Thiết kế, thi công hệ thống đóng gói tự động và giám sát khối lượng

Đồ án thiết kế thi công hệ thống đóng gói tự động và giám sát khối lượng ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Phạm Gia Khương
• 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 đóng gói tự động và giám sát khối lượng
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống đóng gói tự động và giám sát khối lượng

Hệ thống đóng gói tự động và giám sát khối lượng là đề tài tốt nghiệp của sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Đề tài do nhóm sinh viên Phạm Gia Khương và Nguyễn Lê Ngọc Đức thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Phùng Sơn Thanh. Hệ thống hướng đến giải quyết bài toán tự động hóa dây chuyền đóng gói thùng carton trong sản xuất công nghiệp. Quá trình gồm các bước: mở thùng carton, cân sản phẩm, dán thùng và vận chuyển thành phẩm qua băng chuyền con lăn. Bộ điều khiển PLC S7-1200 của Siemens đóng vai trò trung tâm điều phối toàn bộ hoạt động. Hệ thống giảm sự phụ thuộc vào lao động thủ công, nâng cao độ chính xác và đảm bảo tính đồng đều về chất lượng sản phẩm đầu ra. Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại, tự động hóa quy trình sản xuất là yếu tố then chốt giúp doanh nghiệp cạnh tranh hiệu quả. Đề tài này là minh chứng cho năng lực nghiên cứu ứng dụng thực tiễn của sinh viên kỹ thuật Việt Nam.

1.1. Bối cảnh và sự cần thiết của đề tài

Nhu cầu đóng gói hàng hóa trong công nghiệp ngày càng tăng cao. Dây chuyền thủ công tốn nhiều nhân lực và dễ xảy ra sai số về khối lượng. Các doanh nghiệp sản xuất thực phẩm, hóa phẩm và hàng tiêu dùng cần hệ thống tự động để đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng. Đề tài được thực hiện tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nhằm xây dựng mô hình hệ thống đóng gói tự động có khả năng xử lý số lượng lớn thùng carton trong thời gian ngắn, đảm bảo khối lượng sản phẩm đạt chuẩn trước khi xuất xưởng.

1.2. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu của hệ thống

Đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế và thi công mô hình máy mở, dán thùng carton kết hợp cân đo sản phẩm. Đối tượng ứng dụng là các doanh nghiệp cần đóng gói sản phẩm dạng rời theo khối lượng định sẵn. Nhóm nghiên cứu thuộc khóa K21, Khoa Điện – Điện Tử, triển khai hệ thống sử dụng PLC, động cơ bước, cảm biến và băng chuyền con lăn. Kết quả nghiên cứu có thể nhân rộng và ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.

II. Phân tích vấn đề và yêu cầu kỹ thuật hệ thống đóng gói

Hệ thống đóng gói thủ công tồn tại nhiều hạn chế. Tốc độ xử lý thấp, sai số khối lượng cao và chi phí nhân công lớn là những thách thức cốt lõi. Các máy đóng gói thương mại trên thị trường thường có giá thành cao, khó tùy chỉnh cho từng loại sản phẩm. Bài toán đặt ra là thiết kế hệ thống đáp ứng ba yêu cầu chính: tự động hóa quy trình mở và dán thùng carton, cân chính xác khối lượng sản phẩm trước khi đóng gói, và vận chuyển sản phẩm liên tục qua băng chuyền. Hệ thống cần có giao diện HMI thân thiện để người vận hành dễ dàng điều chỉnh thông số. Khả năng linh hoạt thay đổi loại sản phẩm hoặc kích thước thùng là yêu cầu bắt buộc. Độ chính xác cân đo phải đảm bảo sản phẩm đầu ra đồng đều về chất lượng và thẩm mỹ. Hệ thống phải hoạt động ổn định, an toàn và dễ bảo trì trong môi trường sản xuất thực tế.

2.1. Hạn chế của quy trình đóng gói thủ công

Đóng gói thủ công phụ thuộc hoàn toàn vào sức lao động con người. Năng suất thấp và không ổn định là nhược điểm cố hữu. Sai số về khối lượng thường xuyên xảy ra do thao tác của công nhân thiếu nhất quán. Điều này dẫn đến khiếu nại từ khách hàng và tổn thất kinh tế. Chi phí nhân công tăng theo thời gian trong khi năng suất không tăng tương xứng. Dây chuyền thủ công khó đáp ứng các đơn hàng lớn với yêu cầu giao hàng nhanh. Đây là lý do cốt lõi thúc đẩy nhu cầu tự động hóa.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật đặt ra cho hệ thống tự động

Hệ thống phải xử lý liên tục nhiều thùng carton mà không cần dừng dây chuyền. Cân đo khối lượng sản phẩm cần đạt độ chính xác cao trước khi đưa vào thùng. Bộ điều khiển PLC phải điều phối đồng bộ các cơ cấu chấp hành gồm động cơ bước, xi lanh khí nén và cảm biến. Giao diện HMI cho phép cài đặt lại thông số linh hoạt khi thay đổi loại sản phẩm. Băng chuyền con lăn đảm bảo tính liên tục trong toàn bộ dây chuyền sản xuất.

