Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường: Nghiên cứu, điều khiển mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt phục vụ giảng dạy và nghiên cứu khoa học

Kết quả nghiên cứu: • Thiết kế và xây dựng thành công mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt • Xây dựng tài liệu hướng dẫn với một số bài ví dụ cơ bản liên quan đến các bước hoàn thiện 1 bà

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG

Hải Phòng, tháng 3 năm 2023

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG BIỂU - HÌNH VẼ iv

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU viii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Nhiệm vụ nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Đóng góp chính của đề tài 3

7 Cấu trúc đề tài 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT LINH HOẠT VÀ DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP 5

1.1 Sản xuất tự động linh hoạt từng phần 5

1.1.1 Tự động hóa từng phần 5

1.1.2 Tính linh hoạt của hệ thống sản xuất 7

1.1.3 Tự động hoá sản xuất linh hoạt 7

1.2 Thao tác lắp ráp tự động linh hoạt 8

1.3 Cung cấp vật liệu tự động linh hoạt 9

1.3.1 Cung cấp tự động linh hoạt liên tục 9

1.3.2 Cung cấp tự động linh hoạt không liên tục 11

1.4 Dây chuyền sản xuất tự động 11

1.5 Một số dây chuyền tự động trong công nghiệp 14

1.5.1 Dây chuyền lắp ráp mạch máy in 14

1.5.2 Dây chuyền lắp ráp ô tô công nghiệp 15

1.6 Hệ thống dẫn hướng quá trình sản xuất 16

Kết luận chương 1 19

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG SẢN XUẤT LINH HOẠT 20

2.1 Đặt vấn đề 20

2.2 Đề xuất mô hình 22

2.2.1 Yêu cầu về công nghệ của hệ thống 22

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của mô hình 23

2.3 Lựa chọn thiết bị sử dụng trong mô hình 26

2.3.1 Lựa chọn thiết bị điều khiển và giám sát 26

2.3.2 Lựa chọn thiết bị chấp hành 33

2.3.3 Lựa chọn thiết bị đo lường, cảm biến 36

2.4 Thống kế các thiết bị sử dụng trong hệ thống 42

2.5 Mô Hình hệ thống sản xuất linh hoạt sau khi thiết kế xong 43

Kết luận chương 2 43

Chương 3 NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 44

3.1 Phương án ghép nối các thiết bị phần cứng 44

3.1.1 Sơ đồ mạch cấp nguồn 44

3.1.2 Sơ đồ mạch ghép nối đầu vào, ra của PLC 45

3.2 Sơ đồ mạch cấp khí hệ thống 48

3.3 Lưu đồ thuật giải quá trình điều khiển 51

3.4 Bảng quy hoạch đầu vào ra 53

3.5 Lập trình điều khiển cho PLC 54

3.5.1 Chương trình điều khiển (Phụ lục 1) 54

3.5.2 Các bước nạp trương trình vào PLC 54

3.6 Điều khiển và giám sát hệ thống 58

3.7 Phần mềm hỗ trợ Got GT Designer 60

3.7.1 Cài đặt chương trình 61

3.7.2 GT Simulator 65

3.7.3 Các chức năng khác của GT Simulator 67

3.7.4 Mô phỏng chương trình 69

3.8 Xây dựng hệ thống giám sát trên phần mềm GT Designer 3 70

3.8.1 Màn hình đăng nhập 70

3.8.2 Màn hình chạy chế độ 71

3.9 Ứng dụng mô hình trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học 75

3.9.1 Học phần PLC và ứng dụng 75

3.9.2 Học phần phần tử tự động và cảm biến 82

3.9.3 Học phần Lập trình cho các thiết bị công nghiệp 83

3.9.4 Học phần khác 84

Kết luận chương 3 84

KẾT LUẬN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 PHỤ LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU - HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt 5

