Các phương thức truyền thông như PROFIBUS, PROFINET, ...thường được sử dụng để kết nối các bộ điều khiển của hãng Siemens với nhau trong môi trường công nghiệp.. Mạng truyền thông công n
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Đặt vấn đề
Ngày nay những hệ thống sắp xếp và đóng gói hàng tự động là một giải pháp tự động hóa thay thế hoàn toàn công việc sắp xếp và đóng gói hàng thủ công, từ đó tăng năng suất vận hành của nhà máy, đồng thời giảm thiểu được những sai sót trong khâu đóng gói hàng thủ công Hệ thống sắp xếp và đóng gói được phát triển vào những năm 1970, khi đó nó là sự kết hợp của hệ thống băng tải và thiết bị nâng công nghiệp Để xếp các sản phẩm vào vị trí cố định trong khay hoặc hộp hàng thì từ năm 1980, cánh tay robot bắt đầu được tích hợp vào hệ thống Việc sử dụng cánh tay robot mang lại sự linh hoạt cho hệ thống sắp xếp hàng tự động với số lượng chủng loại hàng hóa ngày càng đa dạng Một cánh tay robot có thể được lập trình để xử lý các sản phẩm có kích thước khác nhau hoặc sắp xếp chúng vào thùng theo nhiều cách mà không cần thay đổi thiết kế từ trước
Qua thời gian, hệ thống robot sắp xếp và đóng gói đã chứng minh rằng nó đem lại những ưu thế kỹ thuật nổi trội như nâng cao mức độ tự động hóa trong các dây chuyển sản xuất của các nhà máy, tính đồng bộ của hệ thống ngày càng được nâng cao và duy trì tính chính xác, ổn định của hệ thống
Hình 1.1: Robot sắp xếp hàng hóa đóng gói vào hộp
Hệ thống sắp xếp và đóng gói sản phẩm thường bao gồm nhiều công đoạn khác nhau để hoàn thành quy trình Tuy nhiên, một bộ điều khiển không thể kiểm soát toàn bộ các thiết bị trong từng công đoạn đó Do đó, việc chia nhỏ từng công đoạn và gán cho từng bộ điều khiển riêng là cần thiết Điều này giúp tối ưu hóa quản lý và điều khiển từng giai đoạn của quy trình sắp xếp và đóng gói, đảm bảo tính hiệu quả và đồng nhất trong sản xuất Bằng cách này, mỗi bộ điều khiển có thể tập trung vào các nhiệm vụ cụ thể của công đoạn mà nó quản lý, giúp tăng cường khả năng kiểm soát và quản lý tổng thể của hệ thống
Việc kết nối các bộ điều khiển quản lý từng công đoạn với nhau thông qua các phương thức truyền thông là không thể thiếu Các phương thức truyền thông này không chỉ cho phép trao đổi dữ liệu và lệnh điều khiển một cách nhanh chóng và đáng tin cậy, mà còn tạo điều kiện cho việc giám sát và quản lý tổng thể của quy trình sản xuất Các phương thức truyền thông như PROFIBUS, PROFINET, thường được sử dụng để kết nối các bộ điều khiển của hãng Siemens với nhau trong môi trường công nghiệp Sự kết nối thông qua các phương thức này giúp tạo ra một hệ thống điều khiển tích hợp, linh hoạt và dễ quản lý, đồng thời nâng cao hiệu suất và đáp ứng nhu cầu sản xuất đa dạng và phức tạp.
Tổng quan về tình hình nghiên cứu
1.2.1 Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp hiện nay
Mạng truyền thông công nghiệp, thường gọi tắt là mạng công nghiệp (tên tiếng Anh là Industrial Communication Network) là cụm từ dùng để chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, truyền tín hiệu, thông tin nội bộ của một xí nghiệp, công ty, doanh nghiệp, cơ sở sản xuất,… nhằm mục đích liên kết, ghép nối các máy tính, thiết bị công nghiệp với nhau thành một thể thống nhất, để chúng có thể giao tiếp, truyền dữ liệu, theo một mạng lưới, hệ thống đồng nhất hoặc có sự phân cấp để dễ dàng đảm bảo tính an toàn, bảo mật và có sự kiểm soát chặt chẽ
Hình 1.2: Hệ thống mạng truyền thông công nghiệp mẫu
Các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp hiện nay thường liên kết mạng với nhau theo nhiều mức, cấp bậc, dựa trên cảm biến, cơ cấu thực hiện, phân cấp hiện trường, đến hệ thống máy tính, thiết bị điều khiển, quan sát, giám sát, điều hành, quản lý cơ sở, xí nghiệp, công ty, nó mang tính chất kiểm soát và toàn vẹn dữ liệu, nên có thể ứng dụng với quy mô từ nhỏ đến vô cùng lớn, môi trường khắc nghiệt
Các cơ chế điều khiển thường được ứng dụng trong mạng truyền thông công nghiệp tự động hóa công nghệ bao gồm:
- Bộ điều khiển PLC logic lập trình
- Hệ thống điều khiển DCS phân tán
- Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA
Các yếu tố này phụ thuộc nhiều đến yếu tố là: các thiết bị hiện trường, hệ thống thiết bị thông minh, PC tổng điều khiển – giám sát, bộ hiển thị HMI và bộ điều khiển I/O phân tán Để các máy tính, thiết bị, máy móc trong hệ thống công nghiệp có thể kết nối và giao tiếp với nhau, cần một mạng lưới truyền thông trung gian hoặc sơ đồ truyền thông thu – phát tín hiệu, dữ liệu mạnh mẽ và hiệu quả hơn,đồng thời phải rất khác biệt so với mạng truyền thống, để tạo thành một một đường dẫn liên lạc tách biệt giữa các máy tính, thiết bị hiện trường, với bộ điều khiển và PC điều khiển, giám sát tổng
Các mạng truyền thông công nghiệp được sử dụng phổ biến hiện nay bao gồm: Modbus, Ethernet, Devicenet, Controlnet
+ Phương tiện truyền dẫn để truyền dữ liệu, tín hiệu, thông tin điều khiển, vận hành…có thể phương tiện dẫn là có dây hoặc không dây
+ Trong trường hợp đường truyền có dây, cáp đường truyền thường dùng là cáp xoắn, cáp đồng trục hoặc cáp quang, tùy theo môi trường và loại mạng mà lựa chọn loại cáp mạng truyền cho phù hợp, vì mỗi loại cáp lại có những đặc tính, đặc điểm truyền dẫn tín hiệu riêng
+ Trong trường hợp đường truyền không dây, tín hiệu, thông tin giao tiếp sẽ được thực hiện thông qua sóng radio
Việc ứng dụng các giao thức truyền thông để kết nối các bộ điều khiển hệ thống độc lập lại với nhau là rất cần thiết Nhờ đó, hệ thống có thể kết nối các khâu sản xuất riêng lẻ thành một quy trình sản xuất hoàn thiện, giúp vận hành liên tục, xuyên suốt, dễ dàng theo dõi được quá trình làm việc của từng khâu sản xuất
1.2.2 Tổng quan về các giải pháp a) Giải pháp cho giao thức kết nối 2 PLC
Nhóm sử dụng 2 PLC S7 1200 của hãng Siemes, trong đó 1 PLC để điều khiển khâu khâu luân chuyển - cấp sản phẩm, 1 PLC điều khiển khâu sắp xếp đóng gói sử dụng cánh tay robot Để kết nối 2 PLC S7 1200 lại với nhau thì nhóm em đưa ra 2 phương thức truyền thông phổ biến thường sử dụng trong công nghiệp là PROFINET và PROFIBUS
❖ Profinet: Một từ viết tắt của Process Field Net là một tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp để truyền dữ liệu qua cáp Ethernet công nghiệp
- Ưu điểm: Tốc độ truyền dữ liệu nhanh, hỗ trợ tự động hóa thời gian thực, truyền thông an toàn và bảo mật hệ thống, dễ dàng thu thập và phân tích dữ liệu dễ dàng vận hành hiệu quả và xử lý tình huống nhanh chóng
- Nhược điểm: Chi phí đầu tư lớn, độ phức tạp của hệ thống cao
❖ Profibus: Một từ viết tắt của Process Field Bus là một chuẩn cho truyền thông fieldbus trong kỹ thuật tự động hóa
- Ưu điểm: Có độ tin cậy cao, có khả năng tương thích với nhiều thiết bị tự động hóa khác nhau, dễ sử dụng
- Nhược điểm: Tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn các giao thức truyền thông công nghiệp khác, khoảng cách truyền dữ liệu ngắn, có hạn chế về số lượng thiết bị tối đa có thể kết nối trong mạng PROFIBUS b) Giải pháp sử dụng Robot cho khâu sắp xếp – đóng gói Ứng dụng tính tiện lợi của cánh tay robot trong khâu sắp xếp, đóng gói sản phẩm giúp tiết kiệm thời gian, nhân công trong quá trình làm việc, nâng cao năng suất và mang lại hiệu quả cao trong quá trình sản xuất sản phẩm
