Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực xây dựng công trình kiến trúc và hạ tầng giao thông tại Việt Nam, công tác xử lý nền móng thường xuyên đối mặt với trở ngại lớn từ các tầng địa chất đất yếu. Nhằm khắc phục hạn chế này, công nghệ gia cố nền móng bằng phương pháp cọc bê tông đất (xi măng đất) được ứng dụng rộng rãi nhờ tính hiệu quả và khả năng nâng cao sức chịu tải của nền đất. Quá trình thi công cọc xi măng đất đòi hỏi sự phối hợp đồng bộ giữa nhiều thiết bị chuyên dụng như máy khoan tạo cọc, máy bơm áp lực cao và đặc biệt là hệ thống trạm trộn để sản xuất vữa xi măng đất đạt tiêu chuẩn cấp phối.

Nhằm đáp ứng yêu cầu tự động hóa và nâng cao độ chính xác trong quá trình định lượng nguyên liệu cho các công trình thi công, tác giả Nguyễn Tây Hồ (ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Trường Đại học Lâm nghiệp) đã thực hiện khóa luận tốt nghiệp với đề tài "Thiết kế, chế tạo tủ điện điều khiển cho trạm trộn xi măng đất" dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thành Trung.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm 5 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh 01 tủ điện điều khiển phục vụ vận hành trạm trộn xi măng đất.
  2. Lập trình điều khiển cho bộ điều khiển khả trình PLC Mitsubishi FX3U-16MR kết hợp module mở rộng analog PLC Mitsubishi FX2N-2AD.
  3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển cho hệ thống điện trạm trộn.
  4. Lập trình và thiết kế giao diện điều khiển, giám sát trên màn hình cảm ứng HMI Weintek MT8071iE.
  5. Lắp đặt và vận hành thử nghiệm thành công tủ điện trên hệ thống trạm trộn xi măng đất thực tế.

Nhiệm vụ nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế cấu trúc mạch điện, gia công cơ khí vỏ tủ, lập trình thuật toán điều khiển logic và thuật toán xử lý tín hiệu analog từ cảm biến cân định lượng, sau đó tiến hành đấu nối, hiệu chỉnh và chạy thử nghiệm tại công trường.

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển điện cho trạm trộn xi măng đất.
  • Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống tủ điện điều khiển ứng dụng cho trạm trộn xi măng đất có công suất làm việc định mức $10\text{ m}^3/\text{h}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, khóa luận tiến hành khảo sát và phân loại 4 nhóm trạm trộn cốt liệu phổ biến trong ngành xây dựng: trạm trộn bê tông cố định (công suất lớn từ $10\text{ m}^3/\text{h}$ đến $100\text{ m}^3/\text{h}$, kết cấu bền vững nhưng cồng kềnh), trạm trộn bê tông di động (công suất từ $10\text{ m}^3/\text{h}$ đến $30\text{ m}^3/\text{h}$, tính cơ động cao), trạm trộn bê tông nhựa nóng (hệ thống trộn gia nhiệt phức tạp cho mặt đường), và trạm trộn xi măng đất. Cấu tạo cơ bản của một trạm trộn xi măng đất bao gồm: silo chứa xi măng (sức chứa từ 25 tấn đến 300 tấn), vít tải xi măng vận chuyển vật liệu trong máng kín giảm phát tán bụi, bồn chứa nước, cabin điều khiển dạng container lắp ghép cách âm - cách nhiệt, cối trộn, bộ phận khuấy thứ cấp (trục khuấy thẳng đứng điều khiển qua bộ giảm tốc) và hệ thống cảm biến tải trọng (loadcell).

