Đề tài ‘‘Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát trên nền WinCC sử dụng mạng Profibus” pptx

Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS cho phép tự độnghóa ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loại nhỏ và hàng loại vừa trên cơ sở sử dụngcác máy CNC, các Rôbốt công nghiệp để điều khiển các đố

Trang 1

Khoa Đi n L p ĐH Đi n A K3 ớp ĐH Điện A K3

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: 6

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 6

1.1 Trạm phân phối gia công 6

1.1.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm phân phối gia công 6

1.1.2 Kết cấu thiết bị bao gồm: 6

1.2 Trạm kiểm tra sản phẩm 7

1.2.1 Tìm hiểu về quy trình công nghệ trạm kiểm tra sản phẩm 7

1.3 Trạm xử lý gia công phôi 8

1.3.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm xử lý gia công phôi 8

1.3.2 Kết cấu thiết bị bao gồm : 9

1.4 Trạm Rôbôt 5 bậc tự do Scara 10

1.4.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm Robot 5 bậc tự do Scara 10

1.5 Trạm lắp ráp sản phẩm 11

1.5.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm lắp ráp sản phẩm 11

1.6 Trạm Robot cánh tay khí nén di chuyển sản phẩm 12

1.6.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm Robot cánh tay khí nén di chuyển vật 12

1.7 Trạm lưu kho sản phẩm 13

Trang 2

tâm 14

1.8.3 Bộ điều khiển PLC S7 300 điều khiển các trạm qua mạng PROFIBUS-DP 15

1.8.4 Màn hình giao tiếp Người – Máy TP 177A và giao diện điều khiển giám sát 16 CHƯƠNG 2: 17

THIẾT LẬP MẠNG PROFIBUS-DP, XÂY DỰNG LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 17

2.1 Cấu hình mạng PROFIBUS-DP với phần mềm STEP 7 17

2.1 Chương trình điều khiển trạm Master (PLC S7 300) 26

2.2 Chương trình điều khiển trạm Slave (PLC S7 200) 36

2.2.1 Trạm phân phối vật gia công 36

2.2.2 Trạm kiểm tra sản phẩm 45

2.2.3 Trạm xử lý gia công 58

2.2.4 Trạm Robot 5 bậc tự do 66

2.2.5 Trạm lắp ráp sản phẩm 71

2.2.6 Trạm Robot cánh tay khí nén 78

2.2.7 Trạm lưu kho sản phẩm 84

CHƯƠNG 3 : 94

THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT HỆ THỐNG BẰNG PHẦN MỀM WINCC V7.0 94

4.1 Khởi tạo Project và cấu hình trong WinCC 94

4.2 Kết nối biến của PLC trong WinCC 97

4.2.1 Kết nối các biến của PLC S7 300 với WinCC 97

4.2.2 Kết nối các biến của PLC S7 200 với WinCC 100

Trang 3

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

PHỤ LỤC 112

PHỤ LỤC 1: 112

GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 112

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển PLC 112

1.2 Thiết Bị Điều Khiển Lập Trình PLC Simatic S7 – 300 114

1.3 Thiết Bị Điều Khiển Lập Trình PLC Simatic S7 – 200 134

1.4 Module truyền thông PROFIBUS EM 277 và module mở rộng vào/ra số EM 223 147

1.5 Một số thiết bị điều khiển khác trong dây chuyền 148

PHỤ LỤC 2: 151

GIỚI THIỆU VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CÁC TRẠM QUA MẠNG TRUYỀN THÔNG PROFIBUS 151

PHỤ LỤC 3: 155

GIỚI THIỆU PHẦN MỀM GIÁM SÁT WINCC V7.0 155

Trang 4

Trong nền sản xuất hiện đại việc thành lập các hệ thống sản xuất linh hoạt đóngmột vai trò hết sức quan trọng Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) cho phép tự độnghóa ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loại nhỏ và hàng loại vừa trên cơ sở sử dụngcác máy CNC, các Rôbốt công nghiệp để điều khiển các đối tượng lao động, các đồ gá

và các dụng cụ, các hệ thống vận chuyển, tích trữ phôi với mục đích tối ưu hóa quátrình công nghệ và quá trình sản xuất

