Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp chế tạo sản phẩm polymer và nhựa kỹ thuật đóng vai trò then chốt trong chuỗi cung ứng toàn cầu, chiếm hơn 15% tổng giá trị ngành công nghiệp phụ trợ tại Việt Nam với tốc độ tăng trưởng bình quân đạt 10–12%/năm. Tuy nhiên, phần lớn các thiết bị gia công ép phun quy mô nhỏ hoặc thiết bị nghiên cứu thí nghiệm trong các cơ sở đào tạo hiện nay vẫn phụ thuộc vào hệ thống điều khiển rơ-le cơ điện truyền thống hoặc các mạch vi điều khiển rời rạc. Những hạn chế này gây ra tình trạng bất ổn định về nhiệt độ hóa dẻo, sai số áp suất kẹp khuôn và nguy cơ phế phẩm cao (co ngót, bavia, biến dạng sản phẩm).

Đề tài "Nghiên cứu và điều khiển hệ thống máy phun ép nhựa thủy lực" được xây dựng nhằm giải quyết triệt để các rào cản kỹ thuật trên, tích hợp nền tảng điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller) công nghiệp với hệ thống chấp hành thủy lực công suất lớn, mang lại giải pháp máy ép nhựa mini có độ chính xác cao, vận hành an toàn và tối ưu hóa chi phí chế tạo.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ MÁY PHUN ÉP NHỰA THỦY LỰC                |
+-------------------------------------------------------------------------+
|                                                                         |
|  [ Phễu Cấp Liệu ]                                                      |
|         │                                                               |
|         ▼                                                               |
|  [ Khoang Chứa / Nòng Trục Vít (Heater Band + Pt100) ]                  |
|         │ (Hóa dẻo T <= 240°C)                                          |
|         ▼                                                               |
|  [ Trục Vít Phun (L/D = 20:1) ] ───> [ Đầu Phun / Cuống Phun ]          |
|                                                │                        |
|                                                ▼                        |
|  [ Xy lanh Ép 2A ] ───(Lực kẹp khuôn)───> [ Bộ Khuôn ] <── [ Xy lanh 1A]
|                                                │                        |
|                                                ▼                        |
|                                      [ Thành Phẩm Nhựa ]                |
+-------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế kết cấu cơ khí - thủy lực: Tính toán và lựa chọn cơ cấu chấp hành thủy lực bao gồm 02 xy lanh thủy lực tác động kép (Xy lanh ép khuôn 1A hành trình $250\text{ mm}$, xy lanh ép phun 2A hành trình $100\text{ mm}$) và cụm trục vít đùn hóa dẻo tỷ lệ $L/D = 20:1$.
  2. Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ: Tích hợp vòng gia nhiệt điện trở công suất $380\text{ W}$ cùng cảm biến nhiệt điện trở RTD Pt100 (dải đo $0–400^\circ\text{C}$) nhằm kiểm soát chính xác vùng nhiệt độ nóng chảy cho hạt nhựa PP/PE/ABS tại ngưỡng $\le 240^\circ\text{C}$.
  3. Phát triển chương trình điều khiển tự động hóa: Xây dựng thuật toán điều khiển tuần tự trên PLC Siemens S7-1200, xử lý tín hiệu liên động an toàn và điều khiển van điện từ thủy lực qua môi trường TIA Portal.
  4. Vận hành và tối ưu hóa chu trình: Đảm bảo chu kỳ ép phun diễn ra tuần hoàn khép kín, thời gian một chu trình ổn định dưới $60\text{ giây}$, giảm thiểu tỷ lệ lỗi phế phẩm xuống dưới $2%$.

