TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ , ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG LƯU KHO T Ự Đ Ộ NG Giáo viên hướng dẫn TS Phan Đình Hiếu Nhóm sinh viên thực hiện Ng uyễn Văn Dũng 1141020168 Nguyễn Văn Đạt 1141020153 Trần Minh Hiếu 1141020183 Đỗ Quang Minh 1141020182 Hà Nội 2020 ân dân ngày càng được nâng cao Cùng v.
GIỚI THIỆU CHUNG
Lịch sử nghiên cứu
Hệ thống tự động hóa lưu kho và xuất kho đã được giới thiệu từ cuối những năm 1960 và trở nên phổ biến vào thập niên 1970 và 1980 Ban đầu, công năng của hệ thống chỉ tập trung vào việc kiểm tra và bốc xếp các pallet hay khay chứa kiện hàng, nhằm giảm thiểu hư hại sản phẩm, tiết kiệm diện tích sàn kho, và theo dõi hàng hóa để ngăn chặn mất mát hay thay đổi trái phép Hệ thống này cũng giúp giảm bớt công sức lao động trong quá trình bốc xếp hàng hóa.
Trong giai đoạn đầu (1960 – 1980), hệ thống tự động hóa lưu kho được định nghĩa là sự kết hợp giữa các thiết bị và bộ phận kiểm soát nhằm tối ưu hóa quy trình bốc xếp, lưu trữ và xuất kho, đảm bảo độ chính xác và tốc độ xử lý cao trong giới hạn của mức độ tự động hóa áp dụng.
Kể từ sau năm 1980, tự động hóa đã phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực hệ thống tự động hóa lưu kho Hệ thống này là thiết bị tự động có khả năng nhận dòng hàng hóa với kích thước đồng nhất, thực hiện phân loại, lưu trữ tạm thời và sau đó phân phối theo các điều kiện và lệnh đã định Tất cả các quy trình này diễn ra với mức độ tự động hóa cao, giúp loại bỏ sự cần thiết phải có nhân lực điều khiển trong các giai đoạn này.
Hệ thống kho hàng tự động ngày nay không chỉ đơn thuần là sự kết hợp giữa cơ giới hóa và điều khiển tự động, mà đã trở thành sản phẩm của cơ điện tử (mechatronics) với mức độ tự động hóa cao, góp phần vào việc phân phối hệ thống sản xuất thông minh Sự phát triển này đánh dấu những bước tiến quan trọng hướng tới hệ thống sản xuất "Just in time", giúp đáp ứng nhanh chóng nhu cầu biến động của thị trường quốc tế Để phục vụ cho nhu cầu đa dạng của các hệ thống tự động hóa lưu kho và xuất kho, nhiều công ty trên thế giới đã nghiên cứu và chế tạo các giải pháp tự động hóa cho các kho hàng và kho chứa bưu phẩm.
Daifuku(Nhật), Dematic Corp, FKI Logistex, Diomand Phoenix Westfalia Technologies, Bastian-BMH (Mỹ), Union Rack, Manufacturing Co Najing Zhongyang Racking (Trung Quốc)
Theo báo cáo tổng quan của Roodbergen, K.J và Vis I.F.A, hiện nay đã có hơn 500 bài báo khoa học chuyên sâu được công bố về hệ thống tự động hóa lưu trữ và xuất kho.
Hệ thống kho hàng tự động đã trở thành một phần thiết yếu trong quy trình sản xuất của nhiều tổ chức, từ quy mô lớn đến nhỏ, và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Các nhà máy công nghiệp cần cập nhật kho hàng để đồng bộ với những tiến bộ kỹ thuật hiện đại, đặc biệt trong lĩnh vực lưu kho và xuất hàng tự động.
- Ở các khu vực bốc xếp hàng hóa như các kho cảng, sân bay
- Ở các siêu thị lớn, bưu điện chuyển phát nhanh, ngân hàng, thư viện lớn, các bãi đỗ xe ô tô v.v
Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu đồ án tốt nghiệp của nhóm gồm 5 chương:
- Chương 1: Giới thiệu chung về hệ thống lưu kho tự động
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết của hệ thống lưu kho tự động
- Chương 3: Phân tích và lựa chọn giải pháp cho hệ thống lưu kho tự động
- Chương 4: Tính toán và thiết kế hệ thống lưu kho tự động
- Chương 5: Kết quả đạt được và đánh giá
Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn tổng quan về mô hình lưu kho tự động, bao gồm cấu tạo, hoạt động và vai trò của nó trong ngành công nghiệp hiện nay Từ đó, chúng ta có thể thiết kế và tính toán hệ thống tự động lưu và xuất kho, ứng dụng vào thực tế cho kho thành phẩm công nghiệp.
Phương pháp thực hiện
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
+ Tìm hiểu qua sách vở, tài liệu trên các diễn đàn
+ Tìm hiểu về các bài toán, mô hình hóa giúp cho việc tính toán và chọn các trang thiết bị điện và cơ khí
Trong việc điều khiển hệ thống lưu kho tự động, việc tìm hiểu cơ sở lý thuyết về các loại động cơ, hệ thống cảm biến và bộ điều khiển điển hình là rất quan trọng Các động cơ đóng vai trò then chốt trong việc vận hành và điều chỉnh các thiết bị trong kho, trong khi hệ thống cảm biến giúp thu thập dữ liệu cần thiết để tối ưu hóa quy trình Bộ điều khiển, với chức năng xử lý thông tin từ cảm biến, đảm bảo rằng mọi hoạt động diễn ra một cách chính xác và hiệu quả Việc nắm vững những kiến thức này sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống lưu kho tự động.
+ Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết, ứng dụng, viết chương trình điều khiển lưu kho cho bộ điều khiển PLC
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
+ Nghiên cứu hệ thống lưu kho tự động trên thực tế hoặc các mô hình của đề tài trước
+ Sử dụng phần mềm TIA Portal (SIMATIC STEP 7 & WinCC) và Factory IO làm công cụ để mô phỏng hệ thống
+ Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế và mô phỏng hệ thống cơ khí.
Giới hạn đề tài
+ Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens S7 - 1200
Phần mềm TIA Portal, bao gồm SIMATIC STEP 7 và WinCC, kết hợp với Factory IO, cung cấp giải pháp tự động hóa hiệu quả Các cơ cấu chấp hành như DC Step17PM - K142, bộ truyền động vitme đai ốc, cảm biến tiệm cận và công tắc hành trình KW7 - 0CG đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.
+ Các module: Driver TB - 6600 điều khiển động cơ bước
+ Nguồn cấp điện cho hệ thống 24V
+ Thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển
+ Xây dựng giải thuật và chương trình điều khiển
+ Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát trên Wincc cho hệ thống
+ Lập trình trên PLC điều khiển mô hình lưu kho tự động
+ Ứng dụng phần mềm Factory IO để mô phỏng hệ thống.
Dự kiến kết quả đạt được
Qua quá trình thực hiện nghiên cứu về đề tài này, nhóm dự kiến những kết quả có thể đạt được như sau:
+ Phân tích, lựa chọn được phương án và giải pháp phù hợp cho hệ thống lưu kho
+ Thiết kế được hệ thống tự động hóa nhập, lưu và xuất kho phù hợp với điều kiện thực tế
+ Mô phỏng 3D được hoạt động của hệ thống lưu kho.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG LƯU KHO
Nguyên lý làm việc và cấu trúc hệ thống lưu kho
Hệ thống lưu kho tự động, hay còn gọi là hệ thống AS/RS (Automated Storage and Retrieval System), là một giải pháp thông minh cho việc quản lý hàng hóa Đây là hệ thống kết hợp các công nghệ cơ khí, tự động hóa và công nghệ thông tin, giúp tối ưu hóa quy trình xuất nhập hàng Hệ thống này thường được áp dụng tại các kho hàng và trung tâm phân phối có lưu lượng hàng hóa lớn, đáp ứng nhu cầu quản lý hàng hóa hiệu quả.
Nguyên lý làm việc của hệ thống lưu kho
Các hệ thống nhà kho hiện đại thường hoạt động theo cơ chế tự động hoặc bán tự động với nguyên lý làm việc tương tự nhau Khi hàng hóa được nhập vào, chúng sẽ được đưa đến khu vực nhập nhờ hệ thống vận chuyển Tại vị trí lấy hàng, robot sẽ đảm nhận việc lấy và chuyển hàng vào các vị trí trống trong khu lưu trữ Khi xuất hàng, robot sẽ di chuyển hàng hóa từ khu lưu trữ đến khu xuất, và sau đó hệ thống vận chuyển sẽ đưa hàng ra ngoài.
