Đề tài Nghiên cứu áp dụng robot trong nhà máy sản xuất bột giặt do TS. Phan Đăng Phong, ThS. Đinh Viết Hải, ThS. Trần Sỹ Kiên thực hiện.

TÓM TẮT:

Đối với các đơn vị trong ngành hóa chất, do các yếu tố rủi ro - nguy hiểm từ hóa chất trực tiếp đến con người và môi trường nên việc áp dụng công nghệ 4.0, tự động hóa sản xuất ngày càng được quan tâm. Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống tự động hóa trong sản xuất bột giặt và chất tẩy rửa đang được quan tâm và đầu tư phát triển bởi nhiều công ty và tổ chức trong nước. Những hệ thống này được phát triển để giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động, tăng năng suất và đảm bảo an toàn trong quá trình bốc xếp hàng hóa. Nắm bắt nhu cầu này, Viện Nghiên cứu Cơ khí đã sớm đầu tư nghiên cứu, hợp tác, đầu tư nguồn lực để từng bước làm chủ công tác tính toán, thiết kế, tích hợp các hệ thống tự động hóa cho các đơn vị thuộc Tập đoàn Công nghiệp Hóa chất Việt Nam.

Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, tích hợp hệ thống tự động hóa có sử dụng robot (tại hai công đoạn đóng gói và đóng kiện) cho Công ty Cổ phần Bột giặt LIX, góp phần hoàn thiện dây chuyền tự động hóa sản xuất của đơn vị này.

Từ khóa: Tự động hóa, nhà máy bột giặt, hệ thống robot, hệ thống cân định lượng.

1. Tổng quan về dây chuyền sản xuất bột giặt

Quá trình sản xuất bột giặt có thể được khái quát qua ba công đoạn: Gia công bột giặt, đóng gói bột giặt, đóng kiện và vận chuyển.

 

- Công đoạn gia công bột giặt:

Các nguyên liệu đầu vào được đưa vào xử lý để tạo ra sản phẩm là bột giặt, sẵn sàng đóng gói và đưa đến người sử dụng. Với bột giặt được gia công trong các phương pháp khác nhau sẽ sử dụng các thiết bị khác nhau, bao gồm:

+ Thiết bị trộn: Khuấy, trộn các nguyên liệu rắn, lỏng đầu vào để tạo ra các bán thành phẩm dạng kem.

+ Thiết bị sấy/kết tụ: Các bán thành phẩm dạng kem qua thiết bị sấy/kết tụ trở thành bột thô.

+ Thiết bị bơm: Thực hiện công việc bơm kem (bơm lên tháp cao trong phương pháp sấy phun), bơm nguyên liệu bổ sung như hương liệu và phụ gia.

+ Thiết bị sàng lọc: Lọc sản phẩm bột không đủ chất lượng (kích thước) trước khi đưa đi đóng gói.

Hiện nay, trong các doanh nghiệp sản xuất bột giặt, công đoạn gia công bột giặt đều đã được thực hiện với các thiết bị tự động, con người đóng vai trò trong việc thiết lập thông số, vận hành và giám sát hệ thống.

- Công đoạn đóng gói túi bột giặt:

Bột giặt sau đó được chuyển qua công đoạn đóng gói theo túi với nhiều trọng lượng khác nhau. Việc định lượng sản phẩm để đóng gói dựa trên hệ thống cân định lượng. Công đoạn này đòi hỏi độ chính xác cao do ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và chi phí sản xuất của doanh nghiệp. Với phương thức thủ công truyền thống như cân không tự động hay cân tự động với công nghệ cũ, sai số về trọng lượng đóng gói bột giặt thường lớn và năng suất đầu ra rất thấp, gây ra tốn kém về chi phí nhân công, khó đáp ứng được nhu cầu mở rộng.

Sau khi hệ thống cân định lượng tiến hành xác định lượng bột giặt đóng vào mỗi túi, máy đóng gói sẽ thực hiện đóng miệng túi và dán nhãn. Túi bột giặt sau đó được đóng vào các thùng carton theo số lượng mỗi thùng đã quy định trước.

