Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành sản xuất các sản phẩm nhãn nhựa dẻo và nhãn cao su lỏng (liquid plastic/rubber labels and tags) đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp phụ trợ thời trang may mặc, giày dép, móc khóa, quà lưu niệm và tem nhãn thiết bị gia dụng. Trong quy trình công nghệ chế tạo nhãn nhựa lỏng (chủ yếu từ nhựa PVC không hóa dẻo – Unplasticized Polyvinylchloride), chu trình sản xuất trải qua các công đoạn tuần tự: pha trộn nguyên liệu (blending ingredients), hút chân không khử bọt khí (vacuum raw material), nhỏ giọt nguyên liệu vào khuôn định hình (dripping raw material), gia nhiệt nung chín và làm nguội khuôn (heating and cooling), cuối cùng là tách sản phẩm khỏi khuôn và phân loại (taking out of mold, classifying).

Trong đó, công đoạn gia nhiệt và làm nguội khuôn sau khi tra nhựa quyết định trực tiếp đến cơ tính, độ sắc nét và chất lượng bề mặt của toàn bộ sản phẩm trên khuôn. Tuy nhiên, thị trường máy nung nhãn nhựa tại Việt Nam thời điểm nghiên cứu hầu như bị chiếm lĩnh bởi các dòng máy nhập khẩu từ Trung Quốc với giá thành đầu tư cao, thiết kế hở gây tổn thất nhiệt lớn, gây ồn do hệ thống băng tải xích và thiếu các công cụ điều khiển nhiệt độ chính xác cũng như giám sát tập trung.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài khóa luận tốt nghiệp kỹ sư ngành Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện nghiên cứu, cải tiến và chế tạo máy nung khuôn nhãn nhựa lỏng tích hợp hệ thống giám sát SCADA nhằm phục vụ các xưởng sản xuất quy mô vừa và nhỏ (quy mô 5–7 công nhân), trực tiếp thử nghiệm tại Công ty TNHH Thạch Gia.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Khảo sát nhu cầu thị trường, đánh giá tiềm năng và phân tích các nhược điểm của dòng máy nướng PVC thương phẩm hiện hành.
  2. Thiết kế và tính toán cơ điện hệ thống buồng nung gia nhiệt, hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức và cơ cấu chấp hành khí nén tách khuôn.
  3. Nghiên cứu, xây dựng và xác thực thuật toán điều khiển nhiệt độ PI cho buồng nung nhằm giảm thiểu sai số xác lập và triệt tiêu dao động nhiệt.
  4. Cải tiến giải pháp điều khiển hệ thống làm mát khuôn dựa trên nguyên lý điện áp ngưỡng (ngưỡng nhiệt độ kép: Setpoint và Alarm setpoint) thay thế cho việc đóng cắt liên tục.
  5. Thiết kế hệ thống SCADA tích hợp màn hình cảm ứng HMI Weintek và kết nối mô phỏng trên phần mềm Factory I/O.
  6. Thực nghiệm đo đạc tĩnh và động để xác định bộ thông số tối ưu về nhiệt độ, thời gian nung cho khuôn nhôm và vị trí lắp đặt cảm biến.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Lò nung khuôn nhãn nhựa lỏng hai buồng nhiệt, hệ thống làm mát khuôn bằng két tản nhiệt nước – quạt gió, cơ cấu cấp phôi khí nén và hệ thống điều khiển tự động hóa tích hợp SCADA/PLC.
  • Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng gia nhiệt cho khuôn nhôm chứa nhãn nhựa PVC lỏng tại xưởng gia công của Công ty TNHH Thạch Gia; phần cứng điều khiển trung tâm sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens LOGO! 12/24RCE kết hợp mô-đun mở rộng analog và màn hình HMI Weintek MT8071IP.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình ứng dụng

