Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp sản xuất và chế biến lương thực, thực phẩm hiện đại, bao bì là thành phần bắt buộc trước khi sản phẩm được lưu thông trên thị trường. Phương thức đóng gói thủ công truyền thống bằng việc buộc hoặc dán túi nilon thông thường bộc lộ nhiều hạn chế về khả năng bảo quản kín, tính thẩm mỹ công nghiệp và tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm. Sự phát triển của ngành Kỹ thuật Cơ điện tử đã thúc đẩy việc ứng dụng các dây chuyền đóng gói tự động nhằm thay thế sức lao động thủ công, chuẩn hóa đường hàn và nâng cao năng suất đóng gói.

Đề tài "Khảo sát và nâng cấp bộ điều khiển cho máy ép bao bì tự động" được thực hiện tại Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu nhằm nghiên cứu nguyên lý truyền động, cấu tạo cơ khí, cũng như cải tiến mạch điều khiển và khả năng gia nhiệt của hệ thống máy hàn miệng bao bì dạng băng chuyền liên tục.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm ba nội dung chính:

  1. Khảo sát tổng quan về nguyên lý hoạt động, cấu tạo cơ bản, phân loại và các yêu cầu kỹ thuật của máy ép bao bì (máy hàn miệng túi).
  2. Thiết kế và tính toán nâng cấp hệ thống cơ khí (khung thân, cơ cấu truyền động băng tải, cụm ép nhiệt, quạt làm mát) và lựa chọn cấu hình hệ thống điện - bộ điều khiển khả trình PLC Mitsubishi FX1N.
  3. Thi công, gia công lắp ráp, căn chỉnh các cụm cơ khí, đấu nối tủ điện điều khiển trung tâm và vận hành thử nghiệm hệ thống máy ép bao bì hoàn thiện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống máy ép bao bì tự động liên tục sử dụng băng tải dẫn động bằng motor giảm tốc, tích hợp cụm gia nhiệt thanh đồng/nhôm, quạt thổi làm nguội và hệ thống điều khiển trung tâm.
  • Phạm vi không gian: Đề tài được triển khai, chế tạo và thử nghiệm tại Xưởng thực hành Ngành Cơ Điện tử, Khoa Công nghệ Kỹ thuật Nông nghiệp Công nghệ cao, Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được giao thực hiện từ ngày 07 tháng 09 năm 2020 và hoàn thành trước ngày 07 tháng 01 năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý nhiệt động học, truyền động cơ khí và kỹ thuật điều khiển lập trình tự động hóa công nghiệp:

  • Nguyên lý chuyển hóa năng lượng và gia nhiệt: Quá trình chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua các thanh gia nhiệt tiếp xúc để làm nóng chảy cục bộ lớp màng nhựa (nilon, màng nhôm, bao cà phê), kết hợp với lực ép cơ học của cặp con lăn và quá trình đối lưu nhiệt cưỡng bức từ quạt gió làm mát nhằm cố định đường hàn.
  • Mối quan hệ động học giữa nhiệt độ và vận tốc: Tốc độ dịch chuyển của băng tải và nhiệt độ bề mặt thanh hàn có mối quan hệ tỷ lệ thuận; độ dày và chất liệu màng túi quyết định trực tiếp đến việc thiết lập vận tốc kéo và ngưỡng nhiệt độ hàn (tối đa lên đến 300°C).
  • Lý thuyết điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller): Cấu trúc phần cứng vi xử lý kết hợp bộ nhớ chương trình EEPROM, chu kỳ quét tuần hoàn (scan cycle từ bước 0 đến lệnh END), cơ chế xử lý tín hiệu ngõ vào/ngõ ra (I/O) và nguyên lý lập trình rơ le nội (Ladder Diagram / Instruction List) ứng dụng cho dòng PLC họ FX của Mitsubishi.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp kỹ thuật: Thu thập, phân loại các dòng máy hàn túi (dập tay mini, dập chân, máy hàn liên tục tự động); phân tích ưu nhược điểm của vật liệu chế tạo khung thân máy (gang, thép, nhựa, inox).
  • Phương pháp tính toán và thiết kế hệ thống: Lựa chọn thông số công suất động cơ giảm tốc mini, tỉ số truyền hộp số, thiết kế kích thước băng tải PVC, tính toán khoảng cách lắp đặt cụm hàn nhiệt và quạt làm mát.
  • Phương pháp thực nghiệm và tích hợp cơ điện: Gia công lắp ráp cơ khí, căn chỉnh đồng phẳng cho băng chuyền và thanh ép nhiệt, đấu nối mạch động lực và mạch điều khiển với công tắc, cảm biến nhiệt và bộ điều khiển trung tâm.

Nguồn dữ liệu sử dụng: Tài liệu kỹ thuật phần cứng dòng điều khiển PLC Mitsubishi FX Series (FX1S, FX1N, FX2N, FX3U); thông số kỹ thuật động cơ giảm tốc 1 pha 220V mini 40W; các tiêu chuẩn an toàn điện và kỹ thuật vận hành máy hàn miệng bao bì công nghiệp.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy ép bao bì tự động được thiết kế và triển khai trên hai phân hệ chính: phân hệ kết cấu cơ khí và phân hệ điện - điều khiển.

Phân hệ / Bộ phận Thông số kỹ thuật & Cấu tạo Chức năng kỹ thuật
Thân máy và đế máy Vật liệu gang đúc và inox; kết cấu chịu lực, chống rung Nâng đỡ toàn bộ hệ thống, triệt tiêu rung động, đảm bảo độ ổn định nhiệt và độ cân bằng khi máy vận hành
Động cơ truyền động Motor giảm tốc 220V mini 40W, điện áp 1 pha 110V/220V, tần số 50/60Hz, trục motor và hộp số 12mm, tỉ số truyền 3 - 200 Cung cấp lực kéo dẫn động qua hộp giảm tốc, hệ thống xích và bánh răng đến trục lăn băng tải
Băng tải vận chuyển Băng tải PVC xanh mini, con lăn, tăng trống chủ động và bị động, thiết bị căng đai Vận chuyển sản phẩm và mép túi chạy qua vùng hàn nhiệt với tốc độ ổn định 0 – 16 m/phút
Cụm hàn nhiệt Hai thanh gia nhiệt kim loại, hai con lăn ép, hai thanh kẹp làm phẳng bề mặt; nhiệt độ tối đa 300°C Biến đổi điện năng thành nhiệt năng, nung chảy lớp màng bao bì và ép dính mép túi
Hệ thống làm mát Quạt thổi gió cưỡng bức lắp đặt liền kề cụm gia nhiệt Thổi mát nhanh chóng đường hàn vừa nóng chảy để định hình mối nối chắc chắn, chống bung
Bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX1N-24MR-ES/UL (hoặc cấu hình FX1N-14MR), 8 đầu vào số 24Vdc, 6 đầu ra rơ le (240Vac/30Vdc, 2A/điểm) Xử lý logic điều khiển tuần tự, quản lý chu kỳ vận hành, hỗ trợ bộ nhớ EEPROM 8000 bước
Bàn điều khiển trung tâm 3 công tắc On/Off độc lập, 1 bộ điều chỉnh nhiệt độ, hệ thống đèn báo trạng thái Cho phép người vận hành bật/tắt riêng biệt motor, quạt làm mát, cụm hàn nhiệt và cài đặt mức nhiệt

Quy trình triển khai cơ điện:

  • Căn chỉnh cơ khí: Động cơ chính được liên kết ăn khớp với hệ thống bánh răng, xích tải và con lăn. Mặt phẳng băng tải PVC được căn chỉnh nằm ngang tuyệt đối để chống lệch mép túi. Khoảng cách giữa 2 miếng ép nhiệt và 2 con lăn ép được hiệu chỉnh trên cùng một đường thẳng nằm ngang so với mặt băng chuyền.
  • Đấu nối và điều khiển: Tủ điện được bố trí cách ly nhiệt với cụm thanh nung để bảo vệ linh kiện điện tử. Mạch điện điều khiển cho phép khởi động nhanh, dừng chính xác và kiểm soát độc lập từng thành phần chấp hành.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về máy ép bao bì

Chương 1 trình bày toàn diện về cơ sở thực tiễn của công nghệ đóng gói bao bì trong sản xuất lương thực, thực phẩm. Tác giả phân tích nguyên lý chuyển hóa điện - nhiệt và cơ chế hàn kín túi nhựa nhờ sự phối hợp giữa thanh nung nhiệt, con lăn ép, băng chuyền và quạt làm mát. Chương này phân loại chi tiết các dòng máy hàn miệng túi hiện có:

  • Phân loại theo cơ cấu thao tác: Máy hàn miệng túi dập tay mini (phù hợp hộ gia đình, hàn túi nhỏ 2–20 cm), máy hàn dập chân (công suất trung bình) và máy hàn miệng túi liên tục/tự động (công suất lớn, tích hợp băng chuyền phục vụ sản xuất công nghiệp).
  • Phân loại theo chất liệu vỏ máy: Dòng vỏ nhựa (chi phí thấp, tuổi thọ ngắn) và dòng vỏ thép (bền vững, chống nóng, an toàn công nghiệp).
  • Phân loại theo quy mô: Máy dùng cho gia đình và máy công nghiệp. Chương 1 cũng tổng hợp các quy tắc vận hành an toàn: thời gian sấy nóng ban đầu 1–2 phút, nguyên tắc tỷ lệ thuận giữa tốc độ băng tải và nhiệt độ gia nhiệt (yêu cầu chỉnh tốc độ trước, chỉnh nhiệt độ sau), cùng lưu ý không hàn miệng các bao bì chứa nước để phòng ngừa chập cháy và hư hại thiết bị.

Chương 2. Thiết kế nâng cấp máy ép bao bì

Chương 2 tập trung vào giải pháp tính toán và thiết kế chi tiết hệ thống cơ khí cùng cấu hình phần điện nâng cấp:

  • Kết cấu cơ khí: Phân tích ưu thế của gang đúc (có độ bền nén cao gấp 10 lần so với thép) và inox trong việc chế tạo thân máy, đế máy nhằm chống rung động và đảm bảo độ ổn định nhiệt. Chi tiết hóa thông số motor giảm tốc mini 220V 40W, kết cấu hộp số giảm tốc trục 12mm, tỉ số truyền từ 3 đến 200, hệ thống băng tải PVC xanh mini và bánh răng truyền động.
  • Yêu cầu hệ thống điện: Xác định yêu cầu mạch động lực (momen lớn, khởi động nhanh, dừng chính xác) và mạch điều khiển (đáp ứng tần số xung tối đa 25kHz, kiểm soát khoảng cách cơ cấu ép).
  • Khảo sát bộ điều khiển PLC Mitsubishi: Khảo sát chi tiết dòng PLC họ FX (FX1S, FX1N, FX2N, FX3U), trong đó phân tích sâu dòng FX1N-24MR-ES/UL và FX1N-14MR-ES/UL. Bộ điều khiển FX1N sở hữu 14 I/O cơ sở (8 ngõ vào Digital 24Vdc, 6 ngõ ra Relay 240Vac/30Vdc tối đa 2A/điểm), khả năng mở rộng lên đến 128 I/O, bộ nhớ EEPROM 8000 bước, 89 lệnh áp dụng, 1536 rơ le phụ, 256 timer, 235 counter, 8000 thanh ghi dữ liệu và 2 ngõ ra phát xung 100kHz trên dòng transistor.
  • Nguyên lý lập trình điều khiển: Làm rõ chu kỳ quét (scan time từ vài đến vài chục mili-giây), cấu trúc mã lệnh (LD, OR, ANI, OUT, K30...), và phương pháp chuyển đổi giữa sơ đồ hình thang (Ladder) và danh sách lệnh (Instruction List).

Chương 3. Thi công, lắp đặt và nâng cấp máy ép bao bì

Chương 3 mô tả quá trình gia công, lắp ráp thực tế, căn chỉnh cơ khí và hoàn thiện hệ thống máy:

  • Lắp ráp cơ khí: Thực hiện lắp đặt hệ thống dẫn động gồm motor chính, hộp số, bánh răng và xích tải, kiểm tra độ ăn khớp và truyền tải công suất. Căn chỉnh mặt phẳng ngang của băng chuyền PVC nhằm triệt tiêu độ nghiêng lệch của sản phẩm đóng gói.
  • Lắp đặt cụm hàn nhiệt và làm mát: Cố định cụm thanh nung nhiệt chịu mức nhiệt lên đến 300°C bằng các khớp ren cơ khí chắc chắn, căn chỉnh 2 miếng ép nhiệt và 2 con lăn trên cùng mặt phẳng với băng tải; hiệu chỉnh vị trí và góc thổi của quạt gió làm mát nhằm đạt hiệu suất giải nhiệt tối đa cho mối hàn.
  • Thi công hệ thống điều khiển trung tâm: Đấu nối bảng điều khiển trung tâm gồm 3 công tắc vận hành (bật/tắt riêng biệt motor dẫn động, quạt làm mát, cụm hàn nhiệt), đèn báo trạng thái nguồn và bộ điều chỉnh nhiệt độ độc lập.
  • Thử nghiệm sản phẩm: Tổng hợp các thông số kỹ thuật thực tế sau khi lắp ráp và chạy nghiệm thu hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo và lắp đặt thành công sản phẩm máy ép bao bì tự động liên tục với các thông số kỹ thuật đo kiểm thực tế:

Hạng mục thông số Giá trị đo kiểm / Đạt được
Nguồn điện cấp 220V AC / 50Hz (1 pha)
Tổng công suất tiêu thụ 500 W
Công suất motor dẫn động 40 W (Tỉ số truyền hộp số: 3 – 200)
Tốc độ dán túi (băng chuyền) 0 – 16 m/phút
Độ rộng đường hàn niêm phong 8 – 10 mm
Phạm vi nhiệt độ điều chỉnh 0 – 300 °C
Vật liệu bao bì áp dụng Túi nilon, túi màng nhôm, bao bì cà phê, túi nhựa các loại

Các giải pháp và đóng góp kỹ thuật chính do nhóm tác giả thực hiện:

  • Xây dựng hoàn chỉnh mô hình máy hàn miệng túi dạng nằm ngang có kết cấu cơ khí vững chắc từ gang và inox, triệt tiêu độ rung và đảm bảo tính thẩm mỹ, ổn định nhiệt.
  • Tích hợp đồng bộ giữa cơ cấu truyền động băng tải PVC mini, cụm gia nhiệt hai mặt công suất cao và cơ cấu làm phẳng mép túi kết hợp quạt làm nguội tức thì, tạo đường hàn kín, phẳng đều với bề rộng chuẩn 8–10 mm.
  • Phân tích và xây dựng giải pháp nâng cấp bộ điều khiển khả trình PLC Mitsubishi FX1N kết hợp bàn điều khiển phân tách 3 nhánh chức năng độc lập (motor, quạt, gia nhiệt), giúp hệ thống vận hành linh hoạt và thuận tiện trong quá trình bảo dưỡng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (dựa trên phạm vi thực tế được trình bày trong văn bản):

  • Thiết bị chưa được thiết kế kín nước chuyên dụng, không phù hợp để hàn các loại bao bì đóng gói thực phẩm chứa chất lỏng hoặc có nước bám dính (tác giả khuyến cáo nước dính vào máy dễ gây hỏng hóc và rò rỉ điện).
  • Quá trình đồng bộ giữa tốc độ băng chuyền và nhiệt độ hàn vẫn yêu cầu người vận hành phải chạy thử nghiệm và thiết lập thủ công từ trước thông qua kinh nghiệm thực tế.
  • Việc ứng dụng các tính năng nâng cao của PLC FX1N (như mạng truyền thông công nghiệp qua RS-232/RS-485, module mở rộng analog, bộ đếm tốc độ cao 60kHz) mới dừng ở mức độ khảo sát lý thuyết phần cứng, chưa được tích hợp hoàn toàn vào hệ thống điều khiển thực tế của mô hình.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

  • Nghiên cứu tích hợp vòng điều khiển nhiệt độ kín (thuật toán PID) liên kết trực tiếp với cảm biến tốc độ băng tải để tự động điều chỉnh nhiệt độ thanh hàn tương thích.
  • Bổ sung cảm biến phát hiện sản phẩm trên băng chuyền để tự động hóa hoàn toàn quá trình cấp nhiệt và đếm số lượng bao bì thành phẩm.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo chuyên môn cho:

  • Sinh viên, học viên thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ Điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa và Chế tạo máy khi thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc nghiên cứu thiết kế các cơ cấu máy đóng gói liên tục.
  • Cán bộ kỹ thuật và thợ chế tạo máy tại các cơ sở cơ khí vừa và nhỏ đang tìm kiếm giải pháp lắp ráp máy hàn miệng túi mini với chi phí thấp và linh kiện dễ thay thế.

Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao trong đồ án:

  • Phương pháp lựa chọn động cơ giảm tốc mini 220V 40W, cách thức tính toán tỉ số truyền và kết cấu cơ khí căng chỉnh băng tải PVC xanh.
  • Bảng khảo sát phần cứng chi tiết của dòng PLC Mitsubishi FX Series (FX1S, FX1N, FX2N, FX3U) cùng nguyên lý quét lệnh và cấu trúc tập lệnh cơ bản trong lập trình PLC.
  • Trình tự gia công, lắp ráp và căn chỉnh đồng phẳng giữa cụm thanh nhiệt 300°C, con lăn ép và quạt làm mát.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ dẫn động chính của máy ép bao bì trong đồ án có các thông số kỹ thuật cụ thể nào?
Hệ thống sử dụng động cơ giảm tốc mini 220V công suất 40W, điện áp hoạt động 1 pha 110V/220V, tần số 50Hz/60Hz, đường kính trục motor 12mm, đường kính trục hộp số 12mm, dải tỉ số truyền từ 3 đến 200, hỗ trợ kiểu lắp mặt bích hoặc chân đế.

2. Thông số vận hành thực tế của máy ép bao bì sau khi chế tạo hoàn thiện đạt được là bao nhiêu?
Máy vận hành với nguồn điện 220V/50Hz, tổng công suất 500W, tốc độ dán túi đạt từ 0 đến 16 m/phút, độ rộng đường hàn niêm phong từ 8 đến 10 mm và dải nhiệt độ điều chỉnh đạt từ 0 đến 300°C.

3. Bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX1N được khảo sát trong đồ án có cấu hình I/O và dung lượng bộ nhớ như thế nào?
Dòng PLC Mitsubishi FX1N cung cấp 14 I/O cơ sở (gồm 8 ngõ vào số 24Vdc và 6 ngõ ra rơ le chịu tải 240Vac/30Vdc tối đa 2A/điểm), có khả năng mở rộng lên đến 128 I/O, bộ nhớ chương trình EEPROM đạt 8000 bước (không cần pin dự phòng), tích hợp 89 lệnh ứng dụng, 1536 rơ le phụ, 256 timer, 235 counter và 8000 thanh ghi dữ liệu.

4. Vì sao trong hướng dẫn sử dụng tác giả yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ băng chuyền trước khi cài đặt nhiệt độ hàn?
Do tốc độ di chuyển của băng chuyền và nhiệt độ gia nhiệt có mối quan hệ tỷ lệ thuận (tốc độ càng nhanh thì thời gian tiếp xúc nhiệt của bao bì tại khe hàn càng ngắn, đòi hỏi nhiệt độ phải cao hơn và ngược lại). Việc cố định tốc độ vận chuyển trước giúp người dùng căn chỉnh chính xác mức nhiệt vừa đủ để làm nóng chảy lớp nhựa mà không làm cháy hoặc biến dạng bao bì.

5. Bàn điều khiển trung tâm của máy được cấu tạo gồm những thiết bị điều khiển nào?
Bàn điều khiển trung tâm được cấu tạo gồm 3 công tắc độc lập dùng để bật/tắt riêng biệt motor dẫn động, quạt làm mát và cụm hàn nhiệt; 1 bộ điều chỉnh nhiệt độ hỗ trợ ổn định mức nhiệt hàn theo yêu cầu; cùng đèn báo hiển thị trạng thái hoạt động của máy.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Khảo sát và nâng cấp bộ điều khiển cho máy ép bao bì tự động" của sinh viên Vũ Thành Trí và Nguyễn Huy Hoàng đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu, thiết kế và thi công một mô hình máy hàn miệng túi liên tục phục vụ đóng gói bao bì. Hệ thống vận hành ổn định trên nền nguồn điện 220V/50Hz, tổng công suất 500W, dải nhiệt độ 0–300°C và tốc độ băng chuyền đạt 0–16 m/phút nhờ sự phối hợp giữa động cơ giảm tốc 40W, cụm nung nhiệt - làm mát và giải pháp nâng cấp bộ điều khiển trung tâm. Toàn bộ quy trình thiết kế cơ khí và tổng hợp cấu hình điều khiển PLC trong đồ án là nguồn tài liệu tham khảo kỹ thuật thực tế cho sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Cơ điện tử.