Giáo Trình Thực Hành Kết Nối và Vận Hành Hệ Thống Cơ Điện Tử

Giáo trình thực hành kết nối và vận hành hệ thống cơ điện tử giúp sinh viên cao đẳng nắm vững kiến thức và kỹ năng nghề cơ điện tử.

• Tác giả: Đỗ Hữu Hậu
• Trường học: Cao đẳng nghề Cần Thơ
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Giáo Trình Thực Hành Kết Nối và Vận Hành Hệ Thống Cơ Điện Tử
• Loại tài liệu: giáo trình
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Cần Thơ

Mục lục chi tiết

• TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
• LỜI GIỚI THIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
• 1.1. Cảm biến nhiệt độ
• 1.2. Nhiệt điện trở Platin
• 1.3. Nhiệt điện trở Niken
• 1.4. IC cảm biến nhiệt độ
• 1.5. Cảm biến tiệm cận
• 1.6. Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor)
• 1.7. Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor)
• 1.8. Cảm biến từ
• 1.9. Cảm biến phân loại màu
• 1.10. Cảm biến quang
• 1.11. Cảm biến quang loại thu phát độc lập
• 1.12. Cảm biến quang loại phản xạ gương
• 1.13. Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán
• 1.14. Hệ thống khí nén
• 1.15. Các bước lắp ráp máy nén
• 1.16. Cách lắp đặt máy khí nén và van khí nén
• 1.17. Quy trình vận hành máy khí nén và van khí nén
• 1.18. Quy trình bảo trì, bảo dưỡng máy khí nén và van khí nén
• 1.19. Một số yêu cầu về an toàn máy khí nén và van khí nén
• 1.20. Các loại van điều khiển khí nén thông dụng
• 1.21. Các loại máy nén khí dùng trong công nghiệp
• 1.22. Hệ thống thủy lực
• 1.23. Các bước lắp đặt bơm thủy lực
• 1.24. Thiết kế trạm nguồn thủy lực, bộ nguồn thủy lực
• 1.25. Phân tích 1 số lỗi thường gặp trong 1 số mạch điều khiển thủy lực
• 1.26. Cách phân loại PLC phổ biến hiện nay
• 1.27. Module mở rộng PLC S7-1200
• 1.28. Lập trình
• 1.29. Màn hình điều khiển giám sát PLC Siemens S7-1200
• 1.30. Các bộ điều khiển trung tâm CPUs PLC Siemens S7 1500
• 1.31. Mô đun vào ra PLC Siemens S7 1500
• 1.32. Nguồn cung cấp PLC Siemens S7 1500
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG CÔNG VIỆC THỰC HÀNH
• 2.1. Các tiêu chí thực hiện công việc
• 2.2. Nhóm công việc kết nối hệ thống
• 2.3. Nhóm công việc vận hành hệ thống
• 2.4. Nội dung thực hành
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Giáo Trình Thực Hành Kết Nối Hệ Thống Cơ Điện Tử

Giáo trình thực hành kết nối và vận hành hệ thống cơ điện tử là một phần quan trọng trong chương trình đào tạo nghề Cơ điện tử. Tài liệu này được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức và kỹ năng cần thiết để thực hiện các công việc liên quan đến hệ thống cơ điện tử. Nội dung giáo trình bao gồm lý thuyết và thực hành, giúp sinh viên áp dụng kiến thức vào thực tế sản xuất.

1.1. Mục Tiêu Của Giáo Trình Thực Hành

Mục tiêu chính của giáo trình là giúp sinh viên nắm vững các kiến thức về cảm biến, khí nén, và PLC. Sinh viên sẽ được hướng dẫn cách kết nối và vận hành các hệ thống cơ điện tử một cách hiệu quả.

1.2. Đối Tượng Sử Dụng Giáo Trình

Giáo trình này được thiết kế cho sinh viên ngành Cơ điện tử tại trường Cao đẳng nghề Cần Thơ. Nó cũng có thể được sử dụng bởi các giảng viên và những người làm trong lĩnh vực cơ điện tử.

II. Những Thách Thức Trong Việc Kết Nối Hệ Thống Cơ Điện Tử

Việc kết nối và vận hành hệ thống cơ điện tử không phải là điều đơn giản. Có nhiều thách thức mà sinh viên và kỹ thuật viên phải đối mặt trong quá trình thực hiện. Những thách thức này bao gồm việc hiểu rõ các loại cảm biến, cách lắp đặt và bảo trì hệ thống.

2.1. Khó Khăn Trong Việc Hiểu Biết Về Cảm Biến

Cảm biến là một phần quan trọng trong hệ thống cơ điện tử. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động và cách sử dụng các loại cảm biến khác nhau là rất cần thiết để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

2.2. Vấn Đề Kỹ Thuật Trong Lắp Đặt Hệ Thống

Lắp đặt hệ thống cơ điện tử đòi hỏi sự chính xác và kỹ năng cao. Các vấn đề kỹ thuật như kết nối sai hoặc không đủ điện áp có thể dẫn đến sự cố trong quá trình vận hành.

III. Phương Pháp Kết Nối Hệ Thống Cơ Điện Tử Hiệu Quả

Để kết nối hệ thống cơ điện tử một cách hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp và kỹ thuật phù hợp. Việc sử dụng các công cụ và thiết bị hiện đại sẽ giúp quá trình này trở nên dễ dàng hơn.

3.1. Sử Dụng Công Nghệ Mới Trong Kết Nối

Công nghệ mới như robot cơ điện tử và các cảm biến hiện đại giúp nâng cao hiệu quả trong việc kết nối và vận hành hệ thống. Việc áp dụng công nghệ này sẽ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.

