Giới thiệu dự án

Trong kỷ nguyên Cách mạng Công nghiệp 4.0, tự động hóa dây chuyền sản xuất là điều kiện tiên quyết giúp các doanh nghiệp ngành đồ uống (FMCG) tối ưu hóa năng suất và kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt. Theo các báo cáo ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống Việt Nam, nhu cầu tiêu thụ nước giải khát và nước đóng chai duy trì mức tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) trên 10.5%. Tuy nhiên, các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ (SMEs) vẫn đối mặt với bài toán chi phí đầu tư thiết bị tự động hóa nhập khẩu quá cao, trong khi quy trình thủ công hoặc bán tự động bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng.

+-----------------------------------------------------------------------+
|                HIỆN TRẠNG & ĐIỂM NGHẼN TRONG DOANH NGHIỆP VỪA VÀ NHỎ   |
+-----------------------------------------------------------------------+
|  [Đo đếm thủ công]  -->  Sai số thể tích (±5% - ±8%), lãng phí nguyên liệu
|  [Đóng nắp tay]     -->  Lực siết không đều, tỷ lệ hở nắp > 3.2%    |
|  [Vận hành rời rạc] -->  Năng suất thấp (< 400 chai/giờ), tốn nhân công|
+-----------------------------------------------------------------------+

Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự thiếu hụt một hệ thống tích hợp khép kín từ khâu cấp chai, định lượng chiết rót, cấp và dập nắp, cho đến đóng gói thùng thành phẩm với chi phí hợp lý, độ tin cậy cơ điện tử cao và dễ dàng chuyển giao công nghệ.

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế cơ khí chính xác: Tính toán và thiết kế hệ thống cơ cấu chấp hành bao gồm băng tải dẫn động đai, cơ cấu phân loại, định vị và cụm dập nắp bằng phần mềm CAD/CAE 3D chuyên dụng Siemens NX.
  2. Xây dựng hệ thống điều khiển tự động: Lập trình bộ điều khiển logic khả trình (PLC) Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC trên nền tảng TIA Portal, kết hợp module mở rộng tín hiệu SM 1223 để điều khiển toàn bộ chu trình chiết rót - đóng nắp.
  3. Tích hợp truyền động khí nén và đo lường: Lắp ráp hệ thống khí nén công nghiệp với van điện từ 5/2, xy lanh dẫn hướng 2 trục và mạng lưới cảm biến quang điện, cảm biến tiệm cận hành trình.
  4. Mô phỏng và kiểm chứng: Mô phỏng giải thuật điều khiển và trạng thái động lực học khí nén trên Festo FluidSIM và giao diện giám sát SCADA/HMI trên WinCC Professional.

Phương pháp tiếp cận và kết quả kỳ vọng

Dự án áp dụng phương pháp thiết kế cơ điện tử tích hợp (Integrated Mechatronic Design Approach). Phương pháp này liên kết chặt chẽ giữa tính toán động lực học cơ khí, thiết kế mạch động lực - điều khiển và lập trình nhúng PLC.

+-----------------------------------------------------------------------+
|                        KẾT QUẢ KỲ VỌNG (METRICS)                      |
+-----------------------------------------------------------------------+
|  1. Chu kỳ chiết rót định lượng (100ml) : T = 2.033 giây / chai       |
|  2. Độ chính xác dung tích rót          : Sai số thể tích < ±1.5%     |
|  3. Năng suất toàn hệ thống             : 15 - 18 chai/phút           |
|  4. Tỷ lệ đóng nắp kín chuẩn            : ≥ 99.2%                     |
|  5. Tỷ lệ tự động hóa đóng thùng (4 chai): 100% không can thiệp thủ công|
+-----------------------------------------------------------------------+

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

  • Phạm vi: Nghiên cứu nguyên lý, tính toán công suất động cơ, thiết kế khí nén, lập trình PLC Siemens S7-1200 và chế tạo mô hình thực nghiệm chiết rót chất lỏng không gas dung tích 100ml vào chai nhựa định hình PET.
  • Giới hạn: Chưa tích hợp bộ cấp phôi nắp dạng mâm rung ly tâm công nghiệp lớn; cơ cấu chiết rót hoạt động theo nguyên lý định thời gian đóng ngắt bơm điện áp cố định trong điều kiện áp suất bồn chứa không đổi.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trong công nghiệp chiết rót chất lỏng, ba phương pháp chính thường được áp dụng gồm: bơm bánh răng (Gear pump), bơm piston (Piston displacement pump) và bơm trục vít (Progressive cavity pump). Dưới đây là bảng so sánh định lượng giữa các giải pháp công nghệ hiện hữu và mô hình nghiên cứu:

Tiêu chí kỹ thuật Chiết rót Bơm bánh răng Chiết rót Bơm Piston Chiết rót Bơm trục vít Giải pháp nghiên cứu (Bơm chìm + PLC)
Độ chính xác chiết Rất cao ($\pm 0.5%$) Cao ($\pm 0.8%$) Tuyệt đối ($\pm 0.2%$) Khá ($\pm 1.2% - \pm 1.5%$)
Độ nhớt chất lỏng Trung bình - Cao Rất cao / Dạng sệt Cực cao / Có hạt Thấp (Nước khoáng, nước ngọt)
Tạo bọt khí Thấp Trung bình Rất thấp (Vòi ngâm) Tối thiểu hóa bằng vòi dẫn định dòng
Chi phí đầu tư 120 - 250 triệu VNĐ 90 - 180 triệu VNĐ 200 - 450 triệu VNĐ < 15 triệu VNĐ (Tối ưu cho SMEs)
Bảo trì & Vệ sinh Phức tạp, dễ mòn răng Yêu cầu thay seal/piston Cần kỹ thuật cao Đơn giản, tháo lắp nhanh CIP

Ma trận ưu tiên yêu cầu người dùng (MoSCoW)

  • Must have (Bắt buộc): Dừng băng tải chính xác vị trí cảm biến quang; cấp dòng định lượng 100ml trong $2.033\text{s}$; cơ cấu xy lanh dập nắp đủ áp lực ép kín; xy lanh đẩy phân loại đóng thùng 4 chai/hộp.
  • Should have (Nên có): Đèn báo trạng thái I/O trực quan, nút dừng khẩn cấp E-Stop cắt nguồn động lực ngay lập tức.
  • Could have (Có thể mở rộng): Giao diện HMI cảm ứng giám sát sản lượng thời gian thực, lưu trữ dữ liệu SCADA trên máy tính trung tâm.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Khâu tiệt trùng chai bằng tia UV tự động và cân kiểm tra trọng lượng (Checkweigher) hồi tiếp vòng kín.

Thiết kế hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc điều khiển phân tầng chuẩn công nghiệp, tối ưu hóa đường truyền tín hiệu số giữa các thiết bị chấp hành và bộ xử lý trung tâm PLC Siemens S7-1200.

graph TD
    subgraph SENSING_LAYER ["1. Tầng cảm biến & Giao diện"]
        SB_START["Nút nhấn START / STOP / E-Stop"]
        OPT1["Cảm biến quang E3F-R2C1 (Vị trí chai 1, 2, 3)"]
        PROX["Cảm biến từ D-A73 (Vị trí hành trình xy lanh)"]
    end

    subgraph CONTROL_LAYER ["2. Tầng điều khiển trung tâm"]
        PLC["PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC"]
        SM["Module mở rộng SM 1223 8DI/8DO"]
        HMI["Giao diện giám sát WinCC / SCADA"]
    end

    subgraph ACTUATION_LAYER ["3. Tầng cơ cấu chấp hành"]
        RL["Mạch Rơ le trung gian Omron MY2N-GS (24VDC)"]
        VALVE["Cụm van khí nén 5/2 SMC SY3120-5LZ-M5"]
        MOT["Động cơ DC giảm tốc TH37-JB530 (Băng tải)"]
        PUMP["Bơm chìm định lượng RS-701"]
        CYL1["Xy lanh chặn & định vị TN10x50-S"]
        CYL2["Xy lanh dập nắp CXSM10-50"]
        CYL3["Xy lanh đẩy đóng thùng TN10x100-S"]
    end

    SB_START -->|24VDC Digital In| PLC
    OPT1 -->|NPN Signal| PLC
    PROX -->|Reed Switch In| PLC
    PLC <-->|PROFINET / Industrial Ethernet| HMI
    PLC -->|DO 24VDC| SM
    PLC -->|Q0.0 - Q0.7| RL
    SM -->|Relay Out| RL
    RL --> MOT
    RL --> PUMP
    RL --> VALVE
    VALVE --> CYL1
    VALVE --> CYL2
    VALVE --> CYL3

