Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành công nghiệp thực phẩm và bao bì tại Việt Nam ghi nhận sự gia tăng mạnh mẽ về vốn đầu tư trực tiếp nước ngoài (FDI). Tính đến tháng 3/2022, vốn FDI thực hiện trong ngành thực phẩm đạt khoảng 4,42 tỷ USD, tăng 7,8% so với cùng kỳ năm 2021. Sự tham gia của các doanh nghiệp quốc tế từ Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil tạo áp lực cạnh tranh gay gắt về công nghệ, chất lượng và giá thành. Tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ, nhiều công đoạn đóng gói vẫn thực hiện theo phương thức thủ công từ định lượng, dán miệng túi đến cắt màng. Thao tác thủ công bộc lộ nhiều hạn chế: phụ thuộc lớn vào sự tập trung của công nhân, dễ phát sinh lỗi khối lượng không đồng đều, mối hàn hở hoặc không thẳng nếp, gây ảnh hưởng đến tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm và phát sinh chi phí bồi thường do sản phẩm lỗi.

Các dòng máy đóng gói tự động chuyên dụng (như máy đóng gói dạng cốc đong, trục vít me, cân định lượng nhiều đầu) nhập khẩu từ nước ngoài sở hữu năng suất cao (1000 - 2000 gói/giờ). Tuy nhiên, phần lớn các thiết bị này sử dụng bo mạch điều khiển chuyên dụng đã bị tẩy xóa ký mã hiệu linh kiện và vi điều khiển nhằm bảo mật công nghệ. Khi phát sinh sự cố trong vận hành, việc chẩn đoán và sửa chữa bo mạch gần như không thể thực hiện, trong khi chi phí tái đầu tư máy mới là gánh nặng tài chính lớn đối với các cơ sở sản xuất. Xuất phát từ thực trạng một máy đóng gói dạng cốc đong có sẵn tại phòng thí nghiệm bị tháo rời cơ cấu cơ khí và hệ thống điện hư hỏng, đề tài "Nâng cấp máy đóng gói dạng cốc đong" được nhóm tác giả lựa chọn thực hiện nhằm tái sử dụng khung sườn cơ khí và thay thế toàn bộ hệ thống điều khiển điện, phục hồi công năng với chi phí tối ưu.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm 6 nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Nâng cấp và cải tiến toàn diện phần điều khiển nhằm làm chủ công nghệ máy đóng gói dạng cốc đong.
  2. Đảm bảo độ chính xác định lượng với sai số khối lượng sản phẩm đóng gói nhỏ hơn 5% so với khối lượng tịnh.
  3. Đảm bảo chất lượng bao bì sau gia công: miệng túi được ép kín hoàn toàn, đường cắt thẳng hàng, rõ nét và thuận tiện cho việc mở bao bì.
  4. Đạt năng suất vận hành thiết kế ở mức khoảng 1800 gói/giờ.
  5. Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát trực quan các thông số vận hành thông qua màn hình giao diện HMI.
  6. Ứng dụng hệ thống vào đóng gói thực phẩm dạng bột dễ chảy như sữa bột, bột cà phê, bột ca cao, bột trà, đường cát.

Đối tượng nghiên cứu là mô hình máy đóng gói dạng cốc đong kết cấu khung kim loại với kích thước phủ bì 500 x 1000 x 2000 (mm). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các sản phẩm dạng bột hoặc dạng hạt có kích thước nhỏ, đồng đều và tính chất dễ chảy. Thời gian triển khai nghiên cứu và thực nghiệm diễn ra từ ngày 14/02/2023 đến ngày 30/06/2023 tại Bộ môn Tự động Điều khiển, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, đề tài phân tích toàn diện các phương pháp kỹ thuật áp dụng trong công nghệ đóng gói bao bì:

  • Phân loại nguyên liệu đóng gói: Tác giả phân tích tính chất vật lý của nguyên liệu rắn (hạt riêng lẻ, bột dễ chảy, bột khó chảy có độ ẩm/độ dính) và chất lỏng (độ nhớt cao/thấp, tính tạo bọt). Đối với nhóm bột dễ chảy có mật độ đồng nhất, nguyên liệu tự do dịch chuyển tạo hình chóp góc nghiêng nhẹ khi đổ tràn, phù hợp áp dụng phương pháp định lượng thể tích.
  • Phương pháp định lượng: So sánh 4 nguyên lý định lượng thông dụng: định lượng theo số lượng (dùng khuôn đếm sản phẩm rời rạc), định lượng theo thể tích (dùng cốc đong xoay), định lượng theo trọng lượng (dùng cảm biến tải loadcell kết hợp cơ cấu cấp liệu trục vít hoặc máng rung), và định lượng thể tích bằng piston (cho chất lỏng/sệt). Đề tài kết luận chọn phương pháp cốc đong nhờ ưu thế vượt trội về tốc độ cấp phôi liên tục, kết cấu cơ khí tinh gọn, chi phí chế tạo thấp và không cần bảo dưỡng phức tạp như hệ cân định lượng.
  • Phương pháp đóng kín bao bì: So sánh giữa hàn nhiệt bán tự động (máy dập tay, máy hàn lăn liên tục) và hàn nhiệt tự động (dẫn động khí nén hoặc cơ khí). Đề tài lựa chọn cơ cấu dẫn động hoàn toàn bằng cơ khí truyền động trực tiếp từ động cơ, giúp tối ưu tốc độ chu kỳ, đảm bảo lực ép đồng đều và tính cơ động cao hơn so với hệ thống đòi hỏi nguồn khí nén phụ trợ.
  • Thuật toán gia nhiệt: Đánh giá hai giải thuật kiểm soát nhiệt độ gồm điều khiển On-Off và điều khiển vi tích phân tỷ lệ (PID). Phương pháp On-Off gây dao động nhiệt quanh điểm đặt (setpoint), dễ làm biến dạng hoặc cháy màng nilon. Giải thuật PID được lựa chọn để điều chỉnh công suất thanh nhiệt thông qua rơ-le bán dẫn (SSR), đảm bảo nhiệt độ ép biên duy trì ổn định trong dải 90 - 150°C tùy chất liệu bao bì.
  • Phương pháp điều khiển truyền động: So sánh giữa biến tần và rơ-le. Biến tần được chọn cho động cơ trục chính (Filling) và động cơ kéo màng (Pulling) do yêu cầu khắt khe về điều chỉnh dải tốc độ, khởi động/dừng êm và đồng bộ chu trình; rơ-le/khởi động từ và rơ-le bán dẫn được dùng cho các động cơ phụ tải cố định (Mixing, Rolling, Cutting).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai kết hợp 3 nhánh tiếp cận:

  • Phương pháp khảo sát: Khảo sát các thông số kỹ thuật của các dòng máy cùng công suất thực tế; lập bảng phân loại tình trạng các cụm cơ khí, động cơ, cảm biến bị tháo rời để xác định danh mục chi tiết cần gia công, sửa chữa và thay thế.
  • Phương pháp lý thuyết: Tính toán thông số điện động lực học, lựa chọn giải pháp điều khiển lập trình trên PLC S7-1200, phân bổ bản đồ vào/ra (I/O), thiết kế sơ đồ đấu nối mạch động lực, mạch điều khiển 24VDC và thuật toán phần mềm.
  • Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp cơ điện hoàn chỉnh, vận hành thực tế mô hình với nguyên liệu mẫu, tinh chỉnh các tham số thời gian, tần số biến tần và thông số PID nhằm đạt chỉ tiêu năng suất và sai số thiết kế.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm các thông số kỹ thuật xuất xưởng của thiết bị có sẵn (động cơ AC, biến tần Yatai), catalogue kỹ thuật của hãng Siemens, Omron, Velt, cùng số liệu đo đạc thực nghiệm về nhiệt độ, chu kỳ kéo màng và khối lượng sản phẩm tại phòng thực hành.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc phần cứng và lựa chọn thiết bị

