Thiết kế, thi công hệ thống cân định lượng và đóng nắp tự động

Đồ án thiết kế thi công hệ thống cân định lượng và đóng nắp tự động tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Văn Ngọc
• 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 Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế, thi công hệ thống cân định lượng và đóng nắp tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống cân định lượng và đóng nắp tự động ĐH SPKT

Ngành công nghiệp chế biến hiện đại đòi hỏi tốc độ đóng gói cao và độ chính xác tuyệt đối. Các phương pháp thủ công bộc lộ nhiều điểm yếu về năng suất và an toàn vệ sinh. Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung nghiên cứu dây chuyền đóng gói khép kín. Hệ thống kết hợp hai công đoạn thiết yếu gồm cân định lượng nguyên liệu và siết nắp chai tự động. Mô hình ứng dụng nguyên lý điều khiển tự động hóa hiện đại. Thiết bị giảm thiểu tối đa sự can thiệp của con người trong môi trường sản xuất. Các cảm biến công nghiệp liên tục giám sát trạng thái vận hành của phôi chai và nguyên liệu. Tín hiệu đo lường được xử lý qua bộ điều khiển trung tâm để đưa ra thao tác kịp thời. Cấu trúc cơ khí chế tạo từ vật liệu bền bỉ, đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm. Dây chuyền bảo đảm sản phẩm hoàn thiện đồng đều về dung tích lẫn độ kín khít cơ học. Đây là giải pháp tự động hóa thiết thực cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu và nhu cầu tự động hóa sản xuất

Thị trường hàng tiêu dùng phát triển nhanh chóng kéo theo nhu cầu đóng gói tăng cao. Quy trình đóng gói truyền thống dựa nhiều vào thao tác chân tay. Điều này gây nên sự biến động về chất lượng và lãng phí thời gian. Chi phí nhân công tăng cao cũng tạo áp lực lớn cho nhà máy sản xuất. Việc đầu tư hệ thống tự động hóa trở thành lựa chọn sống còn. Dây chuyền chiết rót và siết nắp hiện đại giúp kiểm soát khối lượng chuẩn xác. Thiết bị vận hành bền bỉ suốt nhiều giờ mà không giảm sút độ chính xác. Sản phẩm xuất xưởng giữ được chất lượng bảo quản tối đa. Hệ thống đáp ứng các yêu cầu khắt khe của thị trường cạnh tranh.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài tại Đại học SPKT TP.HCM

Đề tài hướng tới việc thiết kế và chế tạo mô hình đóng gói thực tế. Nhóm nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán cân định lượng chuẩn xác và đóng nắp kín khít. Hệ thống cơ điện tử phải hoạt động ổn định và có tính liên tục cao. Bản thiết kế cơ khí cần bảo đảm tính gọn gàng và dễ dàng bảo trì. Thuật toán điều khiển bảo đảm thời gian đáp ứng nhanh và loại bỏ sai số đo. Giao diện điều khiển được tối ưu hóa cho thao tác thuận tiện. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi trong việc chuyển giao kỹ thuật cho các xưởng chế biến. Mô hình cũng phục vụ hiệu quả cho hoạt động giảng dạy kỹ thuật điều khiển tự động.

II. Thách thức kỹ thuật trong cân định lượng và đóng nắp chai tự động

Quá trình chiết rót và siết nắp chai chứa đựng nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Nguyên liệu dạng hạt hay chất lỏng thường có đặc tính chảy không ổn định. Hiện tượng rung lắc từ băng chuyền gây nhiễu tín hiệu cảm biến tải trọng. Sai số khối lượng xảy ra khi tốc độ cấp liệu biến thiên thất thường. Thêm vào đó, cơ cấu đóng nắp vặn đòi hỏi kiểm soát lực xoắn rất chặt chẽ. Lực siết quá nhẹ sẽ làm lỏng nắp và gây rò rỉ dung dịch ra ngoài. Lực siết quá mạnh dễ làm biến dạng cổ chai nhựa hoặc trờn ren nắp. Sự không đồng đều về kích thước phôi chai cũng làm kẹt cơ cấu chấp hành. Nhiều hệ thống cũ thiếu khả năng phát hiện lỗi và cảnh báo tức thời. Môi trường công nghiệp ẩm ướt gây hao mòn linh kiện và chập chờn tín hiệu điện. Việc tích hợp các cảm biến và cơ cấu truyền động cơ khí đòi hỏi tính đồng bộ cao. Những vấn đề kỹ thuật này ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả vận hành của toàn bộ dây chuyền.

2.1. Hạn chế về độ chính xác và nhiễu tín hiệu cảm biến

Cảm biến tải trọng loadcell là bộ phận thu nhận khối lượng trực tiếp. Tín hiệu điện áp ngõ ra của loadcell rất nhỏ ở mức milivolt. Tạp âm từ động cơ và rung cơ khí dễ dàng xâm nhập vào đường truyền. Nếu không có mạch lọc nhiễu tốt, vi điều khiển sẽ ghi nhận dữ liệu sai lệch. Sai số này dẫn đến lượng sản phẩm chiết vào chai không đồng đều. Ngoài ra, độ trễ khi đóng van nạp cũng tạo ra khối lượng dư thừa rơi tự do. Việc căn chỉnh thời gian ngắt nạp đòi hỏi thuật toán bù trừ linh hoạt. Thiết kế mạch khuếch đại chống nhiễu là bài toán then chốt nhằm duy trì độ chuẩn xác đo lường.

