Thiết Kế Hệ Thống Kiểm Tra, Sắp Xếp và Đóng Gói Bánh Trung Thu

Đồ án tốt nghiệp về thiết kế hệ thống kiểm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu trong ngành công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Kiểm Tra và Đóng Gói Bánh Trung Thu Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KIỂM TRA, SẮP XẾP VÀ ĐÓNG
• 1.1. Tổng quan hệ thống kiểm tra, sắp xếp và đóng gói trong công nghiệp
• 1.2. Hệ thống kiểm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu trong công nghiệp
• 1.3. Nghiên cứu một hệ thống sắp xếp, đóng gói bánh trung thu cụ thể
• 1.4. Thiết kế hệ thống kiểm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu
• 1.5. Nguyên lý hoạt động
• 1.6. Phương án thiết kế
• 1.7. Lựa chọn thiết bị
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7 1200 VÀ PHẦN MỀM TIA PORTAL
• 2.1. Tổng quan về PLC
• 2.2. Giới thiệu về PLC S7
• 2.3. Giới thiệu về phần mềm TIA Portal V16
• 2.4. Làm việc với phần mềm TIA Portal V16
• 2.5. Tổng quan WinCC
• 2.6. Tạo kết nối và thiết kế giao diện WinCC
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
• 3.1. Yêu cầu công nghệ của hệ thống
• 3.2. Thiết kế phần cứng
• 3.3. Lựa chọn thiết bị thi công mô hình
• 3.4. Băng tải
• 3.5. Cảm biến hồng ngoại EI8D80NK
• 3.6. Nguồn tổ ong
• 3.7. Nút nhấn
• 3.8. Nút dừng khẩn cấp
• 3.9. Van điện từ
• 3.10. Công tắc hành trình
• 3.11. Động cơ bước
• 3.12. Sơ đồ đấu nối
• 4. CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG
• 4.1. Bảng phân công đầu vào đầu ra
• 4.2. Lưu đồ thuật toán
• 4.3. Chương trình điều khiển
• 4.4. Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát
• 4.5. Truyền thông 2 PLC
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Hệ Thống Kiểm Tra Đóng Gói Bánh Trung Thu Tự Động

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, tự động hóa nhà máy thực phẩm đã trở thành một yếu tố then chốt để đánh giá sự phát triển kinh tế. Các dây chuyền sản xuất bánh trung thu hiện đại không chỉ đòi hỏi năng suất cao mà còn phải đảm bảo chất lượng đồng đều và an toàn vệ sinh thực phẩm trong sản xuất. Đáp ứng nhu cầu này, việc Thiết Kế Hệ Thống Kiểm Tra và Đóng Gói Bánh Trung Thu Tự Động giữ một vai trò cực kỳ quan trọng. Hệ thống này là một tổ hợp các cơ cấu cơ khí, điện tử và phần mềm điều khiển, được thiết kế để thực hiện các công đoạn từ kiểm tra chất lượng bánh, loại bỏ sản phẩm lỗi, sắp xếp vào hộp và đóng gói thành phẩm một cách hoàn toàn tự động. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là nghiên cứu và chế tạo một mô hình hệ thống có khả năng mô phỏng chính xác các quy trình trong thực tế, giúp giảm sức lao động, cải thiện điều kiện làm việc và nâng cao năng suất. Việc áp dụng các công nghệ như PLC S7-1200, công nghệ computer vision trong sản xuất và robot công nghiệp cho phép hệ thống vận hành linh hoạt, chính xác và hiệu quả. Một giải pháp đóng gói tự động hoàn chỉnh không chỉ là một tập hợp các máy đóng gói bánh trung thu riêng lẻ, mà là một quy trình được tối ưu hóa quy trình sản xuất toàn diện, từ khâu cấp phôi đến khi ra thành phẩm. Hệ thống này tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm, thay đổi mẫu mã nhanh chóng và đơn giản hóa công tác quản lý, giám sát.

1.1. Khái niệm về một giải pháp đóng gói tự động toàn diện

Một giải pháp đóng gói tự động không chỉ đơn thuần là việc thay thế con người bằng máy móc. Đó là một hệ thống tích hợp bao gồm nhiều thành phần hoạt động đồng bộ: băng tải cấp phôi tự động, hệ thống kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng camera, robot gắp thả sản phẩm để sắp xếp, và cuối cùng là các máy đóng gói, máy dán nhãn tự động và máy in date laser. Mục tiêu của giải pháp này là tạo ra một dòng chảy sản xuất liên tục, giảm thiểu thời gian chết và các điểm nghẽn, đảm bảo năng suất dây chuyền ổn định ở mức cao. Theo tài liệu nghiên cứu, hệ thống được thiết kế hướng tới việc tích hợp các chức năng này vào một mô hình duy nhất, sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC làm trung tâm xử lý, cho thấy một cách tiếp cận toàn diện trong tự động hóa.

1.2. Vai trò của tự động hóa trong ngành sản xuất bánh kẹo

Ngành sản xuất bánh kẹo, đặc biệt là bánh trung thu, mang tính thời vụ cao, đòi hỏi khả năng sản xuất hàng loạt trong thời gian ngắn. Tự động hóa nhà máy thực phẩm giải quyết bài toán này bằng cách tăng tốc độ sản xuất lên nhiều lần so với thủ công. Hệ thống tự động giúp đảm bảo tính đồng nhất của sản phẩm, từ trọng lượng, hình dáng đến chất lượng đóng gói, điều mà lao động thủ công khó đạt được khi làm việc liên tục. Hơn nữa, việc hạn chế sự tiếp xúc của con người với sản phẩm giúp nâng cao tiêu chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm trong sản xuất, một yếu tố sống còn đối với uy tín của doanh nghiệp. Hệ thống được thiết kế trong đề tài là một minh chứng cho thấy tự động hóa là hướng đi tất yếu để nâng cao năng lực cạnh tranh.

II. Thách Thức Của Việc Kiểm Tra Đóng Gói Bánh Trung Thu Thủ Công

Quy trình kiểm tra và đóng gói bánh trung thu thủ công, dù vẫn còn tồn tại ở các cơ sở sản xuất nhỏ, lại tiềm ẩn nhiều thách thức và hạn chế nghiêm trọng. Vấn đề lớn nhất là năng suất dây chuyền thấp và phụ thuộc hoàn toàn vào sức người. Công nhân thực hiện các công việc lặp đi lặp lại dễ dẫn đến mệt mỏi, giảm sự tập trung, từ đó gây ra sai sót. Việc kiểm tra chất lượng bánh bằng mắt thường không đảm bảo tính khách quan và đồng nhất, dễ bỏ sót các sản phẩm bị lỗi hình dạng, màu sắc hoặc kích thước. Theo khảo sát được đề cập trong tài liệu gốc, công đoạn xếp bánh vào hộp và dán keo thường do công nhân thực hiện, "việc sai sót cũng có thể xảy ra khi khối lượng công việc nhiều dẫn tới sự mệt mỏi hoặc bất cẩn". Điều này trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng đầu ra và uy tín thương hiệu. Hơn nữa, chi phí nhân công cho mùa vụ cao điểm là một gánh nặng tài chính không nhỏ. Vấn đề an toàn vệ sinh thực phẩm trong sản xuất cũng là một rủi ro khi có nhiều sự tiếp xúc trực tiếp giữa tay người và sản phẩm. Tất cả những yếu tố này thúc đẩy nhu cầu cấp thiết phải có một hệ thống kiểm tra chất lượng sản phẩm và đóng gói tự động để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

2.1. Hạn chế về năng suất và chi phí nhân công

Phương pháp thủ công có giới hạn về tốc độ. Một công nhân chỉ có thể đóng gói một số lượng sản phẩm nhất định trong một giờ, trong khi một máy đóng gói bánh trung thu tự động có thể đạt năng suất cao hơn gấp nhiều lần. Việc phụ thuộc vào nhân công cũng tạo ra sự không ổn định trong sản xuất, đặc biệt là trong các mùa cao điểm khi nhu cầu tuyển dụng tăng vọt. Chi phí trả lương, bảo hiểm và các phúc lợi khác cho một đội ngũ lớn công nhân là rất đáng kể. Việc đầu tư vào một giải pháp đóng gói tự động tuy có chi phí ban đầu cao nhưng về lâu dài sẽ giúp tiết kiệm chi phí vận hành và mang lại lợi tức đầu tư (ROI) hấp dẫn.

