Giới thiệu dự án

Trong ngành công nghiệp sản xuất Dược phẩm hiện đại, tiêu chuẩn Thực hành tốt sản xuất thuốc (GMP-WHO) đặt ra những yêu cầu khắt khe về độ vô trùng và kiểm soát chất lượng thành phẩm. Theo các thống kê công nghiệp, tỷ lệ sai lỗi trong khâu đóng gói bao bì sơ cấp (ép vỉ thuốc) dao động từ 1.5% đến 3.8%, chủ yếu xuất phát từ khâu cấp thuốc viên tự động hoặc bán tự động. Việc duy trì phương pháp kiểm tra thủ công bằng mắt thường của công nhân không chỉ bộc lộ nhược điểm về tốc độ (bị giới hạn ở mức 60–80 vỉ/phút), dễ xảy ra sai sót do mỏi mắt (tỷ lệ bỏ sót lỗi trung bình 3–5% sau 2 giờ làm việc liên tục), mà còn làm tăng nguy cơ nhiễm vi sinh vật do sự can thiệp của con người trong khu vực sản xuất sạch.

Đề tài "Thiết kế và thi công cơ cấu nhận biết, phân loại vỉ thuốc lỗi" được nghiên cứu và phát triển dựa trên khảo sát thực tế tại dây chuyền ép vỉ thuốc của nhà máy Dược phẩm Imexpharm (Chi nhánh KCN Vĩnh Lộc, Bình Tân, TP. Hồ Chí Minh). Đề tài giải quyết triệt để bài toán tự động hóa kiểm tra ngoại quan và loại bỏ sản phẩm không đạt chất lượng theo thời gian thực mà không làm gián đoạn chu trình vận hành của dây chuyền chính.

                    QUY TRÌNH HỆ THỐNG KIỂM TRA & PHÂN LOẠI
                                                        (Tín hiệu I/O)

Mục tiêu cụ thể của dự án

  1. Thiết kế và gia công cơ khí hoàn chỉnh: Chế tạo cơ cấu phân loại (Reject Unit) tích hợp băng tải độc lập (rộng 300 mm, cao 835 mm) với 4 cụm cần gạt khí nén điều khiển riêng biệt.
  2. Tích hợp hệ thống thị giác máy tính công nghiệp: Ứng dụng bộ xử lý ảnh chuyên dụng Keyence CV-X320A kết hợp camera 2 Megapixel CA-200C và ống kính tiêu cự 8 mm CA-LH8 nhằm phát hiện các dạng khuyết tật sản phẩm.
  3. Xây dựng thuật toán xử lý ảnh thời gian thực: Nhận dạng chính xác 3 dạng lỗi phổ biến: vỉ thiếu viên (Missing Tablet), vỉ gãy/vỡ viên (Broken Tablet), và vỉ chồng viên (Overlapped Tablet) trên quy cách vỉ 7 viên.
  4. Lập trình điều khiển trung tâm và đồng bộ hóa: Sử dụng PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC để thu thập tín hiệu kích hoạt từ cảm biến tiệm cận Omron, đồng bộ nhịp đẩy của xi-lanh khí nén theo vận tốc băng chuyền.
  5. Thiết kế giao diện giám sát HMI trực quan: Xây dựng màn hình điều khiển Siemens KTP400 Basic PN phục vụ giám sát số lượng sản phẩm đạt/lỗi, cấu hình thời gian tác động và hỗ trợ vận hành bảo trì.

