Giới thiệu dự án

Ngành dịch vụ thực phẩm và đồ uống (F&B) toàn cầu đang chứng kiến làn sóng chuyển dịch mạnh mẽ sang mô hình tự động hóa quy trình phục vụ. Theo thống kê từ Hiệp hội Cà phê Quốc tế (ICO) và các báo cáo thị trường F&B, nhu cầu tiêu thụ cà phê tại khu vực công sở và chuỗi cửa hàng tiện lợi tăng trưởng ổn định trên 7.5%/năm. Tuy nhiên, quy trình pha chế truyền thống bộc lộ nhiều điểm nghẽn: thời gian chờ đợi kéo dài (trung bình 3–5 phút/ly thủ công), chi phí nhân công vận hành cao, định lượng nguyên liệu thiếu đồng nhất giữa các mẻ pha và nguy cơ mất an toàn vệ sinh thực phẩm do tiếp xúc trực tiếp. Trong khi đó, các dòng máy pha cà phê công nghiệp nhập khẩu từ châu Âu thường có giá thành rất cao (vượt 2.000–5.000 USD), chi phí bảo dưỡng đắt đỏ và cấu trúc điều khiển dạng hộp đen (black-box), gây khó khăn cho việc tùy chỉnh theo thị hiếu địa phương.

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, chế tạo máy pha cà phê tự động" do sinh viên Phạm Thanh Công thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Đức Quận (Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng) giải quyết trực tiếp bài toán trên bằng cách phát triển hệ thống pha chế tự động hoàn chỉnh dựa trên nền tảng điều khiển công nghiệp tiên tiến.

                  +----------------------------------------------+
                  |           HMI / WinCC SCADA Runtime          |
                  |         (Giám sát & Cài đặt thông số)        |
                  +----------------------+-----------------------+
                                         | Profinet (TCP/IP)
                                         v
                  +----------------------------------------------+
                  |         PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C        |
                  |          + Module mở rộng SM 1222 8 DO       |
                  +-------+--------------+---------------+-------+
                          |              |               |
             +------------+              |               +------------+
             |                           |                            |
             v                           v                            v
  +--------------------+      +--------------------+      +--------------------+
  |  Khối Cảm biến     |      |  Khối Cơ cấu Chấp  |      |   Khối Phân phối   |
  |  - Cảm biến quang  |      |    hành & Băng tải |      |    Nguyên liệu     |
  |    hồng ngoại      |      |  - Động cơ DC tải  |      |  - Van khí nén 5/2 |
  |  - Hộp nút nhấn I/O|      |  - Bơm nước DC     |      |  - Xilanh nén SDA  |
  |  - Relay kiếng 24V |      |  - Động cơ khuấy   |      |  - Phễu CF1, CF2, Đ|
  +--------------------+      +--------------------+      +--------------------+

Mục tiêu của dự án:

  1. Thiết kế kết cấu cơ khí hoàn chỉnh: Xây dựng khung máy tích hợp băng tải vận chuyển, hệ thống 3 phễu định lượng nguyên liệu khô (Cà phê 1 - CF1, Cà phê 2 - CF2, Đường), cụm van xả nước nóng và cơ cấu khuấy trộn đồng nhất.
  2. Xây dựng hệ thống điều khiển tự động: Ứng dụng bộ điều khiển lập trình logic khả trình PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC) kết hợp module mở rộng tín hiệu số SM 1222 8 DO.
  3. Phát triển giao diện điều khiển và giám sát (SCADA): Ứng dụng phần mềm WinCC trên nền TIA Portal V16 để trực quan hóa trạng thái thiết bị, hỗ trợ giám sát thời gian thực và tùy chỉnh thời gian định lượng các khâu.
  4. Tối ưu hóa chất lượng vận hành: Đảm bảo chu trình pha chế tuần tự khép kín, định lượng chính xác, vận hành ổn định ở cả hai chế độ: Bằng tay (Manual) và Tự động (Auto).

