Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các hệ thống sản xuất và tự động hóa công nghiệp, truyền động và điều khiển khí nén giữ vai trò quan trọng nhờ ưu điểm kết cấu đơn giản, độ tin cậy cao, an toàn trong môi trường dễ cháy nổ, thời gian đáp ứng nhanh và chi phí thiết bị hợp lý. Môn học Thủy lực và Khí nén là học phần cốt lõi trong chương trình đào tạo ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện tử.

Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thực tế công tác đào tạo cho thấy số lượng sinh viên theo học đông đảo trong khi trang thiết bị thí nghiệm của phòng thực hành Thủy lực - Khí nén còn thiếu về số lượng và xuống cấp về chất lượng. Các bộ thí nghiệm cũ chiếm nhiều không gian diện tích, thiết bị hư hỏng nhiều và chưa tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn nhằm nâng cao kỹ năng thực hành theo phương châm "học đi đôi với hành", đề tài "Thiết kế mô hình thí nghiệm điện – khí nén" được thực hiện nhằm chế tạo các bàn thí nghiệm mới phục vụ trực tiếp công tác đào tạo.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 5 nội dung chính:

  1. Tìm hiểu về các thiết bị khí nén và hệ thống điều khiển điện – khí nén.
  2. Tìm hiểu về bộ điều khiển lập trình PLC LOGO! 230RC của hãng Siemens.
  3. Tính toán, thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm điện – khí nén.
  4. Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển cho các thiết bị trên bộ thí nghiệm.
  5. Biên soạn tài liệu hướng dẫn sử dụng thiết bị và xây dựng hệ thống bài tập thực hành.
  • Đối tượng nghiên cứu: Các phần tử khí nén (máy nén khí, bộ xử lý khí, xy lanh, van đảo chiều), phần tử điện điều khiển (rơ le, công tắc hành trình, cảm biến quang, bộ định thời timer, bộ đếm counter) và bộ điều khiển lập trình PLC LOGO! 230RC Siemens.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế và thi công 4 bộ thí nghiệm cơ điện tử phục vụ phòng thí nghiệm Thủy lực - Khí nén thuộc Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; hoàn thành vào tháng 01 năm 2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nội dung dựa trên các cơ sở nhiệt động học chất khí, nguyên lý truyền động khí nén và lý thuyết điều khiển logic:

  • Các đại lượng và định luật chất khí:

    • Áp suất: Áp suất khí quyển ($1\text{ atm} \approx 14{,}7\text{ psi} \approx 1013\text{ mbar} \approx 760\text{ mmHg} \approx 1\text{ bar}$); áp suất dư (áp suất tương đối) và áp suất tuyệt đối ($P_{\text{tuyệt đối}} = P_{\text{dư}} + P_{\text{khí quyển}}$).
    • Lực sinh ra từ áp suất khí nén: Xác định theo công thức $F = P \times A$, trong đó $F$ là lực đẩy piston (N), $P$ là áp suất khí nén cấp vào xy lanh ($\text{N/m}^2$), và $A$ là diện tích tiết diện làm việc của piston phụ thuộc đường kính $D$.
    • Nhiệt động học chất khí: Định luật khí lý tưởng đối với các quá trình đẳng áp, đẳng tích, đẳng nhiệt và phương trình tổng quát. Quá trình nén và giãn nở đoạn nhiệt tuân theo phương trình $P \cdot V^n = \text{const}$ với số mũ đoạn nhiệt lý tưởng $n = 1{,}4$; trong thực tế xy lanh và máy nén khí tốc độ cao đạt $n = 1{,}3$, và tổn thất nhiệt qua giảm chấn khiến $n < 1{,}4$.
    • Định luật Pascal: Áp suất tác dụng lên chất lưu tĩnh được truyền nguyên vẹn theo mọi hướng.

  • Hệ thống tạo và xử lý khí nén:

    • Máy nén khí: Phân loại theo nguyên lý thay đổi thể tích (máy nén piston) và nguyên lý động năng bánh dẫn.
    • Xử lý khí nén qua 3 giai đoạn: Lọc thô làm mát tạm thời, bình ngưng tụ tách nước (làm mát bằng không khí đưa nhiệt độ về $30^\circ\text{C} - 35^\circ\text{C}$, làm mát bằng nước đưa về $20^\circ\text{C}$), bộ sấy khô khí (chất làm lạnh, chất hấp thụ, nhiệt độ thấp) và khối lọc tinh (kết hợp van lọc, van điều áp và van tra dầu dạng sương).

  • Phương pháp nghiên cứu thực hiện:

    • Phương pháp điều tra khảo sát: Thu thập ý kiến của sinh viên về tình trạng và nhu cầu đối với thiết bị thí nghiệm cũ.
    • Phương pháp thiết kế cơ khí: Sử dụng phần mềm AutoCAD 2007 để dựng bản vẽ kỹ thuật chi tiết cho bàn gá và kết cấu mô hình.
    • Phương pháp phân tích - tổng hợp mạch điều khiển: Thiết kế mạch điều khiển điện – khí nén theo các phương pháp trực tiếp, mạch duy trì, phương pháp tầng (cascade) và phương pháp nhịp.
    • Phương pháp tích hợp điều khiển lập trình: Đấu nối I/O và xây dựng giải thuật điều khiển trên PLC LOGO! 230RC Siemens bằng sơ đồ khối logic/lập trình trực tiếp.
    • Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Lắp ráp mô hình thực tế, chạy thử nghiệm chu trình chuyển động của xy lanh và kiểm tra độ ổn định của hệ thống bài tập.

Thiết kế và triển khai hệ thống thí nghiệm

Mô hình thí nghiệm được thiết kế theo dạng module bàn thực hành công nghiệp, tối ưu hóa kích thước để có thể đặt trên bàn học thông thường, cho phép nhóm từ 4 đến 6 sinh viên cùng thao tác tháo lắp mạch và lập trình.

Thông số / Module Bàn thí nghiệm 1 Bàn thí nghiệm 2 Bàn thí nghiệm 3 Bàn thí nghiệm 4
Kích thước cơ khí $1000 \times 500 \times 20\text{ mm}$ $1000 \times 500 \times 20\text{ mm}$ $1000 \times 500 \times 20\text{ mm}$ $1000 \times 500 \times 20\text{ mm}$
Vật liệu nền Gỗ ghép phủ sơn dầu, máng đi dây kỹ thuật Gỗ ghép phủ sơn dầu, máng đi dây kỹ thuật Gỗ ghép phủ sơn dầu, máng đi dây kỹ thuật Gỗ ghép phủ sơn dầu, máng đi dây kỹ thuật
Cơ cấu chấp hành 02 xy lanh 2 chiều 02 xy lanh 2 chiều 03 xy lanh 2 chiều 02 xy lanh 2 chiều (mở rộng được)
Phần tử van đảo chiều 01 van cụm 5/2 tác động 1 phía (1 coil) 02 van đơn 5/2 hai trạng thái (2 coil) + van tiết lưu 01 van cụm 5/2 hai trạng thái (2 coil) 01 van cụm 5/2 hai trạng thái (2 coil)
Cảm biến & Công tắc 04 công tắc hành trình dạng cần gạt bánh xe 04 công tắc hành trình dạng con lăn 04 công tắc con lăn/thanh gạt + 02 cảm biến quang 04 công tắc hành trình dạng con lăn
Khối điều khiển Relay trung gian, rơ le thời gian, counter Relay trung gian, PLC Zen PLC LOGO! 230RC Siemens PLC LOGO! 230RC Siemens
Đấu nối trung gian 01 terminal 40 tiếp điểm 01 terminal 40 tiếp điểm 01 terminal 40 tiếp điểm 01 terminal 40 tiếp điểm
  • Kết cấu điện và khí nén: Nguồn khí cấp qua bộ chia nhanh, các cổng van nối ống mềm tiêu chuẩn. Hệ thống dây điện điều khiển 24VDC/220VAC được đấu tập trung về khối terminal 40 chân giúp sinh viên dễ dàng thay đổi sơ đồ nối dây mà không gây hư hại các thiết bị chính.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về đề tài

Chương này khái quát lịch sử thuật ngữ khí nén (pneumatics bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp pneuma), phân tích các ưu điểm và hạn chế cơ bản của truyền động khí nén trong tự động hóa. Tác giả trình bày lý do chọn đề tài dựa trên kết quả khảo sát thực trạng phòng thí nghiệm tại trường, từ đó xác lập 5 mục tiêu và nội dung cốt lõi về thiết kế chế tạo 4 bàn thí nghiệm và xây dựng tài liệu hướng dẫn thực hành.

Chương II: Cơ sở lý thuyết về khí nén và thiết bị điện – khí nén

Trình bày hệ thống đơn vị đo lường (SI, Metric, Imperial), các định luật nhiệt động chất khí và công thức tính lực, lưu lượng. Chương khảo sát chi tiết nguyên lý cấu tạo của máy nén khí piston, trạm xử lý khí nén (bình ngưng tụ làm mát, bộ sấy khí, bộ lọc 3 cụm). Đồng thời, tác giả mô tả nguyên lý hoạt động của các khí cụ điện - khí nén: xy lanh đơn, xy lanh kép (có/không giảm chấn), nút nhấn thường đóng/thường hở, van điện từ 2/2, van 3/2, van cụm/đơn 5/2 một trạng thái (hồi về bằng lò xo) và hai trạng thái (hai cuộn coil), công tắc hành trình, cảm biến quang, rơ le thời gian (timer đóng chậm) và bộ đếm (counter).

Chương III: Thiết kế, chế tạo và thi công

Chương trình bày kết quả khảo sát ý kiến sinh viên với 5 vấn đề chính: số lượng bàn thí nghiệm ít, chưa có PLC, thiết bị cũ hư hỏng nhiều, chiếm nhiều diện tích phòng học và nhu cầu thực hành cao. Dựa trên 7 tiêu chí thiết kế (nhỏ gọn, an toàn, đầy đủ thiết bị cơ bản, giá thành thấp, phục vụ 4–6 sinh viên/bàn, tận dụng thiết bị sẵn có, đa dạng hóa bài tập), tác giả thiết kế bản vẽ 2D trên AutoCAD 2007 và thi công 4 mô hình thí nghiệm với các cấu hình phần cứng riêng biệt.

Chương 4: Thiết kế bài tập thực hành

Chương này biên soạn chi tiết hệ thống giáo trình thực hành gồm 4 nhóm bài học chính, cung cấp mục tiêu học tập, danh mục thiết bị, sơ đồ nguyên lý mạch, biểu đồ trạng thái hành trình - bước và các câu hỏi nhận xét:

  • Bài 1: Điều khiển xy lanh bằng van điện từ 5/2 một trạng thái: Gồm các bài tập điều khiển trực tiếp, điều khiển gián tiếp qua mạch duy trì, điều khiển 2 xy lanh tuần tự theo biểu đồ trạng thái, ứng dụng rơ le thời gian (timer on-delay) để giữ trễ vị trí cuối hành trình.
  • Bài 2: Điều khiển xy lanh bằng van điện từ 5/2 hai trạng thái: Thiết kế mạch lặp 5 chu kỳ tự động sử dụng bộ đếm Counter (đấu nối chân reset R1 và chân đếm tín hiệu A1), thiết kế mạch điều khiển 2 xy lanh và 3 xy lanh theo phương pháp chia tầng và chia nhịp dựa trên bảng tín hiệu đầu tầng.
  • Bài 3: Điều khiển hệ thống khí nén bằng PLC LOGO! 230RC Siemens: Hướng dẫn sơ đồ đấu nối ngõ vào (Input I1–I8) và ngõ ra rơ le (Output Q1–Q4), chuyển đổi biểu đồ trạng thái sang thuật toán logic và lập trình điều khiển hệ thống xy lanh bằng phần mềm hoặc bấm phím trực tiếp trên mặt PLC.
  • Bài 4: Mạch so sánh điện – khí nén và PLC: Đối chiếu cấu trúc phần cứng, độ phức tạp của mạch nối dây relay so với giải pháp điều khiển mềm trên PLC cho cùng một yêu cầu công nghệ.

Chương V: Kết quả thực nghiệm và đánh giá

Trình bày hình ảnh nghiệm thu thực tế của các bộ thí nghiệm đã lắp ráp hoàn thiện, kết quả chạy thử nghiệm các chu trình điều khiển tự động của xy lanh theo đúng biểu đồ trạng thái đề ra, đánh giá khả năng vận hành ổn định và mức độ an toàn của hệ thống máng dây, nguồn khí và thiết bị điện.

Chương VI: Kết luận

Tổng kết lại quá trình thực hiện đồ án, đối chiếu kết quả sản phẩm chế tạo với các mục tiêu ban đầu và đưa ra các nhận định về khả năng áp dụng của mô hình trong giảng dạy.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả chế tạo phần cứng:
    • Hoàn thành thiết kế và chế tạo 4 bộ bàn thí nghiệm điện – khí nén hoàn chỉnh với kích thước chuẩn $1000 \times 500 \times 20\text{ mm}$, sử dụng gỗ ghép phủ sơn dầu kết hợp ray cài và máng dây công nghiệp.
    • Tích hợp đầy đủ các phần tử chấp hành khí nén (xy lanh tác động kép), hệ thống van đảo chiều đa dạng (van 5/2 đơn, van 5/2 cụm một cuộn coil và hai cuộn coil), các thiết bị cảm biến vị trí (công tắc hành trình bánh xe, công tắc con lăn, cảm biến quang điện) và bộ điều khiển lập trình PLC LOGO! 230RC Siemens.
  • Kết quả biên soạn tài liệu:
    • Xây dựng tài liệu hướng dẫn thí nghiệm hoàn chỉnh với 4 cụm bài học lớn, bao gồm hơn 18 biểu đồ trạng thái hành trình, hướng dẫn phương pháp thiết kế mạch điện - khí nén bằng phương pháp tầng, phương pháp nhịp và phương pháp lập trình logic cho PLC.
  • Đóng góp của đề tài:
    • Giải quyết bài toán thiếu hụt thiết bị thực hành cho sinh viên ngành Cơ Điện tử, cung cấp giải pháp mô hình nhỏ gọn, chi phí thấp nhờ tận dụng thiết bị sẵn có kết hợp vật liệu gia công trong nước.
    • Cầu nối giúp người học chuyển tiếp từ lý thuyết khí nén thuần túy sang kỹ năng thiết kế hệ thống điều khiển kết hợp điện, rơ le, cảm biến và bộ điều khiển lập trình PLC theo tiêu chuẩn công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Khung bàn thí nghiệm làm bằng vật liệu gỗ ghép nhằm giảm giá thành và khối lượng, do đó độ bền chịu lực và khả năng chống ẩm trong môi trường công nghiệp dài hạn chưa cao bằng khung nhôm định hình tiêu chuẩn.
    • Số lượng ngõ vào/ngõ ra của PLC LOGO! 230RC còn hạn chế, chưa thể ghép nối các chu trình phức tạp có đồng thời nhiều hơn 3–4 xy lanh cùng các cơ cấu chấp hành khác.
    • Mô hình chủ yếu tập trung vào điều khiển logic rời rạc và chu trình tuần tự, chưa tích hợp điều khiển tương tự (analog) cho áp suất và lưu lượng.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nâng cấp khung giá đỡ bằng vật liệu nhôm định hình công nghiệp có rãnh chữ T để linh hoạt thay đổi vị trí gá đặt thiết bị.
    • Mở rộng ứng dụng các dòng PLC thế hệ mới với dung lượng bộ nhớ lớn hơn (như Siemens S7-1200), tích hợp thêm màn hình giao diện người - máy HMI để giám sát và điều khiển chu trình trực quan.
    • Bổ sung các cảm biến công nghiệp đa dạng (cảm biến từ gắn thân xy lanh, cảm biến tiệm cận cảm ứng từ, cảm biến áp suất điện tử) và các van tỷ lệ.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên và học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện tử, Tự động hóa, Cơ khí Chế tạo máy; giảng viên phụ trách phòng thí nghiệm Thủy lực - Khí nén và Điều khiển logic.
  • Nội dung tham khảo trọng tâm:
    • Cấu trúc bản vẽ thiết kế bàn gá thí nghiệm nhỏ gọn phục vụ đào tạo nhóm.
    • Phương pháp phân tích biểu đồ trạng thái và kỹ thuật phân tầng, phân nhịp khi thiết kế mạch điều khiển điện – khí nén dùng van 5/2 một và hai trạng thái.
    • Sơ đồ đấu nối thực tế giữa PLC LOGO! 230RC với các phần tử van điện từ, rơ le trung gian, rơ le thời gian và bộ đếm xung counter.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước và vật liệu chế tạo của bàn thí nghiệm được thiết kế như thế nào?
Bàn thí nghiệm có kích thước $1000 \times 500 \times 20\text{ mm}$, được gia công bằng vật liệu gỗ ghép phủ lớp sơn dầu. Thiết kế dạng panel phẳng có máng đi dây kỹ thuật theo tiêu chuẩn tủ điện công nghiệp, có thể đặt nằm trực tiếp trên bàn học phục vụ nhóm từ 4 đến 6 sinh viên thao tác.

2. Điểm khác nhau cơ bản giữa Bộ thí nghiệm 1 và Bộ thí nghiệm 2 trong đồ án là gì?
Bộ thí nghiệm 1 sử dụng van cụm 5/2 một trạng thái (tác động điện 1 đầu, hồi vị bằng lò xo) cùng công tắc hành trình dạng thanh gạt bánh xe và điều khiển thuần relay. Bộ thí nghiệm 2 sử dụng 2 van đơn 5/2 hai trạng thái (tác động điện 2 đầu cuộn coil), có van tiết lưu, dùng công tắc hành trình dạng con lăn và tích hợp bộ điều khiển PLC.

3. Đồ án sử dụng bộ điều khiển lập trình nào và cấu hình ngõ vào/ra ra sao?
Đồ án sử dụng PLC LOGO! 230RC của hãng Siemens, tích hợp màn hình hiển thị và các phím chức năng cho phép lập trình trực tiếp trên thân máy hoặc thông qua phần mềm. Các ngõ vào nhận tín hiệu từ nút nhấn, công tắc hành trình, cảm biến quang và ngõ ra dạng relay kích hoạt các cuộn solenoid của van 5/2.

4. Mạch điều khiển tự động lặp lại 5 chu kỳ của xy lanh được thực hiện bằng thiết bị nào?
Mạch sử dụng bộ đếm Counter kết hợp với rơ le trung gian. Chân nhận tín hiệu đếm A1 của Counter được kích hoạt thông qua tiếp điểm của rơ le $K_1$ mỗi khi xy lanh hoàn thành một hành trình, và chân reset $R_1$ được điều khiển bởi tiếp điểm của rơ le $N$ để xóa số đếm khi bắt đầu chu trình mới hoặc khi đạt đủ 5 lần đếm.

5. Hệ thống xử lý khí nén trên mô hình được chia thành những giai đoạn nào?
Theo cơ sở lý thuyết của đồ án, quá trình xử lý khí nén gồm 3 giai đoạn: lọc thô làm mát tạm thời để tách bụi bẩn; ngưng tụ tách hơi nước qua bình làm lạnh; sấy khô khí và lọc tinh bằng khối lọc gồm 3 cụm van (van lọc tách nước/bụi, van điều áp duy trì áp suất định mức, van tra dầu bôi trơn dạng sương).

Kết luận

Đồ án "Thiết kế mô hình thí nghiệm điện – khí nén" của tác giả Nguyễn Văn Thành đã giải quyết trọn vẹn yêu cầu đào tạo thực hành môn Thủy lực và Khí nén tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Tác giả đã hoàn thành việc tính toán, thiết kế và chế tạo 4 bàn thí nghiệm với cấu hình thiết bị đa dạng, kết hợp hài hòa giữa mạch điều khiển rơ le truyền thống và PLC LOGO! 230RC Siemens. Đi kèm với phần cứng là hệ thống bài tập thực hành được biên soạn chi tiết theo biểu đồ trạng thái, mang lại tài liệu tham khảo trực quan và hữu ích cho công tác giảng dạy và học tập chuyên ngành Cơ Điện tử.