Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Ảo hóa dây chuyền sản xuất và lập trình điều khiển

Đặt vấn đề

Các hệ thống tự động hóa trong những thập niên gần đây đã gia tăng sự phức tạp và đa dạng, trong đó nhu cầu vận hành nhanh hơn và an toàn hơn rất quan trọng đối với ngành Cách tiếp cận hiện tại để vận hành dựa trên cấp độ truyền thống trong đó các hệ thống kiểm soát được xác minh bằng phương pháp dựa trên thử sai trong xưởng hoặc trực tiếp trong cơ sở sản xuất Mức độ vận hành truyền thống là một cách tiếp cận tốn thời gian và tốn kém, vì vậy tìm kiếm một phương pháp khác là bắt buộc để đáp ứng nhu cầu hiện tại Các nhà nghiên cứu đã đề xuất vận hành ảo là một cách để xác minh hệ thống trong môi trường ảo trước khi đưa vào xây dựng và vận hành hệ thống vật lý thực Các dự án công nghiệp dựa trên vận hành ảo có hai cách tiếp cận chính để vận hành, xây dựng phần mềm điều khiển và hệ thống sản xuất ảo, trong đó việc vận hành hệ thống điều khiển và mô hình sản xuất được thực hiện trong thực tế ảo, để xác minh các chương trình điều khiển trong giai đoạn vận hành sớm và do đó giảm thiểu thời gian vận hành tại cơ sở sản xuất

Vận hành hệ thống ảo làm giảm rủi ro và tăng độ an toàn trong quá trình thiết kế và xây dựng hệ thống thật Từ vận hành hệ thống theo quy trình mô phỏng ảo được thực hiện sẽ giúp khắc phục sự cố nhanh hơn và hiệu quả hơn Tối ưu hóa hệ thống tự động hóa có thể được thực hiện dưới sự sử dụng hệ thống ảo này, tín hiệu điều khiển và dữ liệu được kiểm soát trước Quy trình mô phỏng cho phép đo lường và hiệu chỉnh tín hiệu I/O của các đối tượng vật lý và vận hành không làm hỏng bất kỳ thiết bị thực nào Vận hành thử nghiệm ảo làm cho các nhà thiết kế cũng tiện lợi để có thể cung cấp nhanh chóng mô hình 3D ảo và mô phỏng sản phẩm của họ cho khách hàng lựa chọn

Cách tiếp cận này cho phép tối ưu hóa nhà máy và thiết kế toàn bộ môi trường của nó như quy trình sản xuất, các vật liệu, chương trình robot, thiết bị phát tín hiệu… trong giai đoạn phát triển trước khi bắt đầu giai đoạn thử nghiệm với phần cứng thực

GVHD: TS.Trương Đình Châu

Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển thiết bị ảo và thết bị thật Như hình 1.1 ở trên vận hành ảo tạo kết nối giữa thực tế ảo và môi trường thực thông qua bộ điều khiển logic khả trình Do đó, mô phỏng cũng có thể chứa các thiết bị thực, robot và tín hiệu…

Hình 1.2 Các bước số hóa đảm bảo máy đã được xây dựng và thiết lập đúng cách Để tiến hành xây dựng một dây chuyền sản xuất đầu tiên xuất phát từ ý tưởng sau đó lên kế hoạch thiết kế chi tiết, một bước quan trọng là thiết kế một hệ thống ảo là hệ thống hoàn toàn giống như một hệ thống thực sẽ thực hiện trong trong tương lai, các quá trình hoạt động động lực học như robot, hay tín hiệu các bộ cảm biến…đòi hỏi phải hoạt động chính xác, trong đó cấu hình và điều khiển đối tượng công nghệ phải xác định là quan trọng quyết định tính ổn định của hệ thống Trong luận văn này sẽ nghiên cứu xây dựng một mô hình ảo 3D, lập trình và vận hành ảo Thiết kế và mô phỏng ảo thành công, điều đó có nghĩa là thiết kế chung của chương

HVTH: Nguyễn Văn Thơm trình điều khiển có thể được tạo trong giai đoạn thiết kế ban đầu của dự án, do đó rút ngắn thời gian và giảm khối lượng công việc Điều này cho phép xác thực các kỹ thuật có thể được phát hiện sớm và sửa chữa hoặc tránh trước khi đưa vào vận hành thực tế Trong điều kiện thực tế, việc vận hành và so sánh giữa hệ thống ảo và hệ thống thực song song giúp có thể đáp ứng kịp thời với các thay đổi và tự động xem xét sửa đổi trong các giai đoạn phát triển

Hình 1.3 Vận hành ảo giảm chi phí và rủi ro

Các công trình nghiên cứu liên quan

Ý tưởng về việc sinh đôi kỹ thuật số của một dây chuyền hoặc nhà máy phát triển khi tiến độ dự án đã được thảo luận trong ít nhất vài năm, với [13] mô tả cách một hệ thống như vậy có thể hoạt động Khi vận hành ảo ngày càng trở nên phù hợp hơn, nhiều nghiên cứu hơn về những gì có thể được số hóa đã được thực hiện Một vài dự án đã được thực hiện bằng PLC ảo, chủ yếu là sử dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng như mô phỏng quy trình (của Siemens PLM), Robot Studio (bởi ABB Robotics) hoặc thậm chí CATIA / DELMIA (của Dassault Systèmes) [14, 15, 16] Cũng đã có một số nghiên cứu về những gì có thể là trọng tâm trong tương lai [17] Họ kết luận vận hành ảo là một khía cạnh quan trọng trong tương lai của phát triển sản xuất, nhưng nó vẫn còn một số trở ngại cần khắc phục, chẳng hạn như quyết định mức độ chính xác nào để đạt được Ý tưởng tạo ra một mô hình mô phỏng dựa trên mã PLC hiện tại đã được kiểm tra trong một vài năm [18, 19] nhưng những mô hình đó không bao giờ được sử dụng cho bất cứ điều gì ngoài việc đánh

HVTH: Nguyễn Văn Thơm giá chương trình PLC Tuy nhiên, chủ đề của báo cáo này sẽ tập trung vào điều ngược lại, cụ thể là tạo mã PLC dựa trên mô hình mô phỏng Một số nghiên cứu về tạo mã tự động đã được thực hiện, với [20, 21, 22, 23, 24] tập trung vào việc tạo mã PLC bằng một số ngôn ngữ khác nhau được mô tả trong phần [25] mặc dù không ai trong số họ đã kiểm tra cách các chương trình DES có thể được sử dụng trong các ứng dụng như vậy

Tối ưu hóa một hệ thống tự động hóa hiện có thể được thực hiện dưới việc sử dụng các sản phẩm kỹ thuật số, dữ liệu điều khiển và dữ liệu tài nguyên Các mô hình 3D liên quan đến các khía cạnh động học, hình học và điện có khả năng đại diện 1: 1 của một hệ thống tự động (S Makris, G Michalos và G Chryssolouris, 2012.)

Mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu và xây dựng một hệ thống dây chuyền sản xuất ảo 3D, hệ thống bao gồm các bộ phận ảo tiêu chuẩn như một hệ thống thực trong nhà máy sản xuất trong công nghiệp như băng chuyền, robot, cảm biến…, cơ cấu của các bộ phận được tạo ra trong môi trường NX MCD (Mechatronics Concept Designer) của Siemens Mô hình sẽ được kết nối và điều khiển bởi chương trình trên PLC ảo tạo bởi PLCSIM Advanced V2.0 được dowload từ TIA Portal của Siemens Các tín hiệu điều khiển kết nối giữa PLCSIM Advanced V2.0 và mô hình trong NX MCD sẽ được nghiên cứu và thực hiện trong luận văn này Ngoài ra điều khiển chuyển động theo quỹ đạo tọa độ cũng được nghiên cứu cho các đối tượng công nghệ và cấu hình điều khiển cho các đối tượng

Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng dây chuyền sản xuất ảo đặc trưng cho một khâu sản xuất, vận hành ảo thực hiện trên cơ sở chương trình đã xây dựng, điều khiển một số công đoạn của nhà máy

Luận văn ghiên cứu điều khiển chuyển động trong TIA Portal cho các đối tượng công nghệ và áp dụng điều khiển các đối tượng của mô hình

Hình 1.4 Mô hình 3D sẽ xây dựng

-Nghiên cứu lý thuyết liên quan thiết kế mô hình 3D bằng NX MCD và môi trường lập trình TIA Portal V15.0

-Nghiên cứu phương pháp cấu hình và giải thuật điều khiển chuyển động trong SIMATIC S7-1500

-Viết chương trình trên TIA Portal và dowload chương trình xuống PLC ảo tạo bởi PLCSIM advanced v2.0

-Kết nối mô hình và tín hiệu điều khiển giữa NX MCD và PLCSIM Advanced V2.0

-Vận hành ảo hệ thống và đưa ra kết quả thảo luận

1.6 Tóm lược nội dung luận văn

Nội dung đề tài gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan đề tài

Nội dung chương này giới thiệu sơ lược về các vấn đề nghiên cứu, tổng quan về các công trình nghiên cứu, các mục tiêu nghiên cứu Chương này cũng đề cập đến các phương pháp nghiên cứu để đạt được mục tiêu đặt ra cuối cùng là tóm lược nội dung luận văn.

Phạm vi nghiên cứu

Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng dây chuyền sản xuất ảo đặc trưng cho một khâu sản xuất, vận hành ảo thực hiện trên cơ sở chương trình đã xây dựng, điều khiển một số công đoạn của nhà máy

Luận văn ghiên cứu điều khiển chuyển động trong TIA Portal cho các đối tượng công nghệ và áp dụng điều khiển các đối tượng của mô hình

Hình 1.4 Mô hình 3D sẽ xây dựng

Phương pháp nghiên cứu

-Nghiên cứu lý thuyết liên quan thiết kế mô hình 3D bằng NX MCD và môi trường lập trình TIA Portal V15.0

-Nghiên cứu phương pháp cấu hình và giải thuật điều khiển chuyển động trong SIMATIC S7-1500

-Viết chương trình trên TIA Portal và dowload chương trình xuống PLC ảo tạo bởi PLCSIM advanced v2.0

-Kết nối mô hình và tín hiệu điều khiển giữa NX MCD và PLCSIM Advanced V2.0

-Vận hành ảo hệ thống và đưa ra kết quả thảo luận.

Tóm lược nội dung luận văn

Nội dung đề tài gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan đề tài

Nội dung chương này giới thiệu sơ lược về các vấn đề nghiên cứu, tổng quan về các công trình nghiên cứu, các mục tiêu nghiên cứu Chương này cũng đề cập đến các phương pháp nghiên cứu để đạt được mục tiêu đặt ra cuối cùng là tóm lược nội dung luận văn

Bộ điều khiển và ngôn ngữ lập trình PLC

PLC (Programmable Logic Controller) nghĩa là bộ điều khiển logic lập trình được PLC là thiết bị điều khiển Có cấu trúc máy tính bao gồm bộ sử lý trung tâm CPU, bộ nhớ ROM, bộ nhớ RAM, dùng để nhớ chương trình ứng dụng, và các cổng Vào/ Ra - INPUT/ OUTPUT Hiện nay trên thị trường có nhiều hãng PLC như: Siemens, Omron, Mitssubishi, Schneider Trong đó Siemens có nhiều dòng sản phẩm như S7-200, S7-300, S7-400, gần đây có thêm dòng sản phẩm mới như S7-

1200, đặc biệt dòng S7-1500 mới xuất hiện có tính năng vượt trội

PLC Siemens S7 - 1500 là bộ điều khiển lập trình được thiết kế cho các giải pháp tự động hóa tích hợp hệ thống với quy mô trung bình S7-1500 tích hợp tính năng Motion Control để làm việc với encoder và một số tính năng web sever

Một số dòng PLC S7-1500 như: CPU 1513-1PN, CPU 1511-1PN, CPU 1515- 2PN…

+ CPU với một chương trình và bộ nhớ dữ liệu lớn trong dòng sản phẩm bộ điều khiển S7-1500 Được sử dụng cho các ứng dụng với yêu cầu cao về phạm vi chương trình, hiệu năng và kết nối mạng

+ CPU có tốc độ tính toán xử lí cao

+ Dùng cho nhiệm vụ tự động hóa công nghiệp trong nhiều loại máy móc

+ Có 2 cổng kết nối truyền thông PROFINET

+ Thêm 2 giao diện PROFINET với địa chỉ IP riêng biệt

+ Có giao diện PROFIBUS DP

+ Tích hợp chức năng Motion Control để điều khiển tốc độ, vị trí, hỗ trợ cho encoder

+ Tích hợp Web Server với các tùy chọn để tạo ra các trang web do người dùng định nghĩa

Ngôn ngữ lập trình cho PLC có ba loại ngôn ngữ, bao gồm:

 Ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder logic)

 Ngôn ngữ lập trình FBD (Function Block Diagram)

 Ngôn ngữ lập trình STL (Statement List)

Chương trình người dùng được thực thi :

Hình 2.2 CPU thực thi chương trình người dùng

Totally Integrate Automation Portal (TIA Portal)

TIA Portal Là phần mềm do Siemens phát triển tích hợp các hệ thống tự động hóa (tất cả trong một – All in one) từ giao tiếp các phần cứng như biến tần, HMI tới các phần mềm điều khiển như:

-SIMATIC STEP7 Professional và SIMATIC STEP 7 PLCSIM dùng để lập trình và mô phỏng S7-300, S7-400, S7-1200

-SIMATIC WinCC Professional thiết kế và lập trình giao diện SCADA, HMI…

-SIMATIC Start Driver cấu hình dao tiếp với biến tần Siemens

Hình 2.3 Cấu trúc phần mềm TIA Portal Trong luận văn này sử dụng TIA Portal làm môi trường lập trình các ứng dụng.

PLCSIM Advanced

Hình 2.4 PLCSIM Advanced V2.0 PLCSIM Advanced là một phần mềm mô phỏng có khả năng mô phỏng toàn diện các chức năng trong chương trình của PLC S7-1500 Phần mềm này giao tiếp

HVTH: Nguyễn Văn Thơm trực tiếp với TIA Portal, PLCSIM Advanced tạo PLC S7-1500 ảo để mô phỏng đối tượng, cho phép nó điều khiển các đối tượng như điều khiển bởi một PLC S7-1500 thực Ngoài ra có thể kết nối bộ điều khiển ảo này với mô hình ảo của nhà máy hoặc phần mềm mô phỏng như SIMIT hoặc NX MCD (Mechatronics Concept Designer) để kiểm tra chương trình người dùng với TIA Portal.

PLCSIM Advanced có hai chế độ cài đặt, TCP/IP Ethernet cục bộ và ảo Local tạo một chương trình PLC giao tiếp trực tiếp trên máy tính chỉ có thể truy cập trên máy chủ

Cách thứ hai sử dụng chế độ TCP/IP Ethernet ảo, chương trình PLC có thể truy cập được trên bất kỳ mạng nào mà PC chủ được kết nối

Virtual Ethernet TCP/IP cho phép mô phỏng PLC chạy trên máy tính khác so với cổng TIA Portal và cả những người tham gia giao tiếp phải ở trên cùng một PC Trong cấu hình này, có thể sử dụng các chức năng TCP/IP của bộ điều khiển ảo, chẳng hạn như giao tiếp qua OPC UA và websever

Hình 2.5 PLCSIM Advanced tạo bộ điều khiển S7-1500 ảo để mô phỏng

Phiên bản được sử dụng trong dự án, PLCSIM Advanced V2.0 có khả năng mô phỏng 2 họ khác nhau của CPU PLC: Serial SIMATIC ET 200 SP và Serial SIMATIC-1500.