III. Giải pháp kỹ thuật và phương pháp thiết kế hệ thống

Nhóm nghiên cứu lựa chọn PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC của Siemens làm bộ điều khiển trung tâm. Thiết bị có 14 ngõ vào số, 10 ngõ ra số, 2 ngõ vào analog và bộ nhớ chương trình 100KB. Giao tiếp qua cổng Ethernet RJ45 và Profinet hỗ trợ kết nối mạng công nghiệp. Bộ điều khiển động cơ bước TB6600 sử dụng IC TB6600HQ/HG phù hợp với động cơ bước 2 pha hoặc 4 dây. Thiết bị chịu được dòng điện lên đến 4A và điện áp 42VDC với công suất tối đa 160W. Phần mềm lập trình sử dụng TIA Portal của Siemens để thiết kế chương trình, cấu hình HMI và mô phỏng hệ thống. Sơ đồ nối dây được thiết kế rõ ràng với các kết nối VCC/GND, A+/A-/B+/B- cho động cơ và PUL/DIR/ENA cho tín hiệu điều khiển. Toàn bộ hệ thống hoạt động ở điện áp 24VDC đảm bảo an toàn và tương thích thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn.

3.1. Cấu hình phần cứng và lựa chọn thiết bị

PLC S7-1200 1214C với mã 6ES7214-1AG40-0XB0 có kích thước 110mm x 100mm x 75mm, phù hợp lắp đặt trong tủ điện công nghiệp. Điện áp hoạt động 20.8VDC và dòng đầu ra 0.5A đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển. Bộ điều khiển TB6600 hỗ trợ vi bước từ 1 đến 32, cho phép điều chỉnh độ phân giải bước động cơ linh hoạt. Dòng đầu ra 0.5 đến 4A tương thích với nhiều loại động cơ bước kích thước 42, 57 hoặc 86mm. Nhiệt độ hoạt động từ 10 đến 45 độ C phù hợp môi trường xưởng sản xuất thực tế.

3.2. Phần mềm lập trình và thiết kế giao diện HMI

TIA Portal là nền tảng phần mềm chính để lập trình và tích hợp toàn bộ hệ thống. Phần mềm hỗ trợ lập trình PLC, thiết kế HMI, mô phỏng và quản lý dự án trong một môi trường thống nhất. Giao diện HMI được thiết kế đơn giản và trực quan, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi trạng thái hệ thống và điều chỉnh thông số. Chương trình PLC được cấu trúc theo từng khối chức năng riêng biệt, đảm bảo tính rõ ràng và dễ bảo trì. Hệ thống mô phỏng trong TIA Portal giúp kiểm tra logic trước khi triển khai thực tế.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tiễn của hệ thống đóng gói

Hệ thống đóng gói tự động được thiết kế và thi công thành công tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Mô hình vận hành liên tục, xử lý thùng carton tự động từ công đoạn mở thùng, cân sản phẩm đến dán thùng và xuất ra băng chuyền. Sản phẩm đầu ra đảm bảo khối lượng tiêu chuẩn, đồng đều và có tính thẩm mỹ cao. Hệ thống giảm đáng kể thời gian xử lý so với phương pháp thủ công và gần như loại bỏ sai số cân đo. Kết quả này mở ra hướng ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, dược phẩm, hóa chất và hàng tiêu dùng. Mô hình có thể mở rộng quy mô và tích hợp vào dây chuyền sản xuất công nghiệp thực tế. Đề tài cũng đóng góp vào kho tài liệu nghiên cứu của Khoa Điện – Điện Tử và là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về tự động hóa dây chuyền sản xuất tại Việt Nam.

4.1. Hiệu quả vận hành và kết quả kiểm tra hệ thống

Qua quá trình kiểm tra, hệ thống đóng gói hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Độ chính xác cân đo đạt mức cao, sai số nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn công nghiệp. Băng chuyền con lăn vận hành liên tục, không gây gián đoạn giữa các chu kỳ đóng gói. Thời gian xử lý mỗi thùng được rút ngắn đáng kể so với phương pháp thủ công. Giao diện HMI hoạt động trơn tru, người vận hành có thể điều chỉnh thông số nhanh chóng mà không cần kỹ năng lập trình chuyên sâu.

4.2. Tiềm năng nhân rộng và phát triển trong tương lai

Hệ thống có tiềm năng ứng dụng cao trong các nhà máy sản xuất quy mô vừa và lớn tại Việt Nam. Cấu trúc phần cứng linh hoạt cho phép nâng cấp thêm cảm biến và mở rộng số lượng ngõ vào/ra theo nhu cầu. Tích hợp truyền thông công nghiệp Profinet giúp kết nối hệ thống vào mạng nhà máy thông minh. Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm tích hợp thị giác máy tính để kiểm tra ngoại quan sản phẩm và ứng dụng thuật toán AI tối ưu hóa quy trình đóng gói theo thời gian thực.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại và sự bùng nổ của thương mại điện tử, tốc độ, tính chuẩn xác và tính đồng nhất trong khâu đóng gói hàng hóa đã trở thành yêu cầu thiết yếu nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp sản xuất. Phương pháp đóng thùng và cân định lượng thủ công bộc lộ nhiều điểm hạn chế như tốn kém chi phí nhân công, tốc độ xử lý chậm, dễ phát sinh sai sót do thao tác của con người và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động. Do đó, việc tự động hóa công đoạn kiểm soát khối lượng và dán nắp thùng carton đóng vai trò quan trọng trong việc chuẩn hóa chất lượng đầu ra, tiết kiệm nguyên vật liệu và tối ưu hóa chi phí vận hành cho nhà máy.

