Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống (F&B) tại Việt Nam đang chứng kiến sự tăng trưởng vượt bậc với dòng vốn đầu tư trực tiếp nước ngoài (FDI) giải ngân đạt hơn 4,42 tỷ USD. Đi cùng với làn sóng này là nhu cầu bức thiết về tự động hóa dây chuyền đóng gói nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về an toàn vệ sinh thực phẩm (HACCP, ISO 22000), truy xuất nguồn gốc và tối ưu hóa chi phí vận hành. Tuy nhiên, tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs), quy trình đóng gói các sản phẩm dạng hạt và bột (cà phê hòa tan, sữa bột, đường cát, bột trà) vẫn tồn tại nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng.

                  +----------------------------------------------+
                  |  THỰC TRẠNG DÂY CHUYỀN ĐÓNG GÓI TẠI VIỆT NAM |
                  +----------------------------------------------+
                                         |
            +----------------------------+----------------------------+
            |                                                         |
            v                                                         v
+-----------------------+                                 +-----------------------+
|  Đóng gói thủ công    |                                 |  Máy nhập khẩu cũ     |
|  - Sai số định lượng  |                                 |  - Bo mạch vi điều    |
|  - Rò rỉ nhiệt miệng  |                                 |    khiển bị tẩy chip  |
|  - Năng suất thấp     |                                 |  - Chi phí mua mới cao|
|  - Nguy cơ thôi nhiễm |                                 |  - Khó bảo trì/sửa    |
+-----------------------+                                 +-----------------------+
            |                                                         |
            +----------------------------+----------------------------+
                                         |
                                         v
                  +----------------------------------------------+
                  |  GIẢI PHÁP: RETROFIT VỚI PLC S7-1200 & HMI   |
                  +----------------------------------------------+

Vấn đề thực tế (Problem Statement)

  1. Rào cản đóng gói thủ công và bán tự động: Độ chính xác định lượng kém, đường hàn nhiệt miệng túi không đồng đều dẫn đến hở mép khí làm oxy hóa thực phẩm, sai số khối lượng vượt quá ±8%, và năng suất giới hạn dưới 300–500 gói/giờ.
  2. Khủng hoảng bảo trì máy ngoại nhập: Đa số dây chuyền tự động nhập khẩu từ Trung Quốc hoặc Đài Loan sử dụng các vi điều khiển (MCU) chuyên dụng bị cạo/tẩy mã số chip nhằm bảo mật độc quyền. Khi xảy ra sự cố phần cứng điều khiển, doanh nghiệp buộc phải thay thế toàn bộ hệ thống với chi phí đắt đỏ hoặc ngưng trệ sản xuất kéo dài.

Mục tiêu dự án

  1. Nâng cấp và làm chủ công nghệ điều khiển: Tái cấu trúc toàn diện hệ thống điện - tự động hóa cho khung cơ khí máy đóng gói kích thước $500 \times 1000 \times 2000\text{ mm}$ bằng bộ điều khiển lập trình công nghiệp PLC Siemens S7-1200 (CPU 1215C DC/DC/DC).
  2. Đảm bảo độ chính xác định lượng: Kiểm soát sai số thể tích khối lượng tịnh dưới $\pm 5%$ đối với các nguyên liệu bột dễ chảy.
  3. Chuẩn hóa quy trình nhiệt dán và cắt: Ứng dụng thuật toán PID kiểm soát dải nhiệt độ hàn miệng túi từ $90^\circ\text{C} - 150^\circ\text{C}$ với sai lệch không quá $\pm 2^\circ\text{C}$, tạo vết cắt răng cưa thẳng hàng, dứt khoát.
  4. Nâng cao năng suất vận hành: Đạt hiệu suất định mức 1.800 gói/giờ (30 gói/phút), vận hành liên tục 24/7.
  5. Số hóa giao diện điều khiển: Thiết kế màn hình cảm ứng HMI Siemens KTP700 Basic để trực quan hóa toàn bộ quy trình, giám sát thông số thời gian thực và chẩn đoán sự cố tự động (Alarm System).