Phạm vi và giới hạn đề tài

  • Phạm vi ứng dụng: Kiểm tra vỉ thuốc dạng viên nén/nang mềm 7 viên trên dây chuyền ép vỉ nhôm - nhựa (PVC/ALU) trước công đoạn dập seal màng nhôm.
  • Giới hạn kỹ thuật:
    • Khảo sát và thử nghiệm trên quy cách chạy từ 2 vỉ, 3 vỉ đến 4 vỉ đồng thời trên một nhịp dập.
    • Sử dụng các thuật toán xử lý ảnh tích hợp sẵn trên nền tảng phần cứng thị giác Keyence CV-X Series Simulation Software, không lập trình thuật toán xử lý ảnh từ tầng mã nguồn C++/Python.
    • Vận tốc phân loại tối đa đồng bộ theo chu kỳ dao cắt của máy ép vỉ thực tế (khoảng 30–60 nhịp/phút).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tại các nhà máy dược phẩm quy mô vừa và nhỏ ở Việt Nam, việc kiểm soát khuyết tật vỉ thuốc đang tồn tại nhiều hạn chế khi so sánh giữa các phương thức kiểm tra:

Tiêu chí đánh giá Kiểm tra thủ công (Manual Inspection) Hệ thống Vision dựa trên PC (PC-Based + OpenCV) Giải pháp tích hợp Keyence CV-X + PLC S7-1200
Độ chính xác nhận diện 92% – 95% (phụ thuộc thể trạng) 97.5% (dễ trôi màu do ánh sáng) > 99.8% (ổn định cao)
Thời gian xử lý/chu kỳ 800 – 1200 ms/vỉ 150 – 250 ms/vỉ < 35 ms/vỉ
Độ bền môi trường công nghiệp Thấp (nguy cơ ô nhiễm chéo) Trung bình (PC dễ treo, bụi bẩn) Rất cao (chuẩn IP65, vận hành 24/7)
Khả năng mở rộng I/O Không khả dụng Phức tạp (cần card DAQ rời) Mở rộng linh hoạt qua PROFINET
Chi phí đầu tư ban đầu Thấp (nhưng tốn chi phí nhân công) Trung bình Khá cao (tối ưu hóa theo vòng đời)

Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc phải có): Phát hiện 100% vỉ thiếu viên; cơ cấu gạt khí nén đẩy chính xác vỉ lỗi vào thùng chứa phế phẩm; dừng khẩn cấp khi gặp sự cố kẹt vỉ.
  • Should have (Nên có): Phân biệt chính xác vỉ chồng viên và gãy viên thông qua ngưỡng diện tích hạt (Blob Area); màn hình HMI hiển thị tổng sản lượng và thống kê lỗi theo thời gian thực.
  • Could have (Có thể có): Khả năng lưu trữ dữ liệu ảnh chụp lỗi vào thẻ nhớ SD của bộ CV-X320A phục vụ truy xuất nguồn gốc lô sản xuất.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Khả năng tự động điều chỉnh tốc độ động cơ kéo theo tải trọng biến thiên bằng biến tần.

Thiết kế hệ thống

Cấu hình Technology Stack và phần cứng

  • Bộ điều khiển khả trình (PLC): Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (Mã đặt hàng: 6ES7 214-1AG40-0XB0).
    • Bộ nhớ làm việc: 100 KB Work Memory.
    • Tích hợp 14 ngõ vào số DI 24VDC, 10 ngõ ra số DQ 24VDC Transistor (tốc độ đóng cắt cao, chống mòn tiếp điểm cơ khí).
    • Tốc độ xử lý lệnh Boolean: 0.08 µs/lệnh.
  • Bộ điều khiển thị giác máy (Vision Controller): Keyence CV-X320A.
    • Hỗ trợ 2 cổng Camera đa chức năng, 20 cổng ngõ vào số, 28 cổng ngõ ra số.
    • Cảm biến hình ảnh: Camera màu 2 Megapixel Keyence CA-200C (Độ phân giải thực: 1600 × 1200 pixels).
    • Ống kính quang học: Keyence CA-LH8 (Tiêu cự 8 mm, khẩu độ F1.4 - F16).
    • Nguồn sáng: Bộ đèn LED thanh CA-DBW13 kết hợp tấm khuếch tán ánh sáng OP-42282 chống chói lóa trên màng nhôm/nhựa, điều khiển qua module nguồn CA-DC40E (12VDC).
  • Thiết bị giám sát (HMI): Siemens Simatic HMI KTP400 Basic Color PN (Màn hình 4.3 inch, 480 × 272 pixel, giao tiếp PROFINET).
  • Cảm biến bắt nhịp: Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ Omron E2A-M12KS08-WP-B1 2M (Loại PNP, khoảng cách phát hiện Sn = 8 mm, tần số đáp ứng 1 kHz).
  • Hệ thống chấp hành khí nén:
    • 04 Xi-lanh tác động kép (DAC) hành trình 50 mm, đường kính nòng 16 mm.
    • 04 Van điện từ 5/2 điện áp cuộn coil 24VDC, lưu lượng khí danh định 500 L/phút.
                    BẢNG ÁNH XẠ ĐỊA CHỈ I/O CỦA PLC S7-1200

