Hệ thống phân loại chiều cao và màu sắc hộp nước hoa

Đồ án hệ thống phân loại chiều cao và màu sắc hộp nước hoa - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Mai Xuân Tùng
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Ngọc Phương
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Hệ thống phân loại chiều cao và màu sắc hộp nước hoa
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống phân loại chiều cao và màu sắc hộp nước hoa

Ngành sản xuất mỹ phẩm hiện đại đòi hỏi quy trình đóng gói đạt độ chính xác cao. Hệ thống phân loại chiều cao và màu sắc hộp nước hoa tại ĐH SPKT TPHCM ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu cấp thiết này. Đề tài do sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương. Mục tiêu chính tập trung vào việc tự động hóa khâu kiểm tra ngoại quan sản phẩm đóng hộp. Trước đây, nhiều doanh nghiệp mỹ phẩm như Charme phụ thuộc phần lớn vào thao tác thủ công của công nhân. Cách làm này tiêu tốn nhiều thời gian và dễ phát sinh sai sót kỹ thuật. Mô hình phân loại mới tạo ra bước tiến lớn trong dây chuyền đóng gói. Hệ thống đồng thời kiểm tra kích thước vật lý lẫn màu sắc nhận diện của vỏ hộp. Quá trình vận hành diễn ra liên tục trên băng tải trung gian. Thiết kế module cơ điện tử mang lại tính linh hoạt cao trong sản xuất. Các thành phần kết cấu đảm bảo tiêu chí nhỏ gọn, bền bỉ và tiết kiệm chi phí lắp đặt. Công trình khẳng định năng lực ứng dụng khoa học kỹ thuật vào thực tiễn sản xuất công nghiệp.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu đề tài tại ĐH SPKT TPHCM

Khoa Cơ khí Chế tạo máy tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn chú trọng các đề tài gắn liền thực tiễn. Nhu cầu đóng gói tự động trong ngành hóa mỹ phẩm tăng trưởng không ngừng qua từng năm. Doanh nghiệp cần giải pháp xử lý phân loại sản phẩm nhanh và hạn chế lỗi con người. Đề tài tốt nghiệp của tác giả Mai Xuân Tùng tập trung giải quyết bài toán phân loại sản phẩm nước hoa Charme. Nghiên cứu kết hợp liên ngành giữa cơ khí chính xác, điều khiển lập trình và thị giác máy tính. Đồ án tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ cơ điện tử vào tự động hóa nhà máy sản xuất.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật của hệ thống phân loại

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là chế tạo mô hình phân loại tự động đạt chuẩn công nghiệp. Hệ thống phân loại vỏ hộp nước hoa theo hai tiêu chí: chiều cao sản phẩm và màu sắc bề mặt. Thiết kế cơ khí đáp ứng các chỉ tiêu về độ bền, độ nhỏ gọn và tính thẩm mỹ cao. Cơ cấu chấp hành sử dụng xi lanh khí nén tác động kép đảm bảo lực đẩy dứt khoát. Bộ điều khiển trung tâm PLC S7-1200 phối hợp cùng phần mềm LabVIEW nhận diện chính xác vỏ hộp màu đỏ. Hệ thống còn tích hợp màn hình HMI và giám sát WinCC giúp kiểm soát thông số vận hành theo thời gian thực.

II. Phân tích khó khăn khi phân loại chiều cao và màu sắc vỏ hộp

Quá trình phân loại sản phẩm trong các nhà máy sản xuất truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế. Việc sử dụng nhân công trực tiếp gây ra tình trạng giảm sút năng suất do mệt mỏi. Mắt người khó duy trì sự tập trung liên tục khi kiểm tra hàng nghìn vỏ hộp mỗi ca làm việc. Sai lệch trong nhận định chiều cao hoặc sắc thái màu sắc dẫn đến lỗi đóng gói nghiêm trọng. Doanh nghiệp phải chịu tổn thất lớn về chi phí nguyên vật liệu và uy tín thương hiệu. Ngoài ra, tốc độ làm việc thủ công không bắt kịp nhịp độ vận hành của máy đóng nắp tự động. Sự thiếu đồng bộ này tạo ra điểm nghẽn nghiêm trọng trên toàn bộ dây chuyền sản xuất. Hơn nữa, việc thu thập dữ liệu sản lượng và tỷ lệ lỗi bằng sổ sách thường thiếu chính xác. Nhà quản lý không thể nắm bắt tình trạng dây chuyền theo thời gian thực để đưa ra can thiệp kịp thời. Những bất cập trên thúc đẩy nhu cầu cấp thiết về một hệ thống cơ điện tử tự động hóa hoàn toàn. Mô hình mới cần kết hợp xử lý cảm biến và thị giác máy tính nhằm loại bỏ hoàn toàn yếu tố chủ quan.

2.1. Hạn chế của quy trình kiểm tra thủ công

Phương pháp phân loại thủ công bộc lộ nhiều nhược điểm chí mạng trong môi trường công nghiệp. Năng suất lao động biến động phụ thuộc vào thể trạng và tâm lý người đứng chuyền. Tỷ lệ phân loại nhầm giữa các loại hộp nước hoa có kích thước tương đồng rất dễ xảy ra. Việc nhận biết màu sắc bằng mắt thường chịu tác động lớn bởi điều kiện ánh sáng nhà xưởng. Cường độ sáng thay đổi khiến công nhân nhận định sai lệch sắc độ của bao bì. Ngoài ra, doanh nghiệp phải gánh chịu chi phí nhân công tăng cao liên tục qua các năm. Việc đào tạo công nhân mới tiêu tốn nhiều thời gian nhưng hiệu quả vận hành không ổn định.

