Hệ thống chiết rót và đóng nắp nhiều chai trên một dây chuyền

Đồ án hệ thống chiết rót và đóng nắp nhiều chai trên một dây chuyền - ĐH SPKT TPHCM 2025

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Kiệt
• 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 và đóng nắp nhiều chai trên một dây chuyền
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống chiết rót và đóng nắp nhiều chai tự động

Hệ thống chiết rót và đóng nắp nhiều chai trên một dây chuyền đóng vai trò then chốt trong ngành bao bì hiện đại. Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM phát triển mô hình tự động hóa toàn diện nhằm tối ưu hóa chu trình đóng chai. Dây chuyền tích hợp cơ cấu mâm xoay phân độ cùng hệ thống băng tải cấp và xuất chai liên tục. Thiết bị thực hiện định lượng chất lỏng bằng cụm ba vòi bơm kết hợp van điện từ chuyên dụng. Cơ cấu đóng nắp vận hành thông qua xilanh khí nén dẫn hướng và động cơ DC siết nắp lực ổn định. Toàn bộ hoạt động do bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 giám sát và điều phối. Thiết kế cơ khí chính xác giúp chai di chuyển nhịp nhàng giữa các trạm chức năng. Cảm biến quang và tiệm cận phát hiện vị trí phôi chính xác để kích hoạt chu trình công nghệ. Dây chuyền xử lý cùng lúc ba chai tại mỗi công đoạn, giúp gia tăng sản lượng rõ rệt. Độ chính xác chiết rót cao hạn chế thất thoát nguyên liệu dạng lỏng. Quá trình vận hành liên tục giảm phụ thuộc vào sức lao động thủ công truyền thống. Đây là giải pháp tự động hóa phù hợp cho các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Khoa Điện – Điện Tử thuộc Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chú trọng đào tạo thực hành gắn liền công nghệ sản xuất thực tế. Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa tập trung giải quyết bài toán tự động hóa dây chuyền đóng gói. Nhu cầu thị trường đòi hỏi các thiết bị chiết rót tốc độ cao và chi phí chế tạo hợp lý. Mô hình nghiên cứu mô phỏng quy trình sản xuất công nghiệp thực tế. Sinh viên kết hợp kiến thức cơ điện tử, điều khiển lập trình và khí nén trong một kết cấu hoàn chỉnh. Sản phẩm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật khắt khe về thời gian đáp ứng và độ tin cậy. Đề tài tạo tiền đề chế tạo các máy đóng chai chuyên dụng cho doanh nghiệp nội địa.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật của dây chuyền chiết rót nhiều vòi

Hệ thống hướng tới việc nâng cao năng suất chiết rót và siết nắp chai liên hoàn. Mục tiêu cốt lõi là xử lý đồng bộ ba chai cùng một lượt chu kỳ. Giải pháp này rút ngắn thời gian thao tác so với máy đơn vòi truyền thống. Sai số dung tích dung dịch giữa các chai được giữ ở mức tối thiểu. Lực siết nắp ren được hiệu chỉnh vừa đủ chặt, tránh làm biến dạng nắp nhựa hoặc trờn ren thân chai. Cơ cấu kẹp và chuyển chai bằng mâm xoay đảm bảo định vị chính xác tâm miệng bình. Tốc độ băng tải và nhịp phân độ mâm xoay đồng bộ chặt chẽ với nhau. Hệ thống vận hành ổn định, loại bỏ tình trạng đổ ngã vỏ chai trong quá trình chuyển trạm.

II. Phân tích thách thức chiết rót và đóng nắp nhiều chai đồng thời

Sản xuất thủ công hoặc bán tự động đơn lẻ bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng. Năng suất lao động thấp dẫn đến chi phí vận hành tăng cao trên từng đơn vị sản phẩm. Sự chênh lệch mực chất lỏng giữa các mẻ rót làm suy giảm uy tín thương hiệu. Vấn đề siết nắp không đều lực dễ gây rò rỉ dung dịch hoặc làm biến dạng ren cổ chai. Hiện tượng đổ tràn chất lỏng khi băng tải tăng tốc gây lãng phí nguyên liệu và mất vệ sinh công nghiệp. Khi vận hành nhiều vòi chiết đồng thời, áp lực đường ống phân nhánh thường biến thiên bất thường. Nếu áp suất cấp không đồng nhất, lưu lượng qua từng đầu phun sẽ lệch nhau đáng kể. Quá trình đóng nắp nhiều chai cũng gặp khó khăn trong việc kiểm soát mô-men xoắn của từng động cơ. Động cơ siết quá chặt có thể gây nứt vỡ nắp nhựa, trong khi siết chưa tới lại làm hở kín. Việc cấp nắp tự động yêu cầu độ chính xác cơ khí cao để tránh hiện tượng kẹt nắp. Đồng thời, kết cấu mâm xoay cần triệt tiêu quán tính dừng để chai không bị nghiêng đổ khi xoay góc phân độ.

2.1. Giới hạn của phương pháp thủ công và đơn trạm

Phương pháp đóng gói thủ công bộc lộ nhiều điểm nghẽn về năng suất. Tốc độ chiết từng chai riêng rẽ kéo dài tổng thời gian hoàn thiện một mẻ hàng. Công nhân tiếp xúc trực tiếp dễ gây mất an toàn vệ sinh thực phẩm. Thao tác đong rót bằng mắt thường tạo ra dung tích chứa không đồng nhất. Việc vặn nắp bằng tay nhanh chóng gây mỏi cơ và lực siết thiếu ổn định. Các máy bán tự động đơn trạm chỉ giải quyết được một công đoạn độc lập. Việc luân chuyển chai thủ công giữa khâu chiết và khâu siết nắp làm gián đoạn dây chuyền. Nguy cơ va chạm làm đổ vỡ vỏ chai trên sàn nhà xưởng luôn ở mức cao.

