Nghiên Cứu Thiết Kế Mô Hình Hệ Thống Cấp Phôi Tự Động Sử Dụng Bộ Điều Khiển PLC

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống cấp phôi tự động sử dụng bộ điều khiển PLC, nâng cao hiệu suất sản xuất công nghiệp.

• Tác giả: Phan Xuân Tần
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Tuấn
• Trường học: Trường Đại Học Phenikaa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Mô Hình Hệ Thống Cấp Phôi Tự Động Sử Dụng Bộ Điều Khiển PLC
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• KẾ HOẠCH CÔNG VIỆC
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của đề tài
• 1.6. Trình tự thực hiện đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Sơ lược về bộ điều khiển PLC
• 2.3. Hệ thống sản xuất linh hoạt MPS
• 2.4. Mô hình hệ thống MPS có sử dụng bộ điều khiển PLC
• 2.5. Hệ thống MPS của Festo
• 2.6. Hệ thống MPS của công ty cổ phần thiết bị Hữu Hồng
• 2.7. So sánh PLC được sử dụng trong các hệ thống MPS
• 2.8. Các tiêu chuẩn thiết kế
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
• 3.1. Tổng quan ý tưởng thiết kế
• 3.2. Các phương án thiết kế. Đề xuất giải pháp thiết kế
• 3.3. Lựa chọn giải pháp thiết kế
• 3.4. Mô hình hệ thống thiết kế
• 3.5. Đánh giá tính khả thi
• 3.6. Khả thi về mặt kỹ thuật. Khả thi về hoạt động
• 3.7. Phân tích chi phí
• 3.8. Các ràng buộc thiết kế
• 4. CHƯƠNG 4: NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI THIẾT KẾ
• 4.1. Khả năng mua các thiết bị
• 4.2. Khả năng tháo lắp. Yếu tố môi trường
• 4.3. Tính bền vững
• 4.4. Khả năng bảo dưỡng
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
• 5.1. Cơ cấu chấp hành
• 5.2. Module truyền động trục vít me
• 5.3. Giác hút chân không
• 5.4. Van hút chân không
• 5.5. Hệ thống điện
• 5.6. Relay trung gian
• 5.7. Cảm biến quang. Cảm biến tiệm cận
• 5.8. Bộ drive TB6600
• 5.9. Cảm biến xi lanh hành trình
• 5.10. Van điện từ khí nén
• 5.11. Thiết kế cơ khí. Thiết kế cho module cấp phôi
• 5.12. Thiết kế cho module vận chuyển
• 5.13. Thiết kế cho module phân loại
• 5.14. Một số chi tiết khác
• 5.15. Tính công suất điện hệ thống
• 5.16. Thiết kế sơ đồ mạch khí nén
• 6. CHƯƠNG 6: LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN
• 6.1. Cấu trúc chung của PLC FX3U
• 6.2. Thông số kỹ thuật
• 6.3. Hình dáng bên ngoài và cấu trúc phần cứng
• 6.4. Các bộ nhớ và giao diện làm việc
• 6.5. Lệnh LD, LDI. Lệnh SET, RST
• 6.6. Lệnh PLS, PLF
• 6.7. Các lệnh nâng cao
• 6.8. Lệnh điều khiển vị trí
• 6.9. Thiết kế chương trình điều khiển hoạt động mô hình cấp phôi tự động
• 6.10. Mô tả nguyên lý hoạt động
• 6.11. Quy định thiết bị kết nối đầu vào/ra
• 6.12. Lưu đồ thuật toán điều khiển
• 6.13. Thiết kế giao diện điều khiển
• 6.14. Giới thiệu phần mềm EasyBuilder Pro
• 6.15. Thực hiện thiết kế giao diện
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM
• 7.1. Các kết quả đạt được
• 7.2. Chế tạo ra các module trong mô hình hệ thống
• 7.3. Lắp ráp hệ thống điện và khí nén
• 7.4. Hình ảnh mô hình hệ thống
• 7.5. Thực nghiệm hệ thống qua giao diện điều khiển
• 7.6. Thực nghiệm hệ thống điều khiển qua giao diện
• 7.7. Bảng thông số, tính năng của mô hình hệ thống cấp phôi tự động
• 7.8. Hướng dẫn sử dụng
• 7.9. Những khó khăn của đề tài
• 8. CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ TÀI TƯƠNG LAI
• 8.1. Kết luận và kiến nghị
• 8.2. Kết quả đạt được
• 8.3. Đề tài tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC A: CODE
• PHỤ LỤC B: TIÊU CHUẨN
• PHỤ LỤC C: CHI PHÍ
• PHỤ LỤC D: BẢN VẼ

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình hệ thống cấp phôi tự động sử dụng bộ điều khiển PLC

Mô hình hệ thống cấp phôi tự động sử dụng bộ điều khiển PLC đang trở thành xu hướng trong ngành công nghiệp hiện đại. Hệ thống này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn nâng cao hiệu suất làm việc. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa vào sản xuất giúp giảm thiểu sai sót và tiết kiệm thời gian. Mô hình này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất linh kiện điện tử đến chế biến thực phẩm.

