Bài tập: viết đặc tả và kế hoạch FAT cho trạm kiểm tra nắp chai

Tính toán thiết kế

# Tính toán thiết kế cho trạm kiểm tra nắp chai (số liệu đề bài)
CHAI_PHUT = 400            # năng suất định mức
DU_TRU = 1.125             # thiết kế cho 450 chai/phút (dự trữ 12,5%)
PITCH = 100.0              # mm
GAT_MM, GAT_MS = 1200.0, 25.0      # cần gạt cách camera 1,2 m, đáp ứng 25 ms
PPR, NHAN, CHU_VI = 1200, 4, 300.0  # encoder trên con lăn chu vi 300 mm
FOV_MM, PX = 50.0, 1280    # camera nhìn ngang: FOV ngang 50 mm, 1280 pixel
NHOE_PX = 0.5              # nhòe cho phép (pixel)

cp = CHAI_PHUT * DU_TRU
chu_ky = 60_000 / cp
v = cp / 60 * PITCH                               # mm/s
mm_px = FOV_MM / PX
dem_mm = PPR * NHAN / CHU_VI
print(f"Thiết kế {cp:.0f} chai/phút: chu kỳ {chu_ky:.1f} ms, băng tải {v:.0f} mm/s ({v * 0.06:.0f} m/phút)")
print(f"Độ phân giải {mm_px:.4f} mm/px; phơi sáng/chớp đèn ≤ {NHOE_PX * mm_px / v * 1e6:.0f} µs")
print(f"Hạn chót kết quả: {GAT_MM / v * 1000 - GAT_MS:.0f} ms sau trigger;"
      f" {GAT_MM / PITCH:.0f} chai nằm giữa camera và cần gạt")
print(f"Encoder: {dem_mm:.0f} xung/mm, camera → cần gạt {GAT_MM * dem_mm:.0f} xung,"
      f" phát lệnh sớm {v * GAT_MS / 1000 * dem_mm:.0f} xung ở tốc độ thiết kế")
print(f"Tần số đếm tối đa: {v * dem_mm / 1000:.1f} kHz")
for ten, gh in (("nắp cao (giới hạn +0,8 mm)", 0.8), ("nắp nghiêng (chênh 0,8 mm)", 0.8)):
    print(f"{ten}: giới hạn = {gh / mm_px:.1f} px; sai số cho phép (1/10) = {gh / 10 / mm_px:.1f} px")

Thiết kế 450 chai/phút: chu kỳ 133.3 ms, băng tải 750 mm/s (45 m/phút)
Độ phân giải 0.0391 mm/px; phơi sáng/chớp đèn ≤ 26 µs
Hạn chót kết quả: 1575 ms sau trigger; 12 chai nằm giữa camera và cần gạt
Encoder: 16 xung/mm, camera → cần gạt 19200 xung, phát lệnh sớm 300 xung ở tốc độ thiết kế
Tần số đếm tối đa: 12.0 kHz
nắp cao (giới hạn +0,8 mm): giới hạn = 20.5 px; sai số cho phép (1/10) = 2.0 px
nắp nghiêng (chênh 0,8 mm): giới hạn = 20.5 px; sai số cho phép (1/10) = 2.0 px

• Chu kỳ 133 ms ở 450 chai/phút: ràng buộc chính là nhịp, không phải hạn chót (1,5 s). Ngân sách xử lý thiết kế ≤ 100 ms từ trigger tới kết quả ở PLC, chạy pipeline, ba camera xử lý song song.
• Thời gian chiếu sáng ≤ 26 µs: bắt buộc dùng đèn chớp đồng bộ với camera (bài "Đèn strobe và đồng bộ trigger").
• 12 chai nằm giữa camera và cần gạt, băng tải đổi tốc độ: bắt buộc theo dõi bằng encoder; 12 kHz nằm trong khả năng bộ đếm tốc độ cao thông dụng (phải kiểm tra thông số PLC thật).
• Giới hạn nắp cao 0,8 mm = 20,5 px; sai số cho phép 2 px: khả thi với đo cạnh trên ảnh đèn nền.

