Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh công nghiệp hóa đang phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam, nhu cầu tự động hóa quy trình sản xuất — đặc biệt là công đoạn đóng gói — ngày càng trở nên cấp thiết đối với các doanh nghiệp muốn duy trì năng lực cạnh tranh. Công đoạn đóng thùng và dán băng keo xuất hiện phổ biến trong nhiều ngành sản xuất, đặc biệt là thực phẩm và nước giải khát, với vai trò bảo vệ sản phẩm khỏi hư hỏng trong quá trình vận chuyển, đồng thời duy trì tính thẩm mỹ và nhận diện thương hiệu. Từ thực tế đó, nhóm tác giả Huỳnh Trung Thành và Nguyễn Văn Vũ — sinh viên lớp 201513B, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM — đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài "Hệ thống đóng thùng và dán băng keo dùng PLC Mitsubishi FX1S" trong học kỳ 2 năm học 2023–2024.
Mục tiêu đề tài:
- Thi công, điều khiển và giám sát hệ thống đóng thùng và dán băng keo tự động sử dụng PLC FX1S.
- Tối ưu hóa quy trình đóng thùng và dán keo, giảm thiểu thời gian và lao động thủ công, nâng cao năng suất.
- Xây dựng giao diện điều khiển hỗ trợ người vận hành thao tác dễ dàng thông qua màn hình.
- Nâng cao tính đồng nhất trong đóng gói, góp phần cải thiện chất lượng sản phẩm cuối.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng: Chai nước giải khát 300ml; mỗi thùng chứa 6 sản phẩm xếp thành 3 hàng, mỗi hàng 2 chai.
- Phạm vi: Mô hình thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm, thiết kế cho một loại sản phẩm có kích thước cố định; thời gian thực hiện từ ngày 19/02/2024 đến ngày 21/06/2024.
- Giới hạn: Hệ thống chưa điều chỉnh được tốc độ hoạt động; số lượng sản phẩm mỗi thùng bị giới hạn bởi kích thước mô hình; độ ổn định chưa tương đương dây chuyền công nghiệp thực tế.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng
Đồ án vận dụng kiến thức từ các lĩnh vực: điều khiển tự động (PLC), truyền động khí nén, cảm biến công nghiệp, hệ thống SCADA và lập trình giao diện người dùng.
- PLC Mitsubishi FX1S-30MT: Là bộ điều khiển trung tâm của hệ thống. PLC hoạt động theo chu kỳ quét gồm bốn giai đoạn: đọc ngõ vào (Read Input), thực thi chương trình (Execute Program), chuẩn đoán và truyền thông (Diagnostics/Communications), xuất kết quả (Update Outputs). Ngôn ngữ lập trình sử dụng là Ladder và Instruction (có thể tạo chương trình loại SFC). Dung lượng chương trình đạt 2.000 bước, thời gian xử lý lệnh cơ bản từ 0,55–0,7 µs.
- SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): Hệ thống giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu với hơn 50 năm phát triển. Đồ án sử dụng cấu hình vào/ra phân tán, trong đó tín hiệu số được truyền về PC qua chuẩn RS-485.
- Giao diện C# trên nền tảng .NET: Được phát triển bởi Microsoft, C# kết nối với PLC qua giao thức truyền thông, cung cấp giao diện GUI với nút nhấn, đèn báo, bảng hiển thị trạng thái và bảng nhập thông số vận hành.
- Giao thức truyền thông RS-485: Được lựa chọn để kết nối PLC với PC qua bộ chuyển đổi USB/RS-485, cho phép truyền thông trên khoảng cách xa (đến 1.200 mét) với khả năng chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp.
Phương pháp thực hiện
Nhóm áp dụng kết hợp hai phương pháp:
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tra cứu và tham khảo tài liệu kỹ thuật, video, các đồ án tương tự (tham khảo qua http://thuvienluanvan) để nắm bắt nguyên lý hoạt động và lựa chọn thiết bị.
- Phương pháp thực nghiệm: Trực tiếp thiết kế, thi công phần cơ khí và phần điện, lập trình PLC, xây dựng giao diện SCADA, chạy thử và điều chỉnh hệ thống.