- Ưu điểm: Vì chỉ có 3 hoặc 4 trục, trong đó chỉ có 2 khớp phối hợp đồng thời nên tốc độ Scara rất nhanh và linh hoạt So về tốc độ thì Scara có tốc độ thấp hơn robot nhện Delta nhưng nhanh hơn hẳn Robot Arm 6 trục Là hệ thống được thiết kế chủ yếu cho ứng dụng lắp ráp nên Scara có độ chính xác lặp lại khá cao, chỉ ±0.01mm
- Nhược điểm: Như đã đề cập ở trên, nhược điểm của Scara nằm ở độ linh hoạt của trục Z Do bị cố định chuyển động của trục Z nên Scara chỉ chuyển động được phần cánh tay còn về gốc thì không thay đổi được, trọng lượng chịu tải khá thấp dưới 30kg
❖ Robot tuyến tính (robot giàn)
Hình 1.4: Robot tuyến tính (robot giàn)
- Ưu điểm: Có thiết kế đơn giản bởi chúng chỉ chuyển động theo 3 trục thẳng x, y, z
Do đó, có thể dễ dàng cấu hình, lập trình và vận hành chúng Các chuyển động của chúng có độ chính xác cao nên thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác Có cấu trúc đơn giản nên chi phí đầu tư ban đầu khá rẻ
- Nhược điểm: Trong tất cả các loại robot công nghiệp, robot tuyến tính là một trong những robot tốn diện tích nhất Hoạt động theo 3 trục thẳng x, y, z, chúng cần một không gian hình khối để vận hành, có tốc độ chậm, do đó chúng không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ nhanh, thiếu tính linh hoạt và không phù hợp với các ứng dụng phức tạp
- Ưu điểm: Có khớp nối có nhiều khớp, cho phép robot di chuyển linh hoạt hơn, tiếp cận được nhiều vị trí hơn và phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu sự linh hoạt Các robot có khớp nối có thể đạt được tốc độ cao, giúp cải thiện năng suất
- Nhược điểm: Các robot có khớp nối được thiết kế tương đối phức tạp hơn các loại robot chỉ thực hiện chuyển động tuyến tính hoặc chuyển động xoay ngang Những khớp quay đòi hỏi nhiều bộ phận hơn và cần xem xét cẩn thận hơn khi chế tạo
1.2.3 Tiêu chí của đề tài
- Kết nối được 2 PLC với giải pháp tối ưu nhất, tốc độ truyền nhanh, đảm bảo hiệu quả và tiết kiệm
- Điều khiển giám sát được hoạt động của hệ thống
- Cánh tay robot đáp ứng được các yêu cầu trong quá trình làm việc và đảm bảo độ chính xác cao
- Bố trí vị đặt sản phẩm, khay hàng, nắp khay phải nằm trong phạm vi hoạt động của tay gắp robot
- Chi phí lắp đặt tương ứng với quy mô của hệ thống
- Các kết cấu cơ khí trong hệ thống phải được bố trí khoa học, có độ bền cao, dễ dàng tháo lắp và sửa chữa
1.2.4 Lựa chọn giải pháp cho đề tài
Sau khi tiến hành khảo sát thực tế và tham khảo các giao thức truyền thông PLC S7 1200 cùng các loại máy móc phù hợp cho quy trình sắp xếp và đóng gói sản phẩm, nhóm chúng em đề xuất giải pháp kết nối 2 PLC S7 1200 thông qua giao thức truyền thông Profinet Qua việc tập trung vào các tiêu chí lựa chọn và nhu cầu thực tế của quá trình sản xuất, giải pháp này được xem xét là phù hợp nhất Đồng thời, nhóm em đề xuất sử dụng cánh tay robot khớp nối trong khâu sắp xếp và đóng gói sản phẩm Việc này được đánh giá là mang lại sự linh hoạt và hiệu quả trong việc xử lý sản phẩm, đồng thời cũng giảm bớt sự phụ thuộc vào lao động và tối ưu hóa quy trình sản xuất Đây là một giải pháp hợp lý để cải thiện hiệu suất và chất lượng sản xuất trong ngành công nghiệp
1.2.5 Tổng quan về hệ thống đề xuất
Mục tiêu nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu
- Thiết kế chế tạo thành công mô hình hệ thống
- Nghiên cứu và lập trình điều khiển PLC S7 1200
- Truyền thông kết nối được 2 PLC S7 1200 để điều khiển giám sát hệ thống
- Tìm hiểu mở mang kiến thức để lập trình điều khiển được cánh tay robot
1.3.2 Đối tượng nghiên cứu Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:
- Tìm hiểu phương thức truyền thông Profinet giữa 2 PLC S7 1200
- Tìm hiểu quy trình, thiết kế, điều khiển được cánh tay Robot
- Xây dựng giao diện điều khiển, giám sát
- Xây dựng được các tính năng phù hợp cho quá trình điều khiển.
Phương pháp nghiên cứu
- Tham khảo tài liệu, video, hình ảnh trên các phương tiện truyền thông, mạng xã hội
- Quan sát thực tế để tiếp cận được vấn đề, thực nghiệm quá trình hoạt động của khâu sắp xếp, đóng gói sản phẩm ứng dụng truyền thông Profinet trong nhà máy
- Xác định các khó khăn, thách thức trong quá trình làm việc gặp phải
- Tham khảo, nghiên cứu các hệ thống đã có sẵn trên để tìm ra phương án tối ưu.
Tính thiết yếu của đề tài
Đề tài Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển, giám sát khâu sắp xếp và đóng gói sản phẩm sử dụng PLC S7-1200 kết hợp truyền thông Profinet” là một đề tài có tính cần thiết rất cao trong công nghiệp Đề tài đã tác động lớn đến ngành vận chuyển xuất khẩu hàng hóa (đối với đối tượng mà đề tài chúng em hướng tới) và các ngành liên quan như là y tế, công nghiệp thực phẩm…
- Giúp chúng ta hiểu rõ hơn về mạng truyền thông trong công nghiệp
- Hiểu rõ hơn về việc điều khiển cánh tay robot sử dụng PLC S7-1200
- Tiến gần hơn với việc sử dụng mạng truyền thông trong các hệ thống lớn
- Cải thiện tính linh hoạt và chính xác trong hệ thống sắp xếp, đóng gói
- Dễ dàng kết nối và tích hợp được các phần mềm lập trình, quản lý
- Hệ thống có tính bền vững, giảm thiểu chất thải ra môi trường trong quá trình sản xuất
- Hướng đến sự an toàn trong vận hành hệ thống.
Tính mới của đề tài
- Sử dụng 2 PLC S7 1200 được kết nối với nhau thông qua truyền thông Profinet để điều khiển, vận hành hệ thống
- Sử dụng cánh tay robot có khả năng làm việc nhanh chóng, chính xác và hiệu quả, giúp tăng cường năng suất
- Sử dụng các cảm biến để gửi dữ liệu phân tích cải thiện quy trình sản xuất
- Thiết kế các bộ phận có thể dễ dàng thay thế và bảo trì, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động.
Tính môi trường của đề tài
- Sử dụng năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió để cung cấp năng lượng điện sạch cho hệ thống sắp xếp và đóng gói
- Áp dụng các công nghệ và quy trình sản xuất ít phát thải khí nhà kính và các chất gây ô nhiễm khác
- Sử dụng phương tiện vận chuyển sử dụng năng lượng sạch hoặc tiết kiệm nhiên liệu để giảm thiểu phát thải khí
- Sử dụng các thiết bị và máy móc tiết kiệm năng lượng như động cơ hiệu suất cao và các thiết bị có chứng nhận năng lượng.
Giới hạn của đề tài
- Với yêu cầu là kết nối các giai đoạn sản xuất riêng lẻ thành một quy trình sản xuất hoàn chỉnh, chúng em đã đặt ra mục tiêu tổ chức và kết nối hai giai đoạn quan trọng trong dây chuyền sản xuất Đó là giai đoạn luân chuyển và cung cấp sản phẩm, cũng như giai đoạn sắp xếp và đóng gói sản phẩm, thông qua phương thức truyền thông Profinet và sử dụng cánh tay robot 3 bậc tự do kèm thanh ray trượt
- Tuy nhiên, trong quá trình triển khai, chúng em đã gặp phải một số hạn chế Do đây chỉ là một đồ án nghiên cứu, nên chúng em không có đủ tài nguyên và khả năng để xây dựng một dây chuyền sản xuất hoàn chỉnh Chính vì vậy, chúng em đã tập trung vào việc tổ chức và kết nối hai khâu sắp xếp và đóng gói
- Mô hình của chúng em chỉ sử dụng robot được làm bằng chất liệu nhựa in 3D Chất liệu này có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường cao, gây ra hiện tượng méo mó và cong vênh ở các chi tiết, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của robot.
TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200 VÀ PHƯƠNG THỨC TRUYỀN THÔNG PROFINET
Tổng quan về PLC S7-1200
- PLC S7-1200 là một họ bộ điều khiển logic khả trình có thể điều khiển nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp đáp ứng được nhiều yêu cầu trong công nghiệp
- S7-1200 bao gồm một bộ vi xử lý, nguồn điện tích hợp và các đầu vào I/O (DI/DO)
- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào CPU và trình điều khiển
- S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET và hỗ trợ các tiêu chuẩn Ethernet và TCP/IP Ngoài ra bạn có thể sử dụng module giao tiếp để mở rộng kết nối qua RS485 hoặc RS232
- Phần mềm được sử dụng để lập trình S7-1200 là Step 7 Basic Step 7 basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình: FBD, LAD và SCL Phần mềm được tích hợp trong Siemens TIA Portal
PLC có 3 loại bộ nhớ là Load memory, Work memory và Retentive Memory trong đó:
- Load memory chứa bộ nhớ của chương trình khi down xuống
- Work memory là bộ nhớ lúc làm việc
- System memory thì có thể setup vùng này trong Hardware config, chỉ cần chứa các dữ liệu cần lưu vào đây
TIA Portal V17 là phần mềm tích hợp của nhiều phần mềm điều hành để quản lý vận hành tự động hóa và cơ điện của hệ thống Có thể hiểu, TIA Portal là phần mềm tự động hóa đầu tiên sử dụng cùng một môi trường, nền tảng để thực thi các tác vụ và hệ thống điều khiển
Hình 2.1: Logo phần mềm Tia Portal V17
TIA Portal V17 có giao diện dễ sử dụng và tích hợp đầy đủ các công cụ cần thiết cho việc thiết kế hệ thống tự động hóa, bao gồm lập trình PLC, tạo giao diện người dùng và quản lý dự án Nó cung cấp tính năng quản lý dự án để theo dõi tiến độ và tối ưu hóa quản lý thời gian và nguồn lực TIA Portal V17 cũng tích hợp với các phần mềm khác như SCADA và MES, tối ưu hóa sức mạnh và tính năng của hệ thống Hỗ trợ cho nhiều loại thiết bị tự động hóa khác nhau, bao gồm PLC của Siemens, giúp người dùng linh hoạt và tùy biến trong việc thiết kế hệ thống của họ
- Trong kịch bản giao tiếp Siemens có ba bộ phận:
+ Đối tác (còn được gọi là cùng bên trong từ điển máy tính cổ điển)
+ Khách hàng chỉ có thể truy vấn
+ Máy chủ chỉ có thể trả lời
+ Đối tác có thể nói cả hai theo ý của riêng mình
Hình 2.2: Giao tiếp trong Siemens
- Cả ba thành phần bên trái đều là Khách hàng, chúng kết nối với máy chủ nội bộ của Bộ xử lý giao tiếp (CP) và tạo một yêu cầu S7
- Máy chủ trả lời bằng một tín hiệu đáp ứng S7
- Không cần cấu hình phía máy chủ Dịch vụ máy chủ được xử lý tự động bởi firmware của CP
- CP có thể là bên ngoài như CP343/CP443 hoặc trong CPU 3XX-PN hoặc 4XX-PN, tuy nhiên, chúng hoạt động theo cùng một cách
Hình 2.3: Giao tiếp qua CP PLC cũng có thể hoạt động như Khách hàng, trong trường hợp này, các yêu cầu đọc/ghi dữ liệu được thực hiện qua FB14/FB15 (Get/Put), và cần một kết nối S7, được tạo bằng NetPRO
Hình 2.4: Giao tiếp qua FB14/FB15(Get/Put) Đối tác có thể trao đổi dữ liệu tự động, tức là sau khi kết nối được thiết lập, cả hai đối tác có thể gửi dữ liệu cho đối tác kia
Loại giao tiếp này thường được gọi là Client-Client bởi Siemens trong tài liệu của họ Người đồng đẳng yêu cầu kết nối được gọi là Đối tác Hoạt động, người chấp nhận kết nối được gọi là Đối tác Bị động
Hình 2.5: Giao tiếp qua FB12/FB13 hoặc SFB12/SFB13
Giao tiếp được thực hiện qua FB12/FB13 (S7300) hoặc SFB12/SFB13 (S7400), các tên biểu tượng của chúng là BSend/BRecv (Gửi Khối/Gửi Khối)
Một lưu ý quan trọng là: khi PLC A gọi BSend, BRecv phải được gọi trong PLC B cùng một lúc để hoàn thành giao dịch Đối với cả hai đối tác, cần tạo một Kết nối S7 với NetPro Đối tác Hoạt động phải kiểm tra tùy chọn "Thiết lập một kết nối hoạt động" trong các thuộc tính kết nối (Bạn có thể tìm thêm thông tin chi tiết trong mô tả Snap7Partner)
Mô hình giao tiếp này chủ yếu được cung cấp để kết nối các PLC với nhau, tuy nhiên, Snap7Partner cho phép phần mềm của bạn hoạt động như đối tác hoạt động hoặc đối tác bị động trong mạng PLC
Phần mềm SIMATIC WinCC của Siemens là phần mềm đặc biệt để xây dựng giao diện điều khiển HMI cũng như xử lý và lưu trữ dữ liệu trong hệ thống SCADA trong ngành tự động hóa WinCC cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên hệ điều hành của Microsoft Gói phần mềm được sử dụng trong máy là WinCC RT Advanced với các tính năng chính:
- Giám sát, báo cáo, đăng nhập và quản lí người dùng ở mức độ cơ bản
- Có hỗ trợ khả năng mở rộng phần mềm
- Cho phép tích hợp các mạng vào một mạng chung nhờ vào TCP/IP network Để máy tính có thể điều khiển, giám sát từ giao diện tới PLC thì máy tính và PLC cần được liên kết với nhau Trước tiên, ta cần gọi một khối SIMATIC PC Station từ Hardware Catalog của TIA Portal Ở đây chúng em sử dụng WinCC RT Advanced và cuối cùng là module CP/IE để cho phép máy tính và PLC liên kết với nhau thông qua cáp mạng ethernet Như vậy ta đã hoàn thành việc thiết lập cấu hình cho PLC và máy tính (Hình 2.6 mô tả cấu hình kết nối giữa PLC với WinCC thông qua dây PN/IE_1)
Hình 2.6: Cấu hình kết nối giữa PLC với WinCC thông qua dây PN/IE_1
Phương thức truyền thông profinet
2.2.1 Cơ bản về phương thức Profinet
PROFINET – là một chuẩn công nghiệp toàn diện dựa trên chuẩn PROFIBUS và Ethernet công nghiệp cho truyền thông mở, độc lập với các nhà cung cấp, đồng thời mang những ưu điểm của cả hai hệ thống BUS mạnh mẽ trên Ngoài ra PROFINET còn có thêm một số tính năng mới: chuẩn truyền thông mở; công cụ web; khả năng mở rộng 1 số đặc điểm sẽ được nêu dưới đây
Bảng 1: Cơ bản về Profinet Đặc điểm
Chuẩn truyền 100 Base-TX,100 Base-Fx
Cáp kết nối 4 dây Độ dài mạng Không giới hạn hệ thống mạng, tuy nhiên giới hạn khoảng cách dây với 100 m/ cáp đồng
Tốc độ 100 Mbps,Full duplex
Cấu trúc Topology Line, Star, Ring, Tree, Wireless
Dữ liệu truyền nhận 1440 bytes Điểm kết nối Không giới hạn, Tối đa 256 IO-Devices/IO-Controller Địa chỉ Theo tên thiết bị nên không giới hạn số lượng
Cấu trúc hệ thống sử dụng chuẩn mở rộng PROFINET được minh họa như trong hình 2.7
Hình 2.7:Cấu trúc hệ thống sử dụng chuẩn mở rộng Profinet
2.2.2 Hàm truyền thông PUT/GET
Người dùng có thể sử dụng hàm PUT/GET để kết nối truyền thông, thực hiện truyền nhận dữ liệu giữa các CPU PLC S7 a) Hàm PUT
Hàm PUT được sử dụng để ghi dữ liệu đến một hay nhiều remote PLC Lệnh được thực hiện khi có xung điều khiển ngõ vào REQ (Cấu trúc hàm Put như hình 2.8 ở bên dưới)
Hình 2.8: Cấu trúc hàm Put b) Hàm Get
Hàm GET được sử dụng để đọc dữ liệu từ một hay nhiều remote PLC Lệnh được thực hiện khi có xung điều khiển ngõ vào REQ (Cấu trúc hàm Get như hình 2.9 bên dưới)
Hình 2.9 Cấu trúc Hàm Get
- Chức năng “Permit access with PUT/GET communicaton” trong PLC phải được kích hoạt Chức năng này thông thường được kích hoạt tự động đối với các PLC có version thấp hơn V4.0
- Khối truy cập trong PLC partner phải được tạo ra dưới dạng “Standard”
- Viêc truy cập vào các biến trong remote CPU được thực hiện thông qua địa chỉ tuyệt đối tại chân ADDR_i
- Đối với local PLC, có thể sử dụng địa chỉ tuyệt đối hoặc địa chỉ hình thức tại các chân RD_i hoặc SD_i
- Khối DB đi kèm với hàm PUT/GET sẽ tự động được tạo ra khi người dùng chèn hàm tương ứng
- Tại một thời điểm chỉ có một yêu cầu (công việc) được thực hiện thông qua hàm PUT/GET Hai hàm này được gọi một cách tuần hoàn Công việc này chỉ được kích hoạt khi công việc trước đó đã hoàn thành
S7 communication là một giao thức độc quyền của Siemens, được sử dụng để truyền thông giữa các bộ logic khả trình dòng Siemens: lập trình PLC, trao đổi dữ liệu giữa các PLC, truy cập dữ liệu PLC từ hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu từ xa (SCADA) và hệ thống chuẩn đoán Đặc tính của S7 communication: - Mạng – giao diện người dùng độc lập: xử lý dựa trên giao thức PN/IE; - Truyền thông thông qua giao diện tích hợp trên CPU hoặc qua các module truyền thông; - Truyền thông thông qua kết nối cấu hình S7 (S7 connection);
