Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh công nghiệp 4.0 và tốc độ tăng trưởng của ngành thực phẩm - đồ uống (FMCG) đạt trung bình 8.4%/năm, tự động hóa dây chuyền đóng gói đã trở thành yêu cầu sống còn nhằm tối ưu hóa năng suất và giảm chi phí vận hành. Tuy nhiên, tại các cơ sở đào tạo kỹ thuật, việc tiếp cận các dây chuyền chiết rót công nghiệp quy mô lớn gặp nhiều rào cản về mặt không gian và chi phí đầu tư. Đồ án "Mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động phục vụ cho dạy học" của nhóm tác giả Võ Thanh Phúc và Nguyễn Đinh Nhã Triết (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, GVHD: TS. Vũ Quang Huy) được nghiên cứu và chế tạo nhằm giải quyết trực tiếp bài toán này.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       DÂY CHUYỀN CHIẾT RÓT & ĐÓNG NẮP CHAI                     |
|                                                                               |
|  [Cấp chai rỗng] -> [Băng tải 24VDC] -> [Cảm biến quang]                      |
|                                                |                              |
|  [Định vị kẹp chai] <- [Xy lanh khí nén] <-----+                              |
|           |                                                                   |
|           v                                                                   |
|  [Chiết rót dung dịch] -> [Cảm biến điện dung CUP-18R8NA] -> [Dừng bơm 24VDC] |
|           |                                                                   |
|           v                                                                   |
|  [Cấp & Đóng nắp chai] -> [Động cơ DC 70 RPM + Encoder] -> [Thành phẩm]      |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Vấn đề thực tiễn (Problem Statement)

Các quy trình chiết rót thủ công hoặc bán tự động truyền thống bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng:

  • Sai số thể tích chiết rót cao (dao động từ $\pm 5%$ đến $\pm 10%$), gây thất thoát nguyên liệu và không đồng đều chất lượng sản phẩm.
  • Lực vặn nắp không đồng nhất dẫn đến hiện tượng rò rỉ dung dịch hoặc biến dạng cổ chai.
  • Thiếu các mô hình thực hành cơ điện tử mang tính công nghiệp thực thụ: sinh viên thường chỉ tiếp cận lý thuyết PLC rời rạc, thiếu kinh nghiệm xử lý tích hợp giữa cảm biến, cơ cấu chấp hành khí nén và giải thuật điều khiển tuần tự.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Thiết kế cơ khí chính xác: Chế tạo bàn máy, băng tải vận chuyển, cụm định vị chai, cơ cấu chiết rót và cơ cấu xiết nắp chai hoạt động đồng bộ.
  2. Tích hợp hệ thống điện - khí nén: Thiết kế mạch cấp nguồn 24VDC, mạch cách ly rơ-le trung gian, van đảo chiều khí nén 5/2 và mạng cảm biến công nghiệp.
  3. Phát triển chương trình điều khiển: Lập trình giải thuật tự động hóa toàn phần trên PLC Siemens S7-200 CPU 224 bằng phần mềm STEP 7-Micro/WIN v4.0.
  4. Thực nghiệm và tối ưu hóa: Đánh giá độ chính xác mực nước chiết rót, thời gian chu kỳ (cycle time) và độ tin cậy của cơ cấu đóng nắp.

Phương pháp tiếp cận và Phạm vi

Hệ thống sử dụng phương pháp điều khiển vòng lặp kín thông qua cảm biến quang và cảm biến điện dung để kiểm soát mức chất lỏng, kết hợp cơ cấu chấp hành khí nén tác động kép.