Phương pháp nghiên cứu được triển khai theo hướng kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế kỹ thuật và chế tạo thực nghiệm:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và kế thừa tài liệu: Khảo sát các mẫu tủ điện tiền nhiệm của các trạm trộn trên thị trường, phân tích sơ đồ công nghệ trạm trộn xi măng đất, từ đó lựa chọn chủng loại thiết bị đóng cắt, bảo vệ, đo lường và điều khiển phù hợp với công suất động cơ của trạm $10\text{ m}^3/\text{h}$.
  • Phương pháp thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD/CAE):
    • Phần mềm AutoCAD Electrical được sử dụng để xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý mạch động lực, sơ đồ mạch điều khiển, bản vẽ bố trí cơ khí linh kiện và sơ đồ đi dây tủ điện.
    • Phần mềm GX Works2 của Mitsubishi Electric được ứng dụng để lập trình chương trình điều khiển cho PLC FX3U-16MR và module FX2N-2AD bằng ngôn ngữ sơ đồ bậc thang (Ladder Diagram - LAD).
    • Phần mềm EasyBuilder Pro được sử dụng để thiết kế đồ họa giao diện người - máy (HMI) cho màn hình Weintek MT8071iE.
  • Phương pháp thử nghiệm và thực nghiệm: Tiến hành gia công cơ khí, lắp ráp thiết bị vào tủ điện, chạy thử nghiệm kiểm tra tính năng đóng ngắt logic của từng ngõ vào/ra (I/O check), hiệu chuẩn tín hiệu cân điện tử, sau đó đưa tủ điện về lắp đặt trực tiếp tại cabin trạm trộn, đấu nối liên kết với các động cơ, máy nén khí, van điện từ và vận hành kiểm tra toàn bộ chu trình tải thực tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống tủ điện điều khiển trạm trộn xi măng đất được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân chia thành 4 khối chức năng chính liên kết chặt chẽ với nhau:

Khối chức năng Các thiết bị cấu thành chính Chức năng kỹ thuật trong hệ thống
Khối Nguồn Nguồn 380VAC 3 pha, MCCB ABN103C, Aptomat LS MCB 20A (CB1, CB2), Cầu chì RT18-32X (CC1, CC2), Bộ chống mất pha CHNT XJ3-D, Bộ lọc nhiễu, Nguồn tổ ong, Biến dòng (CT), Đồng hồ vôn kế, Đồng hồ ampe kế, 3 đèn báo pha. Tiếp nhận lưới điện 3 pha, đóng ngắt nguồn tổng, biến đổi nguồn 24VDC/12VDC, bảo vệ quá dòng, ngắn mạch, sụt áp, quá áp, mất pha, lọc nhiễu tần số cao và giám sát dòng/áp.
Khối Đầu vào (Input) Cảm biến lực Loadcell PD-20S, Bộ biến đổi tín hiệu loadcell, Module Analog PLC Mitsubishi FX2N-2AD, 6 công tắc xoay LA38 2 vị trí (Mode, Khuấy, Xả, Trộn, Nước, Xi). Chuyển đổi lực cơ học thành tín hiệu điện áp/dòng điện chuẩn (0-10V / 4-20mA), số hóa tín hiệu qua ADC 12-bit để đưa vào PLC; tiếp nhận lệnh điều khiển từ người vận hành.
Khối Điều khiển (Controller) PLC Mitsubishi FX3U-16MR (16 kênh I/O cơ bản). Tiếp nhận tín hiệu từ công tắc, nút bấm, cảm biến và HMI; thực thi chương trình thuật toán điều khiển chu trình cấp liệu, cân đong, trộn, xả và xuất tín hiệu điều khiển ra rơ-le.
Khối Đầu ra (Output) 5 Relay trung gian 8 chân (Relay xi, trộn, khuấy, xả, nước), 3 Contactor (K1, K2, K3), 3 Relay nhiệt MT-32 LS, Máy nén khí, 2 van khí (van nước, van xả), cụm 5 đèn báo trạng thái. Đóng cắt mạch động lực cho động cơ vít tải xi, động cơ trộn, động cơ khuấy; cấp khí nén đóng mở van cấp nước và van xả vữa; bảo vệ quá tải động cơ và báo trạng thái vận hành.
Khối Hiển thị Màn hình cảm ứng HMI Weintek MT8071iE (7 inch TFT, 800x480 pixels). Giao tiếp người - máy, hiển thị tham số khối lượng thực tế, cho phép cài đặt thông số cấp phối mẻ trộn và hiệu chỉnh zero/span cho cân loadcell.