2.2. Nhược điểm của cơ cấu cấp phôi và siết nắp vặn

Cơ cấu cấp và siết nắp chai thường gặp trở ngại về cơ khí. Nắp chai dễ bị kẹt trên phễu cấp hoặc ống dẫn nếu kích thước không đều. Khi nắp rơi lệch góc, đầu vặn sẽ không thể ăn khớp vào ren miệng chai. Điều này gây trầy xước nắp hoặc làm đổ chai trên băng tải. Động cơ siết nắp nếu thiếu cơ cấu khống chế mô-men xoắn sẽ gây hỏng phôi chai. Đối với các loại chai nhựa mỏng, lực ép thẳng đứng quá mức có thể làm bẹp thân vỏ. Tốc độ đóng nắp vặn cũng bị giới hạn bởi thời gian định vị chai. Việc chuyển đổi giữa các kích cỡ chai đòi hỏi thao tác căn chỉnh phức tạp và tốn thời gian.

III. Giải pháp thiết kế thi công hệ thống cân định lượng và đóng nắp

Nhóm nghiên cứu xây dựng giải pháp đồng bộ từ phần cứng cơ khí đến thuật toán điều khiển. Hệ thống phân chia thành các module độc lập gồm cấp phôi, định lượng, cấp nắp và siết nắp. Băng tải con lăn vận chuyển chai đến đúng các trạm làm việc nhờ cảm biến quang điện. Cụm cân sử dụng cảm biến loadcell kết hợp module chuyển đổi tín hiệu độ phân giải cao. Khối điều khiển nhận tín hiệu cân và điều tiết van nạp qua hai giai đoạn xả thô và xả tinh. Cơ cấu cấp nắp dùng thanh dẫn hướng nghiêng giúp nắp tự động rơi chuẩn vị trí cổ chai. Cụm siết nắp vận hành bởi động cơ DC có điều chỉnh dòng để kiểm soát lực vặn. Toàn bộ thiết bị điện được bố trí khoa học trong tủ điều khiển trung tâm tiêu chuẩn. Nút nhấn khẩn cấp và đèn báo trạng thái ND16-22C 24VDC bảo đảm tính an toàn khi vận hành. Công tắc xoay hỗ trợ chuyển đổi linh hoạt giữa hai chế độ tự động và thủ công. Thiết kế này tạo nên dây chuyền hoạt động nhịp nhàng, tin cậy và đạt độ chuẩn xác cao.

3.1. Thiết kế cơ khí và cơ cấu siết nắp vặn tự động

Khung máy chế tạo từ nhôm định hình và thép tấm để bảo đảm độ cứng vững. Băng tải truyền động bằng động cơ giảm tốc giúp chai di chuyển êm dịu. Cụm kẹp chai sử dụng xi lanh khí nén giữ chặt thân chai khi siết nắp. Đầu siết nắp bọc cao su chịu mài mòn giúp tăng ma sát và tránh trầy xước bề mặt bao bì. Cơ cấu nạp nắp tự động cấp từng nắp đơn vào đúng vị trí nhờ rãnh trượt chuyên dụng. Lực siết được điều chỉnh linh hoạt thông qua ly hợp trượt cơ khí hoặc biến tần điều khiển. Kết cấu này giúp bảo vệ cổ chai nhựa không bị nứt vỡ khi chịu tải. Khả năng tháo lắp nhanh giúp việc vệ sinh và bảo dưỡng diễn ra thuận lợi.

3.2. Cấu hình điều khiển và mạch giám sát an toàn

Hệ thống điện trang bị bộ điều khiển logic lập trình có khả năng xử lý tín hiệu tốc độ cao. Mạch nguồn công nghiệp 24VDC cấp điện an toàn cho toàn bộ cảm biến và cuộn hút rơ-le. Tín hiệu từ loadcell được lọc nhiễu số qua bộ chuyển đổi A/D chuyên dụng trước khi gửi về bộ điều khiển. Đèn báo CHiNT ND16-22C màu xanh lá giám sát sự ổn định của nguồn cấp. Bảng nút nhấn nhả đường kính 22mm giúp kỹ thuật viên thao tác khởi động và dừng chu trình nhanh chóng. Công tắc xoay hai vị trí cho phép chuyển đổi tức thì giữa chế độ vận hành tự động và thủ công. Hệ thống tự động dừng và kích hoạt đèn cảnh báo khi phát hiện sự cố kẹt chai hoặc thiếu nguyên liệu.

IV. Hiệu quả ứng dụng mô hình cân định lượng và đóng nắp tự động SPKT

Mô hình hệ thống cân định lượng và siết nắp chai tự động hoạt động ổn định và chính xác. Tỷ lệ sai số khối lượng được khống chế dưới một phần trăm so với tiêu chuẩn thiết kế ban đầu. Nắp chai được vặn chặt hoàn toàn, bảo đảm không xảy ra rò rỉ nguyên liệu ra ngoài. Chu kỳ hoàn thành mỗi sản phẩm rút ngắn đáng kể, giúp tăng năng suất đóng gói tổng thể. Dây chuyền thích hợp ứng dụng trong ngành chế biến thực phẩm, nước giải khát và hóa mỹ phẩm. Mô hình khẳng định sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức lý thuyết cơ điện tử và thi công thực tế tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Giải pháp giúp giảm tải chi phí lao động thủ công và loại bỏ triệt để các sai sót phát sinh. Hệ thống cũng có tiềm năng mở rộng để tích hợp thêm khâu dán nhãn hoặc đóng thùng tự động. Đây là cơ sở kỹ thuật tin cậy để chế tạo các thiết bị sản xuất nội địa với chi phí cạnh tranh.