2.2. Rủi ro về chất lượng và an toàn vệ sinh thực phẩm

Chất lượng sản phẩm khi kiểm tra thủ công phụ thuộc vào yếu tố chủ quan của người kiểm tra. Việc phát hiện các lỗi nhỏ như bánh bị nứt, màu sắc không đều hay biến dạng là rất khó khăn và không nhất quán. Trong khi đó, một hệ thống kiểm tra chất lượng sản phẩm sử dụng công nghệ computer vision có thể phân tích và đưa ra quyết định chính xác, khách quan trong tích tắc. Ngoài ra, việc giảm thiểu tiếp xúc trực tiếp của con người với bánh là yếu tố cốt lõi để đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm trong sản xuất, tuân thủ các tiêu chuẩn nghiêm ngặt như HACCP hay ISO 22000, từ đó xây dựng lòng tin với người tiêu dùng.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Đóng Gói Bánh Trung Thu Toàn Diện

Để giải quyết các thách thức của phương pháp thủ công, việc Thiết Kế Hệ Thống Kiểm Tra và Đóng Gói Bánh Trung Thu Tự Động đòi hỏi một phương pháp luận khoa học và có hệ thống. Dựa trên nghiên cứu trong đồ án, phương án thiết kế tối ưu là sử dụng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 của Siemens làm bộ não trung tâm. Lựa chọn này được đưa ra vì "trong môi trường công nghiệp PLC có thể chịu đựng được một số điều kiện bất lợi liên quan đến môi trường, nhiễu điện, rung chấn" và có độ tin cậy cao. Hệ thống được cấu thành từ ba phần chính: cơ khí, điện và điều khiển. Phần cơ khí bao gồm khung sườn bằng inox không gỉ (SUS304 cho khu vực tiếp xúc bánh), hai băng tải cấp phôi tự động, hệ thống xilanh khí nén và cơ cấu chấp hành. Phần điện bao gồm mạch động lực điều khiển động cơ, mạch điều khiển tín hiệu và các thiết bị bảo vệ như contactor, relay nhiệt, MCCB. Phần điều khiển là trái tim của hệ thống, với PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý theo thuật toán được lập trình trên phần mềm TIA Portal V16, và xuất tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành như động cơ, van điện từ. Giao diện giám sát HMI (WinCC) cho phép người vận hành theo dõi trạng thái và điều khiển toàn bộ dây chuyền sản xuất bánh trung thu một cách trực quan.

3.1. Lựa chọn thiết bị điều khiển trung tâm PLC S7 1200

PLC S7-1200 được chọn làm thiết bị điều khiển chính nhờ sự ổn định, độ tin cậy và khả năng lập trình linh hoạt. Theo đề tài, nhóm nghiên cứu đã sử dụng CPU 1214C và lập trình bằng ngôn ngữ LAD (Ladder Diagram) trên phần mềm TIA Portal V16. Ngôn ngữ LAD có giao diện đồ họa dạng thang, rất trực quan và phù hợp với những người quen thuộc với thiết kế mạch logic, giúp việc bảo trì máy móc công nghiệp và khắc phục sự cố trở nên dễ dàng hơn. PLC S7-1200 cũng tích hợp sẵn cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet, cho phép kết nối và giám sát hệ thống qua mạng một cách thuận tiện.

3.2. Thiết kế phần cứng cơ khí và hệ thống băng tải

Hệ thống cơ khí được thiết kế với hai băng tải cấp phôi tự động chính. Băng tải 1 có nhiệm vụ đưa bánh từ khâu sản xuất đến vị trí kiểm tra và sắp xếp. Băng tải 2 vận chuyển hộp bánh đã được xếp đủ số lượng đến khâu đóng gói cuối cùng. Vật liệu khung sử dụng Inox SUS201 và các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với bánh được làm từ Inox SUS304 để đảm bảo tiêu chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm trong sản xuất. Các cơ cấu chấp hành như xilanh khí nén, động cơ bước được tính toán và lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo hoạt động chính xác và nhịp nhàng, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

IV. Bí Quyết Tích Hợp Camera Vision Vào Hệ Thống Kiểm Tra Tự Động

Điểm nhấn công nghệ của Hệ Thống Kiểm Tra và Đóng Gói Bánh Trung Thu Tự Động chính là việc ứng dụng công nghệ computer vision trong sản xuất. Thay vì kiểm tra thủ công, hệ thống sử dụng một camera công nghiệp để tự động nhận diện và phân loại sản phẩm. Đây là một bước đột phá giúp nâng cao độ chính xác và khách quan của khâu kiểm soát chất lượng. Quy trình hoạt động bắt đầu khi một cảm biến phát hiện bánh đi vào vị trí kiểm tra. Tín hiệu từ cảm biến sẽ kích hoạt camera chụp lại hình ảnh sản phẩm. Máy xử lý ảnh (CVS) sau đó sẽ phân tích hình ảnh này, so sánh màu sắc, hình dạng với các tiêu chuẩn đã được cài đặt sẵn. Dựa trên kết quả phân tích, hệ thống sẽ đưa ra quyết định: nếu bánh đạt chuẩn, băng tải cấp phôi tự động sẽ tiếp tục đưa bánh đến khâu sắp xếp; nếu không đạt, một xilanh khí nén sẽ được kích hoạt để đẩy sản phẩm lỗi vào khu vực riêng. Toàn bộ quá trình này diễn ra chỉ trong vài giây, đảm bảo năng suất dây chuyền không bị ảnh hưởng. Việc tích hợp camera vision đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa phần cứng quang học và phần mềm xử lý ảnh, được điều khiển đồng bộ bởi PLC.

4.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống kiểm tra bằng xử lý ảnh

Hệ thống sử dụng camera VSTECH để thực hiện kiểm tra. Theo mô tả trong tài liệu nghiên cứu, giải pháp hoạt động như sau: "Cảm biến tự động phát hiện sản phẩm tới vị trí kiểm tra sau đó camera tự động chụp hình khi nhận được tín hiệu từ cảm biến. Máy CVS xử lý ảnh, nhận diện mã màu sắc rồi tự động xuất tín hiệu phân loại sản phẩm". Tín hiệu phân loại này (đạt hoặc không đạt) được gửi về PLC. PLC sẽ dựa vào tín hiệu này để điều khiển cơ cấu chấp hành tương ứng. Đây là một ví dụ điển hình của một hệ thống kiểm tra chất lượng sản phẩm thông minh, có khả năng tự động ra quyết định.

4.2. Cơ cấu sắp xếp sản phẩm sử dụng robot và động cơ bước

Sau khi vượt qua khâu kiểm tra, bánh đạt chuẩn sẽ được di chuyển đến vị trí sắp xếp. Tại đây, một cơ cấu gắp-thả, có thể xem như một dạng robot gắp thả sản phẩm đơn giản, sẽ được sử dụng. Một xilanh hút chân không sẽ hạ xuống, hút bánh lên và di chuyển đến vị trí hộp đựng. Đáng chú ý, để đảm bảo các bánh được đặt vào đúng vị trí trong hộp 4 bánh hoặc 8 bánh, hệ thống sử dụng một động cơ bước (step motor) để xoay mâm đặt hộp một góc chính xác sau mỗi lần đặt bánh. Động cơ bước được lựa chọn vì khả năng điều khiển vị trí góc quay chính xác mà không cần cơ cấu phản hồi phức tạp, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm chi phí.