3.2. Quy Trình Kết Nối Hệ Thống

Quy trình kết nối hệ thống bao gồm các bước như lắp đặt cảm biến, kết nối mạch điện và kiểm tra hoạt động. Mỗi bước cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống Cơ Điện Tử

Hệ thống cơ điện tử có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, từ sản xuất công nghiệp đến tự động hóa trong các quy trình. Việc hiểu rõ các ứng dụng này sẽ giúp sinh viên áp dụng kiến thức vào thực tế.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Sản Xuất

Trong ngành sản xuất, hệ thống cơ điện tử được sử dụng để tự động hóa quy trình sản xuất, giúp tăng năng suất và giảm chi phí lao động.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Dịch Vụ

Ngoài sản xuất, hệ thống cơ điện tử còn được ứng dụng trong ngành dịch vụ, như trong các hệ thống điều khiển tự động trong các tòa nhà thông minh.

V. Kết Luận Về Giáo Trình Thực Hành Kết Nối Hệ Thống Cơ Điện Tử

Giáo trình thực hành kết nối và vận hành hệ thống cơ điện tử là một tài liệu quý giá cho sinh viên ngành Cơ điện tử. Nó không chỉ cung cấp kiến thức lý thuyết mà còn giúp sinh viên thực hành và áp dụng vào thực tế.

5.1. Tương Lai Của Ngành Cơ Điện Tử

Ngành Cơ điện tử đang phát triển mạnh mẽ với nhiều cơ hội việc làm. Việc nắm vững kiến thức và kỹ năng trong lĩnh vực này sẽ giúp sinh viên có lợi thế cạnh tranh trên thị trường lao động.

5.2. Đề Xuất Cải Tiến Giáo Trình

Để giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn, cần có sự đóng góp ý kiến từ giảng viên và sinh viên. Những ý kiến này sẽ giúp cải tiến nội dung và phương pháp giảng dạy.

Nội dung chính

THÔNG TIN TỔNG HỢP GIÁO TRÌNH HỌC THUẬT: THỰC HÀNH KẾT NỐI VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ (MÃ MÔN HỌC: MH42)

---

Tổng quan về giáo trình (250-300 từ)

• Tên giáo trình: Giáo trình môn học Thực hành kết nối và vận hành hệ thống cơ điện tử
• Mã môn học: MH42
• Đơn vị biên soạn và ban hành: Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ (theo chương trình khung ban hành năm 2021)
• Ban biên soạn: Đỗ Hữu Hậu (Chủ biên), Lê Hữu Nghĩa
• Cấp độ đào tạo: Hệ Cao đẳng nghề Cơ điện tử

Vị trí trong chương trình đào tạo

Môn học MH42 là môn học chuyên môn nghề tự chọn, được bố trí thực hiện ở giai đoạn cuối của chương trình đào tạo. Môn học được tiến hành sau khi sinh viên đã hoàn thành các mô-đun nền tảng: Kỹ thuật cảm biến, Điều khiển điện khí nén, Điều khiển thủy lực, PLC cơ bản. Đồng thời, môn học có thể được tổ chức giảng dạy song song với các học phần chuyên môn khác như Bài tập tổng hợp Cơ điện tử, SCADA, hoặc Công nghệ CAD/CAM.

Mục tiêu học tập (Learning Outcomes)

• Về kiến thức: Ôn tập và hệ thống hóa kiến thức chuyên môn về cảm biến, hệ thống khí nén – thủy lực và bộ điều khiển lập trình PLC thông qua môi trường thực tế tại doanh nghiệp; trình bày được cấu tạo, đặc tính kỹ thuật và nguyên lý làm việc của các phần tử cơ điện tử; nắm rõ các bước trong quy trình kết nối và vận hành hệ thống.
• Về kỹ năng: Thực hiện kết nối mạch điện, khí nén, thủy lực theo đúng yêu cầu công nghệ của thiết bị sản xuất; lập trình ứng dụng PLC trong thực tế đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật; vận hành hệ thống cơ điện tử an toàn và chính xác.
• Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Hình thành khả năng tự định hướng, thích nghi với thiết bị công nghệ mới; có năng lực tự đánh giá kết quả thực hành và nghiên cứu; chủ động tích lũy kinh nghiệm chuyên môn nghề nghiệp.

Cấu trúc và phân bổ thời gian

Nội dung giáo trình được thiết kế với tổng thời lượng 270 giờ (chủ yếu thực hiện tại doanh nghiệp), bao gồm 15 giờ lý thuyết, 254 giờ thực hành/thảo luận và 01 giờ kiểm tra. Kết cấu giáo trình gồm 2 chương chính:

• Chương 1 (MH42-01): Lý thuyết liên quan (Thời lượng: 12 giờ lý thuyết)
• Chương 2 (MH42-02): Nội dung công việc thực hành (Thời lượng: 258 giờ, gồm 3 giờ lý thuyết, 254 giờ thực hành và 1 giờ kiểm tra)

Điểm đặc thù của giáo trình

Giáo trình đóng vai trò là tài liệu hướng dẫn thực hành chuyên đề tại doanh nghiệp, tích hợp cô đọng phần lý thuyết thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn làm cơ sở trực tiếp cho các nhiệm vụ kết nối và vận hành máy móc sản xuất.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi (500-600 từ)

                       CẤU TRÚC KIẾN THỨC GIÁO TRÌNH MH42
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN                               CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HÀNH
 (12 giờ Lý thuyết)                                          (258 giờ Doanh nghiệp)

