Tay gắp sản phẩm là một yêu cầu cấp thiết trong công nghiệp nhằm thay thế cho con người,đặc biệt là di chuyển sản phẩm tới các vị trí khác nhau. Đã có nhiều mô hình có thể di chuyển các sản phẩm tới các vị trí khác nhau với các mục đích sang trái và phải hoặc lên cao và hạ xuống. Thiết kế và ứng dụng PLC (Programmable logic control) để điều khiển mô hình tay gắp sản phẩm là nội dung chính của bài viết.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 ỨNG DỤNG PLC VÀ PHẦN MỀM STEP MICRO WIN ĐỂ LẬP TRÌNH VÀ MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA MƠ HÌNH TAY GẮP SẢN PHẨM SỬ DỤNG TRONG ĐÀO TẠO USE PLC AND STEP MICROWIN SOFTWARES TO PROGRAM AND SIMULATE THE OPERATION OF THE PRODUCT GRABBER MODEL IN TRAINING Nguyễn Xuân Quỳnh1,*, Nguyễn Hữu Giang2, Đinh Thị Hằng3, Nguyễn Đức Khoa2, Phạm Thị Lan2 TÓM TẮT Tay gắp sản phẩm yêu cầu cấp thiết công nghiệp nhằm thay cho người, đặc biệt di chuyển sản phẩm tới vị trí khác Đã có nhiều mơ hình di chuyển sản phẩm tới vị trí khác với mục đích sang trái phải lên cao hạ xuống Thiết kế ứng dụng PLC (Programmable logic control) để điều khiển mơ hình tay gắp sản phẩm nội dung báo Mơ hình bao gồm khối khí khối điều khiển Để làm cơng việc phức tạp này, nhóm tác giả sử dụng hệ thống nhả phôi kết hợp với đĩa quay bốn cảm biến quang khác Bộ xử lý tín hiệu điều khiển tay gắp sử dụng PLC S7-200 CPU 224 thuộc họ PLC phổ biến Siemens với nhiều tính ưu việt giá thành tốt Mặc dù mơ hình đơn giản cho phép người học giải số nội dung điều khiển tự động Đây giải pháp quan trọng nhằm nâng cao chất lượng đào tạo Từ khóa: Điều khiển PLC, mơ hình tay gắp sản phẩm, mơ hình đào tạo ABSTRACT Hand-held product is an urgent industrial requirement to replace the human being, especially moving the product to different positions with the goals left and right or up and down The design and application of PLC (Programmable logic control) to control hand-held model is the main content of the article Models include mechanical blocks and control blocks To this complicated work, the authors use an embryo release system in combination with a rotating disc and four different optical sensors The controller of this hand-held signal controller from PLC S7- 200 CPU 224 belongs to the popular PLC family with many advanced features and very good price Although it is a simple model, it can allow learners to solve some content about automatic control This is one of the important solutions to improve the quality of training Keywords: PLC control, Models include mechanical blocks and control blocks Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Trung tâm Việt - Nhật , Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp * Email: nxquynhhaui@gmail.com Ngày nhận bài: 10/5/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 05/7/2021 Ngày chấp nhận đăng: 27/12/2021 GIỚI THIỆU Hiện nay, tay gắp sản phẩm công đoạn sử dụng nhiều thực tế sản xuất Khi sử dụng trực tiếp người, công việc yêu cầu sức lao động đòi hỏi tập trung cao có tính lặp lại nên người thao tác cảm thấy nhàm chán, khó đảm bảo xác cơng việc Mặt khác, có u cầu đặt vị trí sản phẩm với yêu cầu độ xác cao mà mắt thường khó kiểm tra xác Điều ảnh hưởng trực tiếp tới suất chất lượng sản phẩm Vì vậy, hệ thống tự động gắp sản phẩm đời dần đáp ứng