Thông số kỹ thuật của các thiết bị chính

Khóa luận ghi nhận cụ thể các thông số kỹ thuật đã được kiểm chứng và ứng dụng:

  • Màn hình HMI Weintek MT8071iE: Dòng MT8000, màn hình 7 inch TFT tỉ lệ 16:9, độ phân giải 800 x 480 pixels (văn bản ghi 801 x 480), độ sáng $400\text{ cd/m}^2$, độ tương phản 500:1, đèn nền LED, bộ xử lý 32-bit RISC Cortex-A8 600MHz, bộ nhớ Flash 128 MB và RAM 128 MB. Cổng giao tiếp bao gồm 1 cổng USB 2.0, 1 cổng Ethernet 10/100 Base-T, 3 cổng COM (COM1: RS-232, COM2: RS-485 2W/4W, COM3: RS-485 2W), nguồn cấp $24\text{VDC} \pm 20%$ với dòng tiêu thụ 450mA.
  • Module Analog FX2N-2AD: Module chuyển đổi tín hiệu analog sang digital 2 kênh đầu vào, độ phân giải 12-bit. Dải điện áp vào $0 \sim 10\text{V}$ tương ứng giá trị số $0 \sim 4000$; dải dòng điện vào $4 \sim 20\text{mA}$ tương ứng giá trị số $0 \sim 4000$.
  • Cảm biến tải trọng Loadcell PD-20S: Tốc độ lấy mẫu 100Hz, độ phân giải 100.000, tích hợp bộ lọc tín hiệu, hỗ trợ giao thức truyền thông ModBus đọc/ghi từ xa phục vụ hiệu chuẩn.
  • Relay bảo vệ điện áp 3 pha CHNT XJ3-D: Điện áp định mức 380VAC 50Hz, bảo vệ quá áp trong dải $380 \sim 460\text{VAC}$ (thời gian trễ $1{,}5 \sim 4\text{s}$), bảo vệ thấp áp trong dải $300 \sim 380\text{VAC}$ (thời gian trễ $2 \sim 9\text{s}$), sai số điện áp $\pm 5%$, bảo vệ lỗi pha khi điện áp cấp $<60% U_e$, thời gian đáp ứng thứ tự pha $\le 2\text{s}$, công suất tiếp điểm 380VAC 3A, công suất tiêu thụ $\le 1\text{W}$, kích thước $11{,}5 \times 7\text{ cm}$, khối lượng 300g.
  • Aptomat: Aptomat khối tổng MCCB ABN103C 3 pha 380VAC; Aptomat nhánh LS MCB 2 pha BKN 2P dòng định mức 20A, dòng cắt ngắn mạch 6kA.
  • Cầu chì bảo vệ: Hộp cầu chì RT18-32X kích thước ống $10 \times 38\text{ mm}$, điện áp cực đại 500V, dòng định mức cực đại 32A (CC1 và CC2).