Hệ thống lưu kho tự động được thiết kế linh hoạt, phù hợp với yêu cầu công nghệ riêng của từng nhà kho, dẫn đến sự đa dạng trong cấu trúc của chúng Hiện nay, có nhiều kiểu nhà kho khác nhau để đáp ứng nhu cầu lưu trữ và quản lý hàng hóa.
Hệ thống lưu kho tự động cho các kiện hàng đồng hạng:
Loại kho này được thiết kế để chứa các kiện hàng có cùng trọng tải hoặc kích cỡ, chẳng hạn như hàng hóa được đựng trong các thùng hàng chuẩn hóa Khi thao tác với các kiện hàng đồng hạng, bộ phận công gắp của Robot S/R có thể được thiết kế chuyên dụng với các cơ cấu kẹp như kẹp cơ khí, bàn kẹp chân không hoặc bàn kẹp từ tính Đồng thời, kết cấu của kho cũng được tính toán để đáp ứng yêu cầu về trọng tải và kích cỡ cụ thể.
Hệ thống lưu kho tự động được thiết kế tích hợp với băng chuyền, thường được áp dụng trong kho hàng của các doanh nghiệp và trong các kho chứa ô tô.
Hình 2.1 Unit load AS/RS
Hệ thống lưu kho tự động dành cho tải nhỏ:
Hệ thống Mini Load AS/RS được thiết kế đặc biệt cho việc lưu trữ và quản lý các kiện hàng trọng tải nhỏ, lý tưởng cho các cơ sở có không gian hạn chế Hệ thống này thường được sử dụng để lưu trữ các chi tiết máy, dụng cụ và thường được đựng trong thùng chứa hoặc ngăn kéo Các xí nghiệp và cơ sở dịch vụ thường lựa chọn hệ thống kho này để tối ưu hóa quy trình lưu trữ và tăng hiệu quả hoạt động.
Hình 2.2 Hệ thống AS/RS tải nhỏ (Mini Load AS/RS)
Hệ thống lưu/xuất kho tự động có người vận hành (Man-on-boaed AS/RS):
Hệ thống kho bán tự động là giải pháp tối ưu cho các xí nghiệp vừa và nhỏ, với sự tham gia trực tiếp của người vận hành trong quá trình xếp và nhặt hàng Hệ thống này phù hợp cho các mặt hàng dạng chi tiết máy rời, có sức chứa và kích thước nhỏ, đáp ứng nhu cầu lưu trữ hiệu quả.
Hình 2.3 Kho bán tự động (xếp nhặt hàng bằng tay)
Kho chiều sâu (Deep-Lane AS/RS):
Hệ thống tự động AS/RS tuyến sâu (deep-lane) nổi bật với chiều sâu kho lớn, cho phép lưu trữ nhiều khoang hàng hơn, tối ưu hóa không gian và nâng cao hiệu quả quản lý hàng hóa.
Hình 2.4 Kho AS/RS tuyến sâu
Các thành phần cơ bản của hệ thống lưu kho
Cấu trúc chính của nhà kho tự động bao gồm nhiều hành lang, mỗi hành lang được trang bị Robot vận chuyển tự động Hai bên hành lang có các khoang chứa hàng, trong khi đầu mỗi hành lang có trạm nhập xuất hàng hóa Các trạm này được kết nối với nhau thông qua hệ thống băng chuyền.
Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản của hệ thống lưu kho
Hệ thống vận chuyển trong kho rất đa dạng và phụ thuộc vào yêu cầu công nghệ, loại hàng hóa và hình thức xuất nhập Các phương thức vận chuyển hàng trong kho bao gồm băng tải, robot, xe tự hành, máy nâng và máy xếp dỡ, đã được áp dụng tự động ở nhiều quốc gia hiện nay.
Hệ thống băng tải là giải pháp hiệu quả cho kho tự động tại siêu thị và công ty dược, giúp vận chuyển hàng hóa từ kho đến địa điểm giao hàng Có nhiều loại băng tải khác nhau, mỗi loại được thiết kế để vận chuyển các loại vật liệu cụ thể.
Các pallet hoặc ki ện hàng
Hình 2.6 Hệ thống băng truyền
Hệ thống xuất nhập kho tự động có thể sử dụng nhiều phương thức khác nhau như nhân công, thẻ từ, tích kê, mã vạch, máy tính và camera Trong đó, mã vạch là hình ảnh gồm nhiều sọc đứng với độ rộng khác nhau, được in ra để đại diện cho các mã số và có thể được máy đọc.
Hệ thống lưu trữ là yếu tố quan trọng trong kho hàng tự động, đảm nhiệm việc lưu trữ và quản lý hàng hóa Có nhiều cách để xây dựng hệ thống lưu trữ thông qua các phần mềm quản lý khác nhau Hiện nay, các phần mềm quản lý kho phổ biến như Dms coldstorage và Smartlog được sử dụng rộng rãi.
Hình 2.7 Giao diện phần mềm Smartlog
Hệ thống điện điều khiển
Hệ thống điện điều khiển bao gồm bộ điều khiển trung tâm các loại cảm biến, các rơle trung gian
Hệ thống điện điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc tiếp nhận tín hiệu điều khiển và điều chỉnh hoạt động của các cơ cấu chấp hành, từ đó giúp kho hàng hoạt động một cách tự động và chính xác.
Hệ thống chấp hành là tập hợp các động cơ và cơ cấu cơ khí, có nhiệm vụ chuyển đổi và truyền động, đồng thời thực hiện việc vận chuyển hàng hóa vào và ra khỏi kho một cách hiệu quả.
Bộ điều khiển PLC
Bộ điều khiển PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị lập trình cho phép thực hiện các giải pháp điều khiển logic linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình PLC để thực hiện chuỗi sự kiện, với các sự kiện này được kích hoạt bởi tín hiệu đầu vào hoặc thông qua các hoạt động có độ trễ như thời gian định thì và các sự kiện đếm.
Khi thiết bị được kích hoạt ở trạng thái ON hoặc OFF thông qua điều khiển vật lý bên ngoài, bộ điều khiển lập trình sẽ lặp lại chương trình do người dùng cài đặt và chờ nhận tín hiệu ở ngõ vào để xuất tín hiệu ra ngõ ra Để khắc phục nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối, bộ PLC đã được phát triển nhằm mang lại nhiều lợi ích vượt trội.
+ Lập trình dể dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
+ Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản, sửa chữa
+ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.
+ Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
+ Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng,các môi Module mở rộng
2.3.3 Cấu trúc của bộ điều khiển PLC
Bộ điều khiển PLC cấu trúc bao gồm những thành phần chính sau:
+ Bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM)
+ Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC các Module vào/ ra
Một bộ điều khiển PLC hoàn chỉnh bao gồm một đơn vị lập trình bằng tay hoặc máy tính, với RAM đủ để lưu trữ chương trình Đối với đơn vị lập trình xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, và chương trình chỉ được truyền sang bộ nhớ PLC khi đã được kiểm tra Các PLC lớn thường được lập trình trên máy tính để hỗ trợ viết, đọc và kiểm tra chương trình, kết nối với PLC qua các cổng RS232, RS422, RS485.
Phần mềm điều khiển
Trong nghiên cứu này, nhóm đã kết hợp ba phần mềm để điều khiển và mô phỏng hệ thống lưu kho tự động, bao gồm TIA Portal (Step7 & WinCC) và Factory IO TIA Portal V16, do Siemens phát triển, được sử dụng để lập trình PLC cũng như tạo giao diện điều khiển và giám sát Cuối cùng, quá trình mô phỏng được thực hiện thông qua phần mềm Factory IO.
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP
Phân tích và lựa chọn giải pháp thiết kế cơ khí
Hệ thống giá đỡ hàng hóa trong kho cần được lựa chọn vật liệu phù hợp dựa trên yêu cầu và mục đích sử dụng Để đảm bảo khả năng chịu tải trọng lớn và độ an toàn cao, việc khảo sát thực tế là rất quan trọng Do đó, cần chọn vật liệu chất lượng tốt để đáp ứng các tiêu chí lưu trữ hàng hóa hiệu quả.
