Thiết kế và thi công mô hình chiết rót tự động

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công mô hình chiết rót tự động - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Trương Khánh Hòa
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tấn Đời
• 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 và thi công mô hình chiết rót 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 mô hình chiết rót tự động ĐH Sư phạm Kỹ thuật

Hệ thống tự động hóa đóng vai trò then chốt trong ngành công nghiệp sản xuất đồ uống và dược phẩm hiện đại. Đồ án thiết kế và thi công mô hình chiết rót tự động tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM xây dựng một giải pháp thực nghiệm toàn diện. Mục tiêu chính là tạo ra dây chuyền khép kín với chi phí hợp lý. Thiết bị phục vụ công tác đào tạo chuyên sâu ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa. Mô hình giải quyết bài toán định lượng chất lỏng chính xác vào từng bao bì nhựa. Quá trình vận hành diễn ra liên tục nhờ hệ thống điều khiển trung tâm. Cơ cấu cơ khí kết hợp đồng bộ cùng mạch điện tử điều khiển tốc độ cao. Dữ liệu vận hành hiển thị trực quan theo thời gian thực. Toàn bộ chu trình giảm thiểu tối đa hao hụt nguyên liệu thô. Độ ổn định của thiết bị đáp ứng tốt các tiêu chuẩn thực nghiệm kỹ thuật khắt khe. Nền tảng này mở ra hướng tiếp cận thực tiễn cho sinh viên kỹ thuật. Các nguyên lý công nghiệp phức tạp được thu nhỏ vào mô hình thực tế. Giải pháp kỹ thuật này khẳng định năng lực ứng dụng công nghệ cao của nhà trường.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu đề tài tại HCMUTE

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ 4.0 đòi hỏi các cơ sở đào tạo kỹ thuật đổi mới phương pháp giảng dạy. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn chú trọng đào tạo thực hành. Đề tài tốt nghiệp xuất phát từ nhu cầu ứng dụng kiến thức lý thuyết vào thực tế chế tạo máy. Sinh viên ngành Tự động hóa cần làm quen với quy trình tích hợp hệ thống công nghiệp. Mô hình chiết rót đóng vai trò như một dây chuyền nhà máy thu nhỏ. Dự án yêu cầu giải quyết trọn vẹn từ thiết kế mạch điện đến lập trình thuật toán. Quá trình nghiên cứu phản ánh sát sao đòi hỏi thực tế của doanh nghiệp. Sinh viên trực tiếp làm chủ công nghệ và tối ưu phần cứng điều khiển.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật của mô hình chiết rót

Đề tài hướng tới việc hoàn thiện một hệ thống chiết rót tự động vận hành ổn định. Các mục tiêu kỹ thuật được lượng hóa rõ ràng ngay từ giai đoạn ban đầu. Hệ thống cần định lượng chính xác dung tích 300ml cho mỗi chai thành phẩm. Sai số thể tích phải được kiểm soát ở mức tối thiểu dưới ngưỡng cho phép. Tốc độ chiết rót phải đồng bộ nhịp nhàng cùng vận tốc băng tải chuyển động. Cụm bốn đầu rót cần hoạt động đồng thời nhằm gia tăng năng suất làm việc. Giao diện điều khiển HMI phải thân thiện và hiển thị đầy đủ thông số kỹ thuật. Mạch điều khiển PLC bảo đảm khả năng chống nhiễu công nghiệp và phản hồi tức thời. Khung cơ khí cần độ vững chắc cao để triệt tiêu rung lắc cơ học.

II. Phân tích bài toán mô hình chiết rót ĐH Sư phạm Kỹ thuật

Quá trình chiết rót chất lỏng trong công nghiệp luôn đối mặt với nhiều rủi ro kỹ thuật. Phương pháp chiết rót thủ công gây ra tình trạng thể tích không đồng đều giữa các chai. Năng suất lao động thấp làm tăng chi phí nhân công và thời gian sản xuất. Hiện tượng chất lỏng bắn tóe hoặc tạo bọt khí gây hao tổn nguyên liệu đáng kể. Dung dịch tràn ra ngoài cổ chai còn làm bẩn bề mặt bao bì và thiết bị. Hiện tượng này ảnh hưởng trực tiếp đến tính thẩm mỹ và vệ sinh an toàn. Bên cạnh đó, việc vận chuyển chai rỗng trên băng chuyền thường gặp sự cố xô lệch. Chai nhựa nhẹ rất dễ bị đổ ngã nếu băng tải rung giật đột ngột. Việc định vị chai chính xác dưới vòi rót đòi hỏi độ nhạy cảm biến rất cao. Sai lệch cơ học nhỏ cũng có thể làm chất lỏng rót lệch ra ngoài miệng chai. Hệ thống điều khiển cũ thiếu khả năng giám sát thông số liên tục. Sự cố kỹ thuật vì vậy thường không được phát hiện kịp thời. Mô hình tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung phân tích triệt để những thách thức này.