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế, thi công hệ thống đóng gói tự động và giám sát khối lượng" được nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện. Đồ án xác định 5 mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm:

1. Tìm hiểu tổng quan đề tài và nguyên lý vận hành của mô hình đóng gói.
2. Tìm hiểu về tủ điện công nghiệp; thiết kế và thi công hoàn chỉnh tủ điện điều khiển.
3. Thiết kế và thi công mô hình cơ khí - điện của hệ thống cân khối lượng và đóng gói sản phẩm.
4. Xây dựng chương trình điều khiển và thiết kế giao diện giám sát, điều khiển cho toàn bộ hệ thống.
5. Vận hành thử nghiệm đảm bảo mô hình hoạt động ổn định, chính xác và đồng bộ giữa các cơ cấu.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là dây chuyền tự động tích hợp cân khối lượng sản phẩm (đối tượng thực nghiệm là kẹo) và cơ cấu gấp, dán thùng carton. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được triển khai tại phòng thực hành thuộc Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Phạm vi kỹ thuật giới hạn ở việc xử lý các sản phẩm có khối lượng cố định nằm trong dải đo của cảm biến lực loadcell 3 kg, kích thước thùng carton chuẩn dạng phôi gấp đáy sẵn (100 x 80 x 80 mm) và mốc thời gian hoàn thành nghiên cứu vào tháng 06/2025.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, tác giả tập trung vào các nhóm nội dung kỹ thuật nền tảng:

• Đặc tính vật liệu bao bì carton: Khảo sát thành phần cấu tạo của bìa carton (khoảng 74% bột giấy, 22% polyethylene và 4% nhôm; bìa carton lạnh gồm 80% giấy và 20% polyethylene); cấu trúc các loại sóng giấy (sóng A cao 4.7 mm, sóng B cao 2.5 mm, sóng C cao 3.6 mm, sóng E cao 1.5 mm, sóng đôi BC và AC) cùng phân loại số lớp (2, 3, 5, 7 lớp).
• Nguyên lý điều khiển lập trình PLC: Khảo sát cấu trúc phần cứng (CPU, bộ nhớ RAM/ROM, khối DI/DO/AI/AO, module truyền thông) và chu trình quét (Scan Cycle) từ 1 ms đến 100 ms của bộ điều khiển logic khả trình; so sánh đặc tính kỹ thuật các dòng PLC Siemens, Mitsubishi và Omron.
• Hệ thống truyền động và khí nén: Cấu trúc trạm nguồn khí nén, khối van điều khiển và cơ cấu chấp hành (xi lanh tác động đơn, xi lanh tác động kép, xi lanh xoay); cấu tạo stator, rotor và nguyên lý điều khiển theo xung điện của động cơ bước (Step Motor); cấu tạo và tỉ số truyền của động cơ giảm tốc AC.
• Lý thuyết thị giác máy tính: Các kỹ thuật tiền xử lý ảnh, trích xuất vùng quan tâm (ROI), phân tích không gian màu HSV và nhận dạng đường keo dán; các thư viện hỗ trợ trong môi trường Python bao gồm OpenCV (cv2), NumPy, Matplotlib, Pillow, PyQt5 và thư viện truyền thông Snap7.

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng gồm:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu kỹ thuật về thiết bị đóng gói, tiêu chuẩn thiết kế tủ điện và điều khiển vị trí.
• Phương pháp thiết kế mô hình hóa không gian 3D trên phần mềm Solidworks nhằm tối ưu hóa bố cục cơ khí và kiểm tra xung đột động học.
• Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: gia công lắp ráp phần cứng, đấu nối tủ điện điều khiển, lập trình điều khiển phát xung PTO (Pulse Train Output) trên TIA Portal và tích hợp hệ thống kiểm tra chất lượng bằng camera qua ngôn ngữ Python.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu gồm các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn từ nhà sản xuất linh kiện (Siemens, CHINT, các hãng sản xuất cảm biến và động cơ), tín hiệu điện áp/dòng điện từ bộ chuyển đổi khối lượng (Weight Transmitter) nối với loadcell 3 kg, và tập dữ liệu hình ảnh ghi nhận trực tiếp từ webcam W08 Full HD trong quá trình đóng gói thực nghiệm.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa, kết hợp giữa cơ khí, khí nén, điều khiển điện tự động và thị giác máy tính.

Nhóm thiết bị	Tên thiết bị	Số lượng	Thông số kỹ thuật chính
Thiết bị trong tủ điện	PLC Siemens S7-1200	1	CPU 1214C DC/DC/DC (6ES7124-1AG40-0XB0), 14DI/10DO 24VDC transistor, 2AI 0–10VDC, bộ nhớ 100 KB, cổng Profinet/Ethernet RJ45
	Driver động cơ bước TB6600	2	IC TB6600HQ/HG, điện áp 9–24V (chịu đến 42VDC), dòng 0.5–4A, công suất tối đa 160W, bước vi mô lên đến 1/32
	Nguồn tổ ong	1	Điện áp ngõ ra 24VDC, dòng định mức 5A
	Aptomat (CB) CHINT	1	DZ47-60 C20 – 2P – 3kA
	Relay trung gian	1	Đóng cắt mạch chấp hành 24VDC
	Nút nhấn & Đèn báo	4 nút / 3 đèn	Điều khiển chế độ vận hành và hiển thị trạng thái
Thiết bị bên ngoài	Động cơ bước	2	Điều khiển dịch chuyển các cụm cơ cấu định vị
	Động cơ băng tải	3	Động cơ giảm tốc JGB37-3530 / Động cơ giảm tốc AC
	Xi lanh khí nén	1	Xi lanh dẫn hướng TN 10x50-S
	Van điện từ khí nén	1	Solenoid DF1100 điều khiển đường cấp khí
	Van chuyển đổi giác hút	1	Phục vụ giữ và cấp phôi thùng
	Cảm biến lực (Loadcell)	1	Tải trọng đo tối đa 3 kg, kết hợp Weight Transmitter
	Cảm biến quang & Tiệm cận	3 quang / 1 tiệm cận	Định vị vị trí thùng carton và phôi sản phẩm
	Camera kiểm tra	1	Webcam W08 Full HD phục vụ xử lý ảnh

Để lựa chọn kết cấu khung máy và cụm dán keo tối ưu, nhóm nghiên cứu đã lập bảng so sánh hai phương án thiết kế trước khi tiến hành chế tạo:

Tiêu chí	Phương án 1 (Phương án được chọn)	Phương án 2
Kích thước bao (LxWxH)	1600 x 600 x 1000 mm	1900 x 1350 x 1600 mm
Khối lượng ước tính	40 – 80 kg	100 – 200 kg
Sản phẩm đầu vào	Thùng carton gấp đáy sẵn	Tấm carton phẳng
Nguyên lý hoạt động	Cân sản phẩm -> Cho sản phẩm vào thùng -> Gấp mép thùng -> Băng tải và dán keo -> Thùng đã dán	Cấp tấm carton phẳng -> Mở thùng -> Gấp đáy -> Xi lanh đẩy -> Cụm dán keo và băng tải -> Thùng đã dán
Ưu điểm	Phân bố cụm chi tiết tối ưu không gian; dễ sửa chữa, tháo lắp do kết cấu module độc lập	Tích hợp nhiều cụm trên một hệ thống; xử lý được nhiều cỡ thùng linh hoạt hơn
Nhược điểm	Thao tác cấp thùng ban đầu cần chuẩn bị đáy	Đòi hỏi cơ cấu phức tạp, yêu cầu độ chính xác chế tạo cao, khó sửa chữa

Phương án dán keo được chọn là sử dụng cơ cấu con lăn cơ khí kết hợp dao cắt, giúp tiết kiệm chi phí sản xuất, độ bền cơ học cao và vận hành ổn định hơn phương án dùng cụm xi lanh đẩy keo hoàn toàn.

Quy trình vận hành phần mềm và điều khiển bao gồm:

• Lập trình PLC: Thiết lập cấu hình phát xung tốc độ cao PTO để điều khiển 2 động cơ bước qua các khối hàm chuyển động chuẩn MC_Power_DB (kích hoạt cấp nguồn động cơ) và MC_MoveJog_DB (điều khiển chạy nhích vị trí). Thuật toán phân quyền quản lý chặt chẽ tín hiệu nút nhấn và các cảm biến an toàn.
• Giao diện SCADA: Xây dựng gồm 4 trang chức năng: Trang giới thiệu lựa chọn chế độ, trang MONITOR giám sát trạng thái thời gian thực, trang MANUAL điều khiển cưỡng bức từng cơ cấu chấp hành, và trang AUTO chạy tự động tuần hoàn.
• Xử lý ảnh kiểm tra dán keo: Sử dụng ngôn ngữ Python kết nối với webcam W08 Full HD. Khung hình được chụp sau khi thùng hoàn tất dán keo, chuyển đổi sang không gian màu HSV, định vị vùng ROI của đường dán nắp hộp, sau đó tính toán diện tích và độ liền mạch của vết keo. Dữ liệu đánh giá phân loại (đạt/lỗi) được truyền thông trực tiếp đến PLC S7-1200 thông qua thư viện Snap7 để đưa ra cảnh báo hoặc xử lý phân loại.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của việc tự động hóa khâu đóng gói trong dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại nhằm giảm thiểu chi phí lao động và giảm sai sót định lượng. Tác giả trình bày chi tiết ý nghĩa khoa học về tích hợp liên ngành (cơ khí chế tạo, khí nén, điều khiển tự động và thị giác máy tính) cùng ý nghĩa thực tiễn trong việc tăng năng suất, đảm bảo an toàn lao động và thích ứng linh hoạt với thị trường. Chương này xác định rõ mục tiêu, nội dung thực hiện cùng các giới hạn về tải trọng cân (dưới 3 kg) và quy cách thùng carton (100 x 80 x 80 mm).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu thùng carton (định lượng, cấu trúc giấy mặt, phân loại chiều cao các loại sóng A, B, C, E, BC, AC và cấu tạo 2, 3, 5, 7 lớp). Giới thiệu các phương pháp dán thùng thủ công và tự động. Trình bày chi tiết cấu trúc phần cứng và chu kỳ quét của PLC Siemens S7-1200, Mitsubishi, Omron; cấu tạo tủ điện công nghiệp; cấu tạo xi lanh khí nén (đơn, kép, xoay) và hệ thống trạm nguồn điện - khí nén. Phân tích nguyên lý kích từ điều khiển góc bước của Step Motor cùng đặc tính mô men của động cơ giảm tốc AC. Cuối chương giới thiệu lý thuyết xử lý ảnh và các thư viện lập trình Python (OpenCV, NumPy, Matplotlib, Pillow, PyQt5, Snap7).

Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình phần cứng

Chương 3 trình bày các yêu cầu thiết kế kỹ thuật của hệ thống (năng suất 4–6 thùng/phút, kích thước tổng thể dưới 2000 mm, khối lượng toàn hệ thống dưới 300 kg). Tác giả so sánh chi tiết các phương án khung máy và phương án dán keo để chọn phương án tối ưu (khung 1600 x 600 x 1000 mm, nặng 40–80 kg). Trình bày bản vẽ mô hình tổng thể thiết kế trên Solidworks, tính toán lựa chọn các thiết bị điện trong tủ (PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC, Driver TB6600, CB CHINT DZ47-60 C20, nguồn 24V 5A) và ngoài vùng làm việc (động cơ bước, động cơ băng tải JGB37-3530, xi lanh TN 10x50-S, cảm biến loadcell 3 kg, webcam W08 Full HD). Bản vẽ sơ đồ đấu nối dây nguồn, sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển và kết nối ngõ vào/ra của PLC được thể hiện cụ thể.