Phương pháp và giải pháp:

Hệ thống sử dụng cơ cấu băng tải làm trục vận chuyển trung tâm, kết hợp các cụm cảm biến quang hồng ngoại để xác định vị trí ly chính xác tại từng trạm chức năng:

  • Trạm 1 (Xả liệu): Kích hoạt van điện từ khí nén 5/2 điều khiển xilanh khí nén SDA đóng/mở cửa xả phễu nguyên liệu.
  • Trạm 2 (Cấp nước): Kích hoạt bơm màng DC cấp lưu lượng nước sôi định lượng theo thời gian cài đặt.
  • Trạm 3 (Khuấy trộn): Động cơ khuấy hạ trục để đánh tan nguyên liệu và hoàn thiện đồ uống.

Kỳ vọng và giới hạn phạm vi:

  • Chỉ số đo lường (KPIs): Thời gian hoàn thành 1 ly cà phê đạt từ 25–35 giây; sai số định lượng nguyên liệu khô < 5%; độ tin cậy nhận diện vị trí ly đạt 100%.
  • Phạm vi & Giới hạn: Đồ án tập trung nghiên cứu mô hình thực nghiệm trong phòng lab; giao tiếp truyền thông giám sát triển khai qua cáp mạng Ethernet Profinet cố định (chưa tích hợp truyền thông không dây tầm xa LoRa/Wi-Fi); hệ thống phối trộn nguyên liệu dạng bột hòa tan khô và nước nóng.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Thị trường máy pha chế đồ uống hiện nay phân hóa thành nhiều phân khúc với các đặc trưng kỹ thuật khác nhau:

Giải pháp Nền tảng điều khiển Ưu điểm Nhược điểm Chi phí ước tính
Somebar (Máy pha cocktail) Vi điều khiển nhúng, App mobile Thiết kế sang trọng, 6 vị trí hương liệu, điều khiển qua smartphone Giá thành cao, giới hạn chất lỏng lỏng, khó tùy biến công nghiệp ~400 USD
Sodastream Mix Mạch nhúng độc quyền Màn hình cảm ứng hiện đại, định lượng bão hòa khí $CO_2$ tốt Chỉ phục vụ pha chế đồ uống có ga, phụ thuộc phụ kiện hãng ~350 USD
Mô hình dùng PLC S7-200 PLC Siemens S7-200 (CPU 224/226) Độ bền tương đối, chi phí thấp, nguyên lý điều khiển cơ bản Cổng Micro/WIN lỗi thời, không hỗ trợ Profinet tiêu chuẩn, khó nâng cấp SCADA ~400 USD
Hệ thống đề xuất (S7-1200) Siemens S7-1200 + WinCC V16 Chuẩn công nghiệp cao, Ethernet Profinet tốc độ cao, SCADA linh hoạt, dễ bảo trì Đòi hỏi kiến thức lập trình TIA Portal chuyên sâu Tối ưu theo quy mô

Ma trận phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc có): Bộ điều khiển trung tâm PLC S7-1200 CPU 1214C; cảm biến quang phát hiện ly; cơ cấu xilanh khí nén nạp liệu; bơm nước nóng; động cơ khuấy; nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop).
  • Should have (Nên có): Màn hình giám sát SCADA WinCC trên PC; chế độ chuyển đổi linh hoạt Auto/Manual; hệ thống đèn báo trạng thái RUN/STOP/Lỗi trên thân máy.
  • Could have (Có thể mở rộng): Tùy biến công thức pha chế trực tiếp trên giao diện Runtime; module đếm sản phẩm theo ca làm việc.
  • Won't have (Chưa thực hiện ở giai đoạn này): Tích hợp thanh toán mã QR trực tuyến; kết nối đám mây (Cloud IoT) qua MQTT/OPC UA qua mạng diện rộng.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc phần cứng và công nghệ:

  1. Bộ điều khiển trung tâm: Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (Mã đặt hàng: 6ES7214-1AG40-0XB0):
    • Nguồn cấp: 24VDC (dải cho phép 20.4–28.8VDC).
    • Bộ nhớ: Work memory 75 Kbytes, Load memory 2 Mbytes, Retentive memory 2 Kbytes.
    • Tích hợp 14 Digital Input (DI) 24VDC, 10 Digital Output (DO) bán dẫn 24VDC, 2 Analog Input (AI) 0–10VDC.
    • Tốc độ xử lý: 0.1 $\mu$s/lệnh logic, 18 $\mu$s/lệnh toán học.
    • Cổng truyền thông: 1 cổng PROFINET (RJ45), tốc độ 10/100 Mbps.
  2. Module mở rộng đầu ra số: Siemens SM 1222 8 DO Relay (6ES7222-1BF32-0XB0):
    • 8 ngõ ra dạng Relay cách ly quang, dòng định mức 2A/kênh, hỗ trợ điện áp đóng cắt lên đến 30VDC hoặc 250VAC.
  3. Thiết bị phụ trợ và cơ cấu chấp hành:
    • Nguồn cấp: Bộ nguồn tổ ong chuyển đổi 220VAC sang 24VDC - 10A cấp nguồn cho PLC, cảm biến và cuộn hút van điện từ.
    • Cảm biến phát hiện: 3 Cảm biến quang hồng ngoại thu phát chung (Photoelectric Sensor), ngõ ra NPN/PNP 24VDC.
    • Van điều khiển khí nén: Van đảo chiều điện từ Airtac 5/2 (5 cổng 2 vị trí), cuộn coil 24VDC.
    • Cơ cấu sinh lực: Xilanh khí nén compact SDA vuông cho cụm mở nắp phễu liệu và xilanh khí nén hành trình dài cho cụm hạ trục khuấy.
    • Khối chấp hành điện: Băng tải mini động cơ DC 24VDC có điều tốc; động cơ bơm nước màng DC 24V; động cơ khuấy DC.
    • Khối đóng cắt trung gian: Dàn Relay kiếng (Relay trung gian) 24VDC 8 chân/14 chân tích hợp diode dập xung ngược.

Bảng phân bổ địa chỉ vào/ra (I/O Mapping):

Ký hiệu Tag Địa chỉ I/O Loại dữ liệu Thiết bị kết nối Chức năng chi tiết
BT_START I0.0 Bool Nút ấn Start (NO) Khởi động toàn hệ thống chu trình tự động
BT_STOP I0.1 Bool Nút ấn Stop (NC) Dừng hoạt động hệ thống
EMG_STOP I0.2 Bool Nút dừng khẩn cấp Ngắt toàn bộ ngõ ra chấp hành ngay lập tức
SEL_CF1 I0.3 Bool Nút chọn Cà phê 1 Lựa chọn công thức cà phê đen / đậm đặc
SEL_CF2 I0.4 Bool Nút chọn Cà phê 2 Lựa chọn công thức cà phê sữa / nhẹ
SEL_SUGAR I0.5 Bool Nút chọn Đường Tùy chọn nạp thêm đường vào ly
CB_TRAM1 I0.6 Bool Cảm biến hồng ngoại 1 Xác định ly đã dừng đúng trạm xả bột liệu
CB_TRAM2 I0.7 Bool Cảm biến hồng ngoại 2 Xác định ly đã dừng đúng trạm bơm nước nóng
CB_TRAM3 I1.0 Bool Cảm biến hồng ngoại 3 Xác định ly đã dừng đúng trạm khuấy trộn
COIL_BANGTAI Q0.0 Bool Động cơ băng tải Điều khiển băng tải chạy đưa ly vào vị trí
VALVE_CF1 Q0.1 Bool Van điện từ khí nén 1 Kích xilanh xả cà phê loại 1
VALVE_CF2 Q0.2 Bool Van điện từ khí nén 2 Kích xilanh xả cà phê loại 2
VALVE_SUGAR Q0.3 Bool Van điện từ khí nén 3 Kích xilanh xả đường
PUMP_WATER Q0.4 Bool Bơm nước DC 24V Bơm định lượng nước nóng vào ly
CYL_KHUAY Q0.5 Bool Van xilanh hạ khuấy Đẩy trục khuấy đi xuống lòng ly
MOTOR_KHUAY Q0.6 Bool Động cơ khuấy DC Xoay cánh khuấy hòa tan nguyên liệu
LAMP_RUN Q0.7 Bool Đèn báo trạng thái RUN Báo hiệu hệ thống đang trong chu trình hoạt động

Methodology

Quy trình phát triển đồ án được tổ chức theo mô hình chữ V (V-Model) kết hợp kỹ thuật phần cứng lặp (Hardware-in-the-loop iterative prototyping), bao gồm các giai đoạn:

Yêu cầu hệ thống ---------------------------------> Đánh giá nghiệm thu (UAT)
   \                                                      /
    \-> Thiết kế sơ đồ CAD/Khí nén -------> Kiểm thử tích hợp cơ-điện-khí
         \                                       /
          \-> Cấu hình phần cứng S7-1200 -> Kiểm thử nạp chương trình (LAD/WinCC)
               \                               /
                \---> Thi công tủ điện & đấu nối I/O
  1. Thiết kế cơ khí (Mechanical Design): Sử dụng phần mềm AutoCAD để bóc tách kích thước khung sườn chịu lực, tính toán độ cao trạm xả liệu, hành trình xilanh khí nén và độ dốc phễu chống vón cục nguyên liệu.
  2. Thiết kế điện - khí nén (Electrical & Pneumatic Design): Tính chọn tiết diện dây dẫn, sơ đồ mạch nguồn cách ly, bố trí rơ-le đệm để triệt tiêu dòng cảm ứng tự cảm từ cuộn coil van khí nén và động cơ DC.
  3. Lập trình điều khiển và SCADA: Xây dựng thuật toán tuần tự (Sequential Flowchart) trên TIA Portal V16, thiết lập giao diện giám sát Runtime trên WinCC kết nối qua chuẩn mạng PROFINET IP: 192.168.0.1.
  4. Đánh giá rủi ro và biện pháp xử lý:
    • Rủi ro: Nhiễu quang học từ ánh sáng môi trường tác động vào cảm biến hồng ngoại.
    • Khắc phục: Thiết kế gá che quang học kết hợp bộ lọc logic trễ (Timer TON 50ms) trong PLC để loại bỏ tín hiệu giả (anti-chattering).

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình phát triển hệ thống điều khiển được triển khai qua các khối hàm tổ chức chuẩn của Siemens S7-1200:

  • Main Organization Block (OB1): Quản lý chu trình quét chính (Scan Cycle), gọi các chương trình con kiểm tra an toàn và phân luồng trạng thái máy.
  • Function / Data Blocks: Lưu trữ các thông số cài đặt thời gian chạy của Timer định lượng (DB_Timer_Config).

Thuật toán điều khiển chu trình tự động (LAD Logic / SCL Snippet):

Thuật toán kích hoạt trạm xả liệu và cấp nước tuần tự đảm bảo nguyên lý liên động (Interlocking) chống tràn và chống kẹt cơ cấu:

// Đoạn mã SCL minh họa logic chu trình tuần tự điều khiển các trạm
REGION Sequence_Control
    // Trạng thái 1: Băng tải kéo ly đến Trạm 1
    IF (#System_Run AND NOT #Ly_At_Tram1 AND NOT #Process_Done) THEN
        #COIL_BANGTAI := TRUE;
    ELSE
        #COIL_BANGTAI := FALSE;
    END_IF;

    // Trạng thái 2: Định lượng xả liệu (CF1, CF2, Đường)
    IF (#Ly_At_Tram1 AND #Step_Dosing) THEN
        IF #Mode_CF1 THEN
            #VALVE_CF1 := TRUE;
        ELSIF #Mode_CF2 THEN
            #VALVE_CF2 := TRUE;
        END_IF;
        
        IF #Mode_Sugar THEN
            #VALVE_SUGAR := TRUE;
        END_IF;
        
        // Kích hoạt Timer định lượng xả bột liệu
        #TON_Dosing(IN := TRUE, PT := T#3S500MS);
        IF #TON_Dosing.Q THEN
            #VALVE_CF1 := FALSE;
            #VALVE_CF2 := FALSE;
            #VALVE_SUGAR := FALSE;
            #Step_Dosing := FALSE;
            #Step_Water := TRUE;
        END_IF;
    END_IF;

    // Trạng thái 3: Cấp nước và khuấy trộn
    IF (#Ly_At_Tram2 AND #Step_Water) THEN
        #PUMP_WATER := TRUE;
        #TON_Water(IN := TRUE, PT := T#5S);
        IF #TON_Water.Q THEN
            #PUMP_WATER := FALSE;
            #Step_Water := FALSE;
            #Step_Stir := TRUE;
        END_IF;
    END_IF;
END_REGION

Ladder Logic Trạm 1 (Xả liệu theo định thời TON):

  Ly_At_Tram1   Mode_CF1       TON_Dosing.Q             VALVE_CF1
-----| |-----------| |--------------|/|-------------------( )---
                                       +---[ TON ]---+
                                       | PT: T#3.5S  |
                                       | IN: Ly_At_T1|
                                       | Q : Q_Done  |
                                       | ET: #CurVal |
                                       +-------------+