2.2. Khó khăn kỹ thuật khi tích hợp nhiều đầu chiết và nắp

Vận hành đồng thời ba đầu chiết đặt ra bài toán cân bằng thủy lực phức tạp. Dao động áp suất bên trong ống góp dẫn đến lưu lượng chiết không đồng đều giữa các vòi. Sự chênh lệch này đòi hỏi mạch điều khiển thời gian van ngắt cực kỳ chuẩn xác. Ở công đoạn vặn nắp, việc đồng bộ tốc độ quay của ba động cơ siết là thách thức lớn. Nắp chai lệch góc nghiêng sẽ dẫn đến tình trạng kẹt ren hoặc hỏng miệng chai. Cơ cấu hạ xilanh khí nén phải tạo ra lực ép vừa phải lên nắp xoay. Nếu lực nén quá mạnh, động cơ DC dễ bị kẹt tải và cháy cuộn dây. Sai số vị trí mâm xoay cũng khiến tâm chai lệch khỏi trục vòi phun.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống chiết rót và đóng nắp nhiều chai

Nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TPHCM xây dựng giải pháp điều khiển tự động toàn diện trên nền tảng PLC Siemens S7-1200. Hệ thống kết hợp cơ cấu mâm xoay chia độ với các cụm chấp hành độc lập. Băng tải infeed đưa chai vào vị trí cấp phôi liên tục. Mâm xoay kẹp và đưa đồng thời ba chai qua từng vị trí công nghệ xác định. Tại trạm chiết, ba bơm định lượng hoạt động song song cùng van điện từ ngắt dòng tức thời. Thời gian bơm và chu kỳ ngắt dòng được lập trình chính xác qua phần mềm TIA Portal. Tiếp theo, chai được chuyển sang trạm đóng nắp tự động. Tại đây, ba xilanh khí nén đồng loạt hạ đầu vặn nắp xuống miệng chai. Ba động cơ một chiều điều khiển qua mạch cầu H L298N truyền động siết chặt nắp ren theo chiều kim đồng hồ. Sau khi hoàn tất siết chặt, xilanh khí nén thu về và mâm xoay đưa thành phẩm ra băng tải outfeed. Giải thuật điều khiển hỗ trợ hai chế độ vận hành Auto và Manual linh hoạt. Màn hình HMI hoặc nút ấn cho phép giám sát thông số và hiệu chỉnh từng cơ cấu chấp hành độc lập.

3.1. Cấu trúc phần cứng PLC S7 1200 và mạch công suất L298N

Bộ não điều khiển trung tâm sử dụng PLC Siemens S7-1200 với các đầu vào ra số linh hoạt. Các tín hiệu từ nút bấm hành trình và cảm biến quang kết nối trực tiếp về cổng đầu vào PLC. Khối đầu ra số điều khiển đóng cắt rơ-le trung gian để cấp nguồn cho van khí nén và máy bơm nước. Để kiểm soát cụm ba động cơ DC siết nắp, hệ thống tích hợp module mạch cầu H L298N công suất cao. Mạch này nhận tín hiệu xung điều khiển từ PLC để đảo chiều quay và duy trì mô-men xoắn ổn định. Khối nguồn chuyển đổi cung cấp điện áp một chiều 12V và 24V cách ly an toàn. Cụm xilanh khí nén đôi kết hợp van điện từ 5/2 đảm bảo chuyển động lên xuống dứt khoát.

3.2. Thuật toán điều khiển hai chế độ Auto và Manual

Lập trình điều khiển trên phần mềm TIA Portal chia thành hai luồng thuật toán riêng biệt. Ở chế độ Auto, chu trình bắt đầu bằng lệnh Start và kiểm tra điều kiện an toàn ban đầu. Băng tải infeed đưa chai tới cữ chặn trước khi mâm xoay kích hoạt chuyển bước. Cụm ba vòi chiết tự động kích hoạt bơm và van theo thời gian định mức. Kế tiếp, trạm nắp đóng rơ-le xilanh nén và cấp xung quay động cơ siết. Chu trình lặp lại liên tục cho đến khi nhận lệnh dừng Stop. Ở chế độ Manual, người thao tác có thể kiểm tra từng thiết bị qua các nút JOG, bơm và xilanh. Chế độ này hỗ trợ đắc lực công tác bảo dưỡng, khắc phục sự cố và căn chỉnh cơ khí trước khi vận hành dây chuyền chính thức.

IV. Đánh giá ứng dụng hệ thống chiết rót và đóng nắp nhiều chai

Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chế tạo thành công mô hình thử nghiệm hoạt động tin cậy. Kết quả đo kiểm cho thấy hệ thống vận hành đúng trình tự thiết kế với độ ổn định cao. Cụm ba đầu chiết rót đáp ứng độ chính xác dung tích với sai số rất nhỏ. Cơ cấu đóng nắp bằng khí nén kết hợp động cơ DC siết nắp kín chặt, không gây móp méo hay trầy xước bao bì. Chu kỳ xử lý đồng thời ba sản phẩm giúp tăng sản lượng đóng gói lên gấp nhiều lần so với các máy đơn lẻ. Việc áp dụng PLC S7-1200 mang lại khả năng chống nhiễu vượt trội trong môi trường công nghiệp. Hệ thống dễ dàng bảo trì nhờ sơ đồ đấu nối mạch rõ ràng và chế độ kiểm tra Manual tiện lợi. Thiết kế nhỏ gọn của dây chuyền rất phù hợp cho các cơ sở sản xuất nước uống đóng chai, mỹ phẩm và hóa chất quy mô vừa và nhỏ. Thành công của đề tài chứng minh tính khả thi cao trong việc làm chủ công nghệ đóng gói tự động nội địa.