2.2. Thách thức kỹ thuật khi tích hợp cảm biến và camera

Thiết kế hệ thống phân loại đòi hỏi sự đồng bộ chuẩn xác giữa phần cứng và phần mềm. Băng tải chuyển động liên tục tạo ra độ rung lắc nhất định cho vật thể. Tình trạng này làm giảm độ chính xác của cảm biến siêu âm và cảm biến quang. Camera thị giác máy tính cũng dễ bị nhiễu ảnh bởi ánh sáng môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, tốc độ xử lý ảnh trong LabVIEW phải tương thích hoàn toàn với thời gian quét của PLC. Nếu độ trễ truyền thông quá lớn, cơ cấu xi lanh khí nén sẽ đẩy sai vị trí hộp. Do đó, việc phối hợp thuật toán và cấu hình phần cứng trở thành bài toán kỹ thuật trọng tâm.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống phân loại chiều cao và màu sắc

Giải pháp kỹ thuật của đề tài tại ĐH SPKT TPHCM ứng dụng kiến trúc điều khiển đa tầng linh hoạt. Trung tâm điều khiển chính sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 mạnh mẽ. Hệ thống cơ khí gồm khung máy vững chắc cùng băng tải truyền động bằng động cơ điện một chiều. Ba cảm biến quang NPN kết hợp cảm biến siêu âm đo lường chính xác kích thước hộp. Vi điều khiển Arduino Uno R3 đóng vai trò thu thập và xử lý tín hiệu cảm biến trước khi gửi đến PLC. Về nhận diện màu sắc, hệ thống trang bị camera chuyên dụng kết nối máy tính chạy LabVIEW 2019. Thuật toán xử lý ảnh trích xuất vùng màu đỏ đặc trưng của vỏ hộp nước hoa Charme. Tín hiệu phán đoán trả về PLC qua giao thức truyền thông công nghiệp thời gian thực. Khi phát hiện sản phẩm phù hợp, PLC kích hoạt van điện từ 5/2 điều khiển xi lanh khí nén tác động kép. Piston lập tức đẩy hộp nước hoa vào khay chứa tương ứng với độ chính xác cao. Toàn bộ chu trình vận hành khép kín, triệt tiêu sai số cơ học.

3.1. Phối hợp điều khiển giữa PLC S7 1200 và Arduino

Bộ điều khiển PLC S7-1200 đảm nhiệm vai trò trung tâm chỉ huy trong toàn bộ hệ thống cơ điện tử. Thiết bị tiếp nhận tín hiệu số từ cụm cảm biến quang và dữ liệu đo khoảng cách từ Arduino. Bo mạch Arduino Uno R3 chịu trách nhiệm đọc xung từ cảm biến siêu âm để xác định chiều cao vỏ hộp. Dữ liệu xử lý được chuyển đổi thành mức logic gửi thẳng đến ngõ vào của PLC. Thuật toán điều khiển trong PLC thực thi các chu kỳ logic tuần tự rất chuẩn xác. Hệ thống kích hoạt van khí nén 5/2 đẩy xi lanh đưa sản phẩm vào đúng nhánh phân loại quy định mà không gây va đập.

3.2. Thuật toán nhận diện màu sắc bằng LabVIEW 2019

Công nghệ thị giác máy tính giải quyết triệt để bài toán nhận biết màu sắc vỏ hộp nước hoa. Camera kỹ thuật số ghi nhận hình ảnh vật thể khi đi qua khu vực chiếu sáng tiêu chuẩn. Phần mềm LabVIEW 2019 ứng dụng module Vision Development để phân tích ma trận màu RGB và không gian màu HSV. Thuật toán tiến hành lọc ngưỡng nhị phân để cô lập vùng màu đỏ trên bao bì Charme. Sau khi trích xuất đặc trưng màu sắc thành công, phần mềm xuất tín hiệu điều khiển trực tiếp sang PLC S7-1200. Quy trình phân tích diễn ra trong vài mili-giây, đảm bảo hệ thống vận hành trơn tru ở tốc độ băng tải cao.

IV. Kết luận và tiềm năng ứng dụng phân loại hộp nước hoa

Đề tài tốt nghiệp tại ĐH SPKT TPHCM đã chế tạo thành công mô hình phân loại sản phẩm hoàn chỉnh. Kết quả kiểm nghiệm thực nghiệm chứng minh hệ thống hoạt động ổn định và chính xác cao. Khả năng nhận diện màu sắc qua xử lý ảnh đạt độ nhạy ấn tượng đối với vỏ hộp Charme. Việc tích hợp màn hình HMI cung cấp hai chế độ Auto và Manual giúp kỹ thuật viên vận hành thuận tiện. Bên cạnh đó, hệ thống SCADA WinCC hỗ trợ giám sát và lưu trữ toàn bộ dữ liệu sản xuất trực tiếp trên máy tính. Giải pháp còn tiến xa hơn khi ứng dụng nền tảng IoT truyền tải thông số lên điện toán đám mây. Người quản lý có thể giám sát trạng thái máy móc mọi lúc thông qua mạng Wifi hoặc sóng 4G di động. Tủ điện công nghiệp trang bị nút dừng khẩn cấp và relay bảo vệ an toàn tối đa cho hệ thống. Thành công của nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất mỹ phẩm và dược phẩm. Mô hình khẳng định tính thực tiễn cao của kỹ thuật cơ điện tử hiện đại.