Testing và validation

Hệ thống đã trải qua 50 chu kỳ kiểm thử vận hành liên tục tại phòng thí nghiệm Tự động hóa với các chỉ số đo lường thực nghiệm:

Hạng mục kiểm thử Kịch bản kiểm tra Tiêu chuẩn đánh giá Kết quả thực tế Tỷ lệ thành công
Nhận diện vị trí ly Đưa 50 ly có màu sắc và độ phản quang khác nhau vào băng tải Cảm biến đóng tiếp điểm chính xác, ly dừng đúng tâm gá ($\pm 2\text{ mm}$) Dừng chính xác $50/50$ lần, không trôi vị trí 100%
Định lượng bột cà phê Kích van xả khí nén với thời gian cài đặt $T = 3.5\text{ s}$ Khối lượng bột xả đạt $15\text{ g} \pm 1\text{ g}$ Khối lượng trung bình $14.8\text{ g}$, độ lệch chuẩn $\sigma = 0.4\text{ g}$ 98.2%
Định lượng nước nóng Bơm màng DC hoạt động với thời gian cài đặt $T = 5.0\text{ s}$ Thể tích nước cấp $100\text{ ml} \pm 5\text{ ml}$ Thể tích đạt $102\text{ ml}$, dòng chảy đều 97.5%
Thời gian hoàn thành Đo tổng thời gian từ lúc nhấn START đến khi lấy ly Tổng chu trình $< 40\text{ s}$ Thời gian trung bình: $28.5\text{ s}$ 100%
Phản hồi SCADA WinCC Thay đổi Tag thời gian trên PC và nạp Runtime Cập nhật giá trị xuống khối DB trong PLC $< 100\text{ ms}$ Độ trễ truyền thông Profinet: $15\text{ ms}$ 100%

Kết quả đạt được

  1. Về mặt kỹ thuật: Chế tạo thành công mô hình phần cứng cơ khí vững chắc, hoạt động êm ái, các khâu nạp liệu - xả nước - khuấy vận hành hoàn toàn tự động theo đúng lưu đồ thuật toán.
  2. Về mặt điều khiển & phần mềm: Xây dựng chương trình PLC hoàn chỉnh trên TIA Portal V16, tối ưu hóa chu kỳ quét CPU dưới $5\text{ ms}$; giao diện WinCC Runtime trực quan, cho phép người vận hành giám sát thời gian thực mọi tín hiệu vào/ra và can thiệp tham số định thời linh hoạt.
  3. So với mục tiêu ban đầu: Hoàn thành 100% các hạng mục đề ra trong đề cương nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp, đảm bảo các tiêu chí về an toàn điện, an toàn cơ khí và vệ sinh trong quy trình thao tác đồ uống.

Đổi mới và đóng góp

  • Linh hoạt hóa công thức trên nền SCADA: Khác với các dòng máy đóng gói thương mại cố định thời gian xả, hệ thống cho phép người dùng thay đổi tỷ lệ thành phần (lượng bột CF1, CF2, lượng đường, dung tích nước) trực tiếp thông qua việc nhập liệu số thực (Real/Time Data) trên WinCC mà không cần biên dịch lại mã nguồn PLC.
  • Cải tiến cơ cấu cấp liệu bằng khí nén: Sử dụng xilanh khí nén SDA tác động kép kết hợp van trượt định lượng giúp triệt tiêu hiện tượng kẹt bột cà phê và độ ẩm xâm nhập ngược vào phễu chứa, nâng cao độ tin cậy cơ học thêm 45% so với các cơ cấu trục vít mini truyền thống.
  • Tiêu chuẩn hóa công nghiệp: Thay vì sử dụng các vi điều khiển học tập thông thường (như Arduino hay ATmega), việc chuẩn hóa trên nền tảng Siemens S7-1200 mang lại khả năng chống nhiễu công nghiệp vượt trội (tiêu chuẩn cách ly quang, chuẩn chống rung và chịu nhiệt công nghiệp IP20).
  • Giá trị học thuật: Đồ án là tài liệu tham khảo thực nghiệm giá trị cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa trong việc kết hợp đa ngành: Thiết kế cơ khí CAD, hệ thống truyền động khí nén, mạng truyền thông công nghiệp Profinet và lập trình SCADA WinCC.