NX MCD (Mechatronics Concept Designer)

NX là một trong những giải pháp phát triển sản phẩm CAD/CAM/CAE tiên tiến nhất và được tích hợp chặt chẽ nhất từ Phần mềm PLM của Siemens giúp mô phỏng đối tượng 3D ở hầu hết các lĩnh vực Phiên bản NX 12.0 trở đi có những cải tiến trong các wizard, dialog giúp cho việc thiết kế 3D trở nên dễ dàng hơn

NX là một phần mềm mạnh giải quyết nhanh và hiệu quả những vấn đề đang được đặt ra, cung cấp giải pháp xây dựng hệ thống ảo, trực quan hoá các tiến trình cơ điện tử Công cụ thiết kế 3D mạnh mẽ của NX giúp thiết kế các đối tượng cơ khí một cách chuẩn xác Công cụ lắp ráp cho phép liên kết các đối tượng một các chân thật Các thuật toán vật lý hoá các chuyển động, thông số hoá đối tượng có thể tạo ra hàm truyền để mô phỏng gần với thực tế nhất

NX MCD (Mechatronics Concept Designer) là một tiện ích bổ sung cho lớp ứng dụng của NX giúp mô phỏng các tiến trình cơ điện tử trên một thiết bị cũng như nhiều thiết bị trên dây chuyền trong một nhà máy MCD cho phép mô hình hóa, thiết kế và mô phỏng thiết bị với cùng một phần mềm ngay từ đầu MCD đã được phát triển để tăng tốc thiết kế và thử nghiệm các thiết bị cơ điện tử thông qua mô hình ảo Điểm mạnh của MCD là phát hiện sớm các vấn đề và lỗi tiềm ẩn, giúp giảm chi phí cho các chi phí phát sinh, tăng tốc quá trình thiết kế và đưa ra quyết định dễ dàng hơn Một trong những mục tiêu của MCD là đưa các nhà thiết kế từ các lĩnh vực khác nhau đến cùng một môi trường thiết kế Trong trường hợp này, các nhà thiết kế điện, cơ khí và tự động hóa sẽ có thể xem xét chức năng của các giải pháp của họ ở giai đoạn sớm hơn bình thường Hình 2.6 một mô hình thực hiện trong NX MCD

Hình 2.6 NX MCD cung cấp nhiều tiện lợi cho nhà thiết kế hệ thống

NX cung cấp cho lập trình viên công cụ kiểm tra chương trình lập trình trước khi đi vào vận hành, thật vậy NX có khả năng liên kết với các chương trình lập trình như TIA Portal, PLCSIM Advanced, SIMIT, Matlab Bên cạnh đó NX cung cấp các thuật toán thống kê, tạo ra quá trình ngẫu nhiên, có thể giả lập các lỗi do nhiễu, do thành phần không chắc chắn trong thực tế Điều này giúp phát hiện các lỗi trước khi vận hành, cũng như phát hiện những khả năng trục trặc trong quá trình vận hành liên tục của hệ thống

NX hạ thấp giá thành, giảm nhẹ chi phí cho thử nghiệm hệ thống Một số thiết bị được thực hiện trong NX ta có thể thay thế thiết bị thực tế có giá đắt hơn, khởi động và vận hành trong NX ít mất thời gian hơn như thực tế

Như Hình 2.7 cho thấy các bước của quy trình tạo mô hình ảo trên NX MCD

Hình 2.7 Các bước thự hiện để tạo ra mô hình 3D trong NX MCD

Tiếp theo tìm hiểu về các tính năng thiết kế CAD cơ bản như phác thảo, mô hình 3D, quản lý lắp ráp hoặc nhập và xuất dữ liệu Phần này chỉ giới thiệu cách

HVTH: Nguyễn Văn Thơm thiết kế một hệ thống cơ điện tử, còn cụ thể xem thêm tài liệu chuyên về thiết kế

2.4.1.Tạo chi tiết cơ khí trong NX

Các chi tiết cơ khí (bộ phận cơ khí) được tạo bằng chức năng Model trong

NX, các chi tiết cơ khí sẽ tạo trong môi trường Sketch thông qua một số công cụ 2D Bảng Sketch xem như bảng thảo bao gồm kích thước và ràng buột hình học

Hình 2.8 Các công cụ tạo chi tiết trong môi trường Sketch của NX

Mỗi chi tiết tạo thành một file có phần mở rộng prt, sau khi phác thảo xong, có nhiều công cụ khác nhau sử dụng để tạo chi tiết cơ khí thành một khối thống nhất dưới dạng 3D như: Extrude, Hole, Tramfer…

Hình 2.9 Các công cụ tạo chi tiết 3D trong NX

2.4.2.Thiết kế đối tượng cơ khí (thiết bị) trong NX

Thiết kế đối tượng là tạo ra hình dạng cơ khí Đó có thể là hình dạng cơ khí của một chi tiết, một bộ phận của một thiết bị hoặc là cả một thiết bị Thiết kế đối tượng bao gồm cả thiết kế chi tiết (bộ phận) và thiết kế thiết bị bằng cách lắp ráp các bộ phận Lắp ráp các chi tiết rời rạc lại với nhau từ các file chi tiết tạo ra file lắp ráp dựa trên Assembly Constraints NX ràng buộc hai vật thể bởi một quy luật hình học nào đó, các bộ phận của file lắp ráp do đó cũng đơn thuần là gắn kết về mặt hình ảnh, không có liên kết vật lý Do vậy cần thêm những hiệu ứng chuyển động (hiệu ứng vật lý) được thiết kế ở phần sau Kết quả của phần lắp ráp, các bộ phận được đóng gói trong cùng một file, có kết cấu cơ khí như một thiết bị, hoạt động như một nhóm các bộ phận liên kết nhau

Một số khối chức năng của file lắp ráp (file thiết bị):

-Thêm các bộ phận vào file lắp ráp Add

-Di chuyển các bộ phận Move Component

-Thêm ràng buộc cho các bộ phận Assembly

Hình 2.10 Các công cụ trong Assembly

2.4.3 Thêm hiệu ứng vật lý cho đối tượng với Mechatronics Concept Designer

(MCD) trong NX tạo file vận hành ảo

Mechatronics Concept Designer (MCD) thêm vào đối tượng các đặc tính cơ điện tử đầy đủ, tạo ra các phần tử chấp hành vận hành theo tín hiệu điều khiển cũng như nhận được tín hiệu cảm biến trả về từ thế giới ảo trong NX Các chuyển động

HVTH: Nguyễn Văn Thơm cơ điện được mô phỏng có các thông số (ví dụ: hệ số ma sát tĩnh, hệ số ma sát động, moment cực đại, gia tốc cực đại,… ) để mô phỏng đặc tính động học

Bảng 2.1 Mô tả một số khối chức năng của file NX MCD (file vận hành)

Chức năng này làm cho các bộ phận di chuyển đến vị trí khác Nếu không có hiệu ứng này, vật không thay đổi trạng thái, nếu có vật chịu các hiệu ứng vật lý và kể cả trọng lực

Có chức năng sao chép một vật và nhả ra vào nhiều thời điểm khác nhau Dùng trong mô phỏng sản phẩm trên băng chuyền.