Nguồn dữ liệu
Dữ liệu thu thập từ quá trình vận hành thực tế của mô hình: kết quả thi công phần cứng, kết quả điều khiển qua giao diện SCADA, và kết quả thực nghiệm hoạt động của hệ thống được ghi nhận trong Bảng 5.1 (đặc tính hệ thống) và Bảng 5.2 (kết quả thực nghiệm).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương này đặt vấn đề nghiên cứu, trình bày mục tiêu, giới hạn, phương pháp thực hiện và cấu trúc nội dung đồ án. Nhóm xác định xu hướng tự động hóa trong sản xuất là động lực chính của đề tài, đồng thời nêu rõ các giới hạn thực tế: hệ thống chỉ hoạt động với một loại sản phẩm có kích thước cố định, tốc độ không điều chỉnh được, và độ ổn định chưa cao so với dây chuyền công nghiệp thực tế.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương trình bày nền tảng lý thuyết cho toàn bộ hệ thống, gồm:
- Khái niệm, quy trình và ưu điểm của hệ thống đóng thùng và dán băng keo tự động.
- Tổng quan về PLC, nguyên lý hoạt động theo chu kỳ quét, cấu tạo phần cứng (CPU, bộ nhớ, ngõ vào/ra DI/DO/AI/AO), và đặc tính kỹ thuật của dòng Mitsubishi FX1S.
- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị trong hệ thống: băng tải PVC, cảm biến quang (các loại: thu phát độc lập, phản xạ gương, phản xạ khuếch tán, cảm biến màu), van khí nén 5/2, xi lanh khí nén (loại tác động đơn và tác động kép), đèn báo 24VDC, nút nhấn và rơ le trung gian.
- Lịch sử phát triển, định nghĩa, tính năng (MMI, Trending, Alarm Handling, Logging/Archiving, Report Generation, Automation) và hai cấu hình của hệ thống SCADA: tập trung và vào/ra phân tán.
- Tổng quan về giao diện C# trên nền .NET: ưu điểm tương tác với PLC qua Modbus TCP/IP, các thành phần giao diện, và cơ chế kết nối hai chiều giữa PC và PLC qua RS-485.
Bảng đặc tính kỹ thuật của PLC FX1S (Bảng 2.1) và bảng phân loại các dòng FX1S (Bảng 2.2) được trình bày chi tiết, trong đó FX1S-30MR-ES/UL có 16 ngõ vào Sink/Source và 14 ngõ ra Rơ le, kích thước 100 × 75 × 90 mm.
Chương 3: Lựa chọn thiết bị và thi công hệ thống
Đây là chương trọng tâm kỹ thuật, bao gồm toàn bộ quá trình từ lựa chọn linh kiện đến hoàn thiện hệ thống:
Lựa chọn thiết bị: Căn cứ vào yêu cầu I/O (tối thiểu 9 DI và 11 DO 24VDC), nhóm chọn PLC Mitsubishi FX1S-30MT (16 DI, 14 DO), nguồn cấp 100–230VAC, bộ nhớ 2.000 bước lệnh, kích thước 100 × 90 × 49 mm. Cảm biến tiệm cận loại NPN được chọn với khoảng cách phát hiện 7–30 cm, dòng kích ngõ ra 300 mA. Hai băng tải PVC có kích thước khác nhau: băng tải 1 (50 × 8 cm) vận chuyển chai, băng tải 2 (150 × 20 cm) vận chuyển thùng. Van khí nén 5/2 điện từ (24VDC, 0,7 MPa, công suất 0,5W). Băng keo OPP vàng đục. Nguồn tổ ong 24V.
Tính toán động cơ băng tải:
| Thông số |
Băng tải 1 |
Băng tải 2 |
| Kích thước |
50 × 8 cm |
150 × 20 cm |
| Vận tốc |
4 m/phút |
5 m/phút |
| Lực kéo tính toán |
1,42 N |
2,75 N |
| Công suất tính toán |
1,14 W |
1,8 W |
| Động cơ sử dụng |
24VDC – 10W |
24VDC – 10W |
Cả hai băng tải đều sử dụng cùng loại động cơ 1634G (24VDC – 10W) do kết quả tính toán công suất đều nhỏ hơn 10W.