4.1. Hiệu quả kinh tế và khả năng ứng dụng thực tế

Dây chuyền mang lại hiệu quả kinh tế thiết thực cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Chi phí đầu tư chế tạo mô hình thấp hơn nhiều so với thiết bị ngoại nhập. Việc tự động hóa chu trình giúp giảm bớt nhân công trực tiếp trên dây chuyền sản xuất. Năng suất đóng chai tăng cao tạo điều kiện hạ giá thành thành phẩm trên thị trường. Mô hình đáp ứng tốt yêu cầu vệ sinh an toàn trong chiết rót đồ uống và thực phẩm dạng lỏng. Ngoài ra, thiết kế module linh hoạt cho phép tùy biến theo nhiều kích thước chai khác nhau. Doanh nghiệp có thể dễ dàng bảo dưỡng hoặc thay thế linh kiện tiêu chuẩn có sẵn trên thị trường.

4.2. Hướng mở rộng và nâng cấp hệ thống trong tương lai

Hệ thống mở ra nhiều tiềm năng cải tiến kỹ thuật trong giai đoạn tiếp theo. Việc nâng cấp thêm camera thị giác máy giúp phát hiện chai nứt hoặc nắp đóng lệch chuẩn. Nhóm nghiên cứu có thể tích hợp thêm khâu cấp phôi và cấp nắp tự động dạng rung bowl feeder. Cảm biến lưu lượng điện tử hoặc cảm biến trọng lượng loadcell sẽ nâng cao độ chính xác chiết rót. Giao thức truyền thông Profinet cho phép kết nối dây chuyền với hệ thống SCADA quản lý từ xa. Dữ liệu sản lượng và trạng thái máy có thể truyền trực tiếp lên đám mây công nghiệp IoT. Những cải tiến này sẽ nâng tầm giải pháp thành một dây chuyền sản xuất thông minh toàn diện.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các ngành công nghiệp sản xuất thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm, công đoạn chiết rót và đóng nắp bao bì giữ vai trò then chốt nhằm duy trì năng suất dây chuyền, kiểm soát dung sai thể tích và đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh khắt khe như ISO 22716 (Cosmetic GMP). Trong thực tế sản xuất công nghiệp quy mô lớn, các tổ hợp máy dạng khối liền (monobloc) từ những nhà sản xuất chuyên dụng (như Krones, Zalkin) tích hợp động cơ servo đa trục, hệ thống cấp nắp phễu rung tự động và thiết bị kiểm định quang học (vision systems) có thể vận hành với năng suất hàng nghìn chai mỗi giờ. Ngược lại, tại môi trường đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật ở bậc đại học, các mô hình thực nghiệm thường bị hạn chế ở cấu hình chiết rót một vòi tuần tự kết hợp đóng nắp đơn lẻ, dẫn đến công suất hạn chế và thiếu các giải pháp xử lý sai lệch cơ học như hiện tượng nắp chai bị đặt chéo ren.

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống chiết rót và đóng nắp nhiều chai trên một dây chuyền" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Phong Lưu. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa thời gian chu kỳ đóng gói thông qua việc điều khiển song song nhiều trạm trên cùng một cụm mâm xoay phân độ.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể như sau:

1. Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo mô hình phần cứng dây chuyền chiết rót và đóng nắp tự động quy mô thử nghiệm nhỏ và vừa.
2. Thiết kế giải thuật điều khiển đồng bộ 3 cụm chiết rót và 3 cụm vặn nắp hoạt động đồng thời trên cùng một mâm xoay 6 vị trí.
3. Ứng dụng phương pháp đóng nắp "sensorless" (không dùng cảm biến vị trí hay bộ mã hóa vòng quay encoder cho trục vặn nắp), khắc phục sự cố kẹt ren bằng cách đảo chiều động cơ DC trước khi tiến hành siết chặt.
4. Đạt chỉ tiêu năng suất thiết kế khoảng 600 chai/giờ (tương đương 10 chai/phút), tương ứng mỗi mẻ xử lý 3 chai hoàn thành trong khoảng thời gian 18 giây.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là dây chuyền chiết rót định lượng dung dịch lỏng và đóng siết nắp ren dạng chai nhựa mini. Phạm vi thực nghiệm của đề tài là mô hình vật lý thu nhỏ đặt trong không gian phòng thí nghiệm thuộc Khoa Điện – Điện tử, hoàn thành vào tháng 6 năm 2025 (Học kỳ 2, năm học 2024–2025).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động hóa công nghiệp và kỹ thuật cơ điện tử:

• Cơ sở chiết rót chất lỏng: Phân tích ba nguyên lý định lượng thông dụng bao gồm chiết rót đóng ngắt theo thời gian bằng van điện từ, chiết rót thể tích bằng bơm định lượng servo/nhu động, và phương pháp piston định lượng thể tích cố định. Nhóm tác giả lựa chọn phương án kết hợp giữa bơm màng một chiều và van nước điện từ ngắt dòng để đạt độ chính xác thể tích ở quy mô nhỏ.
• Cơ sở cơ cấu đóng nắp: Phân tích nguyên lý cấp nắp bằng máng trọng lực kết hợp bánh xe sao (mâm xoay), cơ cấu siết nắp mâm cặp dẫn động bằng động cơ DC có hộp số, và cơ cấu hạ đầu vặn bằng chuyển động tịnh tiến của xy lanh khí nén.
• Nền tảng điều khiển logic và lập trình: Khung điều khiển khả trình PLC Siemens S7-1200 với môi trường lập trình TIA Portal (ngôn ngữ Ladder), tích hợp module mở rộng tín hiệu số và giao diện giám sát WinCC.
• Mạch cầu H đảo chiều động cơ: Cơ sở bán dẫn công suất của IC L298N (chịu tải tối đa 2A mỗi kênh) kết hợp ghép nối cách ly quang (optocoupler) nhằm hạ mức logic từ 24VDC của PLC xuống mức TTL 5V cho mạch điều khiển động cơ DC.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm:

