Thiết kế và thi công ghế ngồi trong rạp chiếu phim 3D

Đồ án thiết kế và thi công ghế ngồi trong rạp chiếu phim 3D tại Trường ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Trần Quang Huy
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tấn Đời
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế và thi công ghế ngồi trong rạp chiếu phim 3D
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan đề tài thiết kế và thi công ghế rạp chiếu phim 3D

Đề tài nghiên cứu hướng đến việc tự động hóa trải nghiệm giải trí tại rạp chiếu phim hiện đại. Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã triển khai mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh. Ghế xem phim thông minh không chỉ tiếp nhận tín hiệu hiển thị hình ảnh ba chiều. Hệ thống còn tạo ra các phản xạ chuyển động rung lắc, nghiêng ngả và luồng khí nén đồng thời. Mục tiêu cốt lõi là mang lại cảm giác chân thực nhất cho người xem trong từng cảnh quay. Các kỹ sư tương lai áp dụng lý thuyết cơ điện tử vào quy trình chế tạo khung đỡ kim loại chịu tải lớn. Bên cạnh đó, hệ thống trang bị bộ điều khiển logic lập trình chuyên dụng để xử lý tác vụ trung tâm. Thiết bị đảm bảo độ bền cơ học cao trong môi trường vận hành liên tục. Cơ cấu chấp hành bao gồm xy lanh khí nén, motor lệch tâm và cụm van điện từ đảo chiều nhanh. Toàn bộ thiết kế đáp ứng tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật điện lẫn công thái học người dùng. Dự án khẳng định năng lực ứng dụng công nghệ điều khiển tiên tiến vào đời sống sản xuất và dịch vụ giải trí.

1.1. Xuất xứ đề tài từ Khoa Điện Điện tử ĐH SPKT TP.HCM

Khoa Điện - Điện tử thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn chú trọng thực hành kỹ thuật thực chiến. Đề tài tốt nghiệp do sinh viên Trần Quang Huy và Điểu Nghĩa thực hiện dưới sự dẫn dắt của Thạc sĩ Nguyễn Tấn Đời. Nhóm nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tự động hóa rạp phim thông minh. Nhu cầu thưởng thức nghệ thuật ngày càng đòi hỏi trải nghiệm giác quan đa dạng. Rạp phim 3D truyền thống chỉ tác động lên thị giác và thính giác. Do đó, việc bổ sung xúc giác cơ học là hướng đi tất yếu. Dự án kết hợp hài hòa giữa cơ khí chế tạo, điện điều khiển và công nghệ phần mềm. Kết quả nghiên cứu tạo nền tảng vững chắc cho mô hình thiết bị giải trí tương tác cao.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật của hệ thống hiệu ứng ghế ngồi 3D

Mục tiêu trọng tâm là chế tạo thành công một ghế mô phỏng đạt độ ổn định cơ điện cao. Thiết bị phải tạo được các chuyển động nghiêng trước, ngả sau và chuyển động lắc ngang. Các chuyển động này sử dụng hệ thống xy lanh khí nén tác động kép kết hợp van đảo chiều. Đồng thời, ghế tích hợp động cơ rung lệch tâm để tái tạo cảm giác va chạm mạnh mẽ. Vòi phun khí và phun sương lắp đặt ngang tầm mặt người ngồi. Toàn bộ hiệu ứng phải kích hoạt tức thời theo tín hiệu điều khiển. Độ trễ đáp ứng của hệ thống được kiểm soát ở mức mili giây. Sự kết hợp cơ cấu linh hoạt giúp người trải nghiệm hòa mình trọn vẹn vào từng thước phim hành động kịch tính.

II. Phân tích thách thức kỹ thuật thiết kế ghế rạp chiếu phim 3D

Quá trình thi công ghế giải trí chuyển động đối mặt nhiều rào cản kỹ thuật phức tạp. Đầu tiên là bài toán tải trọng động tác động liên tục lên kết cấu cơ khí. Người sử dụng có cân nặng thay đổi thất thường. Khung sườn kim loại cần chịu được lực xoắn và lực đẩy lớn mà không bị biến dạng. Nếu tính toán sai lệch, cấu trúc dễ cong vênh sau thời gian ngắn vận hành. Thứ hai là vấn đề tiếng ồn sinh ra từ máy nén khí và rơ le điều khiển. Tiếng xả khí hoặc va đập cơ khí dễ làm gián đoạn âm thanh của bộ phim. Thêm vào đó, nhiệt lượng phát sinh từ nguồn điện và van điện từ đòi hỏi giải pháp tản nhiệt tốt. Rung động cơ học cũng có thể làm lỏng các đầu nối dây điện trong tủ điều khiển. Sự cố ngắt kết nối đột ngột sẽ dẫn đến mất đồng bộ hiệu ứng hoàn toàn. Ngoài ra, việc duy trì áp suất khí nén ổn định ở mức 4 đến 6 bar luôn là thách thức lớn. Hiện tượng sụt áp khi nhiều van cùng mở làm suy giảm lực đẩy của xy lanh. Hệ thống cần các van điều áp và bình tích áp dung tích phù hợp. Thiết kế tổng thể phải cân bằng giữa chi phí, tính cơ động và sự tiện nghi.