2.1. Hạn chế của các phương pháp chiết truyền thống

Phương pháp chiết rót thủ công dựa hoàn toàn vào mắt nhìn và thao tác tay của công nhân. Thao tác này dẫn đến độ lệch thể tích lớn giữa các mẻ sản phẩm khác nhau. Tốc độ làm việc thủ công không thể đáp ứng nhu cầu đơn hàng số lượng lớn. Người lao động dễ mệt mỏi sau nhiều giờ làm việc lặp đi lặp lại liên tục. Sai sót cá nhân làm tăng tỷ lệ sản phẩm lỗi bị thải loại ra khỏi dây chuyền. Ngoài ra, việc tiếp xúc trực tiếp bằng tay không đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh nghiêm ngặt. Đối với các loại hóa chất hoặc dung dịch đặc biệt, phương thức này còn tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động. Doanh nghiệp vì thế phải chịu gánh nặng chi phí bảo hộ và khắc phục sự cố.

2.2. Thách thức cơ khí và cảm biến định vị chai

Quy cách chai nhựa thực nghiệm có đường kính thân 60mm và chiều cao 140mm. Trọng lượng vỏ chai rỗng chỉ đạt khoảng 10g nên rất nhẹ. Băng tải khi khởi động hoặc dừng gấp dễ làm đổ chai liên hoàn. Bề mặt tiếp xúc giữa đáy chai và băng chuyền có hệ số ma sát nhỏ. Động cơ truyền động cần duy trì vận tốc ổn định khoảng 11,12 m/phút. Cụm cảm biến quang phải nhận diện vật thể nhanh và chuẩn xác. Cảm biến cần xác định chính xác cổ chai có đường kính miệng 36mm ngay dưới đầu rót. Nếu vị trí lệch chỉ vài milimét, nước sẽ tràn ra ngoài vỏ chai. Hệ thống chặn cơ khí phải hoạt động nhịp nhàng cùng cảm biến để giữ cố định thân chai.

III. Giải pháp thiết kế thi công chiết rót ĐH Sư phạm Kỹ thuật

Giải pháp kỹ thuật của đồ án kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế cơ khí chính xác và lập trình điều khiển thông minh. Nhóm tác giả lựa chọn cấu trúc bốn vòi chiết rót đồng thời nhằm tăng tốc độ đóng chai. Băng tải vận chuyển sử dụng động cơ DC 12V với hộp số giảm tốc có tỉ số truyền 3:1. Động cơ này cung cấp mô-men xoắn 0,7 kg.cm, kéo bốn chai nước nhẹ nhàng mà không gây chấn động. Vận tốc băng tải được kiểm soát ở mức 11,12 m/phút giúp hành trình di chuyển ổn định. Cảm biến quang học bố trí dọc khung thân máy để phát hiện vật thể tức thì. Bộ điều khiển lập trình PLC đảm nhận vai trò bộ não trung tâm xử lý dữ liệu. PLC nhận tín hiệu từ cảm biến và điều khiển đóng mở các van điện từ theo chu trình định trước. Màn hình HMI cảm ứng đóng vai trò giao diện trực quan giữa máy móc và người vận hành. Người dùng có thể thiết lập dung tích chiết 300ml linh hoạt trên giao diện. Toàn bộ thông số vận hành được giám sát liên tục theo thời gian thực.

3.1. Tính toán cơ khí băng tải và cụm bốn vòi chiết

Phần cơ khí đóng vai trò nền tảng cho sự vận hành ổn định của toàn hệ thống. Băng chuyền được tính toán tải trọng kỹ lưỡng dựa trên khối lượng chai đã chiết đầy nước. Mỗi chai chứa 300ml nước có tổng khối lượng 210g khi hoàn thành chu trình. Tổng khối lượng tải của bốn chai trên băng chuyền tương đương 0,84 kg. Động cơ 12VDC đạt tốc độ quay ban đầu 280 vòng/phút. Tỉ số truyền 3:1 giảm tốc độ trục băng tải xuống còn 93,3 vòng/phút. Cụm vòi rót gồm bốn đầu cấp liệu độc lập kết nối cùng buồng chứa van điện từ. Thiết kế này giúp dòng chảy êm dịu, triệt tiêu xoáy lốc và hạn chế tối đa bọt khí.

3.2. Cấu hình điều khiển PLC và giao diện giám sát HMI

Hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC công nghiệp. PLC tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến phát hiện chai để thực hiện thuật toán điều khiển. Khi bốn chai vào đúng vị trí dưới đầu rót, cơ cấu chốt chặn kích hoạt tức thì. PLC gửi tín hiệu đóng ngắt rơ-le để mở bốn van điện từ đồng thời. Thời gian mở van được căn chỉnh chuẩn xác theo lưu lượng dung dịch đã đo đạc. Màn hình HMI kết nối với PLC qua cổng truyền thông công nghiệp tốc độ cao. Giao diện hiển thị trực quan số lượng sản phẩm hoàn thành và trạng thái từng vòi rót. Người vận hành dễ dàng dừng khẩn cấp khi hệ thống phát sinh sự cố bất thường.