• Phương pháp tính toán động học và động lực học cơ khí: Tính toán mô-men quán tính mâm xoay mica ($J_{\text{mâm}}$) mang tải 5 chai nước (tổng tải lệch tâm 1kg), xác định gia tốc góc khi quay góc $60^\circ$ ($\frac{\pi}{3}\text{ rad}$) trong 1,5 giây, áp dụng hệ số an toàn bằng 5 để chọn động cơ bước NEMA23 đạt mô-men xoắn giữ 1,2 Nm.
• Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển điện – khí nén: Tích hợp hệ thống phân phối van khí 5/2, bộ lọc khí điều áp FRL và mạch công suất DC.
• Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Lắp ráp mô hình thực tế, nạp chương trình điều khiển PLC, thiết lập các chế độ chạy tay (Manual) và chạy tự động (Auto), đo đạc tính đồng bộ và kiểm tra sai số định vị.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu xuất phát từ các tài liệu kỹ thuật của hãng sản xuất thiết bị (Siemens, Leadshine), các tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp, kết hợp dữ liệu thu thập qua các lần chạy thử nghiệm cơ cấu chấp hành trực tiếp trên mô hình vật lý.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế dưới dạng module hoàn chỉnh bố trí trên một khung gỗ kích thước 120 × 40 cm, kết hợp khung nhôm định hình và các chi tiết đỡ bằng mica gia công cắt laser.

Cấu trúc phần cứng và thiết bị điều khiển

Phân hệ / Thiết bị	Mã hiệu / Quy cách kỹ thuật	Thông số hoạt động chính	Chức năng trong hệ thống
Bộ điều khiển khả trình (PLC)	Siemens CPU 1214C DC/DC/DC (6ES7 214-1AG40-0XB0)	14 DI (24VDC), 10 DO transistor (24VDC), 2 AI	Xử lý trung tâm logic tuần tự của dây chuyền
Module mở rộng ngõ ra	Siemens SM1222 (6ES7 222-1BH32-0XB0)	16 ngõ ra số transistor (24VDC)	Mở rộng điều khiển các cụm van, bơm và cầu H
Động cơ mâm xoay	Động cơ bước NEMA23 (thân dài 76mm)	Mô-men xoắn cực đại 1,2 Nm	Dẫn động mâm chia độ 6 vị trí quay $60^\circ$/bước
Driver động cơ bước	DM860H	Dòng ra từ 2,2A; điện áp 24–80VDC; vi bước	Điều khiển góc quay và chống rung cho mâm xoay
Động cơ siết nắp (3 bộ)	Động cơ DC có hộp số GM37-3530-2472-90	24VDC, tỉ số truyền 90:1, tốc độ ra 80 vòng/phút	Dẫn động đầu chụp xoay để siết nắp chai
Mạch công suất siết nắp	Module cầu H L298N (3 mạch riêng biệt)	Dòng định mức 2A/kênh, tích hợp cách ly opto 24V-5V	Đảo chiều quay động cơ vặn nắp theo thuật toán
Bơm chiết rót (3 bộ)	Bơm màng DC R385	Điện áp 12VDC, dòng 0,7A, lưu lượng 1–2 lít/phút	Hút và đẩy dung dịch lỏng vào chai
Van chặn dòng chiết (3 bộ)	Van nước điện từ thường đóng	Điện áp cuộn hút 24VDC, ống nối nhanh 6mm	Khóa ngắt dòng tức thời chống nhỏ giọt
Cơ cấu chấp hành tịnh tiến	Xy lanh khí nén 2 trục TN10x50 (3 bộ)	Đường kính nòng 10mm, hành trình 50mm	Nâng/hạ cụm động cơ vặn nắp tiếp cận miệng chai
Van điều khiển khí nén	Van điện từ 5/2 mã DF1100 (3 bộ)	Điện áp điều khiển 24VDC	Cấp và xả khí nén điều khiển xy lanh TN10x50
Cảm biến trạm mâm xoay	Cảm biến quang điện DM-30	Ngõ ra số, kích thước siêu nhỏ	Phát hiện chai hiện diện tại từng trạm xử lý
Cảm biến băng tải (2 bộ)	Cảm biến quang Omron E3F-DS30C4	Loại M18, NPN NO, khoảng cách nhận diện 30 cm	Phát hiện chai ở đầu vào infeed và đầu ra outfeed
Động cơ băng tải (2 bộ)	Động cơ DC 24V gắn liền hộp số	Tốc độ 100 vòng/phút, con lăn kéo đường kính 2,6cm	Vận tốc kéo 8 m/phút cấp và thoát chai
Nguồn cấp hệ thống	Nguồn tổ ong 24V-10A & Mạch giảm áp LM2596S	Nguồn chính 24VDC; hạ áp 12VDC (tối đa 3A) cho bơm	Cấp nguồn động lực và nguồn điều khiển toàn tải

Thiết kế cơ khí và bố trí không gian

Mô hình chia làm 4 phân khu chính:

1. Mâm xoay chia độ và băng tải: Mâm xoay gồm 2 đĩa mica tròn đường kính 30 cm, dày 5 mm ghép song song, khoét 6 rãnh khuyết đều nhau một góc $60^\circ$ để giữ thân chai. Chai trượt tự do trên mặt đế mica cố định. Hai băng tải dây đai mini (băng tải vào và băng tải ra) đặt lệch nhau một góc $60^\circ$ tiếp tuyến với mâm xoay, tương ứng với vị trí nhận chai và nhả chai.
2. Cụm chiết rót 3 vòi: Chiếm 3 vị trí liền kề đầu tiên trên mâm xoay tính từ vị trí băng tải cấp chai. Ba vòi chiết cố định phía trên bằng giá đỡ mica gắn vào khung nhôm, kết nối riêng biệt với 3 bơm màng R385 và 3 van điện từ ngắt dòng.
3. Cụm vặn nắp 3 trạm: Chiếm 3 vị trí tiếp theo trên mâm xoay. Mỗi trạm bố trí một xy lanh khí nén TN10x50 treo thẳng đứng mang theo động cơ GM37-3530. Phía đầu trục gắn mâm cặp ôm sát tiết diện nắp chai.
4. Tủ điện điều khiển: Đặt trực tiếp trên khung máy để tối ưu độ dài dây dẫn. Bề mặt tủ trang bị nút nhấn START, STOP, RESET, nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop) và hai đèn báo trạng thái hệ thống.

Giải thuật điều khiển

Chương trình điều khiển được tổ chức theo hai chế độ chính:

• Chế độ chạy tay (Manual): Cho phép người vận hành kích hoạt độc lập từng cơ cấu chấp hành trên giao diện WinCC hoặc nút bấm vật lý (quay JOG mâm xoay thuận/nghịch, chạy riêng rẽ băng tải vào/ra, kích hoạt từng bơm chiết 1-2-3, kích hoạt từng cụm xy lanh và động cơ vặn nắp 1-2-3) phục vụ kiểm tra lỗi phần cứng và cân chỉnh vị trí cơ khí ban đầu.
• Chế độ tự động (Auto): Vận hành theo chu trình kín: Cảm biến E3F-DS30C4 nhận diện chai trên băng tải vào; động cơ bước quay mâm xoay góc $60^\circ$ đưa chai vào trạm; cảm biến DM-30 xác nhận có chai tại trạm nào thì kích hoạt trạm đó; 3 bơm và van chiết rót hoạt động theo thời gian định lượng; mâm xoay chuyển vị trí đưa chai qua máng cấp nắp và đến 3 trạm vặn; xy lanh khí nén hạ đầu siết; động cơ DC vặn nắp quay ngược trong khoảng thời gian ngắn để khử lệch ren, sau đó lập tức quay thuận siết chặt; xy lanh nâng đầu siết lên; mâm xoay đẩy chai đã hoàn thiện ra băng tải thoát.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh tự động hóa quy trình đóng gói. Nhóm tác giả tổng hợp 6 công trình nghiên cứu và tài liệu tham khảo liên quan trực tiếp, tiêu biểu như các nghiên cứu trước đây tại trường về mô hình chiết rót nước cam của Đoàn Trung Nam (2024) và hệ thống chiết rót điều khiển PLC của Trần Văn Thể (2024). Tác giả chỉ ra các điểm nghẽn của những mô hình trước gồm: năng suất thấp do xử lý đơn lẻ từng chai tuần tự, thiếu cơ chế sửa lỗi nắp nghiêng và không tích hợp giám sát. Từ đó, chương 1 xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống xử lý đồng thời 3 chai trên mâm xoay đạt công suất 600 chai/giờ, nêu chi tiết các giới hạn nghiên cứu (mô hình thí nghiệm, không trang bị cảm biến lực siết chuyên dụng, cơ cấu cấp nắp dạng máng nghiêng nạp tay) và lập đề cương 5 chương của đồ án.

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 trình bày toàn diện các nguyên lý công nghệ được ứng dụng trong đồ án:

• Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp chiết rót công nghiệp (van điện từ, bơm định lượng thể tích, piston áp lực).
• Nguyên lý hoạt động của các cơ cấu đóng nắp chai: cơ chế cấp nắp bằng phễu rung/máng trọng lực, cơ chế siết nắp mâm cặp và cơ cấu kiểm soát mô-men siết bằng ly hợp cơ khí hoặc động cơ hồi tiếp dòng.
• Cấu trúc phần cứng và nguyên lý hoạt động của PLC Siemens S7-1200, chu kỳ quét chương trình, ứng dụng timer định thời gian chiết rót và counter đếm sản phẩm.
• Lý thuyết điều khiển động cơ DC bằng mạch cầu H tích hợp IC L298N, giải thích nguyên lý đóng ngắt các cặp transistor chéo để đảo chiều quay và điều biến xung PWM.
• Nguyên lý truyền động khí nén trong cơ cấu tịnh tiến: cấu tạo piston khí nén, van phân phối khí 5/2 và cụm lọc điều áp bôi trơn FRL.
• Tính toán cơ khí cho hệ thống phân độ mâm xoay (star wheel) và băng tải vận chuyển.