  • Lý thuyết nhiệt động lực học: Nghiên cứu áp dụng định luật truyền nhiệt và cân bằng nhiệt năng $Q_{radition} = Q_{in}$. Nhiệt lượng hấp thụ làm tăng nhiệt độ vật thể được xác định theo công thức $Q_{tv} = m \cdot c \cdot \Delta t$ (với $m$ là khối lượng, $c$ là nhiệt dung riêng của chất, $\Delta t$ là độ chênh lệch nhiệt độ). Quá trình đông đặc định hình của nhựa PVC là quá trình tỏa nhiệt tính theo $Q = \lambda \cdot m$ ($\lambda$ là nhiệt đông đặc). Bảng thông số nhiệt dung riêng được tác giả sử dụng gồm: nhôm làm khuôn ($c_{Al} = 880\text{ J/kg}\cdot\text{K}$), nước làm mát ($c_{H2O} = 4200\text{ J/kg}\cdot\text{K}$), thép ($c_{steel} = 460\text{ J/kg}\cdot\text{K}$), và nhựa Unplasticized PVC ($c_{PVC} = 1.3\text{ kJ/kg}\cdot\text{K}$).
  • Lý thuyết điều khiển nhiệt độ PI: Hệ thống lựa chọn thuật toán tỉ lệ – tích phân (PI) thay vì PID hoàn chỉnh. Khâu tỉ lệ $P_{out} = K_p \cdot e(t)$ đóng góp chính vào tốc độ đáp ứng của hệ thống. Khâu tích phân $I_{out} = K_i \int_{0}^{t} e(\tau)d\tau = \frac{1}{T_i} \int_{0}^{t} e(\tau)d\tau$ giúp triệt tiêu hoàn toàn sai số trạng thái xác lập (steady-state error). Tác giả loại bỏ khâu vi phân D (Derivative) do bản chất quán tính nhiệt của lò lớn và môi trường công nghiệp có nhiều nhiễu tần số cao, tránh làm hệ thống mất ổn định.
  • Phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PI: Khóa luận khảo sát 6 phương pháp chỉnh định gồm: chỉnh định thủ công (Manual tuning), phương pháp thực nghiệm Ziegler – Nichols thứ hai (Z-N 2), phương pháp Chien – Hrones – Reswick (CHR), phương pháp Cohen – Coon, phương pháp Wang – Juang – Chan (WJC) và phương pháp Tyreus – Luyben. Trên cơ sở đó, phương pháp Ziegler – Nichols kết hợp nhận dạng mô hình trên phần mềm MATLAB được lựa chọn để tính toán bộ thông số $K_p$, $T_i$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp quan sát khoa học: Khảo sát các dòng máy nướng nhãn PVC 2 tầng (Promotional two layers PVC baking oven) và máy nướng tiết kiệm năng lượng (Energy-saving PVC baking oven) trên thị trường để nhận diện các điểm yếu về tiêu hao nhiệt và cơ cấu làm mát.
  • Phương pháp phân tích và tổng hợp kinh nghiệm: Phân tích yêu cầu công nghệ gia công nhãn nhựa của doanh nghiệp để đưa ra bảng thông số kỹ thuật và ma trận tương quan giữa nhu cầu khách hàng và chỉ số kỹ thuật (Needs-Metrics Correlation Matrix).
  • Phương pháp mô phỏng và thực nghiệm: Sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để mô phỏng đáp ứng hàm truyền của lò; kết nối PLC thực với phần mềm Factory I/O để kiểm thử logic vận hành cơ điện; đo đạc trực tiếp trên mô hình vật lý bằng cảm biến nhiệt độ Pt100.
  • Phương pháp chuyên gia: Tham vấn trực tiếp ý kiến chuyên môn của giảng viên hướng dẫn và đội ngũ kỹ thuật tại Công ty TNHH Thạch Gia.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Tính toán nhiệt và chọn thiết bị gia nhiệt