Các chương và chủ đề chính

1. Cảm biến công nghiệp

• Cảm biến nhiệt độ:
  • Nhiệt điện trở Platin: Phân tích tiêu chuẩn DIN IEC 751–1983 (sửa đổi 1986, 1995), phương trình Callendar – VanDusen $R(t) = R_0 [1 + A\cdot t^3]$; vi mạch khuếch đại ADT70 (dải đo -200°C đến 1000°C, sai số ±1°C, nguồn cấp 5V hoặc ±5V).
  • Nhiệt điện trở Niken: Dải đo -60°C đến +250°C, hệ số nhiệt $\alpha = 0{,}00672,\Omega/\Omega/^\circ\text{C}$, cảm biến ZNI 1000 kết hợp IC ZMR500.
  • Kỹ thuật nối dây đo nhiệt: Kỹ thuật 2 dây (có mạch biến trở bù 10Ω), kỹ thuật 3 dây (mạch cầu chuẩn loại bỏ sai số do dây dẫn), kỹ thuật 4 dây (tách riêng đường cấp dòng và đường đo thế).
  • Cấu trúc vỏ bọc: Vỏ gốm (-200°C đến 800°C), vỏ thủy tinh (-200°C đến 400°C), vỏ nhựa polyamid (-80°C đến 230°C), kỹ thuật màng mỏng hiệu chuẩn laser.
  • IC cảm biến nhiệt độ: Nguyên lý chuyển tiếp p-n; IC LM35 (độ nhạy $10,\text{mV}/^\circ\text{C}$, dải -55°C đến 150°C, sai số ±1/4°C), IC LM34 ($10,\text{mV}/^\circ\text{F}$), IC AD590 ($1,\mu\text{A}/^\circ\text{K}$, dải -55°C đến 150°C).
• Cảm biến tiệm cận & Cảm biến từ:
  • Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive): Phát hiện kim loại (khoảng cách $\le 50,\text{mm}$); loại có vỏ bảo vệ (đầu bằng, ví dụ E2EV) và không vỏ bảo vệ (đầu lồi, ví dụ E2E-X2F1); mạch tạo dao động, cuộn dây cảm ứng, mạch so sánh và khuếch đại.
  • Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive): Phát hiện phi kim (giấy, nhựa, gỗ; ví dụ dòng CR Series, E2K-X8MF1).
  • Cấu hình ngõ ra: NPN transistor, PNP transistor, Transistor FETS (dòng kích $30,\mu\text{A}$, tải đến $500,\text{mA}$), Triac (dùng cho điện áp xoay chiều AC), và ngõ ra Analog.
  • Cảm biến từ: Khung dây hở, biến thiên khe hở không khí $\delta$, thay đổi từ trở và điện cảm cuộn dây; kết hợp mạch cầu xoay chiều và bộ xử lý tín hiệu.
• Cảm biến quang & Phân loại màu:
  • Cảm biến màu: Phát 3 dải sáng Red (700nm), Green (546nm), Blue (436nm) qua thấu kính phát và nhận diện qua photodiode để phân tích tỷ lệ phản xạ phổ.
  • Phần tử quang bán dẫn: Tế bào quang dẫn (CdS, CdSe, PbS...); Photo Diode (chế độ quang dẫn phân cực ngược $I_r = I_o + I_p$, chế độ quang thế không áp ngoài); Photo Transistor ($I_c = (\beta+1)I_r$); Quang trở.
  • Cấu trúc cảm biến quang công nghiệp: Loại thu phát độc lập (through-beam), loại phản xạ gương (retro-reflective, sử dụng gương 3 mặt hoặc gương hạt thủy tinh), loại phản xạ khuếch tán (diffuse-reflective); các chế độ hoạt động Dark-On và Light-On.

2. Hệ thống khí nén công nghiệp

• Lắp ráp máy nén khí: Quy trình 14 bước chi tiết từ lắp trục chính, trục khuỷu (2 gối đỡ hoặc 3 gối đỡ), ụ trục, bộ đệm kín, bơm dầu, cụm piston – thanh truyền – sơ mi xylanh, bộ giảm tải, đế van nén, cụm van xả đến đường ống áo nước.
• Lắp đặt và an toàn: Yêu cầu mặt bằng khô ráo, nhiệt độ môi trường $\le 40^\circ\text{C}$, khoảng cách an toàn với nguồn điện $\ge 5,\text{m}$, sử dụng ống ruột gà lõi thép bọc nhựa cho cáp tín hiệu.
• Bảo dưỡng và phân loại: Quy trình bảo dưỡng theo chu kỳ (ngày: kiểm tra rung ồn và xả bình 2 lần; tuần: vệ sinh lọc khí; tháng: kiểm tra rò rỉ; quý: đại tu tra dầu); Phân loại van khí nén (van bướm, van bi, van cầu, van dao, van y xiên chất liệu inox/gang/thép với kiểu tác động đơn/kép, on/off hoặc tuyến tính); Phân loại máy nén khí (piston có/không dầu, trục vít ngâm/không dầu, ly tâm, dòng hỗn hợp, màng lọc).