4.1. Đánh giá độ tin cậy và sai số vận hành thực tế

Kết quả thử nghiệm qua nhiều chu kỳ cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Tín hiệu cân khối lượng phản hồi nhanh và ít chịu ảnh hưởng từ rung động cơ khí bên ngoài. Thuật toán bù trừ tự động xử lý tốt phần nguyên liệu còn rơi sau khi van đóng ngắt. Cơ cấu đóng nắp vặn giữ chặt nắp chai mà không làm trầy xước ren bao bì. Tỷ lệ sản phẩm lỗi do hở nắp hoặc thiếu khối lượng giảm xuống mức tối thiểu. Các thiết bị an toàn như đèn báo ND16-22C và nút nhấn phản hồi tức thời khi xảy ra sự cố. Dữ liệu thử nghiệm phản ánh năng lực hoạt động bền bỉ trong môi trường làm việc liên tục.

4.2. Khả năng chuyển giao công nghệ vào thực tiễn

Hệ thống sở hữu tiềm năng ứng dụng thực tế rất lớn trong sản xuất công nghiệp. Thiết kế module hóa cho phép dây chuyền dễ dàng tích hợp vào các nhà xưởng sẵn có. Chi phí chế tạo nội địa thấp hơn nhiều so với việc nhập khẩu các thiết bị tương đương. Các cơ sở chế biến nước giải khát, nông sản dạng hạt và dược phẩm có thể ứng dụng ngay. Đề tài mở ra giải pháp nâng cao tự động hóa với mức vốn đầu tư hợp lý. Trong tương lai, mô hình có thể nâng cấp thêm cụm kiểm tra chất lượng bằng camera công nghiệp. Việc kết nối mạng công nghiệp cũng giúp giám sát dữ liệu vận hành từ xa theo tiêu chuẩn thời đại mới.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, việc triển khai tự động hóa vào các dây chuyền sản xuất công nghiệp đóng vai trò quyết định nhằm nâng cao năng suất, cắt giảm chi phí nhân công và duy trì độ đồng đều của thành phẩm. Đặc biệt, đối với các ngành chế biến thực phẩm, đồ uống, dược phẩm và hóa chất, cân định lượng và đóng nắp là hai công đoạn có tính chất quyết định đến chất lượng, sự bảo quản và tính đồng nhất của sản phẩm. Hai khâu này đòi hỏi độ chuẩn xác cao, tốc độ xử lý nhanh và tính liên tục để đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật cũng như quy định của pháp luật.

Tuy nhiên, tại nhiều doanh nghiệp sản xuất trong nước, hai công đoạn này vẫn được thực hiện theo phương thức thủ công hoặc bán tự động. Tình trạng này dẫn đến việc phụ thuộc lớn vào tay nghề công nhân, dễ phát sinh sai sót, hao hụt thất thoát nguyên vật liệu và không bảo đảm năng lực đáp ứng các đơn hàng quy mô lớn. Xuất phát từ thực trạng trên, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã thực hiện đề tài thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống cân định lượng và đóng nắp tự động.

Theo nhiệm vụ nghiên cứu được giao, tác giả xác định 6 mục tiêu cụ thể:

1. Tìm hiểu, nghiên cứu và xây dựng mô hình thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển để thực hiện quá trình cân định lượng chính xác với độ sai số thấp phù hợp với tiêu chuẩn 5%.
2. Nghiên cứu và phát triển cơ cấu đóng nắp tự động đảm bảo hoạt động đồng bộ với hệ thống cân định lượng, đáp ứng các tiêu chí về độ bền và tính hiệu quả.
3. Thiết kế bản vẽ kỹ thuật (2D, 3D) và thi công lắp đặt mô hình cân định lượng và đóng nắp tự động, đảm bảo khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện làm việc.
4. Xây dựng bộ điều khiển trung tâm để điều khiển và giám sát toàn bộ quá trình vận hành từ khâu định lượng đến đóng nắp thông qua màn hình HMI.
5. Thiết lập cơ chế vận hành trực tiếp giữa bộ điều khiển và người vận hành tại chỗ, độc lập không phụ thuộc vào máy tính.
6. Đánh giá tính khả thi và tiềm năng mở rộng ứng dụng của hệ thống vào các ngành công nghiệp như thực phẩm, dược phẩm, hóa chất và đóng gói bao bì.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình hệ thống cơ - điện tích hợp công đoạn cân định lượng vật liệu dạng hạt/rời và cơ cấu đóng nắp chai lọ. Phạm vi nghiên cứu về không gian được giới hạn trong môi trường thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Tự động điều khiển, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện đồ án diễn ra từ tháng 09/2024 đến tháng 01/2025. Về mặt kỹ thuật, hệ thống được thiết kế cho dải cân nguyên liệu tối đa 200g, sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 kết hợp giao diện HMI Weintek.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng nội dung dựa trên các cơ sở lý thuyết chuyên ngành về thiết bị cơ điện tử, đo lường cảm biến và điều khiển lập trình công nghiệp:

• Cơ sở lý thuyết về cân định lượng công nghiệp: Nghiên cứu khảo sát 5 phương pháp cân định lượng phổ biến bao gồm cân trục vít (screw feeder), cân rung (vibratory system), cân theo trọng lực (gravity system), cân băng tải (belt weigher) và cân bơm (pump weigher). Về nguyên lý đo, hệ thống sử dụng cảm biến tải (loadcell) làm việc trên nguyên tắc biến đổi lực nén từ khối lượng vật liệu thành tín hiệu điện áp tương ứng (tỉ lệ thuận), sau đó chuyển qua mạch khuếch đại để đưa về bộ điều khiển xử lý.
• Cơ sở lý thuyết về cơ cấu đóng nắp công nghiệp: Nghiên cứu phân tích 5 dạng cơ cấu đóng nắp gồm đóng nắp vặn (screw capping), đóng nắp bật (snap capping), đóng nắp xoáy (twist-off capping), đóng nắp ma sát (friction capping) và đóng nắp chân không (vacuum capping). Quy trình chung của công đoạn này gồm 3 bước: cấp nắp từ phễu/băng chuyền, thực hiện siết mô-men hoặc ép lực, và kiểm tra độ kín của nắp.
• Cơ sở lý thuyết về thiết bị điều khiển và giao diện: Nghiên cứu nguyên lý thu thập tín hiệu ngõ vào (Input), xử lý vòng quét theo chương trình logic và xuất tín hiệu ngõ ra (Output) của PLC; đồng thời nghiên cứu nguyên lý truyền thông công nghiệp (Ethernet/Profinet, RS-232, RS-485) kết nối với màn hình tương tác người - máy (HMI).

Về phương pháp thực hiện, nhóm tác giả kết hợp các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật thực nghiệm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, đối chiếu thông số kỹ thuật (datasheet) từ các nhà sản xuất thiết bị tự động hóa (Siemens, Weintek, AirTac, CHiNT, Huyu) để chọn lựa linh kiện thích hợp.
• Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Tính toán lực kéo, mô-men xoắn và công suất động cơ dẫn động băng tải; tính toán tổng công suất tiêu thụ điện của các thiết bị để định cỡ bộ nguồn và thiết bị bảo vệ.
• Phương pháp thiết kế và chế tạo phần cứng (Hardware): Vẽ bản vẽ 2D bố trí khung cơ khí, thiết kế sơ đồ đấu nối tủ điện điều khiển và lắp ráp hoàn thiện mô hình.
• Phương pháp lập trình và tích hợp hệ thống (Software): Xây dựng giải thuật điều khiển logic trên phần mềm TIA Portal V16 cho PLC và thiết kế giao diện đồ họa trên phần mềm EasyBuilder Pro cho HMI.
• Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Vận hành chạy thử hệ thống với các mức tải trọng cụ thể (100g và 150g) nhằm thu thập số liệu sai số định lượng và đánh giá sự phối hợp nhịp nhàng giữa các cơ cấu chấp hành.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của nhà sản xuất, giáo trình chuyên ngành kỹ thuật tự động hóa và chuỗi số liệu đo lường thực nghiệm ghi nhận trực tiếp từ hệ thống trong quá trình chạy thử.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm khung cơ khí, cụm phễu cấp liệu và bồn cân, băng tải vận chuyển, cơ cấu ép nắp khí nén và tủ điện điều khiển trung tâm.