Technology Stack & Hardware Specifications

  1. Bộ điều khiển trung tâm: Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (Mã đặt hàng: 6ES7214-1AG40-0XB0, Firmware v4.4):
    • 14 ngõ vào số (DI 24VDC), 10 ngõ ra số (DO Transistor 24VDC, 0.5A).
    • 2 ngõ vào tương tự (AI 0-10VDC), Bộ nhớ làm việc: 100 kByte, Flash tích hợp 4 MB.
  2. Module mở rộng tín hiệu: Siemens SM 1223 DI 8/DO 8xRelay (Mã: 6ES7223-1QH32-0XB0):
    • 8 Digital Inputs (120/230VAC), 8 Digital Outputs (Relay 2A, 30VDC / 250VAC).
  3. Cảm biến quang điện phát xạ hồng ngoại: Omron / Aotu E3F-R2C1:
    • Nguyên lý: Thu phát phản xạ qua gương, Ngõ ra: NPN thường mở (NO), Điện áp: 6–36VDC, Khoảng cách phát hiện: 0.1–3.0m, Tần số đáp ứng: 2ms, Cấp bảo vệ: IP65.
  4. Cảm biến vị trí xy lanh khí nén: SMC D-A73:
    • Tiếp điểm lưỡi gà (Reed Switch) 2 dây, điện áp tải 24VDC (5–40mA), tích hợp đèn LED hiển thị trạng thái đóng ngắt.
  5. Cụm van điện từ đảo chiều: SMC SY3120-5LZ-M5:
    • Loại van 5 cửa 2 vị trí (5/2), cuộn coil 24VDC tiêu thụ công suất thấp 0.35W, cổng ren M5x0.8, dải áp suất 0.15–0.7 MPa.
  6. Cụm xy lanh dẫn động 2 trục:
    • Xy lanh chặn và đẩy chai: SNS TN10x50-S (Đường kính nòng $\Phi=10\text{mm}$, Hành trình $S=50\text{mm}$).
    • Xy lanh đóng nắp chai: SMC CXSM10-50 (Dual rod cylinder, $\Phi=10\text{mm}$, $S=50\text{mm}$).
    • Xy lanh gom chai vào thùng: SNS TN10x100-S (Dual rod cylinder, $\Phi=10\text{mm}$, $S=100\text{mm}$).
  7. Động cơ truyền động băng tải: Động cơ DC giảm tốc TH37-JB530 (24VDC, $P=10\text{W}$, Tốc độ định mức $n=20\text{ rpm}$, Tỷ số truyền $i=1:250$).
  8. Bơm chất lỏng: Bơm chìm áp lực RS-701 (220VAC, $P=3\text{W}$, Lưu lượng $Q=2.95\text{ lít/phút} = 49.16\text{ ml/s}$).
  9. Rơ le đệm công suất: Omron MY2N-GS 24VDC (8 chân dẹp, tiếp điểm DPDT 5A 250VAC/30VDC, độ bền cơ học $5 \times 10^5$ chu kỳ).
  10. Bộ nguồn xung công nghiệp: Nguồn tổ ong Meanwell / OEM 24VDC - 5A (Công suất 120W, dải đầu vào 85–264VAC, chống ngắn mạch và quá áp).

Bảng ánh xạ địa chỉ I/O trên PLC Siemens S7-1200

Ký hiệu I/O Địa chỉ PLC Thiết bị phần cứng kết nối Chức năng kỹ thuật
I0.0 %I0.0 Nút nhấn START (NO) Kích hoạt chu trình vận hành tự động
I0.1 %I0.1 Nút nhấn STOP (NC) Dừng hệ thống có kiểm soát chu trình
I0.2 %I0.2 Nút dừng khẩn cấp E-STOP Ngắt tức thời toàn bộ ngõ ra động lực
I0.3 %I0.3 Cảm biến quang 1 (E3F-R2C1) Phát hiện chai đến vị trí rót nước
I0.4 %I0.4 Cảm biến quang 2 (E3F-R2C1) Phát hiện chai đến trạm dập nắp
I0.5 %I0.5 Cảm biến quang 3 (E3F-R2C1) Đếm chai đã hoàn thiện vào hàng gom
I0.6 %I0.6 Cảm biến quang 4 (E3F-R2C1) Phát hiện thùng carton trên băng tải 2
I0.7 %I0.7 Cảm biến từ 1 (D-A73) Xác nhận xy lanh 1 thu về hoàn toàn
I1.0 %I1.0 Cảm biến từ 2 (D-A73) Xác nhận xy lanh 2 (dập nắp) ở điểm dưới
Q0.0 %Q0.0 Rơ le Động cơ Băng tải 1 Kéo phôi chai và di chuyển qua các trạm
Q0.1 %Q0.1 Rơ le Động cơ Băng tải 2 Cấp và đưa thùng carton thành phẩm ra ngoài
Q0.2 %Q0.2 Rơ le Bơm nước RS-701 Bơm chìm cấp nước vào chai
Q0.3 %Q0.3 Van điện từ Xy lanh 1 (TN10x50) Đẩy chai vào vị trí rót nước
Q0.4 %Q0.4 Van điện từ Xy lanh chặn 2 Giữ chai cố định tại trạm dập nắp
Q0.5 %Q0.5 Van điện từ Xy lanh dập nắp Điều khiển đầu dập ép nắp vào miệng chai
Q0.6 %Q0.6 Van điện từ Xy lanh đẩy thùng Đẩy hàng chai (2 chai/lần) vào thùng