Chương 4: Thuật toán điều khiển và lập trình

Chương 4 tập trung vào thuật toán điều khiển và thiết kế phần mềm. Tác giả xây dựng lưu đồ thuật toán phân quyền điều khiển nút nhấn, lưu đồ quy trình cân khối lượng tự động và dán thùng sản phẩm. Cấu hình chi tiết chức năng phát xung PTO trên TIA Portal cho hai động cơ bước, cấu hình tham số gia tốc/tốc độ và các khối điều khiển chuyển động MC_Power_DB, MC_MoveJog_DB. Thiết kế 4 trang giao diện SCADA (Giới thiệu, Monitor, Manual, Auto) phục vụ vận hành. Triển khai thuật toán xử lý ảnh bằng Python và OpenCV: thiết lập sơ đồ khối xử lý ảnh kiểm tra keo dán, quy trình tách màu trên không gian HSV, trích xuất vùng ROI vết dán, và xây dựng giao diện hiển thị cảnh báo sản phẩm đạt hoặc lỗi.

Chương 5: Kết quả và đánh giá

Chương 5 công bố kết quả thi công thực tế của mô hình phần cứng, tủ điện điều khiển và giao diện vận hành SCADA. Tiến hành các đợt chạy thực nghiệm: đánh giá độ ổn định của các cơ cấu chấp hành cơ khí, đo đạc sai số khối lượng giữa giá trị đọc về từ loadcell 3 kg (thông qua Weight Transmitter) so với giá trị cân thực tế, kiểm tra độ bám dính chắc chắn của vết keo dán trên nắp thùng, và đánh giá tỷ lệ nhận diện lỗi chính xác của module xử lý ảnh.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ kết quả nghiên cứu so với các mục tiêu đề ra ban đầu, khẳng định hệ thống đã thi công hoàn chỉnh và vận hành đồng bộ theo đúng chu trình công nghệ. Tác giả chỉ rõ các điểm hạn chế tồn tại của mô hình thực nghiệm và đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể để nâng cấp hệ thống trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Về kết quả thực nghiệm, đồ án đã chế tạo thành công mô hình hệ thống đóng gói tự động tích hợp giám sát khối lượng với các thông số kỹ thuật đạt được:

• Kết cấu khung máy cơ khí hoàn thiện với kích thước thực tế 1600 x 600 x 1000 mm, tổng trọng lượng nằm trong khoảng 40 – 80 kg, phù hợp không gian phòng thí nghiệm và nhà xưởng nhỏ.
• Hệ thống xử lý đóng gói ổn định cho loại thùng carton chuẩn kích thước 100 x 80 x 80 mm; năng suất vận hành thực tế đạt từ 4 đến 6 thùng/phút.
• Tủ điện điều khiển được thi công hoàn chỉnh, tích hợp bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 1214C DC/DC/DC, 2 bộ điều khiển động cơ bước TB6600, thiết bị bảo vệ Aptomat CHINT DZ47-60 C20, bộ nguồn tổ ong 24V 5A, hệ thống rơ-le và đèn báo tín hiệu an toàn.
• Cụm cân định lượng sử dụng loadcell 3 kg kết hợp mạch chuyển đổi Weight Transmitter truyền tín hiệu Analog về PLC, đảm bảo khối lượng kẹo cấp vào thùng có sai số thấp trong ngưỡng cho phép trước khi kích hoạt xi lanh rút chốt xả phôi.
• Hệ thống thị giác máy tính sử dụng webcam W08 Full HD kết nối thuật toán OpenCV trên Python đã phân tích thành công vùng ROI trên nắp thùng, kiểm tra tính liên tục của vết dán băng keo và truyền cờ trạng thái về PLC qua chuẩn Snap7 để phân loại sản phẩm đạt và sản phẩm lỗi.

Về giải pháp và đóng góp kỹ thuật:

• Tác giả đã đề xuất giải pháp thiết kế module hóa cơ cấu dán nắp thùng bằng con lăn cơ khí kết hợp dao cắt, giúp giảm đáng kể chi phí chế tạo so với việc dùng toàn bộ xi lanh khí nén mà vẫn đảm bảo vết dán chắc chắn.
• Xây dựng thành công kiến trúc điều khiển kết hợp linh hoạt giữa PLC công nghiệp (chịu trách nhiệm điều khiển thời gian thực, phát xung PTO cho động cơ bước, điều khiển băng tải và van khí nén) với máy tính nhúng xử lý ảnh cấp cao (xử lý không gian màu HSV và giao diện SCADA), tạo nên một giải pháp đóng gói khép kín, tự động hóa cao từ khâu định lượng đến kiểm tra chất lượng thành phẩm.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được chỉ ra trong báo cáo gồm:

• Cơ cấu cơ khí hiện tại chỉ tương thích cố định với thùng carton có kích thước 100 x 80 x 80 mm, chưa có cơ cấu tự động điều chỉnh linh hoạt theo nhiều kích cỡ và hình dạng thùng khác nhau.
• Phạm vi cân định lượng bị giới hạn bởi dải đo của cảm biến loadcell 3 kg, chỉ phù hợp cho các sản phẩm kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ (như bánh kẹo).
• Năng suất của hệ thống mới dừng ở mức 4 – 6 thùng/phút, tốc độ đóng gói và chu kỳ cân chưa đạt mức tối ưu so với các dây chuyền công nghiệp chuyên dụng.
• Giao diện giám sát và điều khiển SCADA cùng hệ thống xử lý ảnh mới ở mức cơ bản, chưa tích hợp các thuật toán học máy chuyên sâu để bù trừ sai lệch ánh sáng môi trường phức tạp.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

