Đồ án thiết kế mô hình máy dán nắp hộp carton, cân kiểm tra và đếm sản phẩm tại Trường ĐH SPKT TP.HCM

Nghiên cứu thiết kế và thi công mô hình máy dán nắp hộp carton tự động, tích hợp hệ thống cân kiểm tra bằng Loadcell và đếm sản phẩm qua PLC S7-1200.

• Tác giả: Phan Thị Hà
• Người hướng dẫn: ThS. Phùng Sơn Thanh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện, Điện tử
• Đề tài: Thiết kế và thi công mô hình máy dán nắp hộp carton tích hợp hệ thống cân kiểm tra và đếm sản phẩm
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế máy dán nắp hộp carton và cân kiểm tra HCMUTE

Đề tài thiết kế máy dán nắp hộp carton và cân kiểm tra tại HCMUTE do sinh viên khoa Điện – Điện tử Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM phát triển. Hệ thống giải quyết trọn vẹn chu trình hoàn thiện bao bì sản phẩm công nghiệp. Quy trình đóng gói thủ công truyền thống thường tiêu tốn nhiều thời gian và chi phí. Công nhân thao tác dễ xảy ra sai lệch về quy chuẩn kích thước cũng như khối lượng tịnh. Mô hình ra đời nhằm tự động hóa hoàn toàn các công đoạn dán miệng thùng, kiểm tra tải trọng và thống kê sản lượng xuất xưởng. Sự kết hợp giữa cơ khí chính xác, điều khiển lập trình và khí nén tạo nên một dây chuyền làm việc nhịp nhàng. Hệ thống vận hành trơn tru ở cả hai chế độ tự động và thủ công qua nút nhấn điều khiển. Trọng tâm của đồ án tập trung vào tính ổn định, tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn cao trong các nhà máy sản xuất hàng tiêu dùng. Việc ứng dụng công nghệ hiện đại giúp rút ngắn chu kỳ đóng gói, đảm bảo tính đồng đều của thành phẩm và nâng cao năng lực cạnh tranh cho doanh nghiệp sản xuất.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu và phạm vi đề tài

Đề tài hướng tới mục tiêu hoàn thiện mô hình cơ điện tử khép kín phục vụ khâu đóng gói cuối dây chuyền. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế cơ khí 3D, tính toán công suất động cơ băng tải và lập trình điều khiển tự động. Hệ thống tập trung xử lý các hộp carton có kích thước định hình sẵn. Cơ cấu dán nắp sử dụng băng keo công nghiệp tạo mối dán kín, thẳng và đều. Băng tải cân tích hợp cảm biến đo lực chính xác để xác định khối lượng từng kiện hàng. Hệ thống loại bỏ ngay lập tức những kiện hàng thiếu hụt hoặc vượt ngưỡng quy định. Thiết bị đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người vận hành trong nhà xưởng.

1.2. Ý nghĩa thực tiễn đối với doanh nghiệp sản xuất

Tự động hóa dây chuyền đóng gói giúp doanh nghiệp giải quyết bài toán thiếu hụt lao động phổ thông. Chi phí đầu tư hệ thống mang lại hiệu quả hoàn vốn nhanh chóng nhờ giảm thiểu tỷ lệ hàng lỗi. Việc kiểm soát khối lượng chuẩn xác bảo vệ uy tín thương hiệu trên thị trường. Người tiêu dùng luôn nhận được các thùng hàng đủ số lượng sản phẩm bên trong. Thiết bị vận hành liên tục không mệt mỏi, nâng cao đáng kể năng suất đóng gói mỗi ca làm việc. Môi trường lao động trở nên chuyên nghiệp và hiện đại hơn. Toàn bộ dữ liệu số lượng thùng đạt và không đạt đều được lưu trữ trực quan để phục vụ quản lý.

II. Phân tích bài toán đóng gói carton và cân kiểm tra tại HCMUTE

Quá trình phân tích thực trạng đóng gói carton cho thấy nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng trong sản xuất thủ công. Người lao động dễ mệt mỏi sau nhiều giờ làm việc lặp lại đơn điệu. Mép dán băng keo bằng tay thường bị nhăn, lệch trục hoặc hở mép dính. Điều này làm giảm tính thẩm mỹ và khiến hộp dễ bung rách khi vận chuyển xa. Vấn đề kiểm soát trọng lượng thành phẩm còn tiềm ẩn nhiều sai sót chủ quan. Việc bỏ quên sản phẩm hoặc đóng thừa số lượng gây thiệt hại kinh tế trực tiếp. Ngoài ra, việc dùng cân đồng hồ cơ học hoặc cân điện tử rời rạc làm gián đoạn dòng chảy sản xuất liên tục. Dây chuyền đòi hỏi một giải pháp cân động tích hợp ngay trên băng tải chạy. Thách thức kỹ thuật đặt ra là duy trì độ ổn định tín hiệu cảm biến khi vật thể di chuyển qua bàn cân. Rung động từ động cơ và kết cấu khung máy có thể làm méo mó kết quả đo lường. Hệ thống phân tích cần xử lý triệt để bài toán chống rung và bù nhiễu cơ học.