  • Phạm vi áp dụng: Mô hình phục vụ phòng thí nghiệm Cơ điện tử, Tự động hóa công nghiệp và các dây chuyền đóng chai quy mô vừa và nhỏ (SME).
  • Giới hạn: Xử lý loại chai dung tích cố định ($330\text{ ml} - 500\text{ ml}$), sử dụng nắp ren xoắn nhựa tiêu chuẩn.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí Chiết rót thủ công Mô hình vi điều khiển (Arduino/STM32) Hệ thống công nghiệp tập trung Mô hình đề tài (PLC S7-200)
Độ ổn định công nghiệp Rất thấp (phụ thuộc con người) Trung bình (dễ nhiễu công nghiệp) Rất cao Cao (chuẩn công nghiệp)
Khả năng chống nhiễu Không áp dụng Kém ở môi trường 24VDC/cuộn hút Rất cao Đạt chuẩn cách ly quang/relay
Tính ứng dụng dạy học Thấp Khó tiếp cận tư duy lập trình PLC Kém (chi phí cao, cồng kềnh) Rất cao (trực quan, an toàn)
Chi phí đầu tư Thấp Rất thấp Rất cao ($> 150.000.000$ VNĐ) Tối ưu ($< 15.000.000$ VNĐ)
Khả năng mở rộng I/O Không Bị giới hạn chân GPIO Mở rộng dạng module Mở rộng đến 7 module EM

Yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Điều khiển băng tải chạy/dừng đúng vị trí chiết; cảm biến phát hiện mức nước tự động ngắt bơm; cơ cấu kẹp và vặn nắp chai hoàn chỉnh; nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop).
  • Should have (Nên có): Bảng điều khiển tích hợp nút ấn công nghiệp, đèn báo trạng thái RUN/STOP/FAULT, module mở rộng I/O EM223.
  • Could have (Có thể có): Mở rộng module analog EM235 giám sát dòng tải động cơ đóng nắp hoặc cảm biến áp suất khí nén.
  • Won't have (Chưa thực hiện đợt này): Hệ thống camera công nghiệp (Machine Vision) kiểm tra dị vật và phân loại nắp lỗi.

Thiết kế hệ thống

graph TD
    subgraph INPUT_DEVICES["Khối Thiết Bị Đầu Vào"]
        PB_START["Nút nhấn START / STOP"] -->|Digital 24VDC| PLC
        SEN_OPT["Cảm biến quang (Phát hiện chai)"] -->|Tín hiệu NPN/PNP| PLC
        SEN_CAP["Cảm biến điện dung CUP-18R8NA"] -->|Ngắt mực nước| PLC
        SEN_MAG["Cảm biến từ hành trình Xy lanh"] -->|Xác nhận vị trí| PLC
    end

    subgraph CONTROLLER["Khối Xử Lý Trung Tâm"]
        PLC["Siemens S7-200 CPU 224<br/>14 DI / 10 DO<br/>Scan Time: 0.37 µs"]
        EM["Module mở rộng EM223 / EM235"] --- PLC
    end

    subgraph OUTPUT_DEVICES["Khối Cơ Cấu Chấp Hành"]
        PLC -->|Relay 24VDC| CONV["Động cơ băng tải (24VDC, 70 RPM)"]
        PLC -->|Relay 24VDC| PUMP["Máy bơm nước 24VDC"]
        PLC -->|Solenoid 24VDC| VALVE["Van đảo chiều 5/2 (Khí nén 1.0 bar)"]
        VALVE --> CYL1["Xy lanh kẹp cố định chai"]
        VALVE --> CYL2["Xy lanh tịnh tiến cụm đóng nắp"]
        PLC -->|Relay / PWM| MOTOR_CAP["Động cơ vặn nắp (DC 24V + Encoder)"]
    end

Technology Stack và Thông số kỹ thuật:

  • Bộ điều khiển trung tâm: Siemens S7-200 CPU 224 DC/DC/DC (hoặc AC/DC/Relay), bộ nhớ chương trình 8KB EEPROM, 14 ngõ vào số (DI), 10 ngõ ra số (DO), thời gian xử lý lệnh logic Boole $0.37\ \mu\text{s}$.
  • Module mở rộng: EM223 (16 DI / 16 DO Relay hoặc 4 DI / 4 DO), hỗ trợ ghép nối chuỗi mở rộng tối đa 7 module; Module Analog EM235 (4 AI 12-bit / 1 AO 12-bit).
  • Phần mềm lập trình: Siemens STEP 7-Micro/WIN v4.0 SP9, hỗ trợ ngôn ngữ LAD (Ladder Logic), FBD, STL.
  • Chuẩn truyền thông: Giao tiếp PC-PLC qua cáp PC/PPI chuyển đổi RS-232/RS-485 với tốc độ truyền (baud rate) 9600 bps.
  • Cảm biến chuyên dụng: Cảm biến điện dung Hanyoung CUP-18R8NA (10–30VDC, khoảng cách phát hiện 8–18mm, ngõ ra 0V mức logic 1 khi phát hiện chất lỏng); Cảm biến quang thu phát phản xạ; Cảm biến từ hành trình gắn trên thân xy lanh.
  • Cơ cấu chấp hành & Khí nén: Động cơ một chiều 24VDC tích hợp hộp giảm tốc ($70\text{ vòng/phút}$); Động cơ siết nắp 24VDC có encoder; Bơm ly tâm 24VDC; Van đảo chiều điện từ 5/2 (áp suất làm việc $1.0 - 8.0\text{ bar}$, cổng kết nối $1/4"$, chuẩn bảo vệ IP65); Xy lanh khí nén tác động kép.

Phương pháp luận (Methodology)

Quy trình phát triển tuân thủ mô hình chữ V (V-Model) trong kỹ thuật cơ điện tử:

Yêu cầu hệ thống ─────────────► Kiểm thử nghiệm thu (UAT)
   │                                  ▲
   ▼                                  │
Thiết kế CAD Cơ khí & Khí nén ──► Kiểm thử tích hợp Cơ - Điện
   │                                  ▲
   ▼                                  │
Thiết kế Mạch Điện & Sơ đồ I/O ──► Đo kiểm tín hiệu & Chống nhiễu
   │                                  ▲
   ▼                                  │
   └────────► Lập trình Ladder PLC ───┘

Quản lý rủi ro và giải pháp kỹ thuật:

  • Rủi ro hồ quang và sụt áp cuộn dây van/động cơ: Sử dụng rơ-le trung gian đệm tín hiệu cách ly giữa ngõ ra transistor/relay của CPU 224 và tải cảm ứng; đấu nối diode dập xung ngược (Flyback Diode) song song với các cuộn solenoid 24VDC.
  • Nhiễu tín hiệu cảm biến điện dung do bọt khí/nước bắn: Cài đặt bộ lọc trễ (Debounce Time Filter) trong phần mềm PLC kết hợp điều chỉnh biến trở Offset/Gain trực tiếp trên cảm biến CUP-18R8NA.
  • Trượt bước khi đóng nắp: Sử dụng động cơ giảm tốc có phản hồi encoder giám sát dòng xoắn, chống quá tải khi nắp đã siết chặt vào ren cổ chai.

Implementation và kết quả

Quy trình phát triển và Thuật toán điều khiển

Quá trình điều khiển tuần tự của hệ thống được thực thi thông qua máy trạng thái hữu hạn (Finite State Machine - FSM) trong PLC S7-200.

+--------------------------------------------------------------------------------+
|                             CHU TRÌNH ĐIỀU KHIỂN FSM                           |
|                                                                                |
| [START (I0.0)] -> [Băng tải chạy (Q0.0)] -> [Chai vào trạm chiết (I0.2 ON)]    |
|                                                     |                          |
| [Chiết rót: Bơm ON (Q0.1)] <- [Xy lanh kẹp (Q0.2)] <-+                          |
|         |                                                                      |
|         v                                                                      |
| [Cảm biến CUP-18R8NA (I0.3 ON)] -> [Ngắt bơm (Q0.1 OFF)]                       |
|                                           |                                    |
| [Xy lanh nén hạ (Q0.3)] <- [Mở kẹp] <-----+                                    |
|         |                                                                      |
|         v                                                                      |
| [Động cơ vặn nắp ON (Q0.4) - 2.5s] -> [Thu xy lanh] -> [Băng tải chạy tiếp]    |
+--------------------------------------------------------------------------------+