Methodology

Dự án áp dụng mô hình phát triển hệ thống cơ điện tử chữ V (V-Model Engineering Framework), chia làm 4 giai đoạn chính:

[Phân tích yêu cầu] ------------------------------> [Đánh giá & Nghiệm thu toàn hệ thống]
       \                                                   /
    [Thiết kế CAD/CAE] ---------------------> [Kiểm thử tích hợp Phần cứng - Phần mềm]
           \                                         /
      [Thiết kế mạch & Khí nén] -------> [Mô phỏng FluidSIM & TIA Portal]
                 \                             /
                  ---> [Lập trình PLC & Thi công] ---

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                            TIMELINE & MILESTONES                              |
+-------------------------------------------------------------------------------+
| Giai đoạn 1 (Tuần 1 - 2): Khảo sát, tính toán động học và thiết kế 3D trên NX |
| Giai đoạn 2 (Tuần 3 - 4): Thiết kế sơ đồ điện, tính chọn khí nén & PLC        |
| Giai đoạn 3 (Tuần 5 - 6): Lập trình thuật toán S7-1200, mô phỏng FluidSIM/HMI|
| Giai đoạn 4 (Tuần 7 - 8): Lắp ráp cơ khí, đấu nối tủ điện, nghiệm thu tải    |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Đánh giá và giảm thiểu rủi ro (Risk Management)

  • Rủi ro 1: Rung lắc gây đổ chai khi băng tải khởi động/dừng đột ngột.
    • Giải pháp: Thiết kế gờ dẫn hướng song song bằng nhôm định hình và lập trình thuật toán điều khiển tăng giảm tốc (Ramp timer) cho động cơ DC.
  • Rủi ro 2: Sai số thể tích do sụt áp nguồn bơm.
    • Giải pháp: Tách biệt hoàn toàn nguồn nuôi 24VDC điều khiển với nguồn động lực 220VAC qua rơ le cách ly quang (Optocoupler isolation).
  • Rủi ro 3: Trượt bước hành trình khí nén gây kẹt cơ cấu dập nắp.
    • Giải pháp: Lắp đặt cảm biến từ hành trình SMC D-A73 tại hai đầu xy lanh làm điều kiện khóa liên động (Interlock logic) trước khi chuyển bước.

Implementation và kết quả

Development process

Tính toán động lực học cơ khí và công suất truyền dẫn

  1. Tính toán băng tải vận chuyển chai:

    • Vận tốc tuyến tính yêu cầu: $v = 80\text{ mm/s} = 0.08\text{ m/s}$.
    • Chiều dài dây đai PVC: $L_T = 0.5\text{ m}$, Chiều dài hình học: $L_G = 1.05\text{ m}$.
    • Khối lượng con lăn và cơ cấu kéo: $m_R = 1.0\text{ kg}$.
    • Tổng khối lượng tải lớn nhất trên mặt đai: $m_{\text{total}} = 4 \times 0.9\text{ kg} + 1 \times 0.4\text{ kg} = 4.0\text{ kg}$.
    • Lực kéo tiếp tuyến cần thiết $F$: $$F = (m_{\text{total}} + m_R) \times g \times \mu = (4.0 + 1.0) \times 9.81 \times 0.15 \approx 7.36\text{ N}$$
    • Công suất kéo yêu cầu trên trục chủ động với hiệu suất truyền động $\eta = 0.8$: $$P_{\text{req}} = \frac{F \times v}{\eta} = \frac{7.36 \times 0.08}{0.8} \approx 0.74\text{ W}$$
    • Chọn hệ số an toàn $k = 10$ (tính đến ma sát trượt của gờ dẫn hướng và dòng khởi động): Chọn động cơ DC giảm tốc TH37-JB530 có công suất danh định $10\text{W}$, tốc độ $20\text{ rpm}$ đáp ứng tải.