- Khối hàm truyền thông: PUT (SFB15) / GET(SFB14)
S7 connection không cần phải được cấu hình trên cả CPU local và CPU partner bởi truyền thông S7 communication sử dụng hàm PUT/GET dựa trên cơ chế “server – client”
2.2.4 Cài đặt cấu hình cho hệ truyền thông a) Chuẩn bị phần cứng
- Phần mềm TIA Portal V15 hoặc cao hơn b) Switch chuyển mạng
Hình 2.10: Bộ chia mạng TP-LINK TL-SF1005D
Ethernet Switch (Hình 2.10) là một thiết bị nhận các gói dữ liệu đến và chuyển hướng chúng đến đích trong mạng cục bộ (LAN) Một chuyển mạch LAN hoạt động ở tầng liên kết dữ liệu (Lớp 2) hoặc lớp mạng của mô hình OSI do vậy nó có thể hỗ trợ tất cả các loại giao thức gói
Bảng 2:Thông số kỹ thuật switch TP-LINK TL-SF1005D Thông số kỹ thuật Giá trị
Tính năng cơ bản Chuyển đổi tự động/ đàm phán tự động, tuân thủ theo chuyển
IEEE 802.3x, lưu trữ và chuyển tiếp chế độ chuyển đổi Điện áp cấp 9VDC
Cấp bảo vệ IP20 c) Chuẩn bị cấu hình cho hệ truyền thông
Hình 2.11: Cấu hình mạng kết nối
Lựa chọn thiết bị phần cứng, tạo kết nối S7 - Conection, Ở phần kết nối cần để ID của 2 PLC là khác nhau, đây là mục quan trọng để kiểm tra kết nối giữa 2 PLC, sau đó tiến hành cho phép kết nối giữa 2 PLC như hình 2.12
Hình 2.12: Cho phép kết nối giữa 2 PLC
Sau đó tạo ra Datablock dùng để lưu dữ liệu cần đọc về hoặc dữ liệu cần truyền đi để tiện cho việc quản lý Sau đó tạo ra tiếp các trường dữ liệu bên trong như hình với kiểu dữ liệu tương ứng với loại dữ liệu bạn muốn truyền nhận
Hình 2.13 Tạo khối Data Block
2.2.5 Ứng dụng của truyền thông Profinet trong đề tài
- Đề tài nhóm em sử dụng 2 PLC S7 1200 được phân chia nhiệm vụ như sau: 1 PLC Master có vai trò điều khiển hệ luân chuyển sản phẩm bao gồm cấp sản phẩm, cấp khay, cấp nắp khay vào vị trí robot làm việc 1 PLC Slave có vai trò điều khiển hệ cánh tay robot kèm ray trượt để thực hiện các công việc sắp xếp và đóng gói sản phẩm vào khay hàng
- Để 2 hệ này có thể hoạt động tuần tự và có sự liên kết thì nhóm em sử dụng phương thức truyền thông Profinet để kết nối 2 PLC lại với nhau thông qua cáp mạng Ethenet
- Lý do chọn truyền thông Profinet trong đề tài là vì những ưu điểm sau:
+ Tốc độ truyền tải cao, lên tới 100 MBit/s, chiều dài dây dẫn có thể lên đến 100m
+ Giám sát số liệu theo thời gian thực với thời gian đáp ứng là dưới 1ms
+ Sử dụng dây cáp truyền thống RJ-45 nên ta có thể sử dụng kèm với các bộ router trong hệ thống mạng hiện tại Điều này giúp ta tận dụng được các thiết bị có sẵn, cũng như mở rộng hệ thống khi cần thiết
+ Khả năng giám sát theo dõi và khắc phục nhanh khi gặp sự cố Ta chỉ cần xác định thiết bị nào đang bị lỗi thông qua địa chỉ IP hoặc tên thiết bị là có thể xác định được
2.2.6 Sơ đồ tổng quan thiết kế truyền thông
Các dữ liệu mà PLC S7-1200 Master xử lý sẽ được đưa đến PC/WinCC thông qua Ethernet Switch với giao thức Profinet Sau đó sẽ truyền dữ liệu tới PLC S7-1200 Slave thực thi nhiệm vụ Từ giao diện WinCC ta có thể giám sát và điều khiển hệ thống với các chế độ thủ công và tự động và thông qua đó giám sát hệ thống Trình tự kết nối các thiết bị lại với nhau được thể hiện như hình 2.14
Hình 2.14: Sơ đồ tổng quan thiết kế truyền thông
THIẾT KẾ LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG
Giới thiệu tổng quan về mô hình
- Hệ thống được chia thành 3 khu vực hoạt động:
+ Khu vực bảng điện gồm các thiết bị điện và 2 PLC S7-1200, hệ luân chuyển bao gồm
2 băng tải, các xi lanh cấp, các cảm biến phát hiện sản phẩm Hệ robot gồm cánh tay robot 3 bậc kèm ray trượt định hướng
+ Các thiết bị điện bao gồm aptomat, nguồn tổ ong 24V, switch mạng, drive, relay, nút nhấn, đèn báo
- Khoảng không gian được thiết kế để đảm bảo cánh tay robot có vùng hoạt động tốt nhất, tránh va chạm với các thành phần trong quá trình làm việc Bên cạnh đó thì khu vực bảng điện cũng thiết kế thông thoáng đảm bảo khoảng không toả nhiệt tốt, tránh quá nhiệt hệ thống trong quá trình làm việc dài
- Ngoài ra, hệ thống còn có thêm thiết bị điều khiển là máy tính, nhưng không được thể hiện trên bản vẽ 2D như hình 3.1
Hình 3.1 Sơ đồ bố trí thiết bị hệ thống
Tổng quan về cánh tay Robot
Bảng phân loại khớp để thiết lập hệ tọa độ:
Hình 3.2: Robot 3 bậc tự do (R-R-R) Bảng 3: Phân loại khớp theo hệ toạ độ
- Áp dụng phương pháp đặt hệ tọa độ Denavit-Hartenberg:
+ Quay hệ (i-1) quanh trục zi-1 góc θi để trục xi-1 trở thành xi’ song song với xi
+ Tịnh tiến dọc trục zi-1 đoạn di để xi’ về trùng với xi
+ Tịnh tiến dọc trục xi đoạn ai để gốc Oi’về trùng với Oi
+ Quay quanh trục xi góc αi để zi-1’về trùng với trục zi
Bảng tham số DH (Denavit-Hartenberg) được sử dụng để thiết lập các hệ tọa độ trong robot
Xem xét một cánh tay robot có khớp nối như được hiển thị trong hình 3.2 Các khớp của cánh tay robot là 𝑅 ⊥ 𝑅(90),𝑅 ∥ 𝑅(0), 𝑅 ⊥ 𝑅(90) và ma trận biến đổi tương ứng giữa các hệ tọa độ là:
3.2.2 Động học thuận của robot 3 bậc RRR
Ma trận biến đổi của động học thuận cánh tay robot:
] (3 4) Tọa độ toàn cục điểm cuối P là:
=[ l 3 sin( θ 2 + θ 3 e) cosθ 1 + l 2 cosθ 1 cosθ 2 l 3 sin( θ 2 + θ 3 ) sinθ 1 + l 2 sinθ 1 cosθ 2 l 1 − l 3 cos( θ 2 + θ 3 ) + l 2 sinθ 2
3.2.3 Xây dựng mô hình Robot
Trong mô hình xây dựng, do hạn chế về kinh tế và kỹ thuật, nhóm em thu nhỏ robot với tỉ lệ kích thước xấp xỉ 1/10 so với mô hình thực tế:
Hình 3.3: Hình ảnh robot sử dụng trong mô hình
3.2.4 Động cơ truyền các trục Robot
Robot thường sử dụng các động cơ truyền động trục với các loại như AC servo motor, DC servo motor, hoặc step motor Mỗi loại động cơ đều có những ưu điểm nhược điểm khác nhau
Hình 3.4: Động cơ servo và động cơ bước
Bảng 5: Đặc điểm của động cơ Servo và động cơ bước Đặc điểm Servo motor Step motor
Tốc độ Nhanh (tối đa khoảng
2000 RPM) Độ rung và nhiễu Rất ít Có độ rung cao
Hiện tượng trượt bước Khó xảy ra trượt bước Có thể xảy ra (trong trường hợp tải quá lớn)
Phương pháp điều khiển Vòng kín (có Encodor) Vòng hở
(không có encodor) Giá thành (động cơ+driver) Giá thành đắt Giá thành rẻ Độ phân giải
Phụ thuộc vào độ phân giải của encoder Độ phân giải vào khoảng 0.36° (1000 PPR) – 0.036°
5 pha HB: 0.72° (500 PPR) hoặc 0.36° (1000 PPR)
Dựa trên các đặc điểm quan trọng của AC servo motor và step motor, cùng với kích thước và yêu cầu cụ thể của robot và thanh ray trượt mà nhóm chúng em đang phát triển, với kinh phí tối ưu hoá nhất, nhóm đã đề xuất sử dụng động cơ bước (step motor) kết hợp với bộ điều khiển (driver step motor) để truyền động cho các trục của Robot Sự lựa chọn này đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và các tiêu chí mà nhóm đã đặt ra
Ta có thông số của Robot và tải trọng bổ sung:
- Khối lượng Robot: mrobot = 2,01 kg
- Tải trọng bổ sung: Qp = 70g = 0,07 kg
M = 2,01 + 0,07 = 2,08 (kg) Lực nâng cần thiết: 𝐹 𝑙𝑖𝑓𝑡 = 𝑀 × 𝑆𝐹 (3 8)
Với SF là hệ số an toàn thường được chọn trong khoảng từ 1,5 – 2 Giả sử trong hệ thống này ta chọn hệ số an toàn = 1,5
𝐹 𝑙𝑖𝑓𝑡 = 2,08 × 1,5 = 3,12 (N) Giả sử hệ thống sử dụng khớp nối bản lề và cánh tay đòn có độ dài d = 0.14m
- Momen xoắn của động cơ sử dụng trong Robot là: τ = F lift × d = 3.12 × 0.14 = 0.437(N.m) (3 9) Với Momen xoắn vừa tính được ở trên nhóm đã tiến hành chọn động cơ Step Nema 17 (42x40) có như hình 3.5 với các thông số kỹ thuật sau:
Hình 3.5: Hình ảnh động cơ Step Nema 17 Thông số kỹ thuật:
3.2.5 Lựa chọn giác hút sản phẩm
Hình 3.6:Đầu giác hút cánh tay Robot
Lý do lựa chọn đầu giác hút cho Robot:
- Đa năng: Hoạt động hiệu quả với nhiều loại vật liệu và hình dạng khác nhau
- Độ chính xác cao: Đảm bảo thao tác vật liệu với độ chính xác cao, an toàn và hiệu quả
- Ổn định và an toàn: Cung cấp lực hút chắc chắn mà không làm hỏng vật liệu
- Hệ thống đơn giản: Dễ lắp đặt, bảo trì và tiết kiệm chi phí vận hành
- Linh hoạt: Dễ tích hợp vào nhiều hệ thống robot khác nhau.