  • Yêu cầu công nghệ:
    • Lò trái (Left oven): dải nhiệt độ $250 - 300^\circ\text{C}$, thời gian nung 8 phút/khuôn.
    • Lò phải (Right oven): dải nhiệt độ $200 - 250^\circ\text{C}$, thời gian nung 2 phút/khuôn.
    • Thông số khuôn: Mỗi khuôn nhôm có khối lượng 530 g, chứa 16 sản phẩm nhãn (2.5 g/sản phẩm, tổng khối lượng nhựa 40 g/khuôn).
  • Tính toán nhiệt năng tiêu thụ:
    • Nhiệt lượng khuôn hấp thụ ở lò phải: $Q_{t,right} = 125.84\text{ kJ}$.
    • Nhiệt lượng khuôn hấp thụ ở lò trái: $Q_{t,left} = 106.48\text{ kJ}$.
    • Nhiệt lượng nhựa PVC tiêu thụ trong 1 giờ: $Q_{PVC} = 17.55\text{ kJ}$.
    • Công suất nhiệt duy trì ổn định tính toán: $P_{1,oven} \approx 580\text{ W}$. Để gia nhiệt nhanh trong giai đoạn khởi động, tác giả lựa chọn dây điện trở Mayso (Mayso heat coil) công suất định mức $1800\text{ W}$, điện áp $220\text{ V}$, đường kính ngoài $20\text{ cm}$, kết cấu 3 chân.
  • Tính toán điện và dây dẫn:
    • Dòng điện làm việc cực đại: $I_{max} \ge 2 \times \frac{1800}{220} = 16.36\text{ A}$.
    • Lựa chọn thiết bị đóng cắt: Aptomat (CB) định mức $20\text{ A}$.
    • Tiết diện dây dẫn (với mật độ dòng cho phép của đồng $J \approx 6\text{ A/mm}^2$): Dây nguồn tổng chọn tiết diện $4\text{ mm}^2$, dây cấp nhánh cho từng buồng lò chọn tiết diện $2.5\text{ mm}^2$.

Thiết kế kết cấu cơ khí và cơ cấu chấp hành

  • Vật liệu chế tạo: Khung chân máy gia công từ thép hộp mạ kẽm (Galvanized iron box, khối lượng riêng $7850\text{ kg/m}^3$, hệ số dẫn nhiệt $58\text{ W/m}\cdot\text{K}$) có khả năng chịu lực và chống ăn mòn. Vỏ bọc ngoài sử dụng tôn lượn sóng (Corrugated iron) cách nhiệt. Buồng nung 1 dùng thép không gỉ (Inox), buồng nung 2 dùng hợp kim nhôm (hệ số dẫn nhiệt $220\text{ W/m}\cdot\text{K}$). Khay chứa nước làm mát dập từ tôn mạ mỏng.
  • Tính toán xylanh khí nén tách khuôn:
    • Hành trình làm việc: $S = 200\text{ mm}$ (phù hợp chiều dài buồng lò $210\text{ mm}$).
    • Tải trọng khuôn tối đa: $m = 1000\text{ g}$, lực cản danh định $F = 10\text{ N}$.
    • Áp suất khí nén cấp từ máy nén: $p = 6\text{ kg/cm}^2$.
    • Đường kính nòng xylanh tiêu chuẩn lựa chọn: $D = 32\text{ mm}$.

Tính toán hệ thống làm mát tuần hoàn

Khóa luận chọn phương án làm mát khuôn nhôm bằng nước tuần hoàn cưỡng bức qua két tản nhiệt ống cánh nhôm kết hợp quạt hút gió:

  • Két tản nhiệt gồm $n = 40$ ống dẫn nước (kích thước ống $16 \times 2\text{ mm}$, chiều dày thành $0.2\text{ mm}$, chiều dài làm việc $l = 438\text{ mm}$, chiều rộng $a = 328\text{ mm}$).
  • Hệ thống lá tản nhiệt gồm $k = 400$ cánh, tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt với không khí đạt $F_2 = 2.962\text{ m}^2$ (trong đó diện tích ống $F_3 = 0.5\text{ m}^2$, diện tích cánh $F_4 = 2.462\text{ m}^2$).
  • Công suất tản nhiệt của bộ làm mát đạt $Q_{lm} = 1810.08\text{ J/s}$, đảm bảo giải nhiệt lượng $Q_{cooler} = 4.8\text{ kJ}$ tích tụ sau mỗi ca làm việc 4 giờ.
  • Cải tiến điều khiển làm mát: Thay vì dùng PID đóng ngắt bơm/quạt liên tục ở một điểm đặt gây hao mòn thiết bị, hệ thống thiết lập 2 ngưỡng điện áp/nhiệt độ (Setpoint và Alarm setpoint). Khi nhiệt độ nước vượt Setpoint, hệ thống tản nhiệt chưa chạy cho tới khi chạm ngưỡng Alarm setpoint mới kích hoạt làm mát kéo nhiệt độ trở về Setpoint rồi ngắt.
Hạng mục phần cứng Model / Thông số kỹ thuật chi tiết Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình (PLC) Siemens LOGO! 12/24RCE (6ED1052-1MD00-0BA8) Xử lý logic điều khiển trung tâm, kết nối Ethernet
Mô-đun mở rộng Digital LOGO! DM8 (12/24VDC, 4 DI / 4 DO Relay) Điều khiển bơm nước, quạt tản nhiệt, van xylanh
Mô-đun mở rộng Analog LOGO! AM2 AQ (2 ngõ ra Analog $0-10\text{ V}$ hoặc $0/4-20\text{ mA}$) Phát tín hiệu điều khiển công suất gia nhiệt
Cảm biến nhiệt độ Can nhiệt Pt100, đầu ren vít M6 dài 1 cm, dải đo $-100 \sim 450^\circ\text{C}$ Đo nhiệt độ thực tế tại buồng nung
Bộ chuyển đổi tín hiệu Transmitter i1H12 (Input Pt100, Output $0-10\text{ V}$, sai số $\pm 0.2%$ FS) Chuyển đổi tín hiệu Pt100 sang điện áp cho PLC
Màn hình giao diện (HMI) Weintek MT8071IP (7" TFT LCD, Cortex-A8 600MHz, Ethernet) Giao diện vận hành SCADA, cài đặt tham số và hiển thị
Dây điện trở nhiệt Dây Mayso 1800W / 220V, $\varnothing = 20\text{ cm}$ Phần tử phát nhiệt buồng nung
Xylanh khí nén Xylanh hành trình $S = 200\text{ mm}$, nòng $D = 32\text{ mm}$ Đẩy khuôn nung vào và ra khỏi buồng nhiệt

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction (Giới thiệu)

Nội dung chương tập trung trình bày bối cảnh công nghiệp sản xuất nhãn nhựa dẻo và nhãn cao su tại Việt Nam, nêu rõ tính cấp thiết của việc nội địa hóa máy nung khuôn nhằm cạnh tranh với sản phẩm nhập khẩu Trung Quốc. Tác giả sơ đồ hóa quy trình 5 bước sản xuất nhãn nhựa, xác định rõ vai trò then chốt của công đoạn nung và làm nguội khuôn. Chương này cũng thiết lập bản Tuyên bố sứ mệnh (Mission Statement), xác định phạm vi nghiên cứu, các nguồn hỗ trợ thiết bị từ Công ty TNHH Thạch Gia và 4 phương pháp luận triển khai đề tài.

Chapter 2: Literature Review (Tổng quan tài liệu)

Chương 2 cung cấp cơ sở lý thuyết toàn diện về các loại lò nung công nghiệp (dạng mẻ - batch oven và liên tục - continuous oven), phân tích ưu nhược điểm của 2 mẫu máy nướng nhãn thương phẩm trên thị trường. Trình bày chi tiết lý thuyết truyền nhiệt, cân bằng nhiệt, công thức tính nhiệt đông đặc nhựa PVC và cấu tạo cơ bản của lò điện trở (vỏ lò, lớp lót chịu nhiệt - cách nhiệt, khay gia nhiệt). Phân tích cấu trúc giải thuật điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI), nguyên lý khâu P, khâu I và đánh giá so sánh 6 phương pháp chọn tham số PID/PI công nghiệp (Manual, Ziegler-Nichols 2, CHR, Cohen-Coon, Wang-Juang-Chan, Tyreus-Luyben).