Chương 3. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

Nội dung chương 3 đi sâu vào các bước tính toán, thiết kế và lắp ráp thực tế:

• Lựa chọn thiết bị: Thuyết minh chi tiết lý do chọn CPU S7-1214C kết hợp module 16DO SM1222; tính chọn động cơ bước NEMA23 dựa trên công thức tính mô-men quán tính mâm xoay ($J_{\text{mâm}} = \frac{1}{2} m_{\text{mâm}} r^2$) và gia tốc góc với hệ số an toàn bằng 5; lựa chọn động cơ DC giảm tốc GM37 24V 80rpm, bơm màng mini R385, mạch cầu H L298N, xy lanh TN10x50 và cảm biến quang DM-30, E3F-DS30C4.
• Thiết kế cơ khí 3D: Bản vẽ phối cảnh hệ thống trên mặt đế 120 × 40 cm; chi tiết mâm xoay mica 6 vị trí; cụm 3 vòi chiết rót và cụm 3 trạm vặn nắp; bản vẽ bố trí bảng điều khiển ngoài vỏ tủ điện.
• Thiết kế hệ thống điện và khí nén: Bản vẽ sơ đồ chân kết nối I/O của PLC S7-1214C; sơ đồ đấu nối cảm biến và nút nhấn; sơ đồ relay cách ly điều khiển băng tải; sơ đồ cấp nguồn cho bơm và van điện từ; sơ đồ cách ly quang cho 3 mạch L298N; sơ đồ mạng đường ống khí nén cho 3 cụm xy lanh.
• Lập trình và thuật toán: Xây dựng lưu đồ giải thuật tổng quát, lưu đồ vận hành chế độ Manual và lưu đồ chi tiết cho cơ cấu chiết rót – đóng nắp ở chế độ Auto.
• Thiết kế giao diện giám sát WinCC: Gồm màn hình điều khiển chính (Main), màn hình điều khiển bằng tay (Manual) và màn hình hiển thị trạng thái tự động (Auto).

Chương 4. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Chương 4 công bố kết quả thực hiện sau quá trình chế tạo và tích hợp:

• Hoàn thiện mô hình phần cứng thực tế với kết cấu cơ khí vững chắc, đấu nối tủ điện điều khiển công nghiệp bên trong bố trí thanh ray, máng đi dây, cầu đấu terminal cách ly và bảng nút nhấn điều khiển bên ngoài.
• Kết quả chạy thực tế: Kiểm chứng thành công khả năng phối hợp đồng bộ giữa mâm xoay, băng tải và các trạm chức năng. Mô hình xử lý đồng thời 3 chai tại trạm chiết và 3 chai tại trạm vặn nắp mà không xảy ra va chạm cơ học.
• Đánh giá hoạt động của giải thuật đóng nắp "sensorless": Động cơ DC thực hiện chu trình quay ngược để lặp lại bước ren trước khi quay thuận giúp giảm thiểu tình trạng kẹt ren hoặc vênh nắp khi nắp bị đặt lệch góc nhẹ trên miệng chai.
• Đồ án đính kèm biên bản chỉnh sửa hoàn thiện theo góp ý của giảng viên phản biện (đánh số thiết bị mục 4.2, bổ sung trích dẫn chương 1 và chuẩn hóa khối lưu đồ chương 3) và kết quả kiểm tra đạo văn với độ trùng lặp 18%.

Chương 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương cuối cùng tổng kết toàn bộ kết quả đề tài đã hoàn thành so với mục tiêu ban đầu, khẳng định tính khả thi của mô hình trong việc chiết rót và đóng nắp nhiều chai đồng thời. Đồng thời, chương 5 trình bày chi tiết các đề xuất kỹ thuật để nâng cấp hệ thống thành dây chuyền công nghiệp hoàn chỉnh trong các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

• Chế tạo thành công mô hình vật lý hoàn chỉnh tích hợp 2 cụm chức năng (chiết rót và đóng nắp) trên cùng một mâm xoay phân độ 6 vị trí, điều khiển tự động toàn phần bởi PLC Siemens S7-1214C.
• Vận hành đồng bộ 3 cụm chiết rót (3 bơm màng DC R385 và 3 van điện từ độc lập) và 3 cụm vặn nắp (3 động cơ DC GM37-3530 kết hợp 3 xy lanh khí nén 2 trục TN10x50), xử lý song song 3 sản phẩm trong một chu kỳ làm việc.
• Thực nghiệm đo đạc đạt chu kỳ vận hành khoảng 18 giây cho một mẻ 3 chai, đáp ứng mục tiêu năng suất thiết kế tương đương 600 chai/giờ (10 chai/phút).
• Tích hợp 2 chế độ vận hành (Manual và Auto) cùng giao diện giám sát WinCC trực quan, hỗ trợ cô lập từng trạm chấp hành khi cần bảo dưỡng hoặc cân chỉnh.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

• Ứng dụng giải thuật điều khiển quay đảo chiều động cơ DC vặn nắp (quay nghịch một khoảng thời gian ngắn trước khi quay thuận siết chặt) thông qua mạch cầu H L298N để tự căn chỉnh ren nắp chai mà không cần cảm biến góc quay hay cảm biến lực tốn kém.
• Thiết kế mạch ghép nối cách ly quang (opto) bảo vệ ngõ ra transistor của PLC khi điều khiển trực tiếp các module công suất DC của bên thứ ba.
• Đề xuất trang bị thêm bồn chứa áp suất ổn định thay vì hút trực tiếp từ bể chứa hở để tăng độ đồng đều dung tích giữa các vòi chiết.