2.1. Hạn chế của quy trình dán nắp và kiểm tra thủ công

Thao tác dán nắp thủ công tạo ra năng suất không ổn định giữa các ca làm việc. Tốc độ dán tay phụ thuộc hoàn toàn vào sức khỏe và kỹ năng của công nhân. Thùng carton dễ bị bẹp góc do lực đè nén không đồng đều. Khâu cân kiểm tra bằng phương pháp cân tĩnh tốn thêm mặt bằng và thao tác nhấc đặt. Sai sót con người khi ghi chép số liệu gây nhầm lẫn trong khâu bàn giao kho bãi. Tỷ lệ hàng đổi trả gia tăng làm suy giảm uy tín của nhà máy sản xuất. Việc thiếu dữ liệu giám sát thời gian thực khiến cấp quản lý khó đánh giá chính xác năng suất từng phân xưởng.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống tự động hóa

Một hệ thống hoàn chỉnh phải đảm bảo vận hành nhịp nhàng giữa các khối chức năng. Cơ cấu dán nắp cần ép chặt mép thùng và cắt băng keo sắc gọn, không dính vụn. Băng tải cân yêu cầu độ phẳng cao và chuyển động êm dịu, không giật cục. Cảm biến quang học phải phát hiện chính xác vật cản ngay cả khi thùng carton có màu sẫm. Tín hiệu tải trọng từ cảm biến cân cần được khuếch đại và lọc nhiễu nhanh chóng. Cơ cấu chấp hành xi lanh khí nén phải phản ứng tức thì để đẩy thùng lỗi sang làn riêng. Giao diện điều khiển phải trực quan, dễ thao tác và hiển thị rõ ràng thông số vận hành.

III. Phương pháp thiết kế máy dán nắp carton và cân kiểm tra HCMUTE

Nhóm nghiên cứu tại HCMUTE đã đề xuất giải pháp đồng bộ kết hợp cơ khí, điều khiển và khí nén. Mô hình 3D toàn bộ khung máy, cụm gập nắp và băng chuyền được thiết kế chi tiết trên phần mềm SolidWorks. Bản vẽ cơ khí tính toán cẩn thận phân bố tải trọng và khoảng cách giữa các trạm làm việc. Hệ thống điện động lực và điều khiển được thiết kế chuẩn xác bằng phần mềm Eplan Electric. Trái tim điều khiển của hệ thống là PLC Siemens S7-1200 lập trình trên môi trường TIA Portal. Bộ điều khiển tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến quang vỏ nhựa ABS và cảm biến lực Loadcell dạng thanh uốn bằng hợp kim nhôm. Khi hộp carton đi qua trạm cân, Loadcell chuyển đổi biến dạng dây kim loại strain gauge trên cầu Wheatstone thành tín hiệu điện áp tương ứng. PLC xử lý giải thuật lọc số, đối chiếu giá trị đo với khối lượng chuẩn cài đặt trước. Nếu phát hiện sản phẩm lỗi, PLC xuất lệnh kích hoạt van điện từ điều khiển xi lanh khí nén loại bỏ sản phẩm.

3.1. Thiết kế cơ khí và tích hợp cảm biến Loadcell

Cơ cấu băng tải cân sử dụng dây đai PVC bề mặt nhẵn giúp hộp di chuyển êm dịu. Bộ truyền động sử dụng động cơ giảm tốc gắn kèm khung thép cứng vững. Bàn cân được lắp trực tiếp lên cảm biến tải trọng Loadcell bằng hợp kim nhôm chịu lực cao. Nguyên lý đo lường dựa trên sự biến dạng của mạch cầu Wheatstone khi chịu tải trọng hộp carton. Cảm biến quang học vỏ nhựa ABS đặt ở đầu bàn cân giúp nhận biết chính xác thời điểm kiện hàng đi vào. Cơ cấu gạt sử dụng xi lanh khí nén thân thép với hành trình đẩy dứt khoát. Toàn bộ cụm chi tiết cơ khí được tối ưu hóa kích thước nhằm triệt tiêu tối đa rung động truyền từ bên ngoài.

3.2. Lập trình điều khiển PLC S7 1200 và giao diện WinCC

Phần mềm TIA Portal đóng vai trò lập trình toàn bộ logic hoạt động cho PLC Siemens S7-1200. Chương trình xử lý tín hiệu analog từ mô-đun cân để tính toán khối lượng tức thời. Các thuật toán định thời đảm bảo cơ cấu dán nắp và xi lanh khí nén hoạt động ăn khớp nhịp nhàng. Đồng thời, giao diện giám sát SCADA được thiết kế chuyên nghiệp trên WinCC. Người vận hành dễ dàng theo dõi trực tiếp số lượng thùng carton hoàn thiện, số lượng hàng lỗi và trọng lượng từng thùng. Mọi thông số cảnh báo sự cố kỹ thuật đều hiển thị kịp thời trên màn hình điều khiển. Hệ thống cho phép xuất báo cáo sản xuất phục vụ công tác quản lý kho vận thuận tiện.

IV. Đánh giá ứng dụng máy dán nắp hộp carton và cân kiểm tra HCMUTE

Kết quả thực nghiệm mô hình chứng minh tính đúng đắn và hiệu quả vượt trội của giải pháp thiết kế. Mô hình máy dán nắp hộp carton tích hợp cân kiểm tra tại HCMUTE vận hành ổn định trong nhiều giờ thử nghiệm liên tục. Cơ cấu dán nắp miết chặt băng keo, cho đường dán thẳng và không để lại nếp gấp nhăn nhó. Hệ thống cân kiểm tra đạt độ chính xác cao với sai số nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn đóng gói công nghiệp. Cơ cấu loại bỏ phế phẩm bằng khí nén hoạt động dứt khoát, không gây va đập làm móp méo các sản phẩm đạt chuẩn lân cận. Khả năng giám sát và thu thập dữ liệu sản xuất thông qua WinCC hỗ trợ đắc lực cho khâu quản trị nhà máy. Thành công của đề tài tạo tiền đề vững chắc cho việc chuyển giao công nghệ sang các xưởng đóng gói thực tế. Mô hình đáp ứng tốt tiêu chuẩn kỹ thuật trong ngành đóng gói dược phẩm, thực phẩm và linh kiện điện tử.

