Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống (F&B) tại Việt Nam đang đối mặt với những yêu cầu khắt khe về quy chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm theo QCVN 6-1:2010/BYT. Thống kê thực tế từ các đợt thanh tra liên ngành cho thấy, tỷ lệ vi phạm chỉ tiêu an toàn tại các cơ sở sản xuất nước uống đóng chai quy mô vừa và nhỏ từng chiếm từ 20% đến 25%, chủ yếu xuất phát từ các khâu vận hành thủ công dễ dẫn đến lây nhiễm chéo vi sinh vật (điển hình như E. coli và Pseudomonas aeruginosa). Sự can thiệp trực tiếp của con người trong các công đoạn chiết rót, đóng nắp và đóng gói không chỉ làm tăng nguy cơ mất an toàn mà còn giới hạn năng suất, gây sai lệch dung tích định lượng và tiêu tốn nhiều chi phí lao động.

Đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Cơ - Điện tử với đề tài "Hệ thống chiết rót đóng nắp và xếp thùng sản phẩm tự động" được nghiên cứu và thiết kế nhằm giải quyết triệt để bài toán tự động hóa quy trình đóng chai khép kín cho sản phẩm chai dung tích 500 ml. Giải pháp tích hợp cơ cấu mâm xoay 6 trạm, hệ thống định lượng dòng chảy, cụm cấp - vặn nắp thông minh và tay gắp khí nén chân không xếp thùng 4 chai, vận hành dưới sự điều khiển của PLC Siemens S7-1200 kết hợp giao diện giám sát SCADA.

[Băng tải nạp chai] ──> [Mâm xoay 6 trạm (Rót + Cấp nắp + Vặn nắp)] ──> [Băng tải trung gian] ──> [Cụm gắp chân không xếp thùng 4 chai] ──> [Băng tải xuất thùng]

Mục tiêu của dự án:

  1. Thiết kế cơ cấu cơ khí đồng bộ: Chế tạo băng tải đôi PVC, cơ cấu mâm xoay định vị 6 trạm chia độ chính xác $60^\circ$, cụm cấp nắp tự động dạng trọng lực - đàn hồi và cơ cấu tay gắp đóng thùng $2 \times 2$.
  2. Tối ưu hóa hệ thống điều khiển: Lập trình điều khiển trung tâm bằng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, xử lý tín hiệu xung từ cảm biến lưu lượng Hall và điều khiển phối hợp nhiều trục cơ cấu chấp hành.
  3. Giám sát thời gian thực: Xây dựng giao diện SCADA trên nền tảng TIA Portal WinCC để cấu hình thông số, cảnh báo lỗi và theo dõi trạng thái hệ thống.
  4. Đạt chuẩn kỹ thuật vận hành: Đảm bảo thời gian chiết rót đạt 4 giây/chai 500 ml, dung tích sai số dưới $\pm 1.5%$, nắp chai được siết chặt đồng đều và đóng thùng chính xác 4 chai/chu kỳ.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tại các cơ sở sản xuất nước đóng chai hiện nay, các phương pháp sản xuất chủ yếu gồm:

Tiêu chí Chiết rót thủ công Chiết rót bán tự động Hệ thống mâm xoay tích hợp PLC (Đề tài)
Năng suất Rất thấp (< 200 chai/giờ) Trung bình (300 – 500 chai/giờ) Cao (> 600 – 900 chai/giờ)
Độ chính xác thể tích Sai số lớn ($\pm 5% - 8%$) Sai số trung bình ($\pm 2% - 3%$) Rất cao ($\pm 1.0% - 1.5%$)
Nguy cơ nhiễm khuẩn Rất cao (tiếp xúc trực tiếp) Trung bình (can thiệp từng khâu) Rất thấp (quy trình khép kín)
Mức độ tích hợp Rời rạc, cần 4 – 5 nhân công Từng máy riêng biệt, cần 2 – 3 người Khép kín từ nạp chai đến đóng thùng (1 người vận hành)
Khả năng mở rộng Không thể mở rộng Hạn chế Dễ dàng nâng cấp số đầu vòi và dung lượng thùng

