Đồ án môn học ứng dụng điều khiển và giám sát motor servo đa trục trong máy cnc công nghiệp

111Equation Chapter Section BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MƠN ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH -⸙∆⸙ - ĐỒ ÁN MÔN HỌC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MOTOR SERVO ĐA TRỤC TRONG MÁY CNC CƠNG NGHIỆP GVHD: PGS.TS Trương Đình Nhơn SVTH1: Nguyễn Hữu Tuấn MSSV: 19151194 SVTH2: Bùi Lâm Trọng Tuân MSSV: 19151192 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đồ án mơn học này, nhóm sinh viên thực đề tài xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo – PGS.TS Trương Đình Nhơn phó Trưởng Khoa Điện – Điện tử người trực tiếp hướng dẫn thực đề tài Trong suốt trình thực đề tài thầy ln tận tình quan tâm theo dõi tiến độ thực đề tài nhóm đưa dẫn cần thiết, quan trọng thông qua buổi báo cáo tiến trình nhằm giúp có điều chỉnh kịp thời phù hợp để nâng cao kết đề tài Nhóm sinh viên thực đề tài xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy cô môn khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao khoa Điện – Điện Tử tạo điều kiện thực truyền đạt kiến thức chuyên ngành cần thiết để nhóm học hỏi nhận giúp đỡ nhiệt tình từ phía thầy, suốt q trình thực đề tài Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao hỗ trợ thiết bị để thực đề tài tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm sinh viên suốt trình thực đề tài phịng thí nghiệm Bên cạnh đó, nhóm sinh viên xin gửi lời cảm ơn đến tác giả sách, báo, tạp chí khoa học trang web tham khảo giúp nhóm có nguồn tài liệu phong phú, xác Cuối cùng, nhóm sinh viên xin gửi lời đồng cảm đến bạn chuyên ngành Điều Khiển Tự Động Hóa K19 chia sẻ trao đổi kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian thực đề tài Xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT Ngày tự động hóa xuất nơi đất nước, khắp ngành nghề, lĩnh vực sản xuất như: May mặc, thực phẩm, dụng cụ, phương tiện,… Vì ngành nghề khác mà hệ thống tự động hóa có thiết kế, kết cấu khác để phù hợp lĩnh vực Để đáp ứng đầy đủ cho tất người giới việc sản xuất hàng loạt hoàn toàn cần thiết Mặt khác, để tối ưu hóa lợi ích nguồn nhân lực tốc độ độ xác việc sử dụng dây chuyền tự động hóa phải xây dựng, tính tốn cách khoa học Đề tài “Ứng dụng điều khiển giám sát motor servo đa trục máy CNC cơng nghiệp” nhằm tính tốn, lập trình mơ q trình di chuyển cấu chấp hành theo nhiều mục đích như: Di chuyển từ vị trí đến vị trí khác, đặt hành trình di chuyển cụ thể, gắp vật thể từ nơi sang nơi khác dây chuyền tự động hóa, kho chứa hàng hóa, bến cảng,… Nhằm mục đích ứng dụng mơ hình hệ thống di chuyển theo lộ trình đặt trước gắp thả sản phẩm vào dây chuyển công nghiệp mà gần hầu hết đa số doanh nghiệp lớn sử dụng nhân công lao động chi phí đầu tư vào hệ thống tự động hóa q đắt đỏ Giới thiệu tìm hiểu giải pháp tự động hóa, quy trình sử dụng thiết bị cụ thể hãng Siemens, SMC Electric nhằm sử dụng phát huy tối đa khả mà giải pháp mang lại Tính tốn kết cấu khí, chế gắp thả vật, tốc độ di chuyển hệ trục, lập trình điều khiển hệ thống, áp dụng thuật toán điều khiển hệ thống vận hành đáp ứng tối ưu yêu cầu đặt Tìm hiểu hệ thống điều khiển giám sát tự động hóa SCADA xác định bước việc tạo giao diện kiểm soát lỗi giám sát, thu thập liệu hệ thống tự động hóa lợi ích mang lại DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CNC: Computer Numerical Control CPU: Central Processing Unit FBD: Function Block Diagram HMI: Human