2.1. Độ trễ phản hồi giữa hình ảnh và cơ cấu cơ học

Một rào cản lớn khi xem phim 3D chuyển động là hiện tượng trễ tín hiệu tác động. Người xem dễ cảm thấy khó chịu khi hình ảnh vụ nổ xuất hiện trước rung chấn. Sự không ăn khớp giữa mắt nhìn và phản hồi cơ thể gây ra cảm giác chóng mặt. Độ trễ sinh ra từ thời gian đáp ứng của van khí nén cơ học. Đường ống dẫn khí dài cũng làm chậm tốc độ truyền áp suất. Để loại bỏ hiện tượng lệch pha, các lệnh tác vụ cần được lập trình sớm hơn khung hình một khoảng bù trừ thời gian. Đội ngũ kỹ sư phải tính toán kỹ quán tính cơ khí và thời gian kích từ của cuộn hút. Việc đo đạc thực nghiệm nhiều lần là bắt buộc để đạt được sự ăn khớp tuyệt đối.

2.2. Vấn đề an toàn điện và quá nhiệt khi vận hành dài hạn

Môi trường rạp phim tích hợp cả hiệu ứng nước và hệ thống điện cao thế 220V. Sự kết hợp này tiềm ẩn rủi ro rò rỉ điện nghiêm trọng nếu thiếu giải pháp cách ly chuẩn. Nước phun sương có thể bám vào các tiếp điểm relay hoặc bo mạch điều khiển. Ngoài ra, việc đóng cắt liên tục cuộn coil van khí nén làm tăng nhiệt độ cuộn dây. Hiện tượng quá nhiệt kéo dài dễ gây cháy cuộn hút và làm tê liệt toàn bộ dàn ghế. Hệ thống cần trang bị thiết bị chống dòng rò chuyên dụng cùng cảm biến giám sát nhiệt độ. Mọi đường dây điện bắt buộc đi trong ống gen bảo vệ chống cháy và chống thấm nước. Tủ điện trung tâm phải được bố trí hệ thống quạt thông gió cưỡng bức liên tục.

III. Phương pháp lập trình PLC điều khiển ghế rạp chiếu phim 3D

Giải pháp cốt lõi của đề tài là ứng dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-1200. Thiết bị đóng vai trò trung tâm tiếp nhận và xuất tín hiệu điều khiển chính xác. Phần mềm TIA Portal hỗ trợ thiết kế thuật toán điều khiển theo ngôn ngữ Ladder Logic trực quan. Cấu trúc bộ nhớ PLC bao gồm Load Memory, Work Memory và Retain Memory. Load Memory chứa mã nguồn chương trình từ máy tính nạp xuống. Work Memory lưu trữ dữ liệu tính toán tức thời trong suốt thời gian thực thi. Retain Memory bảo vệ trạng thái của các timer và biến cài đặt khi hệ thống mất điện lưới đột ngột. CPU thực hiện quét chu kỳ liên tục từ đầu vào cảm biến đến đầu ra điều khiển. Tín hiệu kích hoạt được chuyển tiếp qua mạch đệm rơ le trung gian để đóng cắt thiết bị công suất. Bộ nguồn công nghiệp DC 24V cung cấp điện áp ổn định cho cuộn hút van điện từ và motor rung. Hệ thống đường ống khí nén trang bị van giảm chấn và giảm âm hiệu quả cao. Nhờ vậy, chuyển động cơ học diễn ra êm ái, dứt khoát và đồng nhịp với nhịp điệu phim.

3.1. Thiết kế thuật toán Ladder Logic đồng bộ thời gian thực

Ngôn ngữ Ladder Logic đóng vai trò xương sống cho thuật toán điều khiển thiết bị rạp phim. Các nhánh thang logic mô phỏng trực tiếp nguyên lý mạch rơ le vật lý. Kỹ sư xây dựng chuỗi khối timer định thời On-Delay để khớp nối chuẩn xác từng mốc giây của phim. Khi một phân cảnh rượt đuổi bắt đầu, cờ nhớ nội bộ kích hoạt đồng thời van khí nén và motor rung. Thuật toán phân luồng rõ ràng giữa các nhóm hiệu ứng độc lập như gió, sương và chuyển động rung. Việc sử dụng các tiếp điểm khóa liên động đảm bảo xy lanh không kích hoạt trái chiều cùng lúc. Điều này bảo vệ an toàn tối đa cho kết cấu cơ khí và người dùng.

3.2. Bố trí phần cứng khí nén và tủ điện chấp hành

Phần cứng điều khiển được tích hợp gọn gàng trong tủ điện công nghiệp đạt chuẩn an toàn. Bên trong tủ gồm có aptomat bảo vệ nguồn, PLC S7-1200, cụm rơ le trung gian và bộ lọc nguồn. Bên ngoài khung ghế, hệ thống bố trí hai xy lanh khí nén nâng hạ hai bên sườn. Cụm van điện từ 5/2 điều hướng luồng khí nén có trang bị ống giảm thanh chống ồn. Motor rung lệch tâm gắn chắc chắn dưới đáy đệm ngồi bằng giá đỡ bu lông thép cường độ cao. Hệ thống ống dẫn khí mềm PU dẫn luồng khí cao áp đến vòi phun gió cạnh tựa đầu. Cụm van phun sương siêu âm tạo làn hơi ẩm mát mẻ ngay trước mặt người trải nghiệm.