Thiết kế và lựa chọn thiết bị
Với yêu cầu đặt ra trong đề tài là thiết kế băng tải chịu tải trọng nhẹ và với kinh phí hạn chế Nên nhóm quyết định chọn sử dụng băng tải cao su để thực hiện mô hình hệ thống
(a) Cấu tạo động cơ băng tải
Băng tải được cấu tạo từ nhiều thành phần khác nhau, bao gồm:
- Bộ con lăn và bộ truyền lực chủ động
- Động cơ giảm tốc, hiệu chỉnh tốc độ và tải của động cơ
- Hệ thống khung nhôm định hình, nâng đỡ con lăn và băng tải
Hình 3.7:Mô hình Ảnh 3D Băng tải của hệ thống
(b) Tính chọn động cơ cho băng tải
Băng chuyền dùng để di chuyển hũ yến đến vị trí mong muốn, trong quá trình hoạt động Vậy nên chúng em lựa chọn hệ truyền động điện không điều chỉnh cho băng chuyền Động cơ sẽ nối trực tiếp với nguồn và truyền động cho băng chuyền với một tốc độ nhất định
Yêu cầu của băng tải được chọn:
- Chỉ cần vận chuyển sản phẩm và khay trên băng tải
- Băng tải chạy liên tục, có các cụm chi tiết chặn sản phẩm
- Không đòi hỏi độ chính xác cao, tải trọng nhẹ
- Giá thành rẻ, dễ điều khiển
Chọn đường kính tang ở hai đầu băng tải có kích thước 10 mm Độ rộng băng tải > 40mm (đường kính max của hộp)
=> Chọn độ rộng băng tải L = 100mm
Chiều dài toàn bộ băng tải: Chọn băng tải dài 600mm
Công suất động cơ được xác định theo công thức:
Trong đó Pct, Pt: là công suất cần thiết trên trục động cơ và công suất tính toán
Giả thiết hệ dẫn động băng tải làm việc ổn định với tải trọng không đổi ta có:
1000 = 0,013 kW Với: v = 0.2 m/s (vận tốc băng tải)
Hiệu suất hệ dẫn động: η = η 1 × η 2 × η 3 × η 4 (3 12) Trong đó: η: hiệu suất trên toàn máy η1 = 0,97: hiệu suất bộ truyền bánh răng η2 = 0,995: hiệu suất của một cặp ổ bi η3 = 0,75: hiệu suất của băng chuyền η4 = 0,95: hiệu suất của bộ truyền đai răng
3,14×50 = 76,34 (v/p) (3.14) Kết hợp với yêu cầu đơn giản của băng tải, dễ dàng chọn được động cơ giảm tốc đi liền với băng tải
Sau khi nghiên cứu về nhiều loại động cơ, thì chúng em tìm được động cơ 7W 24V JGY-
370 như với các thông số như bảng 6 là phù hợp nhất
Hình 3.8:Động cơ 7W 24V JGY-370 Bảng 6:Thông số kỹ thuật động cơ băng tải
Thông số kỹ thuật Giá trị
Công suất định mức 7W Điện áp đầu vào 24V DC
Tốc độ định mức 120rpm
Tốc độ không tải 150rpm
3.3.2 Lựa chọn trục dẫn hướng
Lựa chọn trục dẫn hướng nhằm đáp ứng cho robot về việc gắp sản phẩm từ băng tải này sang băng tải kia của hệ thống Nhóm đã đề xuất sử dụng trục dẫn hướng dây đai hành trình 500mm
Hình 3.9:Trục dẫn hướng dây đai hành trình 500mm
Tính toán lựa chọn động cơ cho trục dẫn hướng:
- Gia tốc/giảm tốc trung bình a = 1m/s 2
- Mức độ an toàn SF = 1.5
- Với khối lượng robot mrobot = 2,01 (kg)
- Tải trọng bổ sung Qq = 0,07 (kg)
- Ta có tải trọng tĩnh = M = 2,08 (kg)
Lực gia tốc/giảm tốc:
F a = M × a = 2,08 × 1 = 2,08 (N) (3 15) Lực ma sát: F ma sát = M × g × μ (3 16) Với g là gia tốc trọng trường ta có g = 9,81 m/s 2
F d = M + F 𝑎 + F ma sát = 2,08 + 2,08 + 0,408 = 4,568 (N) (3 17) Tải trọng an toàn:
F swl = F d × SF = 4,568 × 1,5 = 6,852 (N) (3 18) Kết luận: Tải trọng cho trục dẫn hướng cần đảm bảo chịu được tối thiểu 6,852 N
Tính toán Momen xoắn cho chuyển động của trục dẫn hướng:
- Chiều dài cánh tay Robot: l = 0,14 (m)
- Giả sử vị trí trọng tâm của robot: d = 0.07 (m)
Momen xoắn gia tốc: τ a = F a × d = 2.08 × 0,07 = 0.1456 (N m) (3 19) Momen xoắn ma sát: τ ma sát = F ma sát × d = 0.408 × 0,07 = 0,285 (N.m) (3 20) Momen xoắn tổng: τ total = τ a + τ ma sát = 0,1456 + 0,285 = 0,4356 (N m) (3 21)
Dựa trên Momen xoắn tổng vừa tính được ta chọn được động cơ Step Nema 17 42x42 như hình 3.6 có các thông số kỹ thuật như sau:
Lựa chọn xi lanh nhằm đáp ứng cho khâu cấp nắp và cấp hộp Vì trọng lượng hộp và nắp không đáng kể nên hệ thống chỉ yêu cầu sử dụng cơ cấu xi lanh đẩy có hành trình khoảng 130mm để đáp ứng được 2 khâu cấp nắp và cáp hộp vừa đủ nên nhóm đã sử dụng xi lanh mini hành trình 130 mm
Hình 3.10: Xi lanh mini SMC
- Áp Suất Tối Đa: 0,7Mpa
- Kích Thước: Đường Kính Thân: 11mm
- Đường Kính Kết Nối Part Lỗ Cố Định: 8mm (có sẵn ren và ốc vặn)
- Đường Kính Ống Sử Dụng: Ống khí nén 4mm
- Chiều dài 17cm, hành trình ty 13cm
- Cách ly động cơ và mạch điện với nguồn
- Đóng cắt dòng điện tải
- Bảo vệ động cơ và thiết bị khi xảy ra sự cố ngắn mạch hoặc quá tải
Lựa chọn thiết bị bảo vệ MCB EZ9F34216 của hãng Schneider như Hình 3.11 với các thông số kỹ thuật như bảng 7 là phù hợp
Bảng 7: Thông số kỹ thuật của MCB
Thông số kỹ thuật Giá trị
Dòng cắt ngắn mạch Icu 4.5kA tại điện áp 230V AC Điện áp hoạt động 230V AC
Số lần đóng cắt: Bằng điện: 4000 lần; bằng cơ khí: 10000 lần Đạt tiêu chuẩn IEC 898