Theo mô hình phân cấp yêu cầu MoSCoW:

  • Must have: Định lượng chính xác 500 ml nước/chai; cơ cấu vặn chặt nắp không làm biến dạng ren; tay gắp khí nén chuyển 4 chai vào thùng; dừng khẩn cấp (E-Stop) khi xảy ra sự cố.
  • Should have: Giao diện SCADA giám sát chu kỳ chiết rót; tính năng không rót khi không có chai ("No Bottle - No Fill").
  • Could have: Tích hợp mô-đun cấp nắp dạng mâm rung; cảm biến camera kiểm tra độ lệch nắp.
  • Won't have: Cơ cấu dán nhãn thân chai và co màng nhiệt tự động (được tách thành phân hệ riêng).

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc phần cứng của hệ thống được chia thành 4 phân hệ chính:

                  ┌─────────────────────────────────────────┐
                  │          Siemens PLC S7-1200            │
                  │              (CPU 1214C)                │
                  └───┬─────────────────┬─────────────────┬─┘
                      │                 │                 │
           [Tín hiệu Cảm biến]   [Truyền thông]     [Điều khiển Chấp hành]
           - Hall Flow Sensor    - PROFINET/SCADA   - Bơm định lượng 24V
           - Omron E3F-DS30C4    - HMI Panel        - Solenoid Valve 5/2
           - Cảm biến tiệm cận                      - Động cơ mâm xoay / Băng tải
           - Cảm biến hành trình                    - Motor siết nắp Tsukasa
                                                    - Bơm hút chân không
  1. Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (14 ngõ vào số 24VDC, 10 ngõ ra Transistor 24VDC, 2 ngõ vào Analog 0-10V, tích hợp bộ đếm tốc độ cao HSC phục vụ đọc xung lưu lượng).
  2. Khối cảm biến và đo lường: Cảm biến lưu lượng cánh quạt Hall NPN đưa tần số xung $F$ về PLC theo công thức $Q = F / 7.5$ (L/phút); cụm cảm biến quang Omron E3F-DS30C4 phát hiện vị trí vỏ chai; cảm biến tiệm cận xác định góc quay mâm xoay.
  3. Khối chấp hành: Động cơ DC Planet 775 24V kéo mâm xoay; động cơ DC giảm tốc Tsukasa TG-47C-FU-76-KB truyền động đầu siết nắp; hệ thống xy lanh khí nén dẫn hướng kèm van đảo chiều 5/2 Solenoid; bơm hút chân không kết hợp 4 giác hút đàn hồi.
  4. Phần mềm thiết kế và điều khiển: TIA Portal V16 (lập trình S7-1200 và WinCC SCADA), SolidWorks 2020 (thiết kế 3D toàn bộ kết cấu cơ khí), AutoCAD 2021 (thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện và khí nén).

Methodology

Quy trình phát triển dự án áp dụng mô hình thiết kế V-Model kết hợp giữa cơ khí chính xác, điện tử điều khiển và lập trình nhúng:

  • Tuần 1 – 4: Phân tích yêu cầu, tính toán động học băng tải, mô-men quay mâm xoay và lực đẩy xy lanh khí nén; thiết kế mô hình 3D trên SolidWorks.
  • Tuần 5 – 8: Gia công cơ khí khung nhôm định hình, đĩa mâm xoay $\varnothing 400\text{ mm}$, khay cấp nắp và cụm tay gắp; lựa chọn thiết bị điện và cảm biến.
  • Tuần 9 – 12: Lắp ráp mạch động lực, đấu nối I/O PLC S7-1200, lập trình thuật toán giải thuật chiết rót định lượng và chuyển động tuần tự.
  • Tuần 13 – 16: Tích hợp giao diện SCADA, chạy thử nghiệm hệ thống (Commissioning), đánh giá sai số định lượng và tối ưu hóa thời gian chu kỳ.

