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

• 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

• 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

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.