 

- Công đoạn đóng kiện và vận chuyển:

Thùng carton chứa các túi bột giặt được đóng kiện trên pallet để thuận tiện cho quá trình vận chuyển và lưu trữ. Trong các doanh nghiệp sản xuất bột giặt, số lượng chủng loại hàng hóa và dải trọng lượng của các sản phẩm thường rất đa dạng, do đó các thùng carton đóng gói có nhiều loại kích thước khác nhau cùng với quy cách đóng kiện khác nhau. Đa số hiện nay các đơn vị này đều sử dụng nhân công cho công việc đóng kiện hàng, điều này ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng đóng kiện.

2. Giải pháp tự động hóa dây chuyền sản xuất

Với dây chuyền hiện hữu tại các nhà máy để nâng cao tính tự động hóa sản xuất cần tiếp tục nghiên cứu, cải tiến một số thiết bị và công đoạn. Như đã phân tích các hạn chế ở trên, tại công đoạn đóng gói bột giặt và công đoạn đóng kiện, vận chuyển thì hệ thống hiện tại đa số chưa đáp ứng yêu cầu doanh nghiệp về độ chính xác, chất lượng, năng suất và nguồn nhân lực. Các hệ thống này có hàm lượng khoa học và tính ứng dụng cao tại các nhà máy sản xuất tại Việt Nam. Từ đó, Viện Nghiên cứu Cơ khí (NARIME) đã triển khai nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo các giải pháp tự động hóa bao gồm hệ thống cân định lượng và robot bốc xếp tự động.

2.1. Công đoạn đóng gói túi bột giặt

Trong công đoạn đóng gói, hệ thống cân định lượng sẽ có nhiệm vụ kiểm soát khối lượng bột giặt được đóng vào các túi theo từng chủng loại sản phẩm. Hệ thống cân định lượng sản phẩm bao gồm kết cấu cơ khí, loadcell, cụm khí nén, động cơ và tủ điện điều khiển kết nối trực tiếp thiết bị hiện hữu tại nhà máy.

 

Do hệ thống hoạt động trong môi trường hóa chất, có tính chất ăn mòn, phá hủy nên để đảo bảo độ bền, độ ổn định lâu dài thì các phương án đưa ra đều sử dụng thiết bị và loại cân bằng vật liệu thép không gỉ (SUS 304, SUS 316). Băng tải PVC chịu mài mòn, chịu hóa chất và đặc biệt là có độ mềm giúp tăng độ chính xác khi cân liệu với khối lượng nhỏ. Cơ chế hoạt động của hệ thống cân định lượng sản phẩm trong công đoạn đóng gói:

- Bột giặt được xả xuống cụm phễu cấp và 03 bộ băng tải. Để đảm bảo về năng suất cũng như độ chính xác khi cân, băng tải cấp liệu sẽ được lập trình (điều khiển biến tần, động cơ servo) với nhiều cấp tốc độ (cấp nhanh, cấp chậm). Lượng xả ban đầu vào phễu định lượng sẽ được cấp nhanh – cân thô (băng tải tốc độ cao), sau đó tốc độ băng tải được điều chỉnh giảm tốc độ - cân tinh (tốc độ băng tải thấp). Đối với mỗi loại sản phẩm (khối lượng túi đóng gói) sẽ được cài đặt, lập trình điều khiển tốc độ băng tải tương ứng.

- Loadcell tại mỗi phễu định lượng được cài đặt bước nhảy phù hợp để đảm bảo quá trình cân (cân tinh) được chính xác.

Yêu cầu đo lường cơ bản của cân định lượng sản phẩm trong công đoạn đóng gói như sau:

- Độ đúng: là giá trị đại số được tính bằng chênh lệch giữa chỉ số của cân khi cân trọng lượng của lượng bột giặt và giá trị khối lượng thực của lượng bột giặt này.