Hình 3.1 Thép chữ U đa năng
+ Dễ mua, tìm kiếm với nhiều kích thước lựa chọn
+ Có điểm bắt bulong đai ốc giúpdễ lắp ghép thành khung +
Có rãnh giúp việc lắp đặt dễ dàng và chính xác
+ Tính thẩm mỹ không cao
+ Khi lắp đặt dễ bị cong vẹo
+ Nhanh chóng bị gỉ theo thời gian
Hình 3.2 Thép hộp mạ kẽm
+ Kích thước phong phú dễ lựa chọn
+ Độ bền cao, khả năng chịu áp lực lớn cũng như chống bào mòn và gỉ sét trong môi trường thời tiết khắc nghiệt
+ Tính thẩm mĩ cao, dễ lắp đặt, thay thế và rất phù hợp trong môi trường công nghiệp
+ Gây ra tiếng ồn trong quá trình làm việc
Kết luận, sau khi xem xét các ưu và nhược điểm, nhóm đã quyết định chọn mô hình giá đỡ hàng hóa làm bằng thép hộp mạ kẽm Các trụ thép được gắn chặt với bề mặt nền móng bằng bu lông đai ốc, và các hộp thép ngang liên kết các trụ thành một khối vững chắc thông qua các mối hàn.
Robot vận chuyển hàng hóa được lựa chọn dựa trên yêu cầu công nghệ và hình thức xuất nhập hàng của từng kho, dẫn đến sự đa dạng về số bậc tự do Mặc dù vậy, các robot này không cần thực hiện nhiều chuyển động phức tạp.
Xe tự hành (AGV - Automated Guided Vehicles) là thiết bị tự động thực hiện các nhiệm vụ đơn giản, thay thế sức lao động của con người Trong nhiều năm qua, AGV đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như phân phối, sản xuất bán lẻ, quân đội và chăm sóc sức khỏe.
Với sự gia tăng sử dụng AGV, nhiều doanh nghiệp đang tự hỏi liệu AGV có phù hợp với ngành của họ và những hoạt động nào có thể tự động hóa Để đưa ra quyết định, các chủ doanh nghiệp và quản lý cần cân nhắc những ưu điểm và nhược điểm của AGV, từ đó xác định xem việc áp dụng công nghệ này có mang lại lợi ích cho kho hàng của họ hay không.
Hình 3.3 Xe tự hành AGV
+ Giảm chi phí lao động
+ Tăng độ chính xác và năng suất
+ Chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì khá cao
+ Không thích hợp cho các công việc lặp đi lặp lại
+ Cần phải có công nghệ dẫn đường, công nghệ pin
Cánh tay Robot cố định
Robot được chế tạo với 3 bậc tự do, tương ứng với 3 trục chuyển động chính Trục X di chuyển dọc theo chiều dài của giá hàng, trong khi trục Z đảm nhiệm chức năng nâng hạ hàng hóa.
Y là hệ thống lấy hàng, trong đó các trục chuyển động được định hướng bởi các ray trượt cố định Hệ thống này được dẫn động bởi các động cơ điện thông qua cơ cấu truyền động.
+ Cơ cấu đơn giản gọn nhẹ, vững chắc
+ Không yêu cầu sử dụng công nghệ dẫn đường
+ Có thể sử dụng nguồn điện trực tiếp thay vì sử dụng pin
+ Mang lại sự chính xác cao khi hoạt động
+ Nâng cao sự an toàn trong nhà kho
+ Tối ưu không gian khi làm việc
+ Chỉ sử dụng ở một khu vực cố định
+ Không thể chuyển mục đích sử dụng
Hình 3.4 Cánh tay Robot cố định
Kết luận: Dựa trên những ưu điểm và nhược điểm đã phân tích, nhóm quyết định lựa chọn phương pháp sử dụng cánh tay Robot cố định, được dẫn hướng bởi các ray trượt, để làm việc trên một hành trình cố định Phương pháp này phù hợp cho việc vận chuyển hàng hóa vào kho nhiều tầng trong đề tài nghiên cứu.
Phân tích và lựa chọn giải pháp truyền động cơ khí
Hệ thống truyền động thực hiện việc điều khiển quá trình hoạt động của cánh Robot Ở đây Robot sẽ có 3 chuyển động tịnh tiến đó là:
+ Chuyển động tịnh tiến của cơ cấu cánh tay chạy dọc theo hành lang kho hàng
+ Chuyển động dọc lên xuống của cơ cấu nâng hạ
+ Chuyển động đẩy ra, vào của cơ cấu đỡ hàng để đưa hàng vào vị trí ô chứa
Vì vậy, hình thức chuyển động ta mong muốn ở đây là chuyển động tịnh tiến
Ròng rọc là một thiết bị nhỏ gọn giúp việc kéo vật lên cao trở nên dễ dàng hơn chỉ bằng sức người, cho phép nâng vật lên với lực nhẹ hơn trọng lực của nó.
+ Ròng rọc cố định làm thay đổi hướng của vật còn ròng rọc động được lợi về lực hơn Giá thành của ròng rọc thấp
Ròng rọc cố định chỉ có thể kéo vật nhẹ do không giảm trọng lực đáng kể, trong khi ròng rọc động giúp giảm lực kéo nhưng không cải thiện đường đi Để kéo vật nặng, cần sử dụng hệ thống ròng rọc dài cùng với dây chắc chắn và các puly chuyển hướng trong không gian rộng, dẫn đến chi phí và yêu cầu không gian lớn.
Ròng rọc, mặc dù có cấu tạo đơn giản, nhưng không đảm bảo an toàn và độ bền cao Việc sử dụng dây để kéo khiến dây dễ bị đứt hoặc trượt khỏi rãnh kéo Hơn nữa, ròng rọc cũng thiếu cơ cấu tự hãm trong trường hợp xảy ra sự cố.
Ưu điểm + Bộ truyền vitme đai ốc có kết cấu đơn giản, có kích thước nhỏ gọn, tiện sử dụng
+ Bộ truyền có khả năng tải cao, làm việc tin cậy, không gây ồn
+ Có tỷ số truyền rất lớn tạo ra được lực dọc trục lớn nên lực tác động nhỏ +
Có thể thực hiện được di chuyển chính xác cao với khả năng tự hãm lớn
+ Hiệu suất của bộ truyền thấp
+ Ren bị mòn nhanh khi phải làm việc với tốc độ cao
Kết luận: Sau khi phân tích các ưu nhược điểm, nhóm đã quyết định chọn hệ thống truyền động bằng cơ cấu vitme đai ốc Hệ thống này nổi bật với độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn, khả năng truyền động êm ái, tự hãm và lực truyền lớn, rất phù hợp với yêu cầu của đề tài.
Phân tích và lựa chọn giải pháp truyền động điện
Hệ thống lưu kho yêu cầu cánh tay Robot phải điều khiển vị trí một cách nhanh chóng, chính xác và an toàn để đưa hàng hóa vào đúng vị trí kho Động cơ cần có momen xoắn phù hợp để chịu tải khi robot mang hàng, điều này phụ thuộc vào loại hàng hóa trong kho Do đó, việc lựa chọn động cơ dẫn động chính xác về vị trí và duy trì momen khi nâng hạ hàng hóa là rất quan trọng.
Động cơ DC một chiều
+ Ưu điểm nổi bật động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do vậy kéo được tải nặng khi khởi động
+ Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt
+ Tiết kiệm điện năng, tuổi thọ lớn
+ Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp
Để nâng cao độ chính xác, việc thiết lập mạch phản hồi là điều cần thiết Tuy nhiên, bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp và chi phí cao, thường gặp phải hư hỏng trong quá trình vận hành, dẫn đến việc cần phải bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên.
+ Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than sẽ gây nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ
+ Công suất không cao, dòng khởi động lớn
+ Có thế điều khiển mạch hở
+ Duy trì mômen rất tốt (không cần phanh, biến tốc)
+ Không cần mạch phản hồi cho cả vi điều khiển vị trí và vận tốc
+ Chi phí bảo dưỡng thấp (không có chổi quét)
+ Động cơ làm việc không đều, đặc biệt là ở tốc độ thấp (điều khiển đầy bước)
+ Mạch điều khiển tốc độ chính xác và đều hơn +
+ Độ chính xác cao hơn
+ Không làm việc ở chế độ mạch điểu khiển hở, yêu cầu phải có hệ thống phản hồi
+ Yêu cẩu phải điều chỉnh các thông số vòng điều khiển
+ Bảo dưỡng tốn kém hơn, đặc biệt là động cơ DC servo
Kết luận: Sau khi xem xét các ưu và nhược điểm, nhóm đã quyết định chọn động cơ bước do nó đáp ứng tốt các yêu cầu điều khiển với độ chính xác vừa phải, đồng thời có giá thành hợp lý và dễ dàng trong việc điều khiển, phù hợp với điều kiện và mong muốn của nhóm.