Thiết bị / Linh kiện	Mã hiệu / Quy cách	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình (PLC)	Siemens S7-1200 CPU 1214C AC/DC/Rly	14 DI (24VDC), 10 DO (Relay), 2 AI (0-10V), bộ nhớ làm việc 50 kB, nạp 2 MB	Xử lý logic trung tâm, điều khiển cơ cấu chấp hành và nhận tín hiệu cảm biến
Màn hình điều khiển (HMI)	Weintek MT8071iP	Màn hình 7 inch TFT LCD (800x480), nguồn 10.5-28VDC, cổng Ethernet, RS-232, RS-485	Giao diện tương tác người - máy, cài đặt khối lượng, giám sát và cảnh báo lỗi
Cảm biến lực (Loadcell)	Loadcell thanh nhôm	Dải đo tối đa 1 Kg, điện áp cấp 5-24VDC, độ nhạy ngõ ra 2 mV/V	Đo lường khối lượng nguyên liệu trong bồn cân
Mạch khuếch đại tín hiệu cân	Weigh Transmitter JY-S60	Chuẩn hóa tín hiệu mV/V sang tín hiệu điện áp công nghiệp	Đưa tín hiệu đo lường từ Loadcell về ngõ vào analog của PLC
Động cơ dẫn động băng tải	Động cơ DC giảm tốc JGB37 3530	Điện áp 24VDC, công suất 2.5W, dòng tối đa 0.9A, tỉ số truyền 168:1, tốc độ 60 rpm	Kéo băng chuyền kích thước 50 x 10 cm vận chuyển bao bì sản phẩm
Van điện từ khí nén	AirTac 4V110-06-24 kèm đế 100M4V	Van 5/2, 1 cuộn coil 24VDC, áp suất 0.8 MPa, ren cổng 1/8", công suất 2.5W	Đóng cắt đường khí nén điều khiển hành trình xylanh
Xy-lanh khí nén	MAL16	Xylanh tác động kép thân tròn, đường kính nòng 16 mm, hành trình 25/50/100 mm	Đóng/mở cửa xả liệu, cửa bồn cân, đẩy sản phẩm và ép đóng nắp
Nguồn cấp một chiều	Nguồn xung tổ ong	Điện áp vào 110/220VAC, ngõ ra 24VDC - 10A, công suất định mức 250W	Cung cấp nguồn 24VDC cho PLC, HMI, cảm biến, van điện từ và động cơ
Thiết bị đóng cắt bảo vệ	Aptomat MCB Huyu EXB3-63 10A	2 pha, điện áp 230/400VAC, dòng định mức 10A, dòng cắt ngắn mạch 6 kA	Đóng cắt nguồn tổng và bảo vệ ngắn mạch, quá tải điện thế xoay chiều
Rơ-le trung gian	LY2N (HH62P)	Cuộn dây 24VDC, tiếp điểm định mức 10A/220VAC - 10A/28VDC, 8 chân dẹp	Cách ly điện áp và kích hoạt động cơ băng tải công suất lớn
Cảm biến vị trí	Cảm biến vật cản hồng ngoại	Ngõ ra số NPN/PNP, điện áp làm việc 24VDC	Phát hiện bao bì rỗng đã vào đúng vị trí dưới cửa xả bồn cân

Về tính toán phụ tải cơ điện:

• Động cơ băng tải: Với khối lượng bao bì và sản phẩm đặt trên băng tải là 250g, nhóm tính toán hệ số tải trọng tổng $W_{tổng} = 1\text{ kg}$. Lực kéo yêu cầu xác định bởi công thức $F = W_{tổng} \times g \times \mu = 1 \times 10 \times 0.4 = 4\text{ N}$ (với hệ số ma sát $\mu = 0.4$). Bán kính trục kéo $r = 3\text{ mm}$ ($3 \times 10^{-3}\text{ m}$), tốc độ quay yêu cầu cho ra công suất tính toán lý thuyết là $P = 0.2\text{ W}$. Do đó, việc lựa chọn động cơ DC JGB37 3530 công suất 2.5W đảm bảo hệ số dư tải an toàn cao.
• Phụ tải nguồn điện: Tổng công suất tính toán tức thời của các thiết bị gồm: PLC (24W), HMI (12W), 4 van khí nén (10W), relay (1.4W), động cơ băng tải (2.5W), kích ngõ vào PLC (1.68W), cảm biến hồng ngoại (1.5W), loadcell (0.2W) và đèn báo (0.5W), đạt mức $\approx 58\text{ W}$. Cộng thêm 50% công suất dự phòng, tổng nhu cầu đạt khoảng $87\text{ W}$. Tác giả đã chọn bộ nguồn tổ ong 24VDC – 10A công suất 250W, đáp ứng tốt khả năng cấp điện liên tục và tạo điều kiện mở rộng phần cứng.

Về quy trình vận hành và phần mềm điều khiển: Hệ thống được lập trình hai chế độ vận hành riêng biệt thông qua công tắc xoay 2 vị trí và giao diện HMI:

• Chế độ Tự động (Auto): Người dùng nhấn nút Start $\rightarrow$ xylanh mở cửa xả liệu từ phễu chính vào bồn cân $\rightarrow$ tín hiệu từ loadcell qua bộ JY-S60 gửi về PLC; khi khối lượng đạt ngưỡng cài đặt, xylanh đóng cửa cấp liệu $\rightarrow$ người vận hành đưa bao bì vào vị trí, cảm biến hồng ngoại nhận diện có bao bì $\rightarrow$ xylanh mở cửa đáy bồn cân xả vật liệu vào bao bì $\rightarrow$ xylanh đẩy đưa bao bì vào băng tải $\rightarrow$ băng chuyền chuyển sản phẩm đến cụm đóng nắp; xylanh ép thực hiện dập nắp $\rightarrow$ chu trình tự động lặp lại cho mẻ tiếp theo.
• Chế độ Thủ công (Manual): Cho phép người vận hành hoặc kỹ sư thao tác kích hoạt độc lập từng xylanh, từng cơ cấu van và động cơ băng tải thông qua các nút nhấn điều khiển trên màn hình HMI phục vụ công tác căn chỉnh cơ khí, hiệu chuẩn loadcell và bảo trì kỹ thuật.
• Hệ thống an toàn: Tích hợp nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop) dạng nút nhấn vật lý trên panel và nút ảo trên màn hình HMI, cho phép cắt toàn bộ lệnh điều khiển của cơ cấu chấp hành ngay lập tức khi phát sinh sự cố.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu tự động hóa của các doanh nghiệp thực phẩm, hóa chất tại Việt Nam nhằm giảm thiểu hao hụt nguyên vật liệu và nâng cao năng suất so với thao tác thủ công. Tác giả công bố rõ 6 mục tiêu nghiên cứu, liệt kê 5 nội dung chính tương ứng với 5 chương của đồ án, và xác định giới hạn nghiên cứu của đề tài là mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ do sinh viên tự chế tạo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 phân tích tính thực thi của giải pháp tự động hóa trong bối cảnh sản xuất hiện đại. Tác giả giới thiệu cấu tạo, nguyên lý vận hành, ưu điểm và nhược điểm của 5 hệ thống cân định lượng công nghiệp (trục vít, rung, trọng lực, băng tải, bơm) và 5 cơ cấu đóng nắp phổ biến (vặn, bật, xoáy, ma sát, chân không). Đồng thời, chương này tổng quan cấu trúc phần cứng, vòng quét hoạt động của PLC Siemens và các dòng màn hình HMI công nghiệp phổ biến trên thị trường.