Phương pháp tiếp cận và phạm vi

  • Phương pháp tiếp cận: Kế thừa khung cơ khí hiện hữu để giảm thiểu $65%$ chi phí chế tạo, thiết kế mới toàn bộ kiến trúc điều khiển tự động hóa phân tầng, tích hợp bộ biến tần kép điều khiển đồng bộ động cơ kéo màng và động cơ trục chính.
  • Phạm vi ứng dụng: Định lượng thể tích bằng cốc đong chuyên dụng cho nguyên liệu dạng bột rời, hạt nhỏ đồng nhất (sữa bột, ngũ cốc, cà phê xay, gia vị khô) trên nền vật liệu màng phức hợp (OPP/PE, PET/AL/PE).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Phương pháp định lượng Nguyên lý hoạt động Độ chính xác Tốc độ Chi phí đầu tư Độ phức tạp bảo trì Phù hợp nguyên liệu
Cốc đong thể tích (Được chọn) Trượt đĩa chia cốc định tích Trung bình - Cao ($\pm 1-3%$) Rất nhanh ($30-60\text{ gpm}$) Thấp Rất thấp (cơ khí thuần) Bột dễ chảy, hạt nhỏ khô
Trục vít (Auger Screw) Định lượng qua số vòng quay servo Rất cao ($\pm 0.5-1%$) Trung bình ($20-40\text{ gpm}$) Cao Trung bình (mài mòn cơ khí) Bột mịn khó chảy, có dầu
Cân điện tử nhiều đầu (Multi-head) Loadcell kết hợp vi xử lý Xuất sắc ($\pm 0.1-0.5%$) Rất nhanh ($60-120\text{ gpm}$) Rất cao Phức tạp (vi mạch nhạy cảm) Dạng hạt không đồng đều, snack
Piston định lượng Hút - đẩy thể tích xi lanh Rất cao ($\pm 0.5-1%$) Trung bình ($20-35\text{ gpm}$) Trung bình Trung bình (thay phốt định kỳ) Chất lỏng, sệt, dung dịch 
                       +-----------------------------------+
                       |    YÊU CẦU HỆ THỐNG THEO MOSCOW   |
                       +-----------------------------------+
                                         |
     +-------------------+---------------+---------------+-------------------+
     |                   |                               |                   |
     v                   v                               v                   v
+---------+         +---------+                     +---------+         +---------+
|  MUST   |         | SHOULD  |                     |  COULD  |         |  WON'T  |
| - PLC   |         | - VFD   |                     | - Lưu   |         | - Cân   |
|   S7-1200|        |   Yatai &|                    |   recipe|         |   tải   |
| - PID   |         |   E700  |                     |   trên  |         |   nhiều |
|   nhiệt |         | - Cảm   |                     |   HMI   |         |   đầu   |
| - Dừng  |         |   biến  |                     | - Đếm   |         | - Giao  |
|   khẩn  |         |   màng  |                     |   sản   |         |   thức  |
|   E-Stop|         |   ST-RG |                     |   lượng |         |   OPC UA|
+---------+         +---------+                     +---------+         +---------+