Phương pháp nghiên cứu và phát triển

Quy trình phát triển được triển khai theo tiến trình 16 tuần nghiêm ngặt:

  • Tuần 1–3: Tiếp nhận đề tài, khảo sát dây chuyền dập vỉ thực tế tại nhà máy Imexpharm, lập bảng đặc tả yêu cầu kỹ thuật.
  • Tuần 4–6: Thiết kế mô hình 3D trên SolidWorks; gia công tiện, phay CNC khung cơ khí nhôm định hình và cần gạt.
  • Tuần 7–8: Lắp đặt tủ điện điều khiển, tính toán sụt áp, bố trí máng đi dây, nối đất vỏ tủ theo tiêu chuẩn IEC 60204-1; cấu hình camera Keyence trên CV-X Simulation Software.
  • Tuần 9–11: Lập trình khối hàm PLC trên TIA Portal; thiết kế màn hình WinCC Flexible; kết nối mạng công nghiệp.
  • Tuần 12–15: Chạy thử nghiệm đồng bộ liên động, cân chỉnh thời gian tác động của van khí nén, thu thập dữ liệu xác suất phát hiện lỗi.
  • Tuần 16: Hoàn thiện báo cáo, tối ưu hóa và nghiệm thu đề tài.

Implementation và kết quả

Quy trình phát triển và thuật toán cốt lõi

1. Thuật toán trích xuất đặc trưng ảnh trên Keyence CV-X320A

Xử lý ảnh vỉ thuốc bao gồm chuỗi bước liên hoàn nhằm triệt tiêu nhiễu quang học từ phôi màng PVC bóng:

  • Bước 1: Chuyển đổi không gian màu và trích xuất kênh vi sai (Color Differential Processing): Sử dụng phép trừ màu số học để tối đa hóa độ tương phản giữa viên thuốc màu và nền khay: $$\Delta C = \text{Clamp}\Big((R - G) + (B - G), 0, 255\Big)$$
  • Bước 2: Phân ngưỡng nhị phân thích nghi (Binarization): Điểm ảnh $P(x,y)$ được chuyển đổi thành nhị phân theo ngưỡng động $T_{threshold}$: $$P_{bin}(x,y) = \begin{cases} 1 & \text{nếu } I(x,y) \ge T_{threshold} \ 0 & \text{nếu } I(x,y) < T_{threshold} \end{cases}$$
  • Bước 3: Bộ lọc hình thái thái học $3 \times 3$ (Morphological Filtering):
    • Bộ lọc giãn nở (Dilation/Expansion): Loại bỏ các chấm nhiễu tối trên bề mặt viên thuốc.
    • Bộ lọc co xói (Erosion/Shrinkage): Thu hẹp các biên kết nối giả tạo, phóng đại vết nứt vỡ viên thuốc phục vụ kiểm tra diện tích hạt: $$I_{\text{erosion}}(x, y) = \min_{(i, j) \in K} I(x + i, y + j)$$ (với $K$ là ma trận nhân chập $3 \times 3$).
  • Bước 4: Đo diện tích Blob và đếm số lượng (Blob Area & Quantity Verification): So sánh diện tích từng hạt $S_{tablet}$ với giá trị tiêu chuẩn $S_{ref}$:
    • Lỗi thiếu viên: Tổng số lượng blob $N < 7$.
    • Lỗi gãy viên: Tồn tại bất kỳ hạt nào có $S_{tablet} < 0.85 \times S_{ref}$.
    • Lỗi chồng viên: Tồn tại bất kỳ hạt nào có $S_{tablet} > 1.30 \times S_{ref}$.
// Thuật toán theo dõi vị trí lỗi dạng Thanh ghi dịch (Shift Register Tracking) trên PLC S7-1200
// Được thực thi trong ngắt vòng quét OB1 / Chu kỳ ngắt thời gian OB35
IF #Sensor_Pulse_Trig THEN
    // Dịch chuyển bit trạng thái lỗi theo từng bước di chuyển của băng tải
    #Shift_Register_Lane1 := SHL(IN := #Shift_Register_Lane1, N := 1);
    #Shift_Register_Lane2 := SHL(IN := #Shift_Register_Lane2, N := 1);
    #Shift_Register_Lane3 := SHL(IN := #Shift_Register_Lane3, N := 1);
    #Shift_Register_Lane4 := SHL(IN := #Shift_Register_Lane4, N := 1);
    