Hệ thống điều khiển được tái thiết kế hoàn toàn, thay thế bo mạch vi xử lý cũ bằng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) công nghiệp kết hợp giao diện giám sát HMI. Cấu hình phần cứng được tổng hợp chi tiết trong bảng dưới đây:

Phân hệ / Khối chức năng Tên thiết bị / Mã hiệu Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Khối điều khiển trung tâm PLC Siemens S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC Nguồn 20.4–28.8VDC; 14 DI / 10 DO (24VDC); 2 AI (0–10V); 2 AO (0–20mA); bộ nhớ 125KB; 2 cổng Profinet RJ45 Điều khiển trung tâm toàn bộ chu trình, thực thi giải thuật PID nhiệt độ và xử lý logic liên động
Khối mở rộng tín hiệu Module Analog Siemens SM 1234 (6ES7 234-4HE32-0XB0) Nguồn 24VDC; 4 ngõ vào tương tự AI (±10V, 0–20mA, 4–20mA); 2 ngõ ra tương tự AO Thu nhận tín hiệu dòng 4–20mA từ bộ biến đổi nhiệt độ và xuất áp điều khiển biến tần
Khối giám sát người máy Màn hình HMI Siemens KTP700 Basic Kích thước 7 inch, hiển thị màu; bộ nhớ 10MB; cổng giao tiếp Profinet Cài đặt nhiệt độ đặt, tốc độ động cơ, hiển thị số gói, trạng thái thiết bị và báo lỗi hệ thống
Khối khuấy liệu (Mixing) Động cơ 1 pha AC tích hợp hộp giảm tốc Nguồn 220VAC, 50Hz; công suất 25W; tốc độ 1250 vòng/phút; mô-men định mức 171 Nm Dẫn động cánh khuấy trong phễu cấp liệu, ngăn chặn vón cục và tắc nghẽn bột
Khối kéo màng trên (Rolling) Động cơ 1 pha AC Nguồn 220VAC, 50Hz; công suất 15W; tốc độ 1250 vòng/phút; dòng định mức 0.4A Xả cuộn màng từ trục đỡ, cấp phôi màng ổn định cho ống dẫn tạo hình
Khối kẹp nhiệt & định lượng (Filling) Động cơ 3 pha AC + Biến tần Yatai Động cơ: 220/380VAC, 370W, 1400 vòng/phút, dòng 1.12A. Biến tần: 220VAC, 1.5kW, dòng 4.5A Dẫn động trục chính, điều khiển mâm cốc đong nguyên liệu và đóng/mở cơ cấu kẹp nhiệt ngang/dọc
Khối kéo màng dưới (Pulling) Động cơ 3 pha AC + Biến tần Mitsubishi FR-E700 Động cơ: 220/380VAC, 200W, 1400 vòng/phút, dòng 1.0A. Biến tần: 1 pha 220–240VAC, 0.75kW, dòng 5A Kéo màng bao bì đã định hình đi xuống vị trí cắt theo cữ vạch bao bì
Khối cắt rời (Cutting) Động cơ 1 pha AC Nguồn 220VAC, 50Hz; công suất 25W; tốc độ 1300 vòng/phút; dòng định mức 0.7A Dẫn động dao cắt hình răng cưa phân chia dải túi thành từng gói sản phẩm độc lập
Khối đo lường nhiệt độ Can nhiệt cặp nhiệt điện loại K (Thermocouple Type K) Đầu ren bắt vít M6; dải đo 0–800°C; chiều dài dây dẫn 2m Đo nhiệt độ thực tế tại khuôn ép nhiệt của thanh hàn màng
Khối chuyển đổi nhiệt độ Bộ chuyển đổi Velt-Hmt Temperature Transmitter Nguồn cấp 10–30VDC; đầu vào thermocouple K; ngõ ra 4–20mA; sai số ±0.2%; phản hồi <250ms Chuyển đổi điện áp mV từ can K thành tín hiệu dòng công nghiệp chuẩn 4–20mA đưa về PLC
Khối phát hiện vị trí cơ cấu Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ SN04-N2 Nguồn 6–36VDC; dòng tải 200–300mA; khoảng cách phát hiện kim loại 4mm; ngõ ra NPN Xác định các điểm tới hạn cơ khí: điểm kẹp chặt nhất, điểm mở rộng nhất của má kẹp
Khối định vị bao bì Cảm biến quang màng ST-RG-1 Nguồn 12–24VDC; ngõ ra tùy chọn Light ON / Dark ON; núm chỉnh độ nhạy Nhận diện vạch định vị (vạch đen/trắng) in trên biên màng bao bì để ngắt động cơ Pulling