Thiết kế hệ thống

+---------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                  KIẾN TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN                                   |
+---------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                                                                                   |
|  +---------------------------+                      PROFINET (RJ45 / 100 Mbps)                    |
|  | HMI Siemens KTP700 Basic  |<================================================================+  |
|  +---------------------------+                                                                 |  |
|                                                                                                |  |
|  +---------------------------+      +---------------------------+                              |  |
|  | PLC Siemens S7-1200       |<---->| Module Analog Mở Rộng     |                              |  |
|  | CPU 1215C DC/DC/DC        |      | SM 1234 (4AI / 2AO)       |                              |  |
|  +---------------------------+      +---------------------------+                              |  |
|         |                 |                      |                                             |  |
|   Digital Output    Digital Input           Analog Output (0-10V)                              |  |
|         |                 |                      |                                             |  |
|         v                 v                      v                                             |  |
|  +-------------+   +--------------+     +-------------------------------+                      |  |
|  | Relay / SSR |   | Cảm biến tiệm|     | Biến tần Yatai (1.5kW)        |                      |  |
|  +-------------+   | cận SN04-N2  |     | & Biến tần Mitsu E700 (0.75kW)|                      |  |
|         |          | & Cảm biến   |     +-------------------------------+                      |  |
|         |          | màng ST-RG-1 |                      |                                     |  |
|         v          +--------------+                      v                                     |  |
|  +-------------+                        +-------------------------------+                      |  |
|  | Motor Mixing|                        | Motor Filling (Trục chính)    |                      |  |
|  | Motor Roll  |                        | Motor Pulling (Kéo màng)      |                      |  |
|  | Motor Cut   |                        +-------------------------------+                      |  |
|  | Thanh gia   |                                                                               |  |
|  | nhiệt kẹp   |                                                                               |  |
|  +-------------+                                                                               |  |
+---------------------------------------------------------------------------------------------------+

Chi tiết cấu hình phần cứng công nghiệp:

  • Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC (6ES7 215-1AG40-0XB0) trang bị 14 ngõ vào số 24VDC, 10 ngõ ra số Transistor, bộ nhớ làm việc 125 KB Work Memory, tích hợp 2 cổng truyền thông PROFINET Industrial Ethernet 10/100 Mbps.
  • Khối mở rộng tín hiệu Analog: Module SM 1234 (6ES7 234-4HE32-0XB0) cung cấp 4 ngõ vào tương tự 13-bit và 2 ngõ ra tương tự 12-bit ($\pm 10\text{V}$, $0-20\text{ mA} / 4-20\text{ mA}$).
  • Giao diện người - máy (HMI): Siemens Simatic KTP700 Basic (6AV2 123-2GB03-0AX0) kích thước 7 inch TFT, 65.536 màu, độ phân giải $800 \times 480\text{ pixels}$.
  • Hệ thống truyền động và biến tần:
    • Motor Filling (Trục chính định lượng & kẹp dán): Động cơ 3 pha AC công suất $370\text{W}$, tỷ số truyền giảm tốc, dẫn động qua biến tần Yatai $1.5\text{kW}$ $220\text{VAC}$.
    • Motor Pulling (Kéo màng bao bì): Động cơ 3 pha AC công suất $200\text{W}$, điều khiển bằng biến tần Mitsubishi FR-E700 công suất $0.75\text{kW}$ với dải tần điều chỉnh $0.2 - 400\text{Hz}$.
    • Motor Mixing (Khuấy bột chống tắc): Động cơ 1 pha AC $25\text{W}$, $1250\text{ rpm}$, Momen xoắn $171\text{ Nm}$.
    • Motor Rolling (Cuộn cấp màng dự phòng): Động cơ 1 pha AC $15\text{W}$, $1250\text{ rpm}$.
    • Motor Cutting (Dao cắt phân đoạn): Động cơ 1 pha AC $25\text{W}$, $1300\text{ rpm}$.
  • Hệ thống cảm biến đo lường và định vị:
    • Cảm biến nhiệt độ: Can nhiệt loại K (Thermocouple Type K M6) dải đo $0 - 800^\circ\text{C}$ kết hợp bộ chuyển đổi Velt-Hmt Transmitter (ngõ ra chuẩn $4-20\text{ mA}$, thời gian đáp ứng $<250\text{ ms}$, sai số $\pm 0.2%$).
    • Cảm biến vị trí: Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ SN04-N2 (khoảng cách phát hiện $4\text{ mm}$, ngõ ra NPN thường mở).
    • Cảm biến vạch màng: Cảm biến quang ST-RG-1 phát hiện điểm vạch đen/trắng (Mark sensor) với độ nhạy điều chỉnh được.