- Độ động: Độ động (tại một mức cân) của cân là khả năng phản ứng của cân đối với sự thay đổi nhỏ của tải trọng. Độ động được đánh giá bằng sự thay đổi nhẹ nhàng của gia trọng tạo nên sự thay đổi trạng thái cân bằng ổn định trên chỉ thị của cân (có thể nhận biết được sự di chuyển này trên bộ phận chỉ thị).

- Độ lặp lại: Độ lặp lại (tại một mức cân) là chênh lệch lớn nhất của nhiều lần cân cùng một tải trọng trong cùng điều kiện đo.

Tất cả các chỉ tiêu đo lường cho loại cân và cấp chính xác được quy định cụ thể, chặt chẽ trong Văn bản Kĩ thuật Đo lường Việt Nam ĐLVN 16:2021.

2.2. Công đoạn đóng kiện và vận chuyển

Quá trình đóng kiện và vận chuyển trong dây chuyền sản xuất bột giặt sẽ thực hiện các công việc chính như sau:

- Đóng kiện: Đưa các thùng carton chứa các túi bột giặt thành phẩm chất lên pallet theo một hình dạng (gọi là quy cách xếp) đã quy định từ trước. Công việc này còn gọi là bốc xếp sản phẩm. Pallet sau khi được xếp đầy các thùng bột giặt sẽ được cố định bằng các lớp màng co xung quanh, dán nhãn chứa thông tin tên sản phẩm bột giặt, thời gian sản xuất, khối lượng…

- Vận chuyển: Sau khi pallet hàng hoàn thiện đóng kiện sẽ được vận chuyển đến vị trí chỉ định trước khi xuất hàng hoặc lưu kho.

Để thay thế hoàn toàn con người trong các công việc trên, hệ thống bốc xếp tự động tích hợp tay máy robot được ứng dụng rộng rãi trên thế giới từ những năm 1980. Việc sử dụng robot mang lại sự linh hoạt cho hệ thống bốc xếp hàng tự động với số lượng chủng loại hàng hóa ngày càng đa dạng. Một cánh tay robot có thể được lập trình để xử lý các gói hàng có kích thước khác nhau hoặc sắp xếp chúng lên pallet theo nhiều cách mà không cần thay đổi thiết kế từ trước.

 

Hệ thống Robot bốc xếp sẽ tự động hóa toàn bộ quá trình đóng kiện và vận chuyển kiện hàng gồm các thành phần chính như sau:

- Cánh tay robot công nghiệp: thực hiện công việc bốc xếp thùng hàng theo quy cách đã được định sẵn, việc lập trình cho Robot sẽ được nhóm đề tài tự thực hiện.

- Máy cấp pallet: Đưa pallet trống đến và đặt vào vị trí cho Robot bốc xếp hàng lên

- Máy quấn màng: Quấn màng co xung quanh kiện hàng sau khi được Robot xếp đầy để đảm bảo cố định khi vận chuyển

- Máy dán nhãn: Xuất thông tin chủng loại hàng hóa, thời gian sản xuất,… từ cơ sở dữ liệu và thực hiện in và dán nhãn lên kiện hàng.

- Hệ thống băng tải: Vận chuyển các thùng hàng, pallet trống, pallet hàng.

Bên cạnh đó, hệ thống Robot bốc xếp còn có các thành phần khác như: hệ thống thiết bị điện-tự động hóa (cảm biến, khí nén,…), tủ điện và hàng rào bảo vệ.