Đóng góp kỹ thuật so với các đề tài trước

So với các mô hình nghiên cứu trước đây tại trường (chỉ xử lý đơn lẻ 1 chai tuần tự, vòi rót cố định, đóng nắp phụ thuộc hoàn toàn vào độ chính xác đặt nắp ban đầu), đề tài mang lại hai đóng góp rõ rệt:

1. Nâng cao năng suất trên một đơn vị diện tích nhờ cấu trúc mâm xoay 6 vị trí cho phép 3 chai được chiết và 3 chai được đóng nắp cùng lúc.
2. Thử nghiệm cơ chế siết nắp không cảm biến (sensorless) có khả năng tự gỡ lệch ren, giúp giảm đáng kể tỷ lệ kẹt nắp trong điều kiện cấp nắp bán tự động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản xác định

• Tốc độ và công suất: Năng suất 600 chai/giờ chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm, còn khoảng cách lớn so với các dây chuyền đóng gói thương mại công nghiệp (hàng nghìn chai/giờ).
• Kiểm soát lực siết: Hệ thống chưa trang bị cảm biến đo mô-men xoắn (torque sensor) hay bộ ly hợp trượt cơ khí; việc vặn nắp dừng lại dựa trên ước lượng thời gian điều khiển đóng cắt động cơ nên có thể dẫn đến hiện tượng lực siết không đều khi nguồn cấp dao động.
• Mức độ tự động hóa khâu cấp phôi: Khâu nạp chai rỗng lên băng tải vào và khâu thu hồi chai thành phẩm ở băng tải ra vẫn cần thao tác thủ công của người vận hành.
• Cơ cấu cấp nắp: Cơ cấu cấp nắp dừng lại ở mức máng nghiêng dẫn hướng, chưa có phễu rung (vibratory bowl feeder) hoặc hệ thống xoay định hướng nắp tự động, đòi hỏi người vận hành phải xếp nắp đúng chiều vào máng trước.
• Tiêu chuẩn công nghiệp và vệ sinh: Vật liệu chế tạo mô hình (gỗ ép, mica, nhôm định hình thường) và các linh kiện bán dẫn phổ thông chưa đáp ứng các tiêu chuẩn phòng sạch, chuẩn bảo vệ IP hoặc quy chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm (GMP/CIP).

Hướng phát triển tiếp theo

• Thiết kế và lắp đặt phễu rung cấp nắp tự động kết hợp cơ cấu gạt tách nắp tự động đồng bộ theo nhịp di chuyển của mâm xoay.
• Nâng cấp đầu siết nắp bằng cách tích hợp cảm biến đo dòng động cơ hoặc ly hợp trượt để kiểm soát chính xác mô-men siết đạt tiêu chuẩn đóng kín bao bì.
• Tích hợp hệ thống thị giác máy (machine vision / camera công nghiệp) tại khâu kiểm tra sau đóng nắp nhằm tự động phát hiện và loại bỏ các chai bị lệch nắp hoặc thiếu thể tích dung dịch.
• Xây dựng hệ thống tự động súc rửa đường ống tại chỗ (CIP - Clean In Place) phục vụ yêu cầu vệ sinh an toàn thực phẩm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao đối với:

• Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu hoàn chỉnh về quy trình thiết kế từ tính toán cơ khí (động cơ bước, mô-men quán tính mâm xoay), thiết kế mạch điện công nghiệp (ghép nối PLC S7-1200, module mở rộng SM1222, mạch cầu H cách ly quang, van khí nén), đến lập trình lưu đồ trạng thái trên TIA Portal và thiết kế giao diện WinCC.
• Người nghiên cứu và phát triển máy đóng gói cỡ nhỏ: Tham khảo phương án bố trí không gian mâm xoay 6 vị trí để gia tăng năng suất gấp nhiều lần so với hệ thống một vòi truyền thống, đồng thời học hỏi giải pháp điều khiển động cơ vặn nắp chống kẹt ren mà không cần đầu tư cảm biến lực đắt tiền.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng giải pháp kỹ thuật nào để khắc phục hiện tượng nắp chai bị đặt chéo ren mà không cần dùng cảm biến?
Nhóm tác giả thiết kế giải thuật điều khiển động cơ DC vặn nắp thông qua mạch cầu H L298N: khi xy lanh khí nén TN10x50 ép đầu chụp xuống nắp chai, động cơ DC sẽ được kích hoạt quay ngược chiều kim đồng hồ trong một khoảng thời gian ngắn đặt trước để ren nắp trượt về đúng khớp ren của cổ chai, sau đó động cơ mới đảo chiều quay thuận để siết chặt nắp.

2. Vì sao hệ thống phải sử dụng thêm module mở rộng SM1222 trong khi CPU S7-1214C đã có sẵn các cổng ngõ ra số?
CPU S7-1214C DC/DC/DC chỉ tích hợp sẵn 10 ngõ ra số transistor (DO). Do hệ thống vận hành đồng thời rất nhiều cơ cấu chấp hành (3 động cơ DC vặn nắp cần 6 ngõ để đảo chiều qua mạch cầu H, 3 van khí nén 5/2, 3 bơm chiết rót, 3 van điện từ chặn dòng nước, động cơ băng tải và đèn báo trạng thái), việc gắn thêm module SM1222 cung cấp thêm 16 ngõ ra transistor 24VDC giúp hệ thống đủ cổng điều khiển độc lập và tránh quá tải dòng trên các kênh ngõ ra của CPU chính.

3. Phương pháp định lượng thể tích chiết rót của mô hình được thiết kế như thế nào?
Hệ thống sử dụng phương pháp định lượng kết hợp: mỗi đầu chiết trang bị một bơm màng mini DC R385 độc lập kết nối tiếp với một van nước điện từ 24VDC thường đóng. Khi đến chu trình chiết, PLC kích hoạt đồng thời bơm chạy và mở van trong một khoảng thời gian được lập trình chính xác bằng timer của PLC S7-1200; khi hết thời gian định lượng, PLC ngắt bơm và đóng van tức thời để ngăn chặn hiện tượng dung dịch nhỏ giọt tự do.