4.1. Kết quả kiểm nghiệm và độ ổn định thực tế

Quá trình thử nghiệm chạy liên tục ghi nhận tỷ lệ dán kín hộp carton thành công đạt mức gần như tuyệt đối. Cảm biến Loadcell đo lường trọng lượng nhanh chóng với độ lặp lại tín hiệu rất cao. Hệ thống phát hiện chính xác các sản phẩm thiếu linh kiện hoặc vượt ngưỡng khối lượng cho phép. Cơ cấu xi lanh khí nén loại bỏ phế phẩm dứt khoát với tỷ lệ gạt chính xác một trăm phần trăm. Động cơ băng tải hoạt động êm ái, kiểm soát tốc độ ổn định giúp giảm thiểu chấn động cơ học. Toàn bộ chu trình từ lúc cấp hộp đến khi phân loại diễn ra liền mạch và không xảy ra hiện tượng kẹt hàng trên băng chuyền.

4.2. Khả năng mở rộng và triển khai công nghiệp

Mô hình sở hữu kiến trúc mô-đun linh hoạt, cho phép dễ dàng tích hợp thêm các thiết bị ngoại vi hiện đại khác. Doanh nghiệp có thể lắp đặt bổ sung đầu đọc mã vạch QR code hoặc máy in phun hạn sử dụng tự động. Hệ thống PLC Siemens S7-1200 dễ dàng kết nối mạng truyền thông công nghiệp Profinet lên hệ thống điều hành sản xuất MES của nhà máy. Giải pháp thiết kế này vừa vặn với quy mô đầu tư của các doanh nghiệp vừa và nhỏ tại Việt Nam. Chi phí chế tạo hợp lý giúp cơ sở sản xuất đẩy mạnh chuyển đổi số khâu hoàn thiện đóng gói bao bì mà không cần thay thế dây chuyền cũ.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu hướng phát triển công nghiệp hiện đại, tự động hóa các dây chuyền đóng gói hàng hóa là nhu cầu thiết yếu nhằm nâng cao năng suất, đảm bảo tính đồng đều, độ thẩm mỹ và đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh, đặc biệt trong các ngành thực phẩm và hàng tiêu dùng nhanh (FMCG). Sau công đoạn gia công và đóng gói sơ cấp, sản phẩm thường được xếp vào các hộp carton để bảo vệ khỏi va đập, bụi bẩn và tác động môi trường trong quá trình lưu kho, vận chuyển.

Tuy nhiên, khảo sát thực tế tại thị trường Việt Nam cho thấy phần lớn các máy dán thùng carton công nghiệp hiện nay có chi phí đầu tư cao, kích thước cồng kềnh hoặc là dạng máy bán tự động đòi hỏi công nhân phải gập nắp hộp thủ công trước khi đưa vào máy dán. Mặt khác, các hệ thống dán thùng sẵn có thường tách rời với khâu cân định lượng và kiểm đếm số lượng, gây tốn diện tích mặt bằng nhà xưởng và tăng chi phí nhân công kiểm định chất lượng. Từ thực tế đó, đề tài "Thiết kế và thi công mô hình máy dán nắp hộp carton tích hợp hệ thống cân kiểm tra và đếm sản phẩm" được thực hiện nhằm xây dựng một mô hình tích hợp đồng bộ các khâu gập nắp, dán băng keo, cân phân loại và đếm sản phẩm tự động, phù hợp với quy mô sản xuất vừa và nhỏ.

Đề tài xác định ba mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Tối ưu hóa quy trình dán nắp hộp carton tự động: Đảm bảo nắp hộp được gập và dán đúng vị trí, liên kết chắc chắn; giảm thiểu các lỗi thường gặp như dán lệch, nếp dán không đều; nâng cao tốc độ vận hành nhằm tối ưu thời gian chu kỳ và chi phí lao động.
2. Tích hợp hệ thống cân kiểm tra và đếm sản phẩm: Tự động hóa khâu phát hiện và loại bỏ các hộp carton không đạt tiêu chuẩn về khối lượng thông qua cơ cấu đẩy; kiểm soát chính xác số lượng sản phẩm xuất xưởng trước khi phân phối nhằm tăng cường tính minh bạch và năng lực giám sát.
3. Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát hoạt động của máy: Phát triển mô hình điều khiển tự động ổn định sử dụng bộ điều khiển khả trình; thiết kế giao diện điều khiển và giám sát thời gian thực thông qua phần mềm WinCC.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án được xác định rõ:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ điện tử dán nắp hộp carton tích hợp chức năng cân phân loại và đếm sản phẩm; bộ điều khiển lập trình logic PLC Siemens SIMATIC S7-1200.
• Phạm vi quy trình: Tập trung vào ba khâu liên tục gồm dán nắp hộp, cân kiểm tra trọng lượng và đếm thành phẩm. Đề tài không nghiên cứu các khâu phụ trợ khác trong dây chuyền đóng gói tổng thể như cấp phôi liệu, chiết rót, đóng nắp chai hay dán nhãn sản phẩm.
• Phạm vi đối tượng bao bì: Hệ thống được thiết kế và tính toán tối ưu cho loại hộp carton có kích thước chuẩn $15 \times 8 \times 8\text{ cm}$ (Dài $\times$ Rộng $\times$ Cao). Đề tài không mở rộng nghiên cứu sang các loại bao bì chất liệu thùng nhựa, thùng gỗ hoặc các hộp có biên dạng đặc biệt.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng trên nền tảng kỹ thuật cơ điện tử và tự động hóa công nghiệp, bao gồm các mảng kiến thức trọng tâm:

• Khảo sát các giải pháp công nghệ hiện hành: Tác giả tiến hành thu thập, phân tích thông số kỹ thuật của các dòng máy dán thùng carton trên thị trường để làm mốc đối chuẩn thiết kế.