3. Kết quả ứng dụng tự động hóa dây chuyền tại Công ty Cổ phần Bột giặt LIX

3.1. Hệ thống tự động hóa quá trình định lượng đóng gói túi bột giặt

Hệ thống cân định lượng gồm các trạm cân được thiết kế, chế tạo để có thể làm việc với các khối lượng đóng gói khác nhau của túi bột giặt, các trạm cân nhỏ với các size 100-1500 gam, các trạm cân lớn với các size 2-7 kilôgam và đảm bảo sai số lượng bột khi đóng gói từ 0,5% đến 0,7%. Cùng với đó, tốc độ đóng gói các túi bột giặt lên tới 65 túi/phút (đối với size túi 350 g) yêu cầu cơ cấu cơ khí, thiết bị điện phải hoạt động tuần tự liên tục với tốc độ cao. Đây được coi như là thách thức đối với đội ngũ kỹ sư của Viện trong quá trình tính toán, thiết kế và lựa chọn thiết bị cho hệ thống.

Hiện nay, hệ thống cân định lượng đã được kết nối vào các hệ thống khác trên dây chuyền sản xuất bột giặt của nhà máy, hoạt động liên tục trong ca làm việc với năng suất của mỗi trạm cân nhỏ là 3 tấn/giờ, của mỗi trạm cân lớn là 10 tấn/giờ.

3.2. Hệ thống tự động hóa quá trình đóng kiện và vận chuyển

Đối với Công ty Cổ phần Bột giặt LIX, có nhiều khó khăn đặt ra so với các hệ thống xếp thùng tự động thông thường như: hạn chế về không gian hoạt động, năng suất của dây chuyền sản xuất và quy cách xếp thùng hàng. Các vấn đề khó khăn này ảnh hưởng trực tiếp để quá trình thiết kế hệ thống.

Không gian xung quanh hệ thống đã được cải tạo lại một cách tối ưu nhất để đảm bảo Robot hoạt động ổn định cũng như tiết kiệm diện tích mặt bằng sử dụng. Việc bố trí các băng tải đưa thùng hàng cũng đã được sắp xếp khéo léo nhằm mục đích giảm tải cho các Robot. Cơ cấu tay gắp và chương trình robot cũng đã được kỹ sư của Viện thiết kế phù hợp để đáp ứng nhiều loại quy cách xếp khác nhau tại nhà máy.

 

Hệ thống Robot bốc xếp tự động tại Công ty Cổ phần Bột giặt LIX hiện đang hoạt động để phục vụ xếp thùng lên pallet, đóng kiện và vận chuyển cho 8 máy sản xuất của nhà máy, với tối đa 6 loại sản phẩm xếp khác nhau cùng lúc và tốc độ máy có thể lên tới 15 thùng/phút. Qua theo dõi hoạt động, sản lượng trung bình một ngày hệ thống Robot bốc xếp tự động có thể thực hiện khoảng 500 tấn/ngày, hoạt động liên tục 24 giờ.

4. Kết luận

Các kỹ sư, nhà khoa học của Viện Nghiên cứu Cơ khí triển khai thiết kế, chế tạo, tích hợp và đưa vào vận hành chính thức hệ thống tự động hóa có sử dụng robot (tại hai công đoạn đóng gói và đóng kiện của Công ty Cổ phần Bột giặt LIX) từ tháng 12/2023. Đến nay, hệ thống luôn vận hành ổn định, đáp ứng yêu cầu sản xuất và được đơn vị sử dụng đánh giá cao.

Việc thiết kế, chế tạo và đưa vào vận hành hệ thống tự động hóa trong sản xuất là một yêu cầu cấp thiết, một mặt để phục vụ nhu cầu sản xuất, tiết kiệm ngoại tệ, mặt khác góp phần phát triển ngành chế tạo hệ thống tự động hóa công nghiệp trong nước. Việc đưa vào vận hành thành công hệ thống tự động hóa có sử dụng robot cho dây chuyền sản xuất bột giặt tại Công ty Cổ phần Bột giặt LIX đã góp phần khẳng định thành công trong việc nội địa hóa các hệ thống tự động hóa trong công nghiệp, là cơ sở để mở rộng triển khai ứng dụng cho các ngành sản xuất khác tại Việt Nam.

Tài liệu tham khảo:

[1] Hồ sơ hệ thống tự động hóa dây chuyền tại Công ty Cổ phần Bột giặt LIX

Nguồn: Tạp chí Công thương