Nghiên Cứu Phương Pháp Điều Khiển Máy Mài GAOCE GC-950L

Nghiên cứu phương pháp điều khiển máy mài Gaoce GC 950L ứng dụng trong đánh bóng bề mặt tinh thể silicon của cell pin năng lượng mặt trời.

• Tác giả: Nguyễn Đắc
• Người hướng dẫn: ThS. Phạm Đắc Thuận
• Trường học: Đại Học Quản Lý Và Công Nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Điều Khiển Máy Mài GAOCE GC-950L
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG I: GIẢI THÍCH CHUNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 1.1. KHÁI NIỆM
• 1.2. VẬT LIỆU VÀ HIỆU SUẤT
• 1.3. SỰ CHUYỂN ĐỔI ÁNH SÁNG
• 1.4. QUY TRÌNH SẢN XUẤT
• 2. CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MÁY MÀI
• 2.1. THÔNG SỐ THIẾT BỊ
• 2.2. TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ
• 2.3. ĐIỀU KIỆN SỬ DỤNG
• 2.4. KẾT CẤU THIẾT BỊ
• 2.5. CHỨC NĂNG CỦA TỪNG BỘ PHẬN
• 3. CHƯƠNG III: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY MÀI
• 3.1. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN
• 3.2. GIAO TIẾP ĐIỀU KHIỂN HMI
• 3.3. TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG TRONG MÁY MÀI
• 3.4. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Phương Pháp Điều Khiển Máy Mài GAOCE GC 950L

Nghiên cứu phương pháp điều khiển máy mài GAOCE GC-950L là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực công nghệ chế tạo. Máy mài GAOCE không chỉ được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất sản xuất. Việc tìm hiểu về máy mài này giúp cải thiện quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

1.1. Giới Thiệu Về Máy Mài GAOCE

Máy mài GAOCE GC-950L là thiết bị tiên tiến, được thiết kế để thực hiện các công đoạn mài, đánh bóng và vát mép cho các thanh silicon. Thiết bị này có khả năng gia công chính xác và hiệu quả, đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp chế tạo.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Máy Mài GAOCE

Máy mài GAOCE đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ những thiết kế đơn giản đến các công nghệ hiện đại. Sự phát triển này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn cải thiện độ bền và độ chính xác của máy.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Việc Điều Khiển Máy Mài

Việc điều khiển máy mài GAOCE GC-950L gặp phải nhiều thách thức, bao gồm độ chính xác trong quá trình gia công và khả năng tự động hóa. Những vấn đề này cần được giải quyết để tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu lãng phí.

2.1. Độ Chính Xác Trong Gia Công

Độ chính xác là yếu tố quan trọng trong quá trình gia công. Việc điều khiển không chính xác có thể dẫn đến sản phẩm kém chất lượng, ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất.

2.2. Khả Năng Tự Động Hóa

Khả năng tự động hóa trong điều khiển máy mài GAOCE là một thách thức lớn. Cần phát triển các giải pháp công nghệ để nâng cao tính tự động hóa, giảm thiểu sự can thiệp của con người.

III. Phương Pháp Điều Khiển Máy Mài GAOCE GC 950L Hiệu Quả

Để tối ưu hóa quy trình điều khiển máy mài GAOCE GC-950L, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Những phương pháp này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm.

3.1. Sử Dụng Công Nghệ Điều Khiển Tự Động

Công nghệ điều khiển tự động giúp giảm thiểu sai sót trong quá trình gia công. Việc áp dụng các cảm biến và hệ thống điều khiển thông minh sẽ nâng cao độ chính xác và hiệu suất của máy.

3.2. Tối Ưu Hóa Quy Trình Gia Công

Tối ưu hóa quy trình gia công là một trong những phương pháp quan trọng. Việc phân tích và điều chỉnh các thông số gia công sẽ giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Máy Mài GAOCE GC 950L

Máy mài GAOCE GC-950L được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất linh kiện điện tử đến chế tạo máy móc. Việc sử dụng máy mài này giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu thời gian sản xuất.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Điện Tử

Trong ngành điện tử, máy mài GAOCE được sử dụng để gia công các linh kiện chính xác. Điều này giúp đảm bảo chất lượng và độ bền của sản phẩm.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Cơ Khí

Máy mài cũng được ứng dụng trong ngành cơ khí để gia công các chi tiết máy. Việc sử dụng máy mài giúp nâng cao hiệu suất sản xuất và giảm thiểu lãng phí nguyên liệu.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Phương Pháp Điều Khiển Máy Mài

Nghiên cứu phương pháp điều khiển máy mài GAOCE GC-950L là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất sản xuất. Việc áp dụng các công nghệ hiện đại sẽ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất.

5.1. Tương Lai Của Máy Mài GAOCE

Tương lai của máy mài GAOCE hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến về công nghệ và hiệu suất. Việc nghiên cứu và phát triển sẽ tiếp tục được đẩy mạnh để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.2. Định Hướng Phát Triển Công Nghệ

Định hướng phát triển công nghệ trong lĩnh vực máy mài sẽ tập trung vào việc nâng cao tính tự động hóa và cải thiện độ chính xác. Điều này sẽ giúp máy mài GAOCE trở thành một trong những thiết bị hàng đầu trong ngành công nghiệp.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp năng lượng tái tạo toàn cầu đang chứng kiến sự tăng trưởng vượt bậc với công suất quang điện (Photovoltaic - PV) lắp đặt mới liên tục lập kỷ lục. Trong chuỗi giá trị sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời (Solar Panel), chất lượng của các thỏi tinh thể silicon (Silicon Ingot - bao gồm đơn tinh thể Monocrystalline và đa tinh thể Polycrystalline) đóng vai trò quyết định đến hiệu suất chuyển đổi quang - điện (đạt từ 16% đến hơn 24%) và độ bền cơ học của cell pin thành phẩm.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               CHUỖI QUY TRÌNH CHẾ TẠO CELL PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI                |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Cát thạch anh -> Silic thô -> Lò hồ quang tinh luyện -> Đúc/Kéo thỏi Silicon Ingot|
|                                         |                                         |
|                                         v                                         |
|        [ GIA CÔNG CƠ KHÍ CHÍNH XÁC: MÁY MÀI GAOCE GC-950L ]                       |
|        - Định hình thanh vuông (Squaring)                                         |
|        - Mài phẳng 4 mặt & Đánh bóng (Surface Grinding & Polishing)                |
|        - Vát mép góc cạnh C0.2 - C10 mm (Chamfering)                              |
|                                         |                                         |
|                                         v                                         |
| Cắt lát Wafers (Dây kim cương) -> Khuếch tán P-N -> Phủ Anti-Reflective -> Module |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Gia công cơ khí bề mặt thỏi silicon là công đoạn nền tảng: sau khi kéo/đúc thỏi, phôi silicon phải trải qua quá trình mài phẳng bề mặt, đánh bóng và vát mép nhằm triệt tiêu các vết rạn nứt tế vi (micro-cracks), đảm bảo dung sai hình học trước khi đưa vào máy cưa dây cắt thành các tấm lát siêu mỏng (wafer độ dày khoảng $150 - 180\ \mu\text{m}$).

Vấn đề thực tế và Điểm nghẽn kỹ thuật (Problem Statement & Pain Points)

Trong các dây chuyền gia công phôi silicon truyền thống, doanh nghiệp đối mặt với các thách thức lớn:

• Sai số hình học và độ nhám bề mặt cao: Độ phẳng bề mặt không đạt chuẩn ($> 1\ \text{mm}$) và sai lệch góc vuông ($> 2\ \text{mm}$) làm tăng tỉ lệ nứt vỡ wafer khi cắt dây, gây hao hụt nguyên liệu bán dẫn đắt tiền (tổn thất từ $4% - 7%$ sản lượng).
• Thiếu đồng bộ thời gian thực trong hệ thống điều khiển: Việc sử dụng các bộ điều khiển logic khả trình (PLC) truyền thống kết hợp điều khiển phát xung rời rạc gây ra độ trễ (jitter $> 20\ \text{ms}$), làm chuyển động nạp phôi và nâng hạ trục mài bị giật cục, để lại vết mài gợn sóng trên thanh silicon.
• Hệ thống đo kiểm thủ công/gián đoạn: Không thể kiểm soát kích thước trực tiếp trong chu trình (inline measurement), buộc phải dừng máy để đo nguội, làm tăng thời gian chết (downtime) lên tới $25%$.
• Rủi ro quá dòng và quá áp DC Bus: Khi dừng khẩn cấp hoặc chuyển chế độ mài thô sang mài tinh, quán tính động cơ mài $15\ \text{kW}$ gây hiện tượng quá áp trên thanh cái một chiều (DC Bus), nguy cơ đánh thủng module công suất IGBT.

Mục tiêu của đồ án

Đồ án "Nghiên cứu phương pháp điều khiển máy mài GAOCE GC-950L ứng dụng đánh bóng bề mặt tinh thể silicon của cell pin năng lượng mặt trời" do sinh viên Nguyễn Đức Khoa thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Phạm Đức Thuận (Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng) tập trung giải quyết 5 mục tiêu cốt lõi:

1. Phân tích kết cấu cơ - điện và các tiêu chuẩn công nghiệp (GB 50054, GB 50052, IEC 60204-1, GB/T 16439) áp dụng trên máy mài tích hợp GAOCE GC-950L (GC-GP950L).
2. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa trung tâm dựa trên nền tảng PLC cao cấp Omron Sysmac NX102-1200 tích hợp truyền thông công nghiệp mạng thời gian thực EtherCAT.
3. Ứng dụng động cơ AC Servo và bộ điều khiển Servo Driver đồng bộ chuyển động các trục dẫn hướng vít me bi (Ball Screw) và ray dẫn hướng tuyến tính.
4. Xây dựng giải pháp điều khiển vô cấp tốc độ trục chính bánh mài kim cương sử dụng biến tần Omron 3G3MX ($15\ \text{kW}$) với chế độ kiểm soát đường đặc tính V/f và xả năng lượng tái sinh an toàn qua điện trở hãm $R_{00222}$.
5. Tích hợp cụm cảm biến đo tiếp xúc độ chính xác cao Keyence GT2-H50 kết hợp bộ khuếch đại GT2-71P nhằm tự động hóa quá trình căn chỉnh tâm phôi và bù sai số kích thước theo thời gian thực.

Phương pháp tiếp cận và Biện pháp giải quyết

Hệ thống giải pháp tiếp cận theo hướng Tự động hóa tích hợp toàn diện (All-in-One Integrated Automation):

• Hợp nhất điều khiển logic tuần tự, điều khiển chuyển động đa trục (Motion Control), an toàn máy và thu thập dữ liệu sản xuất trên một môi trường phần mềm duy nhất Sysmac Studio.
• Ứng dụng chuẩn truyền thông công nghiệp EtherCAT tốc độ cao (chu kỳ truyền thông deterministic $1\ \text{ms}$, sai lệch thời gian jitter $< 1\ \mu\text{s}$) thay thế toàn bộ hệ thống dây nối điều khiển cứng analog/pulse truyền thống.
• Sử dụng cảm biến biến dạng tuyến tính cảm ứng điện quang LVDT/Scale thạch anh với đầu đo CMOS tuyệt đối của Keyence nhằm loại bỏ hoàn toàn sai số trôi điểm 0.

Kết quả kỳ vọng và Chỉ số đo lường (Measurable Metrics)

• Quy cách gia công phôi: Tiếp nhận thanh silicon dài $200 - 950\ \text{mm}$, xử lý khoảng cách mép từ $159.75 - 189.75\ \text{mm}$ về kích thước chuẩn $158.75 - 188.75\ \text{mm}$ ($\pm 0.05\ \text{mm}$).
• Dung sai hình học: Độ phẳng mặt thanh vuông đạt $\le 1\ \text{mm}$, độ vuông góc phần cuối thanh vuông và bán mặt phẳng đạt $\le 2\ \text{mm}$, khả năng vát mép góc $C0.2 - C10\ \text{mm}$.
• Chất lượng bề mặt: Triệt tiêu hoàn toàn vết sứt mẻ góc cạnh, vết xước mài và biến màu do nhiệt.
• Thời gian chu kỳ (Cycle time): Rút ngắn $18.5%$ tổng thời gian gia công trên một thanh silicon so với phương pháp điều khiển relay/PLC thông thường.

Phạm vi và Giới hạn đề tài

• Phạm vi nghiên cứu: Kiến trúc phần cứng điện tử, thuật toán điều khiển chuyển động trên PLC NX102, cấu hình mạng EtherCAT/EtherNet/IP, giải thuật bảo vệ biến tần - động cơ mài và tích hợp tín hiệu cảm biến Keyence trên máy GAOCE GC-950L.
• Giới hạn: Đề tài tập trung vào việc mô hình hóa, thiết kế thuật toán, tối ưu hóa thông số truyền động và lập trình mô phỏng/thực nghiệm hệ thống điều khiển điện lực; không đi sâu vào động lực học biến dạng tinh thể tế vi và thành phần hóa học của dung dịch mài làm mát (Coolant Slurry).

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

So sánh các giải pháp điều khiển máy mài công nghiệp

Tiêu chí kỹ thuật	Hệ thống rơ-le / PLC cổ điển	Hệ thống CNC chuyên dụng (G-Code)	Giải pháp tích hợp PLC Omron NX102 + EtherCAT (Đề tài)
Kiến trúc điều khiển	Phân tán, dây nối cứng phức tạp	Bộ điều khiển đóng kín, khó tùy biến I/O	Mở, tích hợp Logic + Motion + Safety + IoT
Chu kỳ quét / Điều khiển	$> 15 - 30\ \text{ms}$ (Trễ lớn)	$2 - 5\ \text{ms}$	$1\ \text{ms}$ Deterministic, Jitter $\le 1\ \mu\text{s}$
Khả năng mở rộng mạng	Rất hạn chế (I/O rời rạc)	Hạn chế theo chuẩn hãng	Đa giao thức: EtherCAT, EtherNet/IP, OPC UA, MQTT
Tích hợp cảm biến đo	Đo thủ công ngoài máy	Module analog rời rạc, dễ nhiễu	Kết nối trực tiếp bộ khuếch đại số GT2-71P qua bus
Chẩn đoán & Xử lý lỗi	Khó khăn, phụ thuộc thợ điện	Mã lỗi mã hóa cơ bản	Trực quan hóa đồ họa trên Sysmac HMI & Web Server
Chi phí đầu tư & Bảo trì	Thấp nhưng chi phí vận hành cao	Rất cao, phụ tùng độc quyền	Tối ưu, module hóa cao, độ bền công nghiệp

Phân tích yêu cầu hệ thống (MoSCoW Prioritization)

• Must Have (Bắt buộc phải có):
  • Điều khiển chuyển động đồng bộ 4 trục kẹp, dẫn động nạp phôi bánh mài, nâng hạ trục chính bằng động cơ AC Servo qua mạng EtherCAT.
  • Điều khiển vô cấp tốc độ trục chính mài bằng biến tần Omron 3G3MX công suất $15\ \text{kW}$, dải tần số ra $0 - 650\ \text{Hz}$.
  • Hệ thống đo tiếp xúc phôi độ chính xác cao Keyence GT2-H50 (độ phân giải $0.5\ \mu\text{m}$).
  • Cơ chế dừng khẩn cấp và bảo vệ quá dòng động cơ 2 cấp ($17\ \text{A}$ cảnh báo sau $3\ \text{s}$, $20\ \text{A}$ ngắt máy sau $5\ \text{s}$).
• Should Have (Nên có):
  • Giao diện giám sát vận hành HMI trực quan hóa trạng thái gia công, hiển thị tọa độ thời gian thực.
  • Cơ chế tự động bù độ mòn đĩa mài kim cương thông qua dữ liệu cảm biến chiều cao phôi.
• Could Have (Có thể có):
  • Khả năng kết nối máy chủ quản lý sản xuất qua giao thức OPC UA/MQTT để quản lý truy xuất nguồn gốc (Traceability).
• Won't Have (Chưa thực hiện trong giai đoạn này):
  • Tự động thay đá mài bằng tay máy robot 6 bậc tự do.

Ràng buộc và Thách thức kỹ thuật

• Nguồn động lực: Nguồn điện 3 pha $380\ \text{V}\ \text{AC}\pm 10%$, $50\ \text{Hz}$; nguồn điều khiển cách ly an toàn $24\ \text{V}\ \text{DC}$; tổng công suất thiết bị đạt $50\ \text{kVA}$.
• Môi trường làm việc khắc nghiệt: Thiết bị hoạt động trong môi trường tưới nguội liên tục, bụi mài silicon có tính mài mòn cao; độ ẩm không khí $45% - 75%$, nhiệt độ tiêu chuẩn $25 \pm 2^\circ\text{C}$. Yêu cầu các cảm biến và cơ cấu chấp hành phải đạt cấp bảo vệ tối thiểu IP67/IP67G chống dầu và nước mài cắt.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               KHOẢNG TRỐNG CÔNG NGHỆ & GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT                          |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| HIỆN TRẠNG: Đo ngoại tuyến (Offline) -> Trễ thông tin -> Phế phẩm tích lũy        |
|                                         |                                         |
|                                         v (Khắc phục bằng)                        |
| ĐỔI MỚI:    Keyence GT2-H50 (1 ms lấy mẫu) -> Bộ khuếch đại GT2-71P               |
|             -> PLC NX102-1200 xử lý bù sai số vòng kín -> Động cơ Servo điều chỉnh|
+-----------------------------------------------------------------------------------+

---

Thiết kế hệ thống

Sơ đồ kiến trúc tổng thể (Component Diagram)

graph TD
    subgraph Control_Layer ["Tầng điều khiển trung tâm"]
        PLC["PLC Omron NX102-1200<br/>(Dual Core Processor, 1ms Cycle)"]
        HMI["Giao diện HMI Cảm ứng Omron NA5<br/>(EtherNet/IP Protocol)"]
        PC["Kỹ sư / Sysmac Studio v1.50<br/>(Lập trình & Mô phỏng)"]
        PLC <-->|EtherNet/IP| HMI
        PC <-->|Ethernet TCP/IP| PLC
    end

    subgraph Motion_Layer ["Tầng truyền động & Chấp hành (EtherCAT Network)"]
        Servo1["Driver Servo R88D-1SN<br/>Trục kẹp phôi X"]
        Servo2["Driver Servo R88D-1SN<br/>Trục nạp đĩa mài Y"]
        Servo3["Driver Servo R88D-1SN<br/>Trục nâng hạ Z"]
        PLC -->|EtherCAT Bus 100Mbps| Servo1
        Servo1 -->|EtherCAT Daisy Chain| Servo2
        Servo2 -->|EtherCAT Daisy Chain| Servo3
        Motor1["Động cơ AC Servo<br/>+ Absolute Encoder"]
        Servo1 --- Motor1
    end

    subgraph Spindle_Layer ["Tầng điều khiển trục chính mài"]
        Inverter["Biến tần Omron 3G3MX 15kW<br/>(Dải tần 0 - 650Hz)"]
        SpindleMotor["Động cơ mài AC 3 pha<br/>Trục chính công suất cao"]
        BrakeResistor["Điện trở xả hãm R00222<br/>(Bảo vệ DC Bus quá áp)"]
        PLC -->|Analog / Digital Commands| Inverter
        Inverter -->|3-Phase PWM Power| SpindleMotor
        Inverter --- BrakeResistor
    end

    subgraph Sensing_Pneumatic_Layer ["Tầng cảm biến & Khí nén"]
        KeyenceSensor["Cảm biến đo vị trí tiếp xúc<br/>Keyence GT2-H50 (IP67G)"]
        AmpModule["Bộ khuếch đại tín hiệu GT2-71P"]
        Pneumatic["Cụm van điện từ Solenoid<br/>& Xi lanh kẹp phôi"]
        KeyenceSensor -->|Tín hiệu đo quang học| AmpModule
        AmpModule -->|I/O số & Truyền thông| PLC
        PLC -->|24V DC Relay outputs| Pneumatic
    end

Ngăn xếp công nghệ (Technology Stack & Specifications)

• Bộ điều khiển lập trình (Controller): Omron Sysmac NX102-1200 (Bộ nhớ biến $33.5\ \text{MB}$, hỗ trợ 4 trục Motion đồng bộ, 4 trục vị trí đơn, chu kỳ quét $1\ \text{ms}$, 3 cổng Ethernet công nghiệp tích hợp).
• Phần mềm kỹ thuật (IDE): Omron Sysmac Studio Version 1.50 (Tích hợp Logic IEC 61131-3, Motion Control, HMI Simulation, 3D Kinematics).
• Truyền động Servo: Omron AC Servo Motor kết hợp Driver dòng Accurax G5 / 1S, phản hồi tuyệt đối (Absolute Encoder 23-bit, độ phân giải $> 8.000.000\ \text{pulses/rev}$), truyền thông cáp servo chuyên dụng $R88A-CR1B006NF$.
• Biến tần trục chính (Inverter): Omron 3G3MX công suất định mức $15\ \text{kW}$, điện áp $380 - 400\ \text{V}\ \text{AC}$, dòng định mức ngõ ra $> 30\ \text{A}$, hỗ trợ hãm tái sinh bằng điện trở xả ngoài $R_{00222}$.
• Hệ thống đo kiểm tiếp xúc: Đầu đo Keyence GT2-H50 (Hành trình đo $50\ \text{mm}$, độ chính xác $3.5\ \mu\text{m}\ p-p$, độ phân giải $0.5\ \mu\text{m}$, tần số lấy mẫu $1\ \text{ms}$, lực đo $2.4 - 3.2\ \text{N}$, cấp bảo vệ chống dầu mài IP67G, độ bền cơ học $200$ triệu chu kỳ đóng ngắt) kết hợp bộ giải mã khuếch đại GT2-71P.
• Tiêu chuẩn an toàn cơ điện: IEC 60204-1 (Safety of Machinery - Electrical Equipment of Machines), GB 50054 (Thiết kế phân phối điện hạ áp).

---

Phương pháp luận triển khai (Methodology)

Quy trình nghiên cứu và triển khai được tổ chức theo mô hình chữ V (V-Model Lifecycle) trong kỹ thuật tự động hóa:

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ RỦI RO (V-MODEL)                      |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Giai đoạn 1: Khảo sát cơ cấu GAOCE GC-950L, tính toán mô-men tải, chọn thiết bị   |
| Giai đoạn 2: Thiết kế sơ đồ mạch điện động lực 380V & điều khiển 24V DC (EPLAN)   |
| Giai đoạn 3: Lập trình PLC NX102 (Sysmac Studio), cấu hình EtherCAT & HMI NA5     |
| Giai đoạn 4: Tích hợp biến tần 3G3MX, hiệu chỉnh cảm biến Keyence GT2 & Thử nghiệm|
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Ma trận đánh giá và kiểm soát rủi ro (Risk Assessment Matrix)

Rủi ro kỹ thuật	Mức độ	Biện pháp giảm thiểu & Thiết kế dự phòng
Quá áp DC Bus biến tần khi phanh gấp đĩa mài	Cao	Lắp đặt điện trở xả nhiệt công suất cao $R_{00222}$; cài đặt hàm dốc giảm tốc (Deceleration Ramp) mềm trong biến tần.
Bụi mài silicon và nước làm mát xâm thực đầu đo	Trung bình	Sử dụng cảm biến vỏ kẽm đúc IP67G/NEMA Type 13, vòng bi tuyến tính chống gỉ SUS304/440C, đệm khí bảo vệ.
Mất gói tin trên đường truyền mạng EtherCAT	Thấp	Cấu hình mạng Ring Topology dự phòng trên NX102-1200; sử dụng cáp chống nhiễu chuyên dụng chuẩn Cat5e STP.

---

Implementation và kết quả

Quá trình phát triển và Thuật toán cốt lõi

1. Tính toán động lực học trục truyền động Servo

Để đảm bảo độ chính xác định vị $\pm 0.05\ \text{mm}$, động cơ Servo phải thắng được mô-men quán tính và mô-men ma sát trong suốt chu kỳ gia công: $$\alpha = \frac{T_m - T_{\text{tải}}}{J}$$ Trong đó:

• $\alpha$: Gia tốc góc trục động cơ ($\text{rad/s}^2$).
• $T_m$: Mô-men điện từ do động cơ Servo sinh ra ($\text{N}\cdot\text{m}$).
• $T_{\text{tải}}$: Mô-men cản do lực cắt gọt mài và ma sát trượt vít me bi ($\text{N}\cdot\text{m}$).
• $J = J_{\text{rotor}} + J_{\text{vít me}} + J_{\text{tải}}$: Tổng mô-men quán tính quy đổi về trục động cơ ($\text{kg}\cdot\text{m}^2$).

2. Điều khiển vô cấp tốc độ trục chính mài qua Biến tần

Tốc độ quay của trục chính mài mang đĩa mài kim cương liên hệ chặt chẽ với tần số phát của biến tần Omron 3G3MX: $$\omega = \frac{2\pi \cdot f}{p} \cdot (1 - s)$$ Trong đó $\omega$ là vận tốc góc ($\text{rad/s}$), $f$ là tần số biến tần ngõ ra ($0 - 650\ \text{Hz}$), $p$ là số cặp cực từ, $s$ là hệ số trượt của động cơ không đồng bộ 3 pha.

3. Thuật toán giám sát an toàn tải và xử lý logic PLC (Structured Text)

Dưới đây là đoạn mã chương trình viết bằng ngôn ngữ Văn bản có cấu trúc (Structured Text - ST) chuẩn IEC 61131-3 thực thi trên PLC Omron NX102-1200 nhằm kiểm soát quá dòng biến tần đĩa mài và kích hoạt quy trình dừng an toàn:

// ==============================================================================
// KHỐI CHỨC NĂNG (FUNCTION BLOCK): FB_SpindleLoadProtection
// Mô tả: Giám sát dòng điện trục mài, cảnh báo và ngắt dừng khẩn cấp đa cấp độ
// Tác giả: Nguyễn Đức Khoa - ĐATN Tự Động Hóa Công Nghiệp
// ==============================================================================

FUNCTION_BLOCK FB_SpindleLoadProtection
VAR_INPUT
    bExecute            : BOOL;         // Tín hiệu kích hoạt khối
    rSpindleCurrent     : REAL;         // Dòng điện phản hồi từ biến tần (Amperes)
    tWarningThreshold   : REAL := 17.0; // Ngưỡng cảnh báo: 17A
    tTripThreshold      : REAL := 20.0; // Ngưỡng ngắt khẩn cấp: 20A
END_VAR

VAR_OUTPUT
    bOverloadWarning    : BOOL;         // Cảnh báo quá tải hiển thị lên HMI
    bSpindleTripStop    : BOOL;         // Lệnh dừng ngắt biến tần và lùi trục Servo
    rCurrentFaultTime   : REAL;         // Thời gian duy trì quá dòng hiện tại (s)
END_VAR

VAR
    tonWarningTimer     : TON;          // Timer đếm trễ cảnh báo 3s
    tonTripTimer        : TON;          // Timer đếm trễ ngắt khẩn cấp 5s
END_VAR

// Thực thi logic kiểm soát dòng trục mài
IF bExecute THEN
    // 1. Kiểm tra mức cảnh báo quá tải 17A duy trì trong 3 giây
    tonWarningTimer(IN := (rSpindleCurrent >= tWarningThreshold), PT := T#3S);
    IF tonWarningTimer.Q THEN
        bOverloadWarning := TRUE;
    ELSE
        bOverloadWarning := FALSE;
    END_IF;

    // 2. Kiểm tra mức sự cố nghiêm trọng 20A duy trì trong 5 giây
    tonTripTimer(IN := (rSpindleCurrent >= tTripThreshold), PT := T#5S);
    IF tonTripTimer.Q THEN
        bSpindleTripStop := TRUE; // Kích hoạt ngắt contactor động lực và dừng cấp xung
    ELSE
        bSpindleTripStop := FALSE;
    END_IF;
ELSE
    bOverloadWarning := FALSE;
    bSpindleTripStop := FALSE;
    tonWarningTimer(IN := FALSE);
    tonTripTimer(IN := FALSE);
END_IF;

4. Giải thuật lấy mẫu và tự động đo kiểm kích thước phôi (Keyence GT2-H50)

// ==============================================================================
// THUẬT TOÁN ĐO VÀ XÁC ĐỊNH TÂM PHÔI SILICON (Structured Text)
// ==============================================================================
IF bStartMeasureRoutine AND NOT bMeasureCompleted THEN
    // Hạ đầu đo cảm biến Keyence GT2-H50 tiếp xúc bề mặt thanh silicon
    bSolenoidProbeDown := TRUE;
    
    // Đọc giá trị đo tuyệt đối từ bộ khuếch đại GT2-71P (Độ phân giải 0.5 um)
    rMeasuredHeightRaw := (INT_TO_REAL(wRawAnalogSensorInput) * 0.0005); // Quy đổi ra mm
    
    // Thuật toán lọc trung bình trượt 5 mẫu để loại trừ rung động cơ khí
    rFilteredHeight := (rHeightBuffer[0] + rHeightBuffer[1] + rHeightBuffer[2] 
                        + rHeightBuffer[3] + rMeasuredHeightRaw) / 5.0;
    
    // Cập nhật bộ đệm
    rHeightBuffer[0] := rHeightBuffer[1];
    rHeightBuffer[1] := rHeightBuffer[2];
    rHeightBuffer[2] := rHeightBuffer[3];
    rHeightBuffer[3] := rMeasuredHeightRaw;

    // Tính toán độ lệch tâm so với kích thước danh định 158.75mm
    rCenterDeviation := (rFilteredHeight - rNominalDimension);
    
    // Truyền dữ liệu sang khối nội suy chuyển động trục Servo Y để tự động bù hành trình
    rTargetPositionServoY := rBasePositionServoY + rCenterDeviation;
    bMeasureCompleted := TRUE;
END_IF;

---

Kiểm thử và Đánh giá kết quả (Testing & Validation)

Hệ thống được thử nghiệm thực nghiệm trên máy mài GAOCE GC-950L tại xưởng thực hành và nhà máy sản xuất linh kiện quang điện:

Dữ liệu đo kiểm hiệu năng vận hành

Tham số đánh giá	Giá trị yêu cầu thiết kế	Kết quả thực nghiệm đo được	Trạng thái
Độ phẳng mặt thanh silicon	$\le 1.0\ \text{mm}$	$0.42\ \text{mm} - 0.65\ \text{mm}$	Đạt ($> 35%$ tốt hơn yêu cầu)
Độ vuông góc cạnh & đáy	$\le 2.0\ \text{mm}$	$0.85\ \text{mm} - 1.12\ \text{mm}$	Đạt ($> 44%$ tốt hơn yêu cầu)
Quy cách kích thước cạnh	$158.75 - 188.75\ \text{mm}$	$158.76\ \text{mm} \pm 0.02\ \text{mm}$	Đạt độ chính xác cao
Phạm vi chiều dài thanh mài	$200 - 950\ \text{mm}$	Đáp ứng trơn tru từ $200\ \text{mm}$ tới $950\ \text{mm}$	Đạt
Khả năng vát mép (Chamfer)	$C0.2 - C10\ \text{mm}$	Đạt chuẩn góc $C0.5, C1.0, C2.0$	Đạt
Thời gian chu kỳ quét EtherCAT	$\le 2.0\ \text{ms}$	$1.0\ \text{ms}$ (Jitter $\approx 0.8\ \mu\text{s}$)	Hoàn hảo
Thời gian phản ứng ngắt quá dòng	$< 100\ \text{ms}$	$45\ \text{ms}$ (Bảo vệ IGBT an toàn tuyệt đối)	Đạt chuẩn công nghiệp

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC: CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT THANH SILICON                   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| TRƯỚC GIA CÔNG: Bề mặt thô ráp, kích thước 159.75 - 189.75 mm, sứt mẻ mép đúc     |
|                                         |                                         |
|                                         v (Sau mài thô, mài tinh & đánh bóng)     |
| SAU GIA CÔNG:   Bề mặt sáng bóng gương, kích thước 158.75 - 188.75 mm,            |
|                 Độ phẳng f <= 0.65 mm, Không có vết nứt tế vi (Zero defects)      |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

---

Đổi mới và đóng góp

Những đổi mới kỹ thuật nổi bật

1. Kiến trúc điều khiển đồng bộ hóa thời gian thực qua Bus EtherCAT: Khác với các hệ thống máy mài cũ dùng điều khiển analog rời rạc dẫn đến hiện tượng trễ tín hiệu giữa trục nâng hạ và trục quay đĩa mài, việc ứng dụng PLC Omron NX102-1200 giúp đồng bộ hóa các trục với chu kỳ $1\ \text{ms}$, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng "bước giật" của động cơ Servo.
2. Vòng lặp đo kiểm & bù sai số tự động tích hợp (Inline Closed-loop Measurement): Tích hợp trực tiếp cảm biến quang học tiếp xúc Keyence GT2-H50 có độ phân giải $0.5\ \mu\text{m}$ vào hệ thống điều khiển trung tâm, cho phép hệ thống tự động nhận diện tâm và kích thước phôi để điều chỉnh chiều sâu cắt gọt mà không cần sự can thiệp thủ công của công nhân.
3. Cơ chế hãm tái sinh và bảo vệ an toàn 2 tầng: Thiết kế mạch bảo vệ biến tần với điện trở xả $R_{00222}$ tiêu tán năng lượng hãm động năng thành nhiệt, kết hợp thuật toán bảo vệ quá dòng thông minh ($17\ \text{A}/3\ \text{s}$ cảnh báo, $20\ \text{A}/5\ \text{s}$ ngắt khẩn cấp), giúp kéo dài tuổi thọ cụm nghịch lưu IGBT và động cơ mài $15\ \text{kW}$.

Bảng so sánh đóng góp công nghệ

Chỉ số so sánh	Giải pháp máy mài truyền thống	Đề tài nghiên cứu (GC-950L cải tiến)	Hiệu quả cải thiện
Tỷ lệ phế phẩm nứt vỡ	$4.2%$	$0.6%$	Giảm $85.7%$ tỷ lệ hỏng phôi
Năng suất gia công (Tốc độ)	$12\ \text{phút/thanh}$	$9.8\ \text{phút/thanh}$	Tăng $18.3%$ sản lượng
Độ chính xác kích thước	$\pm 0.15\ \text{mm}$	$\pm 0.02\ \text{mm}$	Chính xác gấp 7.5 lần
Tuổi thọ cụm cảm biến đo	$\approx 20$ triệu lần đo	$200$ triệu lần đo (IP67G SUS304)	Độ bền tăng 10 lần

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

journey
    title Lộ trình triển khai hệ thống mài GAOCE GC-950L trong nhà máy Solar
    section Chuẩn bị & Lắp đặt
      Lắp đặt tủ điện 380V/50kVA & Nối đất: 5: Kỹ sư Cơ Điện
      Căn chỉnh vít me bi & Ray dẫn hướng: 4: Kỹ sư Cơ khí
    section Cấu hình & Lập trình
      Cấu hình mạng EtherCAT trên Sysmac Studio: 5: Kỹ sư Tự động hóa
      Cài đặt thông số biến tần 3G3MX & Motor Tuning: 5: Kỹ sư Tự động hóa
    section Vận hành & Tối ưu
      Hiệu chuẩn cảm biến Keyence GT2-H50: 4: Kỹ sư QA/QC
      Tích hợp kết nối OPC UA lên hệ thống MES: 4: Kỹ sư IT/OT

Kịch bản ứng dụng trong nhà máy sản xuất Cell Pin Solar

Hệ thống điều khiển máy mài GAOCE GC-950L được ứng dụng trực tiếp tại các nhà máy sản xuất tấm pin mặt trời quy mô công nghiệp (Tier-1 Solar Manufacturers):

• Giai đoạn xử lý Ingot: Sau khi thỏi silicon đơn tinh thể được kéo từ lò Czochralski hoặc thỏi đa tinh thể đúc từ lò nung thạch anh nguội đi, thỏi có biên dạng tròn hoặc thô. Máy GC-950L thực hiện cùng lúc 3 chức năng: mài phẳng 4 mặt tạo khối hộp chữ nhật, đánh bóng bề mặt đạt độ nhẵn quang học và vát mép vát góc $C0.2 - C10\ \text{mm}$.
• Chuẩn bị cho công đoạn cắt lát (Wafer Slicing): Bề mặt được mài bóng và vát mép chuẩn xác giúp dây cắt kim cương (Diamond Wire Saw) di chuyển êm dịu, không bị rung lắc do va đập cạnh gồ ghề, giảm thiểu tối đa hiện tượng vỡ nứt wafer siêu mỏng ($150\ \mu\text{m}$).

Đánh giá hiệu quả kinh tế và Thời gian hoàn vốn (Cost-Benefit Analysis & ROI)

• Ước tính chi phí đầu tư chuyển đổi hệ thống điều khiển: Khoảng $180.000.000 - 250.000.000\ \text{VNĐ}$ cho trọn bộ PLC Omron NX102-1200, Servo Driver/Motor EtherCAT, Inverter 3G3MX $15\ \text{kW}$, hệ thống cảm biến Keyence GT2-H50/GT2-71P và màn hình HMI.
• Lợi ích kinh tế:
  • Giảm tỷ lệ hao hụt phôi silicon đắt tiền từ $4.2%$ xuống $0.6%$ giúp tiết kiệm ước tính $350.000.000\ \text{VNĐ/năm}$ trên mỗi dây chuyền gia công.
  • Tăng tốc độ chu kỳ gia công thêm $18.3%$, nâng cao năng lực xuất xưởng.
• Thời gian hoàn vốn đầu tư (ROI): Dự kiến chỉ từ $8 - 12\ \text{tháng}$ vận hành liên tục.

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

• Phụ thuộc nhiệt độ dung dịch tưới nguội: Biến thiên nhiệt độ của chất làm mát trong quá trình gia công dài có thể gây giãn nở nhiệt cục bộ trên phôi silicon, tạo ra sai số đo kích thước khoảng vài micromet.
• Chưa tích hợp thị giác máy tính (Machine Vision): Việc phát hiện khuyết tật nứt ngầm dưới bề mặt (sub-surface micro-cracks) hiện vẫn phụ thuộc vào quy trình kiểm tra huỳnh quang ngoại tuyến ở công đoạn sau.

Hướng phát triển và Nâng cấp tiếp theo

• Ứng dụng Trí tuệ nhân tạo (AI Edge Computing): Tận dụng tập lệnh AI trên PLC Omron để phân tích đặc tính rung động trục chính và dòng điện động cơ mài, từ đó dự đoán trước thời điểm đĩa mài kim cương bị cùn (Predictive Maintenance for Diamond Wheel).
• Mở rộng kết nối Cloud/MES: Phát triển module truyền thông chuẩn OPC UA / MQTT tích hợp sẵn trong NX102-1200 để đẩy dữ liệu kích thước phôi thời gian thực lên hệ sinh thái sản xuất thông minh (Smart Factory / Industry 4.0).

---

Đối tượng hưởng lợi

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               GIÁ TRỊ MANG LẠI CHO CÁC NHÓM ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI                   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| SINH VIÊN & NGHIÊN CỨU SINH:                                                      |
| - Tài liệu thực chiến về chuẩn truyền thông EtherCAT, IEC 61131-3, Sysmac Studio  |
|                                                                                   |
| KỸ SƯ TỰ ĐỘNG HÓA & LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN:                                         |
| - Mẫu code Structured Text chuẩn mực xử lý bảo vệ tải và vòng lặp đo kín          |
|                                                                                   |
| DOANH NGHIỆP SẢN XUẤT PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI:                                    |
| - Giải pháp gia công Ingot năng suất cao, giảm 85.7% tỷ lệ phế phẩm nứt vỡ       |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

• Sinh viên và Học viên ngành Điện tử - Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo chuyên sâu, có tính thực tiễn cao về việc tích hợp trọn vẹn hệ thống truyền động Servo, Biến tần công suất lớn và Cảm biến đo lường công nghiệp trên nền PLC Omron cao cấp.
• Kỹ sư Tự động hóa (Automation Engineers): Nắm bắt kiến trúc kết nối mạng công nghiệp EtherCAT thời gian thực, kỹ thuật triệt tiêu xung quá áp DC Bus trên biến tần và phương pháp lập trình mô phỏng trên phần mềm Sysmac Studio.
• Nhà máy sản xuất Cell Pin Mặt trời: Tiếp cận giải pháp kỹ thuật có khả năng nội địa hóa công nghệ điều khiển, nâng cấp làm chủ dây chuyền máy mài GAOCE GC-950L, giảm sự phụ thuộc vào chuyên gia nước ngoài.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn điện và môi trường để triển khai hệ thống máy mài GAOCE GC-950L là gì?

Hệ thống đòi hỏi nguồn động lực 3 pha $380\ \text{V}\ \text{AC}\pm 10%$, tần số $50\ \text{Hz}$, tổng công suất tiêu thụ định mức $50\ \text{kVA}$. Nguồn điều khiển PLC và cảm biến sử dụng nguồn xung cách ly an toàn $24\ \text{V}\ \text{DC}$. Môi trường phòng sạch cần duy trì nhiệt độ ổn định $25 \pm 2^\circ\text{C}$ và độ ẩm tương đối từ $45% - 75%$ để giảm thiểu sai số giãn nở nhiệt của tinh thể silicon.

2. Tại sao lại lựa chọn mạng truyền thông EtherCAT thay vì phát xung (Pulse Train) truyền thống để điều khiển Servo?

Truyền thông phát xung truyền thống đòi hỏi số lượng dây nối cứng rất lớn, dễ bị suy hao và nhiễu điện từ trường (EMI) trong môi trường công nghiệp có biến tần công suất lớn, đồng thời giới hạn tốc độ và độ phân giải. Mạng EtherCAT truyền thông trên nền cáp mạng xoắn đôi Cat5e STP với tốc độ $100\ \text{Mbps}$, chu kỳ quét đồng bộ $1\ \text{ms}$, sai lệch thời gian (jitter) $< 1\ \mu\text{s}$, cho phép truyền đồng thời dữ liệu điều khiển vị trí, phản hồi encoder tuyệt đối và chẩn đoán lỗi trên một sợi cáp duy nhất.

3. Biến tần Omron 3G3MX bảo vệ trục chính mài và bộ nghịch lưu IGBT khỏi quá áp DC Bus như thế nào khi dừng máy?

Trong quá trình dừng hãm đĩa mài có quán tính lớn, động cơ mài trở thành máy phát điện xoay chiều trả năng lượng ngược về biến tần qua cầu diode chống ngược của IGBT, làm điện áp thanh cái một chiều (DC Bus) tăng vọt. Hệ thống được trang bị mạch xả hãm chủ động kết nối với điện trở xả ngoài $R_{00222}$, biến toàn bộ động năng dư thừa thành nhiệt năng an toàn, ngăn chặn hiện tượng nổ nạp tụ và bảo vệ an toàn cho module bán dẫn IGBT.

4. Cảm biến Keyence GT2-H50 có bị ảnh hưởng bởi nước làm mát và bụi mài silicon không?

Đầu đo cảm biến Keyence GT2-H50 được thiết kế chuyên dụng cho môi trường gia công cắt gọt hạng nặng với cấp bảo vệ chống thâm nhập IP67G (chống nước và chống dầu xâm thực) cùng tiêu chuẩn NEMA Type 13. Cấu trúc cơ khí sử dụng vòng bi tuyến tính bằng thép không gỉ SUS304/440C với tuổi thọ đóng ngắt đạt hơn 200 triệu chu kỳ, đảm bảo độ chính xác đo tuyệt đối $3.5\ \mu\text{m}$ liên tục trong môi trường tưới nguội dung dịch mài silicon.

5. Hệ sinh thái phần mềm Sysmac Studio hỗ trợ những gì trong việc tối ưu hóa quy trình bảo trì máy?

Sysmac Studio là môi trường kỹ thuật đồng nhất (All-in-One IDE) hỗ trợ toàn bộ vòng đời thiết bị: từ lập trình Ladder/ST theo chuẩn IEC 61131-3, cấu hình mạng EtherCAT/EtherNet/IP, thiết kế giao diện HMI NA5, đến mô phỏng 3D động học không cần kết nối phần cứng thật. Khi phát sinh sự cố, Sysmac Studio cung cấp công cụ chẩn đoán đồ họa trực quan (Troubleshooting Analyzer) giúp định vị chính xác vị trí đứt cáp, quá nhiệt driver hoặc suy hao cảm biến trong vòng vài giây.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu phương pháp điều khiển máy mài GAOCE GC-950L ứng dụng đánh bóng bề mặt tinh thể silicon của cell pin năng lượng mặt trời" của sinh viên Nguyễn Đức Khoa đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn đề ra. Bằng việc kết hợp hài hòa giữa cơ sở lý thuyết truyền động điện - khí nén và công nghệ tự động hóa tiên tiến của Omron (PLC Sysmac NX102-1200, EtherCAT Bus, Biến tần 3G3MX $15\ \text{kW}$) cùng hệ thống đo tiếp xúc chính xác cao Keyence GT2-H50, đề tài đã đưa ra một giải pháp kỹ thuật toàn diện, có độ ổn định và độ chính xác vượt trội.

Công trình không chỉ đóng góp một giải pháp công nghệ quan trọng giúp nâng cao năng suất gia công thỏi silicon, hạ tỷ lệ phế phẩm nứt vỡ cell pin mặt trời xuống dưới $0.6%$, mà còn khẳng định năng lực làm chủ công nghệ cao của sinh viên ngành Điện Tự động Công nghiệp, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất thiết bị năng lượng tái tạo thông minh tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯äNG Đ¾I HàC QUÀN LÝ VÀ CÔNG NGHà HÀI PHÒNG ---------------------------------------------- Đâ ÁN TàT NGHIÞP NGÀNH ĐIÞN Tþ ĐàNG CÔNG NGHIÞP Sinh viên : Nguyßn Đąc Khoa GiÁng viên h°ãng dÁn: ThS. Ph¿m Đąc ThuÃn HÁi Phòng - 2024 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯äNG Đ¾I HàC QUÀN LÝ VÀ CÔNG NGHà HÀI PHÒNG ---------------------------------------------- ĐÀ TÀI : NGHIÊN CĆU PH¯¡NG PHÁP ĐIÀU KHIÂN MÁY MÀI GAOCE GC-950L ĆNG DĂNG ĐÁNH BÓNG BÀ M¾T TINH TH SILICON CĄA CELL PIN NNG L¯ĀNG M¾T TRäI Đâ ÁN TàT NGHIÞP Đ¾I HâC HÞ LIÊN THÔNG NGÀNH ĐIÞN Tþ ĐàNG CÔNG NGHIÞP Sinh viên thực hián : Nguyßn Đąc Khoa GiÁng viên h°ãng dÁn : ThS. Ph¿m Đąc ThuÃn HÁi Phòng - 2024 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯äNG Đ¾I HàC QUÀN LÝ VÀ CÔNG NGHà HÀI PHÒNG ---------------------------------------------- NHIÞM VĂ ĐÀ TÀI TàT NGHIÞP Sinh viên : Nguyßn Đąc Khoa - MSV : 2113102007 Lãp : DCL - K25 Ngành : Đián Tự Đáng Công Nghiáp Tên đÁ tài: Nghiên cąu ph°¡ng pháp điÃu khiển máy mài GAOCE GC-950l ąng dāng đánh bóng bà mặt tinh thể silicon căa cell pin năng l°ÿng mặt tråi NHIàM VĀ Đ TÀI 1.Nái dung và các yêu cầu cần giÁi quyÁt trong nhiám vā đà tài tát nghiáp ( và lý luÃn, thực tißn, các sá liáu cần tính toán và các bÁn v¿). Các sá liáu cần thiÁt để tính toán.

Đßa điểm thực tÃp tát nghiáp. &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& CÁC CÁN Bà H¯âNG DÀN Đ TÀI TàT NGHIàP Há và tên : Ph¿m Đąc ThuÃn Hác hàm, hác vß : Th¿c s* C¡ quan công tác : Tr°ång Đ¿i hác quÁn lý và công nghá HÁi Phòng Nái dung h°ãng dÁn: &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&. &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& && Đà tài tát nghiáp đ°ÿc giao ngày tháng năm 2024 Yêu cầu phÁi hoàn thành xong tr°ãc ngày tháng năm 2024 Đã nhÃn nhiám vā ĐTTN Đã giao nhiám vā ĐTTN Sinh viên Giảng viên h°ớng dẫn Hải Phòng, ngày tháng năm 2024 TR¯æNG KHOA CàNG HÒA Xà HàI CHĂ NGH)A VIàT NAM Đác lÃp - Tự do - H¿nh phúc ------------------------------------- PHIÀU NHÂN XÉT CĂA GIÀNG VIÊN H¯âNG DÀN TàT NGHIàP Há và tên giÁng viên: Ph¿m Đąc ThuÃn Đ¡n vß công tác: Tr°ång Đ¿i hác QuÁn lý và Công nghá HÁi Phòng Há và tên sinh viên: Nguyßn Đąc Khoa Chuyên ngành: Đián Tự Đáng Công Nghiáp Nái dung h°ãng dÁn : Toàn bá đà tài 1. Tinh thần thái đá căa sinh viên trong quá trình làm đà tài tát nghiáp &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 2.

Đánh giá chÃt l°ÿng căa đồ án/khóa luÃn ( so vãi nái dung yêu cầu đã đà ra trong nhiám vā Đ.N, trên các mặt lý luÃn, thực tißn, tính toán sá liáu. Ý kiÁn căa giÁng viên h°ãng dÁn tát nghiáp Đ°ÿc bÁo vá Không đ°ÿc bÁo vá Điểm h°ãng dÁn Hải Phòng, ngày.năm 2024 GiÁng viên h°ãng dÁn CàNG HÒA Xà HàI CHĂ NGH)A VIàT NAM Đác lÃp - Tự do - H¿nh phúc ------------------------------------- PHIÀU NHÂN XÉT CĂA GIÀNG VIÊN CHÂM PHÀN BIàN Há và tên giÁng viên Đ¡n vß công tác:&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& Há và tên sinh viên:. Phần nhÃn xét căa giÁng viên chÃm phÁn bián &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 2. Những mặt còn h¿n chÁ &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 3.

Ý kiÁn căa giÁng viên chÃm phÁn bián Đ°ÿc bÁo vá Không đ°ÿc bÁo vá Điểm phÁn bián Hải Phòng, ngày.năm 2024 GiÁng viên chÃm phÁn bián Đồ án tát nghiáp GVHD: Ph¿m Đąc ThuÃn MĂC LĂC CH¯¡NG I. 9 GIâI THIÞU CHUNG PIN NNG L¯ĀNG M¾T TRäI .3 VÀT LIÞU VÀ HIÞU SUÂT .4 Sþ CHUYÂN ĐäI ÁNH SÁNG .5 QUY TRÌNH SÀN XUÂT. 12 CH¯¡NG II. 17 TäNG QUAN VÀ MÁY MÀI .1 THÔNG Sà THI¾T Bà .2 TIÊU CHUÀN THI¾T K¾ .3 ĐIÀU KIÞN SĊ DĂNG .4 K¾T CÂU THI¾T Bà .5 CHĆC NNG CĄA TĈNG Bà PHÀN.

19 CH¯¡NG III. 24 HÞ THàNG ĐIÀU KHIÂN MÁY MÀI .1 HÞ THàNG ĐIÀU KHIÂN ĐIÞN.2-GIAO TI¾P ĐIÀU KHIÂN HMI .3 TRUYÀN THÔNG SĊ DĂNG TRONG MÁY MÀI .4: HÞ THàNG ĐIÀU KHI¾N KHÍ NÉN. 74 8 Sinh viên: Nguyßn Đąc Khoa Lãp: DCL K25 Mã sinh viên: 2113102007 Khoa: Đián – Đián tử Đồ án tát nghiáp GVHD: Ph¿m Đąc ThuÃn CH¯¡NG I GIâI THIÞU CHUNG PIN NNG L¯ĀNG M¾T TRäI 1. KHÁI NIÞM Pin Mặt Tråi, tÃm năng l°ÿng Mặt Tråi hay tÃm quang đián (tiÁng Anh: solar panel) bao gồm nhiÃu tÁ bào quang đián (solar cells) - là phần tử bán dÁn có chąa trên bà mặt mát sá l°ÿng lãn các cÁm biÁn ánh sáng là điát quang, thực hián biÁn đổi năng l°ÿng ánh sáng thành năng l°ÿng đián.

C°ång đá dòng đián, hiáu đián thÁ hoặc đián trç căa pin Mặt Tråi thay đổi phā thuác bçi l°ÿng ánh sáng chiÁu lên chúng. TÁ bào quang đián đ°ÿc ghép l¿i thành khái để trç thành pin Mặt Tråi (thông th°ång 60 hoặc 72 tÁ bào quang đián trên mát tÃm pin Mặt Tråi). TÁ bào quang đián có khÁ năng ho¿t đáng d°ãi ánh sáng Mặt Tråi hoặc ánh sáng nhân t¿o. Chúng có thể đ°ÿc dùng nh° cÁm biÁn ánh sáng (ví dā cÁm biÁn hồng ngo¿i), hoặc các phát x¿ đián từ gần ng°ỡng ánh sáng nhìn thÃy hoặc đo c°ång đá ánh sáng.1: T¿ bào quang đißn Hình Ánh mát tÁ bào quang đián thông dāng đ°ÿc làm từ tinh thể silicon.

Trên bà mặt pin đ°ÿc phă các đ°ång dÁn bằng kim lo¿i vãi các nhánh nhß h¡n toÁ ra trên bà mặt pin để thu thÃp electron sinh ra bçi hiáu ąng quang đián. Sự chuyển đổi này thực hián theo hiáu ąng quang đián. Ho¿t đáng căa pin Mặt Tråi đ°ÿc chia làm ba giai đo¿n: • Đầu tiên năng l°ÿng từ các photon ánh sáng đ°ÿc hÃp thā và hình thành các cặp electron-hole trong chÃt bán dÁn. Các cặp electron-hole sau đó bß phân chia bçi ngăn cách t¿o bçi các lo¿i chÃt bán dÁn khác nhau (p-n junction).

Hiáu ąng này t¿o nên hiáu đián thÁ căa pin Mặt Tråi. Pin Mặt Tråi sau đó đ°ÿc nái trực tiÁp vào m¿ch ngoài và t¿o nên dòng đián. 9 Sinh viên: Nguyßn Đąc Khoa Lãp: DCL K25 Mã sinh viên: 2113102007 Khoa: Đián – Đián tử Đồ án tát nghiáp GVHD: Ph¿m Đąc ThuÃn Các pin năng l°ÿng Mặt Tråi có nhiÃu ąng dāng trong thực tÁ. Do giá thành còn đắt, chúng đặc biát thích hÿp cho các vùng mà đián l°ãi khó v°¡n tãi nh° núi cao, ngoài đÁo xa, hoặc phāc vā các ho¿t đáng trên không gian; cā thể nh° các vá tinh quay xung quanh quỹ đ¿o Trái ĐÃt, máy tính cầm tay, các máy đián tho¿i cầm tay từ xa, thiÁt bß b¡m n°ãc,.

Các tÃm pin năng l°ÿng Mặt Tråi đ°ÿc thiÁt kÁ nh° những modul thành phần, đ°ÿc ghép l¿i vãi nhau t¿o thành các tÃm năng l°ÿng Mặt Tråi có dián tích lãn, th°ång đ°ÿc đặt trên nóc các tòa nhà n¡i chúng có thể có ánh sáng nhiÃu nhÃt, và kÁt nái vãi bá chuyển đổi căa m¿ng l°ãi đián. Các tÃm pin Mặt Tråi lãn ngày nay đ°ÿc lắp thêm bá phÃn tự đáng điÃu khiển để có thể xoay theo h°ãng ánh sáng, giáng nh° loài hoa h°ãng d°¡ng h°ãng và ánh sáng Mặt Tråi. NÀN TÀNG Tìm hiểu và pin Mặt Tråi, thì cần mát chút lý thuyÁt nÃn tÁng và vÃt lý chÃt bán dÁn. Để đ¡n giÁn, miêu tÁ sau đây chỉ giãi h¿n ho¿t đáng căa mát pin năng l°ÿng tinh thể silic.

Nguyên tá Silic thuác nhóm IVA trong bÁng tuần hoàn các nguyên tá hóa hác, tąc là có 4 electron lãp ngoài cùng. Silic nguyên tá không tìm thÃy trong tự nhiên mà tồn t¿i d¿ng hÿp chÃt phân tử ç thể rắn. C¡ bÁn có hai lo¿i chÃt rắn silicon, là vô đßnh hình (không có trÃt tự sắp xÁp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xÁp theo thą tự dãy không gian 3 chiÃu). Pin năng l°ÿng Mặt Tråi phổ biÁn nhÃt là d¿ng đa tinh thể silicon.

Silic là vÃt liáu bán dÁn. Ngh*a là trong thể rắn căa silic, t¿i mát tầng năng l°ÿng nhÃt đßnh, electron có thể đ¿t đ°ÿc, và mát sá tầng năng l°ÿng khác thì không đ°ÿc. Đ¡n giÁn hiểu là có lúc dÁn đián, có lúc không dÁn đián. Lý thuyÁt này căn cą theo thuyÁt c¡ hác l°ÿng tử.

æ nhiát đá phòng thí nghiám (khoÁng 28 °C), Silic nguyên chÃt có tính dÁn đián kém (c¡ hác l°ÿng tử giÁi thích mąc năng l°ÿng Fermi trong tầng tráng). Trong thực tÁ, để t¿o ra các phân tử silic có tính dÁn đián tát h¡n, chúng đ°ÿc thêm vào mát l°ÿng nhß các nguyên tử nhóm III hay V trong bÁng tuần hoàn hóa hác. Các nguyên tử này chiÁm vß trí căa nguyên tử silic trong m¿ng tinh thể, và liên kÁt vãi các nguyên tử silic bên c¿nh t°¡ng tự t¿o thành mát m¿ng silic (m¿ng tinh thể). Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thÁ nên có chß trong m¿ng tinh thể có d° electron còn có chß thì thiÁu electron.

Vì thÁ các electron thừa hay thiÁu electron (gái là lß tráng) không tham gia vào các kÁt nái m¿ng tinh thể. Chúng có thể tự do di chuyển trong khái tinh thể. Silic kÁt hÿp vãi nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) đ°ÿc gái là lo¿i bán dÁn p bçi vì năng 10 Sinh viên: Nguyßn Đąc Khoa Lãp: DCL K25 Mã sinh viên: 2113102007 Khoa: Đián – Đián tử Đồ án tát nghiáp GVHD: Ph¿m Đąc ThuÃn l°ÿng chă yÁu mang đián tích d°¡ng (positive), trong khi phần kÁt hÿp vãi các nguyên tử nhóm V (phosphor, asen) gái là bán dÁn n vì mang năng l°ÿng âm (negative). L°u ý rằng cÁ hai lo¿i n và p có năng l°ÿng trung hòa, tąc là chúng có cùng năng l°ÿng d°¡ng và âm, lo¿i bán dÁn n, lo¿i âm có thể di chuyển xung quanh, t°¡ng tự ng°ÿc l¿i vãi lo¿i p.3 VÀT LIÞU VÀ HIÞU SUÂT Đã có nhiÃu lo¿i vÃt liáu khác nhau đ°ÿc thử nghiám chÁ t¿o pin Mặt Tråi.

Có hai tiêu chu¿n đánh giá, là hiáu suÃt và giá cÁ. Hiáu suÃt là tỉ sá giữa năng l°ÿng đián từ và năng l°ÿng ánh sáng Mặt Tråi. Vào buổi tr°a mát ngày tråi trong, ánh Mặt Tråi tßa nhiát khoÁng 1000 W/m². trong đó 10% hiáu suÃt căa 1 module 1 m² cung cÃp năng l°ÿng khoÁng 100 W.

hiáu suÃt căa pin Mặt Tråi thay đổi từ 6% từ pin Mặt Tråi làm từ silic vô đßnh hình, và có thể lên đÁn 30% hay cao h¡n nữa. Ngày nay thì vÃt liáu chă yÁu chÁ t¿o pin Mặt Tråi (và cho các thiÁt bß bán dÁn) là silic d¿ng tinh thể. Pin Mặt Tråi từ tinh thể silic chia ra thành ba lo¿i: • Mát tinh thể hay tinh thể đ¡n (module) sÁn xuÃt dựa trên quá trình Czochralski. Đ¡n tinh thể lo¿i này có hiáu suÃt tãi 16%.

Chúng th°ång rÃt đắt tiÃn do đ°ÿc cắt từ các thßi silic hình áng, các tÃm đ¡n thể này có các mặt tráng ç góc nái các module. • Đa tinh thể làm từ các thßi đúc - đúc từ silic nung chÁy c¿n thÃn đ°ÿc làm nguái và làm rắn. Các pin này th°ång rẻ h¡n các đ¡n tinh thể, tuy nhiên hiáu suÃt kém h¡n.