Dòng máy khảo sát	Kích thước đóng gói tối thiểu (mm)	Kích thước đóng gói tối đa (mm)	Công suất / Điện áp	Tốc độ băng tải / Năng suất	Chiều rộng băng dán (mm)
FXJ6050	$150 \times 120$	$500 \times 600$	$0{,}18\text{ kVA}$ / $110\text{V}, 220\text{--}240\text{V}$	$20\text{ m/phút}$	36, 48, 50, 60
TP-MDT AT01	$300 \times 120 \times 120$	$700 \times 480 \times 480$	$240\text{W}$ / $220\text{V}$	$16\text{ m/phút}$	36, 48, 50, 60
FXJ4050	$100 \times 40$	$500 \times 385$	$110\text{--}220\text{VAC}$	Lên đến 1000 sản phẩm/giờ	30, 45, 60

• Cơ sở lý thuyết cảm biến trọng lượng: Nghiên cứu nguyên lý đo lực dựa trên cảm biến Loadcell và mạch cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Khi tải trọng tác dụng lên phần tử đàn hồi (Load), biến dạng cơ học làm thay đổi kích thước dây kim loại trong Strain gauge, dẫn đến sự biến thiên điện trở và sinh ra tín hiệu điện áp vi sai tỷ lệ thuận với trọng lượng đặt vào.
• Lý thuyết điều khiển lập trình PLC: Đánh giá kiến trúc phần cứng (CPU, module I/O, bộ nhớ RAM/ROM/EPROM, bus truyền thông PROFINET) và cơ chế quét vòng quét (Scan cycle) lặp tuần tự của PLC. So sánh các dòng PLC Compact của Mitsubishi (FX0S, FX0N, FX1S, FX1N, FX2N, FX2NC), Schneider (Modicon M221, M241, M251) và Siemens (S7-200, S7-1200) nhằm lựa chọn nền tảng đáp ứng tốt các yêu cầu xử lý tín hiệu tương tự (Analog) và kết nối truyền thông HMI/SCADA.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai tuần tự:

1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Khảo sát tiêu chuẩn kỹ thuật đóng gói, nguyên lý hoạt động của các bộ phận cơ khí gập mép nắp hộp, hệ thống khí nén công nghiệp và kỹ thuật đo lường tín hiệu nhỏ.
2. Phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống: Thiết kế không gian 3D chi tiết của từng cụm cơ cấu cơ khí bằng phần mềm SolidWorks; thiết kế bản vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điện, phân bổ I/O bằng phần mềm Eplan Electric; lập trình giải thuật điều khiển trên nền tảng TIA Portal.
3. Phương pháp thực nghiệm và đánh giá: Chế tạo cơ khí, gia công chi tiết bằng nhôm, thép, nhựa và PVC; đấu nối tủ điện điều khiển; nạp chương trình và chạy thử nghiệm hệ thống ở chế độ thủ công (MANUAL) và tự động (AUTO); thu thập dữ liệu sai số cân bằng thực nghiệm để hiệu chỉnh giải thuật xử lý tín hiệu.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm các thông số kỹ thuật chuẩn của nhà sản xuất đối với linh kiện cơ - điện - khí nén (cảm biến Loadcell YZC-133, mạch khuếch đại JY-S60, cảm biến quang E3F-DS10C4, xi lanh khí nén MAL16X100, van đảo chiều AIRTAC 4V110-06, PLC Siemens S7-1200) cùng dữ liệu đo đạc trực tiếp từ quá trình chạy thử nghiệm mô hình thực tế.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mô-đun hóa, phân tách thành hai phân hệ gắn kết chặt chẽ: phân hệ cơ khí động lực và phân hệ điện - điều khiển tự động.

Thiết kế và gia công cơ khí

Cơ cấu cơ khí bao gồm ba cụm chức năng chính được bố trí liên hoàn trên khung máy:

Cụm cơ cấu	Chi tiết thành phần	Số lượng	Vật liệu chế tạo	Chức năng kỹ thuật
Cơ cấu gấp nắp hộp	Con lăn gấp cạnh hộp Chắn cạnh hộp Xy lanh gấp cạnh hộp Chặn cạnh trước hộp Thanh khép cạnh bên hộp Khung cố định	1 1 1 1 1 1	Nhựa Nhựa Nhôm Nhựa Nhôm Nhôm	Gập mép trước, sau và hai cạnh bên của nắp hộp carton kích thước $15 \times 8 \times 8\text{ cm}$ về đúng vị trí phẳng trước khi đưa vào dán băng keo.
Cơ cấu dán băng keo	Con lăn dán băng keo sau Lưỡi cắt băng keo Con lăn dán băng keo trước Con lăn băng keo Gá cuộn băng keo Con lăn giữ mặt trên hộp	1 1 1 1 1 1	PVC Thép PVC PVC PVC PVC	Cố định cuộn băng dính, ép dán màng keo phẳng lên bề mặt khe ghép nắp hộp và thực hiện cắt đứt dải băng keo theo hành trình di chuyển của hộp.
Cơ cấu cân và loại sản phẩm	Băng tải cân Cảm biến quang Loadcell Bộ truyền động băng tải Xi lanh khí nén	1 3 1 1 1	PVC Nhựa ABS Hợp kim nhôm Thép Thép	Vận chuyển hộp vào bàn cân, xác định vị trí dừng đo, chuyển đổi trọng lượng sang tín hiệu điện và gạt phế phẩm không đạt ra khỏi băng tải.

Cụm đếm sản phẩm sử dụng cảm biến quang đặt ở vị trí sau cơ cấu dán nắp. Khi hộp thành phẩm đi qua, thân hộp cắt ngang tia thu phát, tạo một sườn xung gửi về cổng đếm của bộ điều khiển.