3. Hệ thống truyền động thủy lực

• Lắp đặt bơm thủy lực: Quy trình căn chỉnh trục bằng khớp nối cao su với độ lệch tâm cho phép $< 0{,}25,\text{mm}$; ống hút chìm không quá $1,\text{m}$ tính từ mức dầu; ống xả dài $< 1,\text{m}$ chìm trong dầu; bố trí van xả khí chống rung.
• Thiết kế trạm nguồn thủy lực:
  • Tính chọn xylanh dựa trên tải trọng $F$, áp suất $p$, đường kính ống $D$ và cần $d$.
  • Chọn bơm thủy lực: Bơm bánh răng, bơm cánh gạt ($\le 150 - 200,\text{bar}$) hoặc bơm piston áp cao; tính lưu lượng $Q = v \cdot S$.
  • Tính chọn motor điện: Công suất motor $P_{\text{motor}} = 1{,}4 \times P_{\text{bơm}}$.
  • Hệ thống van: Nhóm van bắt buộc (van phân phối, van an toàn, van một chiều) và nhóm van tùy chỉnh (van tiết lưu, van giảm áp, van chống lún).
  • Làm mát và chứa dầu: Giải nhiệt gió (quạt tản nhiệt) hoặc nước; tính dung tích dầu hệ thống gấp $2 - 5$ lần tổng thể tích điền đầy; thiết kế thùng dầu inox 304 đáy nghiêng thu cặn, đường cấp và xả cách đáy $300,\text{mm}$.
• Chẩn đoán sự cố mạch thủy lực: Bảng phân tích nguyên nhân và giải pháp xử lý cho các hiện tượng: Bơm ồn/rung quá mức (lọt khí, nghẹt lọc, lệch tâm); Áp suất đầu ra thấp hoặc bằng không (mòn bơm, hỏng khớp nối, van tràn chỉnh thấp); Xylanh không hoạt động hoặc di chuyển giật cục; Dầu thủy lực quá nhiệt (thùng dầu nhỏ, van tràn xả liên tục).

4. Phân loại và cấu hình bộ điều khiển PLC & HMI

• Phân loại PLC: Phân theo hãng (Siemens, Mitsubishi, Omron, Idec, Fuji) và quy mô dung lượng I/O (Micro: $<32$ I/O; Nhỏ: $\le 256$ I/O; Trung bình: $\le 1024$ I/O; Lớn: $>1024$ I/O).
• Dòng PLC Mitsubishi FX:
  • ALPHA: Tích hợp màn hình LCD, I/O $<30$.
  • FX0S: Nhỏ gọn, bộ nhớ EEPROM, không mở rộng I/O.
  • FX0N: Quản lý từ 10 đến 128 I/O, mở rộng kết nối mạng.
  • FX1N: Quản lý 14 đến 60 I/O (mở rộng tối đa 128 I/O), bộ nhớ 8k step, tích hợp 6 bộ đếm tốc độ cao 60kHz và 2 bộ phát xung 100kHz.
  • FX2N: Mở rộng tối đa 256 I/O, bộ nhớ 8k–16k step, thời gian quét lệnh nhanh.
• Dòng PLC Siemens S7-1200:
  • Cấu hình phần cứng: 3 dòng CPU chính (CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C); tích hợp cổng PROFINET (hỗ trợ TCP/IP, ISO-on-TCP, S7 Communication).
  • Khả năng mở rộng: Hỗ trợ Communication Module (CP), Signal Board (SB), Signal Module (SM); mô-đun nguồn PS 1207 (24VDC).
  • Phần mềm lập trình: Step7 Basic trong môi trường TIA Portal V11, hỗ trợ 3 ngôn ngữ lập trình LAD, FBD, SCL.
• Màn hình điều khiển giám sát HMI: SIMATIC HMI Basic Panels thế hệ 1 (kích thước 3" đến 15", đồ họa Pixel-Graphic) và thế hệ 2 (kích thước 4", 7", 9", 12", màn hình 64.000 màu, cổng USB, kết nối Ethernet/RS485).
• Dòng PLC Siemens S7-1500:
  • Các dòng CPU trung tâm: CPU 1511-1 PN, CPU 1513-1 PN, CPU 1515-2 PN, CPU 1516-3 PN/DP, CPU 1517-3 PN/DP, CPU 1518-4 PN/DP. Tất cả các dòng đều tích hợp chức năng Motion Control và Web Server.
  • Hệ thống mô-đun: Mô-đun vào/ra số (Digital I/O), mô-đun vào/ra tương tự (Analog I/O), mô-đun truyền thông (PROFIBUS, Industrial Ethernet, Point-to-Point), mô-đun công nghệ (đếm xung tốc độ cao, xử lý thời gian thực); bộ nguồn SIMATIC PM 1507 (1 pha, 24VDC).

5. Nội dung công việc thực hành (Chương 2)

• Xác định các tiêu chí thực hiện công việc theo yêu cầu công nghệ tại doanh nghiệp.
• Nhóm công việc kết nối hệ thống: Đấu nối cảm biến, lắp đặt đường ống khí nén, đường ống thủy lực, đấu dây I/O cho PLC S7-1200/S7-1500/Mitsubishi.
• Nhóm công việc vận hành hệ thống: Thao tác trạm điều khiển, giám sát thông số áp suất, lưu lượng, nhiệt độ theo ca làm việc, xử lý các sự cố vận hành phát sinh.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

• Cơ sở lý thuyết chuyển đổi tín hiệu vật lý sang tín hiệu điện trong cảm biến công nghiệp.
• Nguyên lý cơ học chất lưu ứng dụng trong truyền động khí nén và thủy lực.
• Cấu trúc phần cứng vi xử lý, cấu trúc bộ nhớ và nguyên lý quét vòng lặp điều khiển của PLC.
• Mô hình truyền thông công nghiệp qua giao thức PROFINET, PROFIBUS, PTP và TCP/IP.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật: Đấu nối mạch cảm biến (2 dây, 3 dây, 4 dây, NPN/PNP); lắp ráp hoàn chỉnh cụm máy nén khí 14 bước; căn chỉnh đồng tâm bơm thủy lực; viết mã điều khiển PLC bằng ngôn ngữ LAD/FBD/SCL trên TIA Portal.
• Kỹ năng phân tích: Tính toán thiết kế trạm nguồn thủy lực (lực nâng, lưu lượng, công suất kéo); phân tích mã lỗi rò rỉ, tụt áp, rung ồn trong hệ thống cơ điện tử; kiểm tra mạch điện song song bằng Ohm kế.
• Năng lực thực tiễn: Thiết lập giao diện HMI giám sát; thực hiện bảo dưỡng phòng ngừa định kỳ; tuân thủ quy chuẩn an toàn khi làm việc với hệ thống điện – áp lực cao.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập (300-350 từ)