Phương pháp luận (Methodology) và Lịch trình triển khai

Dự án áp dụng mô hình phát triển hệ thống điều khiển tự động hóa V-Model kết hợp quy trình lặp kiểm nghiệm thực tế từ ngày 14/02/2023 đến 30/06/2023:

                  LỊCH TRÌNH VÀ MILESTONES DỰ ÁN (2023)
+-------------------+---------------------------------------------------+
| Thời gian         | Hạng mục công việc & Deliverables                 |
+-------------------+---------------------------------------------------+
| 14/02 - 20/02     | Khảo sát cơ cấu cơ khí, kiểm tra cách điện motor  |
| 21/02 - 15/03     | Lựa chọn cấu hình PLC/HMI, giải thuật nhiệt PID    |
| 16/03 - 30/04     | Lắp ráp tủ điện công nghiệp, đi dây tín hiệu I/O  |
| 01/05 - 31/05     | Lập trình TIA Portal v16, cấu hình VFD & Auto-tune|
| 01/06 - 14/06     | Chạy thử tải, kiểm định sai số và tối ưu chu trình|
| 15/06 - 30/06     | Hoàn thiện tài liệu kỹ thuật, nghiệm thu đồ án    |
+-------------------+---------------------------------------------------+

Implementation và kết quả

Quy trình phát triển và thuật toán lõi

Chương trình điều khiển được phát triển trên môi trường Siemens TIA Portal v16 với cấu trúc phân tầng: khối tổ chức Main [OB1], khối ngắt chu kỳ Cyclic Interrupt [OB30] (chu kỳ $100\text{ ms}$ cho vòng lặp PID nhiệt độ), các khối hàm FC_Manual, FC_Auto, FC_Alarm và khối dữ liệu toàn cục DB_System_Params.

        +-------------------------------------------------------+
        |  LƯU ĐỒ CHU TRÌNH ĐÓNG GÓI HOÀN CHỈNH (FC_AUTO)       |
        +-------------------------------------------------------+
                                    |
                                    v
                       +-------------------------+
                       | Nhấn START trên HMI     |
                       | Khởi động Motor Mixing  |
                       +-------------------------+
                                    |
                                    v
                       +-------------------------+
                       | Kích hoạt Motor Filling |
                       | (Trục chính quay đĩa)   |
                       +-------------------------+
                                    |
                                    v
              +---------------------------------------------+
              | Cảm biến tiệm cận kẹp phát hiện điểm đóng? |
              +---------------------------------------------+
                        |                          |
                   YES  |                          |  NO
                        v                          v
       +---------------------------------+   [Chờ trục quay]
       | - Dập nhiệt dọc & ngang         |
       | - Kích hoạt Motor Cutting (Cắt) |
       +---------------------------------+
                        |
                        v
              +---------------------------------------------+
              | Cảm biến tiệm cận nhận điểm mở kẹp tối đa?  |
              +---------------------------------------------+
                        |                          |
                   YES  |                          |  NO
                        v                          v
       +---------------------------------+   [Chờ mở kẹp]
       | - Bật Motor Pulling (Kéo màng)  |
       | - Bật Motor Rolling (Cấp màng)  |
       +---------------------------------+
                        |
                        v
              +---------------------------------------------+
              | Cảm biến quang ST-RG-1 phát hiện vạch màu? |
              +---------------------------------------------+
                        |                          |
                   YES  |                          |  NO
                        v                          v
       +---------------------------------+   [Tiếp tục kéo]
       | - Dừng Motor Pulling & Rolling  |
       | - Hoàn tất 1 chu trình (Gói +1) |
       +---------------------------------+

Code Logic: Xử lý tỷ lệ tín hiệu Analog và Điều khiển nhiệt PID (SCL):

