Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành sản xuất đồ uống và nước giải khát, các công đoạn thủ công như súc rửa, chiết rót định lượng, siết nắp, dán nhãn và co màng đòi hỏi nhiều nhân công nhưng năng suất thấp, độ đồng đều thể tích không cao và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn vệ sinh. Để nâng cao chất lượng sản phẩm và hạ giá thành, các doanh nghiệp chuyển dịch mạnh mẽ sang các dây chuyền tự động hóa được điều khiển bằng máy tính và bộ điều khiển khả trình chuyên dụng. Nhằm đáp ứng yêu cầu đào tạo thực tiễn của xã hội, các cơ sở giáo dục kỹ thuật cần trang bị các mô hình thực hành giúp người học tiếp cận trực tiếp với thiết bị và công nghệ công nghiệp.

Đề tài "Thi công và điều khiển mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động" do sinh viên Vũ Văn Thắng và Hồ Trọng Huy thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Quang Huy tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (khóa 2012 – 2016, bảo vệ tháng 7/2016), nhằm giải quyết bài toán tích hợp hệ thống cơ điện tử phục vụ giảng dạy và học tập.

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể trong đồ án:

  1. Tìm hiểu các thiết bị công nghiệp gồm cảm biến, cơ cấu chấp hành, rơ-le, biến tần và bộ điều khiển lập trình PLC.
  2. Khảo sát thực tế quy trình công nghệ chiết rót và đóng nắp chai tại Công ty Coca-Cola để xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động.
  3. Thiết kế, tính toán cơ khí cho cơ cấu băng tải dẫn động và cụm cơ cấu vặn nắp chai.
  4. Thiết kế mạch điện điều khiển, lựa chọn thiết bị bảo vệ và đóng cắt an toàn.
  5. Xây dựng lưu đồ giải thuật, viết chương trình điều khiển cho PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC Relay) và thiết kế giao diện giám sát WinCC Runtime V13.
  6. Thi công lắp ráp mô hình phần cứng, chạy thử nghiệm, kiểm tra lỗi và phân tích đánh giá hoạt động của hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu là mô hình cơ điện tử chiết rót và đóng nắp chai tự động. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở quy mô mô hình thí nghiệm phục vụ thực hành tại xưởng bộ môn Cơ điện tử, áp dụng cho loại chai nhựa tiêu chuẩn trong thời gian thực hiện từ ngày 29/02/2016 đến ngày 13/07/2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết kỹ thuật điều khiển tự động và cơ điện tử:

  • Lý thuyết tự động hóa sản xuất: Phân loại các cấp độ tự động hóa gồm tự động hóa cứng (cấu hình cố định, năng suất cao nhưng kém linh hoạt), tự động hóa lập trình (thay đổi trình tự bằng mã lệnh, phù hợp sản xuất loạt), và tự động hóa linh hoạt (thay đổi sản phẩm liên tục mà không gián đoạn thời gian thiết lập).
  • Lý thuyết điều khiển và hệ thống: Các mô hình điều khiển vòng hở, điều khiển phản hồi vòng kín (SISO, MIMO), bộ điều khiển PID cổ điển, phương pháp không gian trạng thái, nhận dạng hệ thống qua dữ liệu vào - ra, lý thuyết logic mờ (Fuzzy Logic do Lotfi Zadeh đề xuất), hệ chuyên gia, cùng nguyên lý điều khiển học (Cybernetics do Norbert Wiener đặt nền móng).
  • Nguyên lý điều khiển lập trình PLC: Kiến trúc phần cứng CPU, chu kỳ quét (Scan Cycle), hệ thống Bus truyền thông (Address Bus, Data Bus, Control Bus), các mô-đun mở rộng vào/ra số và tương tự.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai đồng bộ:

  • Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: Khai thác tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất Siemens (họ vi điều khiển S7-1200), Fuji Electric (biến tần Frenic-Mini), Omron (cảm biến, rơ-le) và giáo trình thiết kế chi tiết máy.
  • Phương pháp khảo sát thực địa: Thu thập số liệu, quan sát chu trình vận hành tại dây chuyền đóng nắp chai thực tế của nhà máy nước giải khát Coca-Cola trong tuần đầu thực hiện đồ án.
  • Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Áp dụng công thức giải tích cơ học để tính toán công suất động cơ, hiệu suất hệ dẫn động, phân phối tỷ số truyền qua hộp giảm tốc côn - trụ hai cấp và bộ truyền đai.
  • Phương pháp thực nghiệm - thử và sai (Trial and Error): Chế tạo khung cơ khí, đấu nối mạch điện, nạp chương trình điều khiển, chạy thử tải thực tế, ghi nhận sai lệch vị trí kẹp chai và thời gian chiết rót để hiệu chỉnh tham số phần mềm và căn chỉnh cơ khí.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm ba khối chính: cơ khí chấp hành, mạch lực - điều khiển và phần mềm giám sát.

Hạng mục Thiết bị / Thông số kỹ thuật Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển trung tâm PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC Relay) Xử lý logic trung tâm, nhận tín hiệu cảm biến và kích ngõ ra điều khiển
Biến tần Fuji Frenic-Mini FRN Điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ truyền động băng tải
Cơ cấu siết nắp Động cơ điện một chiều 24VDC có hộp giảm tốc, tốc độ định mức 120 vòng/phút Tạo mô-men xoắn xoay đầu siết nắp chai
Cơ cấu kẹp và tịnh tiến Xy-lanh khí nén tác động kép kết hợp van đảo chiều khí nén 5/2 Kẹp cố định cổ chai và hạ đầu vặn nắp xuống miệng chai
Cơ cấu chiết rót Bơm nước mini 24VDC kết hợp đầu phun định lượng Cung cấp dung dịch lỏng vào chai theo khoảng thời gian đặt trước
Cảm biến phát hiện Cảm biến điện dung công nghiệp Xác định sự hiện diện của chai tại các vị trí chiết rót và đóng nắp
Thiết bị đóng cắt trung gian Rơ-le điện từ Omron (cuộn hút 24VDC) Cách ly quang/điện, bảo vệ ngõ ra PLC khi đóng ngắt tải công suất
Giao diện giám sát Phần mềm WinCC Runtime V13 (giao thức Industrial Ethernet) Hiển thị trạng thái vận hành, cảnh báo lỗi và cho phép điều khiển qua máy tính

Trong khâu tính toán dẫn động cụm vặn nắp chai, các thông số đầu vào được tác giả xác định:

  • Vận tốc vặn nắp yêu cầu: $v = 0,1\text{ m/s}$.
  • Đường kính tang quay: $D = 950\text{ mm}$.
  • Thời hạn phục vụ: $l_h = 2000\text{ giờ}$ (làm việc 2 ca/ngày, tải êm).

Hiệu suất tổng của hệ thống dẫn động được tính bằng tích hiệu suất các bộ truyền thành phần: $$\eta_\Sigma = \eta_d \cdot \eta_{brc} \cdot \eta_{brt} \cdot \eta_k \cdot \eta_{ol}^3 = 0,96 \cdot 0,96 \cdot 0,97 \cdot 1 \cdot (0,99)^3 \approx 0,8674$$

Trong đó $\eta_d = 0,96$ (bộ truyền đai thang), $\eta_{brc} = 0,96$ (bánh răng côn), $\eta_{brt} = 0,97$ (bánh răng trụ), $\eta_k = 1$ (khớp nối) và $\eta_{ol} = 0,99$ (ổ lăn, sử dụng 3 cặp).

Công suất yêu cầu trên trục công tác được xác định dựa trên lực vặn nắp $F$: $$P_{ct} = \frac{F \cdot v}{1000}\text{ (kW)}$$

Từ đó, công suất yêu cầu trên trục động cơ là $P_{yc} = \frac{P_{ct}}{\eta_\Sigma} = 1,15 \times 10^{-3}\text{ kW}$. Động cơ được chọn có công suất định mức $P_{dc} = 1,5 \times 10^{-3}\text{ kW}$, tốc độ quay sơ bộ $n_{sb} = 180\text{ vòng/phút}$.