                            TIẾN TRÌNH HỌC TẬP VÀ ĐÁNH GIÁ (270 GIỜ)
GIAI ĐOẠN 1: HỆ THỐNG HÓA LÝ THUYẾT (12 Giờ)                                GIAI ĐOẠN 2: THỰC HÀNH DOANH NGHIỆP (254 Giờ)
 * Củng cố nguyên lý cảm biến, khí nén, thủy lực                             * Nhóm công việc 1: Kết nối hệ thống
 * Phân tích cấu hình PLC S7-1200/1500 & FX                                    - Đấu nối cảm biến, dây dẫn điện, đường ống
 * Hướng dẫn quy trình 14 bước & an toàn áp lực                                - Cấu hình mô-đun I/O và cổng Profinet/Profibus
                                                                             * Nhóm công việc 2: Vận hành & Xử lý sự cố
                                                                               - Khởi động, giám sát ca kíp, chỉnh định thông số
                                                                               - Thực hiện bảo dưỡng định kỳ (ngày/tuần/tháng/quý)
                                                                               - Chẩn đoán lỗi thủy lực/khí nén bằng thiết bị đo
                                                                             GIAI ĐOẠN 3: KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ (1 Giờ)
                                                                             * Đánh giá kỹ năng kết nối theo tiêu chuẩn kỹ thuật
                                                                             * Đánh giá quy trình vận hành và an toàn lao động

Phương pháp tiếp cận sư phạm

Giáo trình áp dụng mô hình đào tạo theo năng lực thực hiện, kết hợp giữa việc ôn tập lý thuyết cô đọng (15 giờ) và thực hành chuyên đề tại cơ sở sản xuất của doanh nghiệp (254 giờ). Phương pháp này chuyển trọng tâm từ việc tiếp thu lý thuyết thuần túy sang việc áp dụng trực tiếp kiến thức vào dây chuyền công nghệ thực tế.

Bài tập và bài toán tình huống (Case Studies)

• Bài toán thiết kế trạm nguồn: Yêu cầu sinh viên tính toán cụ thể lực nâng của xylanh $F = p \cdot S$, xác định lưu lượng bơm $Q = v \cdot S$, nhân hệ số an toàn 1,4 để chọn công suất động cơ kéo, tính toán thể tích thùng dầu và lựa chọn cụm van an toàn, van phân phối $4/3$.
• Phân tích lỗi hệ thống thủy lực: Đưa ra các tình huống thực tế như trạm nguồn phát tiếng ồn lớn, áp suất tụt về 0 hoặc xylanh không chuyển động để sinh viên tra cứu bảng phân tích nguyên nhân (lọt khí đường hút, mức dầu thấp, mòn phớt, hỏng cuộn coil van phân phối) và đưa ra biện pháp khắc phục.

Nội dung thực hành kỹ thuật

• Thực hành đấu nối mạch cảm biến nhiệt độ Pt100 theo sơ đồ 3 dây và 4 dây; kết nối cảm biến quang thu phát độc lập, phản xạ gương ở chế độ Dark-On/Light-On.
• Thực hiện 14 bước tháo lắp cụm trục khuỷu, piston, xéc măng và nắp máy nén khí công nghiệp.
• Lắp ráp trạm bơm thủy lực, căn chỉnh độ đồng tâm trục bơm và động cơ điện dưới $0{,}25,\text{mm}$.
• Lập trình điều khiển logic trên phần mềm TIA Portal V11 (Step7 Basic) và thiết lập giao diện đồ họa trên màn hình SIMATIC HMI Basic Panels.

Phương pháp đánh giá và tự học

• Đánh giá: Thực hiện kiểm tra định kỳ 01 giờ kết hợp với việc chấm điểm quá trình dựa trên bảng tiêu chí thực hiện công việc (kết nối chính xác, vận hành an toàn, xử lý lỗi đúng quy trình).
• Tự học: Sinh viên sử dụng tài liệu để tra cứu thông số kỹ thuật (datasheet) của các dòng CPU Siemens S7-1200/S7-1500, Mitsubishi FX và chuẩn bị trước sơ đồ kết nối trước mỗi ca thực hành tại doanh nghiệp.

---

Điểm nổi bật và cập nhật (250-300 từ)