4.1. Khả năng giám sát thông minh qua SCADA và IoT

Hệ thống tạo điểm nhấn vượt trội nhờ tích hợp công nghệ giám sát số hóa hiện đại. Phần mềm WinCC hiển thị trực quan toàn bộ hoạt động của băng tải, cảm biến và cơ cấu xi lanh. Dữ liệu đếm số lượng sản phẩm theo từng nhóm phân loại được lưu trữ liên tục vào cơ sở dữ liệu. Kết nối IoT cho phép truyền thông tin sản xuất tức thời lên nền tảng điện toán đám mây. Kỹ sư có thể theo dõi tiến độ đơn hàng và trạng thái thiết bị trực tiếp qua ứng dụng điện thoại thông minh. Tính năng này nâng cao khả năng quản trị sản xuất từ xa một cách linh hoạt và tiện lợi.

4.2. Khả năng nhân rộng mô hình trong công nghiệp

Mô hình thực nghiệm tại ĐH SPKT TPHCM sở hữu tiềm năng thương mại hóa và ứng dụng rất lớn. Cấu trúc module cơ khí giúp nhà máy dễ dàng tùy biến kích thước để phù hợp nhiều loại sản phẩm khác. Doanh nghiệp có thể mở rộng thuật toán nhận diện màu sắc cho các bao bì đa dạng hơn ngoài màu đỏ. Chi phí chế tạo hệ thống tương đối tối ưu so với dây chuyền ngoại nhập đắt đỏ. Việc làm chủ hoàn toàn công nghệ từ PLC đến thị giác máy tính giúp đơn giản hóa việc bảo trì sửa chữa. Giải pháp đóng góp thiết thực vào chiến lược chuyển đổi số và tự động hóa công nghiệp Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp "Hệ thống phân loại chiều cao và màu sắc hộp nước hoa" do sinh viên Mai Xuân Tùng thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Nguyễn Ngọc Phương tại Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 2 năm 2023). Đề tài xuất phát từ khảo sát thực tế quy trình sản xuất và đóng gói tại nhà máy nước hoa Charme (huyện Hóc Môn, Thành phố Hồ Chí Minh). Tại đây, quy trình sản xuất bao gồm 7 công đoạn: tìm kiếm nguyên liệu, chiết xuất tinh dầu, pha chế, đóng chai, phân loại sản phẩm, đóng gói, kiểm tra và xuất khẩu. Trong đó, công đoạn phân loại tại phần lớn doanh nghiệp vừa và nhỏ vẫn mang tính bán tự động hoặc phụ thuộc hoàn toàn vào lao động thủ công, dễ dẫn đến sai sót và không tối ưu hóa an toàn lao động. Ngược lại, các dây chuyền phân loại công nghiệp tích hợp xử lý ảnh hiện đại đòi hỏi chi phí đầu tư lớn cùng quy trình bảo dưỡng phức tạp. Do đó, yêu cầu đặt ra là thiết kế một mô hình tự động hóa phân loại sản phẩm có tính ổn định, chi phí chế tạo hợp lý và tích hợp khả năng giám sát từ xa.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định theo 3 tiêu chí kỹ thuật và 3 mục tiêu cụ thể:

• Tiêu chí cơ khí: Phân tích động lực học, tính toán lựa chọn vật liệu, thiết kế và thi công hệ thống đáp ứng các tiêu chuẩn nhỏ, nhẹ, bền, thẩm mỹ, tiết kiệm chi phí, dễ lắp đặt và sửa chữa.
• Tiêu chí điều khiển: Vận hành tự động theo lưu đồ giải thuật, cho phép thao tác qua màn hình cảm ứng, tích hợp điều khiển và giám sát qua Internet of Things (IoT) và mô phỏng trên WinCC.
• Tiêu chí an toàn: Đảm bảo tiêu chuẩn an toàn lao động cho người vận hành và mạch bảo vệ điện.
• Mục tiêu 1: Điều chế độ rộng xung (Pulse Train Output - PTO) để điều khiển vận tốc động cơ kéo băng tải, đưa sản phẩm đến các ô chứa hàng nhờ cơ cấu đẩy xy lanh.
• Mục tiêu 2: Nhận biết chiều cao và màu sắc của hộp nước hoa thông qua cụm cảm biến và hệ thống xử lý ảnh, truyền tín hiệu về bộ điều khiển PLC S7-1200 để kích hoạt các xy lanh phân loại tương ứng.
• Mục tiêu 3: Điều khiển hệ thống qua màn hình HMI, mô phỏng trên WinCC và theo dõi quá trình vận hành từ xa qua ứng dụng IoT trên điện thoại thông minh kết nối mạng di động/Wifi và điện toán đám mây.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các dòng hộp nước hoa của thương hiệu Charme.
• Phạm vi hình học và cơ lý: Hộp nước hoa có dạng hình khối chữ nhật hoặc hình lập phương; sản phẩm đã được đóng gói hoàn thiện; tải trọng làm việc tối đa của hệ thống là 3 kg; hệ số truyền động của băng tải bằng 1.
• Phạm vi nhận dạng: Phân loại theo kích thước chiều cao (hộp nhỏ và hộp lớn) và nhận biết 3 mã màu sắc cơ bản (đỏ, trắng, cam).
• Thời gian và không gian thực hiện: Học kỳ I năm học 2022–2023 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh kết hợp dữ liệu khảo sát từ nhà máy Charme.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa lý thuyết điều khiển tự động hóa công nghiệp, cơ học truyền động khí nén và công nghệ xử lý ảnh số. Tác giả tiến hành so sánh, đánh giá các giải pháp kỹ thuật để lựa chọn phương án tối ưu:

• Cơ chế cấp phôi: Đánh giá giữa cơ cấu đẩy bằng xy lanh khí nén, cánh tay robot 6 bậc tự do và cấp phôi thủ công bằng tay. Tác giả lựa chọn phương án cấp phôi bằng tay nhằm tối ưu chi phí và phù hợp với đặc thù sản phẩm đã được đóng gói sẵn từ khâu trước.
• Cơ chế truyền động: So sánh hệ thống truyền động thủy lực và hệ thống truyền động khí nén. Khí nén được lựa chọn nhờ ưu điểm nguồn năng lượng sạch, đường ống nhẹ, tính an toàn cao, kết cấu đơn giản và phù hợp với tải trọng dưới 3 kg.
• Cơ cấu vận chuyển: So sánh băng tải phẳng và băng tải lồng máng. Băng tải phẳng được chọn vì kết cấu cứng vững, đa dạng chủng loại và phù hợp với đáy hộp carton.
• Phương pháp phân loại: Đánh giá giữa phương án xy lanh kết hợp băng tải, xy lanh trượt và động cơ AC Servo. Phương án phối hợp xy lanh khí nén và băng tải được chọn do đáp ứng độ ổn định, kết cấu tinh gọn và chi phí lắp đặt thấp.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được chia thành 3 mảng công nghệ chính:

• Phương pháp đo chiều cao: Sử dụng cảm biến khoảng cách siêu âm kết hợp vi điều khiển Arduino Uno R3 để thu thập dữ liệu khoảng cách từ đầu phát đến mặt trên của hộp nước hoa, phân biệt chiều cao hộp lớn và hộp nhỏ.
• Phương pháp xử lý ảnh: Sử dụng camera thu nhận hình ảnh sản phẩm (thông qua ứng dụng Android Cam truyền tín hiệu IP về máy tính), xử lý dữ liệu qua hai khối Vision Acquisition và Vision Assistant trong phần mềm LabVIEW 2019 để nhận diện mã màu sắc (đặc biệt là màu đỏ) và xuất tín hiệu số sang bộ điều khiển.
• Phương pháp điều khiển tích hợp: Bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC đóng vai trò trung tâm tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến quang NPN E3-DS30C4, Arduino Uno R3 và LabVIEW để điều phối van đảo chiều điện từ 5/2, kích hoạt các xy lanh khí nén SMC CDJ2B16-45-B đẩy sản phẩm vào các máng trượt tương ứng.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo mô hình trạm phân loại công nghiệp cỡ nhỏ, kết hợp đồng bộ giữa kết cấu cơ khí, tủ điều khiển điện và mạng truyền thông SCADA/IoT.

Thành phần hệ thống	Thiết bị / Công nghệ lựa chọn	Thông số kỹ thuật và vai trò
Bộ điều khiển lập trình	PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC	Nguồn cấp 24VDC, tích hợp 8 cổng vào DI, 6 cổng ra DQ dạng transistor; xử lý logic và phát xung PTO
Động cơ kéo băng tải	Động cơ bước NEMA17 (mã 42HB34F08AB / 42HB34F103AB)	Kết hợp Stepper Driver DM542E Leadshine; điều khiển vận tốc và hành trình di chuyển qua tần số xung
Cơ cấu chấp hành phân loại	3 Xy lanh khí nén SMC CDJ2B16-45-B	Xy lanh tác động kép, hành trình 45 mm, kết hợp cùng cụm van điện từ 5/2 cấp khí nén đẩy phôi
Cảm biến vị trí	Cảm biến quang điện NPN E3-DS30C4	3 cảm biến lắp đặt trực diện trước 3 xy lanh để phát hiện vị trí phôi trên mặt băng tải
Cảm biến đo kích thước	Cảm biến siêu âm tích hợp qua Arduino Uno R3	Bo mạch vi điều khiển Atmega328 đo khoảng cách bề mặt để phân biệt hộp cao và hộp thấp
Thị giác máy (Vision)	Camera truyền IP (Android Cam) & LabVIEW 2019	Thu nhận khung hình, trích xuất dữ liệu màu đỏ, trắng, cam và gửi cờ logic về PLC
Giao diện người - máy tại chỗ	Màn hình HMI Delta DOP-B07E415	Giao thức Ethernet/RS485, hỗ trợ 2 chế độ vận hành độc lập: Manual (bằng tay) và Auto (tự động)
Giám sát trên máy tính	Phần mềm Siemens WinCC V16	Thiết kế giao diện SCADA mô phỏng trạng thái động cơ, cảm biến và trạng thái đóng mở xy lanh
Truyền thông đám mây IoT	Thiết bị IoT V-Box E-4G Wecon	Thu thập dữ liệu từ cổng mạng PLC S7-1200, đẩy dữ liệu vận hành lên Cloud, giám sát qua smartphone
Hệ thống tủ điện an toàn	MCCB SEC DZ47-63 C6/1P, Relay Omron MY2N	Nguồn tổ ong 24VDC/5A, nút bấm dừng khẩn cấp (Emergency), Start, Stop bảo vệ quá tải và ngắn mạch

Quy trình vận hành logic của hệ thống:

1. Khi khởi động hệ thống ở chế độ Auto, PLC S7-1200 phát xung PTO kích hoạt driver DM542E kéo động cơ bước quay, truyền động qua băng tải phẳng nhôm định hình.
2. Sản phẩm được đặt lên đầu băng tải, đi qua cụm cảm biến siêu âm kết nối Arduino Uno R3 để xác định chiều cao, đồng thời camera ghi nhận hình ảnh để thuật toán trên LabVIEW 2019 nhận dạng mã màu.
3. Khi hộp nước hoa di chuyển đến vị trí xác định, các cảm biến quang NPN E3-DS30C4 phát hiện vật cản và kích hoạt tín hiệu ngắt đến PLC.
4. PLC đối chiếu đồng thời dữ liệu chiều cao và kết quả màu sắc từ LabVIEW để kích hoạt van điện từ 5/2 tương ứng, điều khiển xy lanh SMC CDJ2B16-45-B đẩy hộp nước hoa vào 1 trong các máng trượt phân loại (hộp nhỏ, hộp to, hộp màu đỏ).
5. Số liệu đếm sản phẩm, tốc độ xung và trạng thái cảm biến được cập nhật liên tục lên màn hình HMI Delta, phần mềm WinCC V16 và đồng bộ hóa qua V-Box E-4G để giám sát trên giao diện di động.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Tác giả trình bày lịch sử hình thành của nước hoa từ thời kỳ Ai Cập, Hy Lạp cổ đại đến các giai đoạn phát triển vật liệu lọ chứa bằng gốm, thạch cao và thủy tinh công nghiệp tại Pháp. Chương này phân tích chi tiết tính cấp thiết của việc tự động hóa khâu phân loại bao bì nước hoa trong bối cảnh thị trường Việt Nam phát triển nhanh chóng trong 15 năm qua. Tác giả công bố các quan sát thực địa tại nhà máy Charme ở huyện Hóc Môn, chỉ rõ những hạn chế của phương thức phân loại thủ công. Từ đó, mục tiêu, đối tượng nghiên cứu (hộp nước hoa Charme), phạm vi giới hạn kỹ thuật và bố cục 6 chương của đồ án được xác lập rõ ràng.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung phân tích lý thuyết cơ học và đặc tính kỹ thuật của các trang thiết bị cấu thành hệ thống. Tác giả lập bảng so sánh định tính và định lượng giữa các phương án cấp phôi, truyền động và vận chuyển sản phẩm. Phần lý thuyết thiết bị đi sâu vào nguyên lý làm việc của động cơ một chiều, động cơ bước điều khiển vi bước, cấu tạo rơ le trung gian Omron 8 chân, van khí nén điện từ 5/2, cảm biến quang thu - phát NPN, vi điều khiển Arduino Uno R3 nền tảng Atmega328. Đồng thời, chương này giới thiệu kiến trúc các phần mềm chuyên ngành gồm TIA Portal V16, hệ thống SCADA WinCC V16 và gói thư viện thị giác máy Vision Acquisition / Vision Assistant trên nền LabVIEW 2019.

Chương 3: Thiết kế và thi công máy

Chương 3 trình bày các bước tính toán thiết kế cơ khí và thiết kế hệ thống điện điều khiển. Về cơ khí, tác giả tính toán kích thước chiều rộng tối thiểu và chiều dài của băng tải nhôm định hình dựa trên kích thước thực tế của các loại hộp nước hoa Charme; tính toán tải trọng làm việc, xác định lực kéo cần thiết, công suất động cơ và số vòng quay sơ bộ để chọn mã động cơ bước phù hợp. Về phần điện, tác giả xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống, sơ đồ mạch động lực, mạch điều khiển, bảng ánh xạ các chân vào/ra (I/O) của PLC S7-1200 1212C, bảng vẽ bố trí linh kiện bên trong và mặt trước tủ điện công nghiệp (tích hợp MCCB, bộ nguồn 24VDC/5A, relay MY2N, nút dừng khẩn cấp). Cuối cùng là quy trình gia công khung nhôm, máng trượt phôi, lắp ráp hộp mica bảo vệ mạch Arduino và đi dây hoàn thiện tủ điện.

Chương 4: Điều khiển lập trình

Tác giả xây dựng lưu đồ giải thuật tổng thể của hệ sinh thái điều khiển và viết chương trình chi tiết:

• Lập trình PLC Siemens S7-1200: Cấu hình phát xung PTO điều khiển tốc độ và hành trình động cơ bước, lập trình khối hàm xử lý tín hiệu logic từ cảm biến và cờ phân loại từ máy tính.
• Thiết kế giao diện WinCC V16: Tạo liên kết truyền thông qua địa chỉ IP với PLC S7-1200, tạo các nút bấm điều khiển On/Off, bảng hiển thị trạng thái và mô phỏng trực quan chuyển động của hệ thống.
• Xử lý ảnh trên LabVIEW 2019: Thiết lập liên kết camera IP qua điện thoại Android, xây dựng quy trình tự học nhận dạng màu sắc (nhận diện màu đỏ, trắng, cam) và xử lý vùng quan tâm (ROI).
• Cấu hình thiết bị IoT V-Box Wecon: Thiết lập kết nối mạng Ethernet với PLC S7-1200, khai báo các biến số thực (Real-Time Data), xây dựng giao diện hiển thị biểu đồ, thống kê số lượng và xuất báo cáo dữ liệu lưu trữ đám mây.