  2. Tính toán thời gian chiết rót định lượng:

    • Dung tích chiết yêu cầu: $V = 100\text{ ml}$.
    • Lưu lượng định mức thực tế của bơm RS-701: $Q = 2.95\text{ lít/phút} = \frac{2950\text{ ml}}{60\text{ s}} \approx 49.166\text{ ml/s}$.
    • Thời gian kích hoạt ngõ ra điều khiển rơ le bơm ($T_{\text{fill}}$): $$T_{\text{fill}} = \frac{V}{Q} = \frac{100\text{ ml}}{49.166\text{ ml/s}} \approx 2.0338\text{ giây}$$
    • Cấu hình khối Timer đóng ngắt chính xác trên TIA Portal: PT := T#2s_34ms.

Thuật toán điều khiển hệ thống (PLC Structured Text / SCL)

Dưới đây là đoạn mã điều khiển trạm chiết rót và dập nắp được chuẩn hóa từ thuật toán Ladder Logic trong đồ án:

// =========================================================================
// FUNCTION_BLOCK FB_BottleLineControl
// Project: Automatic Filling and Capping System
// Platform: Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC - TIA Portal V16
// =========================================================================
VAR_INPUT
    bStart          : BOOL; // Nút ấn khởi động (I0.0)
    bStop           : BOOL; // Nút ấn dừng hệ thống (I0.1)
    bEStop          : BOOL; // Nút dừng khẩn cấp (I0.2)
    bSensorBottle1  : BOOL; // Cảm biến phát hiện chai tại trạm rót (I0.3)
    bSensorBottle2  : BOOL; // Cảm biến phát hiện chai tại trạm nắp (I0.4)
    bSensorCount    : BOOL; // Cảm biến đếm chai vào hàng gom (I0.5)
    bSensorBox      : BOOL; // Cảm biến phát hiện thùng carton (I0.6)
    bCylCappingDown : BOOL; // Cảm biến hành trình xy lanh dập nắp (I1.0)
END_VAR

VAR_OUTPUT
    bConv1_Run      : BOOL; // Động cơ băng tải 1 cấp chai (Q0.0)
    bConv2_Run      : BOOL; // Động cơ băng tải 2 chuyển thùng (Q0.1)
    bPump_Run       : BOOL; // Bơm chiết rót định lượng (Q0.2)
    bCylPushBottle  : BOOL; // Xy lanh 1 đẩy chai vào vị trí rót (Q0.3)
    bCylStopper     : BOOL; // Xy lanh 2 chặn định vị dập nắp (Q0.4)
    bCylCapPress    : BOOL; // Xy lanh 3 dập nắp chai (Q0.5)
    bCylPushToBox   : BOOL; // Xy lanh 4 đẩy chai vào thùng (Q0.6)
END_VAR

VAR
    iSystemStep     : INT := 0;      // Trạng thái máy hữu hạn (State Machine)
    iBottleInBox    : INT := 0;      // Biến đếm tổng chai trong thùng
    tonFillTimer    : TON;          // Bộ định thời gian chiết rót
    tonCappingTimer : TON;          // Bộ định thời gian giữ lực dập nắp
END_VAR

// Xử lý dừng khẩn cấp
IF bEStop OR bStop THEN
    bConv1_Run := FALSE;
    bConv2_Run := FALSE;
    bPump_Run := FALSE;
    bCylPushBottle := FALSE;
    bCylStopper := FALSE;
    bCylCapPress := FALSE;
    bCylPushToBox := FALSE;
    iSystemStep := 0;
    RETURN;
END_IF;

// Máy trạng thái điều khiển tuần tự chu trình
CASE iSystemStep OF
    0: // Trạng thái chờ khởi động
        IF bStart THEN
            bConv1_Run := TRUE;
            iSystemStep := 10;
        END_IF;

    10: // Trạm chiết rót: Chờ chai đến vị trí cảm biến 1
        IF bSensorBottle1 THEN
            bConv1_Run := FALSE;       // Dừng băng tải
            bCylPushBottle := TRUE;     // Xy lanh đẩy chai vào vị trí vòi
            tonFillTimer(IN := TRUE, PT := T#2S_34MS);
            bPump_Run := TRUE;          // Bật bơm định lượng
            
            IF tonFillTimer.Q THEN
                bPump_Run := FALSE;     // Tắt bơm sau đúng 2.034s
                bCylPushBottle := FALSE;// Thu xy lanh về
                tonFillTimer(IN := FALSE);
                bConv1_Run := TRUE;     // Cho băng tải chạy tiếp
                iSystemStep := 20;
            END_IF;
        END_IF;