V. Đánh Giá Hiệu Quả Mô Hình Ứng Dụng Thực Tiễn Trong Sản Xuất

Mô hình Thiết Kế Hệ Thống Kiểm Tra và Đóng Gói Bánh Trung Thu Tự Động được xây dựng trong khuôn khổ đồ án đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả. Về mặt hiệu suất, hệ thống được thiết kế với công suất dự kiến ấn tượng: 30 hộp/phút đối với hộp 4 bánh và 20 hộp/phút đối với hộp 8 bánh. Đây là một sự cải thiện vượt bậc về năng suất dây chuyền so với phương pháp thủ công. Việc tự động hóa hoàn toàn các khâu từ kiểm tra, sắp xếp đến đóng gói giúp loại bỏ gần như hoàn toàn các lỗi do yếu tố con người, đảm bảo chất lượng đầu ra đồng đều. Một ưu điểm quan trọng của mô hình này là chi phí đầu tư hợp lý. Nhóm nghiên cứu đã nhận định rằng các hệ thống công nghiệp lớn hiện có "chi phí đầu tư là khá lớn, chưa thích hợp cho những doanh nghiệp sản xuất vừa và nhỏ". Do đó, giải pháp sử dụng PLC S7-1200 kết hợp các linh kiện phổ thông là một lựa chọn kinh tế, phù hợp để các doanh nghiệp này tiếp cận công nghệ tự động hóa. Tuy nhiên, mô hình vẫn còn những điểm cần cải tiến để có thể áp dụng rộng rãi trong thực tế, chẳng hạn như tối ưu hóa thiết kế cơ khí về mặt thẩm mỹ và độ bền, cũng như bổ sung thêm các tính năng nâng cao. Đây là một nền tảng vững chắc cho các nhà cung cấp giải pháp tự động hóa phát triển thành sản phẩm thương mại.

5.1. Kết quả đạt được và ưu điểm của hệ thống

Kết quả chính của đề tài là đã chế tạo thành công một mô hình hoạt động đúng theo yêu cầu công nghệ đặt ra. Hệ thống có khả năng phân loại sản phẩm dựa trên màu sắc, sắp xếp chính xác vào hộp và thực hiện đóng gói cơ bản. Ưu điểm nổi bật là xác suất lỗi thấp, các linh kiện hoạt động ổn định, và giao diện giám sát WinCC trực quan giúp người vận hành dễ dàng theo dõi. Đây là một giải pháp đóng gói tự động hiệu quả, đáp ứng được các yêu cầu cốt lõi về năng suất và chất lượng.

5.2. Nhược điểm và hướng phát triển trong tương lai

Bên cạnh ưu điểm, đề tài cũng thẳng thắn nhìn nhận các nhược điểm. Mô hình "chỉ mang tính chất nghiên cứu, chưa ứng dụng ngay vào trong thực tế vì còn thiếu khá nhiều khâu trong một quá trình sản xuất hoàn chỉnh". Các hướng phát triển được đề xuất bao gồm: nâng cấp hệ thống cơ khí để tối ưu hơn, hoàn thiện chương trình điều khiển để khai thác hết tính năng của PLC, và đặc biệt là nghiên cứu thiết kế giao diện vận hành và giám sát từ xa qua Web. Việc mở rộng hệ thống để tích hợp thêm các công đoạn khác sẽ tạo ra một dây chuyền sản xuất bánh trung thu tự động hóa toàn diện.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa sản xuất, tự động hóa đóng vai trò chủ chốt nhằm nâng cao năng suất và chuẩn hóa chất lượng sản phẩm. Đối với ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và sản xuất bánh kẹo—một lĩnh vực kinh tế đặc thù—việc áp dụng các dây chuyền tự động hóa giúp tối ưu hóa chi phí vận hành và giải phóng sức lao động thủ công.

Tại Việt Nam, sản xuất bánh trung thu đang từng bước chuyển đổi từ quy mô hộ gia đình, làng nghề truyền thống sang mô hình công nghiệp hiện đại. Tuy nhiên, qua khảo sát thực tế tại các cơ sở sản xuất, sau khi công đoạn đóng màng túi bánh tự động hoàn tất, quá trình kiểm tra lỗi bao bì, phân loại, sắp xếp bánh vào hộp (thông thường từ 4 đến 8 bánh mỗi hộp) và dán hộp carton phần lớn vẫn do công nhân thực hiện thủ công. Phương thức này tồn tại nhiều nhược điểm:

• Tốc độ làm việc phụ thuộc vào thể lực con người, dễ phát sinh sai sót khi khối lượng công việc lớn hoặc làm việc trong thời gian dài.
• Khó kiểm soát triệt để tỷ lệ nhầm lẫn về mẫu mã, màu sắc hoặc quy chuẩn đóng gói trước khi xuất xưởng.
• Tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn vệ sinh thực phẩm do tiếp xúc trực tiếp giữa người vận hành và sản phẩm.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài "Thiết kế hệ thống kiểm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu" được thực hiện nhằm nghiên cứu giải pháp tự động hóa đồng bộ các khâu hậu kỳ của dây chuyền sản xuất bánh trung thu.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm sáu nội dung:

1. Tổng quan về hệ thống tự động kiểm tra, sắp xếp và đóng gói sản phẩm trong công nghiệp.
2. Tổng quan về hệ thống kiểm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu trong công nghiệp hiện nay.
3. Nghiên cứu, khảo sát và đánh giá một hệ thống kiểm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu trong công nghiệp cụ thể (hệ thống đóng gói của Công ty ACB).
4. Thiết kế hệ thống kiểm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu quy mô công nghiệp (tính toán cơ khí, mạch điện động lực, mạch điều khiển).
5. Chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống kiểm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu; lập trình điều khiển PLC, thiết lập mạng truyền thông và giao diện giám sát WinCC.
6. Nhận xét, đánh giá kết quả hoạt động và đề xuất hướng phát triển trong tương lai.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Dây chuyền tự động kiểm tra chất lượng bao bì bánh trung thu bằng xử lý ảnh, cơ cấu gắp - sắp xếp bánh theo số lượng định mức và cơ cấu gấp, dán hộp carton thành phẩm.
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu lý thuyết áp dụng cho dây chuyền sản xuất bánh kẹo công nghiệp; chế tạo và thử nghiệm mô hình thực nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng.
• Phạm vi thời gian: Đồ án được giao ngày 02/01/2023 và hoàn thành nghiệm thu ngày 01/05/2023.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình công nghệ

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động hóa công nghiệp và kỹ thuật truyền động điện - khí nén, tập trung vào các nền tảng công nghệ:

• Bộ điều khiển lập trình logic (PLC): Ứng dụng dòng điều khiển khả trình Simatic S7-1200 của hãng Siemens (CPU 1214C DC/DC/DC kết hợp module mở rộng tín hiệu số SM1223), sử dụng môi trường lập trình tích hợp Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal V16) với ngôn ngữ hình thang (Ladder Diagram - LAD).
• Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA/HMI): Thiết kế giao diện vận hành trên phần mềm WinCC Runtime Advanced, giao tiếp với PLC thông qua chuẩn mạng công nghiệp PROFINET/Ethernet (giao thức IE General).
• Hệ thống thị giác máy tính công nghiệp (Machine Vision): Ứng dụng giải pháp camera công nghiệp VSTECH kết hợp bộ xử lý ảnh CVS (Color Vision System) Version 2 để nhận diện sản phẩm theo màu sắc bao bì (phân biệt bao bì chuẩn màu đỏ với sản phẩm lỗi).
• Hệ thống truyền động và cơ cấu chấp hành:
  • Động cơ giảm tốc 3 pha điều khiển tốc độ qua biến tần Schneider Altivar ATV310 (ATV310H075N4E 0,75 kW).
  • Động cơ bước lưỡng cực 42V kết hợp mạch điều khiển (Driver) TB6600 phục vụ việc định vị góc quay bàn xoay hộp carton và hệ thống bàn trượt trục vít.
  • Hệ thống khí nén công nghiệp: Van đảo chiều khí nén điện từ 5/2 (nguồn điều khiển 24VDC), xi lanh khí nén tác động kép và cơ cấu giác hút chân không.
  • Cảm biến quang học: Cảm biến vật cản hồng ngoại chủ động E18-D80NK (ngõ ra NPN) và công tắc hành trình cơ khí.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả kết hợp phương pháp nghiên cứu tài liệu kỹ thuật, khảo sát thực tế và thực nghiệm chế tạo mô hình:

• Khảo sát thực tế: Khảo sát và phân tích thông số kỹ thuật hệ thống máy đóng gói bánh trung thu của Công ty ACB để thu thập các số liệu vận hành ban đầu (tốc độ đóng túi 40 gói/phút, kích thước túi dài 120 mm x rộng 20 mm, công suất 1,5 kW, nguồn điện 3 pha 220V, điều khiển PLC và giám sát HMI).
• Phương pháp tính toán kỹ thuật: Xác định tải trọng băng tải ($W = 15\text{ kg}$ với hàng 5 kg và dây belt 10 kg), tính toán mô men xoắn, tỷ số truyền và chọn công suất động cơ giảm tốc ($0,75\text{ kW}$); tính chọn thiết bị bảo vệ tủ điện (MCCB 40A, rơ le nhiệt, rơ le bảo vệ pha XJ3 CHINT, cầu chì 2A).
• Phương pháp thực nghiệm: Gia công cơ khí khung và băng tải, lắp đặt tủ điện công nghiệp theo tiêu chuẩn, lập trình thuật toán điều khiển tuần tự trên TIA Portal V16 và chạy kiểm thử chu trình hoạt động của mô hình vật lý.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phân tầng phần cứng

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc bốn khối chức năng chính nhằm bảo đảm khả năng vận hành độc lập và cách ly tín hiệu:

Khối chức năng	Thành phần thiết bị sử dụng	Vai trò kỹ thuật
Khối nguồn	Nguồn tổ ong 220VAC/24VDC, bộ chuyển đổi nguồn ATS	Chỉnh lưu và hạ áp từ lưới điện dân dụng thành nguồn một chiều 24VDC cung cấp cho PLC, cảm biến, van điện từ và mạch relay.
Khối đầu vào	Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK, nút nhấn LA38, nút dừng khẩn cấp E-STOP, công tắc hành trình	Thu thập tín hiệu vị trí vật thể trên băng chuyền, nhận diện hành trình xilanh trượt và tiếp nhận lệnh điều khiển từ người vận hành.
Khối xử lý trung tâm	PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC), Module mở rộng SM1223	Xử lý logic theo chương trình LAD, tiếp nhận dữ liệu kiểm tra màu sắc từ hệ thống xử lý ảnh và điều phối các tín hiệu ngõ ra.
Khối chấp hành	Động cơ giảm tốc 3 pha 0,75 kW, động cơ DC 24V, biến tần ATV310, xilanh khí nén, van điện từ 5/2, giác hút chân không, động cơ bước kèm Driver TB6600	Kéo băng tải vận chuyển, dẫn động cơ cấu gắp - thả bánh, xoay bàn gá hộp carton và thực hiện quy trình dán băng keo niêm phong hộp.

Thông số kỹ thuật của các thiết bị chính

Hệ thống sử dụng các thiết bị điện và cảm biến công nghiệp với thông số cụ thể:

Thiết bị	Thông số kỹ thuật trích xuất từ văn bản
Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK	Điện áp cấp: 5VDC; Khoảng cách phát hiện: 3 – 80 cm (chỉnh bằng biến trở); Ngõ ra: Transistor NPN thường mở (NO) kéo trở nội $10\text{ k}\Omega$ lên VCC; Kích thước: $\phi18 \times 45\text{ mm}$.
Rơ le bảo vệ pha XJ3 CHINT	Bảo vệ quá áp: 380 ~ 460VAC (thời gian trễ 1,5 ~ 4 s); Bảo vệ thấp áp: 300 ~ 380VAC (thời gian trễ 2 ~ 9 s); Lỗi pha và thứ tự pha: tự động ngắt cặp tiếp điểm điều khiển.
Động cơ bước & Driver TB6600	Động cơ bước lưỡng cực 42V, mô men xoắn $40\text{ N}\cdot\text{cm}$; Driver TB6600 dùng IC TB6600HQ/HG, điện áp 9 – 42VDC, dòng tải tối đa 4,0A, cài đặt độ phân giải bước từ 1/1 đến 1/16 qua các công tắc gạt SW1 – SW6.
Aptomat & Rơ le nhiệt	MCCB tổng: 3 pha 40A, dòng cắt 10 kA; MCB nhánh: 3 pha 6A 6 kA và 2 pha 6A 6 kA; Contactor MC 9A kết hợp Rơ le nhiệt RL dải điều chỉnh 1,6 – 2,5A; Cầu chì bảo vệ nguồn PLC: 2A kèm đế DF81.
Băng tải mô hình	Băng tải 1 và Băng tải 2: Chiều dài 60 cm, bán kính trục $r = 2,5\text{ cm}$, sử động cơ giảm tốc tốc độ định mức 70 rpm.

Chu trình công nghệ của hệ thống

Hệ thống vận hành hoàn toàn ở chế độ tự động (AUTO) theo quy trình tuần tự:

1. Kiểm tra và phân loại: Băng tải 1 đưa bánh trung thu vào buồng kiểm tra. Khi cảm biến tiệm cận phát hiện bánh đến vị trí camera VSTECH, băng tải 1 tạm dừng 3 giây để hệ thống CVS Version 2 chụp ảnh và nhận diện màu sắc bao bì. Nếu bao bì đạt chuẩn (màu đỏ), băng tải tiếp tục chạy. Nếu bao bì lỗi màu, xi lanh 2 kích hoạt đẩy sản phẩm vào khay chứa phế phẩm.
2. Sắp xếp bánh vào hộp: Sản phẩm đạt chuẩn di chuyển tới vị trí cảm biến tiệm cận 3 (tại vị trí công tắc hành trình 1). Băng tải 1 dừng lại, xi lanh hạ xuống và cơ cấu giác hút chân không hút bánh lên. Động cơ 24V dẫn động cụm bàn trượt đưa bánh sang vị trí hộp carton (theo giới hạn của công tắc hành trình 2) rồi hạ bánh vào khay. Sau khi đặt bánh, động cơ bước dưới bàn xoay hộp kích hoạt quay một góc định sẵn ($90^\circ$). Chu trình lặp lại cho đến khi đủ 4 bánh trong một hộp.
3. Đóng hộp và dán băng dính: Khi cảm biến xác nhận hộp carton đã nhận đủ 4 bánh, xi lanh đẩy chuyển hộp sang Băng tải 2, đồng thời động cơ bước quay bàn gá về vị trí ban đầu. Trên Băng tải 2, động cơ 24V hạ cơ cấu cố định hai nắp trước - sau, tiếp đó hai xi lanh khí nén số 4 và 5 ở hai bên gập mép hộp. Động cơ 24V kéo hệ thống dây curoa miết dán băng keo lên miệng hộp, sau đó xi lanh số 6 tác động dao cắt đứt băng dính. Băng tải 2 tăng tốc đưa hộp thành phẩm chuyển sang kho chứa. Quá trình vận hành được dừng khẩn cấp khi nhấn nút E-STOP hoặc dừng tuần tự bằng nút STOP.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống kiểm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu

Chương này khảo sát bức tranh toàn cảnh về tự động hóa khâu đóng gói trong sản xuất công nghiệp và ngành bánh kẹo:

• Phân tích các dây chuyền phân loại sản phẩm công nghiệp phổ biến: phân loại theo mã vạch/mã QR (năng suất đạt tới 10.000 sản phẩm/giờ, cao gấp 5 lần thao tác quét tay thủ công), phân loại theo khối lượng (kiểm tra khối lượng động trực tuyến) và phân loại theo màu sắc (ứng dụng camera xử lý ảnh).
• Khảo sát hệ thống đóng gói bánh trung thu thực tế của Công ty ACB: dây chuyền sử dụng màng bao gói nhiệt, điều khiển bằng PLC kết hợp biến tần, sử dụng động cơ bước kéo màng túi, cảm biến quang (mắt thần) định vị điểm cắt màng và tích hợp bộ điều khiển nhiệt độ PID. Máy có kích thước làm việc yêu cầu diện tích lắp đặt khoảng $1,5\text{ m}^2$, tốc độ 40 gói/phút. Tác giả chỉ ra nhược điểm của dây chuyền ACB là chi phí đầu tư cao và chưa có khâu tự động xếp bánh vào hộp carton và dán thùng.
• Đề xuất phương án thiết kế hệ thống mới: Thiết lập công suất thiết kế lý thuyết cho quy mô công nghiệp đạt 30 hộp/phút (đối với hộp 4 bánh) và 20 hộp/phút (đối với hộp 8 bánh).
• Tính toán cơ khí cho Băng tải 1: Tính toán theo công thức tải trọng $W = 15\text{ kg}$ với hệ số ma sát băng tải $\mu = 0,15$, hệ số ma sát pully $\eta_1 = 0,95$, hệ số ma sát hộp giảm tốc $\eta_2 = 0,9$, chế độ làm việc 8 giờ/ngày; từ đó lựa chọn động cơ 3 pha giảm tốc $0,75\text{ kW}$ (1 HP), trục $28\text{ mm}$.
• Lựa chọn vật liệu cơ khí: Khung chịu lực chế tạo bằng inox SUS201; toàn bộ các chi tiết tiếp xúc trực tiếp với bánh trung thu sử dụng inox SUS304 để bảo đảm an toàn vệ sinh thực phẩm.
• Lập bản vẽ thiết kế điện: Bản vẽ bố trí thiết bị tủ điện kích thước $900 \times 700 \times 250\text{ mm}$ (vỏ tôn $1,5\text{ mm}$), bản vẽ mạch động lực, bản vẽ bảo vệ mất pha dùng rơ le XJ3 CHINT, bản vẽ cấp nguồn điều khiển 24VDC và bản vẽ điều khiển động cơ băng tải.

Chương 2: Giới thiệu về PLC S7-1200 và phần mềm TIA Portal

Chương 2 cung cấp cơ sở lý thuyết về phần cứng và công cụ phần mềm điều khiển:

• Trình bày kiến trúc phần cứng của PLC Siemens Simatic S7-1200: CPU tích hợp cổng truyền thông PROFINET hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP, cổng phát xung tốc độ cao, bộ đếm thời gian thực (RTC) và các module chức năng ghép nối (PS, SM, IM, FM, CP).
• Hệ thống hóa các kiểu dữ liệu sử dụng trong lập trình: BOOL, BYTE (8-bit), WORD (16-bit), INT (số nguyên 2 byte), DINT (số nguyên 4 byte), REAL (số thực dấu phẩy động), dữ liệu thời gian S5T, TOD, DATE, và kiểu CHAR.
• Phân tích ba ngôn ngữ lập trình cơ bản của PLC S7-1200: Ngôn ngữ dòng lệnh (STL), ngôn ngữ sơ đồ khối hàm (FBD) và ngôn ngữ bậc thang (LAD).
• Trình bày các bước cấu hình dự án trên TIA Portal V16: Khởi tạo Project, cấu hình phần cứng CPU (CPU 1214C), gán địa chỉ IP, dò tìm thiết bị thông qua card mạng PG/PC Interface và nạp chương trình (Extended download).
• Giới thiệu phần mềm giám sát WinCC Runtime Advanced: Cấu hình kết nối truyền thông công nghiệp (kết nối mạng Network và kết nối logic Connection qua cổng IE General), quản lý cơ sở dữ liệu ODBC/SQL, chức năng thu thập cảnh báo (Alarm Logging), quản lý công thức (Recipe) và thiết kế màn hình vận hành tương tác trực quan.

Chương 3: Thiết kế và thi công

Chương 3 tập trung vào quá trình hiện thực hóa mô hình thực nghiệm:

• Xây dựng sơ đồ khối chi tiết gồm Khối nguồn, Khối đầu vào, Khối điều khiển trung tâm và Khối chấp hành.
• Tính toán và chọn băng tải mô hình: Chiều dài băng tải 60 cm, bán kính trục $2,5\text{ cm}$, sử dụng động cơ giảm tốc tốc độ quay định mức $70\text{ rpm}$ cho cả Băng tải 1 và Băng tải 2.
• Phân tích đặc tính cảm biến khoảng cách hồng ngoại E18-D80NK: Nguyên lý phát - thu quang học, ngõ ra Transistor cực thu hở NPN có gắn sẵn điện trở kéo $10\text{ k}\Omega$, đánh giá ưu nhược điểm so với cảm biến radar (cảm biến hồng ngoại nhận biết được người và vật thể, dễ chỉnh góc quét, khoảng cách làm việc 3 – 80 cm).
• Tính chọn nguồn tổ ong 24VDC, nút nhấn nhả LA38 (tiếp điểm 1NO + 1NC), nút dừng khẩn cấp E-STOP (tiếp điểm thường đóng NC giữ trạng thái khi nhấn), rơ le trung gian Omron/Schneider HH52P (dòng định mức 5A, thời gian tác động dưới 20 ms).
• Phân tích nguyên lý làm việc của van điện từ 5/2: Ở trạng thái nghỉ, cửa 1 thông với cửa 2 và cửa 4 thông với cửa 5; khi cuộn dây được cấp điện 24VDC, trục van đảo chiều làm cửa 1 thông với cửa 4 và cửa 2 thông với cửa 3 để cấp khí nén đẩy xi lanh tác động kép.
• Phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ bước lưỡng cực 42V kết hợp mạch điều khiển TB6600: Cung cấp bảng cài đặt dòng điện định mức từ 0,5A đến 4,0A (thông qua các công tắc gạt SW4, SW5, SW6) và bảng thiết lập vi bước từ 200 xung/vòng (chạy đủ bước) đến 3200 xung/vòng (chạy 1/16 bước qua các công tắc SW1, SW2, SW3).
• Lập sơ đồ đấu nối chi tiết ngõ vào/ngõ ra (I/O) cho CPU 1214C và Module mở rộng SM1223; tiến hành gia công phần cơ khí (khung nhôm định hình, bàn trượt, bàn xoay) và lắp đặt tủ điện điều khiển công nghiệp.