IV. Kết luận và tiềm năng ứng dụng ghế rạp chiếu phim 3D tự động

Đồ án tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hoàn thành các chỉ tiêu đề ra. Mô hình ghế ngồi rạp chiếu phim vận hành ổn định và đồng bộ nhịp nhàng theo kịch bản chiếu. Sự kết hợp giữa bộ điều khiển PLC và các cơ cấu khí nén mang lại giải pháp công nghệ tin cậy. Sản phẩm chứng minh tính khả thi cao trong việc nội địa hóa các thiết bị rạp phim cao cấp. Thay vì nhập khẩu linh kiện với giá thành đắt đỏ, doanh nghiệp có thể làm chủ công nghệ hoàn toàn. Điều này mở ra cơ hội thương mại hóa mạnh mẽ cho ngành công nghiệp giải trí trong nước. Hệ thống không chỉ dừng lại ở quy mô phòng chiếu phim thông thường. Công nghệ này có thể mở rộng vào các khu vui chơi giáo dục, trung tâm trải nghiệm thực tế ảo và thiết bị huấn luyện lái xe mô phỏng. Sự phát triển của các cơ cấu chấp hành thông minh hứa hẹn tạo nên nhiều bước tiến mới. Dự án đánh dấu thành quả học tập và nghiên cứu thực tiễn sâu sắc của các kỹ sư điều khiển tương lai.

4.1. Khả năng nhân rộng mô hình tại rạp chiếu phim thương mại

Mô hình ghế rung lắc khí nén sở hữu tiềm năng ứng dụng thương mại rất lớn. Chi phí sản xuất trong nước thấp hơn đáng kể so với việc nhập khẩu hệ thống 4D từ nước ngoài. Thiết kế mô đun hóa cho phép dễ dàng mở rộng từ một ghế đơn lẻ thành cụm nhiều ghế liên hoàn. Hệ thống mạng truyền thông công nghiệp hỗ trợ kết nối hàng chục bộ điều khiển vệ tinh về máy chủ quản lý trung tâm. Doanh nghiệp rạp chiếu phim có thể tối ưu hóa chi phí đầu tư ban đầu mà vẫn đảm bảo tính năng trải nghiệm đỉnh cao. Khả năng bảo trì và thay thế linh kiện tại chỗ diễn ra nhanh chóng, giảm thiểu thời gian gián đoạn vận hành của rạp.

4.2. Hướng nghiên cứu nâng cấp công nghệ điều khiển tương lai

Hướng phát triển tiếp theo của hệ thống tập trung vào việc số hóa và ứng dụng trí tuệ nhân tạo. Kỹ sư có thể tích hợp thuật toán phân tích âm thanh và hình ảnh theo thời gian thực. Hệ thống sẽ tự động trích xuất các khoảnh khắc hành động để sinh mã điều khiển ghế mà không cần lập trình thủ công. Bên cạnh đó, việc chuyển đổi từ xy lanh khí nén sang động cơ servo điện sẽ tăng độ mượt mà cho chuyển động. Động cơ servo hỗ trợ phản hồi vị trí chính xác đến từng milimet, giúp ghế vận hành êm ái hơn. Các cảm biến sinh trắc học cũng có thể được bổ sung để đo nhịp tim và phản ứng cảm xúc của khán giả trong phòng chiếu.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của công nghệ giải trí hiện đại đặt ra yêu cầu ngày càng cao đối với trải nghiệm nghe nhìn của khán giả tại các rạp chiếu phim. Các định dạng điện ảnh truyền thống (2D, 3D) chủ yếu tập trung vào việc cải thiện độ phân giải hình ảnh, hiệu ứng nổi ba chiều và chất lượng âm thanh vòm. Tuy nhiên, để gia tăng tính chân thực và cảm giác nhập vai, xu hướng công nghệ trên thế giới đã phát triển sang các định dạng 4D, 5D và 6D thông qua việc kết hợp các chuyển động vật lý và hiệu ứng môi trường thực tế như rung lắc, nâng hạ, thổi gió, phun sương hoặc tác động xúc giác.

Trên thị trường quốc tế, nhiều giải pháp thương mại đã được triển khai rộng rãi như hệ thống ghế D-Box của Canada (ứng dụng cơ cấu chuyển động ba bậc tự do - 3 DOF), công nghệ 4DX của CJ 4DPLEX (Hàn Quốc) tích hợp đa hiệu ứng môi trường, hay hệ thống MX4D của MediaMation (Mỹ). Dù mang lại trải nghiệm tối ưu, các hệ thống nhập khẩu này đòi hỏi kinh phí đầu tư ban đầu rất lớn, chi phí bảo dưỡng cao và kỹ thuật vận hành phức tạp. Tại Việt Nam, việc trang bị ghế hiệu ứng đa phần phụ thuộc hoàn toàn vào công nghệ nước ngoài và chỉ xuất hiện tại các cụm rạp cao cấp ở các đô thị lớn. Trong khi đó, các rạp chiếu mini, trung tâm đào tạo nghề, không gian giáo dục STEM hoặc các khu vui chơi giải trí quy mô vừa và nhỏ chưa có điều kiện tiếp cận các mô hình nội địa hóa có chi phí hợp lý.