Implementation và kết quả

Development process

1. Tính toán động học và động lực học cơ khí:

  • Băng tải PVC: Chiều rộng băng tải $B = 100\text{ mm}$, chiều dài $L = 1000\text{ mm}$, đường kính con lăn dẫn động $D = 49\text{ mm}$, vận tốc định mức $V = 10\text{ m/phút}$. Số vòng quay con lăn: $$N = \frac{V}{\pi \cdot D} = \frac{10000}{49 \cdot \pi} \approx 65\text{ (vòng/phút)}$$ Công suất động cơ kéo băng tải xác định qua mô-men xoắn: $$P = \frac{T \cdot N}{9.55} \quad (\text{kW})$$

  • Mâm xoay 6 trạm: Đường kính $\varnothing 400\text{ mm}$, tải trọng tối đa khi chứa 3 chai đầy nước $F_{\max} = 15\text{ N}$. Với hệ số an toàn $n = 2.5$, động cơ Planet DS42RP775 24VDC đảm bảo mô-men xoắn lớn hơn $5.22\text{ N}\cdot\text{m}$.

  • Hệ thống khí nén tay gắp: Áp suất khí nén cấp $p = 8\text{ bar} = 0.8\text{ N/mm}^2$. Lực đẩy xy lanh gắp 4 chai và tấm gá ($m = 2\text{ kg} \rightarrow F = 20\text{ N}$): $$F_{\text{tiến}} = p \cdot A = p \cdot \frac{\pi \cdot D^2}{4} \cdot 10^{-1}$$ Đường kính nòng xy lanh yêu cầu $D \ge 5.64\text{ mm}$. Chọn xy lanh tiêu chuẩn $D = 16\text{ mm}$ (hệ số an toàn $n > 2.0$).

2. Cấu trúc chương trình PLC SCL / Ladder:

Chương trình điều khiển trung tâm được viết trên TIA Portal sử dụng thuật toán ngắt thời gian thực và khối hàm định lượng lưu lượng:

// Khối hàm FB_FlowMeter_Control: Tính toán dung tích rót và điều khiển ngắt van
FUNCTION_BLOCK "FB_FlowMeter_Control"
VAR_INPUT
    bStartFilling   : BOOL;       // Tín hiệu bắt đầu rót
    nTargetVolumeML : REAL;       // Dung tích cài đặt (500.0 ml)
    nPulseCountIn   : DINT;       // Xung từ bộ đếm tốc độ cao HSC (Hall Sensor)
END_VAR
VAR_OUTPUT
    bPumpRun        : BOOL;       // Điều khiển bơm nước
    bSolenoidValve  : BOOL;       // Điều khiển mở van điện từ
    bFillComplete   : BOOL;       // Báo hoàn thành chu kỳ chiết rót
    nCurrentVolume  : REAL;       // Dung tích thực tế hiện tại
END_VAR
VAR
    nPulseOffset    : DINT;
    nDeltaPulse     : DINT;
END_VAR

BEGIN
    IF bStartFilling THEN
        // Chuyển đổi số xung sang thể tích: Q (L/min) = F / 7.5
        // 1 Lít = 450 xung -> 1 ml = 0.45 xung
        nDeltaPulse := nPulseCountIn - nPulseOffset;
        nCurrentVolume := DINT_TO_REAL(nDeltaPulse) / 0.45;

        IF nCurrentVolume < nTargetVolumeML THEN
            bPumpRun := TRUE;
            bSolenoidValve := TRUE;
            bFillComplete := FALSE;
        ELSE
            bPumpRun := FALSE;
            bSolenoidValve := FALSE;
            bFillComplete := TRUE;
        END_IF;
    ELSE
        nPulseOffset := nPulseCountIn;
        bPumpRun := FALSE;
        bSolenoidValve := FALSE;
        bFillComplete := FALSE;
        nCurrentVolume := 0.0;
    END_IF;
END_FUNCTION_BLOCK

[ LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VẬN HÀNH HỆ THỐNG ]
       ┌──────────────┐
       │ START SYSTEM │
       └──────┬───────┘
              ▼
   [ Băng tải nạp chạy ] ──> [ Cảm biến phát hiện chai tại Trạm I ]
              ▼
   [ Mâm xoay quay 60° ] ──> [ Trạm II: Bơm chiết rót định lượng 500ml ]
              ▼
   [ Mâm xoay quay 60° ] ──> [ Trạm III: Cấp nắp tự động ]
              ▼
   [ Mâm xoay quay 60° ] ──> [ Trạm IV: Xy lanh hạ + Motor vặn nắp siết chặt ]
              ▼
   [ Mâm xoay quay 60° ] ──> [ Trạm V: Đẩy chai sang băng tải tích lũy ]
              ▼
   [ Đủ 4 chai trên bàn ] ──> [ Cụm giác hút chân không gắp xếp vào thùng ]
              ▼
   [ Băng tải thùng chạy ] ──> [ Xuất thùng thành phẩm 4 chai ]

Testing và validation

Hệ thống được thử nghiệm liên tục qua 100 chu kỳ vận hành tự động tại xưởng thực hành:

Hạng mục kiểm thử Kịch bản kiểm tra Tiêu chuẩn đánh giá Kết quả thực tế Tỷ lệ đạt
Độ chính xác chiết rót Rót 100 chai dung tích 500 ml Sai số dung tích $\le \pm 2.0%$ $498.5\text{ ml} - 503.2\text{ ml}$ ($\pm 0.7%$) 100%
Thời gian rót Đo thời gian bơm đầy chai 500 ml Thời gian $\le 5.0\text{ s}$ $4.12\text{ s}$ 100%
Tỷ lệ cấp nắp thành công Cấp nắp qua cơ cấu lò xo đàn hồi Nắp không bị kẹt/lệch 99/100 chai 99%
Độ kín nắp chai Kiểm tra mô-men siết và rò rỉ nước Nghiêng góc $180^\circ$ không rỉ nước Đạt tiêu chuẩn kín khí 98%
Gắp đóng thùng 4 chai Hút chân không và đặt vào thùng carton Không rơi chai, đặt đúng vị trí 25/25 thùng (mỗi thùng 4 chai) 100%

Kết quả đạt được

  1. Hiệu suất vận hành: Hệ thống hoàn thành toàn bộ chuỗi công đoạn (chiết rót, đóng nắp, vận chuyển, gắp 4 chai vào thùng) hoàn toàn tự động mà không cần sự can thiệp thủ công giữa các công đoạn.
  2. Độ ổn định cao: Sự kết hợp giữa động cơ giảm tốc Planet, công tắc hành trình và phương pháp hãm động năng giúp mâm xoay dừng chính xác tại từng góc $60^\circ$ mà không bị lệch vị trí rót hoặc vị trí siết nắp.
  3. Giám sát trực quan: Giao diện SCADA hiển thị chính xác số lượng chai đã sản xuất, lưu lượng tức thời, trạng thái On/Off của các van khí nén và cảnh báo sự cố kịp thời.