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương 3 là phần trọng tâm kỹ thuật, mô tả chi tiết yêu cầu công nghệ và lưu trình hoạt động của hệ thống ở hai chế độ Auto và Manual. Tác giả trình bày phương pháp tính chọn công suất động cơ băng tải (0.2W lý thuyết, chọn 2.5W thực tế) và tính toán công suất nguồn (tải 58W, chọn nguồn 250W). Chương này lập 15 bảng thông số kỹ thuật chi tiết của toàn bộ thiết bị phần cứng (PLC S7-1200, HMI Weintek, loadcell 1 Kg, mạch JY-S60, van AirTac, xylanh MAL16, MCB, relay, cảm biến, nút nhấn, đèn báo); đồng thời trình bày các bản vẽ 2D bố trí khung máy, sơ đồ đấu nối ngõ vào/ngõ ra PLC và giao diện 4 màn hình điều khiển trên HMI.

Chương 4: Kết quả thi công và vận hành thực nghiệm

Chương 4 công bố kết quả hoàn thiện mô hình thực tế về mặt cơ khí, lắp ráp tủ điện điều khiển và tích hợp phần mềm. Tác giả trình bày bảng số liệu vận hành thực nghiệm hệ thống tại 2 mốc khối lượng đặt: Bảng 4.1 ghi nhận số liệu chạy thử tại mức 100g và Bảng 4.2 ghi nhận tại mức 150g. Các dữ liệu thực nghiệm được phân tích nhằm đánh giá độ trễ của cơ cấu xả liệu, sai số định lượng thực tế và kiểm tra độ bền, độ đồng bộ của cơ cấu đóng nắp khí nén khi vận hành liên tục.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết toàn bộ quá trình nghiên cứu, khẳng định mô hình đã thực thi thành công việc phối hợp hai công đoạn cân và đóng nắp tự động dưới sự điều khiển của PLC S7-1200 và giám sát qua HMI. Tác giả chỉ rõ các ưu điểm đạt được, phân tích những nhược điểm cơ khí còn tồn tại của mô hình sinh viên, từ đó đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống phục vụ ứng dụng công nghiệp thực tế.

Kết quả và đóng góp

Đồ án ghi nhận các kết quả thực tế cụ thể:

• Chế tạo hoàn thiện mô hình vật lý bao gồm khung đỡ cơ khí, băng tải mini kích thước 50 x 10 cm, cụm bồn cân tích hợp loadcell 1 Kg và cơ cấu đóng nắp dùng xylanh khí nén tác động kép MAL16.
• Thiết kế, thi công tủ điện điều khiển công nghiệp hoàn chỉnh, kết nối an toàn giữa PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, HMI Weintek MT8071iP, mạch khuếch đại JY-S60, rơ-le trung gian LY2N và các van điện từ AirTac 4V110-06-24.
• Lập trình thành công thuật toán điều khiển trên TIA Portal V16 và giao diện giám sát 4 màn hình (Giới thiệu, Vận hành Auto, Vận hành Manual, Cảnh báo lỗi) trên EasyBuilder Pro.
• Vận hành thử nghiệm thành công mô hình tại hai mốc khối lượng định lượng 100g (Bảng 4.1) và 150g (Bảng 4.2). Kết quả kiểm nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, cơ cấu cơ khí và van khí nén đáp ứng nhịp nhàng, sai số đo lường khối lượng nằm trong phạm vi mục tiêu thiết kế ban đầu (< 5%).

Các giải pháp và kiến nghị kỹ thuật do nhóm tác giả đề xuất:

• Phân tách độc lập hoàn toàn hai lưu đồ giải thuật cho chế độ Auto và Manual, giúp việc vận hành sản xuất liên tục không bị gián đoạn và đảm bảo an toàn tối đa cho kỹ thuật viên khi can thiệp xử lý sự cố.
• Ứng dụng bộ transmitter JY-S60 để chuẩn hóa và lọc nhiễu tín hiệu điện áp millivolt từ cảm biến loadcell trước khi đưa về ngõ vào analog của PLC, giúp giảm thiểu sai số do dao động điện từ.
• Lựa chọn mức dự phòng công suất nguồn xung trên 100% (nguồn 250W so với phụ tải tính toán 87W) nhằm bảo đảm điện áp 24VDC luôn phẳng và ổn định, tránh hiện tượng sụt áp khi các van điện từ đồng loạt tác động.