Thiết kế phần điện và điều khiển

Hệ thống điện được cấu thành từ các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn:

• Thiết bị xử lý trung tâm: PLC Siemens SIMATIC S7-1200, tiếp nhận tín hiệu số từ các cảm biến quang E3F-DS10C4 (khoảng cách phát hiện 3--10 cm), nhận tín hiệu điện áp từ mạch khuếch đại JY-S60 kết nối với cảm biến trọng lượng Loadcell YZC-133, xử lý logic và xuất lệnh điều khiển ngõ ra.
• Cơ cấu chấp hành và phân phối khí: Xi lanh khí nén tác động kép MAL16X100 điều khiển đóng mở bằng cụm van điện từ khí nén AIRTAC 4V110-06; động cơ truyền động kéo băng tải thông qua contactor Schneider LC1D09M7 và relay trung gian.
• Khí cụ đóng cắt và bảo vệ: Nguồn xung tổ ong 24VDC - 10A (công suất 240W) cung cấp điện áp một chiều ổn định cho mạch điều khiển; Aptomat MCB CHiNT NXB-63 bảo vệ ngắn mạch và quá tải; công tắc hệ thống Hager SV120 (250V/16A); nút dừng khẩn cấp (EMERGENCY STOP); đèn báo nguồn và trạng thái AD16-22DS (220VAC, phi 22mm).

Giải thuật điều khiển và giao diện giám sát

Hệ thống được thiết kế vận hành với hai chế độ điều khiển độc lập:

1. Chế độ Tự động (AUTO):
   • Sau khi nhấn START, hệ thống kích hoạt băng tải tiếp nhận hộp carton. Hộp di chuyển đến bàn cân kiểm tra, cảm biến quang xác định vị trí và kích hoạt quá trình đọc trọng lượng từ Loadcell.
   • Bộ điều khiển so sánh giá trị đo được với khoảng khối lượng cài đặt chuẩn. Nếu khối lượng nằm ngoài dải cho phép, PLC xuất lệnh kích hoạt xi lanh khí nén đẩy sản phẩm lỗi sang nhánh loại thải.
   • Nếu khối lượng hợp lệ, hộp tiếp tục di chuyển qua cụm gập nắp; các thanh khép cạnh bên và con lăn cơ khí kết hợp xi lanh định hình nắp hộp phẳng đều, sau đó qua cơ cấu dán ép băng dính.
   • Sau khi hoàn thành dán nắp, hộp carton đi qua cảm biến quang đếm sản phẩm. Giá trị biến đếm trong PLC tự động tăng thêm 1 đơn vị và đồng bộ lên màn hình SCADA.
2. Chế độ Bằng tay (MANUAL):
   • Sử dụng cho mục đích bảo trì, cân chỉnh cơ cấu cơ khí và kiểm tra từng thiết bị chấp hành riêng lẻ. Người vận hành có thể bật/tắt độc lập động cơ băng tải, xi lanh gập nắp, xi lanh loại sản phẩm hoặc bộ dán keo qua các công tắc điều khiển trên phần mềm hoặc tủ điện.

Giao diện giám sát WinCC được thiết kế bao gồm: Màn hình giới thiệu tổng quan hệ thống, màn hình giám sát và điều khiển chế độ tự động có tích hợp các cửa sổ nổi (Pop-up) để cài đặt ngưỡng trọng lượng, màn hình giám sát chế độ vận hành thủ công, cùng đồ thị thể hiện sai số đo của hệ thống cân theo thời gian thực.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này thiết lập nền tảng khoa học cho đề tài, bắt đầu từ việc trình bày tính cấp thiết của tự động hóa quy trình đóng gói trong ngành công nghiệp chế biến, thực phẩm và tiêu dùng nhanh. Tác giả phân tích những hạn chế của các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ tại Việt Nam khi tiếp cận các hệ thống đóng gói công nghiệp đắt tiền. Từ đó, xác định rõ mục tiêu tổng quát là chế tạo mô hình dán nắp hộp carton tích hợp cân kiểm tra và đếm sản phẩm, giới hạn phạm vi nghiên cứu ở loại hộp $15 \times 8 \times 8\text{ cm}$ và sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 kết hợp giao diện WinCC. Chương mở đầu cũng công bố kế hoạch nghiên cứu 5 bước và khẳng định ý nghĩa khoa học - thực tiễn trong công tác đào tạo chuyên ngành Điện - Điện tử.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp bức tranh tổng quan về các công nghệ được tích hợp trong hệ thống:

• Phân tích quy trình dán nắp hộp carton tự động tiêu chuẩn 4 bước: cấp phôi, gập 4 cạnh, dán băng keo mặt trên/dưới và đẩy thành phẩm. Khảo sát chi tiết 3 dòng máy công nghiệp FXJ6050, TP-MDT AT01 và FXJ4050.
• Trình bày cấu tạo của cảm biến lực Loadcell gồm thanh kim loại chịu tải (Load) kết hợp mạch dán Strain gauge; giải thích chi tiết nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone và phân loại Loadcell theo phương tác dụng lực (nén, uốn, kéo, xoắn), hình dáng (trụ, thanh, cầu bi, chữ Z) và dạng tín hiệu xuất (Analog, Digital).
• Khái quát về lịch sử, cấu trúc phần cứng và chu trình quét của PLC; so sánh các họ PLC compact trên thị trường của Mitsubishi (FX series), Schneider (Modicon) và Siemens (S7-200, S7-1200); qua đó xác lập luận cứ cho việc lựa chọn PLC S7-1200 làm trung tâm xử lý cho hệ thống.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương này đóng vai trò trung tâm về mặt kỹ thuật, chi tiết hóa các khâu tính toán và thiết kế hệ thống:

• Xác lập các yêu cầu chung về tính hoạt động liên tục, kết cấu cơ khí nhỏ gọn, tính đồng bộ giữa cơ khí và điện khí nén, độ an toàn khi vận hành.
• Thiết kế cơ khí chi tiết trên SolidWorks: Cụ thể hóa kích thước, góc gập, hành trình của cơ cấu gấp nắp hộp (sử dụng con lăn nhựa, thanh khép nhôm, xi lanh gấp cạnh); cơ cấu dán băng keo (hệ con lăn PVC dẫn hướng, ép dính và dao cắt thép); cơ cấu cân Loadcell và cơ cấu đếm sản phẩm tích hợp cảm biến quang.
• Thiết kế hệ thống điện trên Eplan Electric: Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống, lựa chọn thiết bị điện và khí nén theo công suất tải (nguồn xung 24V-10A, MCB CHiNT NXB-63, contactor Schneider, van khí nén AIRTAC, cảm biến E3F-DS10C4, loadcell YZC-133 và bộ khuếch đại JY-S60); vẽ sơ đồ kết nối dây phần cứng và sơ đồ kết nối mạch khí nén.
• Thiết kế điều khiển: Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chế độ tự động và chế độ bằng tay, cấu hình bảng địa chỉ I/O của PLC S7-1200 phục vụ lập trình điều khiển.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 phản ánh toàn bộ quá trình hiện thực hóa từ bản vẽ thiết kế sang mô hình phần cứng thực nghiệm:

• Trình bày quy trình thi công cơ khí từng cụm: Lắp ráp khung máy, gá đặt cụm gập nắp, cụm dán băng keo, cụm băng tải cân và cơ cấu xi lanh gạt phế phẩm.
• Lắp đặt tủ điện, bố trí thiết bị bảo vệ, bộ điều khiển PLC, relay trung gian, nguồn xung và đi dây tín hiệu từ cảm biến, cơ cấu chấp hành về tủ điều khiển theo đúng sơ đồ nguyên lý.
• Lập trình điều khiển trên TIA Portal và thiết kế hệ thống giao diện SCADA trên WinCC: Xây dựng màn hình giới thiệu, màn hình giám sát tự động với các cửa sổ pop-up chức năng và màn hình vận hành bằng tay.
• Thực nghiệm vận hành hệ thống: Tiến hành hiệu chuẩn sai số cho cảm biến cân Loadcell YZC-133 với các mẫu tải trọng khác nhau (Bảng 4.1); vận hành liên tục hệ thống dán nắp để đánh giá tỷ lệ dán thành công, độ ổn định của cơ cấu gập mép và tính chính xác của cơ cấu đếm (Bảng 4.2).

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết đánh giá mức độ hoàn thành so với các mục tiêu đề ra ban đầu: Đã thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình máy dán nắp hộp carton có tích hợp cân kiểm tra khối lượng và đếm số lượng; hệ thống hoạt động ổn định ở cả hai chế độ tự động và bằng tay. Tác giả chỉ rõ các mặt còn hạn chế do điều kiện thời gian và trang thiết bị phòng thí nghiệm; đồng thời vạch ra 3 hướng phát triển tiếp theo gồm: Mở rộng khả năng tương thích với nhiều kích cỡ hộp, tích hợp hệ thống truy xuất dữ liệu sản phẩm và ứng dụng công nghệ IoT phục vụ giám sát vận hành từ xa.

---

Kết quả và đóng góp

Về mặt kết quả kỹ thuật, đồ án đã chế tạo thành công mô hình thực nghiệm hoạt động ổn định, đáp ứng các chỉ tiêu thiết kế:

• Hoàn thiện hệ thống cơ điện tử tích hợp đầy đủ 3 chức năng trên một dây chuyền nhỏ gọn: Gập nắp và dán dải băng keo thẳng, chắc chắn lên bề mặt hộp carton quy cách $15 \times 8 \times 8\text{ cm}$; cân kiểm tra và tự động gạt bỏ các sản phẩm không đạt khối lượng chuẩn; phát hiện và đếm chính xác số lượng sản phẩm xuất xưởng.
• Vận hành thành công hai chế độ điều khiển AUTO và MANUAL thông qua nút nhấn công nghiệp và giao diện WinCC; chức năng dừng khẩn cấp (Emergency Stop) phản hồi tức thời khi xảy ra sự cố kỹ thuật.
• Đo lường và hiệu chỉnh sai số cân: Tác giả đã thiết lập bảng thông số cài đặt bộ khuếch đại JY-S60 kết hợp xử lý tín hiệu ADC trong PLC S7-1200, xây dựng bảng thực nghiệm hiệu chỉnh sai số cân và đồ thị phân tích sai số (Hình 4.14, Bảng 4.1), đảm bảo hệ thống nhận dạng chính xác ngưỡng khối lượng để phân loại sản phẩm.
• Đánh giá độ tin cậy thông qua thử nghiệm vận hành liên tục (Bảng 4.2), ghi nhận sản phẩm thực tế sau vận hành có đường dán keo phẳng, không bị nhăn, mép gấp vuông vắn và không xảy ra hiện tượng kẹt hộp trên băng chuyền.

Về giải pháp và kiến nghị kỹ thuật, đề tài đã đề xuất cấu trúc gập nắp kết hợp giữa các tấm định hướng thụ động bằng nhôm/nhựa và xi lanh tác động tích cực, giúp kết cấu cơ khí trở nên đơn giản, hạ giá thành gia công nhưng vẫn duy trì độ chính xác định vị nắp hộp khi đi vào cụm dán keo.