Hệ thống phân phối tỷ số truyền:

  • Tỷ số truyền chung: $u_\Sigma = \frac{n_{dc}}{n_{ct}} = \frac{180}{4,44} \approx 89,55$.
  • Hộp giảm tốc côn - trụ 2 cấp: $u_h = u_1 \cdot u_2 = 3,75 \cdot 3,6 = 13,5$.
  • Bộ truyền đai thang ngoài hộp giảm tốc: $u_d = \frac{u_\Sigma}{u_h \cdot u_{ng2}} = \frac{89,55}{13,5 \cdot 1} \approx 6,63$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc cơ giới hóa và tự động hóa trong ngành sản xuất công nghiệp, đặc biệt là lĩnh vực thực phẩm - đồ uống. Tác giả nhấn mạnh khoảng cách giữa lý thuyết và thực hành trong đào tạo đại học, từ đó xác lập mục tiêu thiết kế và chế tạo mô hình chiết rót đóng nắp chai phục vụ thực tập. Chương này cũng phân định rõ đối tượng, nhiệm vụ, phương pháp nghiên cứu và kế hoạch thực hiện 15 tuần của đề tài.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 phân tích bức tranh tổng thể về tự động hóa sản xuất, phân biệt giữa cơ khí hóa (thay thế sức cơ bắp) và tự động hóa (thay thế cả sức lao động lẫn khâu điều khiển). Tác giả phân loại và so sánh ba hình thức tự động hóa: tự động hóa cứng, tự động hóa lập trình và tự động hóa linh hoạt; đồng thời dẫn chứng các dây chuyền thực tế như máy chiết rót đóng nắp chai trà xanh, dây chuyền đóng chai nước khoáng 20 lít và dây chuyền dán nhãn màng co.

Chương 3: Xu hướng và ứng dụng trong thực tế

Chương này tổng kết các hướng phát triển hiện đại như công nghiệp robot, mạng công nghiệp (IoT), dữ liệu lớn (Big Data), cùng các nền tảng lý thuyết điều khiển tự động (cổ điển, hiện đại, logic mờ, điều khiển thích nghi, hệ chuyên gia). Nội dung tập trung làm rõ vai trò của cảm biến, cơ cấu chấp hành, giao diện người - máy (HMI/SCADA), hệ thống nhúng, vi điều khiển và cấu trúc vận hành của thiết bị điều khiển khả trình PLC (nguyên lý chu kỳ quét, cấu trúc Bus dữ liệu, Bus địa chỉ và Bus điều khiển).

Chương 4: Thiết kế - Thi công phần cứng và phần mềm

Nội dung chương 4 tập trung vào việc tính toán, thiết kế chi tiết phần cứng và lựa chọn thiết bị cho mô hình:

  • Trình bày cấu tạo, nguyên lý của động cơ DC giảm tốc, máy bơm nước mini, van đảo chiều khí nén 5/2, xy-lanh khí nén kẹp cổ chai, cảm biến điện dung và rơ-le trung gian Omron.
  • Trình bày thông số biến tần Fuji Frenic-Mini và cách đấu nối chân điều khiển, chân cấp nguồn.
  • So sánh tính năng kỹ thuật giữa CPU Siemens S7-1214C và họ S7-200, phân tích khả năng mở rộng mô-đun tín hiệu và cổng truyền thông PROFINET.
  • Tính toán cơ học chi tiết cho hệ thống dẫn động băng tải và cụm vặn nắp (tính công suất, mô-men xoắn, lực căng dây đai, tỷ số truyền).
  • Lập bản vẽ cơ khí và sơ đồ mạch điện điều khiển tổng thể.