Trước yêu cầu thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế và thi công ghế ngồi trong rạp chiếu phim 3D" được nhóm sinh viên Trần Quang Huy và Điểu Nghĩa thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Tấn Đời tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khóa 2020 – 2024, hoàn thành tháng 05/2025). Đề tài hướng tới việc nghiên cứu, chế tạo một mô hình ghế đơn có khả năng tái tạo các hiệu ứng vật lý cơ bản, vận hành tự động theo dòng thời gian của kịch bản phim.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo văn bản gồm bốn nhiệm vụ:

1. Thiết kế và thi công được hệ thống ghế có thể tạo ra các hiệu ứng nâng hạ, rung, thổi gió và phun sương.
2. Ứng dụng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) để điều khiển các cơ cấu chấp hành dựa trên kịch bản hiệu ứng phim được lập trình sẵn.
3. Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển quy trình hoạt động của hệ thống trên giao diện người – máy (HMI), giúp người vận hành dễ dàng quan sát, thao tác và điều chỉnh trong quá trình vận hành.
4. Nâng cao kỹ năng thiết kế, lập trình, thi công hệ thống tự động hóa thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống ghế ngồi cơ khí tích hợp cơ cấu nâng hạ khí nén, động cơ rung, vòi phun sương và van thổi gió được điều khiển tập trung qua PLC và HMI.
• Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được triển khai thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Tự động – Điều khiển, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; thời gian giao nhiệm vụ từ tháng 01/2025 đến ngày hoàn thành 30/05/2025.
• Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống thử nghiệm áp dụng cho một mô hình ghế đơn; cơ cấu điều khiển thực hiện bốn hiệu ứng vật lý cố định (nâng hạ, rung, thổi gió, phun sương); không tích hợp hệ thống nhận dạng người dùng hoặc cơ chế tương tác hai chiều với khán giả.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên các khối kiến thức chuyên ngành điều khiển tự động, kỹ thuật điện và cơ khí ứng dụng:

• Cấu trúc rạp phim hiệu ứng (3D, 4D, 6D): Phân tích nguyên lý tạo chiều sâu hình ảnh (phân cực, kính chủ động, thụ động) kết hợp cơ chế đồng bộ hiệu ứng chuyển động và môi trường theo trục thời gian (timeline).
• Bộ điều khiển logic khả trình (PLC): Nghiên cứu kiến trúc phần cứng của PLC gồm CPU, khối ngõ vào số (DI), ngõ vào tương tự (AI), khối ngõ ra số (DO), ngõ ra tương tự (AO). Cơ chế quét chu kỳ gồm ba giai đoạn: đọc ngõ vào, thực thi chương trình điều khiển và cập nhật ngõ ra. Cấu trúc bộ nhớ PLC được phân tách theo ba vùng: Load Memory (bộ nhớ bất biến lưu chương trình nguồn), Work Memory (RAM tạm thời thực thi lệnh thời gian thực), và Retain Memory (vùng nhớ lưu giữ dữ liệu khi mất nguồn). Thiết bị cụ thể được chọn là PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY.
• Ngôn ngữ lập trình Ladder Diagram (LAD): Áp dụng nguyên lý đóng ngắt logic tiếp điểm thường mở (NO), tiếp điểm thường đóng (NC), cuộn dây ngõ ra (Coil), các khối định thời (Timer) và bộ đếm (Counter) để thiết lập trình tự kích hoạt tải.
• Giao diện người – máy (HMI): Lý thuyết thiết kế giao diện vận hành công nghiệp, thiết lập kết nối truyền thông công nghiệp (Ethernet/Profinet) giữa màn hình cảm ứng HMI Weinview và PLC trung tâm.
• Cơ cấu chấp hành điện – khí nén: Nguyên lý tạo lực đẩy tịnh tiến của xy lanh khí nén hai chiều; nguyên lý đóng mở dòng khí/nước bằng lực điện từ trong van 4V210-08, 3V110-06 và van điện từ chất lỏng 24VDC; nguyên lý phát sinh lực rung cưỡng bức ly tâm nhờ khối lệch tâm quay trên trục động cơ điện một chiều 24VDC.

Phương pháp nghiên cứu

Nhóm tác giả tiếp cận bài toán theo hướng tích hợp hệ thống liên ngành Cơ khí – Điện – Tự động hóa:

• Phương pháp tổng quan tài liệu: Khảo sát các công nghệ chuyển động trong rạp chiếu phim thương mại (D-Box, 4DX, MX4D) và các nghiên cứu tự động hóa liên quan đến điều khiển khí nén và PLC Siemens.
• Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán tải trọng cơ học của người ngồi và khung ghế để lựa chọn đường kính lòng, hành trình xy lanh; xác định lưu lượng khí nén, công suất nguồn cấp 24VDC và số lượng ngõ vào/ngõ ra I/O trên PLC; thiết kế kết cấu 3D các pát gá, hộp chứa cụm van và khung đỡ ghế.
• Phương pháp lập trình và tích hợp: Thiết kế lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống tổng thể và các kịch bản chạy phim riêng lẻ; xây dựng sơ đồ đấu nối điện, bố trí bố cục tủ điện; lập trình các khối hàm logic thang (LAD) trên phần mềm TIA Portal; thiết kế giao diện đồ họa giám sát và điều khiển trên phần mềm Ebpro cho màn hình HMI.
• Phương pháp thực nghiệm và đánh giá: Gia công cơ khí, lắp ráp thiết bị, chạy thử nghiệm kiểm tra tính chính xác về mặt thời gian của các hiệu ứng theo kịch bản phim mẫu; lập bảng khảo sát thu thập đánh giá trải nghiệm của người dùng thực tế.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu kỹ thuật phục vụ đồ án bao gồm: thông số kỹ thuật (datasheet) của thiết bị PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY, màn hình HMI Weinview, xy lanh khí nén SC63x150, van điện từ 4V210-08 và 3V110-06; bảng phân công ngõ ra I/O (Bảng 3-1); bảng kịch bản thời gian – hiệu ứng của các đoạn phim thử nghiệm (Bảng 5-1); dữ liệu kiểm tra độ đáp ứng thời gian thực (Bảng 5-2); và bảng số liệu khảo sát đánh giá cảm nhận người dùng (Bảng 5-3).