Hình 1.2: Robot trong các thiết bị gia công 8

Hình 1.3: Một số loại robot lắp ráp 8

Hình 1.4: Cung cấp vật liệu linh hoạt 9

Hình 1.5: Cung cấp dạng băng tải mắt xích 9

Hình 1.6: Bộ cung cấp dạng ống con lăn 10

Hình 1.7: Phễu rung cấp phôi tự động 10

Hình 1.8: Dây chuyền lắp ráp màn hình điện thoại Vsmart 11

Hình 1.9: Dây chuyền lắp ráp ô tô 12

Hình 1.10: Vị trí lắp ráp trong dây truyền tự động 13

Hình 1.11: Dây chuyền lắp ráp mạch máy in 14

Hình 1.12: Chuỗi dây chuyền lắp ráp vỏ xe ô tô 15

Hình 1.13: Dây chuyền lắp ráp động cơ ô tô 16

Hình 1.14: Sơ đồ hệ thống dẫn hướng quá trình sản xuất 19

Hình 2.1: Công đoạn 01 cấp phôi 23

Hình 2.2: Công đoạn 02 di chuyển phôi 24

Hình 2.3: Công đoạn 03 đóng gói sản phẩm 24

Hình 2.4: Mô hình đề xuất 25

Hình 2.5: PLC Mitshubishi FX3GC- JE 20A 26

Hình 2.6: Phần mềm điều khiển 27

Hình 2.7: Chọn dòng PLC 27

Hình 2.8: Giải thích ký hiệu GX Works2 28

Hình 2.9: Hướng dẫn sử dụng GX Works2 28

Hình 2.10: Một số chương trình điều khiển 29

Hình 2.11: Màn hình HMI GOT1000 Mitsubishi 29

Hình 2.12: Sơ đồ đấu điện của động cơ Secvo 30

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý hoạt động 30

Hình 2.14: Trục vítme 32

Hình 2.15: Nguồn FDR30-24 32

Hình 2.16: Cầu đấu dây điện 33

Hình 2.17: Mặt cắt xilanh đơn 33

Hình 2.18: Mặt cắt xilanh kép 34

Hình 2.19: Xilanh khí nén dùng trong hệ thống 34

Hình 2.20: Xi lanh quay 35

Hình 2.21: Ký hiệu và mặt cắt 35

Hình 2.22: Ký hiệu và mặt cắt nguyên lý 36

Hình 2.23: Cụm van điện từ dùng trong hệ thống 36

Hình 2.24: Đồng hồ đo áp suất khí nén 37

Hình 2.25: Sơ đồ mạch điện đồng hồ đo áp xuất khí nén 37

Hình 2.26: Van điều áp TPC PR2 37

Hình 2.27: Sơ đồ mạnh điện cảm biến D-A93 38

Hình 2.28: Cảm biến sợi quang 39

Hình 2.29: Cảm biến quang chữ u 40

Hình 2.30: Hình ảnh một số loại cảm biến 41

Hình 2.31: Mô hình sau khi thiết kế xong 43

Hình 3.1: Sơ đồ mạch cấp nguồn (Bản vẽ số 00) 44

Hình 3.2: Sơ đồ mạch ghép nối đầu vào của PLC (Bản vẽ số 01) 45

Hình 3.3: Sơ đồ ghép nối đầu ra của PLC (Bản vẽ số 2) 46

Hình 3.4: Sơ đồ mạch cấp khí (Bản vẽ số 6) 48

Hình 3.5: Sơ đồ mạch cấp khí (Bản vẽ số 7) 49

Hình 3.6: Lưu đồ thuật giải chương trình home (Bản vẽ số 10) 51

Hình 3.7: Lưu đồ quy trình điều khiển (Bản vẽ số 11) 52

Bảng 3.1: Bảng khai báo biến vào ra 53

Hình 3.8: Kiểm tra kết nối 54

Hình 3.9: Chọn cổng kết nối 54

Hình 3.10: Khởi động phần mềm 55

Hình 3.11: Chọn dòng CPU 55

Hình 3.12: Tốc độ truyền đạt 56

Hình 3.13: Chọn cổng kết nối vào 58

Hình 3.14: Tải chương trình lên xuống PLC 57

Hình 3.15: Tải chương trình xuống PLC 57

Hình 3.16: Chọn Execute để upload chương trình lên máy tính 58

Hình 3.17: Giao diện hiển thị trên GOT 58

Hình 3.18: Sử dụng GOT cho hệ thống điều khiển một hệ thống cơ bản 59

Hình 3.19: Hoạt động của hệ thống 59

Hình 3.20: Đóng tiếp điểm ON trên PLC 59

Hình 3.21: Đóng tiếp điểm ON trên Got 60

Hình 3.22: Đóng tiếp điểm OFF trên Got 60

Hình 3.23: Thanh công cụ và chức năng của giao diện 61

Hình 3.24: Truyền thông với Got 63

Hình 3.25: Chức năng Script trong GT Designer 2 64

Hình 3.26: Cài đặt cấu hình 66

Hình 3.27: Những thư mục trên màn hình giám sát 67

Hình 3.28: Lựa chọn ngôn ngữ lập trình 68

Hình 3.29: Giao diện lập trình PLC 69

Hình 3.30: Hộp thoại GT Simulator 69

Hình 3.31: Đăng nhập Pass vào hệ thống 70

Hình 3.32: Màn hình đổi mật khẩu 70

Hình 3.33: Kiểm tra pass 71

Hình 3.34: Màn hình cài đặt tham số chạy Auto 71

Hình 3.35: Màn hình cài đặt tham số chạy Auto 72

Hình 3.36: Màn hình cài đặt tham số chạy Manua 72

Hình 3.37: Màn hình cài đặt tham số Servo 73

Hình 3.38: Màn hình Tranfer 1 73

Hình 3.39: Màn hình Tranfer 2 74

Hình 3.40: Màn hình Tranfer 3 74

Hình 3.41: Mô hình công đoạn cấp phôi 77

Hình 3.42: Mô hình công đoạn di chuyển phôi 79

Hình 3.43: Mô hình công đoạn hoàn thiện sản phẩm 81

Hình 3.44: Mạch điện đấu nối cảm biến 82

Hình 3.45: Mạch điện đấu nối động cơ Servo 83

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

PID Proportional – Integral –

Qui trình hướng đối tượng cho hệ thống nhúng

SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt

I Input Đầu vào

Q Output Đầu ra

DC Direct Current Dòng điện một chiều

AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều

RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên ROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc

Mẫu T14b

UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG NĂM HỌC 2022 - 2023

1 Thông tin chung:

Tên đề tài: Nghiên cứu, điều khiển mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt phục vụ

giảng dạy và nghiên cứu khoa học

Mã số:

Chủ nhiệm: ThS Vũ Văn Quang

Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Hải Phòng

Thời gian thực hiện: 12 tháng (2021 - 2022)

2 Mục tiêu:

Nghiên cứu và hoàn thiện mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt với 3 khâu chính: Khâu cấp phôi, khâu di chuyển và khâu hoàn thiện sản phẩm có tính ứng dụng cao Trong đó các khâu linh hoạt và phụ thuộc vào nhau để mô phỏng một dây chuyền sản xuất thực tế có giám sát và điều khiển trung tâm