Chương 5: Lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển

Chương 5 xây dựng thuật toán điều khiển tuần tự cho toàn bộ chu trình chiết rót và đóng nắp:

  • Xây dựng lưu đồ giải thuật chi tiết từ trạng thái khởi động, cấp phôi chai, dừng băng tải khi cảm biến điện dung tác động, kích hoạt bơm chiết rót theo định thời gian, chuyển chai sang trạm siết nắp, kích hoạt xy-lanh kẹp chai, hạ động cơ siết nắp, hồi vị trí và tiếp tục chạy băng tải.
  • Biên dịch và cấu hình chương trình điều khiển PLC trên môi trường TIA Portal V13.
  • Thiết kế giao diện HMI điều khiển và thu thập dữ liệu bằng phần mềm WinCC Runtime V13, kết nối máy tính với PLC qua cổng mạng Ethernet.

Chương 6: Thực nghiệm và phân tích

Chương 6 ghi nhận quá trình chuẩn bị thiết bị, cấp nguồn, đấu nối khí nén và kiểm tra vận hành hệ thống. Tác giả tiến hành chạy thử nghiệm không tải và có tải với mẫu chai thực tế; ghi nhận sự phối hợp giữa tín hiệu cảm biến điện dung, đáp ứng đóng ngắt của van khí nén và độ ổn định của chương trình PLC; từ đó phân tích các lỗi phát sinh trong quá trình chuyển dịch chai trên băng tải để hiệu chỉnh cơ cấu dẫn hướng.

Chương 7: Kết luận – Kiến nghị

Chương cuối tổng kết toàn bộ kết quả chế tạo cơ khí và lập trình điều khiển của mô hình. Tác giả đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu, chỉ rõ các hạn chế còn tồn tại về độ chính xác cơ khí, đồng thời đưa ra các đề xuất cải tiến nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đạt được các kết quả cụ thể:

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng: Lắp ráp khung cơ khí vững chắc, hoàn thiện hệ thống băng tải cấp phôi dẫn động qua biến tần Frenic-Mini, tích hợp cụm kẹp chai khí nén và cơ cấu vặn nắp vận hành bằng động cơ DC 24V.
  • Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát: Đấu nối thành công tủ điện điều khiển sử dụng PLC S7-1214C DC/DC/DC Relay kết hợp rơ-le trung gian Omron; biên dịch chương trình PLC xử lý đúng quy trình công nghệ chiết rót định lượng thời gian và siết nắp chai; thiết kế giao diện WinCC Runtime V13 hỗ trợ người dùng vận hành, giám sát trạng thái qua máy tính.
  • Giá trị thực tiễn đối với đào tạo: Cung cấp một mô hình học cụ trực quan phục vụ các môn học Thực tập Cơ điện tử, Điều khiển lập trình PLC và Tự động hóa quá trình sản xuất tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, giúp người học củng cố kỹ năng lập trình, đấu nối mạch lực - mạch điều khiển và căn chỉnh khí nén.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được tác giả chỉ rõ trong báo cáo:

  • Đề tài mới dừng lại ở quy mô mô hình thí nghiệm phục vụ giảng dạy, chưa đạt công suất và độ bền công nghiệp để ứng dụng vào dây chuyền sản xuất hàng loạt lớn.
  • Cơ cấu cấp nắp chai chưa được tự động hóa hoàn toàn (vẫn cần can thiệp cấp nắp thủ công vào miệng chai trước khi qua trạm siết nắp).
  • Cơ cấu chiết rót định lượng bằng phương pháp định thời gian (Timer), chưa tích hợp cảm biến lưu lượng hoặc cảm biến lực (Loadcell) để kiểm soát thể tích chất lỏng với độ chính xác cao khi áp suất bồn chứa thay đổi.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