Thi công cơ khí: Ba cơ cấu chuyên biệt được thiết kế và thi công: cơ cấu kẹp cổ chai, cơ cấu gấp mép thùng (gấp mép trước, mép sau và hai mép bên), cơ cấu dán băng keo.
Thiết kế điện và lập trình: Sơ đồ khối hệ thống, mạch điều khiển, mạch động lực và lưu đồ giải thuật (flowchart) được xây dựng đầy đủ. Bảng địa chỉ đầu vào PLC (Bảng 3.1), bảng địa chỉ đầu ra PLC (Bảng 3.2) và bảng chi tiết mạch động lực (Bảng 3.3) được lập cụ thể.
Chương 4: Thiết kế giao diện giám sát hệ thống
Giao diện SCADA được xây dựng trên ngôn ngữ C#, gồm hai màn hình chính:
- Giao diện trang giới thiệu: Hiển thị thông tin tổng quan về hệ thống.
- Giao diện điều khiển: Hỗ trợ hai chế độ vận hành — Auto và Manual. Bảng 4.1 liệt kê đầy đủ chức năng các thành phần trên giao diện điều khiển, bao gồm nút khởi động/dừng, đèn trạng thái, hiển thị kết nối PLC–PC và các tín hiệu phản hồi từ cảm biến.
Chương 5: Kết quả và nhận xét
Chương ghi nhận toàn bộ kết quả thực nghiệm: phần cứng hoàn thiện (khung cơ khí, tủ điện), kết quả điều khiển qua SCADA ở cả hai chế độ Auto và Manual, và chuỗi hoạt động thực nghiệm gồm 7 bước tuần tự từ cấp sản phẩm đến thùng thành phẩm.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Chương tổng kết kết quả đạt được và đề xuất các hướng mở rộng cho các nhóm nghiên cứu tiếp theo.
Thiết kế và triển khai
Kiến trúc hệ thống
Hệ thống được tổ chức theo kiến trúc ba lớp:
- Lớp chấp hành (Field Level): Gồm hai băng tải PVC, năm cảm biến tiệm cận NPN, sáu van khí nén 5/2 điều khiển các xi lanh khí nén (cơ cấu kẹp cổ chai, gấp mép thùng, dán băng keo), hai động cơ băng tải 24VDC – 10W, đèn báo trạng thái.
- Lớp điều khiển (Control Level): PLC Mitsubishi FX1S-30MT-00 với 16 ngõ vào và 14 ngõ ra, lập trình bằng ngôn ngữ Ladder, kết nối với lớp chấp hành qua rơ le trung gian và mạch động lực.
- Lớp giám sát (Supervisory Level): PC chạy ứng dụng C# (.NET), kết nối với PLC qua cáp USB/RS-485, thực hiện giám sát và điều khiển theo thời gian thực.
Quy trình hoạt động tự động (chế độ Auto)
Hệ thống thực hiện tuần tự các bước sau khi khởi động:
- Cấp sản phẩm (chai 300ml) vào băng tải 1.
- Cơ cấu kẹp cổ chai hoạt động, tấm ngăn được kéo ra để định vị sản phẩm.
- Thả sản phẩm vào thùng carton.
- Gấp mép thùng trước và mép thùng sau bằng xi lanh khí nén.
- Gấp hai mép thùng bên.
- Thùng di chuyển trên băng tải 2 vào cơ cấu dán băng keo.
- Thùng thành phẩm ra khỏi hệ thống.