Machine Interface IOT: Internet Of Things LAD: Ladder Diagram MQTT: Message Queueing Telemetry Transport PLC: Programmable Logic Controller Profinet: Process Field Net SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition SCL: Structured Control Language SQL: Structured Query Language STL: Structured Text Logic Chương Tổng Quan Chương giới thiệu tổng quan đề tài luận án, nhu cầu tầm quan trọng hệ thống thực tế Thông qua vấn đề, ứng dụng mà đề tài giải đưa mục tiêu đề tài, giới hạn đề tài, phương pháp nghiên cứu, phạm vi ứng dụng nội dung thực đề tài 1.1 Tầm quan trọng đề tài Tự động hóa công nghiệp mục tiêu quan trọng q trình cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước Ngành tự động hóa cịn ứng dụng nhiều lĩnh vực khác công nghiệp 4.0 như: Nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, sinh hoạt,…Trong dây chuyền cơng nghệ sản xuất đại ngày hầu hết tự động bán tự động Đặc biệt ngành nghề địi hỏi tới độ xác cao gần tuyệt đối việc tham gia 100% máy móc trình hoạt động, sản xuất điều tất yếu Tiêu biểu hệ thống điều khiển giám sát motor servo đa trục máy CNC công nghiệp với đặc thù hệ thống khép kín, đảm bảo vệ sinh, tốc độ hoạt động, độ xác cao,… Với nhiều ưu điểm bật giá thành hợp lý, cứng cáp, tính thẩm mỹ cao, dễ điều khiển giám sát,… Hệ thống điều khiển giám sát motor servo đa trục máy CNC công nghiệp ứng dụng hầu hết lĩnh vực cơng nghiệp Trong đồ án nhóm chúng em thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát quy trình hoạt động hệ thống servo đa trục theo yêu cầu mà người điều khiển mong muốn Có thể nói thời đại ngày nay, máy móc tiếp quản hầu hết vị trí lĩnh vực hoạt động sản xuất Vì vai trị hệ thống giám sát điều khiển thiếu Tiêu biểu nói đến hệ thống điều khiển - giám sát dùng PLC HMI Nó có tính vượt trội, có khả hoạt động tốt môi trường làm việc khắc nghiệt dễ dàng lắp đặt, sửa chữa, đáp ứng tất yêu cầu thời đại ngày mà thiết bị relay hay vi điều khiển khó thay Việc sử dụng giao diện HMI cho phép người dùng thao tác trực tiếp hình giúp giảm chi phí thiết bị nút nhấn, đèn báo, Ngồi ra, giao diện HMI cịn thể tính trực quan cho người sử dụng hệ thống giám sát, đồng thời cung cấp thơng tin xác, khả lưu trữ liệu cao, đơn giản, dễ vận hành dễ sửa chữa, di động cần thiết Mặc khác hệ thống điều khiển motor servo đa trục máy CNC cơng nghiệp cịn có nhiều ứng dụng khác thực tiễn hỗ trợ tối đa người đáp ứng hầu hết nhu cầu nhiều đời sống thời đại công nghiệp 4.0 như: Máy in 3D, thiết bị phun, hàn tự động, hệ thống tự động ghi nhãn máy, tự động gắp, tác vụ trình vận chuyển xếp sản phẩm, máy qt, cơng nghệ vận chuyển lắp ráp,… Hình 1.1 Máy in 3D Hình 1.2 Hệ thống vặn vít tự động loại bàn XY Hình 1.3 Hệ thống hàn tự động Ngồi ra, kết hợp với số khâu tự động khác như: Dán nhãn, khắc tên, đóng thùng, vận chuyển lên xe để phân phối,… Nhằm mục đích hình thành hệ thống vịng kín tự động hồn tồn, sử dụng nguồn lực nhân cơng, giảm bớt chi phí, tiết kiệm thời gian,… Hình 1.4 Hệ thống hàn tự động Trong xu xã hội ngày nay, thứ sử dụng sức lao động người dần thay máy móc Tuy nhiên, máy móc phải hoạt động điều kiện cần là: Ổn định xác Chính dạng hóa lĩnh vực nên kéo theo vơ số kết cấu thiết kế khác rủi ro, cố hệ thống tự động dẫn đến hậu đáng tiếc gây lãng phí tài nguyên hay chí gây nguy hiểm đến kỹ sư vận hành Vì đồ án “Hệ thống giám sát điều khiển motor servo đa trục máy CNC công nghiệp” cho thấy nhìn tổng quan dây chuyền tự động hóa chi tiết cơng đoạn tự động thực