Chương 5: Kết quả thực nghiệm

Chương 5 ghi lại quá trình kiểm nghiệm thực tế trên mô hình phần cứng đã chế tạo:

• Kiểm nghiệm xử lý ảnh: Đánh giá khả năng đọc mã màu của LabVIEW 2019 dưới các góc độ nhận diện khác nhau đối với ba màu thử nghiệm: đỏ, trắng và cam; kiểm tra cơ chế tự động lấy nét và xác định vùng không gian làm việc của camera.
• Thực nghiệm động cơ băng tải: Điều chỉnh xung phát PTO từ PLC qua driver DM542E ở các mức tần số xung khác nhau (gấp 10 lần, 40 lần, 50 lần và 60 lần) nhằm đánh giá vận tốc di chuyển và tính ổn định cơ học của băng tải.
• Thực nghiệm cảm biến đo kích thước: Kiểm tra độ tin cậy của cụm cảm biến siêu âm trong việc phân biệt chiều cao hộp nhỏ và hộp lớn.
• Kiểm thử chế độ điều khiển: Vận hành chế độ Manual trên màn hình HMI Delta DOP-B07E415 để kiểm tra cưỡng bức từng xy lanh khí nén; vận hành chế độ Auto đồng bộ trên cả HMI, WinCC V16 và giám sát từ xa qua V-Box IoT trên điện thoại.
• Thống kê độ ổn định: Tác giả lập bảng số liệu kiểm tra xác suất phân loại thành công của từng xy lanh đối với 4 nhóm sản phẩm: hộp nhỏ, hộp lớn, hộp nhỏ màu đỏ và hộp lớn màu đỏ.

Chương 6: Kết luận

Chương cuối cùng tổng kết các hạng mục kỹ thuật đã hoàn thành theo mục tiêu ban đầu, xác định các hạn chế còn tồn tại của mô hình và đề xuất các giải pháp nâng cấp, phát triển hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm được ghi nhận trực tiếp trên mô hình:

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình cơ khí băng tải truyền động bằng động cơ bước NEMA17 kết hợp tủ điện điều khiển công nghiệp đạt tiêu chuẩn an toàn với MCCB, rơ le trung gian và nút dừng khẩn cấp.
• Hệ thống xử lý ảnh trên LabVIEW 2019 kết nối qua camera IP phân biệt chính xác ba trạng thái màu sắc đặt ra: màu đỏ (màu chuẩn cần tách), màu trắng và màu cam.
• Cụm cảm biến siêu âm qua mạch đệm Arduino Uno R3 nhận diện và phân loại thành công chiều cao hai nhóm sản phẩm: hộp nước hoa kích thước nhỏ và hộp nước hoa kích thước lớn.
• Khối phát xung PTO trên PLC S7-1200 điều khiển linh hoạt tốc độ động cơ bước; thực nghiệm cho thấy tại các dải xung từ 40 lần đến 60 lần, băng tải đáp ứng tốc độ cao nhưng vẫn duy trì độ chính xác khi dừng phôi trước cảm biến quang.
• Cả 3 cơ cấu chấp hành xy lanh khí nén SMC CDJ2B16-45-B vận hành chính xác theo lệnh điều khiển, thực hiện gạt thành công 4 nhóm sản phẩm vào các máng chứa: hộp nhỏ, hộp lớn, hộp nhỏ màu đỏ và hộp lớn màu đỏ.
• Giao diện HMI Delta DOP-B07E415 và hệ thống SCADA WinCC V16 thực hiện đầy đủ hai chức năng Manual (test độc lập từng cơ cấu chấp hành, cảm biến) và Auto (vận hành tự động hoàn toàn).
• Tích hợp thành công module IoT V-Box E-4G Wecon, cho phép hiển thị số lượng sản phẩm thời gian thực, vẽ biểu đồ hoạt động, chức năng reset đếm và lưu trữ toàn bộ dữ liệu thống kê lên điện toán đám mây để theo dõi qua mạng 4G/Wifi trên điện thoại di động.

Đóng góp của đồ án:

• Xây dựng thành công giải pháp phân loại sản phẩm đa tiêu chí (vừa đo kích thước vật lý vừa phân tích màu sắc quang học) áp dụng cụ thể cho bao bì ngành mỹ phẩm, dựa trên dữ liệu nghiên cứu thực tế tại nhà máy nước hoa Charme.
• Tự thiết kế và tích hợp đồng bộ nhiều nền tảng phần cứng và phần mềm khác chuẩn giao tiếp vào một hệ thống thống nhất (PLC Siemens, màn hình HMI Delta, vi điều khiển Arduino, phần mềm xử lý ảnh LabVIEW của National Instruments và gateway IoT của Wecon).
• Đưa ra phương án công nghệ có mức chi phí chế tạo thấp nhưng đảm bảo mức độ tự động hóa và khả năng kết nối giám sát từ xa theo định hướng công nghiệp 4.0, phù hợp với năng lực tài chính của các xưởng sản xuất vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả ghi nhận trong văn bản:

• Cơ chế cấp sản phẩm đầu vào cho hệ thống vẫn phải thực hiện thủ công bằng tay, chưa tích hợp được cụm cấp phôi tự động hoàn toàn.
• Hệ thống xử lý ảnh sử dụng camera điện thoại thông qua đường truyền IP (Android Cam) nên chất lượng nhận diện còn chịu ảnh hưởng bởi độ trễ mạng và điều kiện ánh sáng xung quanh vị trí đặt máy.
• Hệ thống phụ thuộc vào nguồn cấp khí nén bên ngoài để vận hành các xy lanh đẩy phôi.
• Phạm vi nhận dạng mới chỉ tập trung phân loại được hộp nước hoa có quy cách hình khối chữ nhật hoặc hình lập phương, chưa xử lý được các mẫu chai lọ có biên dạng phức tạp hoặc bề mặt cong phản quang mạnh.

