Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Bồn lavabo là thiết bị vệ sinh được lắp đặt phổ biến trong các hộ gia đình, công trình công cộng, cơ sở kinh doanh dịch vụ ăn uống và khách sạn. Trên thị trường, lavabo được sản xuất từ nhiều chủng loại vật liệu như sứ, đá granite, nhựa ABS với nhiều kiểu dáng khác nhau. Trong quá trình vận hành thực tế, thiết bị thường xuyên tiếp xúc với nước nóng và các mức nhiệt độ biến đổi đột ngột. Do chất lượng chế tạo giữa các dòng sản phẩm không đồng đều, hiện tượng nứt vỡ hoặc biến dạng bề mặt do sốc nhiệt xảy ra phổ biến, gây ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền kết cấu và tính an toàn của người dùng.

Phương pháp đánh giá độ bền nhiệt truyền thống chủ yếu được tiến hành thủ công thông qua việc ngâm mẫu lavabo trong nước nóng hoặc nung nhiệt trong lò chuyên dụng. Cách tiếp cận này bộc lộ nhiều hạn chế về thời gian, tiêu tốn nhân lực và độ chuẩn xác không cao do phụ thuộc vào thao tác người vận hành. Nhằm giải quyết các nhược điểm trên, đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ thống kiểm tra độ bền nhiệt tự động hóa hoàn toàn, cho phép lập trình linh hoạt các tham số chu kỳ, thời gian và nhiệt độ, đồng thời loại bỏ các sai số chủ quan từ con người.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản bao gồm:

  1. Xác định các tiêu chuẩn chất lượng độ bền đối với bồn lavabo.
  2. Thiết kế hệ thống kiểm tra chất lượng độ bền nhiệt tự động cho bồn lavabo.
  3. Thiết kế mô hình cơ khí 3D của hệ thống trên phần mềm SolidWorks.
  4. Lắp ráp, vận hành hệ thống thực tế và hiển thị dữ liệu giám sát trên màn hình HMI.
  5. Xây dựng chức năng cảnh báo sự cố khi xuất hiện lỗi vận hành.
  6. Đánh giá hiệu quả và độ chính xác của hệ thống kiểm tra qua thực nghiệm.
  7. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng độ bền cho sản phẩm lavabo.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài gồm hai cấu phần chính:

  • Phần cứng: Bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi dòng FX3G, màn hình giao diện HMI Delta, hệ thống truyền động động cơ AC Servo và Driver, hệ thống bàn trượt cơ khí trục vitme, các nút nhấn, công tắc chuyển mạch, cảm biến phao mức nước, cảm biến quang điện, cảm biến lưu lượng, cảm biến nhiệt độ can K, bộ điều khiển nhiệt độ REX-C100, thanh gia nhiệt điện trở, rơ le bán dẫn SSR, rơ le trung gian, van bi cơ và các cụm van điện từ.
  • Phần mềm: Bộ công cụ lập trình GX Works2 dùng cho điều khiển logic PLC và phần mềm DOPSoft dùng cho thiết kế giao diện vận hành, giám sát SCADA trên HMI.

Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc khảo sát các phương pháp kiểm tra độ bền bồn lavabo; tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình thử nghiệm tự động kích thước 1200 x 700 x 1450 mm (dài x rộng x cao); thi công đấu nối tủ điện điều khiển, lập trình thuật toán luân chuyển môi chất nóng - lạnh và thực nghiệm kiểm tra chất lượng sản phẩm mẫu tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trong khoảng thời gian từ tháng 02/2024 đến ngày 25/06/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án tập trung vào ba khối kiến thức chính: đặc tính kỹ thuật các loại lavabo, nguyên lý điều khiển tự động bằng PLC và hệ thống truyền động vị trí bằng động cơ AC Servo:

  • Tổng quan phân loại lavabo: Văn bản phân tích ba kiểu dáng lắp đặt thông dụng trên thị trường gồm chậu rửa mặt âm bàn đá (vành chậu nằm phẳng hoặc thấp hơn mặt bàn), chậu rửa mặt bán âm bàn (dương vành, phần gờ nổi lên trên mặt bàn) và chậu rửa mặt lavabo đặt bàn (toàn bộ thân bồn đặt nổi với các hình khối tròn, oval, vuông chế tác từ sứ chịu lực).
  • Bộ điều khiển logic khả trình PLC Mitsubishi FX3G: Khảo sát cấu trúc CPU, các khối nhớ, module đầu vào sink/source, module đầu ra transistor điều khiển phát xung tốc độ cao lên tới 100 kHz trên ba trục độc lập, bộ nhớ chương trình 32.000 bước (32 kb) và tốc độ xử lý lệnh logic 0,21 µs.
  • Hệ thống truyền động AC Servo: Khảo sát cấu tạo stator, rotor nam châm vĩnh cửu, bộ mã hóa quang học (encoder) hồi tiếp vòng kín và nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM từ AC Servo Driver. Chế độ điều khiển vị trí tuyệt đối (Position Control) tiếp nhận xung tốc độ cao từ PLC để dịch chuyển cơ cấu chấp hành chính xác theo tọa độ cài đặt.
  • Giao diện người - máy HMI: Khảo sát cấu trúc phần cứng màn hình cảm ứng, bộ nhớ lưu trữ Flash/ROM/RAM và phần mềm đồ họa thiết kế các đối tượng hiển thị trạng thái, điều khiển thủ công và cảnh báo lỗi.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai theo quy trình kỹ thuật hệ thống:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tiêu chuẩn kỹ thuật: Thiết lập chu trình thử nghiệm sốc nhiệt luân phiên đóng ngắt theo chu kỳ: xả nước nóng trong thời gian (90 ± 1) giây với lưu lượng (0,01) L/s, dừng dòng chảy nghỉ (30 ± 1) giây; tiếp tục xả nước lạnh trong thời gian (90 ± 1) giây với lưu lượng (0,01) L/s, dừng dòng chảy nghỉ (30 ± 1) giây; chu kỳ được lặp lại liên tục 1000 lần không gián đoạn.
  • Phương pháp thiết kế cơ khí và điện: Sử dụng SolidWorks 2018 để mô hình hóa toàn bộ khung giàn, bồn chứa, gá kẹp lavabo và trục vitme; ứng dụng EPLAN Electric P8 2 để thiết kế chi tiết bản vẽ sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển.
  • Phương pháp lập trình và thực nghiệm: Ứng dụng ngôn ngữ Ladder Diagram trên phần mềm GX Works2 để điều khiển chu trình luân phiên và phát xung điều khiển servo; dùng DOPSoft để dựng giao diện điều khiển, thu thập dữ liệu; lắp ráp mô hình vật lý và vận hành thử nghiệm trên mẫu chậu rửa thực tế để đối chiếu kết quả.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu xuất phát từ các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của nhà sản xuất thiết bị (Mitsubishi Electric, Delta Electronics, Yaskawa, Omron), tiêu chuẩn kiểm nghiệm độ bền cơ nhiệt thiết bị vệ sinh và chuỗi số liệu đo lường trực tiếp trong quá trình thử nghiệm thực tế của mô hình.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mô đun liên kết chặt chẽ giữa cơ cấu cơ khí, mạng cấp xả thủy lực và khối điều khiển điện tử tự động. Khung máy chính có kết cấu dạng hai tầng với kích thước dài 1200 mm, rộng 700 mm; chiều cao tầng một là 500 mm, chiều cao tầng hai là 400 mm, khoảng sáng từ mặt sàn tới tầng một là 200 mm, hai bên hồi bố trí vị trí đặt bồn chứa nước nóng và lạnh dung tích 20 L chế tạo bằng inox giữ nhiệt. Bàn gá bồn lavabo được liên kết với cơ cấu trục vitme bi dẫn hướng SLM120 thông qua 4 đai ốc bi và 4 gối đỡ, chịu sự truyền động trực tiếp từ động cơ AC Servo Yaskawa để tịnh tiến mẫu thử qua lại giữa hai trạm xả nước nóng và lạnh.