1. Phạm vi

• Trong phạm vi: kiểm 100% chai sau máy đóng nắp với 4 hạng mục: thiếu nắp (D01), nắp cao (D02), nắp nghiêng (D03), sai màu nắp (D04); loại chai NG bằng cần gạt có sẵn; lưu dữ liệu và ảnh.
• Ngoài phạm vi giai đoạn 1: vòng an toàn đứt (cần 4 camera hoặc hệ gương để phủ 360°, chi phí gần gấp đôi; đề xuất làm giai đoạn 2 sau khi có dữ liệu tần suất lỗi này), mức nước trong chai, mã in trên nắp, lỗi ren.
• Giả định: chai đứng thẳng, lệch ngang ≤ ± 2 mm, khoảng cách giữa hai chai ≥ 20 mm tại vị trí trigger; đường kính nắp và chiều cao danh định theo bản vẽ khách hàng cung cấp cho từng mã.
• Khách hàng cung cấp: bản vẽ chai/nắp, bộ mẫu (mục 12) trước FAT 2 tuần, lắp encoder và cấp nguồn khí, chương trình PLC phần theo dõi chai và điều khiển cần gạt (theo bảng giao tiếp mục 7), người tham gia FAT/SAT.

2–4. Đầu vào

5. Tiêu chí kiểm tra

Ghi chú: ngưỡng phần mềm cho D02, D03 được đặt thấp hơn giới hạn đặc tả một dải bảo vệ ước tính từ bài thử độ lặp lại (ví dụ 3σ), và được ghi trong biên bản FAT.

6. Hiệu năng

7. Giao tiếp

PLC giữ hàng đợi theo dõi chai bằng số đếm encoder (16 xung/mm, cần gạt ở 19.200 xung, phát lệnh sớm theo tốc độ đo được); so ID trong kết quả với ID trong hàng đợi.

8. Hành vi khi lỗi

9. HMI và dữ liệu

• R-HMI-01: 3 cấp quyền: vận hành (xem, đổi công thức), kỹ thuật (chỉnh ngưỡng trong giới hạn cho phép), quản trị. Mọi thay đổi tham số ghi nhật ký: ai, lúc nào, giá trị cũ/mới.
• R-HMI-02: Hiển thị ảnh NG gần nhất kèm mã lỗi, bộ đếm OK/NG theo loại lỗi, bộ đếm trigger/kết quả/gạt/xác nhận thùng NG.
• R-DAT-01: Lưu kết quả từng chai 90 ngày; ảnh NG 30 ngày; tự xóa dữ liệu cũ, cảnh báo khi ổ đĩa trên 80%.
• R-CHG-01: Người vận hành đổi mã trong ≤ 5 phút không cần kỹ sư (thường tự động theo PLC).

10–11. Phần cứng sơ bộ, tài liệu

• 2 camera đơn sắc nhìn ngang, đặt ±45° so với hướng băng tải (lệch nhau 90°), mỗi camera một đèn nền đối diện, đèn chớp; 1 camera màu nhìn từ trên xuống với đèn vòng/đèn vòm để kiểm màu và xác nhận có nắp. Độ phân giải khoảng 1,3 MP cho FOV ngang 50 mm (chi tiết chọn ở chặng 6).
• PC công nghiệp, vỏ che sáng bằng thép không gỉ, thổi khí làm khô đỉnh nắp trước camera (nếu thử nghiệm cho thấy giọt nước gây loại nhầm).
• Tài liệu: hướng dẫn vận hành tiếng Việt, hướng dẫn bảo trì (vệ sinh kính, kiểm tra hằng ngày bằng mẫu chuẩn), bản sao lưu cấu hình, sơ đồ điện. Đào tạo 2 buổi cho vận hành và bảo trì. Bảo hành 12 tháng từ ngày ký SAT.