• Cải tiến cơ cấu cơ khí với các thanh trượt và cữ chặn điều chỉnh linh hoạt bằng vít me hoặc động cơ servo để thích ứng với nhiều kích thước thùng carton khác nhau.
• Nâng cấp cảm biến loadcell và bộ biến đổi tín hiệu tốc độ cao nhằm gia tăng tải trọng đo và rút ngắn thời gian ổn định tín hiệu cân.
• Tối ưu hóa chu trình quét và thuật toán chuyển động PTO nhằm gia tăng năng suất đóng thùng vượt mức 6 thùng/phút.
• Mở rộng tính năng phần mềm SCADA: lưu trữ dữ liệu sản xuất dạng cơ sở dữ liệu (Database), kết nối truyền thông không dây và nâng cấp camera công nghiệp chuyên dụng để nâng cao độ chính xác kiểm tra vết dán keo.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực đối với:

• Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Cơ khí đóng gói đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc các dự án nghiên cứu ứng dụng dây chuyền sản xuất tự động.
• Kỹ sư điều khiển đang tìm kiếm giải pháp tích hợp giữa PLC Siemens S7-1200 và phần mềm xử lý ảnh trên máy tính thông qua thư viện mã nguồn mở Snap7.
• Nội dung đáng tham khảo chuyên sâu gồm: quy trình tính toán và lựa chọn thiết bị điện - khí nén trong thiết kế tủ điện; phương pháp cấu hình phát xung PTO kết hợp các khối hàm Motion Control (MC_Power_DB, MC_MoveJog_DB); quy trình xử lý không gian màu HSV trong OpenCV để phát hiện lỗi dán băng keo.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước thùng carton và năng suất vận hành thiết kế của mô hình là bao nhiêu?
Mô hình được thiết kế để xử lý quy cách thùng carton có chiều dài 100 mm, chiều rộng 80 mm, chiều cao 80 mm. Năng suất vận hành của hệ thống đạt từ 4 đến 6 thùng/phút với khối lượng toàn bộ máy cơ khí ước tính trong khoảng 40 – 80 kg.

2. Tại sao bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 lựa chọn phải có ngõ ra dạng Transistor (DC/DC/DC)?
Hệ thống sử dụng 2 động cơ bước (Step Motor) điều khiển thông qua Driver TB6600, đòi hỏi phát chuỗi xung tốc độ cao PTO để kiểm soát chính xác góc quay và vị trí. Ngõ ra Relay cơ học không đáp ứng được tần số đóng ngắt liên tục ở tốc độ cao, do đó bắt buộc phải sử dụng phiên bản PLC ngõ ra bán dẫn bán lẻ Transistor (mã CPU 1214C DC/DC/DC 6ES7124-1AG40-0XB0).

3. Khối lượng sản phẩm được giám sát bằng cảm biến nào và cơ chế xả sản phẩm vào thùng diễn ra ra sao?
Khối lượng sản phẩm được đo bằng cảm biến tải loadcell có giới hạn đo tối đa 3 kg, kết nối với bộ chuyển đổi Weight Transmitter để truyền tín hiệu về ngõ vào Analog của PLC. Khi khối lượng sản phẩm cấp từ băng tải đạt giá trị cài đặt, PLC sẽ kích hoạt xi lanh khí nén TN 10x50-S rút miếng chắn để thả sản phẩm vào thùng carton đang chờ sẵn bên dưới.

4. Module xử lý ảnh sử dụng những công cụ gì và làm thế nào để liên lạc với PLC?
Module xử lý ảnh được lập trình bằng ngôn ngữ Python với các thư viện OpenCV (cv2), NumPy, Matplotlib, Pillow và PyQt5, nhận luồng hình ảnh từ webcam W08 Full HD. Hình ảnh được chuyển sang không gian màu HSV để bóc tách vùng keo dán (ROI) và đánh giá độ chính xác của vết dán. Kết quả đánh giá đạt/lỗi được gửi trực tiếp đến các ô nhớ nội vi của PLC S7-1200 thông qua thư viện giao tiếp Ethernet Snap7.

5. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn phương án thiết kế khung máy số 1 thay vì phương án số 2?
Phương án 1 có kích thước nhỏ gọn hơn (1600 x 600 x 1000 mm so với 1900 x 1350 x 1600 mm), khối lượng nhẹ hơn (40–80 kg so với 100–200 kg) và sử dụng thùng carton gấp đáy sẵn. Thiết kế này giúp bố trí các cụm chi tiết tối ưu không gian, phân chia các cụm chức năng độc lập giúp việc chế tạo, gia công lắp ráp và sửa chữa kỹ thuật dễ dàng hơn, tránh được kết cấu mở thùng và gấp đáy phức tạp của phương án 2.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, thi công hệ thống đóng gói tự động và giám sát khối lượng" của sinh viên Phạm Gia Khương và Nguyễn Lê Ngọc Đức (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu thiết kế và chế tạo một dây chuyền tự động hóa thu nhỏ. Mô hình kết hợp chặt chẽ giữa phần cứng cơ khí, truyền động khí nén, điều khiển lập trình phát xung PTO trên PLC Siemens S7-1200 và thị giác máy tính Python qua thư viện Snap7. Hệ thống chứng minh khả năng định lượng sản phẩm chính xác bằng loadcell 3 kg, hoàn tất công đoạn dán nắp thùng carton 100 x 80 x 80 mm với năng suất 4–6 thùng/phút và tự động phân loại chất lượng đường dán keo. Dù còn một số hạn chế về tính linh hoạt kích thước thùng và dải tải trọng cân, công trình là tài liệu tham khảo giàu giá trị thực tiễn cho hoạt động đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật tự động hóa sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI: Trình bày vấn đề, ý nghĩa khoa học, thực tiễn, mục tiêu, giới hạn, nội dung đề tài. Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT: Trình bày tổng quan về hệ thống, khái niệm về 3 PLC, tủ điện, khí nén và động cơ. Chương 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH PHẦN CỨNG: Trình bày yêu cầu hệ thống, thiết kế Solidworks, các thiết bị, sơ đồ đấu dây. Chương 4: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ LẬP TRÌNH: Trình bày thuật toán điều khiển hệ thống, giao diện điều khiển của hệ thống.