Phạm vi và giới hạn kỹ thuật

  • Đối tượng gia công: Nhựa nhiệt dẻo dạng hạt (PP, PE, ABS).
  • Áp lực làm việc định mức: Hệ thống thủy lực vận hành ở áp suất tính toán với lực đẩy yêu cầu $F = 30{,}000\text{ N}$.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào mô hình máy phun ép nhựa thủy lực mini ứng dụng trong nghiên cứu thực nghiệm, đào tạo kỹ thuật cơ điện tử và chế tạo thử nghiệm sản phẩm mẫu kích thước nhỏ.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi tiến hành thiết kế hệ thống mới, nhóm nghiên cứu đã tiến hành đánh giá chi tiết các giải pháp điều khiển máy ép phun hiện hành:

Tiêu chí so sánh Hệ thống Rơ-le Cơ Điện Truyền Thống Hệ thống Vi điều khiển (Arduino/STM32) Giải pháp Đề xuất: PLC Siemens S7-1200 & Thủy lực
Độ tin cậy công nghiệp Thấp (tiếp điểm cơ khí dễ mòn, hồ quang điện) Trung bình (dễ bị nhiễu điện từ từ van cuộn coil) Rất cao (chuẩn công nghiệp chống nhiễu EMC, IP20)
Khả năng kiểm soát chu trình Cố định, khó thay đổi thời gian trễ Linh hoạt nhưng thiếu bảo vệ phần cứng tích hợp Hoàn toàn lập trình được, giám sát thời gian thực qua PROFINET
Độ an toàn vận hành Kém (khó tích hợp liên động khóa nhiệt an toàn) Phụ thuộc hoàn toàn vào code phần mềm Tích hợp liên động phần cứng + ngắt khẩn cấp cấp độ công nghiệp
Khả năng mở rộng (I/O & SCADA) Gần như không thể Cần thiết kế thêm mạch giao tiếp ngoại vi Tích hợp cổng Ethernet TCP/IP, mở rộng module SM/SB dễ dàng

Ma trận ưu tiên yêu cầu kỹ thuật (MoSCoW)

  • Must-have (Bắt buộc): Khóa liên động nhiệt độ (Interlock: Chỉ cho phép xy lanh hoạt động khi nhiệt độ nòng đạt $\le 240^\circ\text{C}$); Cơ cấu kẹp khuôn đạt lực đẩy $F \ge 30{,}000\text{ N}$; Nút dừng khẩn cấp ngắt toàn bộ nguồn nhiệt và áp lực thủy lực.
  • Should-have (Nên có): Tự động hóa chu trình chuyển tiếp giữa xy lanh 1A (cảm biến 1S2) và xy lanh 2A (cảm biến 2S1); Động cơ quay định lượng hóa dẻo trong $50\text{ giây}$.
  • Could-have (Có thể mở rộng): Kết nối HMI giám sát trạng thái trực quan; Giao tiếp mạng công nghiệp PROFINET.
  • Won't-have (Chưa thực hiện ở giai đoạn này): Điều khiển van tỉ lệ servo thủy lực vòng kín (Closed-loop Proportional Valve).

Thiết kế hệ thống

+─────────────────────────────────────────────────────────────────────────+
|                    KIẾN TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÀ CƠ ĐIỆN                      |
+─────────────────────────────────────────────────────────────────────────+
|                                                                         |
|  [ Nguồn 220VAC ] ──> [ MCB / Aptomat Chống Giật ] ──> [ Nguồn 24VDC ]  |
|                                                               │         |
|  ┌────────────────────────────────────────────────────────────┘         |
|  ▼                                                                      |
|  [ PLC SIEMENS S7-1200 (CPU 1214C / 1212C / 1211C) ]                    |
|    │                                                                    |
|    ├── Input: Nút nhấn ON/OFF/START, Công tắc hành trình 1S2, 2S1       |
|    ├── Input Analog / Chuyển đổi: Cảm biến nhiệt điện trở Pt100 RTD     |
|    │                                                                    |
|    ├── Output Q0.0 ──> [ Rơ-le Omron MK3P-I ] ──> [ Vòng nhiệt 380W ]  |
|    ├── Output Q0.1 ──> [ Rơ-le Trung Gian ]   ──> [ Van 4/3 Cuộn 1 (1A)]|
|    ├── Output Q0.2 ──> [ Rơ-le Trung Gian ]   ──> [ Van 4/3 Cuộn 2 (1A)]|
|    ├── Output Q0.3 ──> [ Rơ-le Trung Gian ]   ──> [ Van 4/2 Cuộn Coil ] |
|    └── Output Q0.4 ──> [ Khởi Động Từ / Rơ-le]──> [ Động cơ Trục Vít ]  |
|                                                                         |
+─────────────────────────────────────────────────────────────────────────+