Thiết kế phần mềm và giải thuật điều khiển

Chương trình điều khiển được phát triển trên phần mềm TIA Portal (Siemens), phân bổ thành các khối hàm chức năng độc lập:

  • Chương trình chính (Main): Quản lý trạng thái hệ thống, quét tín hiệu an toàn và điều phối luồng thực thi giữa các chương trình con.
  • Chương trình về gốc (Home): Đưa các cơ cấu chấp hành cơ khí (trục quay kẹp nhiệt, mâm xoay cốc đong, dao cắt) về đúng vị trí chuẩn xuất phát trước khi bắt đầu chu trình tự động.
  • Chương trình khởi động tự động (Start): Kích hoạt động cơ khuấy (Mixing) và động cơ trục chính (Filling). Chu trình liên động được kiểm soát bởi các cảm biến:
    • Khi cơ cấu kẹp tiến vào vị trí kẹp chặt nhất, cảm biến tiệm cận kích hoạt cấp lệnh cho động cơ Cutting quay một vòng để cắt rời gói thành phẩm.
    • Khi cơ cấu kẹp lùi về vị trí mở rộng nhất, cảm biến tiệm cận gửi tín hiệu cho phép động cơ Pulling hoạt động thông qua biến tần để kéo dải bao bì xuống. Động cơ Pulling dừng lại tức thì khi cảm biến quang ST-RG-1 quét thấy vạch đen chuẩn trên màng.
    • Tín hiệu kéo màng kích hoạt động cơ Rolling xả phôi cuộn màng trên, duy trì độ chùng hợp lý để tránh rách màng hoặc quá tải motor kéo dưới.
  • Giải thuật điều khiển nhiệt độ PID: Tiếp nhận giá trị dòng 4–20mA qua module SM 1234, quy đổi sang giá trị nhiệt độ (°C) thực tế của khuôn ép, tính toán sai lệch so với nhiệt độ đặt trên HMI và xuất chuỗi xung điều rộng điều khiển relay bán dẫn cấp nhiệt cho thanh điện trở.
  • Giải thuật giám sát sự cố (Alarm): Giám sát liên tục thời gian tác động của các cơ cấu. Hệ thống tự động ngắt đầu ra và kích hoạt còi/đèn cảnh báo khi xảy ra các sự cố: kẹt trục chính (motor Filling quá tải hoặc không kích hoạt cảm biến theo chu kỳ), kẹt dao cắt (motor Cutting không hoàn thành vòng quay), tụt bao bì hoặc hết màng (cảm biến ST-RG-1 không nhận diện được vạch màu trong khoảng thời gian định trước).