nhu cầu cấp bách [1, 2] Cùng với mục tiêu đào đạo nguồn nhân lực tự động hóa chất lượng cao đáp ứng công nghệ 4.0, sinh viên trường không nắm vững lý thuyết mà cịn phải có kỹ nghề nghiệp tốt, tự tin tay nghề Vì vậy, cần phải đầu tư bổ sung đại hóa thiết bị giảng dạy Chương trình đào tạo ngành Cơng nghệ kỹ thuật tự động hóa, ngành điện - điện tử có nhiều mơn học thuộc lĩnh vực điều khiển tự động hóa như: Đo lường cảm biến, điều khiển logic, lập trình PLC [3] Do yêu cầu thiết kế chế tạo bổ sung mơ hình thực hành cần thiết giúp cho sinh viên tiếp cận kiến thức cách tốt q trình học tập trường Mơ hình tay gắp khơng thể thay hồn tồn việc mua sắm đại hố thiết bị đảm bảo yêu cầu phục vụ đào tạo Kết nghiên cứu giải pháp hiệu để nâng cao chất lượng đào tạo, nghiên cứu khoa học Thiết kế mơ hình tay gắp sản phẩm cấu thành từ thiết bị, linh kiện điện điện tử, khí khí nén, q trình hoạt động quen thuộc lĩnh vực sản xuất Khi tìm hiểu vận hành hệ thống giúp sinh viên có kiến thức cần thiết để thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa thực tế sản xuất cơng ty xí nghiệp Giúp sinh viên có điều kiện thực tập mơ hình thực, tiếp cận thiết bị công nghiệp đại: PLC, cảm biến… nâng 42 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 cao tầm hiểu biết, tri thức trình sản xuất, khâu hoạt động hệ thống gồm điện - khí nén - điện tử - máy tính, góp phần phục vụ công tác giảng dạy môn chun ngành: SCADA, Điều khiển khí nén, Lập trình PLC hay Kỹ thuật đo lường cảm biến 3.2 Lựa chọn phương án thiết kế Để thiết kế mơ hình, nhóm tác giả sử dụng phần mềm CAD (Solidworks 2011) kết hợp lựa chọn chi tiết máy có sẵn thị trường để thiết kế tổng thể xây dựng vẽ chế tạo (theo TCVN) Do mơ hình có kích thước nhỏ, kết cấu đơn giản tải trọng nhỏ nên nhóm tác giả khơng tính tốn động học; động lực học điều kiện bền tiết [5] Sử dụng điều khiển PLC S7-200 CPU 224 phần mềm STEP 7-MicroWIN để lập trình Cảm biến quang cấp tín hiệu điện dùng để phát phơi, cấp tín hiệu đầu vào cho PLC điều khiển hoạt động đầu trạm 3.3 Xây dựng mơ hình tay gắp Solidworks 2011 Hình Tay gắp sản phẩm ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY Xét phương trình động lực học tay máy bậc tự đưa hình 1: M(q)q̈ + C(q, q̇ )q̇ + G(q) = τ (1) Ở đây, (q, q̇ , q̈ ) ∈ R × vị trí, vận tốc gia tốc robot M(q) ∈ R × ma trận khối lượng suy rộng C(q, q̇ ) ∈ R ma trận ly tâm Coriolis G(q) ∈ R × véc tơ mô tả thành phần trọng lượng, τ ∈ R × mơ men điều khiển Hình Thanh nối khớp 1, Để thiết kế điều khiển đưa số tính chất cho (1) sau: Tính chất 1: Ma trận khối lượng suy rộng M (q) ma đối xứng xác định dương: M(q) ≤ m I (2) m > 0 và m ∈ R Tính chất 2: Ṁ(q) − 2C(q, q̇ ) ma trận đối xứng lệch cho véc tơ x bất kỳ: (3) x Ṁ(q) – 2C(q, q̇ ) x = Tính chất 3: C(q, q̇ )q̇ , F(q̇ ) giới hạn theo: ‖C(q, q̇ )q̇ ‖ ≤ C ‖q̇ ‖ Hình Khối đế khối quay khớp thứ (4) C số dương THIẾT KẾ KẾT CẤU CỦA MÔ HÌNH TAY GẮP KHỚP 3.1 Yêu cầu thiết kế Với mục tiêu mơ hình thực hành phục vụ đào tạo [4], nên đáp ứng đầy đủ yêu cầu thực tế điều kiện trọng lượng sản phẩm Tuy nhiên, mô hình thiết kế phải đảm bảo số yêu cầu kỹ thuật chung sau: Mơ hình phải phù hợp với nguyên lý gắp sản phẩm thực tế Lắp ráp, đấu nối vận hành điều khiến dễ dàng Sử dụng vật tư, thiết bị, linh kiện thông dụng để dễ dàng thay sửa chữa Đảm