Chương 4: Chương trình điều khiển và giám sát hệ thống

Chương này trình bày thuật toán và chương trình phần mềm:

• Lập bảng phân công đầu vào / đầu ra (I/O Allocation): Xác định các địa chỉ ngõ vào số (%I) từ cảm biến E18-D80NK, nút RUN, STOP, E-STOP, công tắc hành trình; các địa chỉ ngõ ra số (%Q) cấp tín hiệu cho rơ le trung gian điều khiển contactor động cơ băng tải, van khí nén xi lanh, giác hút và xung điều khiển động cơ bước.
• Xây dựng lưu đồ thuật toán: Mô tả logic điều khiển vòng kín theo thời gian thực từ bước nhận phôi, dừng kiểm tra màu sắc, rẽ nhánh phân loại lỗi, kích hoạt gắp thả bánh, xoay bàn gá 4 góc $90^\circ$, đến các công đoạn đóng thùng và dán băng keo.
• Xây dựng chương trình điều khiển dạng LAD: Chia thành hơn 20 Network chức năng trên hàm khối chính Main [OB1], bao gồm:
  • Network 1: Xử lý nút nhấn RUN/STOP và duy trì bit trạng thái hoạt động hệ thống (%M20.1, %M20.0).
  • Network 5 & 10: Khối hàm định thời gian TON trễ hút giữ vật thể, kiểm tra điều kiện an toàn và khối so sánh miền giá trị IN_RANGE để điều khiển xi lanh nâng hạ giác hút.
  • Network 16 – 20: Chuỗi logic kích hoạt các xi lanh gập nắp thùng carton (xi lanh gập trái, gập phải), động cơ miết băng dán keo, xi lanh cắt băng dính và tín hiệu tăng tốc Băng tải 2 để xuất kho thành phẩm.
• Thiết kế giao diện WinCC RT Advanced: Tạo màn hình SCADA mô phỏng trạng thái động của hệ thống (hiển thị trạng thái các động cơ, cảm biến, số lượng sản phẩm hoàn thành, báo lỗi hệ thống và cung cấp các nút nhấn điều khiển ảo).

---

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Kết quả nghiên cứu và chế tạo

• Hoàn thành thiết kế kỹ thuật hệ thống kiểm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu với các bản vẽ mạch động lực, mạch điều khiển bảo vệ và sơ đồ đấu nối I/O đạt tiêu chuẩn công nghiệp.
• Gia công và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm hoạt động đồng bộ giữa phần cứng cơ khí, mạch điện - khí nén và bộ điều khiển trung tâm.
• Lập trình điều khiển thành công trên PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C kết hợp module SM1223 bằng ngôn ngữ LAD; tích hợp xử lý tín hiệu phân loại màu sắc từ hệ thống camera VSTECH (CVS Version 2).
• Thiết lập giao diện điều khiển, giám sát và cảnh báo thời gian thực trên nền tảng WinCC Runtime Advanced kết nối thông suốt qua mạng PROFINET.
• Quá trình chạy thử nghiệm cho thấy mô hình hoạt động ổn định, thực hiện đúng chu trình phân loại - gắp bánh - xoay bàn gá 4 vị trí - đóng hộp và cắt băng keo dán với xác suất lỗi thấp.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

• Giải quyết khâu tự động hóa còn thiếu: Đề tài đã nghiên cứu giải quyết công đoạn sau đóng gói màng túi (xếp bánh vào hộp và dán thùng) — khâu mà các dây chuyền thực tế hiện nay (như máy đóng gói của Công ty ACB) vẫn phụ thuộc hoàn toàn vào lao động thủ công.
• Tính đồng bộ công nghệ: Kết hợp thành công kỹ thuật xử lý ảnh công nghiệp với công nghệ điều khiển khả trình PLC, kỹ thuật điều khiển động cơ bước chính xác và hệ thống chấp hành khí nén.
• Tài liệu hóa thiết kế: Cung cấp đầy đủ các bước tính toán tải trọng động cơ băng tải công nghiệp, phương pháp lựa chọn thiết bị đóng cắt bảo vệ (bảo vệ quá áp, thấp áp, mất pha bằng XJ3 CHINT) và quy trình cài đặt vi bước cho mạch lái động cơ bước TB6600.

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế của đề tài

• Kết cấu cơ khí: Do điều kiện gia công thực nghiệm, phần cơ khí của mô hình còn sử dụng một số chi tiết thủ công, tính thẩm mỹ công nghiệp chưa cao và kết cấu bàn trượt chưa đạt độ tối ưu hóa tuyệt đối về mặt động lực học.
• Khai thác phần mềm PLC: Chương trình lập trình chủ yếu tập trung vào các tập lệnh logic tuần tự và khối hàm cơ bản (Timer, Counter, so sánh miền); chưa khai thác hết các tập lệnh điều khiển chuyển động nâng cao (Motion Control) hoặc xử lý ngắt tốc độ cao của dòng CPU S7-1200.
• Mức độ tích hợp quy mô: Mô hình dừng lại ở mức độ nghiên cứu và kiểm chứng chức năng tại phòng thí nghiệm, còn thiếu các công đoạn liên hoàn của nhà máy như khâu cấp phôi tự động từ lò nướng hoặc khâu in hạn sử dụng lên bao bì.

Hướng phát triển tiếp theo

• Cải tiến và nâng cấp kết cấu cơ khí chính xác, gia công khung vỏ bằng máy CNC công nghiệp để tăng tính thẩm mỹ và độ vững chắc khi vận hành dài hạn.
• Tối ưu hóa thuật toán điều khiển trên TIA Portal, ứng dụng công nghệ điều khiển phát xung chuyển động trục (Motion Control - PTO/PWM) để tăng tốc độ và độ êm ái cho cụm bàn trượt và bàn xoay.
• Mở rộng nghiên cứu kết nối hệ thống với các công đoạn trước và sau để tạo thành một dây chuyền sản xuất bánh kẹo khép kín hoàn chỉnh.
• Nghiên cứu và cấu hình tính năng Web Server tích hợp trên PLC Siemens S7-1200, cho phép giám sát thông số vận hành và điều khiển hệ thống từ xa qua trình duyệt web trên thiết bị di động hoặc máy tính bảng.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điện - Điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về quy trình thực hiện một đồ án tốt nghiệp từ khâu khảo sát, tính toán phụ tải cơ khí, thiết kế bản vẽ tủ điện, lựa chọn khí cụ điện đến kỹ thuật lập trình PLC S7-1200 trên TIA Portal V16.
• Người nghiên cứu các hệ thống đóng gói và phân loại sản phẩm: Tham khảo phương pháp phối hợp giữa camera xử lý ảnh công nghiệp (Machine Vision) và PLC qua ngõ vào số; quy trình tính toán lực và công suất động cơ băng tải kéo hàng.
• Kỹ sư bảo trì, lắp ráp tủ điện: Có thể tham khảo trực tiếp sơ đồ mạch bảo vệ điện áp 3 pha sử dụng rơ le XJ3 CHINT (chống mất pha, lệch pha, quá/thấp áp) và sơ đồ mạch ghép nối các module mở rộng I/O của Siemens.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài sử dụng cấu hình PLC nào và giải quyết bài toán thiếu hụt chân tín hiệu ngõ vào/ngõ ra ra sao?
Đề tài sử dụng bộ điều khiển khả trình PLC Siemens Simatic S7-1200 với CPU mã hiệu 1214C DC/DC/DC (tích hợp sẵn 14 ngõ vào số DI và 10 ngõ ra số DQ). Để đáp ứng toàn bộ các tín hiệu đầu vào từ hệ thống cảm biến quang, công tắc hành trình, nút bấm vận hành và đầu ra điều khiển cho hệ thống van khí nén, động cơ băng tải, động cơ bước, nhóm tác giả đã tích hợp thêm một module mở rộng tín hiệu số SM1223.

2. Quá trình kiểm tra và phân loại bao bì bánh trung thu lỗi màu sắc diễn ra theo cơ chế nào?
Khi cảm biến tiệm cận hồng ngoại phát hiện bánh trung thu di chuyển vào buồng kiểm tra, PLC điều khiển dừng Băng tải 1 trong thời gian 3 giây. Đồng thời, hệ thống camera công nghiệp VSTECH nhận tín hiệu kích hoạt từ cảm biến, chụp hình sản phẩm và chuyển dữ liệu sang bộ xử lý ảnh CVS (Color Vision System) Version 2. Tại đây, phần mềm phân tích mã màu bao bì: nếu màu đạt chuẩn (màu đỏ), bánh được phép đi tiếp sang khâu gắp; nếu phát hiện màu sắc sai lệch so với mẫu đặt trước, hệ thống kích hoạt xi lanh khí nén số 2 đẩy sản phẩm ra khay chứa phế phẩm.