Nhóm thiết bị Tên thiết bị / Mã hiệu Thông số kỹ thuật chính Chức năng trong hệ thống
Điều khiển trung tâm PLC Mitsubishi FX3G-40MT 24 ngõ vào, 16 ngõ ra Transistor, xung max 100 kHz Xử lý logic, phát xung điều khiển Servo, điều khiển van và bơm
Màn hình giám sát HMI Delta DOP-107BV Màn hình cảm ứng 7 inch, cổng giao tiếp RS-232/485 Cài đặt thông số, giám sát chu trình, thao tác Manual/Auto, báo lỗi
Cơ cấu chấp hành tịnh tiến Động cơ AC Servo & Driver Yaskawa Điều khiển vị trí xung/hướng, hồi tiếp Encoder Truyền động quay trục vitme để dịch chuyển bàn gá lavabo
Cơ cấu dẫn hướng Trục vitme bi SLM120 Chiều dài làm việc đồng bộ khung máy Chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến
Bơm nước nóng Máy bơm tuần hoàn nước nóng Điện áp 24VDC, dòng 1A, công suất 22W, lưu lượng max 800 L/h, chịu nhiệt 100°C Hút và tuần hoàn nước nóng từ bồn xả về bồn cấp nhiệt
Bơm nước lạnh Máy bơm nước lạnh Điện áp 220VAC, dòng 1000mA, công suất 18W, lưu lượng max 1000 L/h, nhiệt độ <35°C Tuần hoàn nước lạnh chống tràn trong suốt chu kỳ thử
Đóng ngắt thủy lực Van điện từ thường đóng Điện áp 220VAC, ren phi 27, áp suất làm việc 0~0,8 MPa, chịu nhiệt 5-80°C Đóng mở đường nước xả nóng và lạnh tự động theo chương trình
Tiết lưu thủy lực Van bi Inox 201 Ren phi 27, áp suất max 10 kgf/cm², nhiệt độ 0-100°C Điều chỉnh lưu lượng và hướng dòng chảy bằng tay
Gia nhiệt và cảm biến nhiệt Bộ điều khiển REX-C100 & Can K Cảm biến nhiệt độ Thermocouple loại K, rơ le bán dẫn SSR Đo nhiệt độ bồn nóng, điều khiển đóng cắt thanh điện trở gia nhiệt
Đo lưu lượng & Mức nước YF-S201 DN15 & Cảm biến phao Đo tốc độ dòng chảy (0,01 L/s), phao hành trình 45 mm, 300 mm Giám sát lưu lượng cấp vào chậu và bảo vệ mực nước bồn chứa
Nguồn và bảo vệ điện Omron S8VS-12024A, CB BKM-b, BKN Nguồn 24VDC, CB tổng 220V 15A, CB điện trở nhiệt C10 Cấp nguồn một chiều và bảo vệ quá tải, ngắn mạch toàn hệ thống

Sơ đồ nối dây điều khiển động cơ AC Servo Yaskawa ở chế độ điều khiển vị trí (Position Control) được thiết kế đặc thù: chân xung Pulse+ (chân 7) và chân hướng Sign+ (chân 11) được mắc chung và nối lên nguồn 24VDC thông qua điện trở đệm hạn dòng có giá trị 2,2 kΩ; hai chân nhận tín hiệu Pulse- (chân 8) và Sign- (chân 12) được nối trực tiếp về các cổng phát xung tốc độ cao của PLC FX3G-40MT; chân cấp nguồn điều khiển 47 nối vào 24VDC; các tín hiệu chức năng như Servo-ON (chân 40), P-CON (chân 41), POT (chân 42), NOT (chân 43) và ALM-RST (chân 44) được liên kết về các cổng xuất tín hiệu logic hoặc đấu mass tùy theo yêu cầu bảo vệ hành trình.