3 Tính mới và sáng tạo:

Đề tài của nhóm tác giả sau khi hoàn thành có thể là mô hình tham khảo giảng dạy cho sinh viên rất nhiều học phần kể cả thực hành và lý thuyết, từ thăm quan hệ thống tự động đến lập trình điều khiển Giảng viên có thể sử dụng mô hình để lập trình kiểm chứng các bài toán điều khiển khác nhau, giảng dạy về động cơ Secvo, và một số bài toán điều khiển giám sát nghiên cứu khoa học So sánh các dòng PLC với nhau về cách đấu nối cơ bản cũng như tập lệnh lập trình

Nghiên cứu của nhóm tác giả bộ môn Điện, trường Đại học Hải Phòng hiện tại vẫn đang trong quá trình phát triển và hoàn thiện để mang lại hiệu quả rất lớn về mặt kinh tế, giảm giá thành sản phẩm, mang đến cho các cơ sở đào tạo một giải pháp thực hành tối ưu nhất Hiện tại mô hình thực hành này không chỉ giúp sinh viên, cơ sở đào tạo học tập môn PLC mà còn giúp người học học tập được rất nhiều học phần khác nhau như khí cụ điện, lắp ráp mạch điều khiển, mạch động lực… Đặc biệt khi lập trình hay muốn thay đổi thiết bị điều khiển trên mô hình thì gần như không phải thay đổi phần cứng mà vẫn đáp ứng được yêu cầu bài toán Đồng thời có thể làm mô hình giới thiệu sản phẩm chuyển giao công nghệ các thiết bị điều khiển và giám sát công nghiệp

4 Kết quả nghiên cứu:

• Thiết kế và xây dựng thành công mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt

• Xây dựng tài liệu hướng dẫn với một số bài ví dụ cơ bản liên quan đến các bước hoàn thiện 1 bài toán sản xuất từ khâu yêu cầu công nghệ đến các lựa chọn thiết

bị, thiết kế phần cứng và lập trình điều khiển giám sát

• Đề tài hoàn thiện giúp cho việc học của sinh viên nâng cao trình độ kiến thức của mình, có cái nhìn trực quan và thích thú với việc học Sinh viên có thể thực hành, điều khiển được một số bài toán điều khiển và lập trình với các thiết bị mô phỏng gần với thực tế

• Nâng cao chất lượng giảng dạy, nghiên cứu khoa học của giảng viên cho sinh viên khi thực hành trên mô hình thực

5 Công bố sản phẩm khoa học từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí

năm xuất bản và minh chứng kèm theo nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp

dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Hoàn thiện bản thảo bài báo khoa học

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Công trình thành công sẽ mở ra cơ hội phát triển và tiềm năng thực hành cho các phòng thực hành và các trung tâm đào tạo, chuyển giao công nghệ Nó hứa hẹn khả năng phát triển rất lớn đặc biệt là trong thời đại công nghiệp 4.0 hiện nay, các phần mềm ngày càng phát triển, các thiết bị thay đổi từng ngày Công trình phù hợp cho các trường và các cơ sở cần học tập về PLC nói riêng và lĩnh vực điện điều khiển công nghiệp nói chung khi không cần đầu tư nhiều kinh phí mà vẫn thay đổi được mô hình thực thực hành

Đề tài hiện đã chế tạo và thực nghiệm thành công tại bộ môn Điện Khoa Điện –

Cơ, trường Đại học Hải Phòng Ngoài thiết bị điều khiển trung tâm là một trong những thành phần quan trọng của công trình thì công trình còn thực hành được rất nhiều phần trong lĩnh vực điện nói chung Nếu được phổ biến rộng rãi công trình sẽ là mô hình thực hành không thể thiếu ở rất nhiều địa chỉ như cơ sở đào tạo nói chung, các trung tâm dạy nghề hay các công ty, xí nghiệp muốn đào tạo đội ngũ từ thực hành lập trình điều khiển cho đến tay nghề như đấu dây, bấm cos…

Hải Phòng, ngày tháng 03 năm 2023

Chủ nhiệm đề tài

(Ký và ghi rõ họ tên)

ThS Vũ Văn Quang

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

- Chúng ta đang nhắc đến cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 (CMCN4) Sở

dĩ vậy vì cuộc cách mạng công nghiệp này không như những cuộc cách mạng công nghiệp trước nhằm vào lĩnh vực công nghiệp, là lĩnh vực ta có khoảng cách rất lớn so với các nước phát triển, mà nhằm vào công nghệ số, đem tiến bộ của công nghệ số tới mọi lĩnh vực khác Nếu xét về công nghiệp ô-tô, công nghiệp robot… ta có thể cách các nước phát triển nhiều chục năm, thậm chí cả trăm năm, nhưng ta có thể cách không xa các nước này ở một số công nghệ số, nếu có cách làm

- Xây dựng được lực lượng, phát triển khoa học dữ liệu và sử dụng được khoa học dữ liệu rộng rãi sẽ cho phép ta ‘thu hẹp khoảng cách số’ trong nhiều lĩnh vực, có thể tạo ra sự đột phá cho nhu cầu phát triển của đất nước Việc làm chủ được công nghệ số đòi hỏi đầu tư hiệu quả cho các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng chọn lọc, cần rất nhiều thay đổi ở các trường Đại học và doanh nghiệp