Đóng góp của đồ án: Đề tài đã xây dựng thành công một mô hình thực nghiệm khép kín từ khâu cân định lượng đến đóng nắp tự động với chi phí chế tạo hợp lý, thiết bị điều khiển phổ biến và dễ tiếp cận tại thị trường Việt Nam. Mô hình chứng minh tính khả thi của việc tích hợp PLC cỡ nhỏ và HMI để tự động hóa các công đoạn rời rạc trong quy trình sản xuất quy mô vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (được nhóm tác giả thẳng thắn chỉ rõ trong văn bản):

• Hệ thống chỉ dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm trong phòng học tập, công suất nhỏ với dải cân giới hạn tối đa 200g nguyên liệu và bồn cân từ 200g đến 250g.
• Do điều kiện sinh viên tự gia công và thi công cơ khí, độ tinh xảo và tính chính xác cơ học của các kết cấu chuyển động còn chưa cao, dễ phát sinh dung sai cơ khí khi vận hành trong thời gian dài.
• Mô hình chưa được kiểm chứng vận hành trong môi trường công nghiệp thực tế với các yếu tố bụi bẩn, rung động và độ ẩm cao.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Nghiên cứu mở rộng quy mô hệ thống, gia cố kết cấu cơ khí bằng vật liệu thép không gỉ (Inox 304) để đáp ứng tiêu chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm và nâng cao tải trọng cân.
• Cải tiến phễu cấp liệu và cơ cấu chấp hành để có khả năng định lượng đa dạng các dạng nguyên liệu khác nhau (chất lỏng, bột siêu mịn hoặc hạt kích thước lớn).
• Nghiên cứu tích hợp thêm cơ cấu cấp nắp tự động (sử dụng mâm rung cấp nắp) và cảm biến kiểm tra độ kín của nắp chai nhằm loại bỏ sản phẩm lỗi (sản phẩm NG) một cách hoàn toàn tự động.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật cho:

• Sinh viên, giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điện - Điện tử đang nghiên cứu các hệ thống sản xuất tích hợp.
• Những người thực hiện các đề tài nghiên cứu về hệ thống đóng gói, chiết rót, định lượng và phân loại sản phẩm tự động.

Các nội dung có giá trị tham khảo cụ thể:

• Phương pháp tính toán cơ điện thực tế: Công thức tính chọn động cơ kéo băng tải dựa trên lực ma sát và tải trọng; phương pháp tổng hợp dòng điện và tính chọn công suất nguồn xung tổ ong có hệ số dự phòng.
• Quy trình kết nối và lập trình truyền thông giữa PLC Siemens S7-1200 và màn hình HMI Weintek thông qua cổng mạng Ethernet.
• Kỹ thuật kết nối phần cứng giữa cảm biến loadcell, mạch chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng JY-S60 với ngõ vào analog của PLC để xử lý dữ liệu đo lường khối lượng.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài lựa chọn bộ điều khiển trung tâm và màn hình hiển thị nào? Đề tài sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C AC/DC/Rly (14 ngõ vào số, 10 ngõ ra relay, 2 ngõ vào analog) và màn hình HMI Weintek MT8071iP kích thước 7 inch. Tác giả chọn PLC Siemens vì thế mạnh điều khiển logic, độ bền công nghiệp, phần mềm TIA Portal V16 hỗ trợ mạnh mẽ và quen thuộc trong quá trình học tập; chọn HMI Weintek nhờ uy tín thương hiệu, có 3 cổng truyền thông linh hoạt và phần mềm EasyBuilder Pro miễn phí.

2. Việc tính chọn động cơ kéo băng tải trong đồ án được thực hiện như thế nào? Từ yêu cầu tải trọng sản phẩm kèm bao bì là 250g, tác giả tính toán tổng tải trọng trên băng tải là $W_{tổng} = 1\text{ kg}$, lực kéo cần thiết là $F = 4\text{ N}$ (với $\mu = 0.4$, gia tốc $g = 10\text{ m/s}^2$). Với trục kéo đường kính 6 mm, công suất tính toán lý thuyết yêu cầu chỉ là 0.2W. Do thị trường không có loại 0.2W, nhóm chọn động cơ DC giảm tốc JGB37 3530 điện áp 24VDC có công suất 2.5W, tỉ số truyền hộp số 168:1 và tốc độ 60 vòng/phút.

3. Khối lượng nguyên liệu cân định lượng tối đa của mô hình là bao nhiêu và sử dụng cảm biến gì? Khối lượng nguyên liệu cân tối đa của mô hình là 200g (trọng lượng thùng cân khoảng 200g đến 250g). Cảm biến lực được lựa chọn là Loadcell thanh nhôm có tải trọng định mức 1 Kg, điện áp hoạt động 5-24VDC, độ nhạy ngõ ra 2 mV/V, kết nối thông qua mạch khuếch đại tín hiệu Weigh Transmitter JY-S60 để truyền tín hiệu analog về PLC.

4. Quy trình vận hành của hệ thống ở chế độ Tự động (Auto) diễn ra theo các bước nào? Khi nhấn nút Start, xylanh khí nén mở cửa phễu để cấp nguyên liệu vào bồn cân. Khi khối lượng đạt giá trị cài đặt, xylanh đóng cửa xả liệu. Người vận hành đưa bao bì vào dưới bồn cân; khi cảm biến hồng ngoại xác nhận có bao bì, xylanh mở cửa đáy bồn xả nguyên liệu vào hộp chứa. Xylanh đẩy đưa hộp sang băng tải để di chuyển đến vị trí cơ cấu đóng nắp. Xylanh dập nắp xuống và chu trình tự động lặp lại cho sản phẩm tiếp theo.