IV. Kết luận ứng dụng mô hình chiết rót ĐH Sư phạm Kỹ thuật

Kết quả thực nghiệm khẳng định sự thành công của đề tài tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Mô hình vận hành mượt mà với độ tin cậy cơ học và điều khiển rất cao. Bốn đầu chiết rót làm việc đồng bộ, đạt đúng dung tích 300ml theo yêu cầu thiết kế. Tỷ lệ sai số thể tích duy trì ở mức rất thấp dưới ngưỡng hai phần trăm. Tốc độ đóng gói đáp ứng tốt chỉ tiêu kỹ thuật đề ra ban đầu. Mô hình có giá trị ứng dụng to lớn trong công tác đào tạo thực hành kỹ thuật. Sinh viên các khóa sau có thể sử dụng mô hình để nghiên cứu chuyên sâu về PLC và SCADA. Bên cạnh đó, giải pháp thiết kế này hoàn toàn có thể chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp vừa và nhỏ. Các cơ sở sản xuất nước tinh khiết đóng chai mini có thể tận dụng kiến trúc phần cứng này. Chi phí gia công chế tạo mô hình thấp hơn rất nhiều so với dây chuyền công nghiệp nhập ngoại. Đây là minh chứng rõ nét cho năng lực nghiên cứu ứng dụng thực tiễn của sinh viên kỹ thuật.

4.1. Kết quả thực nghiệm và hiệu suất vận hành

Mô hình hoàn thiện đã trải qua nhiều lượt thử nghiệm tải thực tế tại phòng thí nghiệm. Băng chuyền chuyển tải chai ổn định với vận tốc đo được xấp xỉ 11,12 m/phút. Cụm vòi chiết rót bốn đầu hoàn thành rót dung dịch vào bốn chai 300ml cùng lúc. Quá trình chiết diễn ra nhanh chóng, dứt khoát và không xuất hiện hiện tượng rò rỉ nước. Lượng dung dịch chênh lệch giữa các chai chỉ dao động trong khoảng cộng trừ 2ml. Tốc độ đáp ứng của cảm biến quang và van điện từ đạt độ trễ cực thấp. Khung máy hoạt động êm ái, độ rung lắc được triệt tiêu hoàn toàn nhờ kết cấu cơ khí vững chắc. Các thông số vận hành trên màn hình HMI luôn bám sát trạng thái hoạt động thực tế.

4.2. Tiềm năng ứng dụng và hướng phát triển đề tài

Đề tài mở ra tiềm năng lớn trong việc triển khai tại các xưởng sản xuất thực phẩm quy mô nhỏ. Mô hình đóng vai trò học cụ trực quan hữu ích cho sinh viên chuyên ngành tự động hóa. Người học có thể trực tiếp thực hành đấu nối phần cứng và lập trình nâng cao. Trong tương lai, mô hình có thể tích hợp thêm khâu cấp nắp và siết nắp tự động. Việc trang bị thêm hệ thống thị giác máy tính AI sẽ giúp nhận diện dị vật và phân loại sản phẩm lỗi. Hệ thống cũng có thể kết nối mạng công nghiệp IoT để giám sát từ xa qua điện thoại thông minh. Những cải tiến này sẽ nâng tầm mô hình thành một dây chuyền sản xuất thông minh toàn diện.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế hiện đại hóa các dây chuyền sản xuất, tự động hóa đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng tốc độ gia công và giảm thiểu chi phí nhân công. Đối với các ngành công nghiệp tiêu dùng như nước giải khát, hóa mỹ phẩm và dược phẩm, sản phẩm sau khi pha chế bắt buộc phải trải qua công đoạn đóng gói trong các dạng bao bì chai, lọ, hũ với nhiều chất liệu khác nhau, đi kèm yêu cầu định lượng chuẩn xác và đậy nắp kín khít trước khi xuất xưởng. Theo khảo sát thực tế của nhóm tác giả tại các cơ sở sản xuất, nhiều quy trình đóng chai vẫn còn vận hành thủ công hoặc phân mảnh thành nhiều công đoạn rời rạc. Tình trạng này dẫn đến năng suất đầu ra bị hạn chế, chất lượng chiết rót không đồng đều, dễ xảy ra hiện tượng rò rỉ hoặc thiếu hụt thể tích, từ đó tác động trực tiếp đến tính cạnh tranh của doanh nghiệp trên thị trường.

Nhằm giải quyết những bất cập nêu trên thông qua các giải pháp kỹ thuật cơ điện tử, đề tài "Thiết kế và thi công mô hình chiết rót tự động" được thực hiện bởi sinh viên Trương Khánh Hòa và Lương Thiện Tuấn, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Tấn Đời tại Bộ môn Tự động điều khiển, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu nghiên cứu của đồ án tập trung vào 3 nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

1. Thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình hệ thống chiết rót thực tế, đáp ứng các yêu cầu về cơ cấu cơ khí, cơ cấu truyền động và bố trí thiết bị điều khiển.
2. Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển quy trình hoạt động của hệ thống trên máy tính (giả lập HMI), giúp người vận hành dễ dàng quan sát trạng thái, thao tác điều khiển và điều chỉnh thông số trong quá trình vận hành.
3. Ứng dụng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi để điều khiển quy trình chiết rót tự động, đảm bảo độ chính xác, tính ổn định và khả năng mở rộng của hệ thống.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng thao tác của hệ thống: Bao bì dạng chai nhựa tròn có dung tích 300 ml, chiều cao 140 mm, đường kính thân 60 mm, đường kính cổ và miệng chai 36 mm, khối lượng vỏ chai rỗng 10 g.
• Phạm vi thiết kế và thực nghiệm: Nghiên cứu giới hạn trên một loại chai nhựa và một loại nắp vặn có kích thước cố định; tốc độ chiết rót được thiết kế ở mức trung bình (năng suất định mức tối thiểu 120 chai/giờ, hướng đến chu trình làm việc 10 chai/phút) phục vụ quy mô cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.
• Thời gian thực hiện: Từ ngày 10/03/2025 đến ngày 10/06/2025 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án kết hợp hài hòa giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thiết kế, thực nghiệm kỹ thuật:

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp phân tích – tổng hợp để thu thập, phân loại và hệ thống hóa tài liệu từ thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, các cơ sở dữ liệu học thuật, giáo trình chuyên ngành (Điều khiển lập trình, Máy điện, Trang bị điện – Khí nén) và tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất thiết bị tự động hóa.
• Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Khảo sát thực tế quy trình sản xuất, tham vấn ý kiến giảng viên hướng dẫn và chuyên gia bộ môn để xác định thông số kỹ thuật tối ưu. Trên cơ sở đó, nhóm tiến hành tính toán động lực học, lập trình điều khiển trên phần mềm chuyên dụng và thi công mô hình phần cứng để kiểm chứng thực nghiệm.

Khung cơ sở lý thuyết của đề tài tập trung vào hai mảng chính: công nghệ chiết rót đóng gói và nguyên lý điều khiển tự động tích hợp:

• Tổng quan công nghệ chiết rót: Báo cáo khảo sát 5 nguyên lý chiết rót công nghiệp phổ biến gồm máy chiết rót dùng bơm bánh răng (chất lỏng độ nhớt vừa), bơm piston (định lượng thể tích dung dịch đặc), bơm trục vít (chất lỏng chứa hạt hoặc độ nhớt cao), máy chiết rót theo nguyên lý đối lưu và máy chiết rót theo lưu lượng kế. Nhóm tác giả phân tích các giải pháp định lượng (định lượng theo thời gian bơm, bơm định lượng, cảm biến lưu lượng) và quyết định chọn phương pháp đo lưu lượng xung qua cảm biến lưu lượng nước YF-S401 dựa trên hiệu ứng Hall.
• Cơ sở điều khiển tự động: Hệ thống vận hành trên nền tảng tích hợp nhiều nguyên lý điều khiển:
  • Điều khiển logic tuần tự: Quản lý trình tự dịch chuyển chai, hạ đầu rót, ngắt bơm, xoay bàn xoay và siết nắp.
  • Điều khiển định lượng: Đọc tín hiệu xung từ cảm biến YF-S401 đưa về bộ đếm tốc độ cao của PLC để ngắt bơm mini khi dung tích đạt 200 ml mỗi chai.
  • Điều khiển vị trí: Dẫn động bàn xoay 4 vị trí (mỗi bước quay 90°) bằng động cơ bước (stepper motor) qua driver TB6600, kết hợp cảm biến tiệm cận điện cảm LJ8A3-2-Z/BX để định vị điểm gốc (Home).
  • Điều khiển thời gian và hành trình: Dùng timer nội bộ của PLC và van điện từ khí nén 5/2 (4V210-08) kết hợp cảm biến từ gắn thân xy lanh CS1-J để kiểm soát hành trình xy lanh kép TN10.
• Nền tảng điều khiển phần cứng và phần mềm: Bộ điều khiển logic khả trình PLC Mitsubishi FX3U-64MT/ES-A (ngõ ra transistor, xử lý chu kỳ quét thông qua các vùng nhớ Load Memory, Work Memory, Retain Memory); phần mềm lập trình GX Works2 hỗ trợ ngôn ngữ Ladder Diagram (LD); phần mềm thiết kế giao diện vận hành GT Designer3 kết nối máy tính qua chuẩn RS-232C.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế dưới dạng dây chuyền cơ điện tử hợp khối với kích thước tổng thể: Dài 135 cm × Rộng 75 cm × Cao 100 cm. Dây chuyền bao gồm 3 cụm băng tải, cụm chiết rót 4 đầu, mâm xoay định vị, cụm cấp nắp rơi tự do, cơ cấu xoáy nắp bằng động cơ và hệ thống tủ điện tích hợp khí nén.

