. Một số hệ thống chiết rót đóng nắp chai thực tế. Dưới dây là hình ảnh của một dây chuyền trong nhà máy.

Hình 1 Dây chuyền rửa chai của công ty TNHH Mestech Hệ thống dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai do công ty TNHH Mestech cung cấp, là một đơn vị chuyên tư vấn, thiết kế và sản xuất thiết bị máy móc tại Việt Nam. Dây chuyền này được thiết kế đặc biệt cho các doanh nghiệp sản xuất nước khoáng và 4 nước ngọt (trừ nước có ga). Quy trình hoạt động bao gồm các giai đoạn như xử lý sạch chai, chiết rót, cung cấp và đóng nắp chai, cùng với việc dán nhãn. Hình 2 Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai của SMF Technology SMF Technology là một công ty lớn đến từ Ba Lan, chuyên cung cấp máy thổi chai nhựa PET và thiết kế các dây chuyền đóng chai đa dạng.

Hệ thống chiết rót của họ có quy mô rộng lớn và tuân thủ các tiêu chuẩn Châu Âu, được thiết kế để tối ưu hóa quy trình sản xuất cho nhiều loại sản phẩm lỏng khác nhau, từ nước uống, đồ uống có ga, đến sản phẩm như sữa, sữa chua, kem, dầu ăn, hóa chất gia dụng, và đồ uống có cồn. Với công suất và quy mô imposant, hệ thống của SMF Technology không chỉ chuyên nghiệp mà còn rất phù hợp cho các tập đoàn sản xuất nước đóng chai lớn trên toàn cầu. Dưới đây là một số hình ảnh minh họa về hệ thống chiết rót của SMF Technology.2 Tổng quan về dây chuyền dán nhãn chai Việc dán nhãn chai đóng vai trò quan trọng trong việc tăng tính thẩm mỹ và chất lượng sản phẩm, được áp dụng rộng rãi trong các quy trình sản xuất chai lọ thực phẩm (như bia, nước ngọt, nước chấm) và trong lĩnh vực y tế (chai thuốc, lọ thuốc,. Bên cạnh tính thẩm mỹ, nhãn dán trên chai cung cấp thông tin chi tiết về sản phẩm như thành phần, hướng dẫn sử dụng, và làm nổi bật thương hiệu trong lĩnh vực marketing.