Giao diện SCADA trên HMI DOP-107BV được cấu hình thành 6 trang màn hình chuyên biệt:

  • Màn hình Auto: Giám sát toàn bộ trạng thái tự động gồm số chu kỳ đã chạy/cài đặt (đếm tới 1000 lần), thời gian đếm lùi quá trình xả nước nóng (90 s), thời gian dừng (30 s), xả nước lạnh (90 s), dừng (30 s), hiển thị trạng thái bơm, van điện từ và nhiệt độ nước thực tế.
  • Màn hình Manual: Cho phép người vận hành cưỡng bức kích hoạt từng thiết bị chấp hành đơn lẻ như bật/tắt bơm nóng, bơm lạnh, đóng mở van điện từ xả nóng/lạnh và kích hoạt thanh gia nhiệt.
  • Màn hình Servo đẩy bàn: Cung cấp các phím chức năng chạy JOG thuận, JOG nghịch, định vị về gốc Home và nhập tọa độ dịch chuyển trực tiếp đến các vị trí dừng kiểm tra bên trái (trạm nước nóng) và bên phải (trạm nước lạnh).
  • Màn hình Alarm: Ghi nhận và hiển thị các cảnh báo quá nhiệt, lỗi mất tín hiệu cảm biến can nhiệt K, lỗi quá tải dòng động cơ servo và sự cố cạn nước trong bồn chứa.
  • Màn hình PLC I/O: Hiển thị trạng thái logic trực quan của toàn bộ các ngõ vào số (X) và ngõ ra số (Y) của bộ điều khiển FX3G phục vụ công tác chẩn đoán, bảo trì.
  • Màn hình Setting: Cài đặt các thông số kỹ thuật cốt lõi như ngưỡng nhiệt độ cài đặt cho bồn nóng (70°C), ngưỡng nhiệt độ nước lạnh (27°C), thời gian xả nước, thời gian chờ và số chu kỳ vận hành lặp lại.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về thực trạng sản xuất và sử dụng bồn lavabo trong đời sống, chỉ rõ các nguyên nhân gây nứt vỡ, giảm tuổi thọ sản phẩm khi chịu tác động của sốc nhiệt nóng - lạnh. Tác giả nêu bật hạn chế của phương pháp kiểm tra thủ công bằng lò nướng hoặc ngâm nước nóng truyền thống, từ đó xác lập tính cấp thiết của việc tự động hóa quá trình thử nghiệm. Chương này công bố chi tiết 7 mục tiêu nghiên cứu, phân định rõ đối tượng nghiên cứu phần cứng (PLC FX3G, HMI DOP-107BV, AC Servo, trục vitme, van điện từ, cảm biến can K, bơm nước, điện trở gia nhiệt) và phần mềm (GX Works2, DOPSoft). Phạm vi nghiên cứu ấn định kích thước mô hình 1200 x 700 x 1450 mm, chu trình thử nghiệm 1000 lần luân phiên nước nóng - lạnh và bố cục 6 chương của toàn bộ đồ án tốt nghiệp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về thiết bị vệ sinh và hệ thống điều khiển tự động. Về phần lavabo, văn bản thuyết minh cấu tạo, công năng và không gian lắp đặt của 3 dòng chậu rửa chính: chậu âm bàn, chậu bán âm bàn và chậu đặt bàn. Về phần điều khiển, chương trình bày chi tiết định nghĩa, vai trò, cấu trúc phần cứng (CPU, ngõ vào/ra, bộ nhớ) và nguyên lý chu kỳ quét của PLC; giới thiệu thông số dòng PLC Mitsubishi FX3G với khả năng xử lý logic 0,21 µs và bộ nhớ 32.000 bước, cùng môi trường lập trình GX Works2. Về thiết bị giao tiếp, văn bản làm rõ định nghĩa và các khối cấu thành của HMI. Đối với hệ truyền động, chương phân tích chuyên sâu cấu tạo stator, rotor, bộ mã hóa encoder của động cơ servo; nguyên lý điều khiển hồi tiếp vòng kín qua 5 bước (thiết lập mục tiêu, đọc cảm biến, so sánh sai lệch, điều chỉnh động cơ, lặp quy trình); giới thiệu vai trò của bộ biến đổi AC Servo Driver và cung cấp chi tiết sơ đồ đấu nối dây chế độ điều khiển vị trí tuyệt đối của driver servo Yaskawa kèm điện trở hạn dòng 2,2 kΩ.

Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị

Chương 3 là phần cốt lõi về kỹ thuật, bắt đầu bằng việc công bố nguyên lý hoạt động của chu trình: bàn gá di chuyển sang trái kiểm tra bằng nước nóng trong 90 giây, trở về gốc nghỉ 30 giây, chuyển sang phải kiểm tra bằng nước lạnh trong 90 giây, trở về gốc nghỉ 30 giây và tự động lặp lại 1000 lần. Tác giả công bố các yêu cầu kỹ thuật khắt khe của tiêu chuẩn thử nghiệm: lỗ thoát thải phải mở; nước rơi vào đáy chậu tại đường kính (110 ± 5) mm quanh lỗ thoát; đầu vòi xả đặt cách điểm rơi (80 ± 5) mm; tốc độ dòng xả (0,01) L/s; nước nóng đạt (70 ± 2)°C; nước lạnh đạt (27 ± 2)°C; ống xả đường kính trong 10 mm; chậu đặt ở trạng thái nằm ngang tự do không chịu ngoại lực; sau 1000 chu kỳ lau khô và đánh giá vết nứt/tách lớp bằng mắt thường ở khoảng cách 600 mm dưới ánh sáng đèn neon mát 150 lx. Trên cơ sở đó, chương trình bày chi tiết thông số kích thước khung máy, lập bảng tính toán lựa chọn thiết bị gồm 2 bồn inox 20 L, bơm nước nóng 24VDC/22W (chịu 100°C), bơm nước lạnh 220VAC/18W, van điện từ phi 27, van bi Inox 201, cảm biến phao mức nước 45 mm và 300 mm, cảm biến quang KPS-M21, cảm biến lưu lượng YF-S201 DN15, thanh điện trở nhiệt, đồng hồ nhiệt REX-C100, PLC FX3G-40MT, HMI DOP-107BV, bộ nguồn Omron S8VS-12024A, các dòng aptomat BKM-b 15A và BKN C10, trục vitme bi SLM120, can nhiệt K và rơ le trung gian RU2S-A24.

Chương 4: Thiết kế giao diện SCADA

Chương 4 tập trung vào việc hiện thực hóa thuật toán điều khiển và giao diện vận hành. Tác giả xây dựng hai lưu đồ thuật toán chính cho hệ thống: lưu đồ chế độ Auto thực hiện tuần tự việc kiểm tra điều kiện an toàn ban đầu, điều khiển nhiệt độ bồn nóng, phát xung dịch chuyển bàn trượt servo sang trạm nhiệt, kích hoạt bộ đếm thời gian xả nước, điều khiển bơm tuần hoàn, đếm chu kỳ và lặp lại cho đến khi đủ 1000 vòng; lưu đồ chế độ Manual cho phép kiểm tra đơn lẻ các thiết bị. Đồng thời, chương công bố thiết kế chi tiết đồ họa của 6 trang giao diện trên phần mềm DOPSoft gồm: màn hình vận hành hệ thống chính, màn hình điều khiển động cơ servo, màn hình thao tác tay MANUAL, màn hình quản lý cảnh báo lỗi ALARM, màn hình hiển thị trạng thái ngõ vào ra vật lý PLC I/O và màn hình cài đặt tham số SETTING.