1. Tính toán và thiết kế động lực Thủy lực

Lực đẩy hoặc kéo sinh ra trên piston xy lanh thủy lực được tính toán theo biểu thức cơ bản của cơ học chất lỏng: $$F = P \cdot A = P \cdot \frac{\pi \cdot D^2}{4} \quad [\text{N}]$$

Trong đó:

  • $P$: Áp suất làm việc của chất lỏng thủy lực ($\text{Pa}$ hoặc $\text{N/m}^2$).
  • $A$: Diện tích bề mặt làm việc hữu ích của piston ($\text{m}^2$).
  • $D$: Đường kính trong của ống xy lanh ($\text{m}$).
  • $d$: Đường kính cần piston ($\text{m}$).

Khi lùi về, diện tích tác dụng bị giảm do tiết diện cần piston: $A_2 = \frac{\pi (D^2 - d^2)}{4}$, do đó lực kéo lùi $F_2 < F_1$ ở cùng một mức áp suất cấp.

  • Thông số xy lanh 1A (Đẩy kẹp khuôn):
    • Hành trình làm việc $L_1 = 250\text{ mm}$
    • Đường kính trong nòng $D_1 = 200\text{ mm}$, đường kính cần piston $d_1 = 125\text{ mm}$
    • Lưu lượng tính toán yêu cầu: $Q_1 \approx 9.5\text{ lít/phút}$
    • Van điều khiển: Van đảo chiều điện từ 4/3 hai đầu cuộn coil ($24\text{VDC}$).
  • Thông số xy lanh 2A (Phun keo định lượng):
    • Hành trình làm việc $L_2 = 100\text{ mm}$
    • Đường kính nòng $D_2 = 160\text{ mm}$, đường kính cần piston $d_2 = 100\text{ mm}$
    • Van điều khiển: Van đảo chiều điện từ 4/2 đơn cuộn coil ($24\text{VDC}$).

2. Cấu tạo trục vít hóa dẻo (Screw Geometry)

Trục vít được chế tạo với tỷ lệ chiều dài trên đường kính $L/D = 20:1$, chia làm 3 vùng chức năng đồng bộ:

  • Vùng cấp liệu (Feed Zone): Chiếm 50% tổng chiều dài trục vít, rãnh vít sâu và không đổi, chịu trách nhiệm tiếp nhận hạt nhựa thô từ phễu nạp liệu và nén sơ bộ.
  • Vùng nén ép (Transition/Compression Zone): Chiếm 25% chiều dài, chiều sâu cánh vít giảm dần đều. Tạo ma sát trượt cực lớn giữa hạt nhựa và nòng xi-lanh, cung cấp $70–80%$ tổng nhiệt lượng cần thiết để hóa dẻo vật liệu.
  • Vùng định lượng (Metering Zone): Chiếm 25% chiều dài, chiều sâu rãnh vít nhỏ nhất và đồng đều, hòa trộn đồng nhất thể tích nhựa lỏng trước khi đẩy qua van một chiều (Non-return-assembly) vào lòng khuôn.
+─────────────────────────────────────────────────────────────────────────+
|                        CẤU TRÚC 3 VÙNG TRỤC VÍT                         |
+─────────────────────────────────────────────────────────────────────────+
|                                                                         |
|  |<────── Vùng Cấp Liệu ─────>|<─── Vùng Nén Ép ───>|<─ Vùng Định Lượng─>|
|  |       (Feed Zone: 50%)     |(Transition: 25%)   | (Metering: 25%)   |
|                                                                         |
|  [████████████████████████████████████████████████████████████████►]    |
|  |   Rãnh vít sâu cố định     |   Rãnh thu hẹp dần  | Rãnh nông cố định |
|  |   Tạo nhiệt: 20 - 30%      |   Tạo nhiệt ma sát: | Đồng nhất dòng chảy|
|  |                            |        70 - 80%     |                   |
+─────────────────────────────────────────────────────────────────────────+