bảo tính thẩm mỹ gọn gàng Các cấu truyền động, kết nối phải đảm bảo cứng vững Website: https://jst-haui.vn Hình Khối quay khớp thứ 2, Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 43 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Bảng Địa I/O sử dụng cho mơ hình Hình Mơ hình tay gắp hồn chỉnh THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN STT 10 11 12 13 Kí hiệu m_bat MRES Cbvat cbtrai cbphai xlduoi xltren dia kep Taygapdira Taygapdixuong Denxanh Dendo Địa M.0.0 M0.1 I0.2 I0.3 I0.4 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.5 Q0.4 M0.2 M0.3 Mô tả Nút khởi động hệ thống Nút Reset Cảm biến phát vật Cảm biến phát vật bên trái Cảm biến phát vật bên phải Xy lanh Xy lanh Đĩa quay Tay kẹp vật Tay gắp Tay gắp xuống Đèn bao xanh Đèn báo đỏ 4.1 Nguyên lý hoạt động tay gắp Mở nguồn khí nén, khởi động PLC, kết nối PC với PLC.Bấm phím START đèn xanh sáng Nếu ô bên trái tay quay phôi,cylinder 4-2 kẹp chặt phôi lớp thứ 2, cylinder 4-1 rút để thả phôi xuống ô bên trái Cylinder 41 duỗi để chặn phôi, cylinder 4-2 rút thả lỏng phôi lớp thứ Khi ô bên trái có phơi bên phải khơng có phơi, tay quay quay bên trái qua vị trí bên phải Khi bên phải có phơi, tay gắp hạ xuống, tay gắp kẹp chặt, tay gắp rút lên, tay gắp ra, tay gắp hạ xuống, tay gắp mở kẹp, tay gắp rút lên,tay gắp rút về, xả hết phơi đèn báo trạng thái màu xanh tắt đèn màu đỏ sáng nhấp nháy, thả phôi vào đèn xanh lại sáng, đèn đỏ tắt hệ thống tiếp tục hoạt động bình thường Khi hoạt động, bấm STOP đèn xanh tắt, đèn đỏ sáng, trạm tự trì hồn tất cơng việc hành trở vị trí ban đầu Hình Sơ đồ kết nối PLC với thiết bị ngoại vi 4.4 Lưu đồ thuật toán 4.2 Sơ đồ hệ thống truyền động khí nén Lưu đồ thuật tốn điều khiển thể hình Hình Hệ thống điều khiển khí nén Bộ điều khiển PLC S7-200 CPU 224 có 14 cổng vào định địa từ I0.0 đến I0.7; từ I1.0 đến I1.5 có 10 cổng định địa từ Q0.0 đến Q0.7; Q1.0 đến Q1 4.3 Sơ đồ kết nối điều khiển PLC thiết bị ngoại vi Với u cầu mơ hình tác giả sử dụng địa I/O bảng sơ đồ đấu nối thiết bị mơ tả hình 44 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) Hình Lưu đồ thuật tốn điều khiển Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 4.5 Lập trình điều khiển Lập trình PLC thực phần mềm Step7 MicroWin từ máy tính kết nối với điều khiển thông qua cổng truyền thông RS 485-232 (hình 9) M M= M M C C= C C M = (m M M M M M ; M M C C C C C C + m + m )l + (m + m )l +m l + 2(m + m )l l cos(q ) +2m l l cos(q + q ) + 2m l l cos(q ) = (m + m )l + m l +(m + m )l l cos(q ) + m l l cos(q + q ) +2m l l cos(q ) = m l + m l l cos(q + q ) + m l l cos(q ) =M = (m + m )l + m l + 2m l l cos(q ) = m l + m l l cos(q ) = m l + m l l cos(q + q ) + m l l cos(q ) M M M M M M =M M =m l C = −2(m + m )l l sin(q ) q̇ −2m l l sin(q + q ) (q̇ + q̇ ) −2m l l sin(q ) q̇ C = −(m + m )l l sin(q ) q̇ −m l l sin(q + q ) (q̇ ) − 2m l l sin(q ) q̇ −2m l l sin(q + q )q̇ C = −m l l sin(q ) q̇ − m l l sin(q + q )q̇ C = −(m + m )l l sin(q ) q̇ −m l l sin(q + q ) (q̇ + q̇ ) − 2m l l sin(q ) q̇ C C C C C +(m + m )l l sin(q ) (q̇ + q̇ ) +m l l sin(q + q )(q̇ + q̇ + q̇ ) = −2m l l sin(q ) q̇ = −m l l sin(q ) q̇ = −m l l sin(q + q )(q̇ + q̇ ) −m l l sin(q ) q̇ +m l l sin(q + q )(q̇ + q̇ + q̇ ) +m l l sin(q + q )(2q̇ + q̇ + q̇ ) = m l l sin(q ) q̇ = 0; Trong đó, m , m , m khối lượng tay gắp; l , l , l chiều dài tay gắp; g = 10(m/s ) gia tốc trọng trường Các thông số cụ thể đưa sau: m = 1,1 (kg), m = 1,1 (kg), m = 0,5 (kg); l = 0,3 (m), l = 0,3 (m), l = 0,1 (m); Hình Phần mềm lập trình chương trình điều khiển MÔ PHỎNG TAY GẮP TRÊN MATLAB SIMULINK Trong phần này, nhóm tác giả mơ hệ thống điều khiển cho tay máy bậc tự hình Website: https://jst-haui.vn Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 45 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Kết mơ hình 11 ÷ 13 khẳng định tính đắn thuật toán điều khiển giá trị đặt thực bám sát nên khẳng định điều khiển đưa đạt yêu cầu đặt Kết mô kiểm chứng cho thấy, thuật toán làm việc ổn định điều khiển song song lực vị trí cho tay máy khắc phục tốt ảnh hưởng tác động tham số động lực học tay máy thay đổi Các kết mơ cho thấy thuật tốn tổng hợp có khả làm việc tốt trường hợp có đàn hồi, ma sát, thay đổi mơ men quán tính nhiễu tải gây KẾT LUẬN Hình 10 Sơ đồ khối tay gắp Matlab Simulink Sau q trình mơ kết thúc ta thu kết hình 11 ÷ 13 Bài báo thiết kế kết cấu khí mơ hình tay gắp, viết chương trình điều khiển ứng dụng PLC S7-200 CPU 224 cho tay gắp sản phẩm tới vị trí khác Nhóm nghiên cứu thực mô chuyển động tay gắp, kết đạt yêu cầu đề Với mục tiêu phục vụ đào tạo, mơ hình thiết kế đơn giản độ xác cao hoàn toàn đáp ứng số nội dung thực hành lĩnh vực điều khiển tự động Đây giải pháp hiệu để nâng cao chất lượng đào tạo, nghiên cứu khoa học điều kiện Hướng nghiên cứu thực chế tạo tay gắp thực tế, khảo sát hoạt động đưa vào giảng dạy Hình 11 Đáp ứng giá trị thực đặt khớp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyen Manh Tien, 2007 Dieu khien robot cong nghiep Science and Technics Publishing House, Hanoi [2] Nguyen Doan Phuoc, Phan Xuan Minh, 1997 Tu dong hoa voi Simatic S7-200 Agricultural Publishing House, Hanoi [3] Bui Quoc Khanh, Nguyen Van Lien, Nguyen Thi Hien, 2007 Truyen dong dien Science and Technics Publishing House, Hanoi [4] Trinh Van Chat, Le Van Uyen, 2003 Tinh toan thiet ke he dan dong co Vietnam Education Publishing House [5] Nguyen Hong Thai, 2006 Ung dung Solidworks thiet ke co Science and Technics Publishing House, Hanoi Hình 12 Đáp ứng giá trị thực đặt khớp AUTHORS INFORMATION Nguyen Xuan Quynh1, Nguyen Huu Giang2, Dinh Thi Hang3, Nguyen Duc Khoa2, Pham Thị Lan2 Faculty of Electrical Engineering, Hanoi University of Industry Vietnam - Japan Center, Hanoi University of Industry Faculty of Electrical Engineering, University of Economics - Technology for Industries Hình 13 Đáp ứng giá trị thực đặt khớp 46 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) Website: https://jst-haui.vn ... hiệu đầu vào cho PLC điều khiển hoạt động đầu trạm 3.3 Xây dựng mơ hình tay gắp Solidworks 2011 Hình Tay gắp sản phẩm ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY Xét phương trình động lực học tay máy bậc tự đưa hình 1:... khơng tính tốn động học; động lực học điều kiện bền tiết [5] Sử dụng điều khiển PLC S7-200 CPU 224 phần mềm STEP 7- MicroWIN để lập trình Cảm biến quang cấp tín hiệu điện dùng để phát phơi, cấp... trình điều khiển ứng dụng PLC S7-200 CPU 224 cho tay gắp sản phẩm tới vị trí khác Nhóm nghiên cứu thực mô chuyển động tay gắp, kết đạt yêu cầu đề Với mục tiêu phục vụ đào tạo, mơ hình thiết kế đơn