Giao diện điều khiển và giám sát HMI

Giao diện HMI KTP700 Basic được thiết kế gồm 3 màn hình chuyên biệt:

  • Màn hình đăng nhập (Login Screen): Quản lý phân quyền vận hành, ngăn chặn sự can thiệp trái phép vào các thông số cài đặt lõi.
  • Màn hình chính (Main Screen): Hiển thị trạng thái On/Off của từng động cơ, biểu đồ giám sát nhiệt độ khuôn hàn tức thời, trường nhập giá trị nhiệt độ đặt (Setpoint), nút điều khiển tốc độ (tần số biến tần) của động cơ Filling và Pulling, cùng bộ đếm số lượng bao bì đã gia công.
  • Màn hình cảnh báo (Alarm Screen): Liệt kê lịch sử và vị trí xảy ra lỗi cơ khí (kẹt dao cắt, kẹt trục xoay, mất dấu màng bao bì), hướng dẫn nhân viên kỹ thuật khắc phục sự cố nhanh chóng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng Quan Hệ Thống

Chương mở đầu phân tích bối cảnh ngành công nghiệp bao bì tại Việt Nam trong giai đoạn phục hồi hậu đại dịch, nhấn mạnh dòng vốn đầu tư FDI vào ngành thực phẩm đạt hơn 4,42 tỷ USD năm 2022. Tác giả khảo sát các hạn chế cố hữu của phương pháp đóng gói thủ công tại các cơ sở vừa và nhỏ, bao gồm năng suất thấp, sai số định lượng lớn và nguy cơ mất an toàn vệ sinh thực phẩm. Thực trạng máy đóng gói nhập khẩu hỏng hệ thống điều khiển và bị xóa chip nhớ được nêu bật như lý do then chốt dẫn đến việc lựa chọn đề tài tái thiết kế hệ thống điện trên nền tảng PLC S7-1200 nhằm tối ưu chi phí đầu tư.

Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 2 cung cấp cơ sở phân loại nguyên liệu đóng gói và so sánh chi tiết các giải pháp kỹ thuật. Tác giả đối chiếu 4 phương pháp định lượng (theo số lượng, thể tích cốc đong, trọng lượng loadcell và piston thủy lực/khí nén) để khẳng định tính ưu việt của phương pháp cốc đong đối với nguyên liệu bột dễ chảy. Về khâu đóng kín bao bì, chương phân tích sự khác biệt giữa cơ cấu truyền động cơ khí và khí nén, đồng thời so sánh hiệu quả duy trì nhiệt độ giữa thuật toán PID và bộ điều khiển On-Off. Đề tài cũng so sánh giải pháp điều khiển động cơ bằng biến tần và rơ-le, làm căn cứ lựa chọn biến tần cho hai động cơ chuyển động chính của máy.

Chương 3. Thiết Kế Phần Cứng

Chương 3 xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống và hiện thực hóa các yêu cầu kỹ thuật phần cứng. Tác giả tính toán và lựa chọn chi tiết các thiết bị: PLC Siemens S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC, module mở rộng analog SM 1234, màn hình KTP700 Basic; chọn lựa 5 động cơ (Mixing, Rolling, Filling, Pulling, Cutting) kết hợp cùng 2 biến tần (Yatai 1.5kW và Mitsubishi FR-E700 0.75kW); lựa chọn cảm biến can nhiệt K kèm bộ chuyển đổi tín hiệu Velt-Hmt, cảm biến tiệm cận SN04-N2 và cảm biến quang màng ST-RG-1. Chương trình bày chi tiết sơ đồ bố trí tủ điện công nghiệp, sơ đồ nối dây ngõ vào/ra (DI, DO, AI, AO) và sơ đồ cấp nguồn 24VDC/220VAC/380VAC an toàn.

Chương 4. Thiết Kế Phần Mềm

Chương này tập trung mô tả thuật toán điều khiển và giao diện giám sát. Tác giả xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình chính (Main), chương trình định vị điểm gốc (Home), chương trình vận hành tự động (Start), lưu đồ điều khiển nhiệt độ PID và điều khiển tốc độ biến tần, cùng lưu đồ xử lý sự cố (Alarm). Đồ thị trình tự hoạt động của các thiết bị theo trục thời gian được thiết lập nhằm mô tả sự phối hợp đồng bộ giữa cơ cấu kẹp nhiệt, dao cắt và cơ cấu kéo dải bao bì. Các trang giao diện giám sát người máy (đăng nhập, bảng điều khiển chính, bảng cảnh báo) trên phần mềm TIA Portal cũng được thiết kế và giải thích chi tiết.