Đặc điểm của FMS là khả năng điều chỉnh nhanh các thiết bị để chế tạo sảnphẩm mới Như vậy, nó rất thích hợp không chỉ cho sản xuất hàng khối, hàng loại lớn

mà còn cho sản xuất hàng loại vừa và hàng loại nhỏ, thậm chí cả sản xuất đơn chiếc.Tuy nhiên phân tích FMS trong điều kiện sản xuất đơn chiếc cho thấy sự không

ăn khớp giữa năng suất của FMS và phương pháp chuẩn bị sản xuất bằng tay Cũng doviệc sữ dụng không đồng bộ các hệ thống tự động hóa mà quá trình chuẩn bị sản xuấtkéo dài

Sự nối kết các hệ thống tự động riêng lẻ thành một hệ thống duy nhất với sự trợgiúp của mạng máy tính nội bộ cho phép tăng năng suất lao động của các nhà thiết kế,các nhà công nghệ và các nhà tổ chức sản xuất và do đó nâng cáo năng suất và chấtlượng sản phẩm Các hệ thống sản xuất như vậy được gọi là hệ thống sản xuất tích hợp

có sự trợ giúp của máy tính

Hiện nay ở nước ta nghiên cứu về FMS mới chỉ được bắt đầu tài liệu về lĩnh vựcnày bằng tiếng Việt hầu như chưa có Các hệ thống FMS và mô hình mới chỉ đượctrang bị ở một số trường ĐH Trong tương lai các hệ thống này tiếp tục được đầu tư ởnhiều các cơ sở đào tạo khác trên cả nước Song song với cơ sở hiện đại là việc rất cần

có giáo trình giảng dạy

Bằng vốn kiến thức hiểu biết và được sự hướng dẫn tần tình của thầy Thái Hữu Nguyên và thầy Nguyễn Khắc Tuấn cùng các cô, thầy trong khoa đã giúp em tìm

hiểu và nghiên cứu về để tài

Với đề tài ‘‘Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát trên nền WinCC sử dụng mạng Profibus” sử dụng bộ PLC S7-300 và PLC S7-200 của siemens liên hệ với nhau

qua mạng truyền thông PROFIBUS mà em trình bày trong đồ án tốt nghiệp này, em hyvọng sẽ đóng góp một phần nhỏ bé vào quá trình tìm hiểu công nghệ sản xuất

Trang 5

trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp Mặc dù đã rất cố gắng nhưng về thời gian và khảnăng của em còn có hạn nên không thể tránh khỏi những sai sót rất mong sự đóng góp

ý kiến bổ sung của các thầy, cô giáo

Em xin chân thành cảm ơn !

Vinh, ngày … tháng … năm 2012

Sinh viên thực hiện

Phan Thanh Tuyên

Trang 6

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

1.1.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm phân phối gia công

Trạm phân phôi vật gia công có chức năng lưu trữ và phân phối phôi cho toàn bộ

hệ thống Phôi được chứa trong hộp đựng phôi và được đẩy xuống băng tải nhờ Xilanh đẩy phôi Cảm biến quang điện sẽ phát hiện sự có mặt của phôi trên băng tải vàbật tín hiệu cho băng tải hoạt động, di chuyển phôi đến cuối băng tải Khi phôi đếncuối băng tải nhờ cảm biến quang đặt trên băng tải phát hiện và sau một thời gian trễthì tín hiệu gọi cánh tay rôbốt hai bậc được bật lên Cánh tay rôbốt sẽ ghắp phôi từbăng tải trạm 1 đặt sang trạm kế tiếp để chuẩn bị cho các quá trình gia công tiếp theo

Hình 1.1: Trạm phân phối vật gia công.

1.1.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:

 Mô hình băng tải : Di chuyển phôi

 Cơ cấu cấp phôi : Cung cấp phôi xuống băng tải

 Phôi với 3 loại khác nhau : Phôi nhựa với 2 màu trắng, đen và phôi sắt.Ngoài ra, có một số phôi bị lỗi được đưa vào để phân biệt với những phôi trên

Trang 7

 Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, cảm biến, van điện

 Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222

 Module mở rộng EM 223

 Module truyền thông PROFIBUS EM 277

 Cảm biến quang : Sử dụng loại khuếch tán, phát hiện phôi ở cơ cấu cấp phôi vacuối băng tải

 Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc độ động cơ Băng tải

 Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch và đèn báo

1.2.1 Tìm hiểu về quy trình công nghệ trạm kiểm tra sản phẩm

Khi trạm cấp phôi hoàn thành công đoạn cấp phôi, trạm kiểm tra sản phẩm

có nhiệm vụ kiểm tra phôi bị lỗi hay không (dài quá hoặc ngắn quá coi là phôi lỗi - phế phẩm) nhờ hai cảm biến từ đo độ cao của phôi Bảng chân lý để nhận biết phôi thành phẩm và phôi phế phẩm như sau:

Đặc điểm phôi Cảm biến từ 1 Cảm biến từ 2 Kết luận

từ tính, cảm biến mầu sắc phát hiện những phôi màu trắng Bảng chân lý để nhận biết phôi như sau:

Đặc điểm phôi Cảm biến quang Cảm biến tiệm cận Cảm biến màu sắc

Trang 8

từng loại phôi và truyền tín hiệu sang trạm Gia công sản phẩm để gia công theo yêucầu công nghệ của từng loại phôi

Hình 1.2: Trạm kiểm tra sản phẩm.

 Mô hình băng tải : Di chuyển phôi

 Cơ cấu kiểm tra phôi : Nâng và hạ phôi lên xuống để kiểm tra phôi có phải

là thành phẩm hay phế phẩm

 Xy lanh khí : Đẩy phôi xuống băng tải hoặc thùng đựng phế phẩm khi có tínhiệu từ van điện

 Van điện : Điều khiển đóng/mở xy lanh khi có tín hiệu yêu cầu từ PLC

 Bộ nguồn 24 VDC : Cấp nguồn 24 VDC cho mạch điện tử, cảm biến, van điện

 Module mở rộng EM 223

 Module truyền thông PROFIBUS EM 277

 Cảm biến quang : Sử dụng loại khuếch tán, phát hiện phôi ở cuối băng tải

 Cảm biến từ : Giới hạn trên/dưới cho cơ cấu kiểm tra phôi và phân biệtphôi có bị lỗi hay không

 Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc độ động cơ Băng tải

Trang 9

1.3.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm xử lý gia công phôi

Trạm xử lý gia công nhận phôi từ trạm kiểm tra phôi Phôi sau khi được xác định không bị lỗi sẽ bắt đầu quá trình gia công ở trạm này theo yêu cầu công nghệ của từng loại phôi theo bảng chân lý như sau:

Đặc điểm phôi Khoan lỗ trên bề mặt Kiểm tra lỗ của phôi

Mâm xoay sẽ xoay từng bước phù hợp với yêu cầu nhờ tín hiệu từ cảm biến vàđộng cơ một chiều Hamonic Động cơ khoan sẽ di chuyển lên xuống nhờ cơ cấu xylanh Khi phôi dừng tại vị trí khoan, động cơ khoan sẽ được hạ xuống và khoan lỗ, quátrình này thực hiện trong vài giây sau đó động cơ khoan trở về vị trí ban đầu nhờ xylanh đẩy lên Tiếp theo, quá trình kiểm tra lỗ vừa khoan nhờ một xy lanh

Hình 1.3: Trạm xử lý gia công phôi.

1.3.2 Kết cấu thiết bị bao gồm :

 Cơ cấu mâm xoay 6 vị trí : Di chuyển phôi lần lượt đến các vị trí gia công

 Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, cảm biến, động

Trang 10

 Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc độ động cơ Băng tải.

 Cảm biến tiệm cận : Phát hiện loại phôi có tính chất từ tính

 Cảm biến màu : Phát hiện phôi có màu đen hoặc trắng

 Cơ cấu khoan : Gia công phôi

 Xy lanh khí : Giữ phôi để khoan dễ dàng

 Van điện : Nhận tín hiệu từ PLC để đóng/mở xy lanh

 Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo

Trang 11

 Module mở rộng EM 223 : Module mở rộng vào/ra số

 Module EM 277 : Module truyền thông PROFIBUS – DP

 Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC

 Robot SCARA

 Phần mềm điều khiển Robot Scara

1.5.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm lắp ráp sản phẩm

Phôi được chuyển đến trạm lắp ráp sản phẩm nhờ Robot SCARA Khi phôi đượcđưa đến đầu băng tải, cảm biến quang sẽ phát hiện, gửi tín hiệu về PLC S7 200 yêucầu cơ cấu giữ sản phẩm thực hiện nguyên công giữ Khi sản phẩm được giữ chắcchắn, cơ cấu lắp ráp sản phẩm sẽ thực hiện Sau khí lắp ráp xong, cơ cấu kẹp vật nhả

ra, sản phẩm chạy đến cuối băng tải, sẵn sàng cho trạm tiếp theo

Hình 1.5 Trạm lắp ráp sản phẩm

 Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, cảm biến

Trang 12

 Cơ cấu lắp ráp sản phẩm.