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống ghế ngồi xem phim 3D được thiết kế thành một chỉnh thể tích hợp giữa kết cấu cơ khí, tủ điều khiển điện, mạch cấp khí nén và giao diện vận hành HMI.

Thành phần hệ thống	Thiết bị / Công nghệ sử dụng	Chức năng kỹ thuật trong hệ thống
Bộ điều khiển trung tâm	PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C AC/DC/RLY)	Tiếp nhận lệnh điều khiển, thực thi giải thuật Ladder Logic, kích hoạt các cổng ra theo timeline phim.
Giao diện giám sát (HMI)	Màn hình HMI Weinview (lập trình qua phần mềm Ebpro)	Cho phép người dùng đăng nhập, chọn chế độ rạp phim, bật/tắt thủ công và theo dõi trạng thái hiệu ứng.
Cơ cấu nâng hạ ghế	Xy lanh khí nén hai chiều SC63x150, van điện từ khí 4V210-08	Tạo lực đẩy nâng và hạ toàn bộ mặt ghế ngồi theo các phân cảnh hành động, va chạm.
Cơ cấu tạo hiệu ứng gió	Van điện từ khí nén 3V110-06, ống khí phi 8, pát định hướng	Dẫn luồng khí áp lực cao thổi trực tiếp từ hai bên hông và phía dưới chân người xem.
Cơ cấu phun sương	Van điện từ nước 24VDC kết hợp đầu phun áp lực và khí nén	Hòa trộn và phun các tia sương mịn phía trước người xem trong các phân cảnh mưa hoặc sương mù.
Cơ cấu tạo rung	Động cơ rung 24VDC (Vibration Motor) gắn lệch tâm	Lắp đặt tại bục đỡ chân, tạo dao động cơ học tần số cao mô phỏng tiếng gầm rú động cơ, rung chấn.
Hệ thống cấp nguồn & bảo vệ	Aptomat CB LCP32FM-5A, Nguồn tổ ong 24VDC – 5A	Đóng ngắt bảo vệ quá tải mạch nguồn, hạ áp và cung cấp nguồn điện một chiều ổn định cho van và rơ-le.

Hệ thống được triển khai qua các bước:

1. Thiết kế cơ khí: Khung đỡ ghế được gia công từ thép chịu lực vững chắc. Xy lanh SC63x150 được lắp đặt dưới đáy ghế truyền lực trực tiếp qua cơ cấu nâng hạ. Hộp kỹ thuật chứa cụm van điện từ nước và khí được bố trí gọn gàng phía sau/dưới ghế, kết hợp các ống dẫn khí phi 8 nối tới các pát định vị góc thổi ở bên trái và bên phải ghế. Động cơ rung 24VDC được bắt chặt vào khung sàn đặt chân.
2. Thiết kế mạch điện và điều khiển: Toàn bộ thiết bị điều khiển được gom vào tủ điện cách ly. PLC kết nối với các rơ-le trung gian để cách ly và đóng cắt an toàn cho cuộn coil của van điện từ và động cơ rung 24VDC. Cổng mạng Ethernet kết nối trực tiếp PLC S7-1200 với HMI Weinview.
3. Phần mềm và giải thuật: Giải thuật điều khiển trung tâm quản lý ba chế độ kịch bản tương ứng với ba đoạn phim (Rạp phim 1, Rạp phim 2, Rạp phim 3). Khi tín hiệu phát phim bắt đầu, PLC kích hoạt các bộ định thời (Timer). Các tiếp điểm định thời đóng/ngắt các van khí 4V210-08 (nâng/hạ), van 3V110-06 (thổi gió), van nước 24VDC (phun sương) và motor rung tuần tự theo các mốc giây định sẵn. Màn hình HMI Weinview hiển thị trực quan trạng thái ON/OFF của từng cơ cấu chấp hành.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài, nêu bật tính cấp thiết của việc tự chủ thiết kế hệ thống ghế hiệu ứng giá thành thấp tại Việt Nam nhằm phục vụ các khu giải trí vừa và nhỏ, mô hình giáo dục nghề nghiệp. Tác giả khảo sát các công nghệ rạp phim hiện đại trên thế giới (D-Box, 4DX, MX4D) và chỉ ra hạn chế của các hệ thống nhập khẩu. Trên cơ sở đó, chương xác lập bốn mục tiêu nghiên cứu, giới hạn đề tài ở mô hình một ghế đơn với bốn hiệu ứng (nâng hạ, rung, gió, phun sương) và vạch ra phương pháp tiếp cận liên ngành tích hợp Cơ khí – Điện – Điều khiển tự động.