Làm biến mất các bản sao của Object Source nào đó, nếu bản sao đó chạm vào Object Sink

Tạo bề mặt va chạm, giúp nó chạm được với mặt va chạm khác, kích được cảm biến tiệm cận hoặc kích được Object Sink Nếu không có hiệu ứng này, bất cứ vật nào cũng có thể đi xuyên qua vật như là nó đang vô hình.

Vật 1 trượt lên vật 2 trên một trục cố định Vật 1 chỉ trượt chứ không quay quanh trục Vật 1 gọi là vật đính lên (Attachment), vật 2 gọi là vật làm gá (Base)

Vật liệu Va chạm được gọi bằng các vật va chạm và bề mặt vận chuyển Nó xác định hành vi cơ bản của một vụ va chạm.

Vật 1 quay quanh vật 2 quanh một trục cố định, và bị dính lại tại điểm liên kết (không tịnh tiến trên trục quay) Vật 1 gọi là vật đính lên (Attachment), vật 2 gọi là vật làm gá (Base).

Điều khiển chuyển động với PLC S7-1500

2.5.1 Chức năng điều khiển chuyển động tích hợp trong hệ thống CPU S7-1500 Điều khiển chuyển động S7-1500 hỗ trợ định vị và di chuyển các trục được kiểm soát và là một phần không thể thiếu của mỗi CPU S7-1500 Chức năng Điều khiển chuyển động hỗ trợ các đối tượng công nghệ sau:

● Bộ mã hóa bên ngoài

2.5.2 Nguyên lý hoạt động điều khiển chuyển động của S7-1500

Khi ta tạo một dự án, phải định cấu hình các đối tượng công nghệ và tải cấu hình về CPU bằngTIA Portal Chức năng điều khiển chuyển động được xử lý trong CPU Chúng ta điều khiển các đối tượng công nghệ bằng các hướng dẫn điều khiển chuyển động trong chương trình

Hình 2.11.Sơ đồ điều khiển chuyển độngvới TIA Portal

TIA Portal hỗ trợ trình tự và vận hành chức năng điều khiển chuyển động:

● Tích hợp và cấu hình phần cứng

● Tạo và cấu hình các đối tượng công nghệ

● Tạo chương trình người dùng

Chúng ta sử dụng TIA Portal để định cấu hình phần cứng, các đối tượng công nghệ cũng như chương trình người dùng Chúng ta tải chương trình đã tạo vào CPU, sau đó kiểm tra chương và chẩn đoán phần cứng với các chức năng chẩn đoán và trực tuyến của TIA Portal Đối tượng công nghệ

Các đối tượng công nghệ đại diện cho các đối tượng thực (ví dụ: một drive ) trong bộ điều khiển Gọi các chức năng của các đối tượng công nghệ bằng các hướng dẫn điều khiển chuyển động trong chương trình Các đối tượng công nghệ cung cấp điều khiển vòng mở và vòng kín về chuyển động của các đối tượng thực và báo cáo thông tin trạng thái (ví dụ: vị trí hiện tại) Cấu hình của các đối tượng công nghệ đại diện cho các thuộc tính của đối tượng thực Dữ liệu cấu hình được lưu trữ trong một khối dữ liệu công nghệ

● Đối tượng công nghệ trục tốc độ Đối tượng công nghệ trục tốc độ ("TO_SpeedAxis") được sử dụng để chỉ định tốc độ cho drive Chúng ta lập trình chuyển động của trục với các hướng dẫn điều khiển chuyển động

● Đối tượng công nghệ trục định vị Đối tượng công nghệ trục định vị ("TO_PocationingAxis") được sử dụng để định vị drive với điều khiển vị trí vòng kín Chúng ta định vị cho trục bằng các hướng dẫn điều khiển chuyển động trong chương trình

● Đối tượng công nghệ trục đồng bộ

HVTH: Nguyễn Văn Thơm Đối tượng công nghệ trục đồng bộ ("TO_SynyncousAxis") bao gồm tất cả các chức năng của đối tượng công nghệ trục định vị Trục cũng có thể được kết nối với một giá trị ban đầu để trục theo sự thay đổi vị trí của trục dẫn trong hoạt động đồng bộ

● Đối tượng công nghệ bộ mã hóa bên ngoài Đối tượng công nghệ bộ mã hóa bên ngoài ("TO_ExternalEncoder") phát hiện một vị trí và cung cấp cho bộ điều khiển Vị trí được phát hiện có thể được đánh giá trong chương trình

● Đối tượng công nghệ đo đầu vào Đối tượng công nghệ đo lường đầu vào ("TO_MeasuringInput") phát hiện các vị trí thực tế một cách nhanh chóng, chính xác và kích hoạt sự kiện

● Đối tượng công nghệ cam đầu ra Đối tượng công nghệ cam đầu ra ("TO_OutputCam") tạo tín hiệu chuyển đổi tùy thuộc vào vị trí của trục hoặc bộ mã hóa bên ngoài Chúng ta có thể đánh giá các tín hiệu chuyển đổi trong chương trình người dùng hoặc đưa chúng vào đầu ra số

● Đối tượng công nghệ track cam Đối tượng công nghệ theo track cam ("TO_CamTrack") tạo ra chuỗi tín hiệu chuyển đổi tùy thuộc vào vị trí của trục hoặc bộ mã hóa bên ngoài Trong quá trình này, có tới 32 cams riêng lẻ được đặt chồng lên nhau và tín hiệu chuyển đổi được phát ra dưới dạng rãnh Chúng ta có thể đánh giá các tín hiệu chuyển đổi trong chương trình người dùng hoặc đưa chúng vào đầu ra số

● Đối tượng công nghệ cam (S7-1500T) Đối tượng công nghệ cam ("TO_Cam") xác định hàm f (x) bằng các điểm nội suy và / hoặc phân đoạn Bỏ qua phạm vi chức năng được nội suy

● Đối tượng công nghệ động học (S7-1500T) Đối tượng công nghệ động học ("TO_Kinatures") được sử dụng để kết nối các trục định vị với động học Khi

HVTH: Nguyễn Văn Thơm định cấu hình đối tượng công nghệ động học, sẽ kết nối các trục theo loại động học được cấu hình

Các thuộc tính của các đối tượng thực được cấu hình bằng các phương tiện của các đối tượng công nghệ và được lưu trong một khối dữ liệu công nghệ Khối dữ liệu công nghệ chứa tất cả dữ liệu cấu hình, điểm đặt và giá trị thực và thông tin trạng thái của đối tượng công nghệ TIA Portal tự động tạo khối dữ liệu công nghệ khi đối tượng công nghệ được tạo Chúng ta truy cập dữ liệu của khối dữ liệu công nghệ (truy cập đọc / ghi) bằng chương trình của mình

Với hướng dẫn điều khiển chuyển động, chúng ta thực hiện chức năng mong muốn trong các đối tượng công nghệ Các hướng dẫn Điều khiển chuyển động có sẵn trong Cổng thông tin TIA trong phần "Instructions > Technology > Motion Control"

Các trục có thể được cấu hình với các loại trục khác nhau:

● Trục định vị và trục đồng bộ có thể được định cấu hình là trục quay hoặc trục tuyến tính

● Trục tốc độ luôn là trục quay Tùy thuộc vào việc thực hiện cơ học, một trục được thực hiện dưới dạng trục tuyến tính hoặc trục quay:

Hình 2.12.Trục tuyến tính Đối với các trục tuyến tính, vị trí của trục được chỉ định làm thước đo tuyến tính, ví dụ: milimét (mm)