 Xy lanh khí : Giữ phôi để lắp ráp

1.6.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm Robot cánh tay khí nén di chuyển vật

Sau khi sản phẩm được lắp ráp hoàn thiện ở trạm lắp ráp, một tín hiệu sẽ đượcbật lên để gọi cánh tay khí nén hoạt động, chuyển động sang trái về phía sản phẩm cầngắp Cánh tay khí nén di chuyển bằng cơ cấu khí nén hành trình được điều khiển chínhxác tại vị trí của sản phẩm Sau khi kẹp được sản phẩm, tay khí nén di chuyển sangphải và đặt sản phẩm cho trạm kế tiếp

Hình 1.6 Cánh tay khí nén di chuyển vật

 Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, van điện

Trang 13

 Module EM 277 : Module truyền thông PROFIBUS – DP

 Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và van điện

 Xy lanh khí : Kẹp sản phẩm

 Cánh tay khí nén : Ghắp vật sang trạm tiếp theo

1.7.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm lưu kho sản phẩm

Sản phẩm lắp ráp hoàn thiện được cánh tay khí nén gắp sang băng tải của trạmlưu kho Băng tải di chuyển sản phẩm đến cuối hành trình Trên băng tải có 3 loại cảmbiến để phân loại sản phẩm : Cảm biến tiệm cận phát hiện sản phẩm từ tính, cảm biếnmàu sắc phát hiện sản phẩm màu trắng, cảm biến quang phát hiện sản phẩm màu đen.Tương ứng với mỗi sản phẩm đó, sẽ có tín hiệu gọi Robot lưu kho và lưu vào các hàngtương ứng 1, 2 hoặc 3

Hình 1.7 trạm lưu kho sản phẩm

 Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, van điện, cảm

Trang 14

 Robot lưu kho tự động.

 Xy lanh khí : Kẹp sản phẩm

1.8.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm điều khiển và giám sát trung tâm

Trạm điều khiển và giám sát sử dụng bộ điều khiển PLC S7 300 CPU 313C-2DP

và màn hình giám sát HMI – TP 177A Bộ PLC S7 300 sẽ nhận tín hiệu từ 8 bộ PLCS7 200 truyền lên và xuất tín hiệu điều khiển xuống các trạm thông qua mạngPROFIBUS Đồng thời, màn hình HMI – TP 177A sẽ điều khiển và giám sát các biếnnhớ, các đầu vào/ra, tín hiệu từ cảm biến hiển thị lên màn hình

Hình 1.8.1 Trạm điều khiển và giám sát trung tâm

Trang 15

 Bộ nguồn PS 2A : Cung cấp nguồn cho PLC S7 300 và màn hình

 TP 177A

 Bộ điều khiển lập trình PLC S7 300 CPU 313C-2DP

 Màn hình giao tiếp HMI – TP 177A

Trang 16

Màn hình TP 177A sẽ điều khiển và giám sát các biến của PLC trong các trạmthông qua mạng PROFIBUS Cho phép hiển thị trạng thái của các biến, các đầu vào/ra,tín hiệu từ cảm biến về lên màn hình Đồng thời, có thể điều khiển từ màn hình vớichức năng đa điểm chạm (Touch Panel).

Hình 1.8.4 Màn hình điều khiển TP 177A

1 Rãnh tháo lắp màn hình

2 Màn hình hiển thị và điều khiển với chức năng đa điểm

Trang 17

CHƯƠNG 2:

THIẾT LẬP MẠNG PROFIBUS-DP, XÂY DỰNG LƯU ĐỒ THUẬT

TOÁN VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 2.1 Cấu hình mạng PROFIBUS-DP với phần mềm STEP 7

Các bước lập trình và cấu hình mạng truyền thông lần lượt thực hiện như sau:

Vào START  SIMATIC  SIMATIC Manage để kích hoạt phần mềm lập

trình STEP 7 V5.5

Hình 3.1: Cách vào phần mềm lập trình STEP 7 V5.5.