• Cập nhật chương trình khung năm 2021: Giáo trình được xây dựng bám sát chương trình khung mới ban hành năm 2021 của Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ, đáp ứng trực tiếp nhu cầu kỹ năng vận hành thiết bị tại các khu công nghiệp.
• Tích hợp các dòng điều khiển công nghiệp hiện đại:
  • Thay thế thế hệ PLC cũ (S7-200) bằng dòng PLC Siemens S7-1200 tích hợp cổng PROFINET truyền thông thời gian thực và phần mềm TIA Portal V11 hỗ trợ ngôn ngữ cao cấp SCL.
  • Đưa vào hệ thống tài liệu dòng điều khiển cao cấp Siemens S7-1500 (từ CPU 1511-1 PN đến CPU 1518-4 PN/DP) tích hợp chức năng điều khiển vị trí (Motion Control) và máy chủ web (Web Server).
  • Giới thiệu thế hệ màn hình cảm ứng SIMATIC HMI Basic Panels thế hệ 2 hiển thị 64.000 màu, tích hợp cổng USB mở rộng.
• Chuẩn hóa quy trình kỹ thuật cụ thể: Cung cấp quy trình từng bước rõ ràng cho các công việc phức tạp như: 14 bước lắp ráp máy nén khí công nghiệp; bảng chỉ dẫn 5 bước lắp đặt bơm thủy lực; bảng phân loại chi tiết các van công nghiệp (van dao, van bướm, van y xiên, van bi).
• Gắn kết với ứng dụng sản xuất thực tiễn: Mọi ví dụ và nội dung thực hành đều được định hướng vào các dây chuyền sản xuất thực tế như hệ thống băng tải phân loại sản phẩm theo màu sắc, hệ thống máy nâng, thang máy, máy dệt, máy đóng gói, và trạm xử lý nước thải.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình (200-250 từ)

• Sinh viên: Sinh viên năm cuối hệ Cao đẳng nghề Cơ điện tử chuẩn bị bước vào giai đoạn thực tập tốt nghiệp và làm việc tại doanh nghiệp.
• Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các học phần:
  • Kỹ thuật cảm biến (nguyên lý chuyển đổi đo lường)
  • Điều khiển điện khí nén (sơ đồ mạch khí nén cơ bản)
  • Điều khiển thủy lực (phần tử van và trạm nguồn)
  • PLC cơ bản (tập lệnh logic và sơ đồ đấu nối I/O)
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm giáo trình giảng dạy chính thức cho môn học MH42; làm căn cứ xây dựng phiếu đánh giá kỹ năng thực hành và giám sát sinh viên thực tập theo chuyên đề tại cơ sở sản xuất.
• Cán bộ kỹ thuật và tự học: Kỹ thuật viên bảo trì, vận hành tại các nhà máy sử dụng tài liệu làm sổ tay tra cứu nhanh về sơ đồ chân cảm biến, bảng mã lỗi mạch thủy lực, và quy trình bảo dưỡng định kỳ máy khí nén.

---

Câu hỏi thường gặp (250-300 từ)

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng người học nào?

Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho sinh viên hệ Cao đẳng nghề Cơ điện tử trong môn học thực hành tại doanh nghiệp, đồng thời phù hợp với kỹ thuật viên vận hành cần củng cố kiến thức kết nối phần cứng.

2. Người học cần đáp ứng điều kiện tiên quyết nào trước khi học giáo trình này?

Sinh viên bắt buộc phải hoàn thành 4 môn học/mô-đun nền tảng: Kỹ thuật cảm biến, Điều khiển điện khí nén, Điều khiển thủy lực, và PLC cơ bản.

3. Giáo trình này có điểm gì khác biệt so với các tài liệu lý thuyết thông thường?

Tài liệu tập trung 94% thời lượng (254/270 giờ) cho thực hành tại doanh nghiệp. Nội dung không thuần túy mô tả lý thuyết mà đi sâu vào các quy trình thao tác chuẩn (14 bước lắp máy nén, công thức tính dung tích dầu, cách bù trở dây đo nhiệt 2 dây/3 dây/4 dây, cấu hình HMI thế hệ 2).

4. Phương pháp tự học giáo trình này như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học nên hệ thống hóa các sơ đồ nguyên lý trong Chương 1 (đặc biệt là sơ đồ kết nối NPN/PNP, mạch đo quang dẫn/quang thế, bảng mã lỗi thủy lực), sau đó đối chiếu trực tiếp với catalogue của thiết bị thực tế tại xưởng thực hành trong Chương 2.

5. Giáo trình có tài liệu bổ trợ nào kèm theo không?

Giáo trình có danh mục Tài liệu tham khảo (trang 59) cùng hệ thống sơ đồ chân, bảng tra cứu thông số kỹ thuật của các dòng CPU Siemens S7-1200, S7-1500, Mitsubishi FX và hướng dẫn cấu hình phần mềm Step7 Basic / TIA Portal V11.

---

Kết luận (150 từ)

• Giá trị cốt lõi của giáo trình: Giáo trình Thực hành kết nối và vận hành hệ thống cơ điện tử (MH42) cung cấp hệ thống kiến thức thực dụng và các quy trình kỹ thuật chuẩn hóa về cảm biến, truyền động khí nén – thủy lực và điều khiển tự động bằng PLC. Tài liệu đóng vai trò kết nối giữa lý thuyết đào tạo tại nhà trường và thực tiễn sản xuất tại doanh nghiệp.
• Lộ trình học tập đề xuất: $$\text{Nghiên cứu lý thuyết kỹ thuật Chương 1 (12 giờ)} \longrightarrow \text{Thực hiện nhóm công việc kết nối & vận hành tại doanh nghiệp (254 giờ)} \longrightarrow \text{Kiểm tra đánh giá kỹ năng (1 giờ)}$$
• Tài nguyên bổ sung: Sinh viên cần kết hợp sử dụng danh mục tài liệu tham khảo chuyên ngành tại trang 59, tài liệu hướng dẫn phần mềm TIA Portal V11 và các tài liệu kỹ thuật thiết bị do các hãng chế tạo cung cấp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN Mã chương: MH42-01 Giới thiệu: Lâu nay khi nói về sự phát triển của sản xuất công nghiệp người ta hay để cập đến vai trò của tự động hóa. Nên nói về vai trò của tự động hóa thì cũng chính là vai trò của cơ điện tử. Cơ điện tử hay kỹ thuật cơ điện tử có vai trò khả năng nhìn nhận các vấn đề trong sản xuất công nghiệp và đời sống, để có kiến thức để vận hành được hệ thống cơ điện tử thì sinh viên cần phải biết về kỹ thuật cảm biến, khí nén, thủy lực, PLC… Mục tiêu: - Ôn tập những kiến thức cơ bản về cảm biến, khí nén, thủy lực và PLC mà sinh viên đã được học tại trường - Giới thiệu thêm về các loại cảm biến, khí nén, thủy lực và PLC phổ biến hiện nay. - Hệ thống được những kiến về cảm biến, khí nén, thủy lực và PLC đã được học để áp dụng vào thực tiễn - Có khả năng định hướng, chọn lựa phương pháp tiếp cận thích nghi với các nội dung học tập.