Đổi mới và đóng góp

  1. Tích hợp cơ chế mâm xoay 2 tầng chống rung lắc: Khác với các thiết kế mâm xoay 1 tầng truyền thống dễ làm ngã đổ chai rỗng khi chuyển động ở vận tốc cao, kết cấu mâm xoay 2 tầng với lỗ định vị $\varnothing 60\text{ mm}$ giữ vững cả phần thân và đáy chai trong suốt hành trình quay $360^\circ$.
  2. Cơ cấu cấp nắp trọng lực kết hợp gạt phẳng: Tận dụng chuyển động quay của mâm xoay để lấy nắp từ rãnh trượt thông qua cơ cấu ngàm lò xo đàn hồi và thanh gạt phẳng, giảm thiểu chi phí đầu tư bộ rung cấp nắp (Vibratory Bowl Feeder) đắt tiền nhưng vẫn đảm bảo tỷ lệ khớp ren đạt 99%.
  3. Mô-đun đóng thùng tự động bằng khí nén chân không: Đột phá so với các đồ án trước đây (thường chỉ dừng lại ở khâu vặn nắp) bằng việc tích hợp cụm xy lanh trượt và 4 giác hút chân không, tự động gom cụm 4 chai và đặt chính xác vào thùng carton $120 \times 120\text{ mm}$.
  4. Cải thiện năng suất và kinh tế:
[Năng suất đóng gói]   Tăng 250% so với phương pháp thủ công
[Độ chính xác thể tích] Sai số giảm từ ±6% xuống dưới ±1%
[Chi phí nhân công]    Giảm 75% (từ 4 nhân công xuống còn 1 nhân công giám sát)

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

  • Cơ sở sản xuất nước tinh khiết đóng chai (SME): Triển khai trực tiếp cho các xưởng sản xuất nước tinh khiết quy mô 3000 – 5000 chai/ngày với vốn đầu tư ban đầu thấp.
  • Ngành hóa mỹ phẩm và hóa chất: Ứng dụng chiết rót các dung dịch dạng lỏng như nước lau sàn, cồn sát khuẩn, nước rửa chén có dung tích từ 250 ml đến 1000 ml.

Phân tích chi phí - lợi ích (ROI):

  • Chi phí chế tạo hệ thống prototype: Ước tính khoảng 25 – 35 triệu VNĐ (bao gồm PLC Siemens S7-1200, hệ thống khí nén, động cơ, cảm biến và khung nhôm định hình).
  • Tiết kiệm chi phí vận hành: Cắt giảm 3 lao động thủ công trực tiếp (tiết kiệm khoảng 20 – 25 triệu VNĐ tiền lương/tháng).
  • Thời gian hoàn vốn (Payback Period): Dự kiến từ 2.0 đến 3.5 tháng sau khi đưa vào hoạt động chính thức.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại:

  • Động cơ xoay mâm sử dụng động cơ DC giảm tốc kết hợp công tắc hành trình, dù tiết kiệm chi phí nhưng quán tính dừng vẫn phụ thuộc vào tải trọng nước trong chai.
  • Rãnh cấp nắp dạng trọng lực yêu cầu người vận hành phải sắp xếp nắp vào khay cấp nắp ban đầu.

Hướng nâng cấp trong tương lai:

  1. Nâng cấp truyền động mâm xoay: Thay thế động cơ DC bằng động cơ bước (Stepper Motor) hoặc động cơ Servo kết hợp bộ truyền chỉ thị góc Cam (Globoidal Cam Indexer) để tăng độ chính xác vị trí lên mức micro-mét và triệt tiêu hoàn toàn rung lắc quán tính.
  2. Tích hợp xử lý ảnh công nghiệp (Machine Vision): Ứng dụng camera AI để kiểm tra nắp bị nghiêng, kiểm tra mức chất lỏng và phát hiện dị vật trong chai trước khi xuất xưởng.
  3. Mở rộng đa đầu rót: Nâng cấp cụm chiết rót lên 4 – 8 đầu rót đồng thời, đẩy năng suất hệ thống lên mức 2000 – 3000 chai/giờ.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Cơ điện tử & Tự động hóa: Tài liệu tham khảo toàn diện từ tính toán cơ khí, thiết kế bản vẽ 2D/3D đến cấu hình PLC Siemens và lập trình SCADA thời gian thực.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống: Cung cấp giải pháp mẫu về điều khiển chuyển động phối hợp giữa động cơ, cảm biến lưu lượng xung và truyền động khí nén.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SME): Tiếp cận mô hình tự động hóa chi phí thấp, rút ngắn thời gian thu hồi vốn và chuẩn hóa quy trình đạt tiêu chuẩn VSATTP.
  • Nhà nghiên cứu ứng dụng: Nền tảng thực nghiệm để phát triển các thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy Logic) hoặc điều khiển thích nghi trong định lượng chất lỏng có độ nhớt thay đổi.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn điện và khí nén để triển khai hệ thống là gì?

Hệ thống sử dụng nguồn điện 1 pha $220\text{ VAC} - 50\text{ Hz}$, chuyển đổi qua bộ nguồn tổ ong $24\text{ VDC} - 10\text{ A}$ để cấp cho PLC, cảm biến và động cơ DC. Hệ thống khí nén yêu cầu máy nén khí áp suất tối thiểu từ $6\text{ bar}$ đến $8\text{ bar}$, lưu lượng khí nạp tối thiểu $100\text{ L/phút}$ được lọc sạch qua bộ lọc điều áp khí nén (F.R.L Unit).

2. Làm thế nào để điều chỉnh hệ thống chiết rót cho các chai có dung tích khác nhau (như 330 ml hoặc 1500 ml)?

Trên giao diện SCADA/HMI, người vận hành chỉ cần thay đổi thông số TargetVolume (ví dụ từ 500 sang 330). Đối với chai có đường kính thân khác biệt, cần thay đổi tấm đĩa mâm xoay định vị tương ứng với đường kính chai mới và điều chỉnh cự ly thanh dẫn hướng trên băng tải.

3. Hệ thống có khả năng tích hợp vào dây chuyền sản xuất lớn hơn không?

Hoàn toàn có thể. PLC Siemens S7-1200 hỗ trợ chuẩn truyền thông công nghiệp PROFINET và Modbus TCP/IP, cho phép kết nối dễ dàng với máy súc rửa tự động ở đầu vào, máy dán nhãn tự động và hệ thống quản lý sản xuất tổng thể (MES/ERP) ở tầng trên.

4. Quy trình bảo trì định kỳ hệ thống bao gồm những gì?

Cần thực hiện: (1) Kiểm tra và xả nước đọng tại cốc lọc khí nén định kỳ hàng ngày; (2) Tra dầu bôi trơn các ray trượt và ổ bi mâm xoay hàng tháng; (3) Vệ sinh đường ống bơm định lượng bằng dung dịch khử trùng theo tiêu chuẩn CIP (Clean-In-Place); (4) Kiểm tra độ mòn của đầu vặn nắp cao su sau mỗi 50.000 chu kỳ.

5. Chi phí đầu tư dự kiến và thời gian thu hồi vốn như thế nào?

Tổng chi phí chế tạo mô hình thử nghiệm dao động từ 25 – 35 triệu VNĐ. Với năng suất 600 chai/giờ và khả năng thay thế 3 nhân công thủ công, doanh nghiệp có thể thu hồi toàn bộ chi phí đầu tư chỉ trong vòng 2 – 3.5 tháng vận hành liên tục.

Kết luận

Đề tài "Hệ thống chiết rót đóng nắp và xếp thùng sản phẩm tự động" đã giải quyết xuất sắc các thách thức kỹ thuật trong việc kết hợp cơ khí chính xác, điều khiển tự động hóa bằng PLC Siemens S7-1200 và giao diện giám sát SCADA. Hệ thống đạt độ chính xác định lượng cao, tốc độ chiết rót 4 giây/chai, cơ cấu cấp và siết nắp vận hành trơn tru cùng phân hệ tay gắp hút chân không đóng thùng 4 chai hoàn chỉnh. Đây là giải pháp tự động hóa thiết thực, giàu tính ứng dụng, mở ra hướng đi hiệu quả cho các doanh nghiệp sản xuất đồ uống trong việc tối ưu hóa chi phí sản xuất và nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.