Phần mềm STEP7 được mở ra, vào File  New trên giao diện chính.

Trang 18

Hình 3.2: Cách tạo một Project mới

Tiếp theo kích chọn Insert  Station  SIMATIC 300 Station để tạo một trạm

PLC S7 300 trong Project

Hình 3.3: màn hình thiết lập trạm S7 - 300

Trang 19

Khi nhấn chọn trạm sẻ xuất hiện biểu tượng Hardware

Hình 3.4.: Chọn biểu tượng Hardware

Project có tên DOANTOTNGHIEP_FMS_2012 đã được thêm phần cứng bên trong là một trạm PLC S7 300 Kích đúp trái chuột vào SIMATIC 300(1) bắt đầu cấu

hình phần cứng cho Project

Cửa sổ HW_config cho phép người lập trình thiết lập cấu hình phần cứng của

toàn bộ hệ thống ngoài thực tế bao gồm trạm chủ PLC S7 300, các trạm tớ PLC S7

200 và chuẩn kết nối trong mạng truyền thông

Trong mục SIMATIC 300 chọn RACK-300, kích và giữ trái chuột vào Rail và thảvào phần trống bên trái

Trang 20

 X2 DP

 2.2 DI16/DO16

 2.4 Count

Lần lượt kéo thả các phần cứng đó vào đúng Slot sẽ được cấu hình như hình dưới

Hình 3.6: Giao diện sau khi cài xong phần cứng

Khi ta kéo chọn CPU 313C – 2DP vào Rail, sẽ xuất hiện hộp thoại

Hình 3.7 : Màn hình sau khi đặt CPU vào Slot 2

Tiếp theo chọn New ta làm theo như các hình vẽ sau:

Trang 21

Hình 3.8: Cấu hình mạng Profibus

Hình 3.9: Chọn tốc độ truyền cho mạng Profibus

Nhấn OK để kết thúc thiết lập địa chỉ và tốc độ truyền cho mạng Profibus, tađược kết quả như sau:

Trang 22

Hình 4.0: Mạng Profibus được thiết lập

Hình 4.1: Mạng Profibus được thiết lập hoàn chỉnh

Để gán các bộ PLC S7 200 vào mạng và thực hiện quá trình trao đổi dữ liệu giữaPLC S7 300 ta cấu hình module EM 277 vào mạng như sau:

Chọn PROFIBUS DP  Additional Field Devices  PLC  SIMATIC 

EM 277 PROFIBUS – DP Kéo và thả module EM 277 vào “cable profibus” bên trái.

Trang 23

Trang 24

Sau khi lập trình xong 7 trạm, tiến hành download cho trạm Master PLC S7 300trước với cấu hình mạng MPI Sau đó, chuyển sang cấu hình mạng PROFIBUS vàdownload cấu hình này xuống PLC S7 300 Các bước tiến hình như sau:

Vào Options  SetPG/PC Interface

Trong cửa sổ tiếp theo chọn chuẩn giao tiếp MPI => PC Adapter(MPI), kích chọnProperties, chọn cổng truyền thông của Cable USB hoặc COM

Kích OK kết thúc quá trình chọn chuẩn giao tiếp Sau đó, tiến hành Download

chương trình của PLC S7 300 vào CPU(qua cổng MPI_COM1) Kích vào biểu tượngDownload:

Trang 25

Sau khi toàn bộ chương trình của PLC S7 300 đã được Download vào CPU củaPLC S7 300 qua cổng MPI, tiếp theo để toàn bộ hệ thống giao tiếp được với nhau qua

mạng PROFIBUS, tiến hành chọn chuẩn giao tiếp PROFIBUS Bắt đầu với việc cấu

hình trên phần mềm PLC S7 200 như hình sau:

Trang 26

Kích OK kết thúc quá trình chọn chuẩn giao tiếp Sau đó, tiến hành Download

chương trình của PLC S7 200 vào CPU qua cổng PROFIBUS_USB

2.1 Chương trình điều khiển trạm Master (PLC S7 300)

2.1.1 Bảng khai báo Symbol

Trang 27

Trang 28

2.1.2 Chương trình điều khiển

Trang 29

Trang 31