Nội dung chính: 1. Cảm biến nhiệt độ 1. Nhiệt điện trở Platin Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong công nghiệp. Có 2 tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở platin, sự khác nhau giữa chúng nằm ở mức độ tinh khiết của vật liệu.

Hầu hết các quốc gia sử dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC 751 – 1983 (được sửa đổi lần thứ nhất vào năm 1986, lần thứ 2 vào năm 1995). USA vẫn tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng. Ở cả 2 tiêu chuẩn đều sử dụng phương trình Callendar – VanDusen: R(t) = R0 [1 + A.t3] R0 là trị số điện trở định mức ở 00C Theo tiêu chuẩn DIN vật liệu Platin dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp. Do đó khi bị các tạp chất khác thẩm thấu trong quá trình sử dụng sự thay đổi trị số điện của nó ít hơn so với các Platin ròng, nhờ thế sự ổn định lâu dài theo thời gian, thích hợp hơn trong công nghiệp.

Trong công nghiệp nhiệt điện trở Platin thường dùng có đường kính 30 (so sánh với đường kính sợi tóc khoảng 100 ) * Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở platin: ADT70 là IC do hãng Analog Devices sản xuất, cung cấp sự kết hợp lý tưởng với Pt1.000, ta sẽ có dải đo nhiệt độ rộng, nó cũng có thể sử dụng với Pt100. Trong trường hợp có sự cách biệt, với nhiệt điện trở Platin kỹ thuật màng mỏng, ADT70 có thể đo từ 500C đến 5000C, còn với nhiệt điện trở Platin tốt, có thể đo đến 1. Độ chính xác của hệ thống gồm ADT70 và nhiệt điện trở Platin ở thang đo -200 0C đến 1.0000C phụ thuộc nhiều vào phẩm chất của nhiệt điện trở Platin. Các thông số thiết bị ADT70: - Sai số: ± 10C - Điện áp hoạt động: 5 vôn hoặc ±5 vôn - Nhiệt độ hoạt động: Từ – 400C đến 1250C (dạng 20 – lead DIP, SO packages) - Ứng dụng: Thiết bị di động, bộ điều khiển nhiệt độ ADT70 có 2 thành phần chính: Nguồn dòng có thể điều chỉnh và bộ phận khuyếch đại, nguồn dòng có thể điều chỉnh bộ phận khuyếch đại.

Nguồn dòng được sử 7 dụng để cung cấp cho nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu. Bộ phận khuyếch đại so sánh điện áp trên nhiệt điện trở và điện áp trên điện trở tham chiếu, sau đó đưa tín hiệu điện áp tương ứng với nhiệt độ. Dải đo của ADT70 phụ thuộc vào đặc tính của nhiệt điện trở, vì vậy điều quan trọng là phải chọn lựa nhiệt điện trở thích hợp với ứng dụng thực tế Hình 1. Nhiệt điện trở Niken Nhiệt điện trở niken so sánh với Platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt độ lớn gần gấp 2 lần ( ).

Tuy nhiên dải đo chỉ từ -600C đến +2500C, vì trên 0 350 C niken có sự thay đổi về pha, cảm biến niken 100 thường dùng trong công nghiệp điều hoà nhiệt độ phòng.t6) A = 5,485 x 10-3 ; B = 6,650 x 10-6 ; D = 2,805 x 10-11; F = -2,000 x 10-17 Với các trường hợp không đòi hỏi sự chính xác cao, ta sử dụng phương trình sau: R(t) = R0 (1 + a.t) 0 a = alpha = 0,00672(Ohms/Ohm/ C) Từ đó dễ dàng chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ: T = (Rt/R0 – 1) / a = (Rt/R0 – 1)/0,00672 Cảm biến nhiệt độ ZNI 1.000 do hãng ZETEX Semiconductors sản xuất sử dụng nhiệt điện trở Ni, được thiết kế có giá trị 1. - Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở Ni: Zni 1.000 với ZMR500 được dùng với DVM như là nhiệt kế * Cách nối dây đo: Nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ, với một dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở, ta có thể đo được U = R.I, để cảm biến không bị nóng lên qua phép đo, dòng điện cần phải nhỏ khoảng 1 mA. Với Pt 100 ở 0 0C ta có điện thế khoảng 0,1 vôn, điện thế này cần được đưa đến máy đo qua dây đo. Ta có 3 kỹ thuật nối dây đo: 8 Hình 1.2 Cách nối dây nhiệt điện trở Tiêu chuẩn IEC 751 yêu cầu dây nối đến cùng đầu nhiệt điện trở phải có màu giống nhau (đỏ hoặc trắng) và dây nối đến 2 đầu phải khác màu.