Hướng phát triển tiếp theo:

• Nghiên cứu thiết kế thêm cơ cấu cấp phôi tự động (như cơ cấu phễu rung cấp phôi hoặc tích hợp cánh tay robot gắp sản phẩm) để khép kín hoàn toàn dây chuyền từ khâu đóng chai đến đóng thùng.
• Nâng cấp phần cứng xử lý ảnh bằng camera công nghiệp chuyên dụng (Industrial Vision Camera) có tích hợp sẵn nguồn sáng vòng chuẩn hóa để nâng cao độ ổn định và giảm thiểu sai số do ánh sáng môi trường.
• Mở rộng thuật toán nhận dạng để phân loại thêm nhiều mã màu phức tạp, nhận diện mã vạch, mã QR và kiểm tra khuyết tật in ấn trên vỏ hộp nước hoa.
• Tối ưu hóa thuật toán điều khiển để nâng cao năng suất phân loại trên một đơn vị thời gian.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực nghiệm phù hợp cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ khí và Chế tạo máy.

Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao trong đồ án gồm:

• Phương pháp tính toán cơ khí cho băng tải mini và quy trình tính chọn thông số động cơ bước dẫn động qua driver DM542E.
• Sơ đồ đấu nối dây hoàn chỉnh giữa PLC Siemens S7-1200 1212C với các thiết bị công nghiệp ngoại vi (van điện từ khí nén 5/2, cảm biến quang NPN, màn hình HMI Delta và rơ le trung gian).
• Kỹ thuật cấu hình phát xung PTO trên phần mềm TIA Portal V16 để điều khiển vị trí và vận tốc động cơ bước.
• Quy trình tích hợp thị giác máy LabVIEW 2019 với bộ điều khiển PLC công nghiệp nhằm giải bài toán phân loại sản phẩm theo màu sắc.
• Giải pháp thiết lập mạng truyền thông công nghiệp và kết nối thiết bị IoT V-Box Wecon nhằm đẩy dữ liệu SCADA lên hệ thống điện toán đám mây phục vụ giám sát trên thiết bị di động.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm và các phần mềm chính được sử dụng trong hệ thống là gì?
Bộ điều khiển trung tâm của hệ thống là PLC Siemens S7-1200 (phiên bản CPU 1212C DC/DC/DC). Các phần mềm được sử dụng gồm: TIA Portal V16 (lập trình PLC và điều chế xung PTO), WinCC V16 (thiết kế giao diện SCADA mô phỏng), LabVIEW 2019 kết hợp module Vision Acquisition và Vision Assistant (xử lý ảnh nhận diện màu sắc), và Arduino IDE (lập trình vi điều khiển đo khoảng cách).

2. Quá trình nhận biết màu sắc và phân loại kích thước chiều cao được phối hợp thực hiện như thế nào?
Hệ thống sử dụng cảm biến khoảng cách siêu âm kết nối với vi điều khiển Arduino Uno R3 để đo độ cao mặt trên của hộp (xác định hộp lớn hay hộp nhỏ). Đồng thời, camera IP gửi khung hình về phần mềm LabVIEW 2019 trên máy tính để bóc tách mã màu (đặc biệt là màu đỏ). Dữ liệu từ Arduino và tín hiệu logic từ LabVIEW được gửi về PLC S7-1200. Khi sản phẩm kích hoạt cảm biến quang NPN E3-DS30C4 tương ứng, PLC sẽ xuất lệnh kích hoạt van điện từ 5/2 điều khiển xy lanh khí nén SMC CDJ2B16-45-B đẩy hộp vào máng phân loại thích hợp.

3. Tại sao tác giả lựa chọn phương án cấp phôi bằng tay và truyền động phân loại bằng khí nén?
Cấp phôi bằng tay được lựa chọn do đặc thù hộp nước hoa đã được đóng gói từ công đoạn trước đó, giúp giảm bớt chi phí chế tạo cơ cấu robot phức tạp và tiết kiệm không gian lắp đặt. Hệ thống truyền động khí nén được lựa chọn thay thế cho thủy lực vì khối lượng hộp nước hoa nhỏ (tối đa 3 kg), hệ thống khí nén sạch, chi phí thấp, giảm tiếng ồn, an toàn phòng chống cháy nổ và thao tác đóng cắt tịnh tiến của xy lanh có tốc độ nhanh, dứt khoát.

4. Dữ liệu vận hành được đưa lên điện toán đám mây và giám sát qua thiết bị di động bằng giải pháp nào?
Hệ thống sử dụng thiết bị phần cứng IoT V-Box E-4G của hãng Wecon kết nối trực tiếp với cổng mạng Ethernet của PLC S7-1200. V-Box thu thập dữ liệu thời gian thực (Real-Time Data) gồm trạng thái hoạt động, số lượng phân loại từng loại hộp, sau đó truyền qua mạng di động 4G/Wifi lên nền tảng điện toán đám mây, cho phép người quản lý theo dõi biểu đồ hoạt động và thực hiện thao tác reset số lượng từ xa qua ứng dụng smartphone.