Chương 5: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ: Trình bày kết quả hoạt động của mô hình, đánh giá hệ thống. Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN: Trình bày kết luận tổng quan, những vấn đề hạn chế, hướng phát triển đề tài. 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về hệ thống 2.1 Giới thiệu Trong xu thế tiêu dùng và phân phối hàng hóa hiện đại, tốc độ, độ chính xác và tính chuyên nghiệp trong khâu đóng gói ngày càng được các doanh nghiệp quan tâm. Đặc biệt, khi thương mại điện tử phát triển mạnh, yêu cầu về tính đồng nhất và chất lượng trong khâu đóng gói càng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết.

Đối với các sản phẩm cần bảo quản, khâu cân khối lượng trước khi đóng gói vào thùng carton không chỉ giúp đảm bảo đúng định lượng mà còn nâng cao uy tín thương hiệu trong mắt khách hàng. Quá trình cân khối lượng và đóng gói sản phẩm đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ và chính xác giữa các công đoạn. Do đó, hệ thống cân khối lượng và đóng gói sản phẩm bằng thùng carton tự động đã và đang được phát triển, ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, tối ưu hóa chi phí và tăng tính chuyên nghiệp trong quản lý chuỗi cung ứng.2 Giới thiệu về thùng Carton a. Đặc điểm của thùng Carton Giấy tấm carton là vật liệu cơ bản được sử dụng để chế tạo thùng và hộp đóng gói, đóng vai trò thiết yếu trong việc bảo vệ sản phẩm trong suốt quá trình lưu trữ và vận chuyển.

Loại giấy này được tạo thành từ hai thành phần chính: lớp giấy phẳng (giấy mặt) và lớp giấy có cấu trúc gợn sóng (giấy sóng). Tùy theo yêu cầu sử dụng cụ thể của khách hàng, số lớp giấy cũng như độ dày của từng lớp có thể được thay đổi linh hoạt. Một số yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng giấy là định lượng, tức khối lượng giấy trên mỗi đơn vị diện tích, yếu tố này quyết định độ bền và độ dày tổng thể của giấy. Chính đặc tính này có ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng chịu lực, tính an toàn khi vận chuyển, cũng như hiệu quả trong việc đóng gói để xuất khẩu.1: Các loại giấy carton phổ biến Nguyên liệu chính của tấm bìa cứng này với thành phần khoảng 74% bột giấy và còn lại là 22% polyethylene và 4% nhôm.

Đối với các loại bìa thùng được sản xuất trong môi trường nhiệt độ thấp thì sẽ được gọi là bìa carton lạnh. Hàm lượng bìa carton này có khoảng 80% giấy và 20% polyethylene. Ngoài ra, sản phẩm cũng được làm từ những vật liệu khác như các loại giấy cũ hay các sản phẩm từ giấy [2]. Công dụng của thùng Carton Khả năng bảo vệ sản phẩm: Nhờ cấu tạo chắc chắn và khả năng bao phủ kín, thùng carton đóng vai trò như một lớp giáp bảo vệ hiệu quả cho hàng hóa bên trong, giúp hạn chế tối đa các hư hỏng do va đập, rơi rớt hoặc tác động vật lý trong quá trình vận chuyển và lưu trữ.

Gia tăng độ bền và kéo dài tuổi thọ sản phẩm: Vỏ carton còn giúp ngăn bụi bẩn, độ ẩm, thay đổi nhiệt độ. nhờ đó kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm. Nâng cao giá trị nhận diện và tính thương hiệu: Việc sử dụng thùng carton không chỉ phục vụ mục đích đóng gói mà còn giúp thể hiện thương hiệu, hướng dẫn sử dụng hoặc các dấu hiệu nhận diện khác bằng cách in ấn trực tiếp lên bề mặt thùng. Ngoài ra, các giải pháp in mã vạch, mã QR hoặc chống giả cũng có thể tích hợp dễ dàng trên thùng carton để gia tăng sự tin tưởng từ phía người tiêu dùng.

Phân loại các thùng carton 6 • Phân loại carton theo độ cao sóng [2] Thùng carton được tạo nên từ các sợi gỗ tự nhiên, sau đó trải qua các công đoạn xử lý như tạo hình sóng và ép dán các lớp giấy lại với nhau để hình thành sản phẩm hoàn chỉnh. Dựa vào cấu trúc sóng giấy, có thể chia các loại thùng carton theo đặc điểm chiều cao sóng như sau: - Sóng A có chiều cao khoảng 4.7 mm, giúp phân bố lực tác động đều trên bề mặt giấy, phù hợp cho những sản phẩm cần sự bảo vệ toàn diện. - Sóng B với chiều cao 2.5 mm, có khả năng chống xuyên thủng tốt, thường dùng để đóng gói các mặt hàng yêu cầu sự chắc chắn khi va chạm. - Sóng C có độ cao trung bình 3.6 mm, được đánh giá là sự kết hợp hài hòa giữa 2 loại sóng A và B, vừa đảm bảo độ bền vừa có khả năng phân tán lực tương đối tốt.