- Trong khi chúng ta đang trăn trở làm sao để giáo dục đào tạo Việt nam có thể bắt kịp thế giới, Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 sẽ buộc các trường Đại học phải thay đổi phương thức đào tạo truyền thống Trường Đại học Hải Phòng cũng cũng bắt đầu thay đổi khi đẩy cao công tác thực hành thực tập, lấy người học làm trung tâm, đào tạo gắn liền với thực tiễn và nhu cầu xã hội

- Các đề tài khoa học nói chung thực sự cần thiết đối với một kỹ sư điều khiển

tự động và giảng viên trong công tác nghiên cứu Với mục đích bổ sung cơ cở vật chất tại trường ĐHHP nhằm đào tạo đội ngũ kỹ sư Điện có tay nghề cao, lập trình PLC thành thạo, đội ngũ giảng viên có kiên thức chuyên môn tốt Nhất là trong giai đoạn hiện nay Khoa Điện – Cơ, Trường Đại học Hải Phòng được xây dựng thành khoa trọng điểm, chương trình đào tạo đang thay đổi để thích ứng với yêu cầu xã hội, trong

đó vấn đề thực hành đang đặt trọng số 30% trong cấu trúc một học phần Vì vậy nhu cầu về thực hành ngày càng lớn kể cả với những học phần giảng dạy lý thuyết Hơn nữa để đầu tư một phòng thực hành tiêu chuẩn có thể thực hành và kết hợp giảng dạy được nhiều học phần thì mất nhiều kinh phí và thời gian

- Các mudule thực hành hiện nay hầu hết chưa được đầu tư nâng cấp chủ yếu sắp xếp rời rạc, đặc biệt là các bộ điều khiển như PLC, vi xử lý… Không thuận tiện và

khoa học trong quá trình giảng dạy thực hành Sản phẩm khoa học của nhóm sẽ giúp sinh viên thực hành trực quan, liên thông giữa các phần và học phần với nhau mà không phải xây dựng lại phần cứng Giảng viên có thể nghiên cứu các bài toán lập trình phức tạp hơn cùng trên 1 mô hình Do vậy đề tài đáp ứng được yêu cầu đề ra là vừa phục vụ giảng dạy vừa nghiên cứu khoa học cho giảng viên và sinh viên

- Với ý nghĩa đó, đề tài NCKH “Nghiên cứu, điều khiển mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt phục vụ giảng dạy và nghiên cứu khoa học” là một đề tài thiết

thực, có tính ứng dụng cao

2 Mục đích nghiên cứu

1) Nghiên cứu và hoàn thiện mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt với 3 khâu chính: Khâu cấp phôi, khâu di chuyển và khâu hoàn thiện sản phẩm có tính ứng dụng cao Trong đó các khâu linh hoạt và phụ thuộc vào nhau để mô phỏng một dây chuyền sản xuất thực tế có giám sát và điều khiển trung tâm

2) Xây dựng mô hình sản xuất đa dạng các thiết bị điện, cảm biến, module thực

tế ngoài thị trường để sinh viên có cơ hội tiếp cận so sánh và học tập

3) Với mô hình sản xuất linh hoạt sinh viên và giảng viên có thể tiếp cận từ cách đấu nối, đi dây đến thiết kế điều khiển, lập trình hay xa hơn nữa là thiết kế giám sát cấp cao hơn

Đề tài của nhóm tác giả sau khi hoàn thành có thể là mô hình tham khảo giảng dạy cho sinh viên rất nhiều học phần kể cả thực hành và lý thuyết, từ thăm quan hệ thống tự động đến lập trình điều khiển Giảng viên có thể sử dụng mô hình để lập trình kiểm chứng các bài toán điều khiển khác nhau, giảng dạy về động cơ Secvo, và một số bài toán điều khiển giám sát nghiên cứu khoa học So sánh các dòng PLC với nhau về cách đấu nối cơ bản cũng như tập lệnh lập trình

Hướng tới đào tạo kỹ sư thực hành để tham khảo cũng như giảng dạy một số học phần trong chương trình đào tạo

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt với các thiết bị đảm bảo an toàn công nghiệp

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu đề xuất mô hình, lựa chọn thiết bị Ghép nối hoàn thiện phần cứng, Thiết kế sơ đồ mạch điện Lập trình điều khiển và giám sát HMI Với thiết bị sử dụng trong mô hình theo tiêu chuẩn công nghiệp

Mô hình điều khiển hiện nay mới chỉ sử dụng thiết bị điều khiển trung tâm của hãng Mitsubitshi, chưa đa dạng về chủng loại, tuy nhiên đây là một trong những bộ điều khiển hiện nay sử dụng rất nhiều

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Hoàn thiện mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt có thể chạy thử nghiệm và báo cáo khoa học hoàn chỉnh

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

- Phương pháp thực hành thực nghiệm xây dựng mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt với các thiết bị đã được kiểm chứng trong công nghiệp

- Phương pháp chuyên gia để viết lưu đồ và lập trình điều khiển hệ thống

- Phương pháp khảo sát thực nghiệm sau khi hoàn thành hệ thống sản xuất linh hoạt

kinh tế, giảm giá thành sản phẩm, mang đến cho các cơ sở đào tạo một giải pháp thực hành tối ưu nhất Hiện tại mô hình thực hành này không chỉ giúp sinh viên, cơ sở đào tạo học tập môn PLC mà còn giúp người học học tập được rất nhiều học phần khác nhau như khí cụ điện, lắp ráp mạch điều khiển, mạch động lực… Đặc biệt khi lập trình hay muốn thay đổi thiết bị điều khiển trên mô hình thì gần như không phải thay đổi phần cứng mà vẫn đáp ứng được yêu cầu bài toán Đồng thời có thể làm mô hình giới thiệu sản phẩm chuyển giao công nghệ các thiết bị điều khiển và giám sát công nghiệp