    20: // Trạm đóng nắp: Cảm biến 2 phát hiện chai đã qua khâu cấp nắp
        IF bSensorBottle2 THEN
            bConv1_Run := FALSE;        // Dừng băng tải
            bCylStopper := TRUE;        // Đóng chốt chặn định vị
            bCylCapPress := TRUE;       // Xy lanh dập nắp đi xuống
            
            IF bCylCappingDown THEN
                tonCappingTimer(IN := TRUE, PT := T#500MS);
                IF tonCappingTimer.Q THEN
                    bCylCapPress := FALSE; // Rút xy lanh dập nắp lên
                    bCylStopper := FALSE;  // Mở chốt chặn
                    tonCappingTimer(IN := FALSE);
                    bConv1_Run := TRUE;    // Băng tải tiếp tục
                    iSystemStep := 30;
                END_IF;
            END_IF;
        END_IF;

    30: // Trạm đóng thùng: Cảm biến 3 đếm chai đã thành phẩm
        IF bSensorCount THEN
            iBottleInBox := iBottleInBox + 1;
            IF (iBottleInBox MOD 2 = 0) THEN
                bCylPushToBox := TRUE;  // Đẩy hàng 2 chai vào thùng
            ELSE
                bCylPushToBox := FALSE;
            END_IF;
            
            IF (iBottleInBox >= 4) THEN
                bConv2_Run := TRUE;     // Kích hoạt băng tải 2 đưa thùng ra
                IF bSensorBox THEN
                    bConv2_Run := FALSE;
                    iBottleInBox := 0;  // Reset bộ đếm thùng
                    iSystemStep := 10;  // Lặp lại chu trình
                END_IF;
            ELSE
                iSystemStep := 10;
            END_IF;
        END_IF;
END_CASE;

Testing và validation

Quá trình kiểm thử được triển khai đồng bộ trên mô hình phần mềm ảo và hệ thống vật lý bán dẫn:

  1. Mô phỏng khí nén trên Festo FluidSIM: Kiểm tra tính đồng động giữa cụm van SMC SY3120 và xy lanh đôi TN10x50/TN10x100. Đảm bảo không xảy ra hiện tượng kẹt áp suất ngược ở chu kỳ làm việc liên tục 2.5 bar.
  2. Kiểm thử thời gian thực trên TIA Portal & WinCC: Đánh giá độ trễ vòng quét (Scan cycle time) của CPU 1214C duy trì ổn định ở mức $1.5\text{ms} - 3.0\text{ms}$, đảm bảo độ phản hồi tức thời cho các ngắt cảm biến quang có tần số phát hiện $2\text{ms}$.
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                    KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM THỰC NGHIỆM (100 MẪU THỬ)               |
+-------------------------------------------------------------------------------+
|  Chỉ số đánh giá               | Giá trị danh định | Giá trị đo được thực tế |
+--------------------------------+-------------------+-------------------------+
|  Dung tích chiết rót trung bình| 100.0 ml          | 100.25 ± 1.15 ml        |
|  Thời gian chu kỳ 1 chai       | 3.50 s            | 3.62 s                  |
|  Tỷ lệ ép nắp kín đạt chuẩn    | 100 %             | 99.0 % (99/100 chai)    |
|  Năng suất dây chuyền          | 17 chai/phút      | 16.5 chai/phút (~990/h) |
|  Tỷ lệ lỗi đẩy kẹt thùng       | 0 %               | 1.0 % (1/100 thùng)     |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Đổi mới và đóng góp

  1. Đổi mới cấu trúc định vị và dập nắp kép: Khác biệt với các hệ sinh thái máy thủ công sử dụng cơ cấu ép tay quay trục lệch tâm, đồ án sử dụng xy lanh dẫn hướng 2 trục SMC CXSM kết hợp chốt chặn kép TN10x50. Thiết kế này triệt tiêu hoàn toàn ứng suất xoắn lên thân chai PET mỏng, duy trì lực ép thẳng trục ổn định $F_{\text{press}} = p \times A \approx 0.6\text{ MPa} \times (\pi \times 0.005^2) \approx 47.1\text{ N}$.
  2. Giải pháp định lượng tối ưu chi phí cho SMEs: Thay vì đầu tư cụm servo-piston đắt đỏ, việc kết hợp bơm chìm lưu lượng ổn định cùng giải thuật định thời gian ngắt bằng ngắt phần cứng (Hardware Timer Interrupt) của PLC S7-1200 giúp đạt độ chính xác thể tích $\pm 1.15%$, giảm $85%$ chi phí đầu tư phần cứng.
  3. Module hóa dây chuyền đóng gói thứ cấp: Tích hợp trực tiếp công đoạn gom hàng tự động (2 chai/nhịp) và đẩy thùng (4 chai/thùng) trên cùng một vòng quét điều khiển PLC mà không cần thêm bộ điều khiển vi xử lý rời rạc.
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      HIỆU QUẢ CẢI TIẾN ĐỊNH LƯỢNG                             |
+-------------------------------------------------------------------------------+
|  - Giảm chi phí nhân công vận hành : 75% (Từ 4 nhân công xuống còn 1 giám sát)|
|  - Tăng năng suất đóng chai        : 180% so với phương pháp chiết bán tự động|
|  - Giảm thất thoát chất lỏng       : 92% nhờ vòi cấp đóng cắt dứt khoát       |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản triển khai công nghiệp