3. Rơ le XJ3 của hãng CHINT trong sơ đồ mạch động lực đảm nhận chức năng bảo vệ gì?
Rơ le bảo vệ điện áp XJ3 CHINT được bố trí ở mạch động lực nhằm bảo vệ hệ thống trước các sự cố lưới điện 3 pha xoay chiều:

• Bảo vệ quá áp trong dải 380 ~ 460VAC với thời gian trễ cắt từ 1,5 đến 4 giây.
• Bảo vệ thấp áp trong dải 300 ~ 380VAC với thời gian trễ cắt từ 2 đến 9 giây.
• Phát hiện tức thời sự cố mất pha hoặc sai thứ tự pha.
  Khi xảy ra sự cố trên bất kỳ pha nào, XJ3 lập tức ngắt tiếp điểm điều khiển, cắt nguồn cấp cho toàn bộ mạch điều khiển để bảo vệ động cơ và các thiết bị phụ tải không bị hư hỏng.

4. Động cơ bước và mạch lái TB6600 đóng vai trò gì trong khâu sắp xếp bánh vào hộp?
Động cơ bước lưỡng cực 42V kết hợp mạch điều khiển (Driver) TB6600 được bố trí bên dưới bàn xoay chứa hộp carton. Khác với động cơ thông thường quay liên tục, động cơ bước cho phép cố định góc quay chính xác theo từng chuỗi xung rời rạc phát ra từ PLC. Khi cơ cấu hút chân không đặt một chiếc bánh vào khay hộp, động cơ bước nhận lệnh quay chính xác một góc $90^\circ$ để chuyển vị trí khay trống tiếp theo đón chiếc bánh kế tiếp, đảm bảo sắp xếp đủ 4 chiếc bánh vào đúng 4 ngăn của hộp carton một cách tuần tự.

5. Các thông số kích thước và động học của băng tải trên mô hình thực nghiệm được chế tạo như thế nào?
Trên mô hình thực nghiệm, tác giả thiết kế hai hệ thống băng tải (Băng tải 1 đưa bánh vào và Băng tải 2 đưa hộp đi dán):

• Mỗi băng tải có chiều dài 60 cm, bán kính trục truyền động $r = 2,5\text{ cm}$.
• Hệ thống dẫn động sử dụng động cơ giảm tốc DC có tốc độ định mức $70\text{ rpm}$, giúp băng tải vận chuyển sản phẩm với tốc độ ổn định, phù hợp với thời gian đáp ứng của cảm biến quang và xi lanh gắp bánh.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống kiểm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu" của sinh viên Phan Hoàng Hải và Nguyễn Tùng Dương (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng) đã nghiên cứu và giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa công đoạn hậu kỳ của quy trình sản xuất bánh kẹo. Tác giả đã kết hợp thành công cơ sở lý thuyết tính toán phụ tải công nghiệp với việc chế tạo mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh, ứng dụng đồng bộ PLC Siemens S7-1200, camera xử lý ảnh VSTECH, hệ thống khí nén và mạng giám sát SCADA WinCC. Mặc dù kết cấu cơ khí còn mang tính chất thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, công trình đã thể hiện phương pháp tiếp cận khoa học, cung cấp hệ thống bản vẽ đấu nối và chương trình điều khiển có độ tin cậy và giá trị ứng dụng kỹ thuật rõ ràng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Tổng quan về hệ thống kiểm tra sắp xếp và đóng gói bánh trung thu Chương 2: Giới thiệu vềPLC 1200 và phần mềm TIA Portal Chương 3: Thiết kế ương 4: Chương trình điều khiển và giám sát hệ thong Kết luận LỜI NÓI ĐẦU Trong sự công nghiệp hoá, hiện đại hoá của mỗi đất nước có thể nói một trong những tiêu chí để đánh giá sự phát triển kinh tế là mức độ tự động hoá trong các quá trình sản xuất, mà trước hết đó là năng suất và chất lượng sản phâm làm ra. Vì vậy vai trò của công nghệ tự động hoá trong nền chế tạo, sản xuất trên thế giới là cực kì to lớn Trong xu hướng chung đó thì tự động hoá trong một hệ thống làm bánh là thật sự không thể thiếu, đặc biệt sản xuất bánh kẹo lại là một ngành đặc thù đóng góp không nhỏ trong việc phát triển một nền kinh tế. Để công việc sản xuất bánh kẹo một cách khoa học theo các yêu cầu như điều khiển tự động, lính hoạt, tiện lợi, đạt hiệu quả cao thì hệ thống kiểm tr, sắp xếp và đóng gói đóng một hết sức quan trọng trong chuỗi toàn bộ quy trình thực hiện. Hệ thống kiểm tra, sắp xếp và đóng gói sản phẩm cũ đã được ứng dụng rất nhiều lĩnh vực sản xuất khác nhau như: thực phẩm, dược phẩm, công nghiệp sản xuất linh kiện và phụ kiện.

Qua do án tốt nghiệp, chúng em muốn giới thiệu về đề tài “Thiết kế hệ thống kiểm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu” sử dụng PLC 1200. Tập đồ án này có thể làm tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến các vấn đề liên quan đến hệ thống. Sinh viên thực hiện: Phan Hoàng Hải guyén Tùng Dương MỤC LỤC CHUONG 1: TONG QUAN VE HE THONG KIEM TRA, SAP XEP VA DONG Tổng quan hệ thống kiểm tra, sắp xếp và đóng gói trong công nghiệp Hệ thông kiêm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu trong công nghiệp Ngiên cứu một hệ thống sắp xếp, đóng gói bánh trung thu cụ thể Thiết kế hệ thông kiểm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu Nguyên lý hoạt động Phương án thiết kế Lựa chọn thiết bị CHUONG 2: GIOI THIEU VE PLC S7 1200 VA PHAN MEM TI Tổng quan về PLC Giới thiệu về PLC S7 Giới thiệu về phần mém TIA Portal V16 Làm việc với phần mềm TIA portal VI6 Tổng quan WinCC Tạo kết nói và thiết kế giao diện WinCC CHUONG 3: THIET KE VA THI CONG Yêu cầu công nghệ của hệ thống Thiết kế phần cứng Lựa chọn thiết bị thi công mô hình Băng tải Cảm biến hồng ngoại EI8D§0NK Nguồn tô ong Nút nhắn Nút đừng khẩn cấp E Van điện từ Công tắc hành trình Động cơ bước Sơ đồ đấu nối CHUONG 4: CHUONG TRINH DIEU KHIEN VA GIAM SAT HỆ Bảng phân công đầu vào đầu ra Lưu đồ thuật toán Chương trình điều khiến Thiết kế giao diện điều khiến và giám sát Truyền thông 2 PLC CHUONG KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH SÁCH CAC HINH VE Hinh 1.1: Hé théng san xuat banh ty déng Hình 1.2: Dây chuyền phân loại sản phẩm theo mã vạch Hình 1.3: Dây chuyền phân loại theo màu sắc Hình 1.4: Dây chuyền sản xuất bánh trung thụ Hình I.5: Hệ thông đán nhãn bánh trung thụ Hình 1.6: Hệ thống đóng gói bánh của công ty ACB Hình 1.7: Công nhân công ty ACB đang vận hành hệ thống .9: Relay nhiệt l,6 — Hình I.11: Giải pháp sử dụng camera xử lí Hình 1.13: Biến tần ATV310H075N4E Hình 1.14: Dé cau chi DF81 8.16: Sơ đồ chân XJ3 Hình 1.19: Ban vé tu dién 0: Ban vé bé tri thiét bi Hinh 1.21: Ban vé so dé déng lye Hình 1.22: Bản vẽ bảo vệ mat pha Hình 1.23: Bản vẽ cấp nguồn Hình 1.24: Bản vẽ mạch động lực va điều khiển ĐC bang tai 1 Hình 2.4: Module mở rộng tín hiệu vảo/ra Hình 2.5: Module truyền thông Hình 2.7: Phần mềm tia portal V16 Hình 2.8: Biểu tượng TIA Portal V16 Hình 2.12: Cấu hình PLC §7 Hình 2.14: Thanh công cụ 2.15: Tìm và kết nỗi dia chi IP PLC Hình 2.18: Giao diện chọn WinCC Hinh 2.19: Thêm Card mạng Hình 2.20: Tạo kết nỗi Network Hình 2.21: Tạo kết nỗi connection Hình 2.22: Cửa số Divices Hình 2.23: Giao diện làm việc WIinCC Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.2: Băng tải Hình 3.4: So dé chan E18D80NK Hình 3.5: Cau tao và kết nối cam bién EL8D80NK Hình 3.6: Nguồn tổ ong Hình 3.7: Nút nhắn nhả LA 38 Hình 3.8: Nút đừng khân cấp E Hình 3.11: Cấu tạo van 5/2 Hình 3.13: Công tắc hành trình .14: Động cơ bước Hình 3.15: Cấu tạo động cơ bước ơ đồ đâu nỗi PLC ơ đồ đấu nối Module SM1223 Hình 3.19: Bản vẽ bảng điện phân bố thiết bị Hình 3.20: Thi công phần cơ khí Hình 3.21: Thi công phần điện Hình 4.1: Bảng phân công đầu vào Hình 4.2: Bảng phân công đầu ra Hình 4.3: Lưu đỗ thuật toán Hình 4.8: Giao diện giảm sát WINCC Hình 4.4: Kết nối 2 PLC Hình 4.5: Truy cập đữ liệu các PLUC Hình 4.6: Tạo datablock giữa 2 PLC Hình 4.7: Tạo hàm PUT dữ liệu trên Master(a) Hình 4.8: Tạo hàm PUT dữ liệu trên Master(b) DANH SÁCH CÁC BẢNG BIÊU Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật camera VSTECH Bang 1.2: Thống số kỹ thuật X73 Bảng 1.3: Bảng thông số relay trung gian Bảng 1.4: Thông số MCCB 40A Bang 3.1: Thông số kỹ thuật cho nguồn 6 ong 24V Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật mút nhấn LA 38 Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật Relay trung gian HH52P Bảng 3.4: Bảng thông số động cơ bước dc4Úncm Bảng 3.5: Cài đặt cường độ dòng điện 1B6600 Bảng 3.6: Bảng cài đặt vị trí bước cho driver DANH SÁCH CAC KY HIEU, CHU VIET TAT DC Dong co Thiết kế hệ thông kiểm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu Ở ĐÁ Ngày nay, xu hướng Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa đấtnước hoa học kỹ thuật luôn phát triển trong tất cả các lĩnh vực, nhất là nghành sản xuất. Việc đòi hỏi cải tiễn và nâng cấp hệ thông sản xuất luôn là ưu tiên hàng đầu Một trong những hệ thông đó là phân loại và đóng gói sản pham tự động.

Hệ thống này giúp cho quá trình sản xuất trở nên linh hoạt hơn, tiết kiệm thời gian và nhân lực, tăng sản lượng, năng suất từ đó đem lại lợi ích kinh tế cao và hiệu quả. Trước thực tiễn đó, chúng em đã quyết định chọn đề tài “Hệ thông kiểm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu” đề nghiên cứu và thực hiện. Mục tiêu đề tài là sẽ nghiên cứu chê tạo thành công hệ thông phân loại, sắp xêp vả đóng gói bánh trung thu giúp giảm sức lao động, tránh được sự nhàm chán trong việc, cái thiện được điều kiện làm việc của con người, tạo cho con người tiệp cận với sự tiên bộ của khoa học kỹ thuật và được làm việc trong môi trường ngày cảng tốt hơn. Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền để cho việc giảm giá thành sản phẩm, cũng như thay đối mẫu mã một cách nhanh chóng và hơn hết giúp cho việc quản lý và giám sát trở nên đơn giản hơn.

Phương pháp nghiên cứu mà nhóm đã thực hiện là tham khảo các tài liệu trên nghiên cứu của các khoá trước. Tham khảo hệ thông làm bánh thực tế trên địa bản thành phố để nhìn nhận các vấn đề được và chưa được qua đó rút phương án tốt nhất. Phan Hoàng Hải Nguyễn Tùng Dương GVHD: TS. Nguyễn Đức Quận Thiết kế hệ thông kiêm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu CHUONG 1: O EE O E A E DONG GOI BANH TRUNG é é 6 é ắ _ ếp và đóng gói trong công nghié 6 ow é ou o y a ÿ_ âtdiệ u ma trong d6 dié é ow động đóng vai trò hé ứ Ọ ọI lĩnh vự uy a a ệ vưđộ ả ất.

dođóchúngtaphả 4 4 4 ou ộ ệ a a a ự é u é 0 € 6 ự én dié é ưđộ é ự độ ộ é a a é a a 6 đóng gói chiế 6 1 é wt Ọ é aa a ột bài toán đã và đang đượ ứ ụ A é ự ế ệ ỨC n8ườ ệc này đòihỏ uw a a ai nên công nhân khó đả ả ự ệc. Chưa kể ữ 8 Ư ê ÿ_ ậ á 6 ắt thườ é 4 dié ảnh hưở uw é 6 a ất cũng như uy tín củ a a 4 wrady u 6 6 é aa 4 4 € amdapu a y ứcđộ ứ ạ du đưa ra mà cáchệ 6 6 6 ột đặc dié ệ 6 ện đang khálớn đặ ệtlàđố Gidié 6 ủ 6 ậ _ệnnay đa phà i duo ụ ệ 6 A ứ ạ ột lượ 6 é w oo ệ A ự € ứ wecon nguoi dé é ự động hoá hoàn toàn chưa đượ ụ ữ é ạI, đóng gói a éu khi cho nang sua ap và chưa đạtđộ é a Phan Hoàng Hải Nguyễn Tùng Dương GVHD: TS. Nguyễn Đức Quận Thiết kế hệ thông kiêm tra, sắp xếp và đóng gói bánh trung thu s* Dây chuyền kiểm tra phân loại sản phẩm Dây chuyền phân loại sản phâm là dây chuyền tự động phục vụ cho công đoạn phân loại đóng gói, chế biến, xuất nhập kho hàng hóa. Nơi mà các sản phẩm được phân loại theo một hoặc một số tiêu chí nhưk thước, chiều cao, trọng lượng, màu sắc.

nhờ công nghệ tiên tiến với camera kiểm tra sản phẩm. Các sản phẩm được phân loại giúp đảm bảo các tiêu chí thành phẩm, đảm bao độ đồng đều về hình dáng, trọng lượng trước khi đóng gói hoặc các tiêu chí phân loại theo thông tin và mục đích sử dụng nảo đó của nhà sản xuất. Sản phâm được phân loại được chuyên sang dây chuyền đóng gói tự động. Nếu như phương pháp phân loại sản phẩm truyền thống yêu cầu không gian làm việc rộng hơn cho số lượng người tham gia phân loại lớn, thời gian phân loại lâu va dé sai sót thì nay với đây chuyền phân loại sản phẩm tự động thì số lượng công nhân đã giảm xuống đáng kế khi năng suất lại tăng lên cùng với tỉ lệ nhằm lẫn, sai sót được kiểm soát.

Một số dây chuyền phân loại sản phẩm phô biến: Dây chuyên phân loại sản phâm theo mã vạch Dây chuyền phân loại sản phẩm theo mã vạch được sử dụng rất phô biến hiện nay. Dây chuyền sorting này được sử dụng để phân loại các kiện hàng, bưu phẩm, sản phẩm thành phẩm đã được đóng thùng carton, đóng túi và dán mã vạch, mã QR. Các hộp, thùng hàng được đặt lên băng tải phân loại bởi công nhân hoặc cánh tay robot cộng tác (robot xếp hàng lên băng tải).