Công trình thành công sẽ mở ra cơ hội phát triển và tiềm năng thực hành cho các phòng thực hành và các trung tâm đào tạo, chuyển giao công nghệ Nó hứa hẹn khả năng phát triển rất lớn đặc biệt là trong thời đại công nghiệp 4.0 hiện nay, các phần mềm ngày càng phát triển, các thiết bị thay đổi từng ngày Công trình phù hợp cho các trường và các cơ sở cần học tập về PLC nói riêng và lĩnh vực điện điều khiển công nghiệp nói chung khi mà không cần đầu tư nhiều kinh phí khi muốn thay đổi

Đề tài hiện đã chế tạo và thực nghiệm thành công tại bộ môn Điện Khoa Điện –

Cơ, trường Đại học Hải Phòng Ngoài thiết bị điều khiển trung tâm là một trong những thành phần quan trọng của công trình thì công trình còn thực hành được rất nhiều phần trong lĩnh vực điện nói chung Nếu được phổ biến rộng rãi công trình sẽ là mô hình thực hành không thể thiếu ở rất nhiều địa chỉ như cơ sở đào tạo nói chung, các trung tâm dạy nghề hay các công ty, xí nghiệp muốn đào tạo đội ngũ từ thực hành lập trình điều khiển cho đến tay nghề như đấu dây, bấm cos…

7 Cấu trúc đề tài

Ngoài phần mở đầu, tài liệu tham khảo, nội dung chính của đề tài gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về sản xuất linh hoạt và dây chuyền tự động trong công nghiệp Chương 2: Xây dựng mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt

Chương 3: Nghiên cứu điều khiển giám sát và ứng dụng mô hình hệ thống

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT LINH HOẠT VÀ DÂY CHUYỀN

TỰ ĐỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP 1.1 Sản xuất tự động linh hoạt từng phần

1.1.1 Tự động hóa từng phần

Tự động hóa từng phần có nghĩa là tự động hóa từng nguồn công riêng biệt

Nó kết hợp lao động cơ khí hóa với tư động hóa và nó được ứng dụng ở những nơi mà sự tham gia trực tiếp của con người không thể thực hiện được (nguy hiểm đối với con người) hoặc đối với những công việc quá nặng nhọc và đơn điệu

Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing Systems) là một loạt các hệ thống khác nhau ở mức độ cơ giới hoá, di chuyển tự động, và điều khiển bằng máy Một FMS là một hệ thống được thể hiện với sự gia tăng máy móc và

sự tự động: Modul sản xuất linh hoạt, theo ụ, nhúm, hệ thống sản xuất, và dây chuyền

Hình 1.1: Mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt

- Nhìn chung, chủng loại sản phẩm sẽ tăng lên từ sản xuất theo modul đến hệ thống sản xuất linh hoạt Hệ thống sản xuất linh hoạt là sự chọn lựa tốt nhất cho loại hình sản xuất đa chủng loại nhưng sản lượng thấp

Hệ thống sản xuất tích hợp có trợ giúp của máy tính CIM (Computer Integrated Manufacturing) là hệ thống sản xuất tự động hoàn chỉnh có sự trợ giúp của máy tính Trong hệ thống CIM các chức năng thiết kế và chế tạo được gắn kết với nhau, cho phép tạo ra những sản phẩm nhanh chóng bằng các quy trình sản xuất linh hoạt và hiệu quả [1]

Một trong những hướng phát triển của nền công nghiệp là thiết lập các hệ thống sản xuất, nối kết năng suất của dây chuyền tự động hóa cứng với tính linh hoạt mà trước đây chỉ được tạo ra bởi lao động của con người Một trong những nguyên nhân của vấn đề nêu trên là sản xuất đơn chiếc và sản xuất loạt nhỏ chiếm tới 80% khối lượng của sản xuất công nghiệp Khi nói về dự báo, thì tỉ lệ này cũng được giữ trong tương lai Một nguyên nhân khác mà tại hội nghị quốc tế “Prolamat- 82” (Lơfningrad, Nga, tháng 5- 1982) cũng

đã thừa nhận đó là sự thuyên chuyển cán bộ từ khu vực sản xuất công nghiệp (đặc biệt là công nghiệp chế tạo máy vạn năng) sang khu vực dịch vụ Tuy nhiên, nguyên nhân “linh hoạt” chủ yếu là “Thiết lập hệ thống sản xuất linh hoạt FMS để tạo ra lực lượng sản xuất mới” có khả năng làm thay đổi bối cảnh xã hội, tạo ra một yếu tố chiến lược trong cạnh tranh kinh tế và quốc phòng giữa các nước

Các cơ cấu chính của FMS cũng đã được thiết kế từ lâu Một số cơ cấu này cũng đã được chế tạo và sử dụng vào đầu những năm 1970 (đương nhiên là trình độ phát triển công nghiệp thời kì đó) Tuy nhiên, chỉ vào tháng 11 năm 1978 trong tạp chí