Chapter 3: Design and Improvement (Thiết kế và cải tiến)

Chương 3 là trọng tâm kỹ thuật của khóa luận. Tác giả thực hiện tính toán nhiệt lượng buồng nung, tính chọn dây điện trở Mayso $1800\text{ W}$, tính toán tiết diện dây dẫn đồng và aptomat $20\text{ A}$. Tính toán thủy lực và truyền nhiệt của két tản nhiệt 40 ống cánh nhôm ($F_2 = 2.962\text{ m}^2$, $Q_{lm} = 1810.08\text{ J/s}$). Thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển PLC Siemens LOGO!, chọn cảm biến Pt100, transmitter i1H12 và HMI Weintek MT8071IP. Thực hiện tính toán và chỉnh định thông số PI cho buồng nung phải và buồng nung trái bằng phương pháp Ziegler-Nichols 1, Ziegler-Nichols 2 và công cụ nhận dạng hàm truyền trên MATLAB, đồng thời lập trình giao diện SCADA trên HMI và mô phỏng trên Factory I/O.

Chapter 4: Experiments and Analysis (Thực nghiệm và phân tích)

Chương 4 thiết lập danh mục nhu cầu khách hàng, danh mục chỉ số kỹ thuật và ma trận tương quan Needs-Metrics. Thực hiện phân tích kiểm nghiệm tĩnh (Static test analysis) về độ bền cơ khí, độ cách điện và thời gian vận chuyển (đo thời gian vận chuyển mẫu 6 km mất 94 phút). Triển khai phân tích kiểm nghiệm động (Dynamic test analysis):

  • Xác định thời gian nung tối ưu cho nhãn nhựa lỏng.
  • Thực nghiệm kiểm tra vị trí tối ưu để gắn cảm biến nhiệt độ trên và dưới buồng nung.
  • Đo đạc quá trình quá độ nhiệt của buồng lò nung trái, buồng lò nung phải và kiểm tra năng lực tản nhiệt hạ nhiệt độ nước tuần hoàn.

Chapter 5: Conclusion & Development (Kết luận & Hướng phát triển)

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt thiết kế cơ khí, mạch điện điều khiển, đáp ứng của thuật toán PI nhiệt độ và hệ thống SCADA. Nêu rõ các đóng góp thực tế cho doanh nghiệp và đề xuất các định hướng nâng cấp máy trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật định lượng

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy nung khuôn nhãn nhựa lỏng 2 buồng độc lập tích hợp hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức và cơ cấu đẩy khuôn khí nén $D = 32\text{ mm}$, $S = 200\text{ mm}$.
  • Hệ thống gia nhiệt sử dụng 2 vòng mayso công suất $1800\text{ W}/220\text{ V}$, dòng tải tính toán $16.36\text{ A}$, kiểm soát dải nhiệt độ làm việc từ $50^\circ\text{C}$ đến $300^\circ\text{C}$ (Lò trái: $250 - 300^\circ\text{C}$; Lò phải: $200 - 250^\circ\text{C}$).
  • Bộ tản nhiệt nước 40 ống cánh nhôm diện tích $2.962\text{ m}^2$ giải nhiệt thành công công suất $1810.08\text{ J/s}$, đảm bảo nhiệt độ nước làm mát luôn duy trì dưới ngưỡng giới hạn kỹ thuật.
  • Thuật toán PI được chỉnh định tham số và nạp trực tiếp vào PLC Siemens LOGO!, đáp ứng bám sát nhiệt độ đặt (Setpoint), triệt tiêu sai số xác lập và hạn chế hiện tượng vọt lố (overshoot) nhiệt độ.
  • Xây dựng thành công hệ thống SCADA trên màn hình cảm ứng HMI Weintek MT8071IP kết nối Ethernet với PLC, cho phép giám sát thông số nhiệt độ trực quan theo thời gian thực và cài đặt linh hoạt thời gian nung.