Trích đoạn mã lệnh STL (Instruction List) tiêu biểu trên Siemens S7-200:

// Network 1: Khởi động hệ thống và duy trì trạng thái Băng tải
LD     I0.0         // Nút nhấn START
O      M0.0         // Tiếp điểm duy trì hệ thống
AN     I0.1         // Nút nhấn STOP (NC)
=      M0.0         // Cờ nhớ trạng thái hệ thống hoạt động

LD     M0.0
AN     I0.2         // Cảm biến quang phát hiện chai tại trạm chiết (Chưa có chai)
=      Q0.0         // Động cơ băng tải hoạt động (24VDC - 70 RPM)

// Network 2: Dừng băng tải, Kẹp cố định chai và Kích hoạt bơm chiết rót
LD     M0.0
A      I0.2         // Phát hiện chai đúng vị trí
AN     I0.3         // Cảm biến điện dung CUP-18R8NA chưa kích hoạt (Chưa đầy)
=      Q0.2         // Kích van điện từ 5/2 đẩy Xy lanh kẹp chai
=      Q0.1         // Bật động cơ máy bơm nước 24VDC

// Network 3: Ngắt bơm bằng cảm biến điện dung và Kích hoạt chu trình đóng nắp
LD     I0.3         // Cảm biến CUP-18R8NA báo mức chất lỏng đạt chuẩn
R      Q0.1, 1      // Reset ngắt bơm nước ngay lập tức
TON    T37, 25      // Trễ 2.5s cho quá trình vặn nắp chai

LD     T37
=      Q0.3         // Kích van đảo chiều đưa cụm vặn nắp đi xuống
=      Q0.4         // Kích động cơ quay nắp chai có hộp giảm tốc

Kiểm thử và Đánh giá thực nghiệm

Hệ thống đã trải qua quá trình chạy thử nghiệm 200 chu kỳ liên tục tại xưởng thực hành Cơ điện tử để đánh giá độ ổn định của phần cứng và phần mềm.

Kịch bản kiểm thử Thông số đo lường Tiêu chuẩn chấp nhận Kết quả thực nghiệm Trạng thái
Độ chính xác dừng chai Vị trí dừng dưới vòi chiết Sai lệch $< \pm 2.0\text{ mm}$ $\pm 0.8\text{ mm}$ Đạt (Pass)
Mực nước chiết rót Dung tích $330\text{ ml}$ Sai lệch thể tích $< \pm 2%$ Sai số $\pm 1.2%$ ($\approx \pm 3.9\text{ ml}$) Đạt (Pass)
Thời gian chu kỳ (Cycle time) Thời gian hoàn thiện 1 chai $\le 5.0\text{ s/chai}$ $4.2\text{ s/chai}$ ($\approx 14.2\text{ chai/phút}$) Đạt (Pass)
Tỷ lệ siết nắp kín Thử nghiệm áp suất nén rò rỉ Tỷ lệ lỗi nắp $< 5%$ Tỷ lệ thành công $98.5%$ ($3/200$ lỗi) Đạt (Pass)
Thời gian đáp ứng E-Stop Ngắt toàn bộ cơ cấu chấp hành $< 50\text{ ms}$ $18.5\text{ ms}$ (Ngắt mạch phần cứng) Đạt (Pass)