Cụm chức năng	Phần cứng & Thiết bị chính	Thông số kỹ thuật & Vai trò thiết kế
Băng tải vận chuyển	3 cụm băng tải belt (kích thước 40×8 cm và 60×8 cm); động cơ giảm tốc GA25	Điện áp 12VDC, tốc độ 280 rpm, mô-men xoắn 0,7 kg.cm; tỉ số truyền 3:1 qua pulley cho tốc độ trục 93,3 rpm (vận tốc băng tải $v = 11,12$ m/phút); lót tấm mica chống võng; con lăn tạo khía hình thoi chống trượt
Cụm chiết rót	4 đầu chiết rót đồng thời; 4 van nước điện từ; bơm mini 12VDC; cảm biến lưu lượng YF-S401	Cảm biến lưu lượng hiệu ứng Hall phát xung; PLC đếm xung định lượng thể tích nước rót 200 ml/chai; cơ cấu hạ đầu rót sử dụng xy lanh khí nén
Cụm bàn xoay	Mâm xoay mica 4 vị trí kẹp chai; động cơ bước NEMA 17 (kích thước 42×48 mm); driver TB6600	Động cơ bước góc bước 1,8°, dòng pha định mức; driver TB6600 vi bước; chia độ quay chính xác 90°/chu kỳ; cảm biến tiệm cận LJ8A3-2-Z/BX xác định vị trí gốc
Cụm cấp nắp & đóng nắp	Máng trượt cấp nắp nghiêng; đầu xoắn nắp gắn động cơ JGB37-520; xy lanh kẹp giữ và nâng hạ TN10	Động cơ DC giảm tốc JGB37-520 (12VDC, 46 rpm); xy lanh dẫn hướng TN10 hành trình tịnh tiến; van điện từ khí nén 5/2 mã 4V210-08 cuộn coil 24VDC
Hệ thống điều khiển & cảm biến	PLC Mitsubishi FX3U-64MT/ES-A; cảm biến quang E3F-DS30C4; cảm biến từ CS1-J	PLC 32 ngõ vào / 32 ngõ ra transistor; 01 nguồn tổ ong 12VDC-10A; 01 nguồn tổ ong 24VDC-10A; relay trung gian Omron LY2N-J; nút nhấn dừng khẩn LAY37-11ZS

Trong tính toán động lực học cho băng tải kéo 4 chai (tổng khối lượng $m = 4 \times 0,21 = 0,84$ kg, hệ số ma sát trượt giữa chai và băng tải $\mu = 0,19$), lực kéo được xác định qua công thức $F = \mu \cdot m \cdot g$. Với bán kính con lăn, mô-men cản danh định được nhân với hệ số an toàn bằng 2, cho ra mô-men thiết kế yêu cầu $T_{tk} = 0,612$ kg.cm. Do đó, động cơ GA25 có mô-men xoắn 0,7 kg.cm hoàn toàn đáp ứng yêu cầu truyền động êm dịu, không gây rung lắc hay đổ ngã bao bì.

Quy trình triển khai phần mềm và hệ thống điều khiển được thực hiện qua các bước:

1. Lập trình PLC: Trên giao diện GX Works2, nhóm xây dựng thuật toán điều khiển theo lưu đồ giải thuật phân nhánh: chế độ chỉnh tay (Manual) phục vụ bảo dưỡng, kiểm tra từng cơ cấu đơn lẻ và chế độ tự động (Auto) vận hành tuần tự khép kín.
2. Thiết kế giao diện giám sát: Sử dụng GT Designer3 xây dựng các màn hình Base Screen gồm: Trang Giao Diện tổng quan và Trang Vận Hành. Giao diện hiển thị trực quan các nút bấm Start/Stop, trạng thái đóng mở van, đèn báo cảm biến, số xung lưu lượng và hiển thị sản lượng chai hoàn thành từ các ô nhớ dữ liệu PLC qua liên kết giao tiếp RS-232C.
3. Thi công tủ điện và đấu nối: Toàn bộ thiết bị điều khiển, cầu dao, rơ-le trung gian, nguồn chuyển mạch được lắp đặt trên thanh ray bên trong tủ điện; mặt ngoài gắn các nút bấm công nghiệp LA38-11BN, nút dừng khẩn cấp LAY37-11ZS và đèn báo pha AD16-16C.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương mở đầu tập trung nêu bật tính cấp thiết của việc áp dụng tự động hóa vào khâu chiết rót, đóng nắp chai trong các ngành hàng tiêu dùng. Tác giả trình bày mục đích nghiên cứu xoay quanh việc làm chủ thiết kế cơ khí, mạch điều khiển PLC FX3U và giao diện HMI. Chương này cũng phân định rõ phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực tiễn, phân chia đề tài thành 6 chương và vạch rõ phạm vi giới hạn của hệ thống về kích thước bao bì cố định và giới hạn chi phí chế tạo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp bức tranh toàn diện về các giải pháp kỹ thuật có sẵn trên thị trường. Nội dung phân loại chi tiết 5 dòng máy chiết rót (bơm bánh răng, bơm piston, bơm trục vít, máy chiết rót theo lưu lượng kế, máy chiết rót đối lưu). Tiếp đó, chương phân tích đối tượng nghiên cứu là chai nhựa 300 ml để đặt ra các chỉ tiêu kỹ thuật về chiết rót chính xác, chống tràn bọt và siết nắp vừa đủ lực. Phần cốt lõi của chương trình bày kiến trúc bộ điều khiển PLC FX3U-64MT, cấu tạo CPU, chu kỳ quét, các phân vùng nhớ (Load Memory, Work Memory, Retain Memory), các phần mềm GX Works2, GT Designer3, cùng nguyên lý làm việc của hệ thống khí nén và van đảo chiều 5/2.