// Scale tín hiệu nhiệt độ từ Transmitter 4-20mA (Can K: 0 - 400 deg C)
#Temp_Raw_Int := "AI_Temperature_Ch1"; // Địa chỉ IW64 từ module SM 1234
#Temp_Norm := NORM_X(MIN := 5530, MAX := 27648, VALUE := INT_TO_REAL(#Temp_Raw_Int));
#Current_Temp := SCALE_X(MIN := 0.0, MAX := 400.0, VALUE := #Temp_Norm);

// Gọi khối hàm công nghệ PID_Compact cho thanh hàn nhiệt
"PID_Compact_Jaw"(
    Feedback := #Current_Temp,
    Setpoint := "DB_System_Params".Heating_Setpoint, // 120.0 deg C
    ManualEnable := "DB_System_Params".Manual_Mode,
    ManualValue := 0.0,
    Reset := "DB_System_Params".Reset_Alarms,
    OutputPWM => "DO_SSR_Heater_Jaw" // Ngõ ra kích đóng ngắt Solid-State Relay
);

// Đồng bộ tốc độ Motor Pulling theo vạch bao bì qua ngắt ngoại vi
IF "DI_Mark_Sensor_ST_RG_1" = TRUE THEN
    "DO_Pulling_Run" := FALSE; // Dừng biến tần kéo màng ngay lập tức
    "DB_System_Params".Total_Pack_Count := "DB_System_Params".Total_Pack_Count + 1;
END_IF;

       ĐỒ THỊ ĐÁP ỨNG NHIỆT ĐỘ HÀN MIỆNG TÚI (PID COMPACT TUNING)
 Temp (^C)
  140 |
      |               +--+ Over-shoot < 1.8 ^C
  120 |--------------/----\----------------======== Setpoint: 120 ^C
      |             /      \              /
  100 |            /        \____________/   Dải dao động ổn định: +-0.5 ^C
      |           /
   60 |          /
      |         /
   25 |________/
    0 +-------------------------------------------------------------> Time (s)
      0       30    60    90   120   150   180   210   240   270

Kiểm nghiệm và Kết quả thực tế

Hệ thống đã trải qua hơn 100 giờ chạy thử nghiệm liên tục với nguyên liệu bột cà phê hòa tan và bột sữa tại xưởng thực hành Tự động hóa:

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                 BẢNG ĐỐI CHIẾU MỤC TIÊU VÀ KẾT QUẢ THỰC TẾ ĐẠT ĐƯỢC               |
+------------------------------------+---------------------+------------------------+
| Thông số kỹ thuật / Chỉ tiêu       | Mục tiêu ban đầu    | Kết quả thực nghiệm    |
+------------------------------------+---------------------+------------------------+
| Năng suất đóng gói                 | 1.800 gói/giờ       | 1.820 gói/giờ (30.3 gpm|
| Sai số định lượng khối lượng tịnh  | < 5.0%              | 2.8% - 3.4%            |
| Độ lệch chuẩn nhiệt độ hàn dán     | +- 2.0 ^C           | +- 0.8 ^C              |
| Tỷ lệ đóng kín bao bì (Kín khí)    | 100%                | 99.6% (1 sự cố/250 gói)|
| Tỷ lệ cắt đúng vạch bao bì         | > 98%               | 99.2%                  |
| Thời gian đáp ứng ngắt sự cố       | < 500 ms            | < 120 ms               |
| Tiêu thụ điện năng trung bình      | < 2.5 kW/h          | 1.85 kW/h              |
+------------------------------------+---------------------+------------------------+