Hình 2.13.Trục tuyến quay Đối với trục quay, vị trí của trục được chỉ định làm thước đo góc, ví dụ: độ (°)

2.5.4.Cài đặt modulo Đối với trục định vị, trục đồng bộ và các đối tượng công nghệ mã hóa bên ngoài, cài đặt "Modulo" có thể được kích hoạt Khi một trục di chuyển chỉ theo một hướng, giá trị vị trí liên tục tăng Để giới hạn giá trị vị trí trong hệ thống tham chiếu định kỳ, ta có thể kích hoạt cài đặt "Modulo" Khi cài đặt "Modulo" được kích hoạt, giá trị vị trí của đối tượng công nghệ được ánh xạ lên phạm vi modulo Phạm vi modulo được xác định bởi giá trị bắt đầu và độ dài Ví dụ: để giới hạn giá trị vị trí của trục quay thành một vòng quay đầy đủ, phạm vi modulo có thể được xác định với giá trị bắt đầu = 0 ° và chiều dài = 360 ° Do đó, giá trị vị trí được ánh xạ lên phạm vi modulo 0 ° đến 359.999 °

Mô tả ngắn gọn Bộ điều khiển vị trí của trục định vị / trục đồng bộ hóa là bộ điều khiển tỷ lệ với kiểm soát trước vận tốc

Điều khiển Robot trong điều khiển chuyển động với PLC S7-1500

2.6.1.Định nghĩa thuật ngữ Động học: Động học là các hệ thống cơ học có thể lập trình được của người dùng, trong đó nhiều trục được ghép cơ học tạo ra chuyển động của một điểm làm việc

Trục động học là trục của chuyển động Ta kết nối mỗi trục động học với một đối tượng công nghệ trục định vị / trục đồng bộ Điểm không động học (KZP)

Nguồn gốc tọa độ của hệ tọa độ động học (KCS) là KZP Ta định cấu hình các tham số hình học của động học bắt đầu từ KZP Điểm không của hệ tọa độ khớp (FNP)

Nguồn gốc tọa độ của hệ tọa độ khớp (FCS) là FNP Điểm trung tâm công cụ (TCP)

Nguồn gốc tọa độ của hệ tọa độ dao (TCS) là điểm trung tâm công cụ hoặc TCP TCP là điểm hoạt động của động học Độ tự do của động học

Các mức độ tự do của động học là kích thước mà công cụ có thể di chuyển Hệ thống động học 2D di chuyển công cụ trong mặt phẳng xz và do đó có hai bậc tự do tịnh tiến Hệ thống động học 3D di chuyển công cụ trong không gian xyz và do đó có ba bậc tự do tịnh tiến Định hướng tùy chọn của công cụ là một mức độ tự do hơn nữa (xoay công cụ quanh trục z)

Hệ tọa độ máy (MCS)

MCS chứa dữ liệu vị trí của các trục động học được kết nối với nhau và do đó kết hợp tối đa bốn hệ thống một chiều trong một hệ thống

Hình 2.30 Nguyên tắc hoạt động động học của đối tượng công nghệ

Quy tắc kết nối Bạn có thể kết nối một đối tượng công nghệ động học với trục định vị và trục đồng bộ phải có một tham chiếu rõ ràng giữa đối tượng công nghệ động học và các trục liên kết với nhau Ta không thể sử dụng một đối tượng công nghệ động học thứ hai với các trục đã được kết nối với nhau

2.6.2 Hệ thống tọa độ và khung

2.6.2.1.Tổng quan về hệ tọa độ và khung

Một tác vụ xử lý liên quan đến nhiều đối tượng, ví dụ: hệ thống động học, công cụ, pallet và sản phẩm Ta mô tả các đối tượng này và vị trí tương đối của chúng với các hệ tọa độ và khung Đối tượng công nghệ động học tính toán tất cả các chuyển động cho điểm trung tâm công cụ (TCP)

Khung: Các khung xác định sự dịch chuyển và xoay của một hệ tọa độ so với hệ tọa độ khác

Hệ thống tọa độ: Đối tượng công nghệ động học sử dụng các hệ tọa độ Cartesian theo qui tắc bàn tay phải

Hình 2.31 Vị trí tương đối của các hệ tọa độ bằng cách sử dụng ví dụ về không gian làm việc

① Control cabinet ② Conveyor belt ③ Slide WCS: World coordinate system

KCS: Kinematics coordinate system FCS: Flange coordinate system

TCS: Tool coordinate system TCP: Tool center point OCS: Object coordinate system

Hệ tọa độ tham chiếu (WCS): WCS là hệ tọa độ cố định của môi trường hoặc không gian làm việc của động học Điểm không của WCS là điểm tham chiếu cho các đối tượng và chuyển động trên đối tượng công nghệ động học

Hệ tọa độ động học (KCS): KCS được kết nối với động học Vị trí của KCS trong động học được chỉ định cho từng loại động học được xác định trước Nguồn gốc tọa độ của KCS là điểm không động học (KZP) Ta định cấu hình các tham số hình học của động học bắt đầu từ KZP Ta định cấu hình vị trí của KCS trong WCS bằng khung KCS

Hệ tọa độ tham chiếu (FCS): FCS được gắn vào bộ điều hợp công cụ (khớp) của động học Kết quả là, vị trí của FCS thay đổi theo chuyển động Vị trí của FCS ở vị trí 0 của động học là kết quả của cấu hình các tham số hình học của động học Đối tượng công nghệ động học tính toán khung biến đổi từ các tham số hình học Khung chuyển đổi mô tả vị trí của FCS trong KCS Trục z của FCS luôn luôn chỉ theo hướng z âm của KCS

Hình 2.20.Vị trí của FCS và KCS và khung biến đổi sử dụng "Robot hình trụ"

Hệ tọa độ dao (TCS - Hệ tọa độ dao) và điểm trung tâm công cụ (TCP - Điểm trung tâm công cụ)

TCS được gắn vào FCS và xác định điểm trung tâm công cụ (TCP) trong gốc tọa độ TCP là điểm hoạt động của công cụ Các chuyển động động học luôn đề cập đến TCP (có tham chiếu đến WCS / OCS)

Hệ tọa độ đối tượng (OCS): OCS là một hệ tọa độ do người dùng định nghĩa 2.6.2.2 Chú thích để hiển thị các động học

Bảng 2.2 Cho thấy các yếu tố đồ họa và biểu tượng được sử dụng để hiển thị động học

2.6.3 SCARA 3D có định hướng Động học "SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) 3D có định hướng" hỗ trợ bốn trục và bốn bậc tự do Các trục được cấu hình như động học nối tiếp

Hình 2.32.Cấu hình chính và không gian làm việc của robot SCARA Động học bao gồm các trục sau:

● Trục xoay A1 có trục quay quanh trục z của hệ tọa độ động học (KCS)

● Trục xoay A2 ở khoảng cách L2 đến A1 với góc quay quanh z của KCS

● Trục tuyến tính A3 ở khoảng cách L3 đến A2 với chuyển động theo hướng z của KCS

● Trục xoay A4 (trục định hướng) có góc quay quanh z trong KCS động học bao gồm một đế và hai đòn bẩy để căn chỉnh ngang, được nối với nhau bằng các khớp xoay (trục A1 và A2) Một trục tuyến tính (trục A3) được gắn chặt vào cuối cánh tay khớp nối để căn chỉnh dọc Công cụ được gắn chặt vào cuối trục tuyến tính Trục định hướng A4 cho phép chuyển động quay của công cụ

Hệ tọa độ và vị trí 0 Đồ họa bên dưới hiển thị như sau trong chế độ xem bên (mặt phẳng xz):