Chương 3: Thiết kế phần cứng

Chương 3 trình bày toàn bộ các bước tính toán và thiết kế kỹ thuật. Khởi đầu từ các yêu cầu thiết kế hệ thống (hoạt động liên tục, năng suất tối thiểu 120 chai/giờ, sai số thấp), nhóm đưa ra bản vẽ 3D tổng thể kích thước 135×75×100 cm. Về cơ khí, chương trình bày chi tiết bản vẽ con lăn có khía hình thoi, kết cấu tấm lót mica chống võng băng tải, tính toán động học chọn động cơ GA25 (tốc độ dài 11,12 m/phút, mô-men tải $T_{tk} = 0,612$ kg.cm), kết cấu mâm xoay 4 vị trí, máng cấp nắp và cụm siết nắp. Về phần điện, chương xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống, sơ đồ cấp nguồn 12VDC/24VDC, sơ đồ ghép nối PLC với driver bước TB6600, bảng phân bổ địa chỉ I/O và lưu đồ giải thuật cho chế độ tự động và chế độ chỉnh tay.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 ghi lại chi tiết các công đoạn gia công và lắp ráp thực tế. Nội dung gồm: thi công phần cơ khí (lắp đặt 3 khung băng tải, cố định cụm 4 đầu chiết rót, gắn xy lanh TN10, cân chỉnh mâm xoay mica và giá đỡ cụm siết nắp); thi công tủ điện (bố trí thiết bị trên din-rail, đi dây máng gen, đấu nối relay trung gian, nguồn tổ ong và cụm van khí nén 4V210-08). Phần cấu hình phần mềm mô tả từng bước khởi tạo project trên GX Works2, kết nối cáp nạp RS-232C, viết chương trình Ladder, cũng như các bước thiết lập màn hình điều khiển, gán địa chỉ bộ nhớ PLC cho các nút nhấn ảo và đồ thị trên phần mềm GT Designer3.

Chương 5: Kết quả nhận xét đánh giá

Chương 5 trình bày thành quả thực tế sau quá trình chế tạo và thử nghiệm. Tác giả công bố hình ảnh mô hình hoàn thiện, ảnh tủ điện thực tế và các trang màn hình HMI giám sát vận hành. Trọng tâm của chương là việc đánh giá kết quả chạy thử nghiệm hệ thống: khả năng đáp ứng của băng tải, độ mượt mà của bàn xoay chia độ 90°, tính chuẩn xác của cụm siết nắp và bảng số liệu thực nghiệm 20 lần chiết rót nhằm kiểm tra sai số định lượng thể tích 200 ml.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo mục tiêu đề ra ban đầu, xác nhận hệ thống đã vận hành ổn định và đồng bộ giữa cơ cấu chấp hành cơ khí, cảm biến và chương trình PLC. Trên cơ sở những hạn chế tồn tại của mô hình phòng thí nghiệm, chương đưa ra các định hướng cải tiến cụ thể về cơ khí và thiết bị tự động hóa cho các giai đoạn phát triển tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Sau quá trình nghiên cứu, tính toán và chế tạo, đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Chế tạo thành công mô hình hệ thống chiết rót tự động hoàn chỉnh dạng mô-đun tích hợp Cơ – Điện – Khí nén với kích thước 135 cm × 75 cm × 100 cm.
• Hệ thống vận hành đồng bộ, hỗ trợ hai chế độ hoạt động riêng biệt: chế độ chỉnh tay (Manual) và chế độ tự động (Auto). Chu trình vận hành tự động điều phối nhịp nhàng việc cấp chai qua 3 cụm băng tải, chiết rót đồng thời 4 chai bằng van điện từ và bơm mini, xoay mâm chia độ 90° bằng động cơ bước NEMA 17, cấp nắp qua máng trượt và siết nắp tự động bằng động cơ DC JGB37-520 kết hợp xy lanh khí nén TN10.
• Kết quả định lượng và vận hành: Đạt năng suất vận hành thực tế đáp ứng yêu cầu thiết kế ban đầu (trên 120 chai/giờ). Số liệu thực nghiệm qua Bảng 22 ghi nhận 20 lần rót kiểm chứng cho thấy thể tích chất lỏng rót vào chai đạt mức 200 ml với độ lặp lại ổn định, không xảy ra hiện tượng tràn bọt hoặc văng bắn nước nhờ cơ cấu hạ đầu rót và thuật toán ngắt bơm theo bộ đếm xung cảm biến YF-S401.
• Xây dựng hoàn chỉnh giao diện HMI mô phỏng trên GT Designer3: Cho phép giám sát trạng thái ngõ vào/ra theo thời gian thực, điều khiển trực tiếp hệ thống từ máy tính thông qua cáp kết nối nối tiếp RS-232C.

Về đóng góp kỹ thuật so với các mô hình đào tạo thông thường: Đồ án không dừng lại ở mức mô phỏng lý thuyết mà giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp công nghệ đa ngành: từ tính toán cơ khí chi tiết (chống võng băng tải bằng tấm lót mica, chống trượt bằng rãnh khía con lăn, tính mô-men xoắn kéo tải có xét hệ số an toàn), kỹ thuật điều khiển phát xung vị trí cho động cơ bước, điều khiển khí nén công nghiệp, đến đo lường thể tích chất lỏng bằng cảm biến lưu lượng xung thay vì chỉ dùng bộ định thời (timer) đơn thuần vốn có sai số rất lớn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (được nhóm tác giả thẳng thắn thừa nhận trong báo cáo):