Đổi mới và đóng góp

+------------------------------------------------------------------------------------+
|                SO SÁNH CÁC GIẢI PHÁP ĐÓNG GÓI TRÊN THỊ TRƯỜNG                      |
+--------------------------+--------------------+--------------------+---------------+
| Tiêu chí                 | Máy nhập khẩu cũ   | Máy đóng gói thủ   | Giải pháp mới |
|                          | (Board mạch kín)   | công / Bán tự động | (PLC S7-1200) |
+--------------------------+--------------------+--------------------+---------------+
| Năng suất (gói/giờ)      | 1.200 - 1.500      | 300 - 450          | 1.800 - 1.850 |
| Khả năng sửa chữa        | Cực kỳ khó         | Dễ (Cơ học)        | Rất dễ        |
| Tính linh hoạt màng dán  | Kém (Cố định nhiệt)| Kém                | Rất cao       |
| Tự chẩn đoán lỗi         | Không có / Mã LED  | Không              | Cảnh báo HMI  |
| Chi phí vòng đời (TCO)   | Cao (Rủi ro linh   | Thấp đầu tư ban    | Tối ưu nhất   |
|                          | kiện độc quyền)    | đầu, chi phí nhân  | (Tiết kiệm    |
|                          |                    | công định kỳ cao)  | 65% chi phí)  |
+--------------------------+--------------------+--------------------+---------------+

Những cải tiến kỹ thuật nổi bật

  1. Kiến trúc điều khiển mở (Open Architecture): Loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào vi mạch chuyên dụng độc quyền; toàn bộ phần mềm PLC/HMI được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEC 61131-3, cho phép kỹ sư vận hành dễ dàng mở rộng và bảo trì.
  2. Hệ thống điều khiển nhiệt độ thích nghi: Thay thế mạch đóng ngắt rơ-le nhiệt cơ khí (Thermal Bimetal) bằng module PID Compact kết hợp rơ-le bán dẫn SSR, triệt tiêu hiện tượng cháy mép màng hoặc hở mối dán do quán tính nhiệt.
  3. Phối hợp động cơ phân tầng (Hybrid Motion Coordination): Kết hợp nhịp nhàng giữa biến tần Yatai (trục chính) và biến tần Mitsubishi E700 (trục kéo màng) thông qua cảm biến định vị quang học, giảm thiểu độ giật màng và tiếng ồn cơ khí $40%$.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng trong sản xuất thực tế

  • Cơ sở chế biến nông sản và F&B: Đóng gói túi que (stick pack) hoặc túi 3 biên cho cà phê 3-in-1, trà hòa tan, đường ăn kiêng, muối tiêu ăn liền với dải khối lượng từ $5\text{g} - 50\text{g}$.
  • Ngành hóa mỹ phẩm & dược phẩm: Đóng gói bột thuốc thú y, bột men vi sinh, hóa chất tẩy rửa dạng hạt với tiêu chuẩn khép kín chống thôi nhiễm bụi.
       QUY TRÌNH 4 BƯỚC TRIỂN KHAI VÀ BÀN GIAO THIẾT BỊ
  +--------------------------------------------------------------+
  | BƯỚC 1: LẮP ĐẶT CƠ ĐIỆN VÀ CẤP NGUỒN                         |
  | - Cấp nguồn 220VAC 50Hz, nối đất tiếp địa PE (< 4 Ohm)       |
  | - Cố định khung máy 500x1000x2000 mm cân bằng chân ren       |
  +--------------------------------------------------------------+
                                 |
                                 v
  +--------------------------------------------------------------+
  | BƯỚC 2: CÀI ĐẶT THÔNG SỐ VẬN HÀNH TRÊN HMI                   |
  | - Cài đặt nhiệt độ dán ngang/dọc (90 - 150 ^C)                |
  | - Đặt tốc độ biến tần kéo màng (30 - 50 Hz)                  |
  +--------------------------------------------------------------+
                                 |
                                 v
  +--------------------------------------------------------------+
  | BƯỚC 3: HIỆU CHUẨN ĐĨA CỐC ĐONG VÀ MÀNG BAO BÌ               |
  | - Căn chỉnh thể tích cốc tương ứng khối lượng tịnh yêu cầu    |
  | - Xỏ cuộn màng qua khung dưỡng và canh cảm biến quang ST-RG-1|
  +--------------------------------------------------------------+
                                 |
                                 v
  +--------------------------------------------------------------+
  | BƯỚC 4: CHẠY AUTO VÀ GIÁM SÁT SẢN XUẤT                      |
  | - Nhấn START, theo dõi tốc độ và cảnh báo lỗi trên HMI       |
  +--------------------------------------------------------------+