kết cấu khí lập trình điều khiển để đáp ứng mục đích, u cầu cách tối ưu an tồn Với tất lý khách quan nói có lẽ đề tài có tính quan trọng, chiếm nhu cầu định thời đại cơng nghiệp hóa, đại hóa công nghiệp Việt Nam tồn giới Nhóm sinh viên chúng em định lựa chọn đề tài: “Hệ thống giám sát điều khiển motor servo đa trục máy CNC công nghiệp” để làm đồ án tốt nghiệp 1.2 Mục tiêu đề tài Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát Gantry Robot di chuyển bám theo lộ trình đặt trước Hệ thống sử dụng PLC HMI điều khiển nhiều chế độ hoạt động khác giám sát toàn hoạt động motor servo đa trục Driver thông qua giao thức mạng Profinet Xây dựng hệ thống thu thập liệu thông qua Iot Gateway nhằm thuận lợi cho việc điều khiển, giám sát hệ thống quản lý liệu thông qua tảng điện toán đám mây (Ubidots Cloud) 1.3 Giới hạn đề tài Trong phạm vi mơ hình thử nghiệm nên khối lượng quy mô chưa thật lớn, khơng thể tác động lên vật có kích thước lớn nặng Hệ thống chưa áp dụng vào đời sống thực tiễn cách tối ưu mà mang tính chất mơ hình làm tiền đề để phát triển tương lai gần Về mặt kỹ thuật hệ thống chưa thực phù hợp với hầu hết yêu cầu đa số hệ thống tự động hóa đa chức sử dụng robot cơng nghiệp hoạt động mặt phẳng X, Y, Z với vùng hoạt động giới hạn định (500-500-150 mm) Sử dụng phần mềm “Tia Portal” để lập trình, điều khiển PLC thơng qua hệ thống giao diện HMI để lập trình giao diện giao tiếp điều khiển người sử dụng hệ thống Gantry robot 1.4 Phương pháp nghiên cứu - Xây dựng mơ hình lý thuyết gồm có: + Tiếp cận mơ hình tương đương: Máy vặn vít tự động loại bàn XY, hệ thống gantry robot hàn, gắp thả sản phẩm + Mơ mơ hình phần mềm Tia Portal V16 + Thu thập liệu, tìm hiểu tài liệu nước liên quan đến đề tài cách khai thác sử dụng thiết bị + Tìm hiểu tài liệu hướng dẫn liên quan đến đề tài - Tiếp cận mơ hình thực gồm có: + Khảo sát mơ hình thực tế rút phương pháp điều khiển + Dựa vào mơ hình sẵn có, sử dụng controller để lập trình cải tiến sản phẩm cho phù hợp với yêu cầu sử dụng + Thiết kế phần sơ đồ khối, sơ đồ nối dây thiết bị liên quan + Thực code lập trình cho chương trình điều khiển hai ngôn ngữ FBD (Function Block Language) SCL (Structured Control Language) PLC S7-1200 1.5 Nội dung thực Nội dung đề tài trình bày gồm có nội dung sau: Chương 1: Tổng quan Trong chương nhóm trình bày tổng quan đề tài nghiên cứu, mục tiêu, đối tượng, ứng dụng phạm vi nghiên cứu đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương trình bày tổng quan hệ thống, ưu nhược điểm cơng nghệ liên quan đến hệ thống Ngồi cịn trình bày tổng quan số thiết bị sử dụng hệ thống Chương 3: Thiết kế phần cứng Trong chương trình bày yêu cầu thiết kế phần cứng, đưa quy trình hoạt động hệ thống, lựa chọn thiết bị đưa thơng số kỹ thuật thiết bị Chương 4: Thiết kế phần mềm Ở Chương trình bày yêu cầu thiết kế phần mềm để viết chương trình, thiết kế hình HMI điều khiển, giám sát cho tồn hệ thống thiết kế web phần mềm node-red Ngoài cịn trình bày cách cấu hình cho PLC, Driver, Iot Gateway kết nối qua giao thức truyền thông Profinet cảnh báo lỗi đến người dùng Chương 5: Lập trình điều khiển kết Trong chương nhóm trình bày kết đạt hệ thống, giao diện điều khiển HMI, kết mô chạy thực tế Chương 6: Kết luận hướng phát triển Trong chương nhóm trình bày ưu, nhược điểm hệ thống đưa số định hướng phát triển tương lai để nâng cao chất lượng ứng dụng đa dạng hệ thống vào thực tế Ngoài ra, phần cuối báo cáo mục tài liệu tham khảo phụ lục Chương Cơ Sở