Chương 2: Cơ sở lí thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng kiến thức chi tiết về công nghệ chiếu phim đa chiều (3D, 4D, 6D) và các thiết bị tự động hóa. Trọng tâm của chương phân tích cấu trúc phần cứng của PLC SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C AC/DC/RLY), nguyên lý quét chu kỳ của CPU, ba vùng nhớ (Load, Work, Retain Memory) và cú pháp ngôn ngữ lập trình Ladder Diagram. Bên cạnh đó, chương phân tích nguyên lý làm việc của màn hình HMI Weinview, phân loại và cấu tạo của van điện từ khí nén (2/2, 3/2, 5/2, 5/3), van điện từ nước (thường đóng NC, thường mở NO, tác động trực tiếp/gián tiếp), đặc tính của xy lanh khí nén hai chiều và nguyên lý phát lực ly tâm của động cơ rung 24VDC.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 tập trung vào khâu tính toán và thiết kế kỹ thuật. Về phần cơ khí, tác giả xây dựng bản vẽ 3D tổng thể ghế ngồi, khung giá đỡ, cơ cấu nâng hạ bằng xy lanh, hộp kỹ thuật chứa van nước/khí, pát giữ đầu nối co khí nén bên trái/phải và kết cấu bàn rung dưới chân. Về phần điện, chương đưa ra sơ đồ khối hệ thống, thuyết minh chức năng từng khối (khối nguồn, khối điều khiển, khối chấp hành, khối giám sát), lập danh mục lựa chọn linh kiện thực tế (CB LCP32FM-5A, nguồn tổ ong 24VDC-5A, PLC S7-1200, HMI Weinview, van 4V210-08, van 3V110-06, xy lanh SC63x150, động cơ rung). Chương lập Bảng 3-1 quy định địa chỉ gán các ngõ ra PLC, sơ đồ đấu dây ngoại vi, sơ đồ mạch khí nén, mạch động lực động cơ và xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển toàn hệ thống cùng lưu đồ chi tiết cho ba kịch bản phim.

Chương 4: Thi công mô hình

Chương 4 ghi lại toàn bộ quy trình chế tạo thực tế của mô hình:

• Thi công cơ khí: Cắt hàn khung sắt định hình, lắp ráp cơ cấu bản lề nâng hạ, gá lắp xy lanh khí nén, gia công hộp bảo vệ cụm van, định vị vòi phun sương và ống dẫn khí phi 8.
• Thi công phần điện: Lắp đặt tủ điện, đi máng dây, đấu nối nguồn tổ ong, CB bảo vệ, rơ-le đệm, khối domino và nối dây I/O cho PLC S7-1200 theo bản vẽ thiết kế.
• Thi công giao diện giám sát: Lập trình trên phần mềm Ebpro để tải lên màn hình HMI Weinview, bao gồm màn hình đăng nhập, trang giới thiệu đề tài, trang giao diện chính lựa chọn phim, và các màn hình vận hành chi tiết cho ba phòng chiếu/kịch bản (Rạp phim số 1, Rạp phim số 2, Rạp phim số 3).

Chương 5: Kết quả và đánh giá hệ thống

Chương 5 báo cáo kết quả chế tạo hoàn thiện mô hình ghế ngồi vật lý và tủ điều khiển. Tác giả tiến hành thử nghiệm vận hành hệ thống theo dòng thời gian của kịch bản phim (Bảng 5-1 ghi nhận các mốc thời gian kích hoạt từng hiệu ứng). Bảng 5-2 đánh giá sự đồng bộ và độ ổn định của các cơ cấu chấp hành khi nhận lệnh từ PLC. Ngoài ra, chương bổ sung Bảng 5-3 tổng hợp số liệu khảo sát cảm nhận thực tế của người dùng sau khi trải nghiệm xem phim trên ghế, đánh giá các tiêu chí về độ êm ái, tính đồng bộ của hiệu ứng rung, gió, nâng hạ và phun sương.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu đề ra ban đầu, xác nhận hệ thống vận hành ổn định, đồng bộ đúng kịch bản và đảm bảo độ an toàn điện – khí nén. Đồng thời, chương chỉ rõ các điểm hạn chế về số bậc tự do chuyển động và vạch ra định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm

Hệ thống ghế ngồi xem phim 3D đã được chế tạo hoàn chỉnh và vận hành thành công theo đúng hồ sơ thiết kế:

• Cơ khí và khí nén: Khung ghế chịu tải vững chắc, cơ cấu xy lanh SC63x150 kết hợp van 4V210-08 thực hiện êm ái hành trình nâng hạ mặt ghế. Hệ thống đường ống khí phi 8 và cụm van 3V110-06 tạo luồng gió cục bộ rõ rệt tại vùng mặt và chân. Đầu phun sương kết hợp van nước 24VDC tạo hạt sương nhỏ mịn, không gây đọng nước cục bộ quá mức. Động cơ rung 24VDC truyền lực dao động đồng đều lên bục để chân.
• Điều khiển và giám sát: Chương trình Ladder Logic trên PLC S7-1200 điều khiển chính xác các mốc thời gian của kịch bản phim mẫu (Bảng 5-1 và 5-2), không xảy ra hiện tượng trễ lệch thời gian hoặc xung đột ngõ ra. Giao diện HMI Weinview thông qua phần mềm Ebpro cho phép chuyển đổi mượt mà giữa các kịch bản phim 1, 2, 3 và hiển thị chính xác trạng thái hoạt động của từng ngõ ra rơ-le.
• Dữ liệu đánh giá trải nghiệm: Kết quả khảo sát người dùng thực tế tại Bảng 5-3 cho thấy các phản hồi tích cực về mức độ gia tăng cảm giác hòa nhập vào bộ phim, các hiệu ứng vật lý phản ứng kịp thời với các pha hành động trên màn ảnh.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