3. Tính toán phụ tải và nguồn điện điều khiển

Tổng công suất tiêu thụ của mạch điều khiển được tính toán theo công thức: $$P_{\text{tiêu thụ}} = \sum P_i = P_{\text{PLC}} + P_{\text{Relay}} + P_{\text{Solenoid Valve}} + P_{\text{Sensor}}$$ $$P_{\text{tiêu thụ}} = (1.25 \times 5) + 6.2 + (4.9 \times 4) + \dots \approx 198.2\text{ W}$$

Hệ thống trang bị 02 bộ nguồn tổ ong $24\text{VDC} - 5\text{A}$ (hoặc 01 bộ $24\text{VDC} - 10\text{A}$ công suất định mức $120\text{W} - 240\text{W}$) đảm bảo dòng điện cấp luôn dư tải an toàn $>20%$, điện áp đầu vào dải rộng $135–264\text{VAC}$.

Phương pháp nghiên cứu và phát triển (Methodology)

Dự án áp dụng quy trình phát triển kỹ thuật Cơ điện tử tích hợp theo mô hình chữ V (V-Model Mechatronics Design):

       Thiết kế yêu cầu công nghệ (Requirements)        Kiểm tra tích hợp toàn hệ thống
                     \                                         /
                      \                                       /
             Tính toán Thủy lực & Cơ khí              Thử nghiệm tải ép & Hóa dẻo
                       \                             /
                        \                           /
               Thiết kế Tủ điện & Phần cứng PLC   Lập trình TIA Portal & HMI
                         \                         /
                          \                       /
                           └─── Gia công & Lắp ráp ───┘
  • Giai đoạn 1 (Tuần 1–3): Khảo sát thực địa, tính toán động lực học thủy lực, chọn van và xy lanh.
  • Giai đoạn 2 (Tuần 4–6): Thiết kế bản vẽ cơ khí 2D/3D, gia công gá đặt cụm trục vít và buồng gia nhiệt.
  • Giai đoạn 3 (Tuần 7–8): Thiết kế sơ đồ nguyên lý tủ điện, bố trí ray cài Din-rail, đấu nối cầu đấu UK Phoenix Contact và rơ-le Omron MK3P-I.
  • Giai đoạn 4 (Tuần 9–10): Viết chương trình điều khiển PLC Siemens S7-1200 trên TIA Portal, kiểm thử logic không tải.
  • Giai đoạn 5 (Tuần 11–12): Chạy thử có tải với hạt nhựa PP/ABS, hiệu chỉnh dải nhiệt độ và nghiệm thu chu trình.

Implementation và kết quả

Quá trình phát triển và Lập trình điều khiển

Hệ thống sử dụng phần mềm Siemens TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) để cấu hình phần cứng CPU S7-1200 và lập trình logic.

Bảng ánh xạ địa chỉ vào/ra (I/O Mapping Table)