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Chi phí mua máy mới hoàn toàn: $180.000.000 - 250.000.000\text{ VNĐ}$.
  • Tổng chi phí nâng cấp phần điện (PLC, HMI, VFD, Sensor, Tủ điện): $\approx 45.000.000 - 55.000.000\text{ VNĐ}$.
  • Năng suất nâng cao: Tăng thêm $1.350\text{ gói/giờ}$ so với đóng gói bán tự động, tiết kiệm chi phí cho 3 nhân công trực tiếp (tương đương $24.000.000\text{ VNĐ/tháng}$).
  • Thời gian hoàn vốn (Payback Period): Chưa đầy 2.5 tháng vận hành thực tế.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  1. Cơ cấu cốc đong thể tích cố định chỉ cho phép tinh chỉnh khối lượng tịnh trong phạm vi hẹp ($\pm 15%$); khi thay đổi định mức bao bì lớn hơn, bắt buộc phải gia công cụm đĩa cốc mới.
  2. Chưa tích hợp hệ thống kiểm tra trọng lượng động (Checkweigher) tự động loại bỏ sản phẩm lỗi sau khi cắt.
  3. Nguyên liệu đầu vào bị giới hạn ở các dạng bột khô, dễ chảy; các loại bột mịn có tính kết dính cao hoặc độ ẩm $>12%$ dễ gây bám dính thành cốc.

Hướng phát triển

  • Tích hợp trục vít dẫn động Servo: Thay thế cụm cốc đong bằng đầu chiết trục vít điều khiển bởi động cơ Servo Mitsubishi MR-J4 để xử lý linh hoạt mọi loại bột khó chảy.
  • Kết nối Công nghiệp 4.0 (Industrial IoT): Kích hoạt Web Server trên PLC S7-1200 và truyền dữ liệu qua giao thức MQTT/OPC UA lên Cloud Dashboard, hỗ trợ giám sát OEE (Hiệu suất tổng thể thiết bị) và bảo trì dự đoán từ xa.

Đối tượng hưởng lợi

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        GIÁ TRỊ MANG LẠI CHO CÁC ĐỐI TƯỢNG                         |
+--------------------+--------------------------------------------------------------+
| Nhóm đối tượng     | Giá trị và Lợi ích cụ thể                                    |
+--------------------+--------------------------------------------------------------+
| Sinh viên kỹ thuật | - Nguồn tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về Retrofit công nghiệp|
|                    | - Mẫu code SCL TIA Portal và thiết kế HMI chuẩn công nghiệp  |
+--------------------+--------------------------------------------------------------+
| Kỹ sư / Developer  | - Giải pháp mẫu tích hợp PLC Siemens với Biến tần đa nhãn hiệu|
|                    | - Phương pháp cấu hình PID Compact điều khiển nhiệt độ chính |
|                    |   xác qua rơ-le bán dẫn SSR                                  |
+--------------------+--------------------------------------------------------------+
| Doanh nghiệp SMEs  | - Cắt giảm 65% chi phí đầu tư thiết bị tự động hóa đóng gói   |
|                    | - Làm chủ dây chuyền, loại bỏ rủi ro đình trệ do linh kiện   |
|                    |   ngoại nhập bị tẩy chip                                     |
+--------------------+--------------------------------------------------------------+
| Nhà nghiên cứu     | - Bộ dữ liệu thực nghiệm về đáp ứng nhiệt và sai số thể tích |
|                    | - Nền tảng mở để phát triển các thuật toán điều khiển mờ     |
|                    |   (Fuzzy Logic) hoặc AI thị giác máy (Machine Vision)        |
+--------------------+--------------------------------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về hạ tầng để triển khai hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới $1\text{ pha 220VAC} \pm 10%$, tần số $50\text{Hz}$, có đường tiếp địa riêng biệt với điện trở nối đất $R_{\text{td}} < 4,\Omega$ để triệt tiêu can nhiễu tần số cao từ 2 bộ biến tần. Không gian lắp đặt tối thiểu là $1.5\text{ m} \times 2.0\text{ m} \times 2.5\text{ m}$, môi trường khô ráo, độ ẩm không khí $<85%$.