3.3.5 Thiết bị ngoại vi a) Công tắc hành trình
Khi robot hoạt động, nó được lập trình để di chuyển đến các vị trí đã xác định Trong trường hợp hệ thống bị dừng khẩn cấp hoặc ngừng hoạt động, khi khởi động lại sẽ gây ra xung đột giữa vị trí trục thực tế và vị trí trục ảo Vì vậy, cần xác định vị trí home để robot quay về đó trước khi tiếp tục chương trình Để xác định vị trí home, chúng ta sử dụng công tắc hành trình Khi công tắc hành trình được kích hoạt, tay máy đã về vị trí home của trục đó Chúng em sử dụng công tắc hành trình V-156-1C25 của hãng OMRON, như trong Hình 3.12 và bảng 8, với các thông số kỹ thuật phù hợp
Hình 3.12: Công tắc hành trình V-156-1C25 Bảng 8: Thông số kỹ thuật của công tắc hành trình V-156-1C25
Thông số kỹ thuật Giá trị
Dòng định mức 15A Điện áp định mức 250V
Tiếp điểm 1 cặp NC và 1 cặp NO b) Cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4
Hình 3.13:Cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4 Cảm biến E3F-DS30C4 sử dụng tia hồng ngoại để phát hiện vật cản với nhiều ưu điểm:
- Chống nhiễu tốt: Nhờ dải tần số chuyên biệt, cảm biến hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện ánh sáng ngoài trời
- Chỉnh khoảng cách: Khoảng cách phát hiện vật cản có thể điều chỉnh từ 5cm đến 30cm bằng biến trở trên cảm biến
- Tín hiệu: Ngõ ra NPN - Open Collector, cần trở kéo 1~10K lên VCC để tạo tín hiệu mức cao
- Số dây tín hiệu: 3 (2 cấp nguồn, 1 tín hiệu)
- Điện áp: 6 ~ 36VDC c) Relay OMRON MY2N 24V
Hình 3.14: Relay OMRON MY2N và chân đế Relay trung gian được ứng dụng rất rộng rãi trong các tủ điện công nghiệp và dân dụng Relay trung gian có nhiệm vụ đóng mở các tiếp điểm của tải hoặc tín hiệu Cuộn kích đóng ngắt relay có loại phổ biến là 12V - 24V hoặc 220V
- Loại chuẩn chân: DPDT (có 2 cặp tiếp điểm, chịu được 5A mỗi cặp)
- Dòng đóng cuộn kích: 40mA
- Nhiệt độ hoạt động: -55°C to 70°C
- Độ ẩm môi trường: 5% đến 85%
- Khối lượng: 35g d) Van điện từ Ở hệ thống, cần cấp khí nén cho xi lanh đẩy khay, nắp Cần điều khiển đóng/mở khí nén đưa vào thiết bị, nên chúng em chọn van điện từ Airtac 4V210-08 như hình 3.15 với các thông số kỹ thuật có trong bảng 9 là phù hợp
Hình 3.15: Van điện từ Airtac 4V210-08 Bảng 9:Thông số kỹ thuật của Van điện từ
Thông số kỹ thuật Giá trị Điện áp 24VDC Áp suất hoạt động 0.15 – 0.8Mpa
Loại van 5 cửa 2 vị trí Điện độ hoạt động -20 ~70°C e) Khối nguồn
- Bộ nguồn 24V-10A có tác dụng hỗ trợ cấp nguồn cho các driver và cấp nguồn cho động cơ băng tải 24V
- Đầu vào: 110VAC -220VAC (chỉnh bằng công tắc gạt)
- Kích thước: 110x220x49mm f) Driver Động cơ bước TB 6600 4A-42V
Mạch driver động cơ bước TB6600 4A 42V sử dụng IC TB6600HQ/HG, dùng cho các loại động cơ bước: 42/57/86 2 pha hoặc 4 dây có dòng tải là 4A/42VDC Ứng dụng trong làm máy như CNC, Laser hay các máy tự động khác
- Dòng cấp tối đa là 4A
- Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao
- Có tích hợp đo quá dòng quá áp
Hình 3.17:Driver động cơ bước TP6600 4A 42V
Cài đặt và ghép nối:
- 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) từ BOB cho M6600
- PUL-: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (-) từ BOB cho M6600
- DIR+: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (+5V) từ BOB cho M6600
- DIR-: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (-) từ BOB cho M6600
- 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: g) Khối điều khiển trung tâm
Hình 3.18:PLC siemens S7-1200 1214C DC/DC/DC
Bộ điều khiển PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC có các thông số chính sau:
Bảng 10: Thông số của bộ điều khiển PLC S7-1200
Thông số kỹ thuật Giá trị Điện áp định mức 24VDC
Dòng điện định mức 500mA
Tốc độ xỷ lý của CPU 0.08𝜇s/lệnh đối với Bit, 1.7 𝜇s/lệnh đối với Word,
Các khối lệnh hỗ trợ Hỗ trọ khối lệnh FB, FC, DB, counter, timer Tối đa trong khoảng 1 đến 65535 Đầu ra digital 10 (có hỗ trọ 4 chân highspeed counter) Điện áp tín hiệu ra 0.1V ở mức “0”, 20V ở mức “1”
Dòng tín hiệu ra 0.1mA ở mức “0”, 0.5mA ở mức “1” Độ trễ tín hiệu ra 1𝜇s khi chuyển từ 0-1, 5𝜇s khi chuyển từ 1-0 Ngõ vào digital 14 (hỗ trọ 6 chân highspeed counter) Điện áp tín hiệu vào 5V ở mức “0”, 15V ở mức “1” Độ trễ tín hiệu vào 0.2𝜇s khi chuyển từ 0-1, 12.8𝜇s khi chuyển từ 1-0
Bộ điều khiển PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC có khả năng xử lí dữ liệu mạnh mẽ S7-
1200 là series được dùng nhiều trong công nghiệp có giá cả phù hợp, độ cơ học tốt Số kênh I/O đủ để sử dụng, có hỗ trợ nhiều bộ đếm tốc độ cao cho phép mở rộng thêm nhiều nhiệm vụ khác.