Ký hiệu thiết bị Địa chỉ PLC Loại tín hiệu Chức năng kỹ thuật
BTN_ON %I0.0 Digital Input Nút nhấn bật hệ thống (Start Main Power)
BTN_START %I0.1 Digital Input Nút khởi động chu trình ép (Interlocked với $T \le 240^\circ\text{C}$)
BTN_STOP %I0.2 Digital Input Nút dừng chu trình và ngắt thanh gia nhiệt
SW_1S2 %I0.3 Digital Input Cảm biến hành trình tiến hết của Xy lanh 1A
SW_2S1 %I0.4 Digital Input Cảm biến hành trình tiến hết của Xy lanh 2A
TEMP_OK %I0.5 Digital Input Tín hiệu tiếp điểm bộ điều khiển nhiệt độ Pt100 ($T \le 240^\circ\text{C}$)
HEATER_OUT %Q0.0 Digital Output Đóng cắt rơ-le gia nhiệt vòng nhiệt điện trở
SOL_1A_FWD %Q0.1 Digital Output Cuộn hút solenoid tiến xy lanh kẹp khuôn 1A
SOL_1A_BWD %Q0.2 Digital Output Cuộn hút solenoid lùi xy lanh kẹp khuôn 1A
SOL_2A_FWD %Q0.3 Digital Output Cuộn hút solenoid tiến xy lanh ép keo 2A
MOTOR_EXT %Q0.4 Digital Output Động cơ quay đùn trục vít nạp liệu ($50\text{ giây}$)

Cấu trúc thuật toán điều khiển (Structured Control Logic - SCL)

// KHỐI ĐIỀU KHIỂN CHU TRÌNH ÉP PHUN TỰ ĐỘNG - PLC S7-1200
IF #BTN_ON THEN
    #Sys_Power := TRUE;
    #HEATER_OUT := TRUE; // Kích hoạt vòng gia nhiệt
END_IF;

IF #BTN_STOP THEN
    #Sys_Power := FALSE;
    #HEATER_OUT := FALSE;
    #SOL_1A_FWD := FALSE;
    #SOL_2A_FWD := FALSE;
    #SOL_1A_BWD := TRUE;  // Đưa cơ cấu về vị trí an toàn ban đầu
    #Step_Index := 0;
END_IF;

// Chu trình tự động liên động khóa nhiệt độ
CASE #Step_Index OF
    0: // Trạng thái chờ khởi động chu trình
        IF #Sys_Power AND #BTN_START AND #TEMP_OK THEN
            #SOL_1A_FWD := TRUE; // Xy lanh 1A bắt đầu tiến kẹp khuôn
            #Step_Index := 1;
        END_IF;

    1: // Kiểm tra hành trình kẹp khuôn xong
        IF #SW_1S2 THEN
            #SOL_2A_FWD := TRUE; // Xy lanh 2A tiến phun keo vào lòng khuôn
            #Step_Index := 2;
        END_IF;

    2: // Phun keo và kích hoạt động cơ trục vít định lượng
        IF #SW_2S1 THEN
            #MOTOR_EXT := TRUE;
            #TON_Timer(IN := TRUE, PT := T#50S); // Động cơ quay trong 50s
            IF #TON_Timer.Q THEN
                #MOTOR_EXT := FALSE;
                #TON_Timer(IN := FALSE);
                #SOL_2A_FWD := FALSE; // Xy lanh 2A lùi về
                #Step_Index := 3;
            END_IF;
        END_IF;

    3: // Hoàn tất làm nguội và mở khuôn
        #SOL_1A_FWD := FALSE;
        #SOL_1A_BWD := TRUE;  // Xy lanh 1A lùi mở khuôn, kết thúc chu trình
        #Step_Index := 0;     // Tái thiết lập chu trình mới
END_CASE;

Kiểm tra và Đánh giá thực nghiệm (Testing & Validation)

Hệ thống đã trải qua quá trình kiểm thử tải liên tục trong 100 chu trình ép thực tế tại xưởng thực hành:

+─────────────────────────────────────────────────────────────────────────+
|                  BIỂU ĐỒ TRẠNG THÁI CHU TRÌNH ÉP PHUN                   |
+─────────────────────────────────────────────────────────────────────────+
|                                                                         |
| ON/Gia nhiệt  : [ ON ]─────────────────────────────────────────> T<=240°C|
| START         :          [ Pulse ]                                      |
| Xy lanh 1A    :          [ Tiến Kẹp Khuôn ]───────────────>[ Lùi Mở ]   |
| Xy lanh 2A    :                    [ Tiến Phun ]───>[ Lùi ]             |
| Động cơ Trục vít:                       [ Quay 50 Giây ]                |
| Thời gian (s) : 0        5         10             60        65          |
+─────────────────────────────────────────────────────────────────────────+
  1. Hiệu năng gia nhiệt: Vòng nhiệt $380\text{ W}$ nâng nhiệt độ khoang chứa liệu từ nhiệt độ phòng ($25^\circ\text{C}$) lên ngưỡng định mức $240^\circ\text{C}$ trong thời gian trung bình $8.5\text{ phút}$. Cảm biến Pt100 phản hồi tín hiệu ổn định, sai số nhiệt độ tức thời $\Delta T \le \pm 2.5^\circ\text{C}$.
  2. Độ ổn định truyền động thủy lực: Van điện từ 4/3 và 4/2 chuyển trạng thái dứt khoát dưới điện áp $24\text{VDC}$, không xảy ra hiện tượng sụt áp hay kẹt van. Xy lanh 1A đạt tốc độ tịnh tiến $200\text{ mm/phút}$ ổn định theo tính toán.
  3. Chất lượng mẫu đúc: Thử nghiệm trên hạt nhựa nguyên sinh Polypropylene (PP), bề mặt mẫu thành phẩm đồng đều, không bị rỗ khí hoặc khuyết thiếu thể tích.
Hạng mục kiểm tra Giá trị Thiết kế / Kế hoạch Kết quả Thực nghiệm Đạt được Tỷ lệ Hoàn thành
Lực kẹp khuôn định mức $30{,}000\text{ N}$ $30{,}000\text{ N}$ (tại áp suất tính toán) $100%$
Thời gian chu trình 1 mẻ $\le 70\text{ s}$ $58\text{ s}$ Đạt vượt mức $17.1%$
Thời gian đùn định lượng $50\text{ s}$ $50.0\text{ s}$ (đếm chính xác qua Timer PLC) $100%$
Sai số nhiệt độ hóa dẻo $\le \pm 5^\circ\text{C}$ $\pm 2.5^\circ\text{C}$ (ngưỡng $\le 240^\circ\text{C}$) Tốt hơn $50%$ kỳ vọng
Tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn $\ge 95%$ $98.5%$ Vượt kế hoạch $3.5%$

Đổi mới và đóng góp

  1. Cấu trúc hóa hình học trục vít 3 vùng tiêu chuẩn hóa: Khác với các dòng máy mini tự chế sử dụng piston nén đơn giản, hệ thống tích hợp trục vít có thông số hình học phân chia chính xác (Vùng cấp liệu 50%, Vùng nén 25%, Vùng định lượng 25%). Giải pháp này tối ưu hóa việc tự sinh nhiệt ma sát nội tại ($70–80%$), giúp tiết kiệm đến $35%$ điện năng tiêu thụ từ vòng gia nhiệt ngoài.
  2. Cơ chế Khóa liên động nhiệt điện tử (Thermal-Electric Interlocking): Loại bỏ hoàn toàn sự cố gãy cánh trục vít hoặc cháy motor do nạp liệu khi nhiệt độ chưa đạt điểm chảy dẻo ($<240^\circ\text{C}$).
  3. Mô-đun hóa kết cấu thủy lực 24VDC an toàn: Sử dụng toàn bộ hệ thống van điện từ và mạch điều khiển rơ-le trung gian Omron 24VDC, tách biệt hoàn toàn mạch công suất động lực và mạch điều khiển logic, loại trừ nguy cơ rò điện và đảm bảo tiêu chuẩn an toàn lao động trong môi trường giáo dục/nghiên cứu.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản triển khai ứng dụng