Chương 5: Kết quả đạt được

Chương 5 công bố các thành quả thực tế sau khi chế tạo và thử nghiệm mô hình. Tác giả minh chứng kết quả gia công cơ khí hoàn thiện của khung giàn hai tầng, bàn trượt giá đỡ bồn lavabo và tủ điện điều khiển công nghiệp; công bố chi tiết các bản vẽ sơ đồ đấu dây thực tế gồm: mạch động lực servo, mạch điều khiển, sơ đồ đi dây rơ le bán dẫn SSR cấp nguồn cho thanh gia nhiệt, đường nguồn 24VDC, sơ đồ kết nối đồng hồ nhiệt REX-C100 với màn hình HMI, sơ đồ đấu nối chi tiết các chân ngõ vào Input PLC, ngõ ra Output PLC và sơ đồ chân kết nối Servo Driver. Bên cạnh đó, chương trình bày hình ảnh vận hành thực tế của 6 trang màn hình giao diện SCADA trên HMI DOP-107BV và ghi nhận kết quả thực nghiệm trực quan trên mẫu bồn lavabo: cung cấp hình ảnh so sánh bề mặt men bồn lavabo trước thực nghiệm và sau khi hoàn tất 1000 chu kỳ sốc nhiệt liên tục.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ khối lượng công việc nhóm nghiên cứu đã hoàn thành so với đề cương nhiệm vụ được giao. Tác giả đánh giá mức độ hoàn thiện về mặt kết cấu cơ khí, độ ổn định của hệ thống cấp nhiệt, thuật toán điều khiển vị trí của PLC và tính trực quan của giao diện giám sát HMI. Đồng thời, văn bản chỉ rõ các mặt hạn chế còn tồn tại của mô hình thực nghiệm và đề xuất các phương hướng cải tiến, mở rộng đề tài trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành việc tính toán, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình vật lý kiểm tra độ bền nhiệt tự động cho bồn lavabo với các kết quả cụ thể:

  • Hoàn thiện kết cấu cơ khí kích thước 1200 x 700 x 1450 mm, tích hợp bàn trượt servo trục vitme bi SLM120 vận hành êm ái, định vị chính xác bồn lavabo tại hai trạm xả nước; chế tạo tủ điện điều khiển đạt chuẩn an toàn, vận hành ổn định nguồn 220VAC và 24VDC thông qua bộ nguồn Omron S8VS-12024A.
  • Hoàn thành hệ thống cấp xả nhiệt duy trì ổn định nhiệt độ nguồn nước nóng tại đầu ra vòi xả ở mức (70 ± 2)°C thông qua bộ điều khiển REX-C100 kết hợp thanh điện trở nhiệt và can nhiệt K; nước lạnh được duy trì ở mức (27 ± 2)°C; hệ thống bơm tuần hoàn 800-1000 L/h cùng cảm biến phao và cảm biến lưu lượng YF-S201 DN15 kiểm soát ổn định lưu lượng (0,01) L/s mà không gây tràn nước.
  • Xây dựng thành công thuật toán điều khiển trên PLC FX3G-40MT và giao diện SCADA trên HMI DOP-107BV, thực hiện chính xác chu trình luân phiên nóng (90 s) - dừng (30 s) - lạnh (90 s) - dừng (30 s), chạy liên tục không gián đoạn trong 1000 chu kỳ kiểm tra thực nghiệm.
  • Kết quả kiểm tra trực quan trên bề mặt chậu lavabo mẫu sau 1000 chu kỳ thực nghiệm dưới ánh sáng 150 lx ở cự ly 600 mm ghi nhận không xuất hiện vết rạn nứt hay hiện tượng tách lớp men sứ, khẳng định khả năng làm việc chính xác của mô hình thử nghiệm.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất là tự động hóa hoàn toàn chu trình sốc nhiệt luân phiên bằng cơ chế dịch chuyển bàn trượt servo kết hợp đóng cắt van điện từ và bơm tuần hoàn khép kín, thay thế triệt để các phương thức gia nhiệt thủ công bằng lò nung hoặc ngâm nước nóng vốn tiềm ẩn nhiều sai số và nguy cơ mất an toàn lao động.

Đóng góp của đồ án là đã hiện thực hóa một hệ thống cơ điện tử tích hợp hoàn chỉnh từ khâu thiết kế cơ khí 3D (SolidWorks), thiết kế mạch điện (EPLAN), lập trình điều khiển vị trí phát xung tốc độ cao cho AC Servo bằng PLC Mitsubishi và xây dựng hệ thống giám sát SCADA công nghiệp trên HMI Delta, bám sát các tiêu chuẩn kỹ thuật kiểm định chất lượng bồn lavabo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của mô hình được văn bản ghi nhận bao gồm:

  • Cơ cấu giá đỡ cơ khí và bàn trượt được thiết kế cố định theo một dải kích thước lavabo mẫu nhất định, chưa có cơ cấu gá kẹp vạn năng để tương thích nhanh với nhiều chủng loại bồn có hình dáng và kích thước quá khổ.
  • Việc thẩm định hư hại bề mặt sản phẩm sau 1000 chu kỳ sốc nhiệt vẫn hoàn toàn dựa vào phương pháp kiểm tra thủ công bằng mắt thường của người vận hành dưới ánh sáng đèn neon 150 lx ở cự ly 600 mm, chưa tích hợp module cảm biến tự động để lượng hóa các vết nứt siêu nhỏ.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo của đề tài gồm:

  • Tích hợp hệ thống thị giác máy tính (Machine Vision) và camera công nghiệp để tự động chụp ảnh, xử lý ảnh và phát hiện tức thời các vết nứt tế vi hoặc khuyết tật tách lớp trên bề mặt lavabo ngay sau khi kết thúc chu trình thử nghiệm.
  • Cải tiến cụm cơ khí giá đỡ có khả năng tùy biến biên dạng linh hoạt, giúp kiểm tra tự động nhiều dòng chậu rửa khác nhau như chậu treo tường, chậu góc hay các bồn rửa công nghiệp kích thước lớn.
  • Nghiên cứu cơ chế thu hồi và tái sử dụng nhiệt năng giữa hai dòng nước xả nóng - lạnh nhằm tối ưu hóa hiệu quả tiêu thụ điện năng của thanh gia nhiệt khi triển khai trên quy mô kiểm định công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao đối với:

  • Giảng viên và sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điện - Điện tử khi thực hiện các đồ án chuyên ngành, đồ án tốt nghiệp liên quan đến điều khiển vị trí chính xác của động cơ AC Servo bằng PLC.
  • Kỹ sư nghiên cứu phát triển (R&D) và bộ phận đảm bảo chất lượng (QA/QC) tại các nhà máy sản xuất thiết bị vệ sinh, thiết bị gia dụng trong việc thiết kế các máy kiểm tra độ bền mỏi nhiệt tự động theo chu kỳ.
  • Người làm đề tài tham khảo có thể khai thác trực tiếp sơ đồ mạch kết nối phát xung giữa PLC FX3G và AC Servo Driver Yaskawa (sử dụng mạch đệm điện trở 2,2 kΩ nối lên nguồn 24VDC), các lưu đồ thuật toán điều khiển luân phiên thời gian thực và cách thức tổ chức 6 trang màn hình giám sát trên phần mềm DOPSoft.

Câu hỏi thường gặp

1. Chu trình kiểm tra độ bền sốc nhiệt tự động của hệ thống được cài đặt với các mốc thời gian, nhiệt độ và số lần lặp lại như thế nào?
Chu trình được lập trình tự động hoàn toàn: bàn trượt đưa sản phẩm sang trạm nước nóng xả liên tục trong (90 ± 1) giây ở nhiệt độ (70 ± 2)°C với lưu lượng (0,01) L/s; sau đó bàn quay về vị trí ban đầu dừng nghỉ (30 ± 1) giây; tiếp tục chuyển sang trạm nước lạnh xả trong (90 ± 1) giây ở nhiệt độ (27 ± 2)°C với lưu lượng (0,01) L/s; sau đó quay về vị trí ban đầu nghỉ (30 ± 1) giây. Toàn bộ chuỗi vận hành luân phiên này được lặp lại 1000 lần liên tục không gián đoạn.

2. Phương pháp đấu nối mạch phát xung điều khiển vị trí từ PLC FX3G sang AC Servo Driver Yaskawa được thực hiện ra sao?
Tại chế độ điều khiển vị trí (Position Control), chân Pulse+ (chân 7) và Sign+ (chân 11) của Servo Driver được nối chung và kéo lên nguồn 24VDC thông qua một điện trở hạn dòng 2,2 kΩ. Hai chân nhận xung và hướng gồm Pulse- (chân 8) và Sign- (chân 12) được nối trực tiếp vào các ngõ ra phát xung tốc độ cao của PLC FX3G-40MT. Chân 47 của driver nối vào 24VDC, các chân chức năng như Servo-ON (chân 40), P-CON (chân 41), POT (chân 42), NOT (chân 43) và ALM-RST (chân 44) được điều khiển linh hoạt qua tín hiệu logic hoặc đấu mass cố định.