Đóng góp của đề tài

  • Nghiên cứu chế tạo mẫu máy nung khuôn nhãn nhựa lỏng mang thương hiệu Việt Nam, giảm chi phí đầu tư máy móc cho các cơ sở sản xuất trong nước so với thiết bị nhập khẩu từ Trung Quốc.
  • Cải tiến thành công giải pháp điều khiển hệ thống làm mát bằng thuật toán 2 ngưỡng điện áp/nhiệt độ (Setpoint và Alarm setpoint), khắc phục triệt để hiện tượng đóng ngắt rơ-le liên tục với tần số cao khi áp dụng PID thông thường cho hệ thống làm mát.
  • Hoàn thiện quy trình tính toán nhiệt - cơ - điện chuẩn hóa cho máy nung khuôn nhãn nhựa, có thể chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Quá trình chạy thực nghiệm công nghiệp của máy mới chỉ được triển khai và thu thập số liệu giới hạn tại cơ sở của Công ty TNHH Thạch Gia, chưa có dữ liệu vận hành liên tục dài hạn trong điều kiện sản xuất công nghiệp 3 ca/ngày.
  • Hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn kín vẫn xảy ra hiện tượng hao hụt nước tự nhiên do bay hơi khi tiếp xúc với khuôn nhiệt độ cao, đòi hỏi người vận hành phải bổ sung nước định kỳ thủ công vào bình chứa.

Hướng nghiên cứu phát triển

  • Tích hợp thêm cảm biến mức nước tự động và van cấp nước bổ sung tự động cho két làm mát để hạn chế thao tác thủ công của công nhân.
  • Nghiên cứu nâng cấp hệ thống cấp - dỡ khuôn hoàn toàn tự động (băng tải cấp phôi tự động kết hợp tay gắp robot) để tăng năng suất vượt mức 5–7 công nhân hiện tại.
  • Mở rộng kết nối SCADA giám sát từ xa qua mạng công nghiệp hoặc nền tảng đám mây (Cloud SCADA/IoT), phục vụ quản lý sản xuất tập trung cho các doanh nghiệp nhiều phân xưởng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận tốt nghiệp này có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa và Công nghệ Nhiệt - Lạnh.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu bao gồm:

  • Toàn bộ phương pháp tính toán cân bằng nhiệt, công suất gia nhiệt điện trở và tính toán truyền nhiệt két làm mát ống cánh nhôm chi tiết tại Chương 3.
  • Quy trình phối ghép phần cứng công nghiệp thực tế giữa PLC Siemens LOGO!, mô-đun mở rộng analog, cảm biến nhiệt độ Pt100 qua bộ chuyển đổi Transmitter i1H12 và màn hình HMI Weintek qua giao thức truyền thông Ethernet.
  • Phương pháp luận thực nghiệm xác định tham số bộ điều khiển PI trên đối tượng nhiệt quán tính lớn kết hợp công cụ mô phỏng MATLAB/Simulink và Factory I/O.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn thuật toán điều khiển PI thay vì PID hoàn chỉnh cho hệ thống gia nhiệt buồng lò?

Theo phân tích lý thuyết và thực nghiệm ở Chương 2, khâu tích phân (I) đóng vai trò triệt tiêu triệt để sai số xác lập của hệ thống nhiệt. Tuy nhiên, nếu bổ sung thêm khâu vi phân (D), hệ thống rất dễ bị mất ổn định do khâu vi phân khuếch đại các tín hiệu nhiễu tần số cao vốn luôn tồn tại trong môi trường công nghiệp và mạch đo lường. Do đó, cấu trúc PI là lựa chọn tối ưu đảm bảo sự cân bằng giữa độ chính xác bám nhiệt độ đặt và độ ổn định kháng nhiễu.