Phân tích và lựa chọn giải pháp cảm biến
Khi hàng hóa được vận chuyển đến vị trí gắp của Robot, cần sử dụng thiết bị xác nhận để thông báo nhanh chóng cho bộ xử lý trung tâm PLC Điều này giúp hệ thống hoạt động hiệu quả, tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu suất.
Khi Robot hoạt động, việc phát hiện lỗi ở các trục chuyển động là rất quan trọng, đặc biệt khi có nguy cơ di chuyển quá hành trình Do đó, cần thiết phải có một thiết bị tự động dừng Robot khi phát hiện một trong các trục chuyển động vượt quá giới hạn cho phép.
Cảm biến tiệm cận điện cảm
+ Có thể lắp được nhiều vị trí
+ Tín hiệu đáp ứng nhanh, chính xác
Hình 3.10 Cảm biến tiệm cận điện cảm
+ Chỉ sử dụng được với vật thể kim loại
+ Có thể bị nhiễu bởi kim loại xung quanh
Cảm biến tiện cận điện dung
+ Có thể cảm nhận vật dẫn điện và không dẫn điện
+ Tính chất tuyến tính và độ nhạy không phụ thuộc vào vật liệu kim loại
+ Nó có thể cảm nhận được vật thể nhỏ, gọn, nhẹ
+ Tuổi thọ cao và độ ổn định cũng cao đối với nhiệt độ
Hình 3.11 Cảm biến tiệm cận điện dung
+ Bị ảnh hưởng bởi độ ẩm
+ Dây nối với sensor phải ngắn để điện dung dây không ảnh hưởng đến độ cộng hưởng của bộ dao động
Cảm biến quang – phản xạ gương
Hình 3.12 Cảm biến quang – phản xạ gương
+ Phát hiện vật ở khoảng cách xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp
+ Tuổi thọ và độ chính xác cao, ít bị hao mòn, tính ổn định khá cao
+ Có thể phát hiện nhiều vật thể khác nhau
+ Thời gian đáp ứng nhanh, có thể chỉnh độ nhạy
+ Phụ thuộc nhiều vào màu sắc và hệ số phản xạ của vật thể
+ Cần 2 điểm để lắp đặt cho cảm biến và gương
+ Hoạt động không tốt khi bề mặt bị bụi bẩn và trong môi trường nhiều bụi
+ Khả năng chịu đựng dòng lớn
+ Đáp ứng tốt các điều kiện cần đến độ chính xác và có tính lặp lại
+ Tiêu thụ ít năng lượng
Nhược điểm + Thời gian đáp ứng chậm
+ Cần có sự tác động của vật đối với công tắc hành trình
+ Do phải tiếp xúc nên làm các bộ phận cơ khí bị mòn
Hình 3.13 Công tắc hành trình
Kết luận: Sau khi xem xét các ưu nhược điểm và tham khảo các mô hình thực tế, nhóm quyết định chọn cảm biến quang - phản xạ gương cho vị trí cuối băng tải, nơi robot gắp hàng Đồng thời, nhóm cũng sử dụng công tắc hành trình tại mỗi ô trong kho hàng và ở đầu cuối hành trình của các trục chuyển động của robot nhằm ngăn ngừa sự cố chạy quá cữ.
Phân tích và lựa chọn giải pháp điều khiển
Hệ thống lưu kho cần hoạt động tự động, liên tục và tuần tự với độ chính xác cao Để đảm bảo tính ứng dụng và phù hợp trong ngành công nghiệp, việc lựa chọn bộ điều khiển thích hợp là rất quan trọng.
Sử dụng vi điều khiển
Hình 3.14 Ví dụ về 1 loại của vi điều khiển
+ Tùy biến được tốt hơn, lập trình được các chương trình phức tạp nên phù hợp dùng trong các mạch điều khiển công suất nhỏ
+ Vi điều khiển hoạt động như một máy vi tính
+ Tích hợp cao hơn bên trong vi điều khiển làm giảm chi phí và kích thước hệ thống
+ Khả năng chống nhiễu thấp
+ Phải khuyếch đại tín hiệu đầu ra vì dòng đầu ra rất nhỏ
+ Ngôn ngữ lập trình phức tạp, đòi hỏi chuyên môn người dùng
Hình 3.15 Ví dụ về 1 loại của PLC
+ Độ ổn định và tin cậy rất cao
+ Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển
+ Chống nhiễu tốt, phù hợp trong môi trường công nghiệp
+ Tối ưu 80% dây điện, giảm thiểu số lượng Rơle, Timer và không hạn chế số lượng tiếp điểm
+ Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng chức năng khác
+ Chức năng lập trình dễ ràng, ngôn ngữ dễ đọc và dễ hiểu
+ Dung lượng chương trình lớn, có thể chứa được nhiều chương trình phức tạp
+ Giá thành cao, một số hãng phải mua thêm phần mềm lập trình
Kết luận, nhóm đã quyết định chọn PLC để điều khiển hệ thống vì nó phù hợp với yêu cầu điều khiển tuần tự, đảm bảo độ chính xác cao và hoạt động ổn định liên tục PLC có tính ứng dụng cao trong ngành công nghiệp, và nhóm đã có kinh nghiệm lập trình PLC trong quá trình học tại trường.
Giải pháp phần mềm lập trình và mô phỏng
Hình 3.16 Giao diện phần mềm TIA Portal
TIA Portal (Total Integrated Automation Portal) là phần mềm lập trình dành cho bộ điều khiển logic (PLC) trong công nghiệp Khác với các phần mềm lập trình trước đây, TIA Portal tích hợp đầy đủ các chức năng như lập trình, giả lập CPU và thiết kế giao diện người-máy Đây là phiên bản hoàn thiện nhất cho việc thiết kế toàn bộ hệ thống điều khiển bằng PLC của Siemens.
Ngoài lập trình cơ bản TIA Portal còn hỗ trợ một số tính năng nổi bật như:
+ Hỗ trợ lập trình truyền thông trực tiếp trên phần mềm: giao diện HMI, Wincc, truyền thông profibus với giao diện và tập lệnh dễ sử dụng
+ Dễ dàng thiết lập cấu hình kết nối giữa các thiết bị trong mạng truyền thông
+ Hỗ trợ mô phỏng một cách trực quan các dòng PLC mới nhất của Siemens với PLCSIM
Có thể nói TIA Portal là phần mềm được Siemens phát triển nhằm thay thế các phần mềm chuyên dụng khác cho các dòng PLC của hãng Siemens
WinCC là một ứng dụng quan trọng cho mạng HMI và SCADA, phục vụ cả lĩnh vực dân dụng lẫn công nghiệp, và được tích hợp trong gói phần mềm TIA Portal của Siemens.
WinCC (Windows Control Center) is a software developed by Siemens for monitoring, controlling, and collecting data during production processes Specifically, WinCC is designed for creating Human Machine Interface (HMI) layouts within Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) systems.
WinCC có chức năng chính là thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất Người dùng có thể dễ dàng trao đổi dữ liệu với PLC từ nhiều nhà sản xuất khác nhau như Siemens, Mitsubishi, Allen-Bradley và Omron thông qua cổng COM với chuẩn RS232 của PC và chuẩn RS485 của PLC.
WinCC là giải pháp linh hoạt cho các hệ thống từ quy mô nhỏ đến lớn, bao gồm cả hệ thống thực hiện sản xuất (MES) Phần mềm này cho phép mô phỏng hình ảnh các sự kiện trong quá trình điều khiển dưới dạng chuỗi sự kiện Để đáp ứng nhu cầu công nghệ ngày càng cao, WinCC cung cấp nhiều chức năng cho hiển thị, thông báo, ghi báo cáo, và xử lý thông tin đo lường cùng các tham số công thức Đây là một trong những chương trình thiết kế giao diện Người và Máy (HMI) được ưa chuộng nhất hiện nay.