2. Giới hạn tốc độ đóng gói của máy là bao nhiêu và làm sao để nâng cao?

Tốc độ hiện tại đạt ngưỡng cơ học an toàn là 30 - 35 gói/phút (khoảng $1.800 - 2.100\text{ gói/giờ}$). Để tăng tốc lên trên 50 gói/phút, cần nâng cấp cơ cấu kéo màng từ động cơ không đồng bộ sang động cơ Servo, đồng thời thay đổi cơ cấu hàn dập tịnh tiến sang con lăn hàn nhiệt quay liên tục (Rotary Sealer).

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

Hoàn toàn khả thi. PLC Siemens S7-1200 có sẵn 2 cổng Ethernet hỗ trợ giao thức Industrial PROFINET, Modbus TCP/IP. Hệ thống có thể gửi tín hiệu Handshake (Ready, Running, Error, Pack_Done) tới các máy cấp phôi đầu vào, cánh tay robot bốc xếp (Cartesian/Delta Robot) hoặc hệ thống băng tải đóng thùng tự động ở khâu đóng gói cấp 2.

4. Quy trình bảo trì định kỳ và các lỗi thường gặp?

  • Định kỳ 1 tháng: Tra mỡ bôi trơn các khớp cam cơ khí, thanh trượt dẫn hướng và kiểm tra lực siết đầu ốc các thanh nhiệt.
  • Định kỳ 3 tháng: Vệ sinh đầu cảm biến quang ST-RG-1, kiểm tra điện trở cách điện của động cơ và thổi bụi tủ điện PLC/biến tần.
  • Sự cố thường gặp: Lỗi lệch mép màng (chỉnh lại cữ dẫn hướng), lỗi không nhận vạch cắt (vệ sinh kính cảm biến quang và chỉnh núm Sensitivity).

5. Chi phí đầu tư phần điện và thời gian thu hồi vốn thực tế?

Tổng chi phí trang thiết bị phần điện (PLC S7-1200, Module Analog, HMI KTP700, 2 Biến tần, Sensor, Vỏ tủ và phụ kiện) khoảng 45.000.000 - 55.000.000 VNĐ. Nhờ tiết kiệm được 2-3 nhân công đứng máy và hạn chế tối đa phế phẩm do sai hỏng nhiệt, thời gian hoàn vốn thực tế đạt từ 2 đến 3 tháng.

Kết luận

Đề tài "Nâng cấp máy đóng gói dạng cốc đong" đã giải quyết triệt để bài toán kinh tế - kỹ thuật tại các nhà máy sản xuất thực phẩm: thay thế thành công hệ thống bo mạch điều khiển ngoại nhập bị tẩy chip bằng kiến trúc tự động hóa công nghiệp tiêu chuẩn hóa với PLC Siemens S7-1200 và HMI KTP700 Basic.

Dự án không chỉ đạt được năng suất định mức ấn tượng 1.820 gói/giờ với sai số khối lượng cực thấp dưới $3.5%$, mà còn làm chủ hoàn toàn công nghệ điều khiển nhiệt độ PID và đồng bộ chuyển động đa trục. Đây là mô hình kiểu mẫu có tính ứng dụng cao, sẵn sàng chuyển giao cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ nhằm đẩy mạnh năng lực cạnh tranh trong kỷ nguyên tự động hóa sản xuất. Các đơn vị và cá nhân quan tâm có thể triển khai giải pháp này ngay trên nền tảng khung cơ khí có sẵn để tối ưu hóa chi phí đầu tư.