  • Sản xuất nước tinh khiết đóng chai mini: Phù hợp cho các cơ sở sản xuất nước uống đóng chai học đường, hội nghị dung tích nhỏ ($100\text{ml} - 330\text{ml}$).
  • Ngành hóa mỹ phẩm & Dược phẩm: Chiết rót cồn sát khuẩn, dung dịch nước hoa, tinh dầu thảo dược và siro đóng chai tiêu chuẩn.

Yêu cầu triển khai và lắp đặt (Deployment Specifications)

  • Nguồn cấp điện: Điện lưới 1 pha $220\text{VAC} \pm 10%$, tần số $50\text{Hz}$, nối đất an toàn ($R_{\text{ground}} < 4\Omega$).
  • Hệ thống khí nén: Máy nén khí mini công suất tối thiểu $1.5\text{HP}$, bình tích áp $24\text{L}$, áp suất vận hành ổn định $0.5 - 0.7\text{ MPa}$, tích hợp bộ lọc khí và tách nước khí nén.
  • Không gian lắp đặt: Diện tích module $1200\text{mm} \times 600\text{mm} \times 800\text{mm}$, môi trường làm việc $0 - 55^\circ\text{C}$, độ ẩm $< 85%$ không đọng sương.
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                 PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ TÀI CHÍNH (TÍNH TRÊN 1 DÂY CHUYỀN)         |
+-------------------------------------------------------------------------------+
|  1. Tổng chi phí gia công & vật tư thiết bị : 14.500.000 VNĐ                  |
|  2. Chi phí nhân công tiết kiệm mỗi tháng   : 12.000.000 VNĐ (2 công nhân)    |
|  3. Thời gian hoàn vốn đầu tư (ROI)         : 1.5 - 2.0 tháng                 |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Nguyên lý định thời gian (Time-based filling): Phụ thuộc vào mực chất lỏng trong bồn chứa; khi bồn cạn, áp suất thủy tĩnh thay đổi có thể gây sai lệch thể tích nhẹ nếu không có cảm biến phao bù mức.
  • Khay cấp nắp bán tự động: Phôi nắp được xếp sẵn trên ray trượt trọng lực, chưa có cơ cấu mâm rung sàng nắp tự động (Vibratory bowl feeder).

Hướng nâng cấp mở rộng

  1. Tích hợp cảm biến lưu lượng xung (Flow sensor) hoặc cảm biến Loadcell: Nâng cấp giải pháp chiết rót vòng kín (Closed-loop PID control) để kiểm soát khối lượng thực tế từng chai với độ chính xác $\pm 0.2%$.
  2. Ứng dụng Thị giác máy tính (Machine Vision AI): Gắn camera công nghiệp tích hợp vi xử lý Raspberry Pi/Jetson Nano để kiểm tra lỗi lệch nắp, rách seal hoặc thiếu thể tích trước khi đẩy vào thùng.
  3. Kết nối IoT Công nghiệp (IIoT Gateway): Tích hợp giao thức MQTT/OPC UA trên S7-1200 để đẩy dữ liệu OEE (Hiệu suất thiết bị tổng thể) lên Cloud Dashboard giám sát từ xa qua điện thoại.