• Chế tạo thành công một mô hình ghế xem phim hiệu ứng tích hợp hoàn chỉnh ở quy mô thực tế, sử dụng các linh kiện công nghiệp tiêu chuẩn (Siemens, Weinview, AirTAC) có độ bền và độ tin cậy cao.
• Đưa ra giải pháp công nghệ giá thành thấp, dễ tiếp cận hơn so với các hệ thống thương mại nhập ngoại (như D-Box, 4DX), mở ra khả năng ứng dụng cho các phòng chiếu mini, phòng thí nghiệm tự động hóa hoặc trung tâm giáo dục STEM.
• Cung cấp tài liệu thiết kế chi tiết từ bản vẽ cơ khí 3D, sơ đồ nối dây điện, lưu đồ giải thuật PLC đến giao diện HMI, làm tài liệu học tập và nghiên cứu thực tế cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

Theo công bố trong văn bản đồ án, hệ thống còn tồn tại một số giới hạn kỹ thuật:

• Mô hình mới chỉ thiết kế cho một ghế đơn, chưa triển khai thử nghiệm cụm nhiều ghế liên hoàn.
• Cơ cấu chuyển động chỉ gồm một bậc tự do nâng/hạ tịnh tiến bằng xy lanh, chưa thể tạo chuyển động xoay, nghiêng đa hướng (3 DOF hoặc 6 DOF) như các rạp 4D chuyên nghiệp.
• Hiệu ứng vật lý phụ thuộc hoàn toàn vào kịch bản thời gian cố định được lập trình sẵn trong PLC, chưa có khả năng tự động phân tích và trích xuất hiệu ứng trực tiếp từ tín hiệu âm thanh hoặc hình ảnh của phim.
• Hệ thống chưa trang bị cảm biến an toàn (cảm biến tiệm cận giới hạn hành trình, cảm biến tải trọng người ngồi) và chưa có chức năng tương tác hai chiều từ khán giả.

Hướng phát triển

Nhóm tác giả đề xuất các hướng mở rộng trong tương lai gồm:

• Thiết kế và nâng cấp kết cấu cơ khí để ghế có thể nghiêng trái/phải, ngả trước/sau (nâng cấp lên 3 bậc tự do hoặc hệ chuyển động mô phỏng Stewart platform).
• Mở rộng hệ thống điều khiển mạng để quản lý đồng bộ nhiều cụm ghế cùng lúc trong phòng chiếu rạp mini.
• Nghiên cứu tích hợp thêm các hiệu ứng môi trường phong phú hơn như ánh sáng chớp sấm sét (đèn strobe LED) và cơ cấu khuếch tán mùi hương.
• Bổ sung cảm biến an toàn nhận biết có người ngồi trên ghế mới kích hoạt hệ thống, kết hợp nút dừng khẩn cấp và bảo vệ tự động.
• Phát triển phần mềm giải mã tín hiệu âm thanh/video để đồng bộ hiệu ứng bán tự động thay vì cấu hình thủ công từng mốc thời gian.

---

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng sau:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện: Tham khảo phương pháp xây dựng một dự án tích hợp phần cứng - phần mềm hoàn chỉnh, từ khâu thiết kế cơ khí 3D, tính toán chọn thiết bị khí nén, lập sơ đồ đấu nối tủ điện công nghiệp đến kỹ thuật lập trình PLC S7-1200 và thiết kế HMI Weinview.
• Các nhóm nghiên cứu đề tài ứng dụng / STEM: Có thể kế thừa phương pháp điều khiển tải công suất một chiều (van, động cơ) thông qua ngõ ra rơ-le của PLC và cơ chế đồng bộ kịch bản theo thời gian (timeline-based sequence control).
• Cơ sở đào tạo nghề và các đơn vị kinh doanh phòng chiếu nhỏ: Tham khảo cấu trúc phần cứng và bảng dự toán thiết bị để chế tạo các mô hình mô phỏng chuyển động, cabin lái xe hoặc rạp phim mini với chi phí tối ưu.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm và màn hình giao diện người – máy được lựa chọn trong đề tài là gì?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C AC/DC/RLY) để xử lý logic và điều khiển các ngõ ra. Giao diện giám sát và điều khiển sử dụng màn hình HMI Weinview, được thiết kế và cấu hình bằng phần mềm Ebpro.

2. Cơ cấu cơ khí nào đảm nhiệm hiệu ứng nâng hạ của ghế và được điều khiển bằng van gì?
Hiệu ứng nâng hạ chuyển động thẳng của ghế được thực hiện bởi xy lanh khí nén hai chiều mã SC63x150. Việc cấp và xả khí để điều khiển chuyển động của xy lanh được đóng ngắt thông qua van điện từ khí nén loại 4V210-08.

3. Hiệu ứng thổi gió và phun sương được bố trí và kích hoạt như thế nào?
Hiệu ứng gió được tạo ra từ nguồn khí nén đi qua van điện từ 3V110-06, dẫn qua ống phi 8 đến các pát gá cố định hai bên hông và phía dưới ghế để thổi lên người xem. Hiệu ứng phun sương sử dụng van điện từ nước 24VDC kết hợp với đường khí nén trong hộp kỹ thuật để phun sương mịn phía trước người ngồi khi kịch bản phim yêu cầu.

4. Cơ cấu tạo hiệu ứng rung được lắp đặt ở vị trí nào và sử dụng nguồn điện bao nhiêu?
Cơ cấu rung sử dụng động cơ rung điện một chiều (Vibration Motor) 24VDC gắn khối lệch tâm trên trục, được lắp đặt chắc chắn tại khung bục đỡ chân của ghế để truyền dao động cơ học lên chân người xem.