  • Đào tạo kỹ thuật tại các trường Đại học/Cao đẳng: Phục vụ giảng dạy các học phần Tự động hóa thủy lực - khí nén, Lập trình PLC nâng cao, và Công nghệ gia công vật liệu polyme.
  • Xưởng R&D sản xuất mẫu thử nhanh (Rapid Prototyping): Đúc thử nghiệm các chi tiết nhựa cơ khí chính xác, bánh răng nhỏ, vỏ giắc cắm linh kiện điện tử trước khi chế tạo khuôn mẫu công nghiệp hàng loạt.
+─────────────────────────────────────────────────────────────────────────+
|                  LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI VÀ THƯƠNG MẠI HÓA                  |
+─────────────────────────────────────────────────────────────────────────+
|                                                                         |
|  [ Giai đoạn 1 ] ───> [ Giai đoạn 2 ] ───> [ Giai đoạn 3 ]              |
|  Hoàn thiện mô hình   Nâng cấp Màn hình    Mô-đun hóa sản phẩm          |
|  Lab Scale            HMI KTP700 & PID     Chuyển giao cho cơ sở R&D    |
|  (Tháng 1 - 3)        (Tháng 4 - 6)        (Tháng 7 - 12)               |
|                                                                         |
+─────────────────────────────────────────────────────────────────────────+

Phân tích Chi phí và Khả năng hoàn vốn (ROI)

  • Chi phí chế tạo hệ thống: Ước tính khoảng 25–35 triệu VNĐ (tối ưu nhờ sử dụng linh kiện module hóa như cầu đấu UK Phoenix/PMI, nguồn tổ ong 24VDC 5A, PLC S7-1200 CPU phổ thông).
  • So sánh kinh tế: Chi phí chế tạo chỉ bằng $20–30%$ so với một máy ép phun mini nhập khẩu cùng công năng từ Đài Loan hoặc Châu Âu.
  • Thời gian hoàn vốn (ROI): Ước tính từ $8–10\text{ tháng}$ khi đưa vào sản xuất gia công phụ kiện nhựa nhỏ liên tục.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Hệ thống hiện đang điều khiển nhiệt độ theo phương pháp On-Off thông qua ngưỡng rơ-le nhiệt, chưa ứng dụng thuật toán Auto-tuning PID trực tiếp trên kênh Analog của PLC.
  • Chưa tích hợp màn hình cảm ứng HMI trực quan để người vận hành cài đặt trực tiếp các thông số áp suất, thời gian ép và xem đồ thị nhiệt độ thực.

Hướng phát triển đề xuất

  1. Tích hợp màn hình HMI Siemens KTP700 Basic: Cho phép cấu hình linh hoạt thời gian trễ timer và các ngưỡng nhiệt độ riêng biệt cho từng loại nhựa (PP: $180–240^\circ\text{C}$, ABS: $210–260^\circ\text{C}$).
  2. Nâng cấp thuật toán PID Compact: Sử dụng hàm PID_Compact có sẵn trong TIA Portal để điều khiển độ rộng xung PWM kích hoạt rơ-le bán dẫn SSR, giảm sai số nhiệt độ xuống $\le \pm 0.5^\circ\text{C}$.
  3. Mở rộng kết nối IoT Công nghiệp (IIoT): Sử dụng cổng PROFINET tích hợp sẵn trên CPU S7-1200 để đẩy dữ liệu chu trình lên hệ thống SCADA/Cloud qua giao thức OPC UA hoặc MQTT.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên kỹ thuật: Tiếp cận một case-study thực tế hoàn chỉnh kết hợp liên ngành giữa Cơ khí chính xác - Thủy lực công suất - Lập trình PLC.
  • Kỹ sư Tự động hóa & Chế tạo máy: Tài liệu tham khảo hữu ích về phương pháp tính toán lực ép xy lanh, thiết kế hệ thống tủ điện điều khiển đạt chuẩn và quy trình xử lý tín hiệu an toàn.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs): Bản thiết kế giải pháp máy ép nhựa chuyên dụng giá rẻ, dễ bảo trì, linh kiện thay thế phổ biến tại thị trường Việt Nam.
  • Nhà nghiên cứu vật liệu: Công cụ thử nghiệm ép mẫu chuẩn xác cho các dòng vật liệu nhựa composite mới với chi phí vận hành mỗi mẻ cực thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn điện và mặt bằng để lắp đặt hệ thống là gì?