  • Thiết kế bổ sung cụm cấp nắp tự động (sử dụng mâm rung cấp phôi hoặc máng cấp nắp trọng lực).
  • Tích hợp thêm trạm dán nhãn chai và co màng nhiệt tự động để khép kín quy trình đóng gói.
  • Nâng cấp phương pháp chiết rót bằng cảm biến đo mức hoặc cảm biến lưu lượng kết hợp thuật toán điều khiển mờ/PID nhằm tối ưu hóa độ chính xác chiết rót.
  • Phát triển tính năng kết nối mạng công nghiệp SCADA không dây, quản lý cơ sở dữ liệu sản xuất thời gian thực trên nền tảng IoT.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ khí Chế tạo máy khi thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về thiết kế máy tự động. Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  • Quy trình tính toán truyền động cơ khí cho băng tải và cụm siết nắp (phân phối tỷ số truyền hộp giảm tốc côn - trụ hai cấp và bộ truyền đai).
  • Sơ đồ nguyên lý đấu nối tín hiệu giữa cảm biến công nghiệp, biến tần, van khí nén và PLC họ S7-1200.
  • Phương pháp cấu hình, lập trình điều khiển tuần tự trên TIA Portal kết hợp xây dựng giao diện vận hành WinCC Runtime V13.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển lập trình trung tâm được sử dụng trong mô hình là thiết bị nào?
Mô hình sử dụng PLC Siemens SIMATIC S7-1200 với CPU 1214C DC/DC/DC Relay, cho phép xử lý tín hiệu ngõ vào/ra số và tích hợp sẵn cổng giao tiếp PROFINET để kết nối với máy tính giám sát.

2. Cụm cơ cấu vặn nắp chai được dẫn động và tính toán với các thông số cơ học nào?
Cụm vặn nắp sử dụng động cơ DC 24V có hộp giảm tốc (tốc độ định mức 120 vòng/phút). Tính toán cơ khí xác định vận tốc vặn nắp $v = 0,1\text{ m/s}$, đường kính tang quay $D = 950\text{ mm}$, hiệu suất hệ dẫn động $\eta_\Sigma \approx 0,8674$, tổng tỷ số truyền $u_\Sigma \approx 89,55$ (gồm hộp giảm tốc côn - trụ 2 cấp $u_h = 13,5$ và bộ truyền đai thang $u_d \approx 6,63$).

3. Khí nén được ứng dụng cho những khâu chấp hành nào trong mô hình?
Khí nén được sử dụng tại trạm đóng nắp, bao gồm các van đảo chiều khí nén 5/2 điều khiển xy-lanh tác động kép thực hiện nhiệm vụ kẹp giữ cố định cổ chai và hạ cụm động cơ xoay vặn nắp xuống miệng chai.

4. Giao diện giám sát và điều khiển người - máy được xây dựng trên nền tảng phần mềm nào?
Giao diện giám sát vận hành được thiết kế bằng phần mềm WinCC Runtime V13 trên máy tính, giao tiếp với PLC S7-1200 qua giao thức Industrial Ethernet.

5. Đồ án đã tiến hành khảo sát thực tế tại đơn vị sản xuất nào để lên phương án thiết kế?
Nhóm tác giả đã tiến hành khảo sát thực tế quy trình công nghệ chiết rót và đóng nắp chai tại nhà máy của Công ty Coca-Cola từ ngày 29/02/2016 đến ngày 06/03/2016 nhằm phân tích quy trình công nghệ và lập phương án thiết kế chế tạo mô hình.

Kết luận

Đồ án "Thi công và điều khiển mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động" của nhóm tác giả Vũ Văn Thắng và Hồ Trọng Huy đã hoàn thành việc thiết kế, tính toán cơ khí và thi công mô hình chiết rót - đóng nắp điều khiển bằng PLC Siemens S7-1200 kết hợp giao diện giám sát WinCC Runtime V13. Mô hình vận hành ổn định, phối hợp đồng bộ giữa băng tải dẫn động biến tần, cơ cấu kẹp khí nén, bơm chiết rót định lượng và đầu siết nắp động cơ một chiều. Công trình đáp ứng mục tiêu chế tạo học cụ trực quan phục vụ công tác giảng dạy thực hành chuyên ngành Cơ điện tử và Tự động hóa tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.