Phần mềm Factory IO của Real game là 1 phần mềm mô phỏng dùng trong mô phỏng hệ thống PLC và training về kỹ năng lập trình PLC
Hình 3.17 Mô hình lưu kho trên phần mềm Factory IO
Ưu điểm: + Giao diện 3D, góc nhìn đa dạng (hỗ trợ góc nhìn 1st như các game hành động)
+ Kết nối đựơc nhiều loại PLC thực khác nhau
Thiết kế xây dựng nhà máy bao gồm hơn 30 loại linh kiện như cảm biến, băng chuyền, nút nhấn, pusher, elevator và robot arm, với kế hoạch mở rộng thêm nhiều linh kiện phong phú hơn trong tương lai.
+ Mô tả 1 hệ thống nhà máy ảo với các sensors và actuators (tín hiệu analog hoặc digital)
+ Đánh lỗi (pan) ngắn mạch hoặc hở mạch, phù hợp cho giảng dạy.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG LƯU KHO
Thiết kế thành phần cơ khí
Hình 4.1 Mô phỏng giá đỡ hàng hóa
Hình 4.2 Thông số kích thước của giá đỡ 4.1.2 Robot vận chuyển hàng hóa
Hình 4.3 Cánh tay Robot vận chuyển hàng hóa
Hình 4.4 Thông số kích thước của cánh tay Robot 4.1.3 Cơ cấu truyền động
Tính toán và lựa chọn các thành phần hệ thống
4.2.1 Tính toán độ bền vitme
+ Tốc độ quay trục chính: 250 v/ph
+ Tải trọng dọc trục: Fa = 60 N
Tính toán trục chuyển động vitme-đai ốc [4] Đường kính trung bình của ren:
𝛹𝐻: hệ số chiều cao đai ốc
𝛹𝐻= 1,2 2,5 đối với đai ốc nguyên
𝛹ℎ: hệ số chiều cao ren
𝛹ℎ= 0,5 với ren vuông [q]: áp suất cho phép Vật liệu vít và đai ốc là thép – đồng thanh nên chọn [q] = 8 (Mpa), = 1,2 Thay vào công thức (4.1) ta có:
Kiểm nghiệm độ bền theo thuyết bền 4 ta có:
T: momen xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vật Fa: lực dọc trục
Ứng suất cho phép (kéo hoặc nén) của vật liệu vít được xác định dựa trên giới hạn chảy của nó Đường kính trong của ren vít là 6 mm Tiết diện nguy hiểm là tiết diện chịu toàn bộ lực dọc trục Fa và momen, được tính bằng giá trị lớn hơn giữa Tr (momen ren) và Tg (momen gối tì).
: góc vít f : góc ma sát
: đường kính trung bình của ren vít Các thông số của ren:
Chiều cao profin ren: h = 1 (mm) Bước vít:
: số mối ren : bước ren Góc vít:
Với hệ số ma sát f = 0,1 (thép – đồng thanh) ta tính được góc ma sát 𝜑 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔(0.1) = 5,71 0 thay vào công thức (4.3) ta có :
Chọn mặt tì: D0 = 22 (mm), trị số momen gối tì:
Ta có hệ số ma sát f = 0,1 (thép – đồng thanh) khi đó theo công thức (4.5) thì:
=> Lấy lực 𝑇 = 𝑇𝑟 = 68,9 (N.mm) Thay số vào công thức (4.2) ta có:
Với thép 45 𝜎𝑐ℎ= 360 (MPa) => [𝜎] =𝜎 ch/3 = 120 (MPa)
Do 𝝈𝒕đ < [𝝈] nên điều kiện bền được đảm bảo
Tính kiểm nghiệm về ổn định [4] Momen quán tính của tiết diện vít J:
Thay số vào công thức (4.6) ta được:
Bán kính quán tính của tiết diện vitme:
Thay số vào công thức (4.7) ta được: Độ mềm của vitme là:
: hệ số chiều dài tương đương, xác định như sau : = 1 khi cả hai đầu vít được cố định bằng bản lề
= 0,7 khi một đầu vít được cố định bằng bản lề, đầu kia bị ngàm (đai ốc tựa được coi như ngàm)
= 0,5 khi cả hai đầu vít bị ngàm
= 2 khi một đầu vít bị ngàm một đầu tự do
: chiều dài của vít (500 mm)
Vì > 100 dùng công thức ơle đi tính tải trọng giới hạn ta có:
(4.9) Thay số vào công thức (4.9) ta được :
(với E = 2,1.10 5 MPa môđun đàn hồi) Kiểm nghiệm độ bền cho vitme:
(4.10) Trong đó : : hệ số an toàn về ổn định = 2,5 … 4 : hệ số an toàn ổn định cho phép Thay số vào công thức (4.10) ta được:
=> Điều kiện ổn định được đảm bảo
4.2.2 Tính toán công suất động cơ
Tính toán chọn động cơ trục X Theo thông số thiết kế ta có:
+ Đường kính vít me: = 8 mm
Tính momen xoắn cho động cơ bước: [6]
: momen tải : momen tăng tốc : hệ số an toàn Công thức tính :
F: lực làm bàn máy di chuyển : độ dôi dự tính ( =1/3 F) : hệ số ma sát khớp nối ren (0,1-0,3 lấy bằng 0,3) : hiệu suất động cơ (0,85 - 0,95 lấy bằng 9,5)
: tỷ số truyền của hệ thống : bước của vít me (4 mm) Lực làm bàn máy dịch chuyển:
𝐹𝐴: ngoại lực 𝜇: hệ số ma sát bề mặt (0,1) 𝜃: góc nghiêng của trục X (0 0 )
Hình 4.6 Lực làm trục X di chuyển
Coi ngoại lực tác dụng là không đáng kể, khối lượng trục X là 10 (kg) và góc nghiêng trục X bằng 0 độ Thay số vào công thức (4.13) ta có:
Do động cơ được nối với cơ cấu truyền động vitme bằng khớp nối cứng nên hệ số truyền tải bằng 1:
Thay số vào công thức (4.12) ta có:
Công thức tính momen tăng tốc: (áp dụng chung cho các động cơ)
𝑁𝑀: tốc độ quay của trục vít me
Hình 4.7 Đồ thị dịch chuyển của cơ cấu Tính momen quán tính tải:
Momen quán tính của trục vitme:
(4.16) Thay số vào công thức (4.16) ta có:
Hình 4.8 Momen quán tính trục vít me
𝐷𝐵: đường kính trục vít me
𝐿𝐵: chiều dài vít me 𝜌: khối lượng riêng của thép Momen quán tính của bàn máy:
(4.17) Thay số vào công thức (4.17) ta được:
Trong đó: m: khối lượng bàn máy
𝑃𝐵: bước của vít me Suy ra momen quán tính tải theo công thức (4.15):
𝐽𝐿 = 1,59 10 −6 + 2,55.10 −5 = 2,71.10 −5 (Kg.𝑚 2 ) Chọn tốc độ quay của trục vít me 𝑁𝑀 = 250 (vòng/phút) Momen tăng tốc theo công thức (4.14):
Chọn hệ số an toàn 𝑆𝑓= 2 ta có momen xoắn của động cơ theo công thức (4.11):
Tính toán chọn động cơ trục Y Theo thông số thiết kế ta có:
+ Đường kính vít me: 𝐷𝐵 = 8 mm
Tính momen xoắn cho động cơ: [6]
F: Lực làm bàn máy di chuyển
𝜇0: Hệ số ma sát khớp nối ren (0,1-0,3 lấy bằng 0,3) 𝜂: Hiệu suất động cơ (0,85-0,95 lấy bằng 0,95) 𝒾:
Tỷ số truyền của hệ thống
𝑃𝐵: Bước của vít me (4 mm) Tính lực làm bàn máy dịch chuyển F:
𝐹𝐴: Ngoại lực 𝜇: Hệ số ma sát bề mặt(0,1) 𝜃: Góc nghiêng của trục Y (0 0 )
Coi ngoại lực tác dụng là không đáng kể, khối lượng trục Y là 2 (kg) và góc nghiêng trục Y bằng 0 độ Thay số vào công thức (4.13) ta có:
Do động cơ được nối với cơ cấu truyền động vitme bằng khớp nối cứng nên hệ số truyền tải bằng 1:
Suy ra momen của tải theo công thức (4.12):
Công thức tính momen tăng tốc 𝑇𝑎: (áp dụng chung cho các động cơ)
𝑁𝑀: Tốc độ quay của trục vít me Tính momen quán tính tải 𝐽𝐿:
Momen quán tính của trục vitme 𝐽𝐵:
(4.16) Thay số vào công thức (4.16) ta có:
𝐷𝐵: Đường kính trục vít me
𝐿𝐵: Chiều dài vít me 𝜌: Khối lượng riêng của thép Momen quán tính của bàn máy 𝐽𝑇:
(4.17) Thay số vào công thức (4.17) ta được:
Trong đó: m: Khối lượng bàn máy
𝑃𝐵: Bước của vít me Suy ra momen quán tính tải 𝐽𝐿 theo công thức (4.15):
𝐽𝐿 = 0,31.10 −6 +0,51.10 −5 =0,54.10 −5 (Kg.𝑚 2 ) Chọn tốc độ quay của trục vít me 𝑁𝑀 = 250 (vòng/phút) Momen tăng tốc 𝑇𝑎 theo công thức (4.14):
Chọn hệ số an toàn 𝑆𝑓 = 2 ta có momen xoắn của động cơ theo công thức (4.11):
Tính chọn động cơ trục Z Theo thông số thiết kế ta có:
+ Đường kính vít me: 𝐷𝐵 = 8 mm
Tính momen xoắn cho động cơ bước: [6]
𝑆𝑓: hệ số an toàn Công thức tính:
F: lực làm bàn máy di chuyển
𝜇0: hệ số ma sát khớp nối ren (0,1-0,3 lấy bằng 0,3) 𝜂: hiệu suất động cơ (0,85-0,95 lấy bằng 0,95) 𝒾: tỷ số truyền của hệ thống
𝑃𝐵: bước của vít me (4 mm) Tính lực làm bàn máy dịch chuyển:
𝐹𝐴: ngoại lực 𝜇: hệ số ma sát bề mặt (0,1) 𝜃: góc nghiêng của trục Z ( 90 0 )
Coi ngoại lực tác dụng là không đáng kể, khối lượng trục Z là 6 (kg) và góc nghiêng trục Z bằng 90 độ Thay số vào công thức (4.13) ta có:
Do động cơ được nối với cơ cấu truyền động vitme bằng khớp nối cứng nên hệ số truyền tải bằng 1:
Suy ra momen của tải theo công thức (4.12):
Công thức tính moomen tăng tốc: (áp dụng chung cho các động cơ)
𝑡1: thời gian tăng tốc (2s) 𝑁𝑀: tốc độ quay của trục vít me Tính momen quán tính tải:
Momen quán tính của trục vitme:
(4.16) Thay số vào công thức (4.16) ta có:
Hình 4.9Momen quán tính trục vít me
𝐷𝐵: đường kính trục vít me
𝐿𝐵: chiều dài vít me (0,5m) 𝜌: khối lượng riêng của thép Momen quán tính của trục Z:
(4.17) Thay số vào công thức (4.17) ta được:
Trong đó: m: khối lượng bàn máy
𝑃𝐵: bước của vít me Suy ra momen quán tính tải theo công thức (4.15):
Chọn tốc độ quay của trục vít me 𝑁𝑀 = 250 (vòng/phút) Momen tăng tốc theo công thức (4.14):
Chọn hệ số an toàn 𝑆𝑓 = 2 ta có momen xoắn của động cơ theo công thức (4.11):
Kết luận: Từ kết quả tính toán trên, ta chọn động cơ bước 17PM-K142U
Có momen xoắn là 280 mN.m, momen giữ 11,8 mN.m [7]
Hình 4.10 Hybrid stepping motor type 17PM-K142U
4.2.3 Lựa chọn các thành phần hệ thống
Theo phân tích ở chương 3, nhóm đã thảo luận và tham khảo các mô hình lưu kho thực tế, cũng như nhận ý kiến từ thầy giáo hướng dẫn, từ đó quyết định lựa chọn các thành phần cho hệ thống lưu kho tự động.
+ Hệ thống điều khiển: bộ điều khiển trung tâm PLC S7-1200
+ Phần mềm điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA): WinCC của hãng Siemens
+ Các cơ cấu chấp hành: DC Step 17PM - K142U cho 3 trục X, Y, Z của cánh tay Robot
+ Các Module: Driver TB-6600 điều khiển động cơ bước
+ Cảm biến: cảm biến quang - phản xạ gương, công tắc hành trình
+ Cơ cấu dẫn động: Vitme đai ốc thường
+ Nguồn cấp điện cho hệ thống: Nguồn tổ ong 24V - 10A
4.2.3.1 Bộ điều khiển trung tâm PLC S7-1200
Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:
S7-1200 là một dòng PLC (bộ điều khiển logic lập trình) lý tưởng cho nhiều ứng dụng tự động hóa nhờ thiết kế nhỏ gọn và chi phí hợp lý Với khả năng lập trình mạnh mẽ, S7-1200 mang đến giải pháp tối ưu cho các nhu cầu tự động hóa.
- S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO)
- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:
+ Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC
+ Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình.
The S7-1200 features a PROFINET port that supports Ethernet and TCP/IP standards, allowing for enhanced connectivity options Additionally, it offers the flexibility to use expansion communication modules for connections via RS485 or RS232.
Phần mềm Step7 Basic được sử dụng để lập trình cho S7-1200, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình chính là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 11 của Siemens, mang lại sự tiện lợi cho người dùng trong quá trình lập trình.
Để thực hiện một dự án với S7-1200, bạn chỉ cần cài đặt TIA Portal, vì phần mềm này tích hợp cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện.
Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
Bộ nhớ làm việc 25 kB 25 kB 50 kB
Bộ nhớ nạp 1 MB 1 MB 2 MB
Bộ nhớ giữ lại 2 kB 2 kB 2 kB
Kiểu số 6 ngõ vào/ 4 ra 8 ngõ vào/ 6 ra 14 ngõ vào/ 10 ra
Kiểu tương tự 2 ngõ ra 2 ngõ ra 2 ngõ ra
Kích thước ảnh tiến trình
1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (O)
1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (O)
1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (O)
Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 4096 byte 8192 byte Độ mở rộng các
3(mở rộng về bên trái)
3 (mở rộng về bên trái)
3 (mở rộng về bên trái)
Bộ đếm tốc độ cao Đơn pha 3 tại 100 kHz 3 tại 100 kHz 3 tại 100 kHz
1 tại 30 kHz 3 tại 30 kHz Vuông pha 3 tại 80 kHz 3 tại 80 kHz 3 tại 80 kHz
Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)
Thời gian lưu giữ đồng hồ thời gian thực
10 ngày / ít nhất 6 ngày (tại 40 o C)
Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày (tại 40 o C)
Tốc độ thực thi tính toỏn thực 18 às/lệnh 18 às/lệnh 18 às/lệnh
Boolean 0.1 às/lệnh 0.1 às/lệnh 0.1 às/lệnh
(CM) RS485, RS232 RS485, RS232 RS485, RS232
Bảng 4.1 Thông số kĩ thuật PLC S7-1200
3, Kết nối với các module mở rộng
4, Đèn Led hiển thị I/O trên board
=> Với yêu cầu điều khiển sử dụng nhiều ngõ vào ra số chúng ta sử dụng PLC
S7-1200 CPU 1214C để có thể đáp ứng yêu cầu của đề tài
Điều khiển động cơ bước bằng phương pháp băm xung:
PTO/PWM: Đây đều là những bộ tạo xung, nhưng khác nhau như sau:
Chế độ PWM (Điều chế độ rộng xung) sử dụng tỷ lệ Ton/Tchu kỳ thay đổi để điều khiển các thiết bị như động cơ một chiều, bộ gia nhiệt và biến tần Phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng công nghiệp.
- Chế độ PTO (Pulse train output): tạo ra chuỗi xung vuông với tỷ lệ
Tần số và chu kỳ là không thay đổi trong phương pháp điều khiển này, thường được áp dụng để phát xung cho Driver của động cơ Servo hoặc động cơ Step PTO cung cấp nhiều tính năng bổ sung vượt trội so với PWM.
