Mô hình hệ thống điều khiển trạm trộn cát đúc

Đồ án mô hình hệ thống điều khiển trạm trộn cát đúc tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Văn Lộc
• Người hướng dẫn: TS. Võ Xuân Tiến
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
• Đề tài: Mô hình hệ thống điều khiển trạm trộn cát đúc
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan mô hình hệ thống điều khiển trạm trộn cát đúc

Đề tài mô hình hệ thống điều khiển trạm trộn cát đúc tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM do nhóm sinh viên Khoa Cơ khí Chế tạo máy thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Võ Xuân Tiến. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán cơ giới hóa và tự động hóa khâu chuẩn bị cát đúc. Đây là khâu then chốt quyết định chất lượng bề mặt và độ bền của vật đúc kim loại. Mô hình được xây dựng theo chu trình khép kín hoàn chỉnh từ nạp liệu, định lượng, trộn đến xả thành phẩm. Hệ thống bao gồm khoang cấp cát, khoang chờ, cụm cấp phụ gia bentonite, hệ thống phun sương tạo ẩm và cối trộn ribbon nằm ngang. Thiết bị đo lường loadcell cùng van bi điện từ đảm bảo tỷ lệ thành phần chính xác tuyệt đối. Việc ứng dụng bộ điều khiển lập trình PLC kết hợp giao diện SCADA WinCC giúp người vận hành kiểm soát toàn bộ thông số kỹ thuật trực quan. Nghiên cứu không chỉ phục vụ công tác giảng dạy thực hành tại xưởng trường mà còn mở ra hướng chuyển giao công nghệ cho các xưởng đúc vừa và nhỏ tại Việt Nam.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu và phát triển trạm trộn cát đúc

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng mô hình trạm trộn cát tự động hóa với kích thước thu nhỏ nhưng đầy đủ chức năng công nghiệp. Đề tài hướng đến giải quyết việc chuẩn hóa tỷ lệ hỗn hợp khuôn đúc theo tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt. Hệ thống loại bỏ sự phụ thuộc vào trực giác và thao tác thủ công của con người. Bên cạnh đó, mô hình giúp giảm thiểu sai số khối lượng nguyên liệu xuống dưới mức cho phép. Hệ thống đảm bảo tính lặp lại ổn định giữa các mẻ trộn liên tiếp. Nghiên cứu cũng hoàn thiện thuật toán điều khiển tự động cho các cơ cấu chấp hành khí nén và động cơ truyền động.

1.2. Cấu trúc tổng thể của mô hình trạm trộn cát đúc

Mô hình được bố trí theo không gian phân tầng từ trên cao xuống dưới nhằm tận dụng trọng lực khi cấp liệu. Tầng trên cùng bố trí khoang cấp liệu cát chính cùng khoang chứa phụ gia và bentonite. Ngay phía dưới là khoang cân trung gian có gắn cảm biến loadcell thanh để định lượng trọng lượng giảm dần. Tiếp đến là khoang chờ xả cát giúp chu trình trộn diễn ra liên tục mà không gián đoạn mẻ mới. Tầng đáy đặt cối trộn nằm ngang trang bị cánh khuấy ribbon và động cơ điện giảm tốc công suất 0,37 kW. Cửa xả cối trộn điều khiển bằng hai xi lanh khí nén đóng mở nhanh chóng và kín khít.

II. Vấn đề thực tiễn trong hệ thống điều khiển trạm trộn cát đúc

Trong ngành công nghiệp đúc kim loại truyền thống, công đoạn chuẩn bị hỗn hợp cát khuôn phần lớn vẫn dựa vào kỹ thuật thủ công. Người thợ thường ước lượng khối lượng cát, đất sét bentonite và lượng nước thông qua kinh nghiệm cảm tính. Phương pháp thô sơ này bộc lộ rất nhiều nhược điểm chí mạng. Sai lệch về tỷ lệ thành phần dẫn đến độ bền nén và độ thông khí của khuôn không đồng đều. Khi khuôn đúc không đạt chuẩn, phôi đúc kim loại rất dễ sinh ra các khuyết tật như rỗ khí, cháy cát, nứt nóng hoặc biến dạng hình học. Tỷ lệ phế phẩm tăng cao kéo theo lãng phí nguyên vật liệu và tiêu tốn năng lượng tái chế. Mặt khác, việc trộn thủ công tạo ra môi trường làm việc độc hại với nồng độ bụi cát silic cao, ảnh hưởng xấu tới sức khỏe hệ hô hấp của thợ đúc. Thời gian trộn không được kiểm soát chặt chẽ khiến năng suất lao động giảm sút rõ rệt. Nhu cầu cấp thiết đặt ra là phải tự động hóa trạm trộn nhằm chuẩn hóa quy trình, bảo vệ người lao động và nâng cao năng lực cạnh tranh cho xưởng đúc.

2.1. Hạn chế của quy trình trộn hỗn hợp cát đúc thủ công

Phương pháp phối trộn cát truyền thống sử dụng xẻng và cối trộn hở bộc lộ nhiều điểm nghẽn kỹ thuật. Sự thiếu hụt các thiết bị cân đo chính xác khiến tỷ lệ chất liên kết và phụ gia luôn biến thiên thất thường qua từng mẻ. Công nhân không thể kiểm soát chính xác độ ẩm vốn là yếu tố quyết định độ bền dẻo của hỗn hợp cát đúc. Trộn quá khô làm hạt cát rời rạc gây sạt lở thành khuôn khi rót kim loại lỏng. Ngược lại, độ ẩm quá cao sinh ra lượng khí lớn gây nổ khuôn và rỗ bề mặt. Quá trình lao động chân tay kéo dài gây mệt mỏi và làm sai số định lượng tăng mạnh vào cuối ca làm việc.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống định lượng tự động

Hệ thống định lượng tự động cho trạm trộn cát đòi hỏi đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe về độ chính xác và tốc độ phản hồi. Thiết bị cân phải hoạt động ổn định trong môi trường nhiều bụi và rung lắc cơ học mạnh. Sai số cân định lượng cát và bentonite yêu cầu không vượt quá ngưỡng sai số quy định một phần trăm. Hệ thống cấp nước cần cơ chế phun sương áp lực đều để phân tán sương ẩm khắp buồng trộn. Thời gian xả liệu và thời gian trộn của từng mẻ phải được cài đặt linh hoạt trên màn hình điều khiển. Ngoài ra, hệ thống cần tính năng ngắt khẩn cấp và cảnh báo lỗi khi xảy ra hiện tượng kẹt cửa xả hoặc quá tải động cơ.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống điều khiển trạm trộn cát đúc SPKT

Nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM đã hiện thực hóa mô hình thông qua việc tích hợp đồng bộ giữa thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển tự động. Về mặt kết cấu, trạm trộn áp dụng cối trộn nằm ngang sử dụng cánh khuấy xoắn dạng ribbon kép. Thiết kế cánh xoắn giúp dòng vật liệu luân chuyển tuần hoàn dọc trục và đảo trộn liên tục từ ngoài vào tâm. Trục máy chế tạo bằng thép hợp kim C45 được kiểm nghiệm độ bền mỏi và độ bền dập then đạt hệ số an toàn cao. Hệ thống định lượng sử dụng các module loadcell đo biến dạng điện trở kết hợp bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng. Lượng phụ gia và chất liên kết bentonite được định lượng chính xác theo nguyên lý cân trừ trọng lượng giảm dần qua van bi điện từ. Cụm cấp ẩm tích hợp máy bơm áp lực mini 12V gắn đầu phun sương trực diện buồng trộn. Toàn bộ chu trình vận hành được lập trình tự động hóa trên nền tảng PLC công nghiệp, cho phép giám sát thông số thời gian thực qua giao diện WinCC trực quan.

3.1. Thiết kế phần cứng và cơ cấu chấp hành trạm trộn cát

Phần cứng cơ khí được thiết kế gia công chính xác nhằm đảm bảo độ đồng tâm và triệt tiêu rung động. Động cơ xoay chiều công suất 0,37 kW kết hợp hộp giảm tốc trục cốt âm truyền mô-men trực tiếp tới trục cánh trộn. Bộ truyền then nối trục có đường kính 30 mm được kiểm tra đạt tiêu chuẩn ứng suất tiếp và độ bền dập vật liệu. Cụm xả liệu ở đáy cối sử dụng hai xi lanh khí nén hai chiều tác động êm ái. Hệ thống van điều khiển khí nén kích hoạt đóng mở cửa xả dứt khoát trong vòng hai giây. Các khoang định lượng phụ gia trang bị hai cảm biến loadcell thanh giúp ghi nhận dữ liệu khối lượng chuẩn xác từng gam.

3.2. Lập trình điều khiển PLC và giao diện giám sát WinCC

Bộ điều khiển PLC đóng vai trò trung tâm điều phối toàn bộ thuật toán tự động hóa trạm trộn cát. Chương trình điều khiển xử lý tín hiệu analog từ các cảm biến loadcell đưa về để kích hoạt chu kỳ xả nạp vật liệu. Khi đạt đủ khối lượng cài đặt, PLC xuất lệnh đóng van bi điện từ và ngắt bơm phun sương. Giao diện người máy WinCC được thiết kế trực quan trên máy tính điều khiển trung tâm. Người vận hành dễ dàng theo dõi trạng thái van, động cơ, khối lượng cát thực tế và thời gian trộn còn lại. WinCC hỗ trợ hai chế độ vận hành tự động và bằng tay linh hoạt. Chức năng lưu trữ dữ liệu mẻ trộn và báo động sự cố giúp nâng cao tính an toàn vận hành.

IV. Hiệu quả ứng dụng mô hình điều khiển trạm trộn cát đúc SPKT

Mô hình hệ thống điều khiển trạm trộn cát đúc chế tạo tại ĐH SPKT TP.HCM đã chứng minh tính hiệu quả vượt trội qua các đợt chạy thử nghiệm. Hệ thống vận hành êm ái, chu trình định lượng và trộn diễn ra tự động hoàn toàn theo đúng thuật toán thiết lập. Hỗn hợp cát thành phẩm đạt độ đồng đều cao, độ ẩm phân bổ mịn và đồng nhất khắp khối vật liệu. Sai số khối lượng giữa các thành phần nguyên liệu được duy trì ở mức tối thiểu dưới một phần trăm. Việc bố trí khoang chờ xả cát giúp tối ưu hóa thời gian chu kỳ mẻ trộn liên tục. Nhờ đó, năng suất trạm trộn được cải thiện rõ rệt so với phương pháp thủ công. Mô hình là giáo cụ trực quan giá trị phục vụ đào tạo thực hành các môn học Tự động hóa sản xuất và Công nghệ chế tạo máy. Đồng thời, đề tài tạo nền tảng vững chắc để chuyển giao mở rộng quy mô phục vụ trực tiếp cho các nhà máy đúc công nghiệp trong nước.

4.1. Kết quả kiểm nghiệm cơ tính và vận hành thực nghiệm

Kết quả kiểm nghiệm thực tế cho thấy cơ cấu cánh khuấy ribbon đảm bảo độ bền mỏi và mô-men xoắn ổn định khi chịu tải cát đầy buồng trộn. Hệ số an toàn trục truyền động đều đạt yêu cầu thiết kế kỹ thuật khắt khe. Các mối ghép then không xuất hiện hiện tượng biến dạng dập hay rạn nứt sau nhiều chu kỳ vận hành liên tục. Hệ thống điều khiển PLC thu nhận tín hiệu loadcell với độ trễ thấp và ra lệnh đóng mở van khí nén cực kỳ chuẩn xác. Hỗn hợp cát đúc sau phối trộn đạt tiêu chuẩn về độ bền nén và độ thông khí của khuôn đúc.

4.2. Khả năng ứng dụng thực tế trong đào tạo và sản xuất

Mô hình mang giá trị thực tiễn to lớn trong môi trường đào tạo kỹ thuật tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Sinh viên ngành Cơ khí Chế tạo máy có cơ hội tiếp cận trực tiếp cấu trúc điều khiển tự động và giao diện SCADA công nghiệp hiện đại. Thiết kế mở của hệ thống cũng cho phép dễ dàng nâng cấp hoặc tích hợp thêm cảm biến đo độ ẩm trực tiếp trong cối. Ở góc độ sản xuất, mô hình có thể nhân rộng quy mô thành trạm trộn công nghiệp hoàn chỉnh cho các xưởng đúc vừa và nhỏ. Việc nội địa hóa thiết bị giúp doanh nghiệp tiết kiệm đáng kể chi phí đầu tư ban đầu so với máy nhập ngoại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong bối cảnh nền công nghiệp sản xuất ngày càng phát triển mạnh mẽ với xu thế công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Đặc biệt trong đó ngành đúc kim loại đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc cung cấp các chi tiết, linh kiện, kết cấu cho nhiều lĩnh vực như cơ khí chế tạo, xây dựng, ô tô, hàng không và năng lượng. Nhu cầu sản xuất các sản phẩm đúc với số lượng lớn, chất lượng đồng đều và tốc độ nhanh đang càng ngày gia tăng.

Quá trình chuẩn bị nguyên liệu, đặc biệt là cát đúc đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo độ chính xác, độ bền, và tính thẩm mỹ của sản phẩm đúc. Tuy nhiên thực tế hiện nay vẫn cho thấy nhiều cơ sở sản xuất trong nước đặc biệt là những doanh nghiệp vừa và nhỏ vẫn đang sử dụng phương pháp trộn thủ công vốn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm và cảm tính của người vận hành cách làm này không những tốn thời gian và nhân lực mà còn không đảm bảo được độ đồng đều, tính ổn định và chất lượng của cát trộn đây cũng chính là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới bề mặt, độ chính xác và độ bền của sản phẩm đúc. Điều này làm gia tăng tỉ lệ phế phẩm, kéo dài thời gian sản xuất và giảm năng xuất của nhà máy sản xuất. Bên cạnh đó xu hướng tự động hóa và hiện đại hóa trong sản xuất công nghiệp đang ngày càng phổ biến nhằm thay thế các phương pháp truyền thống bằng các hệ thống tự động, thông minh và đạt hiệu quả cao hơn.

Việc ứng dụng trạm trộn cát đúc tích hợp hệ thống điều khiển tự động là môt bước tiến quang trọng trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm, tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm chi phí vận hành. Đặc biệt việc tích hợp PLC (Programmable Logic Controller) giúp tăng khả năng giảm sát điều chỉnh linh hoạt, vận hành đơn giản và giảm thiểu lỗi do con người gây ra Trên thị trường trong nước hiện nay việc ứng dụng trạm trộn vào quy trình sản xuất chỉ đang xuất hiện nhiều trong ngành xây dựng chủ yếu là trạm trộn bê tông. Tuy nhiên về lĩnh vực đúc kim loại vẫn đang còn gặp nhiều hạn chế, chủ yếu các xưởng sản xuất chỉ sử dụng cối trộn đơn giản để trộn cát đúc mở rộng cơ hội lớn để nghiên cứu và phát triển trạm trộn cát đúc ứng dụng được tự động hóa vào trong sản xuất Với những lý do trên nhóm chúng em đã quyết định chọn và thực hiện tài: “Mô hình hệ thống điều khiển trạm trộn cát đúc” nhằm giải quyết các vấn đề nêu trên. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài góp phần nghiên cứu, ứng dụng và triển khai mô hình điều khiển tự động trong lĩnh vực đúc kim loại là một ngành công nghiệp đang cần hiện đại hóa quy trình sản xuất Mô hình trạm trộn cát đúc tích hợp hệ thống điều khiển tự động bằng PLC thể hiện sự kết hợp giữa kỹ thuật cơ khí, điện tử và tự động hóa tọa điều kiện cho sinh viên và kỹ sư có cách nhìn thực tế về mối liên kết giữa các ngành trong sản xuất công nghiệp.

Với đề nghiên cứu và thiết kế trạm trộn cát đúc để phục vụ nhu cầu các nhà máy nhằm tăng năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm thời gian sản xuất. Ngoài ra đây còn là nền tảng cho việc phát triển và thiết kế một quy trình sản xuất hoàn chỉnh, giá thành thấp và dễ dàng vận hành và sửa chữa.