3. Hệ thống sử dụng những thiết bị nào để kiểm soát nhiệt độ, lưu lượng và tuần hoàn nước trong suốt quá trình thử nghiệm?
Hệ thống sử dụng hai bồn chứa inox dung tích 20 L để chứa nước nóng và nước lạnh. Bồn nóng được gia nhiệt bằng thanh điện trở, kiểm soát nhiệt độ tự động qua đồng hồ REX-C100, cảm biến can nhiệt K và rơ le bán dẫn SSR. Đường cấp nước sử dụng hai van điện từ phi 27 (220VAC) kết hợp hai van bi Inox 201 để tiết lưu lưu lượng chuẩn (0,01) L/s qua cảm biến lưu lượng YF-S201 DN15. Nước xả ra được tuần hoàn trở lại bồn chứa bằng một máy bơm nước nóng 24VDC (công suất 22W, chịu nhiệt 100°C) và một máy bơm nước lạnh 220VAC (công suất 18W), kết hợp cảm biến phao hành trình 45 mm và 300 mm để chống tràn.

4. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng bề mặt bồn lavabo sau khi kết thúc 1000 chu kỳ thử nghiệm được quy định như thế nào?
Sau khi hoàn thành 1000 chu kỳ luân chuyển nhiệt không gián đoạn, toàn bộ bề mặt bên trong của bồn lavabo được lau khô hoàn toàn. Việc đánh giá chất lượng được thực hiện bằng phương pháp quan sát trực quan bằng mắt thường ở khoảng cách 600 mm, dưới điều kiện chiếu sáng của đèn neon mát đạt độ rọi 150 lx đo trực tiếp tại bề mặt chậu. Mẫu lavabo đạt tiêu chuẩn khi không xuất hiện các hư hại cơ học như vết rạn nứt bề mặt hoặc hiện tượng tách lớp làm ảnh hưởng đến công năng sử dụng.

5. Giao diện SCADA trên màn hình HMI Delta DOP-107BV được thiết kế gồm những trang chức năng nào?
Giao diện SCADA được chia thành 6 màn hình chức năng chuyên biệt: Màn hình Auto (giám sát chu trình chạy tự động 1000 vòng, thời gian đếm lùi các chu kỳ xả 90 s và nghỉ 30 s); Màn hình Manual (thao tác cưỡng bức từng bơm, van và thanh nhiệt); Màn hình Servo đẩy bàn (chạy JOG thuận/nghịch, tìm gốc Home và dịch chuyển bàn trượt đến các vị trí đặt trước); Màn hình Alarm (cảnh báo sự cố nhiệt độ, mất cảm biến, quá tải servo và mức nước); Màn hình PLC I/O (giám sát trực quan trạng thái ngõ vào X và ngõ ra Y); Màn hình Setting (cài đặt các tham số nhiệt độ, thời gian xả và số chu kỳ vận hành).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống kiểm tra chất lượng độ bền nhiệt của bồn lavabo" của sinh viên Huỳnh Minh Mẫn và Trần Văn Tú dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Mạnh Sơn đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu, thiết kế cơ khí 3D và chế tạo thực tế một mô hình kiểm định tự động hóa công nghiệp. Hệ thống tích hợp đồng bộ giữa bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3G-40MT, truyền động AC Servo định vị chính xác và giao diện giám sát SCADA trên màn hình HMI Delta DOP-107BV, đáp ứng trọn vẹn quy trình thử nghiệm sốc nhiệt 1000 chu kỳ luân phiên nóng - lạnh theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Kết quả thử nghiệm trên mẫu chậu rửa thực tế đã chứng minh tính ổn định, độ chính xác cao và khả năng ứng dụng thực tiễn của mô hình trong công tác đánh giá chất lượng thiết bị vệ sinh.