- Kỹ thuật 2 dây: Hình 1.3 Kỹ thuật nối 2 dây Giữa nhiệt điện trở và mạch điện tử được nối bởi 2 dây, bất cứ dây dẫn điện nào đều có điện trở, điện trở này nối nối tiếp với điện trở của 2 dây đo, mạch điện trở sẽ nhận được một điện thế cao hơn điện thế cần đo, kết quả ta có chỉ thị nhiệt kế cao hơn nhiệt độ cần đo, nếu khoảng cách quá xa, điện trở dây đo có thể lên đến vài ôm. Để đảm tránh sai số của phép đo do điện trở của dây đo gây ra, người ta bù trừ điện trở của dây đo bằng một mạch điện như sau: Một biến trở bù trừ được nối vào một trong hai dây đo và nhiệt điện trở được thay thế bằng một điện trở 100Ω.Mạch điện tử được thiết kế với điện trở dự phòng của dây đo là 10Ω. Ta chỉnh biến trở sao có chỉ thị 00C. Biến trở và điện trở của dây đo là 10Ω.

- Kỹ thuật 3 dây: Hình 1.4 Kỹ thuật nối 3 dây Từ nhiệt điện trở của dây đo được nối thêm một điện trở. Với cách nối dây này ta có 2 mạch đo được hình thành, một trong hai mạch được dùng làm mạch chuẩn, với kỹ thuật 3 dây, sai số của phép đo do điện trở dây đo và sự thay đổi của nó do nhiệt độ không còn nữa. Tuy nhiên 3 dây đo cần có cùng trị số kỹ thuật và có cùng một nhiệt độ. Kỹ thuật 3 dây rất phổ biến.

- Kỹ thuật 4 dây: 9 Hình 1.5 Kỹ thuật nối 4 dây Với kỹ thuật 4 dây người ta đạt kết quả đo tốt nhất, hai dây được dùng cho một dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở. Hai dây khác được dùng làm dây đo điện thế trên nhiệt điện trở, trường hợp tổng trở ngõ vào của mạch đo rất lớn so với điện trở dây đo, điện trở dây đo coi như không đáng kể, điện thế đo được không bị ảnh hưởng bởi điện trở dây đo và sự thay đổi của nó do nhiệt. * Các cấu trúc của cảm biến nhiệt platin và nickel: - Nhiệt điện trở với vỏ gốm: Sợi Platin được giữ chặt trong ống gốm sứ với bột ốit nhôm, dải đo từ – 2000C đến 8000C. - Nhiệt điện trở với vỏ thuỷ tinh: Loại này có độ bền cơ học và độ nhạy cao, dải đo từ – 2000C đến 4000C, được dùng trong môi trường hoá chất có độ ăn mòn hoá học cao.

- Nhiệt điện trở với vỏ nhựa: Giữa 2 lớp nhựa polyamid dây platin có đường kính khoảng 30 mm được dán kín. Với cấu trúc mảng, cảm biến này được dùng để đo nhiệt độ bề mặt các ống hay cuộn dây biến thế. Dải đo từ – 800C đến 2300C - Nhiệt điện trở với kỹ thuật màng mỏng: Loại này có cấu trúc cảm biến gồm một lớp màng mỏng (platin) đặt trên nền ceramic hoặc thuỷ tinh. Tia lazer được sử dụng để chuẩn hoá giá trị điện trở của nhiệt điện trở.

IC cảm biến nhiệt độ Rất nhiều công ty, các hãng chế tạo và sản xuất IC bán dẫn để đo và hiệu chỉnh nhiệt độ IC cảm biến nhiệt độ là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới dạng điện áp hoặc tín hiệu dòng điện. Dựa vào các đặc tính rất nhạy cảm của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối C, F, K hay tuỳ loại. Đo tín hiệu điện ta cần biết được nhiệt độ cần đo. Tầm đo giới hạn từ -550C đến 1500C, độ chính xác từ 1% đến 2% tuỳ theo từng loại.

Sự tác động của nhiệt độ sẽ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong chất bán dẫn bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua các vùng cấu trúc mạng tinh thể, tạo sự xuất hiện các lỗ trống nhiệt làm cho tỉ lệ điện tử tự do và các lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm số mũ với nhiệt độ. Kết quả của hiện tượng này là dưới mức điện áp thuận, dòng thuận của mối nối p – n trong diode hay transistor sẽ tăng theo hàm số mũ theo nhiệt độ. Trong mạch tổ hợp, cảm biến nhiệt thường là điện áp của lớp chuyển tiếp p – n trong một transistor loại bipolar, Texinstruments có STP 35 A/B/C; National Semiconductor LM 35/4. Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 của National Semiconductor: Hầu hết các cảm biến nhiệt độ phổ biến đều sử dụng có phần phức tạp, chẳng hạn cặp nhiệt độ ngẫu có mức ngõ ra thấp và yêu cầu bù nhiệt, thermistor thì không tuyến tính, thêm vào đó ngõ ra của các loại cảm biến này không tuyến tính tương ứng bất kỳ thang chia nhiệt độ nào.

Các khối cảm biến tích hợp được chế tạo khắc phục được những đặc điểm đó, nhưng ngõ ra của chúng quan hệ với thang đo Kelvin hơn là độ Celsius và Fahrenheit 10 Thang đo: +20C đến 1500C VS = 4Volt tới 30Volt Thang đo: -550C đến 1500C R1 = VS/50 A VS = 4Volt tới 30Volt VOUT = 1500mV tại +1500C = +250mV tại +250C = -550mV tại -550C Hình 1.6 Các cách kết nối cảm biến LM35 Loại LM35: Precision Centigrade Temperature Sensor: Với loại này ta có điện áp ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với thang nhiệt độ Celsius (thang bách phân).