+ Tốc độ max (mặc định là 100KHz)
+ Tốc độ min (mặc định là 5kHz)
+ Thời gian tăng tốc (mặc định 1s)
+ Thời gian giảm tốc (mặc định 1s)
Một số lệnh phát xung cơ bản:
MC_Power : cho phép và vô hiệu một trục điều khiển chuyển động
MC_Home : thành lập mối quan hệ giữa chương trình điều khiển trục và hệ thống định vị cơ học trục
MC_MoveRelative: khởi động một chuyển động định vị có liên quan đến vị trí khởi đầu
MC_MoveAbsolute : khởi động chuyển động đến một vị trí tuyệt đối. Chức năng kết thúc khi vị trí đích
MC_Reset: Đặt lại tất cả các lỗi điều khiển chuyển động Tất cả các lỗi trong hệ thống điều khiển chuyển động đã được xác định và đạt được.
MC_Halt : hủy bỏ tất cả việc xử lý chuyển động và làm chuyển động theo trục dừng lại Vị trí dừng không được định rõ
+ Enable: Cho phép chạy lệnh
+ Axis: Chọn trục điều khiển
+ Done: Báo chạy xong lệnh
+ Execute: Bắt đầu lệnh với 1 bit tích cực
+ Position: Giá trị vị trí cần điều khiển
+ Mode: Chế độ điều khiển
+ Velocity: Giá trị tốc độ
4.2.3.2 Động cơ bước DC Step 17PM-K142
+ Điện áp làm việc: 12 – 24VDC
Để điều khiển động cơ bước dẫn động vitme đến vị trí xác định, cần cài đặt chế độ làm việc cho driver và tính toán số xung cung cấp cho động cơ.
+ Động cơ có góc bước 1.8 o
+ Driver cài đặt chế độ vi bước 1/16
Ta có số xung cần cấp cho động cơ để di chuyển các trục X, Y, Z 1mm:
+ 𝜃𝑠: Góc bước động cơ dẫn động
+ 16: Lựa chọn chế độ vi bước trên driver
4.2.3.3 Module TB-6600 Driver điều khiển động cơ bước
+ Dòng cấp tối đa là 4A
+ Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao
+ Có tích hợp đo quá dòng quá áp
Cài đặt và ghép nối[9]
+ DC+: Nối với nguồn điện từ 9 - 40VDC
+ DC- : Điện áp (-) âm của nguồn
+ A+ và A-: Nối vào cặp cuộn dây của động cơ bước
+ B+ và B- : Nối với cặp cuộn dây còn lại của động cơ
+ PUL+: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (+5V)
+ PUL-: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (-) (24VDC R=2.2kΩ) ) +
DIR+: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (+5V)
+ DIR-: Tín hiệu cấp xung đảo chiều âm (24VDC R=2.2kΩ) )
+ ENA+ và ENA-: khi cấp tín hiệu cho cặp này động cơ sẽ không có lực momen giữ và quay nữa
+ Có thể đấu tín hiệu dương (+) chung hoặc tín hiệu âm (-) chung - ENA- : nối tiếp điện trở 2.2kΩ) nếu sử dụng 24VDC
Hình 4.14 Sơ đồ nối dây giữa PLC S7-1200 và Driver TB-6600
Để điều khiển chính xác góc quay của động cơ bước, cần sử dụng bộ điều khiển phù hợp với loại động cơ về số cuộn dây, công suất và tốc độ Sơ đồ đấu nối giữa Driver TB-6600 và DC Step được trình bày dưới đây thể hiện cách kết nối cho động cơ và driver hiện tại.
Loại PLC sử dụng là ngõ ra transistor sink (xung âm), với các chân điều khiển trên Stepper driver gồm EN-, DIR- (điều khiển chiều quay) và PUL- Các chân EN+, DIR+ và PUL+ được kết nối chung với nguồn 5V Đối với PLC có ngõ ra xung dương, cách đấu nối sẽ được thực hiện ngược lại.
+ 2 cặp cuộn dây của động cơ được đấu vào các chân A+ A- và B+ B- +
Chân GND và VCC là 2 chân cấp nguồn nuôi cho driver
Hình 4.15 Sơ đồ nối dây giữa Driver TB-6600 và DC Step
Setup dòng cho động cơ bước [9]
Bảng 4.2 Setup dòng cho động cơ bước
Cài đặt vi bước cho Driver [9]
Micro Pulse/rev SW1 SW2 SW3
Bảng 4.3 Cài đặt vi bước cho Driver
Kết luận: Để động cơ quay một vòng với chế độ vi bước 1/16, cần cung cấp 3200 xung Với vitme bước 4 mm, 3200 xung sẽ khiến đai ốc vitme di chuyển 4 mm Từ đó, chúng ta có thể tính toán số xung cần thiết để di chuyển quãng đường tương ứng trong thực tế.
+ Chất liệu trục vitme: thép không rỉ
+ Chất liệu đai ốc: đồng
4.2.3.5 Cảm biến quang - phản xạ gương
Hình 4.17 Cảm biến quang - phản xạ gương
+ Điện áp làm việc: 6-36 VDC
+ Thời gian đáp ứng: 2 ms
+ Dòng điện ngõ ra: 80- 300 mA
+ Đường kính cảm biến: 18 mm + Bảo vệ chức năng: phân cực bảo vệ, bảo vệ ngắn mạch
+ Chế độ đầu ra: NPN
Cấp độ bảo vệ: IP65
Hình 4.18 Công tắc hành trình Thông số kĩ thuật
+ Dòng tiếp điểm: 15A tại 250VAC +
Tiếp điểm: SPDT (1NO-1NC)
+ Kiểu tác động: Chốt lăn đòn bẩy
+ Tần số hoạt động: + Cơ: 600 lần/Max + Điện: 60 lần/Max
+ Chống va đập: + Độ bền: 1000m/s2 + Sự cố: 3000m/s2
+ Kiểu đấu nối: Thiết bị đầu cuối hàn
+ Cấp bảo vệ: IEC IP40 +
+ Chỉnh lưu từ lưới điện xoay chiều thành điện 1 chiều cung cấp cho các thiết bị điện tử
+ Dùng trong các mạch ổn áp, cung cấp dòng áp đủ tránh trường hợp sụt áp, dòng ảnh hưởng tới mạch
+ Hiệu quả cao, giá thành thấp, độ tin cậy cao
+ Điện áp ngõ vào: 110/ 220VAC
+ Điện áp ngõ ra: DC24V
Thiết kế hệ thống điều khiển
4.3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Hệ thống chia làm 6 khối:
+ Khối cảm biến: nhận biết sản phẩm
+ Khối SCADA: hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu
+ Khối Driver step: điều khiển động cơ bước
+ Khối nguồn: cấp nguồn cho hệ thống
+ Khối cơ cấu chấp hành: nhận tín hiệu và xử lý
+ Khối PLC: điều khiển toàn hệ thống
Hình 4.20 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
4.3.2 Sơ đồ đi dây hệ thống điều khiển
Hình 4.21 Sơ đồ đi dây hệ thống điều khiển
Hình 4.22 Lưu đồ khởi động hệ thống
Hình 4.23 Lưu đồ Reset hệ thống
Hình 4.24 Lưu đồ nhập hàng
Hình 4.25 Lưu đồ xuất hàng 4.3.4 Bảng cấp xung cho động cơ
Từ công thức tính số xung cần cấp cho động cơ tính trên góc bước của động cơ và bước vitme:
Ta có công tức tính số xung cấp cho động cơ bước theo từng vị trí: x = 𝑎.s x: số xung cần cấp
𝑎: số xung để vitme dịch chuyển 1mm s: khoảng cách
Hình 4.26 Hệ tọa độ và các vị trí kho
Với công thức như trên ta có số xung cấp cho mỗi vị trí được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 4.4 Bảng cấp xung cho động cơ
Với trục Y tại vị trí nâng hàng vận chuyển xuất nhập kho mỗi lần di chuyển ra vào ta cấp 80000 xung
4.3.5 Phần mềm mô phỏng Factory IO
Do tình hình dịch bệnh phức tạp và điều kiện đi lại khó khăn, các quán linh kiện điện tử và đồ dùng cơ khí đều phải đóng cửa, khiến mô hình của nhóm em khó thực hiện Sau thời gian thảo luận và nghiên cứu, nhóm đã quyết định sử dụng phần mềm Factory IO để mô phỏng hệ thống.