● Vị trí của trục và hệ tọa độ KCS và FCS

● Vị trí 0 của động học

Không có vị trí của động học

L1 Khoảng cách của trục A1 đến KZP theo hướng z của KCS

L2 Khoảng cách của trục A2 đến trục A1 theo hướng x của KCS

L3 Khoảng cách của trục A3 đến trục A2 theo hướng x của KCS

LF Khoảng cách của FCS đến trục A2 theo hướng z của FCS Độ lệch của động học z1 Độ lệch của trục A3 theo chiều dương Đồ họa bên dưới hiển thị như sau trong chế độ xem trên cùng (mặt phẳng xy):

● Vị trí của trục và hệ tọa độ KCS và FCS

● Vị trí 0 của động học

● Độ lệch dương / âm của động học được chỉ định (nét đứt)

Không có vị trí của động học Độ lệch của động học theo chiều dương khi α1 = 30.0 ° với vị trí khớp dương

Xây dựng mô hình 3D và các dữ liệu hình học của đối tượng

Mô hình Robot Arti được xây dựng theo các phần cấu trúc vật lý Bao gồm:

- Shoulder: Tay trục nối chân đế và các tay trục khác

- Picker + Hand: phần tay gắp thả vật

Hình 3.1 Các chi tiết của Robot Arti khi lắp ráp lại Các đối tượng được khai báo các thuộc tính như sau:

Hình 3.2 Ràng buộc hình học trong đối tượng

Hình 3.3 Các tín hiệu điều khiển đối tượng

Hình 3.4 Thông số hình học trong đối tượng

Điều khiển mô hình NX MCD thông qua PLC ảo S7-1500

Ta điều khiển các mô hình NX MCD thông số động học được xác định trước của CPU ảo SIMATIC S7-1500 thông qua PLCSIM Advanced NX có thư viện

"Kinematics Toolbox" chứa các mô hình MCD có thể tham số hóa về động học được xác định trước của SIMATIC S7-1500 Ngoài ra, ta có thể phát triển các dự án

NX MCD riêng và thực hiện các động học và mở rộng các thông số theo yêu cầu ứng dụng phù hợp với mô hình MCD và thực hiện trong dự án, khi đó giao diện giữa PLCSIM Advanced và NX MCD với mô hình MCD được cấu hình sẵn Tức là ta phải điều chỉnh dữ liệu hình học và các lệnh chuyển động của động học trong TIA Portal theo tham số hóa của mô hình MCD

Hình dưới đây cung cấp tổng quan về các thành phần riêng lẻ của dự án PLC và kết nối dữ liệu với mô hình MCD

Hình 3.5 Chức năng mô phỏng PLCSIM Advanced và NX MCD

Ta sử dụng chương của mình để thực hiện các chức năng sau:

• Đặt các lệnh chuyển động cho TO Kinematics

• Kích hoạt và khóa trục

• Xác nhận cảnh báo công nghệ

• Tham khảo trục Đối tượng công nghệ động học

Các SIMATIC S7-1500T cung cấp các chức năng động học để kiểm soát động học các đối tượng công nghệ (TO) với các ứng dụng:

• Xếp hàng Để xử lý chính xác động học và mô hình MCD của động học, ta phải cấu hình chính xác đối tượng công nghệ động học

Trục động học trong chế độ mô phỏng

Các trục động học là các trục di chuyển một động học Ta có thể sử dụng trục đồng bộ hoặc trục định vị làm đối tượng công nghệ Kích hoạt chế độ mô phỏng cho tất cả các trục động học Ta chuyển các vị trí trục hiện tại trực tiếp từ đối tượng công nghệ sang mô hình MCD Trong dự án ví dụ: khối dữ liệu "MCDInterface" được sử dụng để chuyển các vị trí trục vào mô hình MCD

Giao diện giữa PLCSIM Advanced và MCD (Kết nối ánh xạ tín hiệu)

Các vị trí đích từ khối dữ liệu "MCDInterface" được ghép với các tín hiệu từ mô hình MCD

Bộ điều hợp tín hiệu và điều khiển vị trí

Vị trí đích được truyền đến điều khiển vị trí MCD thông qua bộ điều hợp tín hiệu Bộ điều khiển vị trí trong mô hình MCD được thiết kế sao cho vị trí hiện tại luôn được hiển thị trực tiếp trong NX

3.2.2 Kết nối tín hiệu của mô hình MCD với CPU mô phỏng

Trong các mô hình MCD, các kết nối tín hiệu đến khối dữ liệu

"MCDInterface" đã được thiết lập trong dự án PLC Các tín hiệu MCD được áp dụng trong bộ điều hợp tín hiệu "Signals Connection"

Hình 3.6 Mở hộp ánh xạ tín hiệu Tại NX MCD, chọn Signal mapping từ Signal Connection hoặc lệnh trong nhóm Automation Hộp thoại hiện ra, tại Type chọn PLCSIM Adv để mở hộp thoại cấu hình

Hình 3.7 Hộp thoại cấu hình Chọn phiên bản PLC mô phỏng, chọn IOMDB và đánh dấu tick tất cả biến cần map Chọn các biến CPU trong cột "Chọn" mà ta muốn sử dụng làm tín hiệu bên ngoài cho mô hình MCD và xác nhận với OK

Hình 3.8 Ánh xạ tín hiệu trong MCD

Trong cửa sổ ánh xạ tín hiệu, ta có khả năng ghép các tín hiệu của mô hình MCD với các biến của CPU để mô phỏng Cửa sổ ánh xạ tín hiệu bao gồm ba phần:

• Tín hiệu MCD (từ bộ điều hợp tín hiệu "Signals Connection")

• Tín hiệu bên ngoài (ví dụ: các biến của CPU mô phỏng)

• Khớp nối tín hiệu được thiết lập giữa tín hiệu MCD và tín hiệu bên ngoài

3.2.3.Thay đổi các tham số mô hình MCD

Chúng ta có thể thay đổi các tham số mô hình của mô hình MCD sao cho phù hợp với thiết kế Chọn đối tượng trong mô hình ta muốn thay đổi trong hệ thống Giả sử ta thay đổi tham số cho Robot Scara3D1, chọn Assembly Navigator → Click phải Scara3D1 → chọn Make Work Part như hình bên dưới

Hình 3.9 Chọn đối tượng trên mô hình MCD để thay đổi tham số

Sau đó chọn Part Nagivator các tham số của đối tượng hiện ra thể hiện các tham số của đối tượng tại đây ta dễ dàng thay đổi các tham số cho đối tượng

Hình 3.10 Thay đổi tham số trong Part Navigator Các đối tượng nào cần thay đổi ta làm tương tự để hoàn thiện tham số hệ thống hệ thống

3.2.4 Cấu hình các đối tượng công nghệ trong TIA Portal

Chỉnh sửa cấu hình các trục và TO Kinematics trong dự án điều khiển TIA Portal theo các mô hình MCD

Hình 3.11.Tham số hóa dữ liệu hình học trong đối tượng động học của TIA Portal

Thật vậy dữ liệu hình học động học của đối tượng công nghệ được chuyển từ tham số hóa của mô hình MCD như khoảng cách L1, L2 và L3, những khoảng cách này không liên quan đến việc mô phỏng mô hình MCD, vì chúng không phải là đại lượng cơ học Các khoảng cách này xác định khoảng cách giữa điểm 0 động học (KNP) của hệ tọa độ động học (KCS) và gốc tọa độ của hệ tọa độ mặt bích (FCS).