Ứng dụng thực tế và triển khai

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        MÔ HÌNH VẬN HÀNH THỰC TẾ                                   |
|                                                                                   |
|  [Khách hàng / Nhân viên]                                                         |
|  [Chu trình Tự động - 28.5 giây]                                                  |
|  [Hoàn thành]                                                                     |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Kịch bản triển khai:

  • Khu vực pantry văn phòng công ty: Phục vụ nhu cầu đồ uống nhanh cho nhân viên, tối ưu thời gian nghỉ giữa giờ.
  • Kiosk tự phục vụ (Self-service Coffee Corner): Lắp đặt tại sảnh chờ bệnh viện, trường đại học, nhà ga xe lửa với chi phí đầu tư ban đầu thấp.
  • Quán cà phê vừa và nhỏ: Hỗ trợ barista pha chế cốt cà phê nền với định lượng chuẩn xác và tốc độ nhanh vào giờ cao điểm.

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI Estimation):

  • Chi phí chế tạo phần cứng & linh kiện: Khoảng 8.500.000 – 12.000.000 VNĐ (sử dụng PLC S7-1200 và phụ kiện khí nén công nghiệp tiêu chuẩn).
  • So sánh chi phí vận hành: Giảm 100% thời gian nhân công trực tiếp cho khâu khuấy trộn và định lượng thủ công.
  • Thời gian hoàn vốn ước tính: Từ 4 đến 6 tháng khi triển khai tại các văn phòng quy mô từ 50–100 nhân viên (tính trên chi phí tiết kiệm mua đồ uống ngoài và tối ưu hóa thời gian lao động).

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại:

  • Cấu trúc truyền thông SCADA hiện vẫn yêu cầu kết nối có dây (Profinet RJ45) nối trực tiếp tới máy tính chủ, chưa tích hợp module phát Wi-Fi hoặc mạng di động (4G/5G).
  • Định lượng chất lỏng và bột hiện tại dựa trên cơ sở định thời (Time-based dosing); độ chính xác có thể biến thiên nhẹ khi áp suất bình chứa khí nén suy giảm hoặc mực nước trong bình đun thay đổi.
  • Chưa tích hợp cơ cấu cấp ly tự động từ ống trữ ly (người dùng vẫn phải tự đặt ly vào đầu băng tải).

Hướng phát triển nâng cao:

  1. Tích hợp cảm biến Loadcell và module cân định lượng SIWAREX: Chuyển đổi từ định lượng theo thời gian sang định lượng theo khối lượng thời gian thực (Weight-based Closed Loop), đạt độ chính xác sai số dưới $\pm 0.1\text{ g}$.
  2. Nâng cấp truyền thông không dây & IoT: Bổ sung module truyền thông IoT (Siemens CP 1243-1 hoặc gateway ESP32/Raspberry Pi) hỗ trợ giao thức MQTT/OPC UA để đẩy dữ liệu sản lượng tiêu thụ lên máy chủ đám mây, cho phép đặt hàng qua ứng dụng di động.
  3. Tích hợp cơ cấu cấp ly và đóng nắp tự động: Mở rộng thêm 2 module xilanh khí nén ở đầu và cuối băng tải để hoàn thiện dây chuyền đóng gói khép kín $100%$.

Đối tượng hưởng lợi

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                            ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI                                    |
+--------------------------+--------------------------------------------------------+
| 🎓 Sinh viên kỹ thuật    | • Nguồn tài liệu mẫu về đồ án tích hợp Cơ - Điện       |
|                          | • Bài tập lớn về PLC Siemens S7-1200 & WinCC SCADA     |
+--------------------------+--------------------------------------------------------+
| 💼 Kỹ sư & Lập trình viên| • Mẫu kiến trúc I/O Mapping, cấu hình Profinet chuẩn   |
|                          | • Thuật toán lập trình bậc thang (LAD/SCL) chuẩn công  |
|                          |   nghiệp                                               |
+--------------------------+--------------------------------------------------------+
| 🏢 Doanh nghiệp & Quán   | • Giải pháp tự động hóa F&B chi phí thấp               |
|    cà phê                | • Tối ưu năng suất pha chế, đảm bảo vệ sinh an toàn    |
+--------------------------+--------------------------------------------------------+
| 🔬 Nhà nghiên cứu        | • Dữ liệu thực nghiệm về ứng dụng khí nén trong định   |
|                          |   lượng thực phẩm                                      |
+--------------------------+--------------------------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu phần cứng và phần mềm tối thiểu để vận hành hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới 220VAC (50Hz), máy nén khí mini áp suất làm việc từ $4\text{ bar}$ đến $6\text{ bar}$ để cấp khí cho các xilanh Airtac/SDA. Về phía điều khiển, cần bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC hoặc 1212C kèm module mở rộng), máy tính giám sát cài đặt hệ điều hành Windows 10/11 chạy môi trường TIA Portal V16 / WinCC Runtime Advanced V16 kết nối qua card mạng Ethernet RJ45 chuẩn.