Đổi mới và đóng góp

  1. Ứng dụng cảm biến điện dung chuyên dụng phát hiện mức chất lỏng không tiếp xúc: Việc sử dụng cảm biến Hanyoung CUP-18R8NA thay thế cho các giải pháp định thì (Timer) truyền thống loại bỏ hoàn toàn hiện tượng chiết rót thừa/thiếu do biến động áp lực cột nước trong bình chứa.
  2. Cấu trúc module hóa đa năng phục vụ sư phạm: Mô hình phân tách rõ ràng 3 phân hệ: Cơ cấu cơ khí động học - Mạch rơ-le lực/khí nén - Khối điều khiển PLC. Bố trí bảng I/O Domino ngoài giúp sinh viên dễ dàng đấu nối chéo và thử nghiệm nhiều giải thuật lập trình khác nhau.
  3. Tối ưu hóa hiệu năng kinh tế và kỹ thuật: Tận dụng tối đa tài nguyên tích hợp trên CPU 224 (bộ phát xung PTO/PWM, High-Speed Counter) kết hợp van đảo chiều 5/2, mang lại độ chính xác tiệm cận dây chuyền công nghiệp với giá thành chỉ bằng $10%$ thiết bị nhập khẩu.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Khả năng ứng dụng

  • Cơ sở giáo dục: Giảng dạy các môn học Điều khiển logic và PLC, Khí nén - Thủy lực, Thiết kế hệ thống Cơ điện tử tại các trường Đại học, Cao đẳng kỹ thuật.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SME): Ứng dụng trực tiếp vào quy trình đóng gói dung dịch lỏng không nhớt (nước tinh khiết, nước trái cây, dung dịch tẩy rửa, dầu gió, dược phẩm lỏng).
+-----------------------------------------------------------------------------+
|                      LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI VÀ MỞ RỘNG                         |
|                                                                             |
|  [Giai đoạn 1]                                                              |
|  Hoàn thiện mô hình độc lập + Bộ tài liệu bài tập thực hành (Đã hoàn thành) |
|         |                                                                   |
|         v                                                                   |
|  [Giai đoạn 2]                                                              |
|  Tích hợp màn hình HMI Siemens KTP700 + Giao thức Modbus RTU (Quý 1)        |
|         |                                                                   |
|         v                                                                   |
|  [Giai đoạn 3]                                                              |
|  Nâng cấp SCADA giám sát trên WinCC / Web Server quản lý OEE (Quý 2)        |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Phân tích Chi phí - Lợi ích (Cost-Benefit Analysis)

  • Chi phí chế tạo mô hình: $\approx 12.500.000$ VNĐ (Bao gồm PLC S7-200 cũ, cảm biến công nghiệp, khung nhôm định hình, hệ thống khí nén).
  • So với thiết bị nhập khẩu: Tiết kiệm hơn $70%$ ngân sách trang bị phòng Lab tự động hóa.
  • Thời gian hoàn vốn (ROI) đối với xưởng sản xuất nhỏ: Ước tính từ $4 - 6$ tháng nhờ cắt giảm 2 nhân công chiết rót thủ công.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Vấn đề bọt khí: Đối với các chất lỏng có độ nhớt cao hoặc dễ tạo bọt (như nước ngọt có gas, xà phòng), cảm biến điện dung có thể nhận diện nhầm bề mặt bọt nước là mức chất lỏng thực.
  • Nạp nắp tự động: Cơ cấu cấp nắp hiện tại đang sử dụng phễu dẫn trọng lực bán tự động, chưa tích hợp đĩa rung mâm quay (Vibratory Bowl Feeder) để tự động định hướng nắp chai.
  • Nền tảng phần cứng: Dòng PLC Siemens S7-200 hiện đã ngưng sản xuất thương mại (mature phase), cần nâng cấp tương thích lên dòng S7-1200.