Chương 5. Kết Quả Đạt Được

Chương 5 trình bày toàn bộ kết quả lắp ráp thực nghiệm và đánh giá hệ thống sau cải tạo. Khung sườn cơ khí 500 x 1000 x 2000 mm được lắp ráp đồng bộ, các cơ cấu phễu chứa, mâm cốc đong, trục kẹp ngang/dọc, dao cắt và bánh xe kéo màng hoạt động chính xác. Hệ thống điện được gom dây và đấu nối gọn gàng vào tủ điện. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy đáp ứng nhiệt độ PID bám sát giá trị đặt, màng bao bì được ép kín khít, đường cắt sắc nét, không bị nhăn rách, các kịch bản báo lỗi trên màn hình HMI phản hồi chính xác khi có sự cố cơ khí mô phỏng.

Chương 6. Kết Luận Và Hướng Phát Triển

Chương cuối cùng tổng kết các chỉ tiêu kỹ thuật đã hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu, đánh giá khả năng vận hành độc lập của hệ thống. Đồng thời, nhóm tác giả chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện tại và vạch ra hai hướng phát triển mở rộng: nâng cấp cơ cấu kẹp nhiệt và kéo màng để tương thích với nhiều loại màng bao bì phức hợp, và cải tiến cơ cấu cấp liệu để đóng gói được các loại bột có độ ẩm, bột mịn khó chảy.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã thực hiện cải tạo, phục hồi và nâng cấp thành công mô hình máy đóng gói dạng cốc đong từ trạng thái rời rạc thành một hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh. Các kết quả kỹ thuật đạt được bao gồm:

  • Khôi phục hoàn toàn phần cơ khí: Lắp ráp, cân chỉnh đồng trục 5 cụm cơ cấu chấp hành trên khung kim loại kích thước 500 x 1000 x 2000 (mm).
  • Hệ thống điều khiển điện tin cậy: Thay thế hoàn toàn bo mạch bị xóa chip cũ bằng hệ thống điều khiển PLC S7-1200 1215C, mở rộng module SM 1234, tích hợp 2 biến tần Yatai và Mitsubishi FR-E700, tủ điện được đi dây công nghiệp chuẩn hóa theo sơ đồ nguyên lý.
  • Năng suất và độ chính xác: Hệ thống đạt năng suất vận hành thiết kế khoảng 1800 gói/giờ. Sai số khối lượng định lượng giữa các gói thành phẩm kiểm tra thực nghiệm đạt dưới 5% so với khối lượng tịnh.
  • Chất lượng bao bì thành phẩm: Mép dán biên dọc và đáy túi được ép kín tuyệt đối nhờ khâu ổn định nhiệt PID; nét cắt răng cưa của dao cắt ngọt, thẳng hàng và thuận tiện cho việc xé bao bì khi sử dụng.
  • Giám sát vận hành trực quan: Màn hình KTP700 Basic cho phép thiết lập linh hoạt các thông số nhiệt độ, vận tốc kéo màng, hiển thị sản lượng và phát tín hiệu cảnh báo chính xác khi kẹt dao, kẹt trục hoặc hết màng bao bì.