Hệ thống sử dụng nguồn điện lưới xoay chiều 1 pha $220\text{VAC} - 50\text{Hz}$ tiêu chuẩn, tổng công suất điện tiêu thụ định mức $< 1.5\text{ kW}$ (bao gồm vòng gia nhiệt $380\text{ W}$, trạm nguồn thủy lực và mạch điều khiển PLC). Mặt bằng lắp đặt yêu cầu diện tích tối thiểu $1.2\text{ m} \times 0.8\text{ m}$, sàn phẳng chịu lực và có hệ thống tiếp địa an toàn.

2. Làm thế nào để điều chỉnh áp suất ép khi thay đổi loại khuôn hoặc loại nhựa?

Áp suất hệ thống có thể được điều chỉnh trực tiếp thông qua van điều áp tổng trên trạm nguồn thủy lực. Ngoài ra, việc khống chế tốc độ tiến lùi của xy lanh 1A và 2A được thực hiện thông qua van tiết lưu một chiều lắp tại các cửa cấp dầu của xy lanh.

3. Hệ thống có khả năng kết nối và đồng bộ với dây chuyền sản xuất tự động không?

Có. Nhờ trang bị CPU PLC Siemens S7-1200 hỗ trợ giao thức PROFINET / Industrial Ethernet, hệ thống dễ dàng kết nối trao đổi dữ liệu với các cánh tay robot gắp sản phẩm, băng tải trung chuyển hoặc kết nối với hệ thống điều hành sản xuất MES/SCADA của toàn nhà máy.

4. Quy trình bảo dưỡng định kỳ hệ thống thủy lực và cơ khí như thế nào?

  • Hàng tuần: Kiểm tra mức dầu thủy lực trong bình chứa, vệ sinh phễu cấp liệu và đầu vòi phun.
  • Hàng tháng: Kiểm tra độ siết chặt của các đầu cốt dây điện (Terminal UK), kiểm tra độ kín của gioăng phớt xy lanh và kiểm tra trở kháng vòng gia nhiệt.
  • Mỗi 6 tháng: Thay thế hoặc lọc cặn dầu thủy lực (độ nhớt tiêu chuẩn ISO VG 46/68).

5. Tại sao cần duy trì điều kiện nhiệt độ $\le 240^\circ\text{C}$ mới cho phép khởi động nút START?

Đây là cơ chế bảo vệ liên động an toàn (Interlock). Đối với các loại nhựa như PP/PE, nhiệt độ hóa dẻo tiêu chuẩn nằm trong khoảng $180–240^\circ\text{C}$. Nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép sẽ dẫn tới hiện tượng thoái hóa phân hủy nhựa gây tắc đầu phun; ngược lại nếu nhiệt độ chưa đủ, nhựa ở trạng thái rắn sẽ làm kẹt trục vít, gây quá tải động cơ và nứt vỡ cơ cấu truyền động.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và điều khiển hệ thống máy phun ép nhựa thủy lực" đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả vượt trội trong việc kết hợp công nghệ điều khiển tự động hóa PLC Siemens S7-1200 với hệ truyền động thủy lực công nghiệp. Đề tài không chỉ hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu từ tính toán thiết kế cơ khí, tối ưu cấu trúc trục vít 3 vùng hóa dẻo ($L/D = 20:1$), xây dựng mạch điện an toàn 24VDC đến lập trình thuật toán điều khiển tuần tự trên TIA Portal, mà còn mở ra hướng phát triển các dòng máy gia công chuyên dụng nội địa hóa chất lượng cao cho thị trường Việt Nam.