12. Bộ mẫu chuẩn và kế hoạch FAT

Ước lượng khối lượng bài thử FAT để lên lịch:

import math

# Kế hoạch bài thử FAT: số mẫu × số lần chạy, thời gian ước tính, và escape chứng minh được
GIAY_MOI_LAN = 6           # nạp tay 1 chai lên băng tải thử, chạy qua trạm, lấy ra
BAI_THU = [  # (tên, số mẫu, số lần mỗi mẫu, loại)
    ("Phát hiện: thiếu nắp", 10, 10, "NG"),
    ("Phát hiện: nắp cao +1,0..+3,0 mm", 10, 10, "NG"),
    ("Phát hiện: nắp nghiêng", 10, 10, "NG"),
    ("Phát hiện: sai màu nắp (2 màu)", 10, 10, "NG"),
    ("Mẫu giới hạn D02, D03 (2 cặp vừa OK/vừa NG)", 4, 10, "GH"),
    ("Overkill: chai OK, 100 mỗi mã", 200, 5, "OK"),
    ("Độ lặp lại chiều cao nắp (2 mã)", 20, 30, "DO"),
]
tong_lan, tong_ng = 0, 0
for ten, n_mau, n_lan, loai in BAI_THU:
    lan = n_mau * n_lan
    tong_lan += lan
    tong_ng += lan if loai == "NG" else 0
    print(f"{ten:45s} {n_mau:4d} × {n_lan:2d} = {lan:5d} lần")
print(f"Tổng {tong_lan} lần chạy ≈ {tong_lan * GIAY_MOI_LAN / 3600:.1f} giờ nạp tay")
print(f"{tong_ng} lần chạy NG, 0 sót → escape < {1 - 0.05 ** (1 / tong_ng):.2%} (95%, coi các lần độc lập)")
print(f"Overkill cho phép ≤ 0,1% của 1000 lần chạy OK → tối đa {math.floor(0.001 * 1000)} lần")

Phát hiện: thiếu nắp                            10 × 10 =   100 lần
Phát hiện: nắp cao +1,0..+3,0 mm                10 × 10 =   100 lần
Phát hiện: nắp nghiêng                          10 × 10 =   100 lần
Phát hiện: sai màu nắp (2 màu)                  10 × 10 =   100 lần
Mẫu giới hạn D02, D03 (2 cặp vừa OK/vừa NG)      4 × 10 =    40 lần
Overkill: chai OK, 100 mỗi mã                  200 ×  5 =  1000 lần
Độ lặp lại chiều cao nắp (2 mã)                 20 × 30 =   600 lần
Tổng 2040 lần chạy ≈ 3.4 giờ nạp tay
400 lần chạy NG, 0 sót → escape < 0.75% (95%, coi các lần độc lập)
Overkill cho phép ≤ 0,1% của 1000 lần chạy OK → tối đa 1 lần

Khoảng 3,5 giờ nạp tay, cộng thời gian ghi chép, phân tích và chạy lại: lịch FAT 3 ngày là hợp lý. Nếu có băng tải vòng (loop) đưa chai chạy lặp lại tự động, thời gian giảm mạnh. Lưu ý 400 lần chạy NG chỉ chứng minh escape dưới 0,75% với giả định các lần độc lập; đây là bằng chứng chức năng, tỉ lệ ppm được theo dõi trong sản xuất.

Phác thảo SAT

• Lặp lại R-DET-01, R-DET-02, R-MEA-01 (rút gọn) trên dây chuyền thật sau lắp đặt.
• R-REJ-01: 50 chai NG đánh dấu thả vào dòng ở tốc độ cao nhất và khi băng tải đang đổi tốc độ.
• R-OVK-02: chạy sản xuất 3 ca, QC kiểm lại toàn bộ thùng NG; song song QC lấy mẫu ngẫu nhiên chai đã qua trạm để tìm lỗi lọt.
• Kiểm tra tích hợp PLC thật: đổi công thức, dừng/khởi động băng tải, mất kết nối.
• Đào tạo, bàn giao tài liệu và bản sao lưu; ký biên bản SAT, bắt đầu bảo hành.