Đóng góp lớn nhất của đề tài là xây dựng thành công quy trình công nghệ phục hồi và hiện đại hóa thiết bị đóng gói công nghiệp đã qua sử dụng. Giải pháp này giúp các cơ sở sản xuất làm chủ hoàn toàn chương trình điều khiển, giảm thiểu rủi ro bảo trì khi gặp máy nhập khẩu bị bảo mật phần cứng, đồng thời tiết kiệm đáng kể chi phí đầu tư thiết bị so với việc nhập khẩu máy mới nguyên chiếc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo đánh giá thực tế của nhóm tác giả trong văn bản, đề tài tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

  • Hệ thống chỉ mới vận hành thử nghiệm ổn định trên màng nilon tiêu chuẩn thông dụng, chưa tương thích hoàn toàn với các loại màng ghép phức hợp dày hoặc màng nhôm chuyên dụng.
  • Cơ cấu định lượng cốc đong chỉ phù hợp với các loại bột khô, hạt nhỏ có tính chất dễ chảy; khi thử nghiệm với các loại bột có độ ẩm cao hoặc độ kết dính lớn, hiện tượng bám dính trong cốc đong vẫn xảy ra làm tăng sai số khối lượng.
  • Việc thay đổi dải định lượng khối lượng trong phạm vi rộng đòi hỏi phải gia công cơ khí hoặc thay thế cụm cốc đong khác, chưa thể tinh chỉnh linh hoạt hoàn toàn qua giao diện phần mềm.

Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất bao gồm:

  1. Mở rộng khả năng tương thích vật liệu bao bì: Nghiên cứu cải tiến hệ thống gia nhiệt và áp lực má kẹp để máy có thể đóng gói trên nhiều loại chất liệu màng khác nhau (màng nhôm, màng giấy phủ nhựa, màng OPP/PE).
  2. Đa dạng hóa loại nguyên liệu đóng gói: Thiết kế bổ sung cơ cấu khuấy trợ lực biên dạng đặc biệt hoặc cơ cấu rung rung cưỡng bức tại phễu đong để có thể đóng gói chính xác các loại bột mịn khó chảy và bột có độ ẩm cao hơn.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao đối với:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu thực tế về quy trình tích hợp hệ thống tự động hóa toàn diện từ thiết kế phần cứng, lựa chọn thiết bị công nghiệp đến lập trình PLC S7-1200 trên TIA Portal và thiết kế giao diện giám sát HMI KTP700.
  • Kỹ sư vận hành và bảo trì máy công nghiệp: Là tài liệu tham khảo hữu ích cho các dự án "retrofit" (cải tạo, phục hồi máy cũ hỏng bo mạch nhập khẩu), giúp nắm bắt kỹ thuật thay thế bo mạch vi xử lý bằng PLC tiêu chuẩn.
  • Các phần nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao:
    • Sơ đồ đấu nối chi tiết các mô-đun PLC, module mở rộng analog SM 1234 với cảm biến nhiệt độ can K thông qua bộ chuyển đổi dòng 4–20mA (Chương 3).
    • Thuật toán phối hợp trình tự thời gian giữa tín hiệu cảm biến tiệm cận SN04-N2, cảm biến quang ST-RG-1 với hai biến tần điều khiển động cơ Filling và Pulling (Chương 4).
    • Phương pháp xây dựng hệ thống cảnh báo sự cố đa điểm (kẹt dao cắt, kẹt trục chính, lệch dấu màng bao bì) trên giao diện HMI (Chương 4 và 5).

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn phương pháp định lượng bằng cốc đong thay vì dùng trục vít hay đầu cân điện tử loadcell?
Phương pháp cốc đong được lựa chọn dựa trên tính chất của nhóm nguyên liệu mục tiêu (bột sữa, bột cà phê, đường cát) thuộc dạng bột khô dễ chảy. Cốc đong mang lại tốc độ định lượng liên tục rất cao, đáp ứng trực tiếp mục tiêu năng suất 1800 gói/giờ, kết cấu cơ khí tinh gọn, không đòi hỏi chi phí đầu tư lớn và phức tạp như hệ cân loadcell nhiều đầu hoặc chi phí gia công trục vít me chuyên dụng.