2. Hệ thống xử lý thế nào khi xảy ra sự cố kẹt nguyên liệu hoặc hết nước?

Chương trình PLC được tích hợp các khối hàm kiểm tra giới hạn thời gian (Watchdog Timer). Nếu sau thời gian kích hoạt van/bơm mà cảm biến không phản hồi hoặc hoàn thành chu trình, hệ thống sẽ tự động chuyển sang trạng thái dừng cảnh báo (Alarm Mode), ngắt toàn bộ ngõ ra của cuộn hút van điện từ và phát tín hiệu đèn báo lỗi nhấp nháy trên giao diện SCADA để nhân viên kỹ thuật xử lý.

3. Có thể thay đổi công thức pha chế (tỷ lệ cà phê, đường, nước) như thế nào?

Người quản trị có thể mở giao diện cài đặt tham số trên màn hình giám sát WinCC, nhập trực tiếp các giá trị thời gian định lượng mới (đơn vị: mili-giây hoặc giây) vào các ô Input field. Các giá trị này lập tức được ghi vào khối dữ liệu DB trong bộ nhớ của PLC thông qua giao thức truyền thông Profinet mà không cần ngắt hoạt động của máy hay nạp lại code.

4. Chi phí bảo trì định kỳ cho hệ thống gồm những hạng mục nào?

Các hạng mục bảo trì định kỳ bao gồm: vệ sinh đầu xả phễu bột và que khuấy (hàng ngày bằng nước nóng); kiểm tra xả nước đọng ở bộ lọc khí nén (hàng tuần); kiểm tra độ mòn tiếp điểm của relay trung gian và độ căng dây băng tải (định kỳ 6 tháng/lần). Chi phí linh kiện thay thế rất thấp do sử dụng toàn bộ thiết bị công nghiệp thông dụng trên thị trường.

5. Thời gian hoàn vốn (ROI) và độ bền của thiết bị được tính toán ra sao?

Với việc sử dụng PLC Siemens chuẩn công nghiệp (tuổi thọ hoạt động trên 100.000 giờ) cùng các xilanh khí nén vỏ nhôm chịu lực, hệ thống có độ bền ước tính từ 3 đến 5 năm trong môi trường hoạt động liên tục. Với mức tiết kiệm nhân công pha chế tương đương 1 nhân sự bán thời gian (khoảng 3.000.000 VNĐ/tháng), điểm hòa vốn đạt được chỉ sau khoảng 4–5 tháng vận hành thực tế.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, chế tạo máy pha cà phê tự động" đã chứng minh tính khả thi, độ tin cậy và hiệu quả thực tiễn cao của việc ứng dụng công nghệ tự động hóa vào lĩnh vực pha chế thực phẩm. Bằng sự kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế cơ khí chính xác, hệ thống truyền động khí nén linh hoạt và giải pháp điều khiển lập trình logic trên nền tảng PLC Siemens S7-1200 kết hợp SCADA WinCC V16, đồ án đã chế tạo thành công một mô hình máy pha chế tự động đạt chuẩn kỹ thuật, năng suất ổn định và đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm.

Kết quả nghiên cứu này không chỉ khẳng định năng lực làm chủ công nghệ điều khiển công nghiệp của sinh viên ngành Tự động hóa mà còn mở ra tiềm năng thương mại hóa, ứng dụng rộng rãi trong các văn phòng hiện đại, chuỗi tiện ích thông minh và các mô hình dịch vụ F&B tự động trong kỷ nguyên số.