5. Động cơ kéo băng tải được điều khiển bằng phương pháp nào trên PLC S7-1200?
Băng tải sử dụng động cơ bước NEMA17 (mã 42HB34F08AB / 42HB34F103AB) phối hợp cùng Stepper Driver DM542E Leadshine. Trên PLC S7-1200, tác giả thiết lập chức năng điều chế xung PTO (Pulse Train Output) thông qua TIA Portal V16, cho phép điều chỉnh tần số và số lượng xung cấp cho driver để kiểm soát chính xác tốc độ quay và hành trình di chuyển của băng tải ở các mức thử nghiệm từ 10 lần đến 60 lần xung định mức.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống phân loại chiều cao và màu sắc hộp nước hoa" của sinh viên Mai Xuân Tùng đã nghiên cứu, thiết kế và thi công thành công mô hình phân loại tự động kết hợp cơ cấu khí nén, xử lý ảnh và công nghệ IoT. Công trình giải quyết tốt bài toán phân loại sản phẩm bao bì mỹ phẩm cỡ nhỏ dựa trên khảo sát thực tế tại nhà máy Charme, đồng bộ hóa thành công giữa bộ điều khiển PLC S7-1200, vi điều khiển Arduino, phần mềm LabVIEW và giao diện HMI/WinCC. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của mô hình trong việc nâng cao độ ổn định phân loại, đảm bảo an toàn điện và cung cấp giải pháp giám sát dữ liệu đám mây với chi phí đầu tư hợp lý cho các dây chuyền sản xuất công nghiệp vừa và nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về nước hoa và hộp nước hoa Nước hoa có tên tiếng anh là Perfume, tiếng pháp là Parfum bắt nguồn từ tiếng La tinh được phiên dịch theo nghĩa tiếng Việt là “Truyền tải thông qua sương khói”. Người Ai Cập cổ đại cách 3000 năm trước đã chế tạo và phát minh ra lọ nước hoa để bảo quản và chưng cất loại thảo dược này. Xuất phát từ lòng thành đối với vị Thần của họ, những tín đồ trung thành đã khắc chữ tượng hình trên các ngôi mộ hình thức chế tạo và tạo ra những thứ nước dâng lên Thần bằng nhựa cây thơm nhằm giúp kết nối con người với Thần Thánh để các Ngài ưu ái và bảo vệ chúng sinh. Dưới thời Ai Cập cổ đại, lọ nước hoa (lọ đựng nước thơm) được làm từ đá và thạch cao.

Thời Hy Lạp cổ đại, dù cho kỹ thuật và có được cải tiến về hình dạng cũng như tính thẩm mỹ nhưng chất lượng vẫn thua xa thời Ai Cập cổ và họ dùng đá minh ngọ để tạo ra lọ nước hoa thay thế cho thạch cao được sản xuất tại vùng Corink.1: Hủ gốm đựng nước hoa thời Ai Cập cổ Cuộc cách tân thiết kế hộp nước hoa bắt đầu khi con người tìm ra được ứng dụng của thủy tinh. Một chất không kết tinh, trong suốt và không có mùi có đặc tính của sự quý phái mà hoàng gia ngày đêm ao ước. Thế kỷ 13, xứ Vencie thành lập xưởng thủy tinh đầu tiên của thế giới nhưng do mâu thuẫn chính trị về các giai cấp phân tầng nên bị lật đổ. Việc sản xuất nước hoa bắt đầu tại xưởng Saint Louis năm 1803, ông đã phát minh kỹ thuật pha màu và chế tạo điêu khắc trên thủy tinh.

Sau này, 2 nhà Lalique và Baccarat đã phát triển và vươn tầm lọ nước hoa đến tầm cao mới theo hướng sản xuất công nghiệp và tạo sự khác biệt về mùi hương cũng như nghệ thuật nước hoa mà loại thần dược này mang lại.2: Lọ nước hoa thủy tinh 1.2 Tính cấp thiết của đề tài Khởi nguyên của nền công nghiệp 4.0 đã và đang tác động rất sâu sắc đến sự phát triển của các ngành kỹ thuật mà đặc biệt công nghiệp sản xuất hàng hóa đang ngày càng gia tăng. Kỷ nguyên 21 này việc sử dụng nước hoa ngày càng phổ biến bởi tính quyến rũ và sức hút mà nó mang lại tính mỹ quan vật chất mà con người hằng mong muốn. Nhu cầu sử dụng nước hoa Việt Nam gia tăng theo cấp số nhân và tạo cơ hội cho những nhà pha chế và kinh doanh mặt hàng này nhiều cơ hội để đầu tư. Thị trường nước hoa Việt Nam chỉ mới phát triển và mở rộng trong 15 năm trở lại, các dòng nước hoa cao cấp đã xuất hiện và được bày bán trên các kệ hàng trên mảnh đất hình chữ S như: Frederick Mall, Clive Christian, LeLabo, Dior, Channel.

Ngày càng chiếm được cảm tình và yêu thích của nhiều bộ phận khách hàng. Những dạng nước hoa thường được đóng gói theo dạng chai nguyên nilon, lọ thủy tinh theo nhiều hình thù khác nhau. Thi trường nước hoa Việt Nam thường có dung tích 10ml – 100ml với giá dao động từ 500. Quá trình sản xuất nước hoa bao gồm các giai đoạn: Bước 1: Tìm kiếm nguyên liệu sản xuất nước hoa.

Bước 2: Chiết xuất tinh dầu. Bước 5: Phân loại sản phẩm. Bước 7: Kiểm tra và xuất khẩu.3: Khu vực phân loại và đóng gói nước hoa tại nhà máy Charme Dựa trên các quy trình sản xuất nước hoa thì bài toán phân loại và xử lý ảnh luôn là một trong những bài toán nan giải mà các doanh nghiệp luôn quan tâm nhằm mang lại hiệu suất cao khi theo hướng sản xuất công nghiệp.