“IRON AGE” đã đăng bài báo đầu tiên về “tính linh hoạt cuả sản xuất” Người ta mới

có ý tưởng về triển vọng của gia công cơ khí

Chỉ sau khi công nhận kết quả nghiên cứu của hãng “Koman” (Italia) về ba trung tâm gia công được sử dụng ở nhà máy “General Motos” để chế tạo bánh răng với hàng loạt hệ thống do các hãng của Nhật bản chế tạo thì hệ thống sản xuất linh hoạt FMS mới được sử dụng rộng rãi [1]

Tháng 10 năm 1982 tại hội nghị quốc tế về hệ thống sản xuất linh hoạt còn đề cập đến sản xuất tích hợp có trợ giúp của máy tính CIM CIM cũng có thể được gọi là hệ thống sản xuất tích hợp CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) Trong CIM chức năng thiết kế và chế tạo được gắn kết với nhau, cho phép tạo ra sản phẩm nhanh chóng bằng các quy trình sản xuất linh hoạt và hiệu quả Các thiết bị sản xuất tự động

và các máy riêng biệt được nối kết với các thiết bị truyền tải thông tin tạo thành một hệ thống nhất, cho phép khép kín chu trình chế tạo sản phẩm [1]

Hội nghị quốc tế lần thứ hai về FMS và CIM được tổ chức vào tháng 10 năm 1983 tại Luân Đôn (Anh) Tại hội nghị này đã có nhiều báo cáo về vốn đầu tư là một vấn đề chiến lược đối với các hãng sản xuất trong cuộc đấu tranh giành thị trường Các báo cáo này đều kết luận thiết lập một hệ thống sản xuất linh hoạt và hệ thống sản xuất tích hợp có trợ giúp của máy tính là một vấn đề không đơn giản Tuy

nhiên, cho đến ngày nay hệ thống sản xuất tự động hóa linh hoạt FMS và sản xuất tích hợp CIM đã và đang được phát triển ở trình độ cao

Khái niệm về CIM tuy chưa xuất hiện lâu (vào đầu những năm 70) nhưng ngày nay đã trở thành quen thuộc trong sản xuất hiện đại, cùng với sự phát triển của sản xuất, khoa học công nghệ đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hoá và phần mềm máy tính thì một hệ thống CIM được triển khai ở một cơ sở sản xuất công nghiệp ngày càng trở nên quen thuộc và trở thành chiến lược nền tảng của tích hợp các thiết bị và hệ thống sản xuất thông qua các máy tính hoặc các bộ vi xử lí

1.1.2 Tính linh hoạt của hệ thống sản xuất

Tính linh hoạt của hệ thống sản xuất là mức độ và khả năng thích ứng với chế tạo nhiều loại sản phẩm khác nhau một cách nối tiếp hoặc song song

Mức độ linh hoạt của hệ thống được xác định theo công thức sau:

Ở đây: – tính linh hoạt đạt đạt được

– tính linh hoạt yêu cầu

Nếu thì tính yêu cầu về tính linh hoạt được hoàn toàn thỏa mãn

Nếu thì hệ thống sản xuất có thừa tính linh hoạt (có tính linh hoạt dư thừa), có nghĩa là đối với các nhiệm vụ cụ thể, tính linh hoạt được sử dụng không hết

Nếu thì không phải tất cả các sản phẩm được chế tạo trong những điều kiện tối ưu hoặc là chỉ có một số sản phẩm được chế tạo

Giá thành để chế tạo ra tính linh hoạt của hệ thống sản xuất phụ thuộc vào hai yếu tố đó là yếu tố kỹ thuật và yếu tố tổ chức

1.1.3 Tự động hoá sản xuất linh hoạt

Tự động hoá sản xuất linh hoạt được dùng trong sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ (nhiều chủng loại chi tiết), nó dựa trên công nghệ nhóm và công nghệ điển hình với sử dụng các máy CNC, các modul sản xuất linh hoạt, các hệ thống kho chứa và vận chuyển tự động và các tổ hợp thiết bị với điều khiển bằng máy vi tính (ở mức độ thấp dựng các bộ vi xử lý, còn ở mức độ cao dùng các thiết bị máy tính lớn) Tự động hoá sản xuất linh hoạt được thể hiện ở việc điều chỉnh nhanh quy trình sản xuất để chế

tạo sản phẩm mới trong phạm vi thiết bị kỹ thuật cũng như trong phạm vi điều khiển (trong giới hạn khả năng của thiết bị công nghệ) [1]

1.2 Thao tác lắp ráp tự động linh hoạt

Lý do sử dụng robot công nghiệp

- Con người hóa cho công việc (Nóng, tiếng ồn, độc hại, nặng nhọc…)

- Giảm chi phí (Giảm giá sản phẩm mặc dù tăng giá cố định)

- Cải thiện chất lượng (Nâng cao chất lượng, tái sản xuất, khả năng dây chuyền)

- Tăng năng suất (Yêu cầu cao, thị trường lớn, chi phí cố định)

- Kéo dài thời gian chạy máy (Nghỉ, 2/3 ca, vận hành ít phải để ý)

Tháo lấy thiết bị

1.3 Cung cấp vật liệu tự động linh hoạt

Tiến trình biến đổi của dòng nguyên liệu

Hình 1.4: Cung cấp vật liệu linh hoạt

1.3.1 Cung cấp tự động linh hoạt liên tục

Cung cấp dạng băng tải mắt xích

- Hệ thống băng chuyền dạng mắt xích theo cơ chế đoàn tàu

- Thích hợp với quá trình vận chuyển thẳng hoặc đường cong vật phẳng, nhẹ

Hình 1.5: Cung cấp dạng băng tải mắt xích

Thiết bị cung cấp nguyên liệu, thiết bị cung cấp thông tin, thiết bị sản xuất, cơ sở hạ tầng, con người, năng lượng