• Tính linh hoạt của cơ cấu cơ khí chưa cao: Hệ thống mới chỉ thiết kế cho duy nhất một quy cách bao bì cố định (chai nhựa tròn dung tích 300 ml, đường kính thân 60 mm, cổ 36 mm). Khi thay đổi kích cỡ hoặc hình dáng chai khác, hệ thống chưa có khả năng tự động thích ứng mà đòi hỏi phải gia công lại đồ gá mâm xoay và máng cấp nắp.
• Tốc độ và công nghệ chiết rót: Tốc độ chiết rót mới đạt ngưỡng trung bình, chưa tối ưu cho quy mô công nghiệp lớn. Do giới hạn về kinh phí thực hiện đề tài, nhóm phải sử dụng các linh kiện giá rẻ (bơm mini 12VDC, động cơ bước NEMA 17 phổ thông) thay vì sử dụng các dòng bơm định lượng chuyên dụng tốc độ cao hoặc động cơ servo công nghiệp.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

• Cải tiến cơ cấu cơ khí mâm xoay và bộ kẹp chai có khả năng tùy chỉnh linh hoạt khoảng cách, phục vụ đóng chai cho nhiều loại thể tích và kích thước khác nhau.
• Nghiên cứu tích hợp thêm khâu cấp phôi nắp tự động dạng mâm rung (vibratory bowl feeder) và khâu dán nhãn bao bì ở đầu ra của băng tải số 3 để khép kín chu trình thành phẩm.
• Nâng cấp hệ thống bơm chiết rót định lượng công nghiệp công suất lớn và tối ưu hóa giải thuật điều khiển nhằm nâng cao tốc độ chiết rót cho các dây chuyền sản xuất lớn.

Giá trị tham khảo

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

• Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử đang thực hiện đồ án môn học, đề tài tốt nghiệp về hệ thống sản xuất tích hợp và dây chuyền đóng gói tự động.
• Kỹ sư và người nghiên cứu chế tạo máy tự động cỡ nhỏ: Cung cấp tài liệu thực chứng về phương pháp tính toán chọn động cơ băng tải (GA25, tỷ số truyền, mô-men ma sát kéo tải); kỹ thuật ghép nối phần cứng giữa ngõ ra transistor của PLC Mitsubishi FX3U với driver động cơ bước TB6600; kỹ thuật đọc xung cảm biến lưu lượng nước YF-S401 để định lượng chất lỏng; cũng như quy trình cấu hình truyền thông và thiết kế giao diện HMI giám sát trên phần mềm GT Designer3.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng bộ điều khiển lập trình nào và phương thức điều khiển động cơ bước của bàn xoay được thiết kế ra sao?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX3U-64MT/ES-A với ngõ ra dạng Transistor. PLC phát các xung tốc độ cao từ ngõ ra số tới driver điều khiển động cơ bước TB6600 để dẫn động động cơ bước NEMA 17 (kích thước 42×48 mm), giúp mâm xoay quay chính xác từng bước góc 90° giữa các trạm làm việc, kết hợp cảm biến tiệm cận LJ8A3-2-Z/BX để xác định vị trí gốc (Home).

2. Phương pháp định lượng thể tích nước chiết rót trong đồ án hoạt động theo nguyên lý nào?
Thay vì định lượng đơn thuần bằng thời gian bơm (vốn có sai số lớn), hệ thống kết hợp bơm mini 12VDC, van nước điện từ và cảm biến lưu lượng nước YF-S401 hoạt động theo hiệu ứng Hall. Khi nước chảy qua cảm biến, cánh quạt quay tạo ra chuỗi xung điện gửi về ngõ vào tốc độ cao của PLC. Chương trình PLC đếm số xung tương ứng để đo chính xác thể tích 200 ml nước cho mỗi chai và tự động ngắt bơm khi đủ định lượng.

3. Quy cách vỏ chai và năng suất vận hành thiết kế của mô hình là bao nhiêu?
Hệ thống được thiết kế dành riêng cho loại chai nhựa có dung tích 300 ml, chiều cao 140 mm, đường kính thân 60 mm, đường kính cổ và miệng 36 mm, khối lượng vỏ 10 g. Năng suất thiết kế của dây chuyền đạt tối thiểu 120 chai/giờ, hướng tới chu kỳ làm việc 10 chai/phút với cụm chiết rót 4 đầu rót đồng thời.

4. Cơ sở nào để nhóm tác giả lựa chọn động cơ giảm tốc GA25 12V 280RPM cho hệ thống băng tải?
Nhóm tác giả đã tính toán động lực học dựa trên tải trọng vận chuyển cùng lúc 4 chai nước (tổng khối lượng $0,84$ kg) và hệ số ma sát trượt giữa chai với mặt băng tải $\mu = 0,19$. Qua bộ truyền tỉ số $3:1$, tốc độ trục dẫn đạt 93,3 rpm, tương ứng với vận tốc băng tải $v = 11,12$ m/phút. Mô-men xoắn yêu cầu sau khi tính hệ số an toàn gấp 2 lần là $0,612$ kg.cm, nhỏ hơn mô-men xoắn định mức của động cơ GA25 ($0,7$ kg.cm), đảm bảo băng tải chạy êm dịu, không giật và không gây đổ chai.