Công nghệ sử dụng
| Thành phần |
Công nghệ/Thiết bị |
| Bộ điều khiển |
PLC Mitsubishi FX1S-30MT |
| Ngôn ngữ lập trình PLC |
Ladder, Instruction (SFC) |
| Giao diện giám sát |
C# trên nền .NET |
| Giao thức truyền thông |
RS-485 (USB/RS-485 converter) |
| Cơ cấu chấp hành khí nén |
Van khí nén 5/2 điện từ, xi lanh tác động kép |
| Cảm biến |
Cảm biến tiệm cận điện dung, NPN |
| Băng tải |
PVC (hai loại kích thước) |
| Nguồn điện |
Nguồn tổ ong 24VDC |
Kiểm thử
Hệ thống được kiểm thử qua hai giai đoạn: chạy thử từng cơ cấu riêng lẻ (tuần 14) và chạy thử toàn hệ thống liên tục. Kết quả thực nghiệm được ghi nhận đầy đủ trong Bảng 5.2. Kiểm tra đạo văn được thực hiện ngày 20/06/2024 cho kết quả 25% trùng lặp toàn nội dung, mức cao nhất từ một nguồn là 7%.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính
- Hệ thống mô hình hoàn thiện với hiệu suất hoạt động đạt 60 thùng/giờ và độ chính xác 90%.
- PLC FX1S-30MT điều khiển thành công toàn bộ 16 ngõ vào và 14 ngõ ra, bao gồm 5 cảm biến tiệm cận, 4 nút nhấn, 6 van khí nén, 2 động cơ băng tải và 3 đèn báo.
- Giao diện SCADA C# kết nối ổn định với PLC qua RS-485, hỗ trợ hai chế độ vận hành: Auto và Manual.
- Chuỗi 7 bước hoạt động tự động từ cấp sản phẩm đến thùng thành phẩm được thực thi theo đúng lưu đồ giải thuật.
Giải pháp và kiến nghị tác giả đề xuất
Nhóm đề xuất sử dụng đề tài này làm cơ sở nghiên cứu cho các nhóm sau có thể mở rộng và phát triển thêm, bao gồm: hỗ trợ đa loại sản phẩm, điều chỉnh tốc độ băng tải, và nâng cao độ ổn định cơ cấu cơ khí.
Đóng góp
Đồ án kế thừa các ưu điểm từ các mô hình đóng thùng đã có, đồng thời tích hợp giao diện giám sát SCADA bằng C# — đây là thành phần được nhóm bổ sung so với các đề tài tương tự trước đó nhằm tăng khả năng giám sát từ xa và điều khiển linh hoạt hơn cho người vận hành.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Văn bản trực tiếp nêu các hạn chế hiện tại của hệ thống:
- Số lượng sản phẩm mỗi thùng hạn chế do ràng buộc về kích thước mô hình thực nghiệm.
- Tốc độ hoạt động không điều chỉnh được, hệ thống chỉ vận hành ở một mức tốc độ cố định.
- Độ ổn định chưa cao, hệ thống hoạt động chính xác nhưng vẫn còn sai số so với dây chuyền công nghiệp thực tế (độ chính xác dừng ở mức 90%).
- Tính linh động thấp, hệ thống chỉ được thiết kế cho chai nước giải khát 300ml với kích thước cố định, không thích ứng được với sản phẩm có hình dạng hoặc kích thước khác.
Hướng phát triển mà tác giả đề xuất trong Chương 6: mở rộng phạm vi ứng dụng, tăng số lượng sản phẩm mỗi thùng, cải thiện độ ổn định cơ học và nâng cao tính linh hoạt của hệ thống để phù hợp với nhiều loại sản phẩm hơn trong môi trường sản xuất thực tế.
Giá trị tham khảo
Đồ án này phù hợp để tham khảo cho các đối tượng sau:
- Sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện – Điện tử đang thực hiện đồ án về hệ thống PLC ứng dụng trong đóng gói công nghiệp; có thể tham khảo Chương 3 (lựa chọn thiết bị, tính toán động cơ, thiết kế mạch điều khiển và mạch động lực) và Chương 4 (thiết kế giao diện SCADA).
- Sinh viên tìm hiểu về PLC Mitsubishi FX1S: Chương 2 cung cấp đặc tính kỹ thuật, bảng phân loại dòng sản phẩm, nguyên lý hoạt động và lập trình Ladder — đây là phần nền tảng hữu ích cho người mới tiếp cận dòng PLC này.