1.1. Định nghĩa và vai trò của hệ thống cấp phôi tự động

Hệ thống cấp phôi tự động là một phần quan trọng trong quy trình sản xuất. Nó giúp cung cấp nguyên liệu cho các máy móc một cách liên tục và hiệu quả. Việc sử dụng bộ điều khiển PLC trong hệ thống này giúp điều khiển chính xác các hoạt động của máy móc, từ đó nâng cao năng suất.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng bộ điều khiển PLC trong tự động hóa

Bộ điều khiển PLC mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống tự động hóa. Nó cho phép lập trình linh hoạt, dễ dàng điều chỉnh và bảo trì. Hệ thống cũng có khả năng xử lý nhiều tín hiệu đầu vào và đầu ra, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

II. Những thách thức trong việc triển khai hệ thống cấp phôi tự động

Mặc dù mô hình hệ thống cấp phôi tự động mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải không ít thách thức trong quá trình triển khai. Các vấn đề như chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu kỹ thuật phức tạp và sự cần thiết phải đào tạo nhân viên là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Chi phí đầu tư và bảo trì hệ thống

Chi phí đầu tư cho hệ thống cấp phôi tự động có thể rất cao, bao gồm chi phí mua sắm thiết bị, lắp đặt và bảo trì. Do đó, các doanh nghiệp cần cân nhắc kỹ lưỡng trước khi quyết định đầu tư.

2.2. Yêu cầu về kỹ thuật và đào tạo nhân viên

Việc triển khai hệ thống tự động hóa đòi hỏi nhân viên phải có kiến thức chuyên môn cao. Do đó, việc đào tạo và nâng cao kỹ năng cho nhân viên là rất cần thiết để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

III. Phương pháp thiết kế mô hình hệ thống cấp phôi tự động

Thiết kế mô hình hệ thống cấp phôi tự động cần tuân thủ một quy trình chặt chẽ. Các bước từ việc xác định yêu cầu, lựa chọn thiết bị, đến lập trình và kiểm tra hệ thống đều rất quan trọng. Việc áp dụng các phương pháp thiết kế hiện đại sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

3.1. Quy trình thiết kế hệ thống

Quy trình thiết kế hệ thống bao gồm việc phân tích yêu cầu, lựa chọn thiết bị phù hợp và lập trình điều khiển. Mỗi bước đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

3.2. Lựa chọn thiết bị và công nghệ

Việc lựa chọn thiết bị và công nghệ phù hợp là rất quan trọng. Các thiết bị cần phải đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật và có khả năng tương thích với nhau để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình hệ thống cấp phôi tự động

Mô hình hệ thống cấp phôi tự động đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất. Từ ngành công nghiệp chế biến thực phẩm đến sản xuất linh kiện điện tử, hệ thống này giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu sai sót trong quy trình sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm

Trong ngành chế biến thực phẩm, hệ thống cấp phôi tự động giúp cung cấp nguyên liệu một cách liên tục, đảm bảo quy trình sản xuất không bị gián đoạn. Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất linh kiện điện tử

Hệ thống cấp phôi tự động cũng được sử dụng trong sản xuất linh kiện điện tử. Việc tự động hóa quy trình này giúp giảm thiểu sai sót và tăng năng suất, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

V. Kết luận và tương lai của mô hình hệ thống cấp phôi tự động

Mô hình hệ thống cấp phôi tự động sử dụng bộ điều khiển PLC đang mở ra nhiều cơ hội cho ngành công nghiệp. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, hệ thống này hứa hẹn sẽ ngày càng hoàn thiện và trở thành một phần không thể thiếu trong quy trình sản xuất hiện đại.

5.1. Tương lai của tự động hóa trong sản xuất

Tương lai của tự động hóa trong sản xuất rất hứa hẹn. Các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và Internet vạn vật sẽ tiếp tục được tích hợp vào hệ thống cấp phôi tự động, nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí.

5.2. Định hướng phát triển mô hình hệ thống

Định hướng phát triển mô hình hệ thống cấp phôi tự động sẽ tập trung vào việc cải tiến công nghệ và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Điều này sẽ giúp các doanh nghiệp nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong chương trình đào tạo kỹ sư ngành Kỹ thuật Cơ điện tử tại các trường đại học và cao đẳng, các học phần thực hành chuyên sâu như Điều khiển Logic và PLC, Tự động hóa thủy khí, Tự động hóa quá trình sản xuất đóng vai trò quyết định đến kỹ năng tích hợp hệ thống của sinh viên. Tuy nhiên, việc giảng dạy các nội dung này thường gặp trở ngại do thiếu các mô hình thí nghiệm mô phỏng chính xác quá trình sản xuất công nghiệp thực tế. Việc nhập khẩu các hệ thống thực hành đồng bộ từ các hãng thiết bị quốc tế đòi hỏi kinh phí đầu tư rất lớn, khó thu hồi vốn và thiếu tính tùy biến theo nội dung giảng dạy. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, tác giả Phan Xuân Tần (Trường Đại học Phenikaa) đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống cấp phôi tự động sử dụng bộ điều khiển PLC" dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Tuấn.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể:

1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình hệ thống cấp phôi tự động tích hợp 3 module chức năng (cấp phôi, vận chuyển, phân loại) sử dụng bộ điều khiển PLC phục vụ công tác giảng dạy thực hành.
2. Ứng dụng các kiến thức chuyên ngành cơ khí, điện - điện tử, khí nén và điều khiển lập trình để tính toán, lựa chọn linh kiện, xây dựng bản vẽ kỹ thuật và lắp ráp mô hình hoạt động ổn định.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm:

• Lý thuyết cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tập lệnh cơ bản/nâng cao trên phần mềm GX Works2 và kỹ thuật ghép nối ngoại vi của bộ điều khiển logic khả trình PLC (dòng Mitsubishi FX3U); phương pháp thiết kế giao diện vận hành trên phần mềm EasyBuilder Pro.
• Cấu trúc và nguyên lý vận hành của hệ thống sản xuất linh hoạt Modular Production System (MPS).
• Các phần tử cơ điện tử trong hệ thống: cơ cấu truyền động trục vít me, động cơ bước và bộ điều khiển phát xung, động cơ một chiều DC cho băng tải mini, hệ thống khí nén (xi lanh tác động kép, xi lanh xoay, giác hút và van tạo chân không), cùng các loại cảm biến công nghiệp (quang điện, tiệm cận từ, tiệm cận điện dung, công tắc hành trình từ).

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc thiết kế và chế tạo mô hình 3 module liên hoàn hoạt động trong không gian phòng thí nghiệm (RM Lab), đáp ứng các thông số vận hành tiêu chuẩn:

STT	Tham số mô hình hệ thống	Giá trị thiết kế	Đơn vị
1	Kích thước tổng thể mô hình ($H \times W \times L$)	$400 \times 700 \times 820$	mm
2	Kích thước phôi gia công (Chiều cao $H \times$ Đường kính $D$)	$20 \times 35$	mm
3	Khối lượng phôi tối đa	0,5	kg
4	Tần số phát xung lệnh tương đối / tuyệt đối / về Home	1200	Hz
5	Thời gian hoàn thành một chu trình hoạt động	60	giây
6	Áp suất khí nén làm việc ($p_e$)	0,2 – 1,0 (định mức 4)	MPa (bar)
7	Vận tốc di chuyển của băng tải	0,27	m/s

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết về hệ thống sản xuất linh hoạt (Modular Production System - MPS), một cấu trúc sản xuất công nghiệp cho phép phân tách dây chuyền thành các trạm làm việc độc lập nhưng phối hợp đồng bộ. Tác giả tiến hành khảo sát, phân tích và so sánh hai hệ thống MPS tiêu biểu trên thị trường:

• Hệ thống MPS-205 của Festo: Gồm 9 trạm tuần tự, mỗi trạm trang bị một PLC Siemens S7-300 (CPU 314) riêng biệt, có mức độ công nghiệp hóa cao nhưng chi phí đầu tư rất lớn.
• Hệ thống HHM-335B của Công ty Cổ phần Thiết bị Công nghiệp Hữu Hồng: Gồm 5 trạm (cung cấp, gia công, lắp ráp, phân loại, vận chuyển) sử dụng PLC FX3U-14MT kết hợp biến tần, động cơ AC 3 pha có encoder và động cơ servo.

Trên cơ sở so sánh, tác giả đề xuất giải pháp tích hợp cả 3 module chức năng (cấp phôi, vận chuyển, phân loại) vào duy nhất một bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3U-32MR/ES nhằm tối ưu hóa chi phí chế tạo mô hình giảng dạy.

Hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật được áp dụng nghiêm ngặt trong thiết kế bao gồm:

• Tiêu chuẩn sơ đồ mạch điện: IEC 60617 về ký hiệu quy ước cho động cơ, van điện từ, relay, aptomat, nút nhấn và các loại cảm biến.
• Tiêu chuẩn bản vẽ cơ khí: TCVN 7285:2003 (ISO 5457:1999) về khổ giấy và trình bày; ISO 7200 về khung tên; TCVN 7286:2003 (ISO 5455:1979) về tỷ lệ bản vẽ; TCVN 5705:1993 (ISO 129-1:2004) về nguyên tắc ghi kích thước; TCVN 8-20:2002 (ISO 128-20:1996) về quy ước nét vẽ.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

• Phương pháp tính toán - thiết kế cơ khí: Sử dụng công cụ mô hình hóa 3D Solidworks 2022 để thiết kế kết cấu khung nhôm định hình, phễu chứa phôi mica, cụm băng tải và bàn trượt vít me; tính toán động lực học cơ cấu, mô-men quán tính, lực ma sát và lực đẩy xi lanh khí nén.
• Phương pháp thiết kế mạch điện - khí nén: Tính toán công suất tải điện, lập sơ đồ đấu nối I/O cho PLC, thiết kế sơ đồ cấp nguồn 220 VAC/24 VDC và mạng phân phối khí nén điều khiển qua van điện từ.
• Phương pháp thực nghiệm chế tạo và lập trình: Gia công chi tiết, lắp ráp hệ thống tại RM Lab, viết thuật toán điều khiển tuần tự bằng ngôn ngữ Ladder (LAD) trên phần mềm GX Works2 và xây dựng giao diện điều khiển, giám sát thời gian thực trên màn hình HMI thông qua phần mềm EasyBuilder Pro.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống cấp phôi tự động được thiết kế thành 3 module chức năng liên kết chặt chẽ về mặt cơ khí, khí nén và tín hiệu điều khiển:

Module chức năng	Cơ cấu cơ khí & Chấp hành	Cảm biến & Thiết bị phụ trợ	Chức năng hoạt động
Module Cấp phôi	- Phễu chứa dạng ống mica đứng - Xi lanh khí nén tác động kép đẩy phôi - Bàn gá nhôm định hình	- Cảm biến hành trình xi lanh từ tính - Van điện từ SMC SY3120-5LZD-M5	Chứa phôi thô ($D=35$ mm, $H=20$ mm), định kỳ đẩy từng phôi ra vị trí chờ của trạm vận chuyển.
Module Vận chuyển	- Module truyền động trục vít me SLW 1040 - Động cơ bước Step size 42 - Xi lanh xoay Airtac HQR10A - Đầu giác hút chân không	- Bộ điều khiển phát xung FX3U-2HSY-ADP - Driver động cơ bước TB6600 - Van tạo chân không Airbest - Cảm biến quang vị trí phôi	Gắp phôi từ module cấp phôi bằng giác hút chân không, xoay hướng và tịnh tiến chính xác theo trục vít me để đặt phôi lên băng tải phân loại.
Module Phân loại	- Băng tải mini mặt dây chuyền PVC - Động cơ điện một chiều DC GA25-370 - Xi lanh đẩy phôi vào máng - 03 máng trượt phân loại	- Cảm biến quang điện (NO/NC) - Cảm biến tiệm cận điện dung - Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ - Cảm biến hành trình xi lanh	Băng tải kéo phôi qua vùng nhận diện; tổ hợp cảm biến xác định vật liệu (kim loại, phi kim, màu sắc); kích hoạt xi lanh gạt phôi vào đúng máng chứa.

Hệ thống điện và điều khiển trung tâm được tổ chức bao gồm:

• Bộ điều khiển khả trình: PLC Mitsubishi FX3U-32MR/ES (16 ngõ vào số chuẩn NPN, 16 ngõ ra relay) kết hợp module định vị xung tốc độ cao FX3U-2HSY-ADP phục vụ phát xung điều khiển driver TB6600.
• Hệ thống phân phối và bảo vệ điện: Aptomat 2P (MCB) của hãng CHINT bảo vệ quá tải, bộ chuyển đổi nguồn tổ ong AC sang 24 VDC/12 VDC, rơ le trung gian 8 chân (DPDT), nút dừng khẩn cấp LA38-11ZS, nút nhấn nhả PGF-F10 và đèn báo hiển thị trạng thái AD16-22DS.
• Cấu trúc chương trình điều khiển: Lập trình trên phần mềm GX Works2, khai thác các tập lệnh logic cơ bản (LD, LDI, SET, RST, PLS, PLF), lệnh giải mã trạng thái DECO và nhóm lệnh điều khiển vị trí chuyên dụng cho phát xung (PLSY, DRVI - chạy vị trí tương đối, DRVA - chạy vị trí tuyệt đối, ZRN - quy điểm chuẩn Home).
• Giao diện giám sát HMI (EasyBuilder Pro): Thiết lập 4 trang màn hình tương tác:
  • Trang vận hành (Operation): Điều khiển chạy tự động, dừng khẩn cấp, hiển thị chu trình hoạt động bằng các đối tượng Bit Lamp, Set Bit.
  • Trang cài đặt (Setting): Thiết lập tần số phát xung chạy tương đối, tuyệt đối, tốc độ về Home (1200 Hz), thời gian trễ và các tham số vị trí qua đối tượng Numeric.
  • Trang dữ liệu (Data): Thống kê số lượng phôi đã cấp, số lượng phôi kim loại, phi kim và màu sắc đã phân loại.
  • Trang trạng thái vào/ra (I/O Device): Giám sát trạng thái đóng/ngắt thực tế của từng ngõ vào cảm biến và cuộn hút đầu ra PLC.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này làm rõ tính cấp thiết của việc xây dựng mô hình thực nghiệm trong bối cảnh các thiết bị MPS công nghiệp có chi phí quá cao. Tác giả xác định rõ mục đích, đối tượng nghiên cứu (PLC FX3U, phần mềm GX Works2, EasyBuilder Pro, hệ thống khí nén, động cơ bước, băng tải), phạm vi thông số hoạt động của mô hình ($400 \times 700 \times 820$ mm, chu trình 60 s, áp suất 0,2–1 MPa), ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong công tác đào tạo, cùng bảng kế hoạch thực hiện đề tài chi tiết từ tháng 11 đến tháng 3.

Chương 2: Nghiên cứu tổng quan

Tác giả trình bày lịch sử phát triển, cấu trúc và ưu điểm của bộ điều khiển lập trình PLC, tập trung vào các dòng MELSEC của Mitsubishi (FX Series, Q Series, L Series). Phân tích chi tiết mô hình MPS của hãng Festo (hệ thống MPS-205 với 9 trạm điều khiển bằng PLC S7-300) và mô hình HHM-335B của Công ty Cổ phần Thiết bị Hữu Hồng (5 trạm sử dụng PLC FX3U-14MT). Đưa ra bảng so sánh số lượng I/O, phạm vi ứng dụng và chi phí đầu tư của các giải pháp hiện hành. Đồng thời, hệ thống hóa các tiêu chuẩn kỹ thuật về ký hiệu mạch điện (IEC 60617) và tiêu chuẩn bản vẽ kỹ thuật (TCVN/ISO).

Chương 3: Giải pháp thiết kế mô hình hệ thống

Trình bày sơ đồ tương tác giữa 3 module và so sánh 2 phương án thiết kế: phương án 1 dùng nhiều bộ PLC S7-300 cho từng trạm độc lập, phương án 2 tích hợp toàn bộ vào một PLC FX3U-32MR/ES duy nhất. Tác giả lựa chọn phương án 2 nhằm tối ưu hóa chi phí và thu gọn kích thước mô hình. Chương này cũng phân tích tính khả thi về mặt kỹ thuật, hoạt động, an toàn và dự toán chi phí thực hiện chi tiết cho từng module.

Chương 4: Những yếu tố ảnh hưởng tới thiết kế

Phân tích các ràng buộc tác động trực tiếp đến giải pháp chế tạo: khả năng tìm mua linh kiện trên thị trường; khả năng tháo lắp với yêu cầu sai số lắp ghép dưới 5%; các yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, khả năng chống ăn mòn của kim loại qua sơn phủ/mạ điện); tính bền vững của vật liệu nhôm và nhựa; quy trình an toàn điện - khí nén khi vận hành thí nghiệm; tiêu chuẩn hóa bản vẽ kỹ thuật và hai phương án bảo dưỡng (định kỳ và khắc phục sự cố).

Chương 5: Tính toán thiết kế mô hình hệ thống

Đây là chương trọng tâm về kỹ thuật cơ điện tử. Tác giả tiến hành tính toán và lựa chọn chi tiết từng phần tử:

• Cơ cấu chấp hành và cơ khí: Tính toán module vít me SLW 1040, lựa chọn động cơ bước size 42, khớp nối đàn hồi, tính chọn xi lanh xoay Airtac HQR10A, giác hút và van chân không Airbest, động cơ một chiều GA25-370 kéo băng tải mini PVC.
• Thiết bị điện và khí nén: Lựa chọn van điện từ SY3120-5LZD-M5, van tiết lưu 2 chiều, rơ le trung gian DPDT, MCB CHINT, cảm biến quang điện, cảm biến tiệm cận điện dung và cảm ứng từ, driver TB6600.
• Tính toán năng lượng: Tính tổng công suất điện tiêu thụ của toàn bộ hệ thống và thiết lập sơ đồ mạch nguyên lý cung cấp khí nén.

Chương 6: Lập trình và thiết kế hệ thống giao diện điều khiển

Trình bày cấu trúc phần cứng, sơ đồ kết nối I/O của PLC FX3U-32MR/ES và module định vị FX3U-2HSY-ADP. Chi tiết hóa cú pháp và thuật toán ứng dụng của các tập lệnh Ladder (LD, SET, RST, PLS, DECO, PLSY, DRVI, DRVA, ZRN). Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể và lưu đồ cho từng chu trình riêng biệt (cấp phôi, vận chuyển, phân loại). Hướng dẫn quy trình thiết kế 4 trang giao diện vận hành, cài đặt tham số, lưu trữ dữ liệu và giám sát I/O trên phần mềm EasyBuilder Pro.

Chương 7: Kết quả và thực nghiệm

Tổng hợp hình ảnh chế tạo thực tế của 3 module cơ khí và bảng tủ điện - khí nén hoàn chỉnh. Trình bày kết quả thực nghiệm hệ thống qua giao diện điều khiển HMI: kiểm tra độ nhạy cảm biến, khả năng phát xung điều khiển động cơ bước ở tần số 1200 Hz, độ chính xác của cơ cấu gắp - đặt chân không và chức năng phân loại phôi. Đưa ra bảng thông số vận hành thực tế, hướng dẫn sử dụng chi tiết và bảng tổng hợp các trường hợp sự cố kèm biện pháp khắc phục.

Chương 8: Kết luận và đề tài tương lai

Đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu, khẳng định mô hình đáp ứng tốt yêu cầu phục vụ giảng dạy thực hành. Nêu rõ các hạn chế còn tồn tại và đề xuất các hướng phát triển tiếp theo của hệ thống.

---

Kết quả và đóng góp

Mô hình thực nghiệm đã được chế tạo hoàn chỉnh, đấu nối hệ thống điện - khí nén và thử nghiệm vận hành thành công với các kết quả cụ thể:

• Chế tạo thành công phần cứng: Xây dựng hoàn chỉnh mô hình tích hợp 3 module cơ khí trên khung nhôm định hình với kích thước bao $400 \times 700 \times 820$ mm; bố trí tủ điều khiển điện - khí nén khoa học, tuân thủ tiêu chuẩn IEC 60617.
• Hoạt động đồng bộ, ổn định: Hệ thống hoàn thành chu trình cấp phôi, gắp - chuyển phôi qua bàn trượt vít me và phân loại chính xác các loại phôi theo vật liệu trong thời gian 60 giây; động cơ bước vận hành chính xác ở tần số phát xung 1200 Hz dưới sự điều khiển của module FX3U-2HSY-ADP và driver TB6600; áp suất làm việc ổn định ở mức 4 bar ($0{,}2 - 1{,}0$ MPa); băng tải PVC hoạt động êm ái với vận tốc 0,27 m/s.
• Hệ thống điều khiển và giám sát trực quan: Xây dựng chương trình PLC hoàn chỉnh trên phần mềm GX Works2 và liên kết thành công với giao diện HMI EasyBuilder Pro, cho phép người dùng giám sát trạng thái I/O, thay đổi tần số phát xung trực tiếp trên màn hình cảm ứng và nhận cảnh báo khi có sự cố.

Về mặt đóng góp học thuật và đào tạo, đề tài đã đưa ra một giải pháp kỹ thuật có chi phí chế tạo thấp hơn nhiều so với các hệ thống nhập ngoại nhưng vẫn đảm bảo đầy đủ tính năng của một dây chuyền MPS thu nhỏ. Mô hình giúp sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử trực quan hóa các kiến thức phức tạp về điều khiển vị trí (phát xung động cơ bước), kỹ thuật chân không, điều khiển khí nén tuần tự và tích hợp giao diện HMI/SCADA.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào nội dung được tác giả trình bày trong văn bản đồ án và bản giải trình trước hội đồng đánh giá:

• Hạn chế của đề tài:
  • Việc tích hợp toàn bộ 3 module vào một bộ điều khiển PLC FX3U-32MR/ES duy nhất khiến cấu trúc chương trình điều khiển logic trở nên phức tạp, đòi hỏi xử lý xen kẽ nhiều tác vụ phát xung và ngắt hành trình.
  • Hệ thống cơ khí tự chế tạo tại phòng thí nghiệm vẫn tồn tại xác suất phát sinh sự cố nhỏ trong quá trình vận hành liên tục (kẹt phôi tại phễu, trượt giác hút chân không nếu bề mặt phôi bám bẩn).
  • Khả năng phân loại hiện mới chỉ dừng lại ở việc phân biệt kim loại, phi kim và màu sắc cơ bản qua tổ hợp cảm biến quang - tiệm cận, chưa tích hợp công nghệ xử lý ảnh công nghiệp.
• Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:
  • Tích hợp thêm camera xử lý ảnh (Machine Vision) để nâng cao độ chính xác và đa dạng hóa tiêu chí phân loại sản phẩm (kích thước, biên dạng, mã vạch).
  • Nâng cấp mạng truyền thông công nghiệp (như CC-Link, Modbus TCP/IP) để kết nối mở rộng thêm các trạm gia công, trạm ép nắp, tạo thành dây chuyền MPS hoàn chỉnh.
  • Tối ưu hóa thuật toán điều khiển vị trí nhằm tăng tốc độ chu trình cấp phôi mà vẫn đảm bảo độ êm dịu chuyển động.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao đối với giảng viên, sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa và Cơ khí chế tạo máy:

• Phục vụ đào tạo và học tập: Cung cấp tài liệu thực hành hoàn chỉnh cho các môn học Điều khiển Logic & PLC, Tự động hóa quá trình sản xuất và Thực tập tốt nghiệp.
• Tham khảo thiết kế hệ thống:
  • Chương 5 và Phụ lục D: Đáng tham khảo về phương pháp tính toán, lựa chọn trục vít me SLW, xi lanh khí nén xoay, giác hút chân không và bản vẽ chi tiết các cụm cơ khí.
  • Chương 6 và Phụ lục A: Cung cấp cấu trúc code mẫu trên GX Works2 về việc ứng dụng các lệnh phát xung tốc độ cao (DRVI, DRVA, PLSY, ZRN) kết hợp module FX3U-2HSY-ADP để điều khiển động cơ bước.
  • Phương pháp thiết kế HMI: Hướng dẫn chi tiết cách cấu hình và ánh xạ biến nhớ giữa phần mềm EasyBuilder Pro và PLC Mitsubishi.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm và các module mở rộng nào được sử dụng trong hệ thống?
Hệ thống sử dụng một bộ điều khiển khả trình PLC Mitsubishi FX3U-32MR/ES (16 ngõ vào số NPN, 16 ngõ ra relay) kết hợp với module định vị xung tốc độ cao FX3U-2HSY-ADP để phát xung điều khiển driver TB6600 của động cơ bước.

2. Các thông số vận hành kỹ thuật giới hạn của mô hình được thiết lập như thế nào?
Mô hình có kích thước tổng thể $400 \times 700 \times 820$ mm, làm việc ở dải áp suất khí nén 0,2 – 1,0 MPa (định mức 4 bar), vận tốc băng tải 0,27 m/s, tần số phát xung điều khiển động cơ bước (chạy tương đối, tuyệt đối, về Home) là 1200 Hz, chu trình hoạt động hoàn chỉnh kéo dài 60 giây và xử lý loại phôi có kích thước đường kính 35 mm, chiều cao 20 mm, khối lượng tối đa 0,5 kg.

3. Cơ cấu truyền động và gắp phôi của module vận chuyển hoạt động theo nguyên lý nào?
Module vận chuyển sử dụng bàn trượt trục vít me dẫn động SLW 1040 kéo bởi động cơ bước size 42 để tịnh tiến vị trí. Cơ cấu lấy phôi gồm một xi lanh xoay Airtac HQR10A kết hợp với đầu giác hút chân không được cấp áp suất âm từ van chân không Airbest, cho phép hút giữ phôi tin cậy và xoay đổi hướng chuyển giao giữa các trạm.

4. Giao diện giám sát HMI của hệ thống được xây dựng bằng phần mềm nào và gồm những phân hệ chức năng nào?
Giao diện điều khiển và giám sát được thiết kế trên phần mềm EasyBuilder Pro kết nối trực tiếp với PLC, bao gồm 4 trang chức năng: Trang vận hành (điều khiển chạy/dừng và hiển thị trạng thái), Trang cài đặt (thiết lập tần số phát xung và thời gian trễ), Trang dữ liệu (thống kê số lượng từng loại phôi) và Trang I/O Device (giám sát trạng thái vật lý của ngõ vào/ngõ ra).

5. Điểm khác biệt căn bản về mặt giải pháp giữa mô hình này so với hệ thống MPS-205 của Festo là gì?
Hệ thống MPS-205 của Festo phân chia mỗi trạm thành một khối độc lập được điều khiển bởi một PLC Siemens S7-300 riêng biệt (tổng cộng 9 PLC cho 9 trạm), dẫn đến chi phí rất cao. Trong khi đó, đề tài đã tối ưu hóa cấu trúc bằng cách gom toàn bộ 3 module (cấp phôi, vận chuyển, phân loại) vào quản lý tập trung bởi một bộ PLC FX3U-32MR/ES duy nhất, giúp giảm đáng kể chi phí chế tạo mà vẫn duy trì đầy đủ nguyên lý hoạt động của một dây chuyền MPS.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Phan Xuân Tần đã hoàn thành xuất sắc mục tiêu nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống cấp phôi tự động 3 module sử dụng bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3U-32MR/ES. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa tính toán cơ khí, thiết kế mạch điện - khí nén theo tiêu chuẩn quốc tế và xây dựng chương trình điều khiển thông minh tích hợp giao diện HMI EasyBuilder Pro, mô hình vận hành ổn định và đạt độ chính xác cao. Đề tài giải quyết hiệu quả bài toán thiếu hụt thiết bị thí nghiệm trực quan trong giảng dạy chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, đồng thời mở ra hướng phát triển mở rộng cho các hệ thống sản xuất linh hoạt tự chế tạo trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Lý do chọn đề tài. Mục đích của đề tài. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của đề tài. Trình tự thực hiện đề tài .4 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN. Giới thiệu chung.

Sơ lược về bộ điều khiển PLC. Hệ thống sản xuất linh hoạt MPS. Mô hình hệ thống MPS có sử dụng bộ điều khiển PLC. Hệ thống MPS của Festo.

Hệ thống MPS của công ty cổ phần thiết bị Hữu Hồng. So sánh PLC được sử dụng trong các hệ thống MPS. Các tiêu chuẩn thiết kế .15 V CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG. Tổng quan ý tưởng thiết kế.

Các phương án thiết kế. Đề xuất giải pháp thiết kế. Lựa chọn giải pháp thiết kế. Mô hình hệ thống thiết kế.

Đánh giá tính khả thi. Khả thi về mặt kỹ thuật. Khả thi về hoạt động. Phân tích chi phí.

Các ràng buộc thiết kế .21 CHƯƠNG 4: NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI THIẾT KẾ. Khả năng mua các thiết bị. Khả năng tháo lắp. Yếu tố môi trường.

Tính bền vững. Khả năng bảo dưỡng .24 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG. Cơ cấu chấp hành. Module truyền động trục vít me.

Giác hút chân không. Van hút chân không. Hệ thống điện. Relay trung gian.

Cảm biến quang. Cảm biến tiệm cận. Bộ drive TB6600. Cảm biến xi lanh hành trình.

Van điện từ khí nén. Thiết kế cơ khí. Thiết kế cho module cấp phôi. Thiết kế cho module vận chuyển.

Thiết kế cho module phân loại. Một số chi tiết khác. Tính công suất điện hệ thống. Thiết kế sơ đồ mạch khí nén .64 CHƯƠNG 6: LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN.

Cấu trúc chung của PLC FX3U. Thông số kỹ thuật. Hình dáng bên ngoài và cấu trúc phần cứng. Các bộ nhớ và giao diện làm việc.

Lệnh LD, LDI. Lệnh SET, RST. Lệnh PLS, PLF. Các lệnh nâng cao.

Lệnh điều khiển vị trí. Thiết kế chương trình điều khiển hoạt động mô hình cấp phôi tự động. Mô tả nguyên lý hoạt động. Quy định thiết bị kết nối đầu vào/ra.

Lưu đồ thuật toán điều khiển. Thiết kế giao diện điều khiển. Giới thiệu phần mềm EasyBuilder Pro. Thực hiện thiết kế giao diện .81 CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM.

Các kết quả đạt được. Chế tạo ra các module trong mô hình hệ thống. Lắp ráp hệ thống điện và khí nén. Hình ảnh mô hình hệ thống.

Thực nghiệm hệ thống qua giao diện điều khiển. Thực nghiệm hệ thống điều khiển qua giao diện. Bảng thông số, tính năng của mô hình hệ thống cấp phôi tự động. Hướng dẫn sử dụng.

Những khó khăn của đề tài.109 CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ TÀI TƯƠNG LAI. Kết luận và kiến nghị. Kết quả đạt được. Đề tài tương lai .111 TÀI LIỆU THAM KHẢO.112 PHỤ LỤC A: CODE .114 PHỤ LỤC B: TIÊU CHUẨN .123 PHỤ LỤC C: CHI PHÍ .125 PHỤ LỤC D: BẢN VẼ .130 IX DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Phạm vi tham số mô hình hệ thống.1: So sánh mạch PLC trong mô hình hệ thống MPS hiện có.2: Ký hiệu của các thiết bị điện .1: Những ràng buộc trong thiết kế .1: Thông số động cơ GA25 – 370 .2: Phương pháp chế tạo các chi tiết khác .1: Lệnh LD, LDI .3: Lệnh SET, RST .4: Lệnh PLS, PLF.6: Thông số cài đặt thời gian trong PLC FX3U [17] .