    // Ghi nhận dữ liệu lỗi tức thời từ ngõ ra camera CV-X320A
    #Shift_Register_Lane1.%X0 := #Vision_Err_In_Lane1;
    #Shift_Register_Lane2.%X0 := #Vision_Err_In_Lane2;
    #Shift_Register_Lane3.%X0 := #Vision_Err_In_Lane3;
    #Shift_Register_Lane4.%X0 := #Vision_Err_In_Lane4;
END_IF;

// Kích hoạt xi-lanh gạt khi phôi lỗi di chuyển tới đúng vị trí trạm Reject (giả sử sau N nhịp dịch)
#Reject_Valve_1 := #Shift_Register_Lane1.%X5 AND #Conveyor_Running;
#Reject_Valve_2 := #Shift_Register_Lane2.%X5 AND #Conveyor_Running;
#Reject_Valve_3 := #Shift_Register_Lane3.%X5 AND #Conveyor_Running;
#Reject_Valve_4 := #Shift_Register_Lane4.%X5 AND #Conveyor_Running;

Thử nghiệm và đánh giá chất lượng (Testing & Validation)

Hệ thống được vận hành thử nghiệm liên tục qua 1,000 chu kỳ dập vỉ mẫu tại phòng thí nghiệm tự động hóa với các mẫu lỗi được giả lập có chủ đích.

                  KẾT QUẢ ĐO KIỂM HIỆU NĂNG THEO TỪNG DẠNG KHUYẾT TẬT

Phân tích lỗi (Bug Resolution Tracking)

  • Hiện tượng trôi nhịp (Timing Mismatch): Ở tốc độ băng tải cao, xi-lanh gạt khi vỉ thuốc chưa tới tâm cần gạt.
    • Nguyên nhân: Độ trễ cơ học của van khí nén và quán tính pít-tông (khoảng 35–45 ms).
    • Giải pháp khắc phục: Hiệu chỉnh thời gian tác động thông qua khối hàm TON trên TIA Portal, cho phép người vận hành bù trừ thời gian trễ (Lead Time Offset) trực tiếp từ giao diện cài đặt HMI KTP400 với bước vi chỉnh 5 ms.