Quy trình công nghệ
Hệ thống hoạt động ở chế độ auto:
Sau khi cấp nguồn thì xi lanh 1 đẩy sản phẩm ra vị trí gắp sản phẩm, xi lanh 2 đẩy nắp ra vị trí gắp nắp, xi lanh 3 đẩy khay ra vị trí khay hàng Sau khi 3 xi lanh cấp phôi xong thì robot sẽ tiến hành gắp sản phẩm xếp vào khay hàng Khi xếp xong 1 sản phẩm thì xi lanh 1 tiếp tục đẩy sản phẩm ra vị trí gắp sản phẩm Khi sắp đủ 4 sản phẩm vào khay thì robot gắp nắp đóng vào khay, sau đó xi lanh 4 sẽ đẩy khay hoàn thiện ra ngoài Quá trình làm việc được mô phỏng, giám sát trên màn hình hiển thị
+ Chi phí đầu tư phần cứng thấp
+ Chương trình vận hành đơn giản
+ Hệ thống vận hành dễ dàng
+ Quy trình hệ thống chưa thật sự tối ưu
+ Không lắp đặt cảm biến nên không thể phát hiện sản phẩm
+ Khi gặp sự cố hoặc dừng hệ thống bắt buộc phải tắt nguồn robot bị rơi tự do do động cơ không còn hoạt động dẫn đến hư tổn phần cơ khí của robot
Hệ thống hoạt động ở chế độ auto:
Lắp đặt thêm nút start stop và các cảm biến để phát hiện sản phẩm, khay, nắp
Khi nhấn nút start thì robot về vị trí home, sau 5 giây thì xi lanh 1, 2, 3 đẩy sản phẩm, khay hàng và nắp khay ra vị trí làm việc của robot Các cảm biến phát hiện đủ sản phẩm, khay hàng, nắp khay tại vị trí làm việc của robot thì robot bắt đầu công việc gắp sản phẩm xếp vào khay hàng Sau khi đủ 4 sản phẩm thì robot tiếp tục gắp nắp đóng vào khay sau đó xi lanh 4 đưa khay ra ngoài Sau khi các xi lanh đẩy 5 giây nhưng các cảm biến không phát hiện được sản phẩm thì sẽ báo lỗi thiếu phôi lên màn hình hiển thị
+ Có thể biết đã có phôi tại vị trí hoạt động của robot
+ Giúp hệ thống hoạt động logic hơn quy trình công nghệ 1
+ Khi gặp sự cố nhấn stop tạm dừng hệ thống robot không bị rơi tự do gây ảnh hưởng đến phần cơ khí của robot
+ Chi phí cao hơn quy trình công nghệ 1
+ Hệ thống chưa hoàn toàn tự động do khi khi hết sản phẩm cần xếp trong hộp chứa thì phải tiếp sản phẩm thủ công
Hệ thống hoạt động ở chế độ auto:
Lắp đặt thêm 2 băng tải, trong đó 1 băng tải để luân chuyển sản phẩm tới vị trí gắp, băng tải còn lại sẽ đưa khay hàng hoàn thiện ra ngoài Khi nhấn nút start thì robot về vị trí home, sau đó về vị trí chuẩn bị gắp sản phẩm Sau đó hệ thống cấp phôi sẽ hoạt động, băng tải 1 đưa sản phẩm vào vị trí gắp, cảm biến sản phẩm phát hiện có sản phẩm thì băng tải 1 dừng, xi lanh
1, 2 lần lượt đẩy khay hàng và nắp khay ra vị trí làm việc của robot Sau khi 3 cảm biến cùng phát hiện có sản phẩm, khay hàng, nắp khay tại vị trí làm việc của robot thì robot bắt đầu công việc gắp sản phẩm xếp vào khay hàng Nếu các xi lanh đã đẩy được 5 giây nhưng các cảm biến không phát hiện được sản phẩm thì sẽ báo lỗi thiếu phôi lên màn hình hiển thị Khi khay hàng đủ 4 sản phẩm thì reset xi lanh 2, 3 robot gắp nắp đóng vào khay sau đó băng tải 2 đưa khay hàng hoàn thiện ra ngoài, đồng thời cấp lại nắp và khay cho quá trình đóng gói khay hàng tiếp theo Nếu hệ thống gặp lỗi lập tức dừng hệ thống và gửi thông báo để kịp thời khắc phục Toàn bộ quá trình làm việc của hệ thống sẽ được điều khiển giám sát trên màn hình hiển thị
+ Tốc độ làm việc được nâng cao
+ Hệ thống hoạt động có logic và liên tục
+ Tối ưu được nhân công vận hành
+ Phát hiện được lỗi để kịp thời khắc phục
+ Chi phí lắp đặt cao do có thêm các băng tải
+ Chương trình điều khiển sẽ phức tạp hơn đòi hỏi trình độ của người lập trình hệ thống
3.4.4 Lựa chọn quy trình công nghệ
Sự khác nhau giữa các quy trình:
+ Chỉ cần cấp nguồn là hệ thống tự hoạt động
+ Không có các cảm biến phát hiện phôi
+ Có thêm nút nhấn start, stop
+ Có thêm cảm biến phát hiện sản phẩm
+ Hệ thống hoạt động chưa có tính liên tục
+ Bố trí thêm hệ thống băng tải
+ Có thêm các nút nhấn, cảm biến giúp ích cho việc vận hành
+ Hệ thống hoạt động có tính liên tục, tốc độ nhanh và chính xác hơn
+ Phát hiện được lỗi và thông báo để dễ dàng khắc phục
Dựa vào các tiêu chí lựa chọn và sự khác nhau giữa các quy trình công nghệ đã nêu ra ở trên thì nhóm em quyết định chọn quy trình công nghệ 3 vì nó toàn diện và có thể đáp ứng tốt, hệ thống hoạt động ổn định, an toàn, có tính liên tục cao.
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ khối điều khiển
Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống
- Sơ đồ khối hệ thống gồm:
+ Khối điều khiển trung tâm: PLC Master, PLC Slave, switch mạng và PC
+ Khối cơ cấu chấp hành: Robot, băng tải, xilanh
+ Khối cảm biến: Phát hiện sản phẩm, khay và nắp
+ Khối nguồn: Cấp nguồn cho hệ thống
+ Tại khối input của PLC Master, gồm các cảm biến Khi phát hiện sản phẩm, khay và nắp, cảm biến gửi tín hiệu digital về PLC Master thông qua chân DI (digital input)
+ Tại khối input của PLC Slave, các công tắc hành trình gửi tín hiệu về PLC Slave thông qua chân DI (digital input)
+ Tại khối output, trạm chủ PLC Master gồm motor giảm tốc cho băng tải, 2 van điện từ dùng cho 2 xi lanh, và máy tính sẽ gửi dữ liệu xuống trạm tớ là PLC Slave
+ Tại khối output của PLC Slave, bao gồm 3 động cơ step của cánh tay robot, 1 động cơ step trục dẫn hướng dây đai và van điện từ.
Sơ đồ đấu dây
Hình 4.2:Sơ đồ đấu dây trạm Slave
Hình 4.3:Sơ đồ đấu dây trạm Master
- Phần điện: Bao gồm nguồn điện 24VDC cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống và bộ điều khiển
- PLC Master đưa ra tín hiệu điều khiển cho cơ cấu chấp hành là PLC Slave, từ đó điều khiển các động cơ step hoạt động Cảm biến sẽ phản hồi tín hiệu thực tế lại cho bộ điều khiển trung tâm
- Phần tải: Được truyền động bởi động cơ băng chuyền
- Phần khí: Bao gồm động cơ nén khí cấp khí thông qua van điện từ để điều khiển giác hút và xi lanh
4.3 Bảng phân công đầu vào đầu ra
4.3.1 Bảng phân công PLC Slave
Bảng 11: Bảng phân công đầu vào/ra PLC Slave
BẢNG PHÂN CÔNG VÀO/RA PLC SLAVE Đầu vào Đầu ra Địa chỉ Kí hiệu Chú thích Địa chỉ Kí hiệu Chú thích
Công tắc hành trình thanh ray trượt vị trí 1
Công tắc hành trình thanh ray trượt vị trí 2
Q0.1 Q_VAN Van khí nén giác hút
Công tắc hành trình trục X robot
Q0.2 Q_RAY_PUL Chân pulse (+) driver 1
Công tắc hanh trình trục Y robot
Q0.3 Q_RAY_DIR Chân direction (+) driver 1
I0.4 I_CTHT_Z Công tắc hành trình trục Z robot Q0.4 Q_X_PUL Chân pulse (+) driver 2
Q1.0 Q_Z_PUL Chân pulse (+) driver 4 Q1.1 Q_Z_DIR Chân direction (+) driver 4
4.3.2 Bảng phân công PLC Master
Bảng 12:Bảng phân công đầu vào/ra PLC Master BẢNG PHÂN CÔNG ĐẦU VÀO PLC MASTER Đầu vào Đầu ra Địa chỉ Kí hiệu Chú thích Địa chỉ Kí hiệu Chú thích
I0.0 I_START Nút start Q0.0 Q_BANGTAI_1 Băng tải 1
I0.1 I_STOP Nút stop Q0.1 Q_BANGTAI_2 Băng tải 2
I0.2 I_SET Nút set thông số Q0.2 Q_LAMP_RUN Đèn báo RUN
Cảm biến phát hiện khay hàng
Cảm biến phát hiện sản phẩm
Cảm biến phát hiện nắp
Lưu đồ thuật toán
4.4.1 Lưu đồ chương trình chính
Hình 4.4: Lưu đồ thuật toán chương trình Main
4.4.2 Lưu đồ chương trình Manual
Hình 4.5:Lưu đồ thuật toán chương trình Manual
4.4.3 Lưu đồ chương trình Auto
Hình 4.6:Lưu đồ chương trình điều khiển Auto
4.4.4 Lưu đồ chương trình truyền thông 2 PLC
Hình 4.7:Lưu đồ thuật toán truyền thông giữa 2 PLC
4.4.5 Giải thích lưu đồ thuật toán
- Lưu đồ thuật toán Main:
Sau khi cấp nguồn, hệ thống tự động khởi tạo các biến vào ra và reset các bộ đếm Tiếp theo, chương trình truyền thông được chạy để thiết lập giao tiếp giữa các thành phần Khi nhấn nút Start, hệ thống bắt đầu hoạt động và cánh tay robot di chuyển về vị trí Home
Khi nhấn nút Start của hệ robot, hệ thống robot sẽ khởi động Nếu nút nhấn chế độ Auto được bật, hệ thống sẽ hoạt động ở chế độ tự động, thực hiện các nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người Nếu nút nhấn chế độ Manual được bật, hệ thống sẽ hoạt động ở chế độ chỉnh tay, cho phép người vận hành điều khiển các thao tác của robot thủ công