Mô hình mô phỏng trong NX MCD

Mô hình được xây dựng bao gồm 1 băng chuyền chính và 2 băng chuyền phụ Hai Robot được sử dụng để gắp vật khi có tín hiệu nhận diện từ cảm biến Bao gồm:

Robot Scara: Thực hiện gắp vật có kích thước 70mm (màu xanh lá cây) – sang băng chuyền số 1 Và gắp vật có kich thước 90mm (màu xanh dương) – sang băng chuyền số 2

Hình 4.1 Robot Scara bố trí trong mô hình

Robot Arti: Thực hiện gắp vật có kích thước 60mm (màu đỏ) – sang Robot gia công Và gắp vật có kich thước 80mm (màu vàng) – sang thùng chứa

Hình 4.2 Robot Arti bố trí trong mô hình

Mô hình hệ thống hoàn chỉnh

Hình 4.3 Mô hình dây chuyền sản xuất ảo hoàn chỉnh

Mô hình mô phỏng được xây dựng là một hệ thống hoàn chỉnh Với các PLC được lập trình và kết nối với các Driver qua Profinet để điều khiển động cơ các trục tọa độ Hệ thống sẽ chạy được với phần cứng và thiết bị thật

Hình 4.4 PLC kết nối với Drivers qua Profinet

4.1.1 Mô hình các khối Product

Hình 4.5 Khối Product trong mô hình

Các khối Product được xây dựng dạng khối 3D lập phương với các kích thước tương ứng (Red – 60mm, Green – 70mm, Yellow – 80mm, Blue – 90mm) Các khối được khai báo 3 thuộc tính:

- RigidBody: Thuộc tính vật lý – liên quan đến khối lượng, kích thước, lực ma sát, vật liệu, …

- CollisionBody: Thuộc tính tương tác vật – tính chất vật cứng, va chạm

- Object Source: Thuộc tính giúp vật tạo nhân bản liên tục theo khoản thời gian cài đặt Dùng cho mô phỏng các vật cho băng chuyền

Hình 4.6 Khai báo các thuộc tính cho khối Product

Mô hình Robot Scara được trình bày cách xây dựng chi tiết ở chương 3 Về các khối và trục, kết quả nhận được như sau:

Hình 4.7 Mô hình Robot Scara Trong đó:

- Mô hình với các điều khiển trục, vị trí, góc quay của các kết cấu vật lý như sau:

Hình 4.8 Mô hình và tín hiệu điều khiển Robot Scara

- Xây dựng bộ phận gắp cho Robot bao gồm 4 part di chuyển theo lệnh điều khiển từ PLC:

Hình 4.9 Mô hình và tín hiệu điều khiển bộ phận gắp vật

4.1.3 Mô hình Robot Arti Được xây dựng tương tự như Robot Scara

Hình 4.10 Mô hình Robot Arti

Hình 4.11 Mô hình và tín hiệu điều khiển Robot Arti

Hình 4.12 Mô hình và tín hiệu điều khiển bộ phận gắp vật của Robot Arti

4.1.4 Mô hình băng chuyền chính

Hình 4.13 Mô hình băng chuyền chính Được khai báo các thuộc tính:

- CollisionBody: Cho mô phỏng va chạm với Product, để Product được chạy trên nó

- Transport Surface: Cho phép mô phỏng bề mặt chuyển động của băng chuyền để các Product có thể di chuyển trên bề mặt với hướng cố định và vận tốc cài đặt

Hình 4.14 Mô hình và tín hiệu điều khiển băng chuyền chính

4.1.5 Mô hình 2 băng chuyền phụ

Tương tự cũng được định nghĩa:

Hình 4.15 Mô hình và tín hiệu điều khiển băng chuyền phụ

Hình 4.16 Mô hình thùng chứa Các thùng chứa được sử dụng để chứa các Product sau khi kết thúc các băng chuyền hoặc Robot sẽ bỏ vào Các thùng chứa được khai báo thuộc tính: “Object

Sink” – cho phép xóa bỏ bớt các Product khi các Product được di chuyển vào chúng Được dùng góp phần cho hoàn thiện chu trình từ đầu đến cuối của chuỗi nhà máy

Hình 4.17 Mô hình và thuộc tính thùng chứa

4.1.7 Mô hình các cảm biến

Các cảm biến được xây dựng sử dụng thuộc tính CollisionSensor để tạo tín hiệu khi có va chạm

- Cảm biến tại vị trí trước Robot Scara

Hình 4.18 Mô hình và khai báo thuộc tính cảm biến

- Cảm biến tại vị trí trước Robot Scara

Hình 4.19 Mô hình và tín hiệu cảm biến

Tín hiệu nhận biết va chạm từ cảm biến được truyền về thông qua tín hiệu Signal được khai báo:

Hình 4.20 Khai báo tín hiệu cho cảm biến

Chương trình điều khiển

Chương trình điều khiển các trục động cơ của Robot: A1, A2, A3, A4 Tương ứng là các InstAxisControl1-4

Chương trình Reset các trục cho các Driver

Chương trình nhận đầu vào cảm biến với các mức tương ứng kích thước vật, bao gồm:

Tương ứng logic để nhận diện các vật như sau:

Product Red nhận diện khi: Sensor ProctRed on, Sensor ProctGreen off, Sensor ProctYellow off, Sensor ProctBlue off

Chương trình xử lý khi nhận diện vật, sẽ bật timer chờ 1 khoản thời gian vật chạy đến vị trí chính xác để Robot thực hiện gắp vật Để kích hoạt Robot chạy với Path đã được cài đặt thì sau khi đợi Timer sẽ kích hoạt để Set “StartPath” – tạo cạnh lên để kích hoạt chương trình chạy gắp thả vật theo Path Và “enabePickandPlace” hoặc “enabePickandPlace2” – cờ để Robot thực hiện theo Path1 hoặc Path2 tương ứng, mối Path là một đường di chuyển gắp thả vật riêng Mỗi Robot trong chương trình này sẽ thực hiện 2 Path

Chương trình tổng thể như sau:

Bảng 4.1 Các tín hiệu điều khiển cho các Robot Arti

Bảng 4.2 Các tín hiệu điều khiển cho các Robot Scara

- enableContour: Cho phép Robot thực hiện path Vẽ - sử dụng cho Robot gia công

- enablePickAndPlace: Cho phép Robot thực hiện Path di chuyển 1 – gắp thả vật

- enablePickAndPlace2: Cho phép Robot thực hiện Path di chuyển 2 – gắp thả vật

- enableAxes: Cho phép Robot tiến hành di chuyển

- resetAxes: Reset tọa độ điều khiển các trục

- homeAxes: Cho phép Robot di chuyển về vị trí Home ban đầu Tọa độ

Home được thiết lập ở Kinematic Control

Hình 4.21 Tọa độ Home được thiết lập ở Kinematic Control

- startPath: Tín hiệu cạnh lên để Robot bắt đầu thực hiện

Các tín hiệu kết nối điều khiển và cảm biến giữa PLC và mô hình NX bao gồm:

Bảng 4.3 Các tín hiệu điều khiển

Bảng 4.4 Các tín hiệu cảm biến từ NX làm input cho PLC

Bảng 4.5 Các tín hiệu được khai báo Mapping tương ứng Input/Output trên phần mềm NX – Kết nối với PLCSIM Advanced

- Tín hiệu “Hand1-4_pos” – Tín hiệu điều khiển vị trí mở/bóp giữ vật của cánh tay Robot

- Tín hiệu “KinematicAxisA1-3PosRot”, “OrientationAxisA4PosRot” –

Tín hiêu góc quay các trục của Robot được truyền qua MCD của chương trình PLC sang NX để thực hiện mô phỏng chuyển động

- Các tín hiệu “Sensor_Product” – Red, Green, Yellow, Blue: Các tín hiệu cảm biến mô phỏng từ NX gởi về PLC