5. Hệ thống hỗ trợ bao nhiêu kịch bản phim trên giao diện HMI và được điều khiển theo nguyên lý nào?
Trên giao diện HMI Weinview, hệ thống được thiết kế với ba giao diện vận hành tương ứng cho ba kịch bản phim: Rạp phim số 1, Rạp phim số 2 và Rạp phim số 3. Quá trình vận hành dựa trên nguyên lý điều khiển theo trục thời gian (timeline-based): khi bắt đầu phát phim, các bộ định thời (Timer) trong PLC S7-1200 đếm thời gian và kích hoạt các ngõ ra rơ-le để mở van khí, van nước và động cơ rung đồng bộ với từng phân cảnh.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công ghế ngồi trong rạp chiếu phim 3D" của nhóm tác giả Trần Quang Huy và Điểu Nghĩa đã hoàn thành đầy đủ các nhiệm vụ kỹ thuật đề ra, chế tạo thành công mô hình ghế đơn tích hợp bốn hiệu ứng vật lý gồm nâng hạ, rung bục chân, thổi gió và phun sương. Bằng việc ứng dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 kết hợp giao diện màn hình HMI Weinview, hệ thống đạt được sự vận hành ổn định, đồng bộ chính xác các cơ cấu chấp hành điện – khí nén theo kịch bản thời gian của bộ phim. Nghiên cứu khẳng định tính khả thi của giải pháp nội địa hóa thiết bị mô phỏng giải trí đa giác quan với chi phí hợp lý, đồng thời cung cấp một mô hình thực hành tự động hóa có giá trị ứng dụng và tham khảo cao cho công tác đào tạo kỹ thuật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Tính toán và thiết kế Chương 4: Thi công hệ thống Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 1. Giới hạn đề tài - Hệ thống điều khiển chỉ thực hiện các hiệu ứng nâng hạ, rung, thổi gió và phun sương. - Hệ thống chỉ điều khiển cho một ghế đơn trong mô hình thử nghiệm. - Không sử dụng hệ thống nhận dạng người dùng hay tương tác với người xem.

Tổng quan nghiên cứu và phương pháp tiếp cận 1. Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều hệ thống ghế hiệu ứng tích hợp trong rạp chiếu phim thương mại, có thể kể đến như: - Hệ thống ghế D-Box (Canada): Sử dụng công nghệ chuyển động lập trình sẵn với ba mức độ tự do (DOF), đồng bộ theo nội dung phim. Được tích hợp tại nhiều rạp chiếu phim cao cấp trên toàn cầu. - Công nghệ 4DX (CJ 4DPLEX – Hàn Quốc): Bên cạnh chuyển động, hệ thống còn tích hợp hiệu ứng môi trường như gió, mưa, mùi hương, đèn chớp.

Công nghệ này đã được thương mại hóa và triển khai rộng rãi tại các chuỗi rạp lớn như CGV. - MX4D (MediaMation – Mỹ): Cũng sử dụng cơ cấu chuyển động và hiệu ứng phụ trợ. Hệ thống này yêu cầu mức đầu tư lớn và kỹ thuật lập trình đồng bộ phức tạp. Tại Việt Nam, một số rạp chiếu lớn cũng đã triển khai các ghế hiệu ứng tương tự, tuy nhiên vẫn phụ thuộc vào công nghệ nhập khẩu.

Trong lĩnh vực học thuật, các nghiên cứu về hệ thống ghế hiệu ứng chủ yếu còn mang tính mô phỏng hoặc giới hạn trong bài toán điều khiển riêng lẻ (ví dụ: điều khiển motor rung, xy lanh.), chưa có nhiều mô hình tích hợp hoàn chỉnh ở quy mô thử nghiệm thực tế. Phương pháp tiếp cận đề tài Đề tài tiếp cận theo hướng tích hợp liên ngành giữa cơ khí – điện – điều khiển lập trình. Cụ thể: - Cơ khí: Thiết kế và gia công phần khung ghế, kết cấu nâng hạ, hệ thống gá lắp thiết bị. - Điện và khí nén: Lựa chọn và triển khai hệ thống thiết bị như van điện từ, động cơ rung, xy lanh, nguồn khí… - Điều khiển tự động: Sử dụng PLC S7-1200 để điều khiển trình tự hoạt động của các thiết bị chấp hành theo nội dung phim.

- Giám sát giao diện: Thiết kế giao diện HMI Weinview để điều khiển và theo dõi trạng thái hệ thống theo thời gian thực. 3 - Hiệu ứng đồng bộ: Các hiệu ứng được lập trình theo kịch bản phim nhằm đồng bộ hóa giữa nội dung hình ảnh và tác động vật lý lên người xem. Cách tiếp cận này không chỉ mang tính thực tiễn mà còn giúp sinh viên rèn luyện kỹ năng tích hợp hệ thống, mô phỏng quy trình công nghiệp thu nhỏ – một trong những yêu cầu quan trọng trong lĩnh vực điều khiển – tự động hóa hiện đại. 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.

Tổng quan về hệ thống trong rạp chiếu phim 3D 2. Giới thiệu về hệ thống trong rạp chiếu phim 3D Hệ thống ghế ngồi trong rạp chiếu phim 3d là công nghệ tiên tiến nhằm nâng cao trải nghiệm điện ảnh của người xem, mang lại một không gian sống động và chân thực hơn bằng cách sử dụng các hiệu ứng hình ảnh ba chiều. Khác với các bộ phim truyền thống 2D, phim 3D giúp tạo ra cảm giác chiều sâu và chuyển động thực tế hơn, khiến người xem có thể cảm nhận được sự sống động của các cảnh trong phim như thể họ đang ở trong thế giới của bộ phim đó.