- Sóng E, loại sóng có chiều cao thấp nhất với khoảng 1.5 mm, thường được sử dụng để chứa các vật nhẹ hoặc sản phẩm nhỏ gọn, không đòi hỏi khả năng chịu lực cao. - Sóng BC là kiểu sóng kép, kết hợp một lớp sóng B và một lớp sóng C, tạo nên kết cấu chắc chắn, phù hợp với hàng hóa có trọng lượng lớn hoặc yêu cầu có độ cứng cao. - Sóng AC cũng là loại sóng đôi, ghép giữa lớp sóng A và C, cho khả năng chịu nén và phân bố lực cực kỳ hiệu quả, đáp ứng tốt các như cầu đóng gói sản phẩm nặng hoặc dễ vỡ.2: Phân loại theo độ cao sóng • Phân loại thùng carton dựa theo số lớp cấu tạo [2] Thùng carton có thể được chia thành nhiều loại khác nhau tùy vào số lớp giấy 7 cấu thành. Cụ thể, các loại phổ biến bao gồm: - Loại 2 lớp: Gồm một lớp giấy bề mặt bên ngoài và một lớp sóng bên trong.

Dòng sản phẩm này thường dùng cho bao bì đơn giản hoặc các vật nhẹ. - Loại 3 lớp: Cấu trúc bao gồm hai lớp giấy phẳng ở hai mặt và một lớp sóng nằm ở giữa, thường dùng để đóng gói hàng hóa có khối lượng vừa phải. - Loại 5 lớp: Được tạo thành bởi ba lớp giấy phẳng đan xen với hai lớp sóng, giúp tăng khả năng chịu lực và độ bền cho thùng khi vận chuyển hoặc lưu trữ sản phẩm nặng. - Loại 7 lớp: Gồm nhiều lớp sóng và lớp phẳng xen kẽ nhau, tạo nên kết cấu chắc chắn và ổn định, thích hợp sử dụng trong công nghiệp hoặc xuất khẩu hàng hóa có trọng lượng lớn, yêu cầu cao về bảo vệ.

• Phân loại thùng carton theo cấu trúc thiết kế [2] Xét về hình dạng và cấu tạo, thùng carton có thể được chia thành nhiều loại khác nhau. Trong đó, một số dạng thiết kế phổ biến bao gồm: Thùng carton truyền thống, loại có nắp, không nắp, dạng bế lỗ và loại có nắp phủ toàn bộ. Một kiểu thùng đều có những đặc điểm riêng biệt, phù hợp với những mục đích sử dụng cụ thể trong quá trình đóng gói và vận chuyển sản phẩm. • Phân loại thùng theo kích cỡ [2] Thông thường, mỗi loại thùng carton đều được thiết kế với kích thước tiêu chuẩn phù hợp với từng sản phẩm cụ thể.

Kích thước này chính là thông số tổng thể của thùng, đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế, đóng gói và vận chuyển. Ba thông số cơ bản cần lưu ý khi xác định kích thước thùng carton gồm: - Chiều dài: Là cạnh dài nhất nằm trên mặt đáy hoặc mặt trên của thùng carton. - Chiều rộng: Là cạnh ngắn hơn còn lại trên cùng mặt đáy hoặc mặt trên, vuông góc với chiều dài. - Chiều cao: Là khoảng cách từ đáy thùng đến nắp thùng, vuông góc với cả chiều dài và chiều rộng.3: Kích cỡ của thùng carton Việc xác định đúng các kích thước này không chỉ giúp đảm bảo sản phẩm vừa khít và an toàn trong quá trình đóng gói mà còn tối ưu hóa không gian lưu trữ và chi phí vận chuyển.3 Các phương pháp dán thùng a.

Phương pháp dán thùng thủ công Hình 2.4: Dán thùng carton bằng phương pháp thủ công Đúng như tên gọi, phương pháp dán thùng carton thủ công là quá trình hoàn toàn dựa vào sức người, không sử dụng đến các hệ thống máy móc tự động hay dây chuyền công nghiệp. Ưu điểm nổi bật là thao tác đơn giản, dễ thực hiện và có thể làm quen dễ dàng trong thời gian ngắn với bất kỳ ai. Tuy nhiên, trong bối cảnh các ngành công nghiệp ngày càng hướng tới tự động hóa để tối ưu hiệu suất và giảm chi phí nhân công, phương pháp thủ công này dần trở nên kém hiệu quả và không còn phù hợp, đặc biệt là trong dây chuyền sản xuất lớn, yêu cầu tốc độ và tính nhất quán cao. Dán thùng bằng máy dán thùng tự động 9 Hình 2.5: Máy dán thùng carton tự động Trong các quy trình đóng gói sản phẩm liên tục và quy mô lớn, việc đảm bảo bao bì được đóng gói nhanh chóng, chính xác và đồng đều là yếu tố then chốt.

Do đó, đầu tư vào các loại máy dán thùng carton hiện đại, có hiệu suất cao trở thành lựa chọn ưu tiên của nhiều doanh nghiệp. Những máy dán này hoạt động hoàn toàn tự động, thực hiện việc dán keo lên bề mặt thùng carton một cách chính xác và nhất quán. Nhờ vào công suất làm việc mạnh mẽ, các thiết bị này có thể xử lý một số lượng lớn thùng carton trong thời gian ngắn, đồng thời sản phẩm sau khi hoàn tất sẽ được đưa ra ngoài thông qua hệ thống băng chuyền con lăn, đảm bảo tính liên tục và tối ưu trong toàn bộ dây chuyền đóng gói.4 Máy cân đo sản phẩm và dán thùng carton trong thị trường Hình 2.6: Hệ thống cân đo và đóng thùng sản phẩm trên thị trường Hệ thống cân và đóng gói sản phẩm bằng thùng carton được thiết kế được thực hiện công đoạn đầu tiên trong chuỗi quy trình đóng gói, cân chính xác khối lượng sản 10 phẩm trước khi đưa vào thùng. Điều này hỗ trợ tối ưu cho các bước tiếp theo như dán thùng và phân loại, góp phần nâng cao hiệu suất tổng thể của dây chuyền sản xuất.