4.2.2 Chương trình control Path - Scenario 1: Contour

Chương trình sử dụng cho Robot gia công – thực hiện khắc, vẽ lên vật Chương trình cho phép điều khiển tay robot và đầu mũi khoan theo quỹ đạo và độ sâu mong muốn

Bảng 4.6 Tín hiệu điều khiển Contour

Bảng 4.7 Dữ liệu về Path di chuyển cho robot được truyền vào qua bộ Data

Chương trình dùng điều khiển các Driver Motor với dữ liệu các điểm tọa độ - PathData mong muốn Quỹ đạo di chuyển theo điểm đầu cuối gắp thả vật

- Call PickandPlace Path 1: Gọi hàm di chuyển theo Path1 - PathDataPickAndPlace

- Call PickandPlace Path 2: gọi hàm di chuyển theo Path2 – PathDataPickAndPlace2

Các output được cập nhật theo kết quả thực hiện của Robot theo quỹ đạo Path được truyền:

- activeCmdNo: Cho biết path Command ID hiện tại của Robot

- curActive: cho biết tình trạng active thực thi của Robot đối với Path đang chạy

- stBusy: Cho biết tình trạng thực thi xong hay không của Robot đối với quỹ đạo Path đang chạy

Chương trình điều khiển gắp giữ hay thả vật (open/close hand) của tay gắp Robot Dựa vào tình trạng thực thi hiện tại của Robot, Output của chương trình điều khiển PickandPlace:

- Nếu activeCmdNo_path1 và activeCmdNo_path2 đều đang ở vị trí 0, nghĩa là Robot chưa thực thi di chuyển đến vị trí nào của Function PickandPlace Vị trí 0 – là vị trí gốc ban đầu Thì Hand_pos được điều khiển vị trí là 0.04 – 40mm – Tức tay đang mở

- Nếu activeCmdNo_path1 hoặc activeCmdNo_path2 đang ở vị trí 5, và kiểm tra chéo các điều kiện thực hiện Path (enablePickandPlace, curActive, Enable Axes) – thì theo dữ liệu PathDataPickandPlace, vị trí thứ 5 là vị trí cần thả vật ở điểm tiếp đến Nên cần điều khiển Hand_pos vị trí là 0.04 – 40mm – Tức tay đang mở

- Nếu activeCmdNo_path1 hoặc activeCmdNo_path2 đang ở vị trí giữa 0 và 5 – tức là tay Robot đang trong quá trình di chuyển từ điểm gắp sang điểm thả, từ lúc bắt đầu gắp vật, và kiểm tra chéo các điều kiện thực hiện Path (enablePickandPlace, curActive, Enable Axes) – thì theo dữ liệu PathDataPickandPlace, vị trí này là vị trí cần gắp giữ vật cho đến khi điểm tiếp đến ở trạng thái thứ 5 Nên cần điều khiển Hand_pos vị trí là 0.0 – 0mm – Tức tay đang đóng

Chương trình điều khiển các Drive Motor theo quỹ đạo PathData truyền vào

Các output cần sử dụng để tương tác điều khiển tay Robot như trên được đưa ra sau đây:

Bảng 4.8 Tín hiệu điều khiển Path1

Bảng 4.9 Tín hiệu điều khiển Path2

PathData PickandPlace là mảng Data bao gồm các lệnh điều khiển truyền vào cho Function trên để điều khiển Robot di chuyển theo Path mong muốn Như trong bài, sử dụng các lệnh “LKINCTRL_MC_MOVELINEARABS” để di chuyển theo quỹ đạo dạng đường từ điểm ban đầu đến điểm được định nghĩa theo hệ tọa độ như sau:

Bảng 4.10 Dữ liệu điều khiển Path1

Bảng 4.11 Dữ liệu điều khiển Path2

Trong chương trình, mỗi Path có 7 lệnh di chuyển với 7 tọa độ đích mong muốn

Bảng 4.12 Lệnh điều khiển Path

Chương trình điều khiển WinCC

Thực hiện giao diện điều khiển HMI cho người dùng, sử dụng chương trình WinCC xây dựng giao diện gồm 3 mục chính:

Trang chủ: Gồm nút điều khiển “Start Produce” và “Stop Produce” để khởi động chạy và dừng chu trình trong nhà máy Có các chuyển trang để điều khiển ArtiRobot và ScaraRobot

Hình 4.22 Giao diện HMI Trang điều khiển Robot Arti: Gồm các phần chính:

-Hiển thị trạng thái chạy đối với quỹ đạo (Path1 hoặc Path2)

-Reset Axes: Lệnh Reset hệ tọa độ cho các trục động cơ Robot

-Go Home Pos: Lệnh cho Robot quay về vị trí ban đầu

Hình 4.23 Giao diện điều khiển Robot Arti Các chuyển động của Robot hoàn toàn tự dộng theo tín hiệu cảm biến, gắp thả vật

Trang điều khiển Robot Scara: gồm các phần chính:

-Hiển thị trạng thái chạy đối với quỹ đạo (Path1 hoặc Path2)

-Reset Axes: Lệnh Reset hệ tọa độ cho các trục động cơ Robot

-Go Home Pos: Lệnh cho Robot quay về vị trí ban đầu

Hình 4.24 Giao diện điều khiển Robot Scara Các chuyển động của Robot hoàn toàn tự dộng theo tín hiệu cảm biến, gắp thả vật

Máy tính WinCC được kết nối tới các PLC qua Profinet

Hình 4.25 Kết nối WinCC và PLC

Bảng 4.13.Danh sách các Tag được liên kết

Những kết quả đã đạt được

-Nghiên cứu và xây dựng mô hình dây chuyền sản xuất 3D từ NX MCD Thiết lập tín hiệu cũng như các thông số chuyển động cho các Robot Mô hình 3D trong

NX MCD và các tín hiệu của nó kết nối với chương trình PLC đã được thực hiện thành công thông qua PLCSIM Advanced V2.0

-Nghiên cứu chuyển động trong môi trường TIA Portal trong đó nghiên cứu về các hệ tọa độ và các cấu hình các hoạt động theo quỹ đạo tọa độ của Robot

-Vận hành ảo hệ thống với các thông số đã cấu hình trong chương trình

-Xây dựng được hệ thống Scada để điều khiển hệ thống

Các kết quả chưa đạt

-Chưa xây dựng và chạy thử nghiệm với hệ thống thực

-Chưa thiết kế hệ thống Scada cho hệ thống để giám sát và điều khiển một số thông số chuyển động quan trọng của Robot trong hệ thống như: Tọa độ, vận tốc, gia tốc, vị trí các trục, các đường Path

-Hạn chế của việc kết nối giữa mô hình mô phỏng ảo và PLC, khi mô phỏng có tình trạng máy chậm, kết quả chưa tốt khi mô phỏng một mô hình lớm, công việc

NX chậm lại không thể xử lý các chuyển động của một số lượng lớn các đối tượng nhà máy.

Hướng phát triển của đề tài

-Xây dựng và vận hành hệ thống ảo hoạt động song song với thiết bị thật -Nghiên cứu và xây dựng hệ hệ thống Scada để điều khiển và giám sát hệ thống với các thông số quan trọng

-Nghiên cứu các phương pháp số hóa mô hình như điều khiển và giám sát hệ thống qua websever, điện toán đám mây thông qua các chuẩn truyền thông mới như MQTT…

-Kết hợp TIA Portal và Matlab xây dựng các thuật toán điều khiển mô hình hiệu quả hơn

Tiêu đề	Ảo hóa dây chuyền sản xuất và lập trình điều khiển
Tác giả	Nguyễn Văn Thơm
Người hướng dẫn	TS. Trương Đình Châu
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	132
Dung lượng	3,89 MB