4. Động cơ bước NEMA23 quay mâm xoay được tính toán lựa chọn dựa trên những thông số cơ học nào?
Động cơ được chọn dựa trên bài toán quay mâm xoay mica (gồm 2 đĩa đường kính 30 cm, dày 5 mm) mang tải tối đa 5 chai nước (tổng tải lệch tâm 1 kg). Mâm thực hiện quay phân độ một góc $60^\circ$ ($\frac{\pi}{3}\text{ rad}$) trong khoảng thời gian $t = 1,5\text{ s}$, tương ứng với gia tốc góc trung bình $\beta \approx 0,93\text{ rad/s}^2$. Nhóm tác giả áp dụng hệ số an toàn bằng 5 để bù trừ ma sát trượt và rung lắc, tính toán mô-men xoắn yêu cầu và lựa chọn động cơ bước NEMA23 có mô-men xoắn cực đại 1,2 Nm kết hợp driver DM860H.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống chiết rót và đóng nắp nhiều chai trên một dây chuyền" đã nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình tự động hóa tích hợp xử lý đồng thời 3 chai trên mâm xoay 6 vị trí dưới sự điều khiển của PLC Siemens S7-1214C. Hệ thống đạt năng suất thực nghiệm 600 chai/giờ và ứng dụng thành công giải thuật đảo chiều động cơ DC để xử lý lỗi đặt lệch nắp chai theo nguyên lý sensorless nhằm tiết kiệm chi phí phần cứng. Công trình hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu kỹ thuật đặt ra, tạo tiền đề và tài liệu tham khảo thực tiễn cho việc phát triển các dây chuyền chiết rót đóng gói quy mô vừa và nhỏ trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đề tài Tìm hiểu khái quát về tính cấp thiết, tính khả thi cũng như mục tiêu đề ra cho đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày nền tản lý thuyết để xây dựng mô hình hệ thống. Chương 3: Thiết kế và thi công Thiết kế các chi tiết, sơ đồ điện, khí nén và thi công lắp đặt hệ thống. Chương 4: Kết quả đạt được Tổng quan về mô hình thực tế và kết quả chạy thử nghiệm của mô hình.

3 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Tổng hợp lại những kết quả chính mà đề tài đã đạt được và đề xuất các hướng phát triển trong tương lai để hoàn thiện mô hình hơn.1 Nguyên lý các phương pháp chiết rót Trong công nghiệp, quá trình chiết rót chất lỏng có thể thực hiện theo nhiều nguyên lý định lượng khác nhau, tiêu biểu là phương pháp chiết theo thể tích, theo lưu lượng hoặc theo trọng lượng, nhằm đảm bảo độ chính xác cao cho mỗi lần rót [3]. Tùy vào tính chất chất lỏng, yêu cầu độ chính xác và quy mô sản xuất, từng phương pháp sẽ được lựa chọn phù hợp. Một số phương pháp phổ biến là phương pháp đóng ngắt van điện từ, phương pháp bơm định lượng và phương pháp piston định lượng. Phương pháp van điện từ (chiết rót bằng van đóng/ngắt): Đây là cách chiết rót đơn giản, sử dụng van điện từ để đóng mở dòng chất lỏng từ bồn chứa vào chai.

Lượng rót có thể được kiểm soát bằng thời gian mở van hoặc cảm biến mức. Cụ thể, van sẽ mở cho chất lỏng chảy vào chai, và sẽ đóng lại khi đạt đủ lượng yêu cầu [4]. Phương pháp định lượng theo thời gian yêu cầu hiệu chỉnh thời gian mở van tương ứng với thể tích mong muốn; khi hết thời gian đã đặt trước, quá trình rót tự động ngừng lại. Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, chi phí thấp, phù hợp với các chất lỏng loãng và dây chuyền tốc độ vừa phải.

Nhược điểm là độ chính xác phụ thuộc nhiều vào độ ổn định của dòng chảy và thời gian, khó đảm bảo nếu độ nhớt chất lỏng hoặc áp suất nguồn không ổn định.1: Mô phỏng nguyên lý van điện từ Phương pháp bơm định lượng: Phương pháp này sử dụng một bơm thể tích để định lượng chính xác lượng chất lỏng cần chiết. Bơm đóng vai trò vừa hút chất lỏng từ bồn chứa, vừa đẩy lượng định trước vào chai đựng [3]. Có nhiều loại bơm định lượng thường dùng, ví dụ: bơm bánh răng, bơm nhu động, bơm trục lobe, hoặc bơm piston quay, v., đi kèm động cơ điện hoặc servo motor để kiểm soát chính xác thể tích bơm ra. Trong hệ thống hiện đại, công 5 nghệ servo cho phép điều khiển bơm chính xác đến lượng chất lỏng cần cấp.

Khi servo hoạt động, nó quay bơm một góc nhất định để bơm ra đúng thể tích đã được lập trình [4]. Nhờ đó, máy chiết rót dạng bơm có độ chính xác định lượng rất cao, linh hoạt điều chỉnh được tốc độ và lưu lượng theo yêu cầu sản xuất [4]. Phương pháp bơm định lượng phù hợp cho nhiều loại chất lỏng từ loãng đến sệt, và dễ dàng tích hợp trên các dây chuyền chiết rót tự động.2: bơm định lượng chất lỏng Phương pháp piston (piston định lượng): Đây là phương pháp chiết rót thể tích cố định bằng cách sử dụng một piston chuyển động trong piston để hút và đẩy chất lỏng. Thiết bị chiết rót kiểu piston thường gồm một piston thể tích xác định, gắn liền với piston và hệ thống van một chiều ở cửa hút và cửa xả.