Cấu hình phần mềm và thuật toán điều khiển

  • Chương trình PLC: Lập trình trên GX Works2 sử dụng tập lệnh xử lý logic và tính toán: lệnh SET và RST duy trì/xóa trạng thái rơ-le phụ trợ (M) và ngõ ra (Y); lệnh MOV luân chuyển dữ liệu thanh ghi; lệnh RD3A đọc giá trị kênh analog từ FX2N-2AD; các lệnh số học ADD, SUB, MUL để tính toán khối lượng tích lũy; lệnh chuyển đổi định dạng số thực FLT và số nguyên INT; lệnh chia số thực DEDIV; lệnh so sánh CMP để đối chiếu khối lượng cân thực tế với ngưỡng cài đặt.
  • Cấu hình giao diện HMI: Xây dựng hệ thống bảng biến dữ liệu điều khiển:
    • Biến thời gian thực: DC_1 (ngày, tháng, năm), DC_0 (giờ, phút, giây).
    • Biến điều khiển logic: M60 (nút ấn Bắt đầu), M65 (nút ấn Kết thúc), M61 (LED nhấp nháy báo trạng thái hoạt động HMI), M1 (chuyển chế độ Tự động / Bằng tay), M630 (chuyển chế độ Liên tục / Lần lượt), FK_0 (chuyển màn hình cài đặt), GP_0 (hiển thị Logo Trường Đại học Lâm nghiệp).
    • Thanh ghi dữ liệu khối lượng: D10 (khối lượng tức thời trên cân), D16 (khối lượng nước thực tế mẻ), D18 (khối lượng xi măng thực tế mẻ), D25 (tổng khối lượng nước và xi thực tế), D516 (cài đặt khối lượng nước mẻ), D518 (cài đặt khối lượng xi măng mẻ), D522 (cài đặt thời gian trộn).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về trạm trộn xi măng đất và các phần mềm thiết kế tủ điện điều khiển cho trạm trộn xi măng đất

Chương 1 trình bày tổng quan thực trạng phát triển hạ tầng và nhu cầu xử lý nền đất yếu tại Việt Nam bằng phương pháp cọc vữa xi măng đất. Tác giả phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc và so sánh ưu nhược điểm của 4 nhóm trạm trộn chính trong xây dựng. Chương này đi sâu vào cấu tạo cơ khí của trạm trộn xi măng đất gồm cối trộn, bồn nước, silo chứa 25-300 tấn, trục vít tải kín chống bụi và cabin điều khiển chuyên dụng. Đồng thời, tác giả khảo sát và giới thiệu tính năng của 3 công cụ phần mềm phục vụ đề tài: phần mềm thiết kế điện AutoCAD Electrical (tự động hóa bản vẽ, đánh số dây, tạo danh mục vật tư), phần mềm lập trình PLC GX Works2 của hãng Mitsubishi (hỗ trợ các ngôn ngữ LAD, FBD, SFC) và phần mềm thiết kế giao diện EasyBuilder Pro cho màn hình HMI Weintek. Cuối chương, tác giả xác định mục tiêu thiết kế tủ điện điều khiển cho trạm có công suất $10\text{ m}^3/\text{h}$ cùng phương pháp kết hợp nghiên cứu lý thuyết và chế tạo thử nghiệm.

Chương 2: Thiết kế tủ điện điều khiển cho trạm trộn xi măng đất

Chương 2 là nội dung trọng tâm của phần tính toán và thiết kế hệ thống. Tác giả thống kê chi tiết 21 loại khí cụ điện, thiết bị tự động hóa và thông số kỹ thuật tương ứng (như PLC FX3U-16MR, module FX2N-2AD, loadcell PD-20S, relay bảo vệ CHNT XJ3-D, HMI Weintek MT8071iE). Tác giả thiết lập sơ đồ khối chức năng phân định luồng tín hiệu giữa Khối Nguồn, Khối Input, Khối Output, Khối Điều khiển và Hiển thị.

Trên cơ sở đó, sơ đồ mạch động lực và sơ đồ mạch điều khiển được thiết kế hoàn chỉnh: mạch động lực cấp nguồn 3 pha 380VAC qua MCCB tới 3 contactor điều khiển 3 động cơ chính (khuấy, trộn, xi); mạch điều khiển sử dụng cuộn hút contactor K6 duy trì trạng thái đóng nguồn tổng thông qua nút ON/OFF, dây tín hiệu S/S của PLC nối 0V, các tín hiệu công tắc xoay đưa vào các đầu vào số $X_0$ (chế độ Mode), $X_1$ (khuấy), $X_2$ (xả), $X_3$ (trộn), $X_4$ (nước), $X_5$ (xi). Tín hiệu loadcell được đưa vào module FX2N-2AD qua chân VN1 và COM1. Bản vẽ bố trí thiết bị được phân chia khoa học: mặt cánh tủ lắp đèn báo pha, nút dừng khẩn cấp, vôn kế, ampe kế, màn hình HMI và hàng công tắc điều khiển; bên trong hộp tủ phân bổ các thiết bị PLC, rơ-le, contactor, aptomat, cầu chì, bộ lọc nhiễu, nguồn tổ ong theo các thanh ray ngang và đưa MCCB, biến dòng sang bên phải để thuận tiện đấu nối. Dây nguồn động lực sử dụng tiết diện $10\text{ mm}^2$, dây mạch điều khiển sử dụng tiết diện $2{,}5\text{ mm}^2$. Chương 2 cũng trình bày chi tiết thuật toán lập trình bậc thang trên GX Works2 và cấu hình các trang màn hình chính, màn hình cài đặt tham số, màn hình hiệu chỉnh cân trên EasyBuilder Pro.