- Lưu đồ thuật toán Manual:
Trong chế độ chỉnh tay, hệ thống vận chuyển và hệ thống robot sắp xếp, đóng gói sẽ được điều khiển thông qua các nút nhấn trên màn hình hiển thị Trong chế độ này, người vận hành có thể thao tác để bật/tắt băng tải, xi lanh, và điều khiển cánh tay robot đến các vị trí mong muốn Họ cũng có thể điều chỉnh tốc độ của cánh tay robot theo nhu cầu cụ thể của quá trình sản xuất
- Lưu đồ thuật toán Auto:
+ Khi người vận hành nhấn nút chọn chế độ Auto, cánh tay robot sẽ di chuyển về vị trí chuẩn bị để gắp sản phẩm Hệ thống luân chuyển sẽ tự động điều khiển băng tải 1 để đưa sản phẩm đến vị trí gắp, đồng thời các xi lanh sẽ đẩy khay hàng và nắp khay ra vị trí để đặt nắp và khay
+ Khi các cảm biến xác nhận rằng đã có đủ sản phẩm, khay hàng và nắp khay, sau 3 giây, robot sẽ bắt đầu gắp và sắp xếp sản phẩm vào khay hàng Khi đã xếp xong 1 sản phẩm vào khay, robot sẽ trở lại vị trí chuẩn bị để gắp sản phẩm, và hệ thống luân chuyển sẽ điều khiển băng tải 1 đưa sản phẩm tiếp theo đến vị trí gắp
+ Khi đã xếp xong 4 sản phẩm vào khay, hệ thống luân chuyển sẽ tự động reset các xi lanh giữ nắp khay và khay hàng để robot tiến hành gắp nắp và đóng vào khay hàng Sau khi đóng nắp xong, robot sẽ trở lại vị trí chuẩn bị để gắp sản phẩm, và counter sẽ đếm số khay hàng đã hoàn thiện Hệ thống luân chuyển sẽ điều khiển băng tải 2 đưa khay hàng hoàn thiện ra ngoài, trong khi băng tải 1 tiếp tục đưa sản phẩm tiếp theo vào vị trí gắp Các xi lanh sẽ đẩy khay hàng và nắp khay mới ra vị trí gắp của robot để tiếp tục quá trình sắp xếp và đóng gói + Trong trường hợp hệ thống luân chuyển đã điều khiển băng tải 1 và các xi lanh cấp khay và cấp nắp hoạt động, nhưng sau 5 giây, một trong các cảm biến không phát hiện được sản phẩm, hệ thống sẽ thông báo thiếu phôi và robot sẽ tạm dừng Trường hợp robot đã gắp sản phẩm, nhưng sau 2 giây, sản phẩm hoặc nắp khay vẫn còn nằm tại vị trí của cảm biến, robot sẽ tạm dừng và quay trở lại vị trí chuẩn bị để gắp sản phẩm, đến khi các cảm biến phát hiện sản phẩm
+ Toàn bộ quá trình làm việc của hệ thống luân chuyển và hệ robot sẽ được điều khiển và giám sát trên màn hình hiển thị
- Lưu đồ thuận toán truyền thông 2 PLC:
+ Sau khi khởi động hệ thống, PLC Master sẽ tự động thực hiện các quy trình khởi tạo như cấp nguồn, reset các biến vào ra và các biến đếm Sau đó, PLC Master sẽ gửi tín hiệu sang PLC Slave để điều khiển hệ luân chuyển và gửi tín hiệu khởi động cho hệ robot sắp xếp và đóng gói
+ Chế độ làm việc của PLC Slave sẽ được quản lý và thiết lập bởi PLC Master thông qua việc gửi tín hiệu điều khiển và thiết lập chế độ làm việc cho hệ robot
+ Khi hệ luân chuyển đã điều khiển băng tải 1 và các xi lanh để đưa sản phẩm, khay hàng và nắp khay ra vị trí làm việc của robot, các cảm biến phát hiện sản phẩm, khay hàng và nắp khay sẽ gửi tín hiệu về PLC Master Khi tất cả các cảm biến đã xác nhận có khay, nắp, sản phẩm, PLC Master sẽ gửi tín hiệu sang PLC Slave để điều khiển robot bắt đầu gắp sản phẩm vào khay hàng
+ Sau khi robot đã xếp được 1 sản phẩm vào khay, PLC Slave sẽ gửi tín hiệu sang PLC Master để hệ luân chuyển tiếp tục điều khiển băng tải 1 đưa sản phẩm đến vị trí gắp tiếp theo + Nếu khay hàng đã đủ 4 sản phẩm, PLC Slave sẽ tiếp tục gửi dữ liệu sang PLC Master để hệ luân chuyển reset 2 xi lanh đang giữ khay hàng và nắp khay, để robot tiến hành quá trình gắp và đóng nắp cho khay hàng
+ Khi robot đã đóng nắp xong, PLC Slave sẽ tiếp tục gửi tín hiệu sang PLC Master để hệ thống luân chuyển điều khiển băng tải 2 đưa khay hàng hoàn thiện ra ngoài Đồng thời, băng tải 1 và các xi lanh sẽ tiếp tục đưa sản phẩm, khay hàng và nắp khay mới vào vị trí làm việc của robot
+ Trong trường hợp robot gặp lỗi hoặc xảy ra sự cố, PLC Slave sẽ gửi tín hiệu sang PLC Master để tạm dừng hệ thống và thông báo sự cố lên màn hình hiển thị để người vận hành có thể can thiệp và khắc phục.
Chương trình truyền thông
4.5.1 Chương trình truyền thông Master
4.5.2 Chương trình truyền thông Slave.
Chương trình điều khiển robot
4.6.1 Cài đặt cấu hình phần cứng cho PLC
Cho phép kích hoạt bộ tạo xung để điều khiển động cơ bước qua các chân Output
Hình 4.8:Kích hoạt bộ tạo xung của PLC Cài đặt kiểu loại tín hiệu PTO và đầu ra phần cứng chân xung tương ứng:
Hình 4.9: Cấu hình đầu ra động cơ bước
4.6.2 Thiết lập khối Motion Control để điều khiển động cơ
Sử dụng khối Motion Conntrol để điều khiển động cơ bước thông qua Driver cùng với cài đặt các thông số điều khiển:
Hình 4.10: Khối Motion Control để điều khiển động cơ
4.6.3 Chương trình đưa Robot dò về Home
Thiết lập chương trình cho động cơ các khớp quay về vị trí gốc và thanh ray trượt về vị trí gốc Vị trí gốc là vị trị mà các khâu chạm vào các công tắc hành trình Đó sẽ là vị trí Home của robot
Bước đầu tiến hành khởi tạo nguồn cho robot:
Hình 4.11: Chương trình khởi tạo nguồn cho Robot
PLC Slave sau khi nhận tín hiệu Start từ PLC Master bắt đầu điều khiển để robot tự động dò vị trí home
Sử dụng khối Jog để điều khiển động cơ theo chiều chỉ định quay về Home Khối Jog là khối được gọi ra sử dụng để điều khiển động cơ theo một chiều cho trước với một tốc độ cho trước
Hình 4.12: Chương trình Robot tự động dò vị trí home
4.6.4 Xác định vị trí gắp sản phẩm
Sau khi dò được vị trí home chọn chế độ Auto robot về vị trí gắp sản phẩm
Hình 4.13:Chương trình điều khiển Robot về vị trí gắp sản phẩm
4.6.5 Chương trình các khâu trong hệ thống
PLC Master gửi tín hiệu xuống PLC Slave để điều khiển robot tiến hành gắp sản phẩm
Hình 4.14:Chương trình điều khiển Robot tiến hành gắp sản phẩm
Sau khi robot tiến hành gắp sản phẩm robot chuyển sang khâu 2 đưa sản phẩm ra khỏi băng tải 1 và chuyển sản phẩm đến băng tải 2
Hình 4.16:Chương trình khâu gắp nhả sản phẩm
4.6.6 Phân chia sản phẩm vào vị trí đã thiết lập trong khay hàng
Tiến hành cài đặt toạ độ bố trí từng sản phẩm trong khay hàng theo các khâu của hệ thống thành những chương trình con, sau đó tiến hành lập trình cho hệ thống cấp sản phẩm vào các vị trí đó trong khay hàng
Hình 4.17: Chương trình sắp xếp sản phẩm vào khay hàng theo toạ độ đã cài đặt sẵn
4.6.7 Chương trình cảnh báo lỗi
Trong quá trình vận hành hệ thống đôi khi sẽ gặp trục trặc về hoạt động của robot, để đảm bảo quá trình vận hành và tương tác với người, chương trình cảnh báo lỗi sau 30 giây nếu robot vẫn chưa đến được vị trí đã cài đặt sẵn và trong quá trình hoạt động của robot việc gửi tín hiệu start từ PLC Master xuống PLC Slave
Hình 4.18: Chương trình cảnh báo lỗi
Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát
Giao diện chính điều khiển của hệ thống gồm:
- Các nút thao tác Start/Stop, chọn chế độ, cài đặt thông số mặc định cho hệ thống
- Trạng thái kết nối của các PLC với PC
- Thao tác xem các hệ con trong hệ thống
Hình 4.19: Giao diện chính của hệ thống
Giao diện của chế độ Manual:
- Thao tác điều khiển robot bằng tay qua các nút
- Hiển thị toạ độ các trục của robot
- Bật/tắt thủ công các băng tải và xi lanh
Hình 4.20: Giao diện chế độ Manual Giao diện chế độ Auto:
- Hiển thị trạng thái hoạt động của băng tải, xi lanh
- Hiển thị trạng thái đóng gói từng khay hàng
- Hiển thị trạng thái sản phẩm, Robot
- Giám sát số sản phẩm được đóng gói trong ngày và số khay hàng hoàn thiện
- Theo dõi được tốc độ của ray trượt, các trục của robot và góc quay của Robot
Hình 4.21:Màn hình ở chế độ Auto