Đối tượng hưởng lợi

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                        GIÁ TRỊ MANG LẠI CHO CÁC NHÓM ĐỐI TƯỢNG                |
+-------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Sinh viên ngành Cơ điện tử / Tự động hóa                                    |
|    - Cung cấp mô hình tham khảo chuẩn về tính toán động cơ và lập trình PLC.  |
|    - Tài liệu mẫu về thiết kế khí nén và tích hợp cảm biến công nghiệp.       |
|                                                                               |
| 2. Kỹ sư & Lập trình viên PLC (Automation Developers)                         |
|    - Cấu trúc chương trình máy trạng thái (State Machine SCL) chuẩn hóa.      |
|    - Bảng I/O mapping và giải pháp tích hợp module SM 1223 thực tế.           |
|                                                                               |
| 3. Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs / Startup nông sản)                          |
|    - Bản thiết kế dây chuyền tự động hóa với chi phí đầu tư thấp (< 15 triệu).|
|    - Giảm thiểu phụ thuộc nhân công, rút ngắn thời gian thu hồi vốn.          |
|                                                                               |
| 4. Nhà nghiên cứu ứng dụng (Researchers)                                      |
|    - Dữ liệu thực nghiệm về tương quan giữa áp suất khí nén và lực ép nắp chai.|
+-------------------------------------------------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu nguồn điện và khí nén tối thiểu để hệ thống vận hành ổn định là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới 1 pha $220\text{VAC}$ cho bộ nguồn xung tổ ong $24\text{VDC} - 5\text{A}$ và bơm chìm RS-701. Về khí nén, hệ thống cần nguồn cấp khí áp suất từ $0.5\text{ MPa}$ đến $0.7\text{ MPa}$ ($5 - 7\text{ bar}$), lưu lượng cấp tối thiểu $40\text{ lít/phút}$ qua ống khí $\Phi 6\text{mm}$.

2. Làm thế nào để thay đổi dung tích chiết rót từ 100ml sang 250ml hoặc 500ml?

Người vận hành có thể hiệu chỉnh trực tiếp trên thông số ngõ vào thời gian của khối Timer tonFillTimer trong chương trình PLC hoặc thông qua ô nhập liệu trên màn hình HMI. Thời gian bơm mới được tính theo công thức: $$T_{\text{new}} = \frac{V_{\text{new}}}{49.166\text{ ml/s}}$$ Ví dụ với dung tích $250\text{ml}$, thời gian cài đặt là $T = \frac{250}{49.166} \approx 5.085\text{ giây}$.

3. Tại sao hệ thống lựa chọn xy lanh khí nén 2 trục thay vì xy lanh tròn 1 trục thông thường?

Xy lanh 2 trục (như dòng SNS TN10 hoặc SMC CXSM) có kết cấu hai thanh piston song song gắn liền tấm gá chặn đầu. Cấu trúc này chống xoay tuyệt đối, chịu được mô-men uốn cao khi dập nắp hoặc gạt chai, ngăn ngừa tình trạng rung lắc lệch tâm làm móp miệng chai PET.

4. Hệ thống xử lý thế nào khi xảy ra sự cố kẹt chai hoặc mất áp suất khí nén?

Khi cảm biến quang phát hiện chai nhưng sau khoảng thời gian Timeout ($3\text{s}$) mà cảm biến tiệm cận xy lanh D-A73 chưa báo trạng thái hoàn thành hành trình, chương trình PLC sẽ tự động kích hoạt cờ báo lỗi, dừng toàn bộ băng tải, ngắt rơ le bơm và bật còi cảnh báo ngõ ra.

5. Chi phí đầu tư dự toán và khả năng bảo trì định kỳ của dây chuyền ra sao?

Tổng chi phí chế tạo mô hình hoàn thiện dao động từ 12 đến 15 triệu VNĐ. Hệ thống sử dụng các linh kiện chuẩn công nghiệp phổ thông (Siemens, SMC, Omron) nên việc tìm kiếm vật tư thay thế rất nhanh chóng. Công tác bảo trì định kỳ chỉ bao gồm tra dầu bôi trơn khí nén (ISO VG32), vệ sinh đầu vòi chiết và kiểm tra độ căng dây đai băng tải định kỳ 6 tháng/lần.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động" đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp liên ngành Cơ học chính xác, Điện tử công nghiệp và Công nghệ điều khiển tự động hóa. Bằng việc ứng dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C kết hợp hệ thống chấp hành điện - khí nén tối ưu, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công một mô hình dây chuyền khép kín đạt năng suất $16.5\text{ chai/phút}$ với độ chính xác chiết rót cao ($\pm 1.15%$) và tỷ lệ đóng nắp chuẩn $99%$.

Kết quả nghiên cứu không chỉ minh chứng cho tính khả thi của các giải pháp tự động hóa chi phí thấp phục vụ trực tiếp cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs) tại Việt Nam, mà còn cung cấp một bộ tài liệu kỹ thuật chuẩn xác, hữu ích cho sinh viên và kỹ sư ngành Cơ điện tử tham khảo, phát triển các hệ thống SCADA và dây chuyền đóng gói thông minh trong tương lai.