Lý Thuyết Quá trình thiết lập, phân tích xử lý phần quan trọng hệ thống tự động hóa Ở chương này, trình bày tổng quan, ưu nhược điểm hệ thống từ đưa u cầu cơng nghệ hệ thống Trình bày tóm tắt, sơ lược số thiết bị công nghệ lựa chọn như: Bộ điều khiển PLC, điều khiển servo motor (Driver), sevor motor step motor 2.1 Tổng quan hệ thống Robot Gantry trục sử dụng kết hợp di chuyển truyền động tuyến tính tạo nên chuyển động linh hoạt không gian ba chiều định Hệ thống Robot Gantry trục bao gồm: Bộ controller Trung tâm – não robot Gantry Nó có chức truyền tải tín hiệu số đến motor servo Driver cổng I/O để điều khiển cho hệ thống di chuyển thao tác theo chương trình lập trình từ trước Bao gồm motor, motor đảm nhận điều khiển chuyển động trục X-Y-Z cấu chấp hành Đa số Robot Gantry thường cố định giàn dây chuyền sản xuất để thực thao tác từ cao Kích thước Robot Gantry lớn nhỏ tùy theo mục đích nhu cầu thực tế dây chuyền Ưu điểm: Năng suất tương đối cao, với khả di chuyển cách xác vị trí lẫn tốc độ lúc vận hành tùy theo yêu cầu khách hàng Chi phí đầu tư thấp, giảm thiểu chi phí lao động tiết kiệm điện năng, hệ thống điều khiển đơn giản Độ bền cao, hoạt động ổn định, dễ dàng bảo trì, thiết kế theo hệ kín nên hồn tồn đưa vào kết hợp với khâu dây chuyền sản xuất tự động Không gian làm việc linh hoạt, loại gắn trần dành diện tích làm việc lớn cho khâu công việc khác Có nhiều lợi đáp ứng nhu cầu hành trình, tải trọng tốc độ hầu hết ứng dụng tự động hóa Trong thực tế, hệ thống gantry robot trục ứng dụng rộng rãi nhiều ngành nghề Nhược điểm: Cần đảm bảo không gian làm việc hệ thống không vướng vật cản đoạn đường di chuyển robot 10 Busy Bool SvRe Bool SetOn Bool Inp Bool Area Bool Alarm Bool Ready Bool Current Position Dint Current Speed Int Current Push Force Int Target Position Dint Alarm Byte Alarm Byte Alarm Byte Alarm Byte Bảng 4.2 Dữ liệu truyền từ PLC controller tới Driver JXCP1 Name Data Type Address Hold Bool SvOn Bool Driver Bool Reset Bool Setup Bool Jog+ Bool Jog- Bool Flgth Bool Start Flag Byte Movement mode Byte Speed Int Position Dint Acceleration Int Deceleration Int Pushing Force Int 38 Trigger Lv Int Pushing Speed Int Moving Force Int Area Dint Area Dint In Position TolRange Dint Cấu hình giao tiếp HMI với hệ thống giao thức Profinet interface, phần Profinet phải click chuột kích hoạt “Generate PROFINET device name automatically” để tự động kết nối với thiết bị khác thông qua đường truyền giao thức Profinet mà khơng cần định Hình 4.5 cấu hình thơng số cho HMI 4.2.2 Cấu hình cho Driver Phần mềm ACT Controller hay gọi “Controller Setting Software” phần mềm sử dụng để cấu hình thơng số cho dòng driver như: - Driver JXC*1 - Driver LECP - Driver LECA Vì nhóm sử dụng phần mềm ACT controller để cấu hình cho driver JXCP1 Hình 4.6 Biểu tượng hình phần mềm ACT controller Phần mềm ACT controller bao gồm loại hình cài đặt: Easy mode Normal mode Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà ta chọn cấu hình theo chế độ Easy Normal Ở chế độ “Easy mode” người sử dụng chỉnh sửa số liệu đơn giản 39 để test động motor như: on/off motor, vị trí, tốc độ,… Cịn chế độ “Normal mode” người sử dụng kiểm tra tín hiệu xung trả về, giám sát IO, thay đổi thông số driver (parameter) lưu lại thay đổi mong muốn.