Factory IO là một phần mềm của Real Games dùng để mô phỏng các hệ thống điều khiển tự động hóa trong các nhà máy, xí nghiệp, công nghiệp
Với Factory IO, người dùng có thể nâng cao kỹ năng lập trình và trải nghiệm học tập thực tế mà không cần sử dụng các bộ phận tốn kém Giao diện 3D và chế độ góc nhìn thứ nhất cho phép quan sát chi tiết toàn bộ hệ thống Phần mềm được thiết kế trực quan, dễ sử dụng và có thể tiếp cận nhanh chóng Ngoài ra, Factory IO có cấu hình nhẹ, cho phép chạy ổn định trên các máy tính phổ thông hiện nay.
Hình 4.27 Giao diện chính của phần mềm
Dây chuyền phân loại sản phẩm sử dụng cảm biến hình ảnh cung cấp đa dạng hệ thống mô phỏng từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm phân loại sản phẩm theo chiều cao và màu sắc, kho lưu tự động, điều khiển mức chất lỏng và gia công chi tiết Điều này giúp người dùng linh hoạt áp dụng các thuật toán và chương trình điều khiển.
Hình 4.29 Các hệ thống mô phỏng có sẵn (Scenes)
Hình 4.30 Một số thiết bị có trong phần mềm
Người dùng có khả năng tự thiết kế hệ thống riêng nhờ vào sự đa dạng của các thiết bị, mà hãng thường xuyên cập nhật và bổ sung Điều này giúp đáp ứng hầu hết các yêu cầu và thách thức trong môi trường công nghiệp.
Tất cả thông tin chi tiết về thiết bị, bao gồm kích thước, tốc độ, cấu hình, tín hiệu đầu vào, tín hiệu đầu ra và cách điều khiển, đều được cung cấp đầy đủ trên trang web của hàng tại địa chỉ: https://docs.factoryio.com/manual/parts/index.html.
Factory IO hỗ trợ người dùng kết nối với nhiều loại PLC từ các hãng khác nhau, cũng như các chuẩn truyền thông và giao tiếp đa dạng Nó cung cấp nhiều driver điều khiển cho phép kết nối các thiết bị bên ngoài hoặc tương tác giữa các phần mềm khác nhau.
Hình 4.31 Danh sách các Driver mà Factory IO hỗ trợ
Kết nối chân đầu tín hiệu vào ra của các thiết bị mô phỏng trong Factory IO chỉ bằng việc kéo thả rất đơn giản và tiện lợi
Hình 4.32 Kết nối Factory IO với PLCSIM
Factory IO cho phép người tùy chọn loại PLC kết nối, điều chỉnh số lượng chân vào ra của PLC
Hình 4.33 Cài đặt loại PLC, số chân tín hiệu vào ra
4.3.5.3 Ưu nhược điểm của Factory IO
+ Mô phỏng tổng quát, thiết bị đa dạng, trực quan
+ Cấu hình IO và Driver đơn giản, đa dạng Kết nối được nhiều loại chương trình mô phỏng PLC và PLC thực khác nhau
+ Mô phỏng được tín hiệu analog, tín hiệu digital rất giống thực tế (ví dụ như dao động của nước, áp suất nước trong đường ống )
Dung lượng nhẹ, cài đặt đơn giản Chạy ổn định với các máy có cấu hình phổ thông hiện nay
+ Chỉ là phần mềm mô phỏng nên không thể đáp ứng hết nhu cầu thực tế được
+ Không thể mô phỏng được sự quá tải của hệ thống
4.3.5.4 Hướng dẫn kết nối Factory IO với phần mềm mô phỏng PLCSIM +
First, download the appropriate templates from the software's homepage that match the PLCSIM version on your computer Factory IO supports PLCSIM version V5 and later versions starting from V13 For detailed instructions, visit the official tutorial at https://docs.factoryio.com/tutorials/siemens/setting-up-s7-plcsim-v13/.
Hình 4.34 Mã QR – Link tải chương trình mẫu
Hình 4.35 Tải chương trình mẫu trên trang chủ Factory IO
+ Mở file và viết chương trình theo yêu cầu Chọn Start simulation để khởi động chương trình mô phỏng PLCSIM trên TIA Portal
Hình 4.36 Khởi động chương trình S7-PLCSIM
+ Chọn PN / IE (1) tại mục type of PG/PC interface và trên PG/PC interface, chọn PLCSIM S7-1200 / S7-1500 (2) Nhấn Start search (3).
Khi quá trình quét hoàn tất, chọn thiết bị (4) và nhấn Load (5)
Hình 4.37 Kết nối chương trình với PLCSIM
Trên S7-PLCSIM cần để chương trình mô phỏng ở chế độ Run
Hình 4.38 Chương trình PLCSIM trên TIA Portal
+ Mở phần mềm Factory và chọn New để tạo chương trình mới hoặc chọn Scenes để chọn những chương trình đã có sẵn
Hình 4.39 Các hệ thống mô phỏng có sẵn (Scenes)
Chọn các mô đun phù hợp với yêu cầu hệ thống, sau đó nhấn F4 trên bàn phím để tùy chọn Driver kết nối với Factory IO Lựa chọn Siemens S7PLCSIM như hình minh họa bên dưới.
Hình 4.40 Chọn Driver kết nối với Factoy IO
Để mở bảng cấu hình trình điều khiển, hãy nhấn vào mục Configuration Tại đây, chọn loại PLC phù hợp để mô phỏng Bạn có thể tùy chỉnh số lượng chân vào ra trong phần I/O Points và đánh dấu vào Auto connect nếu muốn phần mềm tự động kết nối khi mở.
Hình 4.41 Tùy chọn thông số cấu hình PLC
Để kết nối với PLCSIM, hãy nhấn Esc để trở về cửa sổ điều khiển và sau đó bấm vào CONNECT Khi kết nối thành công, biểu tượng màu lục sẽ xuất hiện bên cạnh trình điều khiển như hình dưới đây.
Hình 4.42 Kết nối tín hiệu vào ra
+ Tại đây, hãy kéo các tín hiệu vào ra của các modun vào đúng các chân PLC theo yêu cầu bài toán đặt ra
Hình 4.43 Kết nối tín hiệu vào ra
+ Chuyển sang chế độ Run và tận hưởng
Hình 4.44 Run chương trình 4.3.6 Phần mềm Tia Portal
- Simatic Step 7 trên Tia Portal hỗ trợ 3 loại ngôn ngữ lập trình là: LAD, FBD và SCL
Ladder Diagram (LAD) là ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất hiện nay, đặc biệt tại Mỹ, dựa trên hình thức đồ họa của Relay Ladder Logic Hầu hết các PLC hiện nay, dù tuân thủ hoặc không tuân thủ tiêu chuẩn IEC61131-3, đều hỗ trợ ngôn ngữ Ladder này.
Ngôn ngữ LAD và Function Block Diagram (FBD) mô tả sự kết nối giữa các chức năng, khối chức năng và chương trình thông qua một tập hợp các khối đồ họa liên kết với nhau Hình ảnh này tương tự như sơ đồ mạch điện tử mà chúng ta thường gặp.
+ Structured Text (Siemens viết tắt ngôn ngữ này là SCL): đây là một ngôn ngữ cấp cao rất mạnh mẽ dùng cho PLC, có nguồn gốc từ Pascal và “C”.
SCL là một ngôn ngữ lập trình cấp cao, cho phép định nghĩa các khối chức năng phức tạp và có khả năng lồng ghép với các ngôn ngữ khác Với tính trực quan và dễ hiểu, SCL mang lại sự thuận tiện cho người dùng trong việc phát triển ứng dụng.
Chương trình điều khiển thường được viết bằng ngôn ngữ LAD vì tính phổ biến và dễ hiểu của nó Tuy nhiên, với những bài toán phức tạp, việc sử dụng LAD có thể dẫn đến mã nguồn dài dòng, tốn thời gian và không tối ưu Do đó, ngôn ngữ SCL được sử dụng để giải quyết những bài toán này một cách nhanh chóng và hiệu quả hơn.
Trong ví dụ dưới đây, chỉ cần nhập tọa độ của các trục để chương trình con hoạt động Với ngôn ngữ SCL, chương trình tự động tính toán tọa độ của các ô hàng, giúp tiết kiệm thời gian Ngược lại, nếu sử dụng ngôn ngữ LAD, người dùng phải tự tính toán và nhập tọa độ các ô hàng bằng tay, điều này rất tốn thời gian và kém hiệu quả.
Hình 4.48 Ứng dụng ngôn ngữ SCL vào chương trình Cấu trúc lập trình
Hình 4.49 Cấu trúc chương trình