Đổi mới và đóng góp

  1. Khả năng đồng bộ hóa không dây cứng (Deterministic Hard Real-Time): Khắc phục triệt để độ trễ không đồng đều của các hệ thống xử lý ảnh dựa trên nền tảng máy tính (PC-based) bằng cách liên kết trực tiếp ngõ ra số tốc độ cao (High-speed Digital Output) của Keyence CV-X với ngắt phần cứng của PLC S7-1200, rút ngắn độ trễ kích hoạt toàn chu trình xuống dưới 45 ms.
  2. Cơ cấu gạt phân làn khí nén độc lập (Multi-lane Parallel Reject): Khác biệt với các hệ thống xả toàn bộ mẻ dập khi có lỗi, giải pháp thiết kế 4 xi-lanh độc lập cho phép chỉ gạt duy nhất vỉ lỗi trong hàng dập 4 làn, giúp giảm lãng phí sản phẩm đạt chuẩn đến 75% so với cơ chế xả cả mảng dập.
  3. Tiết kiệm chi phí đầu tư chuyển đổi (Cost-effective Retrofitting): Thiết kế dạng module độc lập (Plug-and-Play Reject Unit) cho phép tích hợp trực tiếp vào cuối mọi dây chuyền ép vỉ tự động hiện hữu mà không yêu cầu can thiệp sâu vào kết cấu cơ điện của máy chính.
             SO SÁNH MỨC ĐỘ TIẾT KIỆM PHẾ PHẨM GIỮA 2 CƠ CHẾ GẠT
Cơ chế cũ (Gạt nguyên hàng 4 vỉ khi 1 vỉ lỗi):

Cơ chế đề tài (Gạt phân làn độc lập bằng 4 Xi-lanh):

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản triển khai tại nhà máy

Cơ cấu phân loại được lắp đặt tại khu vực chuyển tiếp giữa máy dập vỉ liên tục (Blister Packaging Machine) và máy vào hộp tự động (Cartoning Machine).

                        SƠ ĐỒ BỐ TRÍ TRÊN DÂY CHUYỀN THỰC TẾ

Phân tích hiệu quả kinh tế và thời gian hoàn vốn (ROI)

  • Chi phí triển khai ước tính:
    • Phần cứng Vision Keyence CV-X320A + Camera + Đèn: ~110,000,000 VNĐ.
    • PLC Siemens S7-1200 + HMI KTP400 + Khí nén + Cơ khí: ~35,000,000 VNĐ.
    • Tổng mức đầu tư: ~145,000,000 VNĐ.
  • Lợi ích kinh tế thu được:
    • Cắt giảm 02 nhân công kiểm tra ngoại quan mỗi ca sản xuất (tiết kiệm ~20,000,000 VNĐ/tháng).
    • Giảm thiểu 100% rủi ro bị phạt hoặc thu hồi thuốc do sai quy cách đóng gói (tránh tổn thất thương hiệu ước tính hàng trăm triệu đồng).
    • Thời gian hoàn vốn đầu tư (Payback Period): 7.25 tháng.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Hệ thống cơ khí chỉ tối ưu cho loại vỉ tiêu chuẩn 7 viên kích thước nhỏ; khi chuyển đổi sang quy cách vỉ lớn (10 viên, 20 viên) cần thay đổi dưỡng định vị cơ khí.
  • Nguồn sáng LED trắng có thể bị phản xạ cục bộ nếu bề mặt phôi màng nhôm bị gợn sóng quá mức cho phép.

Hướng nâng cấp mở rộng

  • Tích hợp Deep Learning / AI Edge: Thay thế bộ xử lý ảnh truyền thống bằng các thuật toán mạng nơ-ron tích chập (CNN) để phân biệt các vết nứt siêu nhỏ trên viên nang mềm trong điều kiện bề mặt phức tạp.
  • Kết nối chuẩn công nghiệp IIoT / SCADA: Tích hợp giao thức truyền thông OPC UA hoặc MQTT trên PLC S7-1200 để đẩy dữ liệu sản lượng, tỷ lệ OEE (Overall Equipment Effectiveness) lên hệ sinh thái điện toán đám mây và hệ thống điều hành sản xuất MES của nhà máy.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên chuyên ngành Kỹ thuật: Tài liệu tham khảo toàn diện về phương pháp tích hợp hệ thống cơ điện tử phức hợp (Mechatronics System Integration), kết hợp giữa Thị giác máy (Machine Vision), Lập trình điều khiển logic (PLC) và Khí nén công nghiệp.
  • Kỹ sư Tự động hóa & Lập trình viên PLC: Nắm vững kỹ thuật lập trình thanh ghi dịch định thời (Shift Register Tracking), phương pháp cấu hình đồng bộ camera Keyence CV-X với PLC Siemens qua I/O rời rạc.
  • Doanh nghiệp Dược phẩm & Đóng gói bao bì: Giải pháp công nghệ thực tiễn để nâng cao năng suất, đảm bảo tính tuân thủ tiêu chuẩn GMP-WHO và tối ưu hóa chi phí sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn điện và khí nén để triển khai hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện xoay chiều 1 pha $220\text{ VAC} \pm 10%$, $50\text{ Hz}$ cấp cho động cơ băng tải và bộ nguồn tổ ong $24\text{ VDC} - 5\text{ A}$ (nuôi PLC, HMI, cảm biến, van điện từ). Nguồn khí nén vận hành cần duy trì áp suất ổn định từ $0.4\text{ MPa}$ đến $0.6\text{ MPa}$ ($4 - 6\text{ bar}$) với hệ thống lọc tách nước và tra dầu bôi trơn tiêu chuẩn.