[9] Hình 4.7 Easy Mode 40 Hình 4.8 Normal Mode 4.3 Thiết kế chương trình 4.3.1 Sơ đồ trạng thái hoạt động Từ yêu cầu thiết kế mục 4.1, sơ đồ trạng thái phần mềm thể thông qua sơ đồ trạng thái hình 4.1 bên Hình 4.16 Sơ đồ tổng quát chương trình PLC Đầu tiên cấp nguồn cho tồn hệ thống, bảng điều khiển HMI hiển thị trang hình (hình 4.28) để điều khiển Nhấn nút “Motor” hình để khởi động motor Để điều khiển hệ thống trước tiên ta phải đưa tất trục hệ thống vị trí ban đầu hay cịn gọi vị trí “Home position” cách nhấn nút “Reference” Sau có tín hiệu biến “ORIG_SET” = trả lúc hệ thống sẵn sàng để làm việc Lựa chọn chế độ làm việc cách nhấn vào biểu tượng tương ứng, hệ thống gồm có chế độ hoạt động: - Task 1: Milling shapes - Task 2: Navigation - Task 3: Stack goods - Task 4: Container port - Task 5: Warehouse 41 - Task 6: Manual mode Trong phần này, chế độ Navigation trình bày cụ thể quy trình hoạt động (hình 4.17), chế độ làm việc khác có chế hoạt động tương tự trình bày sơ đồ khối phần phụ lục Hình 4.17 Lưu đồ quy trình hoạt động “Task 2” Bắt đầu chế độ làm việc “Navigation”, hệ thống hoạt động nhấn nút “start” hình điều khiển (hình 4.30) đồng thời thỏa mãn điều kiện vị trí trục Z_Positon phải bé 130mm Khi hệ thống di chuyển đến điểm A(x, y) hành trình từ vị trí “Home position” ban đầu Sau so sánh vị trí với vị trí A0(x, y) ban đầu khởi tạo tiếp tục bước tiếp theo, sai hệ thống tiếp tục điều chỉnh để tới vị trí A0(x, y) khởi tạo Khi đến vị trí A0(x, y) cấu chấp hành (Gripper) hạ xuống theo trục Z di chuyển đường thẳng từ A -> B, đường chéo từ B -> C, cung tròn từ C -> D, đường chéo từ D -> E đường chéo từ E -> F Tương tự điểm A tới điểm hệ thống so sánh vị trí với vị trí khởi tạo tiếp tục bước hành trình tới điểm mới, sai điều chỉnh để tới điểm khởi tạo 4.3.2 Tính tốn, điều chỉnh tốc độ tương ứng cho trục XY Để xác định tốc độ sử dụng để di chuyển theo đường tròn, ta sử dụng cơng thức tính bán kính đường trịn: r = 42 Sau đó, chuyển đổi theo x y để tính tốn tốc độ cách đạo hàm: x ’ = | | Ban đầu ta tính tốn, khởi tạo vị trí tâm cho đường trịn cần vẽ Sau tính bán kính đường trịn nhờ vào điểm C(x,y) cho trước vị trí tâm điểm đường trịn khởi tạo trước Sử dụng cơng thức tính tốn bán kính theo biến “x” “y”, biến “r” bán kính đường trịn biết trước Cuối đạo hàm phương trình tính tốn theo “x” với “y” “r” số để tính tốc độ cần di chuyển theo trục X tương tự đạo hàm theo “y” với “x” “r” số để tính tốn tốc độ cần di chuyển theo trục Y Hình 4.18 Code tốc độ cung trịn Đối với trường hợp di chuyển theo đường chéo, hai động phải bắt đầu kết thúc hành trình đồng thời quỹ thời gian Để làm điều này, điều cần thiết điều khiển ứng với khoảng cách ngắn giảm tốc độ để thực kết thúc hoạt động đồng thời với động khác Động có quãng đường dài hoạt động tốc độ tối đa (100 mm/s) Do đó, tốc độ động theo trục x y tùy thuộc vào khoảng cách ∆X ∆Y sau: ∆𝑋 x= ; 𝑀𝐴𝑋 (∆𝑋 ∆𝑌 ) 100 y= , Ta tính tốn tốc độ theo trục X Y để hệ thống di chuyển theo đường chéo dựa vào công thức V = S/T Trong đó, “T” thời gian lớn di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối trục X trục Y với tốc độ 100 mm/s Đối với khoảng cách trục lớn hơn, phân số động chạy với tốc độ tối đa (100 mm/s) với tốc độ động cịn lại giảm tương ứng Hình 4.19 Code tốc độ đường chéo 4.3.3 Chương trình điều khiển SCL Structured Control Language (gọi ngôn ngữ SCL): Đây ngôn ngữ cấp cao mạnh dùng cho PLC, có nguồn gốc từ Pascal “C” Nó sử dụng để định nghĩa khối chức phức tạp, sử dụng để lồng ghép ngôn ngữ khác dễ hiểu 43 Khi bắt đầu vận hành task “Ship Navigation” để bắt đầu di chuyển theo điểm đánh dấu Hệ thống kiểm tra điều kiện điều kiện đầu vào: “Out_CUR_POS