2. Nguyên nhân cốt lõi khiến nhóm tác giả quyết định thay thế toàn bộ hệ thống điều khiển điện thay vì sửa chữa bo mạch ban đầu là gì?
Bo mạch điều khiển nguyên bản trên máy nhập khẩu bị các nhà sản xuất tẩy xóa toàn bộ ký mã hiệu vi điều khiển và linh kiện phục vụ mục đích bảo mật bản quyền. Khi hệ thống điện gặp sự cố hoặc dây dẫn bị tháo rời, việc chẩn đoán linh kiện hỏng và nạp lại thuật toán là bất khả thi. Do đó, việc thay thế bằng PLC S7-1200 công nghiệp giúp làm chủ hoàn toàn công nghệ, thuận tiện cho công tác bảo dưỡng, nâng cấp và sửa chữa dài hạn.

3. Vì sao trong hệ thống có 5 động cơ nhưng chỉ có motor Filling và motor Pulling được lắp đặt biến tần điều khiển?
Motor Filling (dẫn động mâm cốc đong và cơ cấu kẹp nhiệt) và motor Pulling (kéo màng túi đã ép) là hai cụm cơ cấu then chốt quyết định chu kỳ đóng gói và năng suất của máy. Việc sử dụng biến tần Yatai (1.5kW) và Mitsubishi FR-E700 (0.75kW) cho phép điều chỉnh tần số linh hoạt để đồng bộ chính xác tốc độ giữa khâu kẹp màng và khâu kéo màng, đồng thời đảm bảo động cơ khởi động và dừng mềm mại. Các động cơ còn lại (Mixing, Rolling, Cutting) có vận tốc cố định nên chỉ cần điều khiển On/Off qua rơ-le để tối ưu hóa chi phí.

4. Cảm biến quang ST-RG-1 giữ vai trò gì trong hệ thống và vận hành dựa trên cơ chế nào?
Cảm biến quang ST-RG-1 được bố trí tại cơ cấu kéo màng để nhận diện vạch dấu chuẩn (vạch đen hoặc vạch trắng) được in sẵn trên biên cuộn màng bao bì. Khi phát hiện vạch màu, cảm biến kích hoạt tín hiệu ngắt tức thì động cơ kéo dưới (Pulling), đảm bảo mỗi gói sản phẩm được kéo xuống đúng chiều dài thiết kế, giữ cho hình ảnh, logo và nét cắt trên bao bì luôn nằm đúng vị trí quy định.

5. Giải thuật PID trong đồ án được ứng dụng vào công đoạn nào và giải quyết nhược điểm gì so với phương pháp On-Off?
Giải thuật PID được cấu hình trên PLC S7-1200 để điều khiển công suất thanh nhiệt kẹp ngang và kẹp dọc thông qua rơ-le bán dẫn (SSR). Phương pháp On-Off truyền thống thường gây dao động nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt (overshoot), làm cháy rách màng nilon mỏng hoặc gây hở mép dán khi nhiệt độ bị tụt sâu. Thuật toán PID giúp nhiệt độ thực tế của thanh hàn duy trì ổn định quanh giá trị đặt trong dải 90–150°C, đảm bảo mối hàn bao bì luôn kín khít và thẩm mỹ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nâng cấp máy đóng gói dạng cốc đong" đã giải quyết thành công bài toán cải tạo thiết bị công nghiệp hư hỏng bo mạch thành một hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh và hiện đại. Nhóm tác giả đã phục hồi chính xác cụm cơ khí kích thước 500 x 1000 x 2000 mm, tích hợp hệ thống điều khiển PLC Siemens S7-1200, 2 biến tần và giao diện giám sát HMI KTP700 Basic. Kết quả thực nghiệm khẳng định máy vận hành ổn định với năng suất đạt khoảng 1800 gói/giờ, sai số khối lượng dưới 5%, chất lượng mép hàn kín khít và cơ chế cảnh báo lỗi tin cậy. Công trình mang lại giá trị thực tiễn cao, mở ra giải pháp tái thiết kế hữu hiệu nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư và làm chủ công nghệ đóng gói tự động cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ.