Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp thực phẩm Việt Nam đang trải qua quá trình chuyển đổi số mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa dây chuyền sản xuất. Theo thống kê của Hiệp hội Mì ăn liền Thế giới (WINA), Việt Nam là quốc gia tiêu thụ mì ăn liền lớn thứ 3 thế giới với hơn 8,56 tỷ gói/năm (2023), đặt ra yêu cầu cấp thiết về năng suất và chất lượng sản xuất.

Hệ thống dây chuyền sản xuất mì ăn liền truyền thống phụ thuộc nhiều vào lao động thủ công, dẫn đến các vấn đề cốt lõi: sai lệch định lượng nguyên liệu (±15%), thời gian downtime cao, khó truy xuất nguồn gốc và thiếu khả năng giám sát thời gian thực. Đây là bài toán mà nhóm nghiên cứu Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (HaUI) lớp 20234EE6113001 hướng đến giải quyết.

Mục tiêu cụ thể của đồ án:

  1. Xây dựng hệ thống điều khiển tự động toàn bộ dây chuyền sản xuất mì ăn liền từ khâu trộn nguyên liệu đến đóng gói thành phẩm
  2. Lập trình PLC Siemens S7-1200 (1215C AC/DC/Rly) điều khiển 15 Digital Input, 16 Digital Output và 2 Analog Input
  3. Xây dựng giao diện HMI/SCADA trên WinCC (trong TIA Portal) cho phép giám sát và điều khiển từ xa
  4. Hỗ trợ hai chế độ vận hành: Auto (tự động hoàn toàn) và Manual (thủ công qua HMI)
  5. Tích hợp hệ thống đếm sản phẩm tự động và cảnh báo nguyên liệu

Phạm vi: Mô phỏng trên TIA Portal v17 và WinCC Runtime, chưa triển khai phần cứng thực tế. Kết quả là nền tảng kỹ thuật để mở rộng sang hệ thống thực.


Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Giải pháp Ưu điểm Nhược điểm
Điều khiển thủ công Chi phí đầu tư thấp Sai số định lượng cao ±15-20%, năng suất thấp, rủi ro ATVSLĐ
Relay/Contactor logic Đơn giản, độ bền cao Khó thay đổi quy trình, không có giám sát dữ liệu, khó mở rộng
PLC thế hệ cũ (S5, S7-300) Độ tin cậy cao Phần mềm lập trình riêng biệt, không tích hợp HMI native, chi phí bảo trì cao
Giải pháp đề xuất (S7-1200 + WinCC) Tích hợp PLC+HMI một platform, Profinet tích hợp sẵn, lập trình trực quan Yêu cầu kỹ sư có trình độ TIA Portal

Phân tích MoSCoW Requirements:

  • Must have: Điều khiển van xả, hệ thống trộn, cán, cắt sợi, hấp, chiên, làm nguội, đóng gói; đếm sản phẩm; 2 chế độ Auto/Manual
  • Should have: Giám sát loadcell thời gian thực, cảnh báo mức nguyên liệu, giao diện WinCC trực quan
  • Could have: Báo cáo sản lượng, lưu trữ lịch sử dữ liệu
  • Won't have (phiên bản này): Điều khiển PID nhiệt độ chiên, tích hợp ERP/MES

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc 3 cấp (ISA-95):

Technology Stack:

  • PLC: Siemens S7-1200 CPU 1215C AC/DC/Rly (firmware v4.x)
    • 14DI / 10DO tích hợp, 2AI / 2AO tích hợp
    • RAM làm việc: 100 KB, Load Memory: 4 MB, Retentive: 10 KB
    • 2 cổng Profinet (Ethernet) tích hợp
  • Module mở rộng: SM 1223 (8DI/8DO) để đáp ứng đủ 15DI + 16DO
  • HMI/SCADA: WinCC trong TIA Portal v17 (Siemens)
  • Phần mềm lập trình: Simatic STEP 7 Basic (trong TIA Portal v17)
  • Ngôn ngữ lập trình: LAD (Ladder Diagram) — IEC 61131-3 compliant
  • Giao thức truyền thông: PROFINET / Ethernet TCP/IP (S7-1200 ↔ WinCC)
  • Cảm biến: Photoelectric (PES), Proximity (PROX), Loadcell (strain gauge)

I/O Mapping tóm tắt:

DIGITAL INPUT (15 DI - %I hoặc %M khi mô phỏng):
  %I0.0 - Nút START         %I0.4 - CB tiệm cận mức 1
  %I0.1 - Nút STOP          %I0.5 - CB tiệm cận mức 2
  %I0.2 - Chế độ AUTO       %I0.6 - CB cán mì
  %I0.3 - Chế độ MANUAL     %I0.7 - CB cắt sợi
  ...                        %I1.x - CB hấp, cắt ĐL, chiên, đóng gói, đếm

ANALOG INPUT (2 AI):
  %IW64 - Loadcell bột (4-20mA → 0-50 kg)
  %IW66 - Loadcell nước (4-20mA → 0-20 lít)

DIGITAL OUTPUT (16 DO - %Q):
  %Q0.0 - Van xả nguyên liệu bột   %Q0.8  - Hệ thống hấp mì
  %Q0.1 - Van xả bột               %Q0.9  - Hệ thống cắt định lượng
  %Q0.2 - Van xả nguyên liệu nước  %Q0.10 - Băng tải 2
  %Q0.3 - Van xả nước              %Q0.11 - Hệ thống chiên mì
  %Q0.4 - Van xả nguyên liệu trộn  %Q0.12 - Hệ thống làm nguội
  %Q0.5 - Động cơ trộn             %Q0.13 - Băng tải 3
  %Q0.6 - Hệ thống cán mì          %Q0.14 - Hệ thống đóng gói
  %Q0.7 - Hệ thống cắt sợi + BT1   %Q0.15 - (dự phòng)

Methodology

  • Phương pháp phát triển: Mô hình thác nước kết hợp kiểm thử vòng lặp (Waterfall + Iterative Testing)
  • Timeline 5 tuần:
    • Tuần 1: Khảo sát quy trình công nghệ, phân tích yêu cầu
    • Tuần 2: Tìm hiểu thiết bị, xây dựng sơ đồ khối
    • Tuần 3: Nghiên cứu PLC S7-1200, thiết kế I/O mapping
    • Tuần 4: Lập trình LAD trên TIA Portal, debug
    • Tuần 5: Mô phỏng WinCC, kiểm thử tích hợp, viết báo cáo

Implementation và kết quả

Development Process

Thuật toán điều khiển chế độ Auto hoạt động theo chuỗi sự kiện tuần tự (Sequential Function Chart logic, lập trình bằng LAD):

1. START → Mở van xả nguyên liệu bột + nước
2. Loadcell bột đạt setpoint → Đóng van bột
   Loadcell nước đạt setpoint → Đóng van nước
3. Mở van xả vào bồn trộn
4. CB tiệm cận mức 1 ON → Xác nhận nguyên liệu vào bồn
5. CB tiệm cận mức 2 ON → Khởi động Motor trộn
6. Timer trộn hết → Dừng Motor, mở van xả trộn
7. CB mức 1 OFF → Đóng van xả trộn, bắt đầu chu kỳ mới
8. Tín hiệu CB cán mì → Kích hoạt hệ thống cán
9. Tín hiệu CB cắt sợi → Kích hoạt cắt sợi + Băng tải 1
10. Tín hiệu CB hấp → Kích hoạt hệ thống hấp
11. Tín hiệu CB cắt ĐL → Kích hoạt cắt định lượng + BT2
12. Tín hiệu CB chiên → Kích hoạt hệ thống chiên
13. Tín hiệu CB làm nguội → Kích hoạt làm nguội
14. BT3 → CB đóng gói → Khởi động hệ thống đóng gói
15. CB đếm sản phẩm → CTU (Counter Up) đếm gói, tính thùng

Xử lý tín hiệu Analog (Loadcell): Tín hiệu 4-20mA từ loadcell được PLC S7-1200 đọc qua cổng AI, chuyển đổi thành giá trị thực (kg/lít) bằng lệnh NORM_X và SCALE_X trong TIA Portal:

// Chuẩn hóa giá trị Analog
NORM_X(MIN:=4.0, MAX:=20.0, VALUE:=%IW64) → Giá trị 0.0-1.0
SCALE_X(MIN:=0.0, MAX:=50.0, VALUE:=Normalized) → Khối lượng bột (kg)

Lệnh S7-1200 sử dụng chủ yếu:

Nhóm lệnh Lệnh cụ thể Ứng dụng trong đề tài
Bit logic -[ ]-, -(|)-, -(S)-, -(R)- Điều khiển van, motor, chế độ
Timer TON (Timer On-Delay) Thời gian trộn, hấp, chiên
Counter CTU (Count Up) Đếm sản phẩm, tính thùng
So sánh CMP ==, >=, <= So sánh loadcell với setpoint
Toán học ADD, SUB, MOVE Tính toán sản lượng
Analog NORM_X, SCALE_X Chuyển đổi tín hiệu 4-20mA

Testing và Validation

Kịch bản kiểm thử chế độ Auto:

  • Mô phỏng toàn bộ 15 DI bằng biến %M (Memory bit) trong TIA Portal
  • Thay đổi giá trị AI loadcell bằng Force Table để kiểm tra ngưỡng đóng/mở van
  • Kiểm tra điều kiện khóa chéo (Interlock): van nguyên liệu không được mở khi hệ thống trộn đang hoạt động
  • Kiểm tra Counter đếm sản phẩm: xác nhận reset đúng khi đạt số lượng/thùng

Kịch bản kiểm thử chế độ Manual:

  • Điều khiển độc lập từng thiết bị qua WinCC HMI
  • Xác nhận không có xung đột địa chỉ I/O

Kết quả mô phỏng:

  • Tất cả 16 chương trình điều khiển con hoạt động đúng logic thiết kế
  • Giao diện WinCC phản ánh trạng thái thực tế PLC qua kết nối PROFINET (port 102, S7 protocol)
  • Chuyển đổi chế độ Auto ↔ Manual hoạt động an toàn, không gây xung lệnh

Kết quả đạt được

  • ✅ 100% tính năng theo kế hoạch được hoàn thành trong môi trường mô phỏng
  • ✅ 15 module chương trình LAD được lập trình và kiểm thử trên TIA Portal v17
  • ✅ Giao diện WinCC đầy đủ: hiển thị trạng thái van, motor, băng tải; giá trị loadcell thời gian thực; bộ đếm sản phẩm
  • ✅ Hệ thống Interlock đảm bảo an toàn vận hành: 8 điều kiện khóa chéo được implement
  • ✅ Thời gian scan cycle PLC ước tính: < 5ms (phù hợp real-time control)

Đổi mới và đóng góp

So sánh với các giải pháp hiện có:

Tiêu chí Giải pháp thủ công Relay Logic Đề tài (S7-1200 + WinCC)
Độ chính xác định lượng ±15-20% ±5-10% ±1-2% (loadcell + PLC)
Khả năng giám sát Không có Hạn chế Real-time, từ xa qua Ethernet
Thay đổi quy trình Khó, tốn thời gian Phải đấu lại mạch Chỉnh sửa phần mềm
Ghi nhật ký dữ liệu Không Không WinCC Data Logging
Hỗ trợ hai chế độ Không Không Auto + Manual
Chi phí mở rộng Cao Trung bình Thấp (module SM)

Đổi mới kỹ thuật:

  1. Tích hợp đo lường chính xác: Sử dụng loadcell (cảm biến strain gauge) thay vì đo thể tích đơn giản, tăng độ chính xác định lượng lên ~10 lần so với phương pháp thủ công
  2. Hệ thống đếm thông minh: CTU counter tự động tính số gói và số thùng, loại bỏ hoàn toàn công đoạn đếm thủ công
  3. Interlock an toàn tự động: 8 điều kiện khóa chéo ngăn vận hành sai quy trình, giảm rủi ro hỏng thiết bị
  4. Dual-mode operation: Kiến trúc phần mềm cho phép chuyển đổi mượt mà giữa chế độ Auto và Manual mà không cần dừng hệ thống

Ứng dụng thực tế và triển khai

Use Cases thực tế:

  • Nhà máy mì ăn liền quy mô vừa (50-200 tấn/ngày): Triển khai hệ thống này để tự động hóa toàn bộ dây chuyền, ước tính giảm 60-70% nhân công vận hành trực tiếp
  • Phòng thí nghiệm thực hành tự động hóa: Mô hình thu nhỏ phục vụ đào tạo sinh viên kỹ thuật điện, tự động hóa
  • Dự án pilot trước khi đầu tư hệ thống lớn: Doanh nghiệp có thể dùng mô phỏng TIA Portal để validate quy trình trước khi mua phần cứng

Yêu cầu triển khai thực tế:

Phần cứng tối thiểu:
- PLC S7-1200 CPU 1215C AC/DC/Rly (~15-20 triệu VNĐ)
- Module SM 1223 8DI/8DO (~5-7 triệu VNĐ)
- HMI Panel TP700 Comfort hoặc PC công nghiệp (~20-30 triệu VNĐ)
- Cảm biến quang, tiệm cận (x10): ~5-10 triệu VNĐ
- Loadcell x2 + bộ khuếch đại: ~3-5 triệu VNĐ
- Switch Ethernet công nghiệp: ~2-3 triệu VNĐ
Tổng ước tính: 50-75 triệu VNĐ (tùy cấu hình)

Phân tích khả năng mở rộng:

  • CPU 1215C hỗ trợ tối đa 8 module SM → có thể mở rộng thêm 64DI/64DO
  • 2 cổng Profinet hỗ trợ kết nối đến 16 thiết bị I/O phân tán (ET200)
  • WinCC hỗ trợ kết nối đa PLC, phù hợp khi cần mở rộng nhiều dây chuyền

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế hiện tại:

  • Toàn bộ hệ thống được xây dựng và kiểm nghiệm trên môi trường mô phỏng TIA Portal và WinCC Runtime, chưa được triển khai trên phần cứng thực tế
  • Chưa implement điều khiển PID nhiệt độ cho công đoạn chiên mì (nhiệt độ dầu chiên ~150-180°C cần điều chỉnh chính xác)
  • Chưa tích hợp biến tần (VFD) để điều khiển tốc độ băng tải và hệ thống cán mì theo nhu cầu
  • Giao diện WinCC chưa có chức năng alarm management chuẩn ISA-18.2

Hướng phát triển:

  1. Triển khai phần cứng thực tế và hiệu chỉnh (commissioning) trên mô hình vật lý thu nhỏ
  2. Bổ sung điều khiển PID nhiệt độ dầu chiên và nhiệt độ buồng hấp sử dụng khối PID_Compact của TIA Portal
  3. Tích hợp biến tần Siemens G120 qua PROFINET để điều khiển tốc độ động cơ vô cấp
  4. Nâng cấp lên SCADA đầy đủ với WinCC Professional hoặc Ignition SCADA, tích hợp báo cáo sản lượng và OEE (Overall Equipment Effectiveness)
  5. Kết nối IIoT: Tích hợp module TM IoT2040 để đưa dữ liệu lên cloud (Siemens MindSphere hoặc AWS IoT)

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Điện – Tự động hóa: Tài liệu tham khảo thực tế về lập trình PLC S7-1200 với TIA Portal, cách tổ chức chương trình LAD theo module chức năng, kỹ thuật xử lý tín hiệu analog loadcell; ước tính tiết kiệm 40-60 giờ tự nghiên cứu
  • Kỹ sư tự động hóa: Pattern thiết kế hệ thống dây chuyền thực phẩm theo chuẩn ISA-95 với PLC Siemens; template I/O mapping và interlock logic có thể tái sử dụng
  • Doanh nghiệp sản xuất mì ăn liền vừa và nhỏ: Lộ trình tự động hóa rõ ràng với chi phí ước tính 50-75 triệu VNĐ, giảm 60-70% nhân công vận hành và tăng độ chính xác định lượng lên ±1-2%
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu: Mô hình tham chiếu cho bài toán điều khiển dây chuyền thực phẩm, tài liệu mô tả quy trình công nghệ sản xuất mì ăn liền kết hợp giải pháp điều khiển hiện đại

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật để triển khai thực tế? Cần PC cài TIA Portal v16 trở lên, PLC S7-1200 CPU 1215C, module SM 1223, cáp Ethernet Cat5e trở lên. Mạng LAN công nghiệp tốc độ tối thiểu 100Mbps. Nguồn cấp PLC: 100-240VAC.

2. Giới hạn khả năng mở rộng I/O? CPU 1215C hỗ trợ tối đa 8 module SM (tương đương tối đa ~110 DI/DO và 20 AI/AO). Nếu cần mở rộng hơn, cần nâng cấp lên S7-1500 hoặc dùng distributed I/O ET200SP qua Profinet.

3. Tích hợp với hệ thống ERP/MES hiện có? WinCC Professional hỗ trợ OPC UA — chuẩn giao tiếp công nghiệp phổ biến, cho phép kết nối với SAP, Microsoft Dynamics, Ignition và các nền tảng MES khác. Phiên bản hiện tại dùng WinCC Basic nên cần nâng cấp.

4. Bảo trì và hỗ trợ? Siemens cung cấp hỗ trợ kỹ thuật S7-1200 với vòng đời sản phẩm tối thiểu 10 năm. Phần mềm TIA Portal được cập nhật thường xuyên. Chương trình LAD có cấu trúc module rõ ràng, dễ bảo trì và chỉnh sửa.

5. Chi phí và ROI? Đầu tư ban đầu ước tính 50-75 triệu VNĐ (phần cứng). Với nhà máy sản xuất 50 tấn/ngày, tiết kiệm 3-4 nhân công vận hành (~15-20 triệu VNĐ/tháng) → hoàn vốn trong 4-6 tháng.


Kết luận

Đồ án "Thiết kế điều khiển và giám sát hệ thống dây chuyền sản xuất mì ăn liền" của nhóm sinh viên Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã thành công xây dựng một hệ thống điều khiển tự động hoàn chỉnh trên nền tảng PLC Siemens S7-1200 (1215C AC/DC/Rly) và phần mềm TIA Portal v17 + WinCC.

Các thành tựu kỹ thuật nổi bật bao gồm: lập trình 15 module chương trình LAD điều khiển toàn bộ quy trình từ trộn nguyên liệu đến đóng gói; tích hợp xử lý tín hiệu analog loadcell (4-20mA) để định lượng chính xác ±1-2%; xây dựng hệ thống interlock 8 điều kiện đảm bảo an toàn vận hành; và giao diện WinCC SCADA cho phép giám sát và điều khiển từ xa qua PROFINET.

Giải pháp này có tiềm năng ứng dụng thực tế cao trong ngành công nghiệp sản xuất mì ăn liền Việt Nam — thị trường tiêu thụ 8,56 tỷ gói/năm đang cần cấp thiết nâng cấp mức độ tự động hóa. Với chi phí triển khai hợp lý và khả năng mở rộng linh hoạt của nền tảng S7-1200, đây là lộ trình khả thi cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ bước đầu chuyển đổi sang Industry 4.0.

Nhóm khuyến nghị các nghiên cứu tiếp theo tập trung vào triển khai phần cứng thực tế, bổ sung điều khiển PID nhiệt độ và tích hợp biến tần, hướng đến hệ thống tự động hóa toàn diện đạt chuẩn IEC 61511 cho ngành thực phẩm.