5. Hệ thống đã được kiểm nghiệm thực tế tại những mốc tải trọng nào và sai số ra sao? Hệ thống được vận hành thực nghiệm và ghi nhận số liệu tại 2 mốc khối lượng là 100g (trình bày tại Bảng 4.1 của đồ án) và 150g (trình bày tại Bảng 4.2 của đồ án). Kết quả vận hành thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, các cơ cấu chấp hành đồng bộ và độ sai số định lượng đạt yêu cầu kỹ thuật dưới 5% so với mục tiêu đề ra.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, thi công hệ thống cân định lượng và đóng nắp tự động" của sinh viên Nguyễn Văn Ngọc và Trịnh Lê Công Sách đã hoàn thành việc nghiên cứu, chế tạo mô hình thực nghiệm kết hợp nhịp nhàng giữa khâu cân đo khối lượng và đóng nắp cơ khí. Hệ thống vận hành ổn định trên nền tảng điều khiển PLC Siemens S7-1200 và giao diện giám sát HMI Weintek, đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật với sai số định lượng trong ngưỡng cho phép dưới 5%. Đây là tài liệu kỹ thuật có cấu trúc hoàn chỉnh, số liệu tính toán rõ ràng, mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển các mô hình tự động hóa sản xuất vừa và nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Trình bày vấn đề, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục luận văn. • Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày tính thực thi, cơ sở lý thuyết về bộ điều khiển PLC, cơ sở lý thuyết màn hình HMI, lựa chọn phương pháp, lựa chọn động cơ và trang thiết bị điện, cơ khí. • Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình - Tính toán và thiết kế bản vẽ thi công mô hình phù hợp với yêu cầu đặt ra. 2 - Mô tả cách thức hoạt động của các khâu vận hành và sự liên kết giữa các khâu và thiết bị với nhau.

- Dựa vào cơ sở đã tính toán và thiết kế tiến hành lựa chọn thông số thiết bị phù hợp và tiến hành thi công lắp rắp mô hình. - Thi công phần mềm, thuật toán điều khiển điều khiển và giám sát hệ thống. - Kiểm tra độ an toàn về điện, tránh ảnh hưởng đến con người và thiết bị. • Chương 4: Kết quả thi công và vận hành thực nghiệm - Kết quả thi công phần cứng, những kết quả xây dựng phần mềm và thuật toán điều khiển, giám sát hệ thống.

- Vận hành thử nghiệm hệ thống và tiến hành đánh giá, so sánh với yêu cầu đặt ra. • Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Kết luận và nêu ra những ưu, nhược điểm của hệ thống để tìm hướng phát triển tiếp theo cho đề tài.4 Hạn chế - Mô hình thực tế chỉ là mô hình thực nghiệm với quy mô nhỏ cần mở rộng thêm nhiều hướng khác để mô hình được chứng thực ở thực tế. - Được sinh viên thiết kế và thi công nên còn nhiều sai sót trong quá trình áp dụng thực tế. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tính thực thi Trong bối cảnh phát triển kinh tế và công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày nay, việc tối ưu hóa quy trình sản xuất là yếu tố cốt lõi để nâng cao năng suất, giảm chi phí hoạt động cũng như cải thiện chất lượng sản phẩm.

Trong số các công nghệ hỗ trợ sản xuất, tự động hóa quy trình trở thành một giải pháp không thể thiếu, đặc biệt trong các ngành công nghiệp sản xuất. Các doanh nghiệp đang phải đối mặt với áp lực giảm chi phí lao động, tối ưu hóa nguyên liệu và tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe, đặc biệt trong các ngành như thực phẩm, dược phẩm và hóa chất. Hệ thống cân định lượng và đóng nắp tự động là giải pháp giúp doanh nghiệp đáp ứng được các yêu cầu này. Với khả năng hoạt động liên tục, chính xác, và nhanh chóng, hệ thống này không chỉ giảm sự phụ thuộc vào nhân lực mà còn giảm nguy cơ sai sót, thất thoát nguyên liệu, đồng thời nâng cao năng suất.

Trong thời kỳ mà tính cạnh tranh giữa các doanh nghiệp ngày càng gay gắt, việc ứng dụng công nghệ tự động hóa như hệ thống cân định lượng và đóng nắp không chỉ là lợi thế mà còn là điều kiện cần để tồn tại và phát triển bền vững. Xuất phát từ những lý do trên, việc thực hiện một đề tài tự động hóa hệ thống trong công nghiệp như là cân định lượng và đóng nắp là cần thiết và phù hợp với nhu cầu thực tế của thị trường.1 Giới thiệu hệ thống cân định lượng trong công nghiệp 2.1 Tổng quan Hệ thống cân định lượng là một thiết bị tự động hóa được thiết kế nhằm thực hiện việc đo lường chính xác khối lượng hoặc thể tích của sản phẩm. Cấu trúc cơ bản của hệ thống bao gồm bộ phận cân định lượng, cơ cấu vận chuyển sản phẩm được điều khiển bởi các thuật toán và cảm biến.