2. Cấu hình phần cứng thu thập và xử lý tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến về PLC Siemens LOGO! gồm những gì?

Hệ thống sử dụng cảm biến can nhiệt Pt100 đầu ren M6 (dải đo $-100 \sim 450^\circ\text{C}$). Do PLC Siemens LOGO! chỉ nhận tín hiệu điện áp tiêu chuẩn $0-10\text{ V}$ tại ngõ vào analog, nhóm tác giả lắp đặt thêm bộ chuyển đổi tín hiệu (Temperature transmitter) model i1H12 dải đo $0-400^\circ\text{C}$ để chuyển đổi giá trị điện trở nhiệt của Pt100 thành tín hiệu điện áp tuyến tính $0-10\text{ V}$ với độ chính xác $\pm 0.2%$ FS.

3. Giải pháp điều khiển hệ thống làm mát khuôn được cải tiến như thế nào để tránh quá tải cho thiết bị đóng ngắt?

Hệ thống tản nhiệt nước không sử dụng giải thuật PID đóng ngắt liên tục. Tác giả cải tiến cơ chế điều khiển theo 2 ngưỡng điện áp/nhiệt độ (Setpoint và Alarm setpoint). Khi khuôn nung làm nhiệt độ nước tăng vượt ngưỡng Setpoint, bơm và quạt tản nhiệt vẫn chưa hoạt động. Chỉ khi nhiệt độ nước tiếp tục tăng chạm ngưỡng cảnh báo (Alarm setpoint), hệ thống tản nhiệt mới được kích hoạt cưỡng bức, làm mát nước trở lại mức Setpoint rồi tự động dừng, giúp giảm thiểu số lần đóng ngắt rơ-le và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

4. Các thông số hình học và năng lực truyền nhiệt chính của két tản nhiệt nước (radiator) là gì?

Két tản nhiệt được tính toán gồm 40 ống dẫn nước kích thước $16 \times 2\text{ mm}$ (chiều dài $l = 438\text{ mm}$, chiều rộng $a = 328\text{ mm}$) và 400 lá cánh nhôm tản nhiệt dày $0.2\text{ mm}$. Tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt với không khí đạt $F_2 = 2.962\text{ m}^2$, cung cấp công suất tản nhiệt đạt $Q_{lm} = 1810.08\text{ J/s}$, đáp ứng đủ yêu cầu giải nhiệt lượng $4.8\text{ kJ}$ trong ca làm việc 4 giờ.

5. Cơ cấu xylanh khí nén đẩy sản phẩm khỏi khuôn được lựa chọn dựa trên cơ sở tính toán nào?

Dựa trên chiều dài buồng nung $210\text{ mm}$, tác giả chọn hành trình piston tiêu chuẩn $S = 200\text{ mm}$. Với khối lượng khuôn tối đa $1000\text{ g}$ (lực cản $F = 10\text{ N}$) và áp suất nguồn khí nén tiêu chuẩn của xưởng $p = 6\text{ kg/cm}^2$, đường kính nòng xylanh được tính toán và lựa chọn theo tiêu chuẩn thương mại là $D = 32\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo thành công máy nung khuôn nhãn nhựa lỏng 2 buồng độc lập tích hợp hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức và cơ cấu đẩy khuôn khí nén phục vụ xưởng sản xuất quy mô vừa và nhỏ. Hệ thống điều khiển sử dụng PLC Siemens LOGO! kết hợp thuật toán PI và giải pháp làm mát theo ngưỡng nhiệt kép giúp kiểm soát nhiệt độ buồng nung chính xác trong dải $50 - 300^\circ\text{C}$, đồng thời màn hình cảm ứng HMI Weintek MT8071IP cung cấp giao diện SCADA giám sát thời gian thực ổn định và trực quan. Kết quả thử nghiệm thực tế tại Công ty TNHH Thạch Gia khẳng định tính khả thi của việc nội địa hóa thiết bị nung nhãn nhựa với chi phí thấp và hiệu quả năng lượng cao.