Chương 3: Chế tạo tủ điện điều khiển cho trạm trộn xi măng đất

Chương 3 mô tả quá trình gia công cơ khí vỏ tủ điện công nghiệp và quy trình thi công lắp ráp, đấu nối thực tế theo hồ sơ thiết kế đã lập:

  1. Chế tạo vỏ tủ điện: Gia công cắt gọt tấm kim loại, đột lỗ mặt cánh tủ lắp HMI, đồng hồ, đèn báo pha và công tắc xoay; sơn tĩnh điện bảo vệ bề mặt chống ăn mòn trong môi trường công trường.
  2. Lắp đặt Khối Nguồn: Lắp đặt 3 đèn báo pha, đồng hồ vôn kế, ampe kế lên cánh tủ; gắn MCCB tổng, bộ chống mất pha CHNT XJ3-D, aptomat CB1-CB2, 2 hộp cầu chì RT18-32X, bộ lọc nhiễu, bộ nguồn xung tổ ong chuyển nguồn 220VAC sang 24VDC/12VDC và lắp cụm biến dòng CT.
  3. Lắp đặt Khối Input: Gá lắp PLC FX3U-16MR, module analog FX2N-2AD, bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell lên thanh ray hộp tủ; lắp đặt cụm 6 công tắc xoay LA38 trên mặt cánh tủ.
  4. Lắp đặt Khối Output: Bố trí các relay trung gian 8 chân (relay xi, nước, trộn, xả, khuấy); lắp ráp 3 contactor kèm rơ-le nhiệt MT-32 LS điều khiển động cơ; lắp đặt cụm đèn báo ngõ ra.
  5. Lắp đặt Khối Điều khiển và Hiển thị: Cố định màn hình HMI Weintek MT8071iE vào khung khoét trên cánh tủ; tiến hành luồn dây qua máng nhựa răng lược, đánh dấu số đầu cosse, đấu nối dây tín hiệu truyền thông RS-232 giữa PLC và HMI, kết nối chân VN1-COM1 của FX2N-2AD với bộ biến đổi loadcell, đấu nối cầu đấu động lực ra các phụ tải ngoài.

Chương 4: Lắp đặt và vận hành thử nghiệm tủ điện điều khiển cho trạm trộn xi măng đất

Chương 4 trình bày giai đoạn triển khai ứng dụng thực tế của sản phẩm:

  • Tủ điện sau khi hoàn thiện chế tạo và kiểm tra thông mạch tại xưởng được vận chuyển đến cabin điều khiển của trạm trộn xi măng đất công suất $10\text{ m}^3/\text{h}$.
  • Cố định tủ điện vào vị trí trong cabin, cấp nguồn lưới 3 pha 380VAC vào đầu cực MCCB.
  • Đấu nối hệ thống cáp động lực từ các cầu đấu tủ điện đến động cơ vít tải xi măng, động cơ cối trộn, động cơ trục khuấy và động cơ máy nén khí.
  • Kết nối các đường dây điều khiển van điện từ khí nén cấp nước, van khí nén xả hỗn hợp và cáp tín hiệu bọc kim từ cảm biến tải trọng loadcell đặt tại phễu cân.
  • Tiến hành đóng điện, cài đặt tham số mẻ trộn trên màn hình HMI Weintek MT8071iE, thực hiện quy trình hiệu chuẩn điểm không (Zero calibration) và hiệu chuẩn tải (Span calibration) cho cân điện tử.
  • Vận hành thử nghiệm hệ thống ở cả 2 chế độ: điều khiển bằng tay từng cơ cấu chấp hành và điều khiển tự động hoàn toàn theo chu trình: xả nước $\rightarrow$ cấp xi măng qua vít tải $\rightarrow$ định lượng loadcell ngắt nạp $\rightarrow$ trộn đảo vật liệu $\rightarrow$ mở van xả hỗn hợp xuống bồn khuấy 2 $\rightarrow$ khuấy vữa thành phẩm cung cấp cho thi công. Kết quả thử nghiệm ghi nhận tủ điện vận hành chính xác, đóng ngắt tin cậy, không phát sinh xung nhiễu gây treo PLC hay sai lệch số liệu cân.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành toàn bộ các mục tiêu đặt ra với những kết quả kỹ thuật và đóng góp cụ thể:

  • Chế tạo thành công 01 tủ điện điều khiển công nghiệp đồng bộ, hoàn chỉnh cả về phần cứng lẫn chương trình điều khiển cho trạm trộn xi măng đất công suất $10\text{ m}^3/\text{h}$.
  • Xây dựng hoàn chỉnh hồ sơ bản vẽ kỹ thuật điện bằng AutoCAD Electrical, bao gồm sơ đồ nguyên lý mạch động lực, sơ đồ mạch điều khiển, bản vẽ bố trí không gian cánh tủ - hộp tủ và sơ đồ đi dây chuẩn hóa mã màu (vàng, đỏ, xanh lá cho 3 pha; xanh dương cho dây trung tính; dây động lực $10\text{ mm}^2$, dây điều khiển $2{,}5\text{ mm}^2$).
  • Thiết lập hệ thống bảo vệ đa tầng an toàn cao cho thiết bị công trường: bảo vệ quá áp ($380 \sim 460\text{VAC}$), thấp áp ($300 \sim 380\text{VAC}$) và lệch pha ($<60% U_e$) qua rơ-le CHNT XJ3-D với thời gian tác động $\le 2\text{s}$; bảo vệ ngắn mạch bằng aptomat LS 6kA và 2 cầu chì 32A/500V; lọc nhiễu sóng sin ngược từ động cơ bằng bộ lọc nhiễu chuyên dụng.
  • Số hóa thành công việc cân định lượng vật liệu mẻ trộn: sử dụng module analog FX2N-2AD (12-bit, giá trị số 0-4000) tiếp nhận tín hiệu từ loadcell PD-20S (tốc độ lấy mẫu 100Hz, độ phân giải 100.000) qua bộ biến đổi tín hiệu, được xử lý mượt mà qua các tập lệnh số học của PLC FX3U-16MR.
  • Thiết kế giao diện HMI Weintek MT8071iE trực quan, cho phép người vận hành dễ dàng giám sát thời gian thực, lựa chọn chế độ Tự động/Bằng tay, Liên tục/Lần lượt, điều chỉnh linh hoạt khối lượng xi măng (D518), nước (D516), thời gian trộn (D522) và khối lượng cân tức thời (D10).
  • Về mặt thực tiễn, đồ án cung cấp một giải pháp tự động hóa làm chủ công nghệ hoàn toàn trong nước, giúp các đơn vị thi công xử lý nền móng đất yếu có thể tự chế tạo, sửa chữa, bảo trì tủ điều khiển trạm trộn với chi phí hợp lý.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được công bố trong văn bản, đề tài tồn tại một số điểm hạn chế và hướng mở rộng như sau:

  • Hạn chế:
    • Hệ thống tủ điện và cấu hình thuật toán được thiết kế, kiểm nghiệm giới hạn trên trạm trộn xi măng đất quy mô nhỏ với công suất làm việc định mức $10\text{ m}^3/\text{h}$, chưa tiến hành thực nghiệm trên các trạm trộn công suất lớn hơn (từ $30\text{ m}^3/\text{h}$ đến $100\text{ m}^3/\text{h}$).
    • Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào phần điều khiển điện và lập trình tự động hóa cho tủ điện, chưa đi sâu giải quyết các bài toán cơ khí về độ mài mòn cánh khuấy hoặc sự biến dạng vật lý của trục vít tải cốt liệu khi làm việc lâu dài.
    • Hệ thống giám sát vận hành mới dừng lại ở phạm vi cục bộ tại cabin trạm trộn thông qua màn hình HMI Weintek MT8071iE, chưa phát triển hệ thống truyền dữ liệu giám sát từ xa qua mạng viễn thông hoặc điện toán đám mây.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tối ưu hóa thuật toán lập trình PLC để tự động bù quán tính cốt liệu rơi tự do từ vít tải xi măng, nâng cao độ chính xác mẻ cân.
    • Nghiên cứu mở rộng công suất tủ điện và cơ cấu đóng cắt để áp dụng cho các hệ thống trạm trộn bê tông thương phẩm hoặc trạm trộn cố định công suất lớn.
    • Tích hợp thêm các giao thức truyền thông công nghiệp (như Modbus TCP/IP, Ethernet/IP) để kết nối hệ thống điều khiển trạm trộn về trung tâm điều hành dự án xây dựng nhằm lưu trữ và xuất báo cáo cấp phối tự động.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận có giá trị thực tiễn và học thuật rõ nét, phù hợp làm tài liệu tham khảo cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật: Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện tại các trường đại học kỹ thuật có thể sử dụng đề tài làm tài liệu mẫu cho đồ án tốt nghiệp, đồ án môn học Trang bị điện hoặc Tự động hóa quá trình sản xuất.
  • Kỹ sư và kỹ thuật viên cơ điện công trường: Các kỹ sư phụ trách máy xây dựng, kỹ thuật viên vận hành trạm trộn tại các công ty nền móng có thể tham khảo trực tiếp sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển và phương pháp phối ghép khí cụ đóng cắt với thiết bị bảo vệ pha, bảo vệ quá tải.
  • Nội dung giá trị nhất:
    • Phương pháp tích hợp module analog FX2N-2AD với cảm biến loadcell PD-20S và bộ biến đổi để xử lý dữ liệu cân bằng các lệnh toán học trên PLC FX3U.
    • Hệ thống bảng địa chỉ tag dữ liệu kết nối giữa PLC Mitsubishi và HMI Weintek trên phần mềm EasyBuilder Pro.
    • Bản vẽ bố trí thiết bị và phương pháp phân tách tuyến dây động lực - điều khiển đảm bảo chống nhiễu trong tủ điện công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng các phần mềm chuyên dụng nào trong toàn bộ quá trình thiết kế và lập trình tủ điện?
Tác giả sử dụng 3 phần mềm chuyên ngành gồm: AutoCAD Electrical (thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển, bản vẽ bố trí linh kiện và sơ đồ đi dây); GX Works2 của Mitsubishi Electric (lập trình logic điều khiển và thuật toán số học cho PLC FX3U-16MR và module FX2N-2AD bằng ngôn ngữ Ladder); và EasyBuilder Pro (thiết kế giao diện người - máy trên màn hình cảm ứng HMI Weintek MT8071iE).

2. Tín hiệu cân định lượng từ cảm biến loadcell được truyền và xử lý về PLC như thế nào?
Hệ thống sử dụng cảm biến tải trọng Loadcell PD-20S. Do tín hiệu xuất ra từ loadcell có biên độ rất nhỏ (tính bằng mV/V), hệ thống sử dụng một bộ biến đổi tín hiệu để khuếch đại và chuẩn hóa thành tín hiệu điện áp ($0 \sim 10\text{V}$) hoặc dòng điện ($4 \sim 20\text{mA}$). Tín hiệu chuẩn này được đưa về chân VN1 và COM1 của module analog PLC Mitsubishi FX2N-2AD. Tại đây, module thực hiện chuyển đổi tương tự - số (ADC) 12-bit thành dải giá trị số từ 0 đến 4000 để CPU của PLC FX3U-16MR đọc qua lệnh RD3A và tính toán hiển thị lên HMI.