2. Hệ thống xử lý thế nào khi các vỉ thuốc chạy lệch hướng trên băng chuyền?

Bộ điều khiển Keyence CV-X320A được cấu hình công cụ Position Adjustment (Căn chỉnh vị trí tự động). Trước khi thực hiện trích xuất diện tích hạt, thuật toán sẽ nhận diện góc xoay và tọa độ tâm của vỉ thuốc, tự động quay hệ tọa độ kiểm tra (ROI - Region of Interest) khớp với biên dạng vỉ thực tế, đảm bảo không nhận diện nhầm do góc nghiêng cơ học.

3. Có thể kết nối hệ thống với các dòng PLC khác (như Mitsubishi, Omron) không?

Có. Hệ thống sử dụng cơ chế giao tiếp I/O mức logic $24\text{ VDC}$ chuẩn công nghiệp giữa bộ Keyence CV-X320A và PLC. Do đó, có thể dễ dàng thay thế PLC Siemens S7-1200 bằng các dòng PLC khác như Mitsubishi FX5U, Omron CP1H, hoặc Delta DVP-SV2 mà không cần thay đổi phần cứng thị giác.

4. Quy trình bảo trì và hiệu chuẩn hệ thống định kỳ bao gồm những gì?

Quy trình định kỳ mỗi tuần bao gồm: vệ sinh bề mặt thấu kính camera CA-LH8 và tấm khuếch tán đèn LED bằng cồn Isopropyl vô trùng; xả nước tại bình lọc khí nén; kiểm tra độ căng của dây đai băng chuyền và hiệu chỉnh lại khoảng cách cảm biến tiệm cận Omron ($8\text{ mm}$).

5. Chi phí bảo dưỡng và tỷ suất hoàn vốn (ROI) kéo dài trong bao lâu?

Chi phí bảo dưỡng định kỳ rất thấp (chủ yếu thay phốt xi-lanh và vòng đệm khí sau mỗi $2,000,000$ chu kỳ dập). Với việc tiết kiệm chi phí nhân công kiểm tra và loại bỏ hoàn toàn phế phẩm lãng phí, thời gian hoàn vốn đầu tư thực tế dao động trong khoảng 7 đến 10 tháng tùy thuộc vào quy mô công suất nhà máy.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công cơ cấu nhận biết, phân loại vỉ thuốc lỗi" đã hiện thực hóa thành công một giải pháp tự động hóa hoàn chỉnh, kết hợp hoàn hảo giữa công nghệ thị giác máy tính công nghiệp Keyence và bộ điều khiển khả trình Siemens S7-1200. Kết quả đo kiểm thực tế chứng minh độ tin cậy vượt trội với tỷ lệ nhận diện lỗi đạt 99.70%, thời gian đáp ứng thời gian thực < 45 ms, đáp ứng hoàn toàn các yêu cầu kỹ thuật khắt khe của ngành công nghiệp sản xuất dược phẩm hiện đại. Mô hình không chỉ mang giá trị học thuật sâu sắc mà còn sở hữu tiềm năng thương mại hóa và ứng dụng thực tiễn to lớn tại các dây chuyền đóng gói bao bì tự động.