Đóng góp của đồ án:

• So với các nghiên cứu và máy móc công nghiệp đơn năng (chỉ dán nắp hoặc chỉ cân kiểm tra độc lập), đề tài đã tích hợp thành công cả ba khâu: gập - dán nắp tự động, kiểm tra trọng lượng bằng Loadcell và đếm sản phẩm trên một chu trình khép kín, được điều khiển tập trung bởi một PLC S7-1200 duy nhất.
• Đưa ra một mô hình thực nghiệm có chi phí chế tạo thấp, cấu trúc trực quan, có khả năng áp dụng trực tiếp vào các cơ sở đóng gói quy mô vừa và nhỏ hoặc làm mô hình giảng dạy thực hành tự động hóa trong các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các phân tích kỹ thuật và phạm vi thực tế được tác giả trình bày trong văn bản:

Hạn chế của mô hình:

• Tính linh hoạt về kích thước sản phẩm còn thấp: Cơ cấu gập nắp và khoảng cách dẫn hướng của băng tải hiện được cố định cho loại hộp carton kích thước $15 \times 8 \times 8\text{ cm}$, chưa có cơ cấu trục vít hoặc thanh trượt điều chỉnh nhanh để thay đổi kích thước theo nhiều quy cách hộp khác nhau.
• Giới hạn phạm vi quy trình đóng gói: Mô hình mới chỉ tập trung vào khâu hoàn thiện nắp hộp carton, chưa tích hợp đồng bộ với các công đoạn khác trong dây chuyền đóng gói công nghiệp hoàn chỉnh như cơ cấu cấp phôi hộp tự động, dán nhãn thân hộp, chiết rót hay đóng gói thành kiện pallet lớn.
• Khả năng kết nối và quản trị dữ liệu: Hệ thống SCADA trên WinCC hiện hoạt động trên mạng nội bộ cục bộ (Local Ethernet), chưa tích hợp giao diện điều khiển qua nền tảng Web hoặc lưu trữ cơ sở dữ liệu trên Cloud để phục vụ quản lý sản xuất từ xa.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

1. Mở rộng khả năng xử lý của cơ cấu cơ khí: Nghiên cứu cải tiến hệ thống cơ cấu gập nắp và ray dẫn hướng có thể điều chỉnh linh hoạt kích thước bằng động cơ bước hoặc cơ cấu trục ren, cho phép máy đóng gói được nhiều loại hộp carton với kích thước và chiều cao đa dạng.
2. Tích hợp khả năng truy xuất dữ liệu sản phẩm: Lắp đặt thêm đầu đọc mã vạch (Barcode Scanner) hoặc đầu đọc RFID để nhận dạng từng sản phẩm, liên kết dữ liệu trọng lượng thực tế với mã sản phẩm trong hệ thống quản trị sản xuất.
3. Ứng dụng công nghệ IoT vào giám sát từ xa: Phát triển module truyền thông kết nối PLC với các nền tảng Internet of Things (IoT), cho phép người quản lý theo dõi số lượng đóng gói, tỷ lệ phế phẩm và cảnh báo sự cố kỹ thuật theo thời gian thực thông qua ứng dụng di động hoặc nền tảng web.

---

Giá trị tham khảo

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

• Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển: Tài liệu cung cấp một quy trình thực tế từ khâu khảo sát lý thuyết, thiết kế 3D cơ khí, thiết kế sơ đồ điện đến lập trình PLC và thiết kế giao diện WinCC.
• Các nhóm nghiên cứu hoặc sinh viên làm đồ án tốt nghiệp về hệ thống phân loại, đóng gói sản phẩm: Đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp về cấu trúc phần cứng, sơ đồ nối dây thiết bị điều khiển và cách giải quyết bài toán tích hợp cảm biến đo lường với bộ điều khiển công nghiệp.
• Kỹ sư thiết kế, chế tạo máy tại các xưởng sản xuất quy mô nhỏ: Có thể tham khảo nguyên lý bố trí cụm gập nắp cơ học và tích hợp cân Loadcell để cải tiến các thiết bị đóng gói bán tự động thành hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh với chi phí tối ưu.

Các phần nội dung đáng tham khảo nhất:

• Bản vẽ kích thước và bảng chi tiết vật liệu của cơ cấu gấp nắp hộp và cơ cấu dán băng keo (Mục 3.2, Bảng 3.1 và Bảng 3.2).
• Phương pháp phối ghép phần cứng đo lường giữa cảm biến Loadcell YZC-133, mạch khuếch đại tín hiệu JY-S60 với cổng đầu vào Analog của PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (Mục 2.2, Mục 3.3 và Mục 4.2).
• Cấu hình phân bổ tín hiệu I/O, lưu đồ thuật toán điều khiển hai chế độ AUTO/MANUAL và thiết kế các màn hình giao diện giám sát WinCC (Mục 3.4 và Mục 4.3).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng loại cảm biến trọng lượng và mạch khuếch đại tín hiệu nào để kiểm tra khối lượng hộp carton?
Khóa luận sử dụng cảm biến trọng lượng Loadcell YZC-133 kết hợp với mạch khuếch đại tín hiệu JY-S60 để chuyển đổi sự thay đổi điện trở từ cầu đo Wheatstone thành tín hiệu điện áp tương thích với đầu vào Analog của PLC S7-1200.

2. Kích thước hộp carton mà mô hình máy được thiết kế và tính toán tối ưu để vận hành là bao nhiêu?
Mô hình máy được thiết kế, gia công cơ khí và tối ưu hóa chuyên biệt cho loại hộp carton có kích thước chuẩn $15 \times 8 \times 8\text{ cm}$ (Dài $\times$ Rộng $\times$ Cao).

3. Cơ cấu chấp hành nào được sử dụng để loại bỏ các hộp carton không đạt tiêu chuẩn về trọng lượng?
Hệ thống sử dụng xi lanh khí nén bằng thép MAL16X100 điều khiển thông qua van điện từ khí nén AIRTAC 4V110-06 để tạo lực đẩy hộp carton không đạt chuẩn khối lượng ra khỏi băng tải.