Hướng phát triển

  1. Nâng cấp bộ điều khiển trung tâm lên Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, lập trình trên nền tảng TIA Portal V17/V18.
  2. Thiết kế giao diện giám sát và thu thập dữ liệu SCADA qua cổng mạng Industrial Ethernet (Profinet), hiển thị sản lượng thời gian thực và cảnh báo sự cố.
  3. Tích hợp động cơ Servo điều khiển trục xoắn vặn nắp để kiểm soát chính xác mô-men xoắn (Torque Control), đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe của ngành dược phẩm.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Cơ điện tử / Tự động hóa: Nắm vững phương pháp thiết kế hệ thống phần cứng, đấu nối I/O chuẩn công nghiệp và kỹ năng lập trình chu trình máy bằng PLC.
  • Giảng viên và Cán bộ nghiên cứu: Sở hữu công cụ giảng dạy trực quan, hỗ trợ thiết kế các bài thí nghiệm từ cơ bản (Timer, Counter, Bit logic) đến nâng cao (Xử lý ngắt, Analog, Điều khiển mờ/PID).
  • Kỹ sư vận hành tại nhà máy: Tham khảo cấu trúc thiết kế mạch điều khiển khí nén an toàn và phương pháp dập nhiễu công nghiệp cho các dây chuyền chiết rót cỡ nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu nguồn cấp và khí nén để vận hành hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới $220\text{VAC}\pm 10% - 50\text{Hz}$ cấp cho bộ nguồn xung chuyển đổi sang $24\text{VDC} - 10\text{A}$. Nguồn khí nén yêu cầu áp suất vận hành từ $1.0\text{ bar}$ đến $6.0\text{ bar}$, lưu lượng tối thiểu $50\text{ lít/phút}$.

2. Cảm biến điện dung CUP-18R8NA có phát hiện được các loại chất lỏng khác nhau không?

Có. Cảm biến CUP-18R8NA hoạt động dựa trên sự thay đổi hằng số điện môi ($\varepsilon$). Thiết bị có thể phát hiện nước cất, nước khoáng, cồn, dầu nhờn bằng cách tinh chỉnh núm vặn biến trở độ nhạy (Sensitivity Potentiometer) tích hợp ở đuôi cảm biến.

3. Làm thế nào để lập trình hệ thống khi PLC S7-200 không có cổng Ethernet?

Cần sử dụng cáp chuyển đổi chuyên dụng PC/PPI (giao tiếp RS-232 hoặc USB sang RS-485). Trong phần mềm STEP 7-Micro/WIN, thiết lập cấu hình Set PG/PC Interface ở chuẩn PC/PPI cable.PPI.1, baud rate $9.6\text{ kbps}$ hoặc $19.2\text{ kbps}$, trạm CPU mặc định là 2.

4. Hệ thống có cơ chế bảo vệ nào khi động cơ vặn nắp bị kẹt?

Động cơ siết nắp được cấp nguồn qua rơ-le nhiệt/cầu chì tự phục hồi, đồng thời chương trình PLC cài đặt bộ định thì an toàn (Safety Timer T38). Nếu sau $3.0\text{ giây}$ hành trình vặn nắp chưa hoàn tất, PLC sẽ tự động ngắt ngõ ra $Q0.4$ và kích hoạt đèn báo lỗi SF.

5. Chi phí bảo trì định kỳ cho mô hình gồm những gì?

Chi phí bảo trì rất thấp, chủ yếu bao gồm kiểm tra bôi trơn piston khí nén, thay thế gioăng phớt vòi chiết (silicone chịu nhiệt) sau mỗi 500 giờ vận hành và vệ sinh đầu thu phát của cảm biến quang/điện dung.


Kết luận

Đề tài tốt nghiệp "Mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động phục vụ cho dạy học" đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu và chế tạo cả về phần cứng cơ khí, hệ thống điện - khí nén và giải thuật phần mềm PLC S7-200 CPU 224. Với năng suất đạt xấp xỉ $14\text{ chai/phút}$, sai số chiết rót chỉ $\pm 1.2%$ và tỷ lệ đóng nắp chính xác $98.5%$, mô hình chứng minh tính khả thi vượt trội trong việc ứng dụng làm trang thiết bị giảng dạy thực hành trực quan và phục vụ sản xuất quy mô nhỏ. Đây là nền tảng kỹ thuật vững chắc để tiếp tục mở rộng tích hợp các công nghệ IoT công nghiệp và SCADA trong tương lai.