3. Tủ điện điều khiển các động cơ và cơ cấu chấp hành của trạm trộn bằng các khí cụ nào?
PLC FX3U-16MR xuất tín hiệu điều khiển từ các ngõ ra số (Y) kích hoạt các rơ-le trung gian 8 chân (relay xi, relay nước, relay trộn, relay xả, relay khuấy). Tiếp điểm của các rơ-le này sẽ cấp nguồn kích hoạt cuộn hút của các contactor chính (K1, K2, K3) có gắn kèm rơ-le nhiệt MT-32 LS để đóng ngắt động cơ khuấy, động cơ trộn và động cơ vít tải xi măng. Đối với đường nước và cửa xả, các rơ-le trung gian sẽ điều khiển đóng mở van điện từ khí nén được cấp áp lực từ máy nén khí.

4. Màn hình HMI Weintek MT8071iE quản lý và hiển thị những thông số vận hành then chốt nào tại giao diện chính?
Giao diện chính của màn hình HMI hiển thị: thời gian thực ngày tháng (DC_1) và giờ phút giây (DC_0); đèn LED nhấp nháy báo trạng thái HMI hoạt động (M61); phím bấm Bắt đầu (M60) và Kết thúc (M65); chế độ vận hành Tự động / Bằng tay (M1); chế độ làm việc Liên tục / Lần lượt (M630); khối lượng nước thực tế (D16); khối lượng xi măng thực tế (D18); tổng khối lượng nước và xi măng thực tế (D25); khối lượng tức thời trên cân (D10) và logo của Trường Đại học Lâm nghiệp (GP_0).

5. Hệ thống tủ điện được bảo vệ an toàn bằng các khí cụ điện nào trước các sự cố quá tải, ngắn mạch và mất pha?
Tủ điện tích hợp hệ thống bảo vệ đa tầng gồm: MCCB ABN103C 3 pha đóng cắt và ngắt nguồn tổng khi quá tải; bộ chống mất pha CHNT XJ3-D tự động ngắt cuộn hút K6 khi phát hiện mất pha, đảo pha, sụt áp dưới 300V hoặc quá áp trên 380V (thời gian trễ điều chỉnh từ $1{,}5 \sim 4\text{s}$); hai hộp cầu chì RT18-32X (CC1, CC2) chứa cầu chì $10 \times 38\text{ mm}$ dòng tối đa 32A bảo vệ ngắn mạch tức thời; rơ-le nhiệt MT-32 LS bảo vệ quá dòng cho từng động cơ; và bộ lọc nhiễu lọc các xung áp ngược phát sinh từ phụ tải động cơ để bảo vệ khối điều khiển PLC.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Tây Hồ đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo thực tế tủ điện điều khiển cho trạm trộn xi măng đất công suất $10\text{ m}^3/\text{h}$. Công trình thể hiện sự tích hợp hoàn chỉnh giữa lý thuyết điều khiển tự động hóa và kỹ thuật thi công tủ điện công nghiệp thông qua việc kết hợp PLC Mitsubishi FX3U-16MR, module analog FX2N-2AD, cảm biến tải trọng Loadcell PD-20S và màn hình giao diện HMI Weintek MT8071iE. Toàn bộ hệ thống tủ điện đã được lắp đặt trực tiếp tại cabin trạm trộn, đấu nối liên động với máy nén khí, van xả và các động cơ công suất, vận hành thử nghiệm ổn định các chu trình định lượng mẻ trộn. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao, đóng góp một giải pháp tự động hóa hữu ích phục vụ công tác gia cố nền móng đất yếu trong xây dựng công trình hiện nay.