4. Thiết bị điều khiển trung tâm và các phần mềm kỹ thuật được sử dụng trong đồ án gồm những gì?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình logic PLC Siemens SIMATIC S7-1200 làm trung tâm xử lý; các phần mềm hỗ trợ gồm có SolidWorks (thiết kế cơ khí 3D), Eplan Electric (thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện), TIA Portal (lập trình điều khiển PLC) và WinCC (thiết kế giao diện giám sát HMI/SCADA).

5. Hai chế độ vận hành chính của hệ thống hoạt động như thế nào?
Hệ thống hoạt động ở chế độ AUTO (tự động thực hiện liên hoàn chu trình cân, loại bỏ sản phẩm lỗi, gập nắp, dán keo và đếm số lượng) và chế độ MANUAL (cho phép người vận hành bật/tắt độc lập từng bộ phận như băng tải, xi lanh, cơ cấu dán để kiểm tra, bảo trì hoặc cân chỉnh hệ thống).

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình máy dán nắp hộp carton tích hợp hệ thống cân kiểm tra và đếm sản phẩm" của sinh viên Phan Thị Hà và Phan Chí Vũ (Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình cơ điện tử đóng gói tự động quy mô nhỏ. Hệ thống vận hành đồng bộ trên nền tảng điều khiển PLC Siemens S7-1200 và giao diện WinCC, thực hiện chính xác các chức năng gập nắp, dán băng keo, cân phân loại phế phẩm và đếm sản phẩm cho loại hộp carton chuẩn kích thước $15 \times 8 \times 8\text{ cm}$. Đề tài có tính thực tiễn cao, đóng góp một giải pháp đóng gói tích hợp chi phí thấp cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ, đồng thời vạch ra các định hướng hoàn thiện về cơ cấu điều chỉnh kích thước linh hoạt và ứng dụng công nghệ IoT phục vụ giám sát từ xa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề, mục tiêu, phạm vi và phương pháp nghiên cứu. - Nội dung và ý nghĩa thực tiễn của đề tài.  Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2 - Hệ thống dán nắp hộp carton tự động, cảm biến trọng lượng Loadcell. - Tổng quan về PLC, hệ thống truyền động và khí nén.

 Chương 3: Thiết kế hệ thống - Thiết kế cơ khí: cơ cấu dán nắp, kiểm tra trọng lượng, đếm sản phẩm. - Thiết kế điện: sơ đồ khối, lựa chọn thiết bị, sơ đồ nối dây. - Thiết kế điều khiển: lưu đồ giải thuật, lập trình PLC.  Chương 4: Thi công và lắp đặt - Thi công cơ khí, lắp đặt phần điện.

- Lập trình điều khiển và thiết kế giao diện giám sát. - Đánh giá kết quả hệ thống.  Chương 5: Kết luận và hướng phát triển - Tổng kết kết quả nghiên cứu. - Đề xuất cải tiến và phát triển hệ thống.6 Ý nghĩa khoa học - thực tiễn Việc nghiên cứu và phát triển mô hình máy dán nắp hộp carton tích hợp hệ thống cân kiểm tra và đếm sản phẩm có nhiều ý nghĩa thiết thực.

Trước hết, mô hình có thể được ứng dụng trong các xưởng sản xuất quy mô nhỏ và vừa, giúp giảm chi phí nhân công, tăng độ chính xác trong khâu đóng gói và kiểm soát sản phẩm. Đồng thời, việc tích hợp nhiều chức năng trong một thiết bị giúp tiết kiệm không gian và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Bên cạnh đó, đề tài còn tạo cơ hội để sinh viên tiếp cận và thực hành các công nghệ hiện đại như tự động hóa, lập trình điều khiển, cơ điện tử., từ đó nâng cao năng lực chuyên môn và khả năng làm việc thực tế. Mô hình có thể được cải tiến, phát triển thành sản phẩm thương mại, góp phần phục vụ nhu cầu trong nước và hướng đến xuất khẩu trong tương lai.

3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về hệ thống dán nắp hộp carton 2.1 Giới thiệu về hệ thống dán nắp hộp carton tự động Trong bối cảnh nền kinh tế hiện nay, sự phát triển đang diễn ra liên tục. Do chất lượng cuộc sống của con người ngày càng nâng cao, hàng hóa đòi hỏi phải có chất lượng cao, số lượng lớn và sản xuất nhanh mà còn phải chú tâm vào tính thẩm mỹ. Do đó, việc đóng gói sản phẩm ngày càng trở nên thiết yếu. Sau khi đóng gói, các mặt hàng được nhóm thành kiện để lưu trữ, mỗi kiện bao gồm nhiều gói dựa trên kích thước của chúng.

Đóng gói thành từng kiện này giúp bảo quản tốt hơn, đơn giản việc kiểm tra và vận chuyển. Việc dán hộp đúng tiêu chuẩn và chắc chắn sẽ đảm bảo hàng hóa được vận chuyển một cách an toàn, giảm thiểu ảnh hưởng bất lợi từ các yếu tố môi trường bên ngoài [1]. Để đáp ứng những nhu cầu đó, nhiều loại máy móc và thiết bị được tạo ra. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều loại hệ thống dán nắp hộp carton với đa dạng kích thước và cách thức vận hành khác nhau.

Tuy nhiên, đa số các loại máy này vẫn là loại chưa hoàn toàn tự động, đòi hỏi công nhân phải xếp các hộp carton trước khi cho vào máy để dán nắp.2 Các hệ thống dán nắp hộp carton tự động hiện nay Hiện nay, thị trường Việt Nam có các dòng máy dán keo hộp carton đa dạng về kích thước từ các nhà sản xuất khác nhau trên thế giới. Các máy này bao gồm loại tự động và bán tự động. Các thương hiệu nổi bật như: Mykio (Nhật Bản), 3M (Hoa Kỳ), Yamafuji (Nhật Bản),. Dưới đây là một số thiết bị có sẵn trên thị trường hiện nay:  Máy dán thùng Carton FXJ6050 Bảng 2.