- Sinh viên làm đề tài về SCADA và giao diện C#: Chương 2 (lý thuyết SCADA) và Chương 4 (thiết kế giao diện điều khiển với hai chế độ Auto/Manual) là các phần có thể tham khảo kỹ.
- Người làm đề tài tương tự về hệ thống đóng gói, băng chuyền tự động: Phần tính toán lực kéo, công suất động cơ và lựa chọn thiết bị khí nén trong Chương 3 cung cấp quy trình tính toán thực tế có thể tái sử dụng.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao nhóm chọn PLC Mitsubishi FX1S-30MT thay vì các dòng FX1S có ít I/O hơn?
Hệ thống yêu cầu tối thiểu 9 DI (4 nút nhấn + 5 cảm biến tiệm cận) và 11 DO (3 đèn báo + 2 động cơ + 6 van khí nén). FX1S-30MT có 16 DI và 14 DO, đáp ứng đủ số lượng I/O và có dự phòng cho mở rộng, trong khi các dòng nhỏ hơn như FX1S-20MR (12 DI, 8 DO) không đủ số ngõ ra.
2. Hệ số hiệu suất hoạt động 60 thùng/giờ và độ chính xác 90% được xác định như thế nào?
Đây là các chỉ tiêu kỹ thuật được đặt ra trong phần yêu cầu hệ thống (mục 3.1) và được kiểm chứng qua thực nghiệm, kết quả ghi nhận tại Bảng 5.1 (bảng đặc tính hệ thống) và Bảng 5.2 (bảng kết quả thực nghiệm) trong Chương 5.
3. Giao tiếp giữa giao diện C# và PLC FX1S được thực hiện theo cơ chế nào?
Kết nối vật lý qua cáp USB/RS-485. PC có thể đọc dữ liệu từ PLC (PC gửi yêu cầu → PLC truyền dữ liệu → PC xác nhận nhận), ghi dữ liệu đến PLC (PC gửi yêu cầu → PLC đồng ý → PC truyền → PLC xác nhận), hoặc PLC chủ động gửi dữ liệu một chiều đến PC. Ba cơ chế này được mô tả trong mục 2.6.2.
4. Tại sao hệ thống chỉ dùng một loại động cơ 24VDC – 10W cho cả hai băng tải dù yêu cầu công suất khác nhau?
Công suất tính toán của băng tải 1 là 1,14W và băng tải 2 là 1,8W — cả hai đều nhỏ hơn nhiều so với 10W. Nhóm chọn động cơ 1634G (24VDC – 10W) có sẵn cho cả hai vị trí, đảm bảo hệ số dự trữ công suất an toàn (k = 1,2) và đơn giản hóa việc lắp đặt, bảo trì.
5. Lưu đồ giải thuật của hệ thống đã được điều chỉnh như thế nào sau phản biện?
Theo biên bản chỉnh sửa đồ án, hội đồng phản biện yêu cầu chỉnh sửa lại thứ tự các khối trong lưu đồ giải thuật tại mục 3.2 (trang 49) và bổ sung hình ảnh minh họa chế độ điều khiển Auto và Manual trong giao diện điều khiển tại mục 4.2 (trang 51).
Kết luận
Đồ án "Hệ thống đóng thùng và dán băng keo dùng PLC Mitsubishi FX1S" của nhóm sinh viên Huỳnh Trung Thành và Nguyễn Văn Vũ đã xây dựng thành công một mô hình thực nghiệm tích hợp phần cứng cơ khí – điện – khí nén với phần điều khiển PLC và giám sát SCADA, đạt hiệu suất 60 thùng/giờ và độ chính xác 90% trong điều kiện thử nghiệm. Hệ thống thể hiện khả năng ứng dụng PLC Mitsubishi FX1S-30MT trong bài toán đóng gói công nghiệp cơ bản, đồng thời minh chứng cho việc kết hợp giao diện C# với truyền thông RS-485 để giám sát và điều khiển từ PC. Phạm vi của đồ án giới hạn ở mức mô hình học thuật với một loại sản phẩm cố định, và được xác định là nền tảng để các nghiên cứu tiếp theo mở rộng về tính linh hoạt, tốc độ và độ ổn định của hệ thống.