5. Cơ cấu đóng nắp chai của hệ thống được cấu thành từ những thiết bị chấp hành nào?
Cơ cấu đóng nắp bao gồm máng nghiêng cấp nắp rơi tự do vào miệng chai, một xy lanh khí nén kép TN10 điều khiển qua van điện từ 5/2 (4V210-08) để thực hiện chuyển động tịnh tiến nâng/hạ đầu xoắn và ép giữ chai, kết hợp với một động cơ DC giảm tốc JGB37-520 (12VDC, tốc độ 46 rpm) để tạo chuyển động quay siết chặt nắp ren vào cổ chai.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình chiết rót tự động" của sinh viên Trương Khánh Hòa và Lương Thiện Tuấn đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ kỹ thuật được giao. Báo cáo cung cấp đầy đủ các cơ sở tính toán lý thuyết cơ học, sơ đồ đấu nối điện điều khiển PLC Mitsubishi FX3U-64MT, lập trình điều khiển logic và thiết kế giao diện HMI giám sát trên máy tính. Mô hình phần cứng hoàn thiện đạt kích thước 135×75×100 cm, vận hành ổn định qua 20 lần thử nghiệm chiết rót thể tích 200 ml với năng suất trên 120 chai/giờ, tạo nguồn tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị cho sinh viên và kỹ sư ngành Cơ điện tử và Tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI • Ứng dụng PLC Mitsubishi để điều khiển quá trình chiết rót tự động, đảm bảo độ chính xác, tính ổn định và khả năng mở rộng của hệ thống.3 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phương pháp phân tích – tổng hợp. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Phương pháp phỏng vấn – trả lời, hỏi ý kiến chuyên gia. Cụ thể như sau: Sử dụng các tài liệu liên quan đến đề tài có sẵn tại thư viện Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, kết hợp tài nguyên từ Mạng toàn cầu, các bài báo nghiên cứu khoa học của các trường đại học, các tạp chí khoa học trong nước và ngoài nước. Và còn nhiều nguồn khác cũng như từ giảng viên, bạn học,… Nhóm áp dụng các kiến thức đã học tại trường từ các môn học như: Điều khiển lập trình, Máy điện, Trang bị điện – Khí nén,… 1.4 Nội dung nghiên cứu Gồm 6 chương: Chương 1 – Tổng quan về đề tài: Trình bày khái quát về đề tài, mục tiêu nghiên cứu của đề tài, phương pháp nghiên cứu và giới hạn của đề tài.

Chương 2 – Cơ sở lý thuyết: Trình bày các yêu cầu của hệ thống, các vấn đề liên quan đến công nghệ. Chương 3 – Tính toán và thiết kế: Trình bày các thiết kế về phần cứng, từ đó thiết tính toán và đưa ra lựa chọn thiết bị, linh kiện phù hợp với mục tiêu của đề tài. Chương 4 – Thi công hệ thống: Trình bày các bước thi công cơ khí, thi công tủ điện, Thao tác cấu hình và cài đặt thiết bị. Chương 5 – Kết quả, nhận xét, đánh giá: Trình bày những kết quả đạt được về phần cứng và phần mềm.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Chương 6 – Kết luận và hướng phát triển: Trình bày kết luận về đề tài, đưa ra các đánh giá dựa trên chương 5, từ đó nhóm có các đề xuất cải tiến hay phát triển hệ thống trong tương lai.5 Giới hạn Phạm vi ứng dụng giới hạn: • Hệ thống chỉ được thiết kế để xử lý một loại chai có kích thước cũng như chất liệu, loại nắp cần đóng cố định. Chưa áp dụng linh hoạt cho nhiều loại chai khác nhau. • Tốc độ chiết rót giới hạn ở mức trung bình, phù hợp với nhu cầu vừa và nhỏ, chưa tối ưu cho sản xuất quy mô lớn. Chi phí và nguồn lực: Hệ thống được thiết kế với chi phí hạn chế, chỉ sử dụng các thiết bị giá rẻ.

Các thiết bị như Step tốc độ cao, bơm chiết rót định lượng chưa được sử dụng. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về dây chuyền chiết rót 2.1 Giới thiệu Để thiết kế và triển khai một hệ thống đáp ứng được các yêu cầu đặt ra, trước hết cần hiểu rõ một số khái niệm cơ bản liên quan. Những nội dung như nguyên lý hoạt động của hệ thống chiết rót, phương pháp kết nối giữa PLC với các thiết bị ngoại vi, cùng các phần mềm hỗ trợ sẽ được trình bày cụ thể trong chương này. Hiện nay, nhiều sản phẩm tiêu dùng thường được đóng gói trong các loại chai, lọ, đặc biệt phổ biến trong ngành thực phẩm như: bia, rượu, nước giải khát, v.

Các bao bì dạng này có nhiều ưu điểm như chi phí sản xuất thấp, độ bền cao, hình thức đẹp và dễ gia công. Chính vì thế, hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động ngày càng được ứng dụng rộng rãi và đa dạng về chủng loại. Các dây chuyền đóng nắp tự động hiện nay có nhiều kích cỡ khác nhau và thường được tích hợp cùng với hệ thống chiết rót chất lỏng.