Quá trình biến đổi

Sự thay đổi về thời gian, địa điểm, khối lượng, chất lượng trong hệ thống vận tải, cung cấp nguyên liệu

Dạng ống con lắn

- Các con lắn nối tiếp quay tự do và được gắn chặt bởi hai giá

- Thích hợp với việc vận chuyển phôi

Hình 1.6: Bộ cung cấp dạng ống con lăn

Bộ cung cấp dạng quay

- Cung cấp liên tục bằng dao động quay

- Động cơ mất cân bằng hoặc bộ tạo rung bằng điện từ gây dao động dạng xung

- Thích hợp với chi tiết nhỏ hoặc phôi liệu dạng đống

Hình 1.7: Phễu rung cấp phôi tự động

1.3.2 Cung cấp tự động linh hoạt không liên tục

Hệ thống giá đỡ

- Dùng lưu chứa phôi liệu

- Có thể di chuyển trên ray

Dạng ống lăn

- Di chuyển trên hệ thống mạng lưới thanh ray

- Được phối hợp với các hệ thống cung cấp và lưu hóa treo

Cần trục

- Di chuyển phôi liệu theo 3 trục

- Được dung trong xưởng gia công, lắp ráp hay xếp dỡ toa hang hay xe tải

1.4 Dây chuyền sản xuất tự động

Nội dung của quy trình công nghệ lắp ráp máy là xác định được trình tự và phương pháp lắp ráp các chi tiết máy để tạo thành sản phẩm thỏa mã các điều kiện kỹ thuật đề ra một cách kinh tế nhất

Hình 1.8: Dây chuyền lắp ráp màn hình điện thoại Vsmart

Nguyên công lắp ráp là một phần của quá trình lắp ráp được hoàn thành đối với một bộ phận hay sản phẩm tại một chỗ làm việc nhất định do một nhóm công nhân thực hiện một cách liên tục

Dây chuyền tự động hóa sản xuất hiểu đơn giản là công nghệ trong đó một quy trình hoặc công đoạn được thực hiện nhờ sự tham gia tối đa của máy tự động, robot và

sự xuất hiện cũng như can thiệp tối thiểu của con người Được sử dụng trong gia công

cơ khí, dây chuyền lắp ráp ô tô, lắp ráp xe máy tự động cũng như các ứng dụng kiểm tra, QC Tự động hóa và điều khiển được tích hợp các hệ thống điều khiển(PLC, mạch điện tử, G code )cho các thiết bị trong dây chuyền theo ý đồ của người thiết kế Các thông số trước, trong và sau mỗi công đoạn đều được lên kịch bản thực hiện và kiểm soát các rủi ro Bao gồm kiểm soát các thông số nhiệt độ, áp suất của các cơ cấu, máy móc, sản phẩm Phản hồi nhanh chóng về bộ phận kiểm soát và điều chỉnh cho phù hợp với yêu cầu đã đặt trước

Dây chuyền nhà máy được xây dựng dựa trên việc kết hợp, tích hợp một cách

có tuần tự, nhịp nhàng, chính xác và hiệu quả các hệ thống dây chuyền tự động, máy móc tự động, hệ thống robot lắp ráp, băng tải, xe tự hành AGV, kho thông minh trong cùng một nhà xưởng rộng lớn Dây chuyền nhà máy nhằm thực hiện một hoặc nhiều nhiệm vụ là sản xuất, lắp ráp, kiểm tra một hoặc nhiều sản phẩm hoàn thiện với các công đoạn từ vật liệu đầu vào cho đến sản phẩm đầu ra đảm bảo tiêu chuẩn và yêu cầu của nhà đầu tư

Vai trò, vị trí của dây chuyền tự động trong công nghiệp

Dây chuyền sản xuất tự động ra đời với sự trợ giúp của máy tự động, hệ thống handling, xe tự hành AGV, băng tải công nghiệp giúp nền sản xuất công nghiệp giảm thiểu sự tham gia của con người, giải phóng sức lao động nâng cao năng suất lao động một cách rõ rệt

Hình 1.9: Dây chuyền lắp ráp ô tô

Dây chuyền sản xuất (production line) được hiểu đơn giản là một tập hợp các máy móc tự động, bán tự động giúp thực hiện một hoặc nhiều các hoạt động một cách tuần tự dưới sự vận hành kiểm soát của con người Với sự phát triển của nền sản xuất công nghiệp hiện đại, máy móc và trí tuệ nhân tạo đang góp phần làm giảm sự hiện diện của con người trong các công đoạn Dây chuyền tự động xuất hiện và đang trở thành xu thế trong nền công nghiệp sẽ giải quyết tốt hơn bài toán năng suất độ chính xác và tính ổn định trong sản xuất

Các dây chuyền tự động với sự xuất hiện của robot, xe tự hành AGV, băng tải công nghiệp, hệ thống cấp phôi tự động tạo ra nhiều phương án linh hoạt với nhiều kịch bản cho nhà máy của bạn Từ đó ứng dụng vào nhiều công đoạn khác nhau trong quá trình tạo ra sản phẩm Có thể tạm thời phân ra các loại dây chuyền theo từng mục đích sử dụng như sau:

Hình 1.10: Vị trí lắp ráp trong dây truyền tự động

CHẾ TẠO CHI TIẾT 1

SẢN PHẨM CHẾ TẠO CHI TIẾT 1

- Dây chuyền sản xuất tự động ( sản xuất bánh kẹo, chi tiết máy, linh kiện điện

tử, điện thoại )

- Dây chuyền lắp ráp tự động ( lắp ráp máy in, lắp ráp điện thoại, lắp ráp ô tô,

xe máy )

- Dây chuyền đóng gói tự động ( đóng gói sản phẩm, đóng gói thùng carton, )

- Dây chuyền kiểm tra tự động( kiểm tra chất lượng sản phẩm, QC, )

Dựa vào yêu cầu chế tạo dây chuyền cho một công đoạn hoặc sản phẩm, các nhà chế tạo máy tự động, dây chuyền tự động sẽ đưa ra phương án thiết kế, chế tạo cũng như bố trí các máy móc, hệ thống băng tải, robot và vị trí đứng máy của người công nhân trong dây chuyền Theo dây chuyền, các vật liệu được đưa vào quá trình sơ chế, tinh chế, gia công để tạo ra một sản phẩm thành phẩm; hoặc các bộ phận, chi tiết máy chuyển qua công đoạn tiếp theo để được lắp ráp để chế tạo thành phẩm

1.5 Một số dây chuyền tự động trong công nghiệp

1.5.1 Dây chuyền lắp ráp mạch máy in

Dây chuyền lắp ráp được sử dụng phổ biến trong các nhà máy giúp việc thao tác của nhân công dễ dàng hơn mà không phải di chuyển các vị trí theo từng bộ phận sản xuất Sử dụng dây chuyền tự động trong sản xuất nhằm cải tiến tốc độ sản xuất tạo ra năng suất cao hơn Ngoài ra còn đẩy mạnh tính hiện đại hóa sản xuất của doanh nghiệp nhanh chóng đưa sản phẩm ra thị trường với chất lượng tốt nhất và mẫu mã đẹp

Hình 1.11: Dây chuyền lắp ráp mạch máy in

Dây chuyền lắp ráp được sử dụng băng tải để di chuyển sản phẩm tới từng vị trí sao cho thuận tiện nhất Băng tải hoạt động ổn định, dễ điều khiển, dễ lắp ráp và bảo trì, có thể tạm ngừng khẩn cấp nên rất an toàn và hiệu quả cho doanh nghiệp sử dụng Với dây chuyền lắp ráp giúp cho người công nhân thao tác dễ dàng và di chuyển sản phẩm tới từng bộ phận thuận tiện nhất

1.5.2 Dây chuyền lắp ráp ô tô công nghiệp

Đây là một số cụm dây chuyền lắp ráp ô tô công nghiệp tại nhà máy ô tô Trường Hải Đây là lĩnh vực mà nhà máy muốn cải tiến để xây dựng một trong những dây chuyền lắp ráp ô tô hiện đại để làm chủ được công nghệ trong việc thiết kế, chế tạo, lắp đặt hệ thống và dây chuyền Có khả năng tích hợp và kiểm soát tốt các thành phần, lĩnh vực kỹ thuật cấu tạo nên dây chuyền của nhà máy Bởi một hệ thống dây chuyền muốn hoạt động trơn tru phải có sự kết hợp nhịp nhàng

Hình 1.12: Chuỗi dây chuyền lắp ráp vỏ xe ô tô

Nền công nghiệp ô tô ngày càng phát triển mạnh mẽ, việc đưa dây chuyển láp ráp linh kiện vào sản xuất là giải pháp cần thiết, thúc đẩy quá trình sản xuất, tăng tính

tự động hóa, giải pháp tối ưu cho doanh nghiệp sản xuất ô tô Intech Việt Nam đã nghiên cứu và thiết kế dây chuyền lắp ráp linh kiện phù hợp nhất với ngành sản xuất ô

tô, các vật liệu làm dây chuyền đều đảm bảo độ bền cao, chi phí hợp lý, dễ dàng điều khiển và bảo trì Hệ thống hoạt động hiệu quả, phù hợp ngành lắp ráp linh kiện ô tô,

giúp an toàn cho các linh kiện

Hình 1.13: Dây chuyền lắp ráp động cơ ô tô Lợi ích đó bao gồm:

1 Tiết kiệm nhân công Năng suất lao động có thể tăng 300-400% khi được vận hành tự động so với dùng nhân công

2 Tận dụng tối đa thời gian Với máy móc tự động và robot, cycle time luôn là ngắn nhất Hệ thống tự động hóa có thể vận hành 24/7 và rất ít xảy ra sự cố

3 Tiết kiệm chi phí vật liệu, cải thiện chất lượng sản phẩm và đảm bảo độ chính xác Các thông số trong quá trình sản xuất trên dây chuyền, máy móc tự động đều được kiểm soát và gần như luôn được đưa về dải giá trị mong muốn của quá trình sản xuất, lắp ráp luôn đạt được chất lượng sản phẩm đồng đều với độ chính xác cao

Với 3 lợi ích trên, các giải pháp tự động cho dây chuyền mang lại sức cạnh tranh cho doanh nghiệp Nhờ chi phí sản xuất thấp, sản lượng lớn, chất lượng tốt nên giá thành sản phẩm sẽ tốt hơn so với phương thức sản xuất truyền thống [2]

1.6 Hệ thống dẫn hướng quá trình sản xuất

Thiết lập hệ thống FMS được bắt đầu từ việc xác định cho họ chi tiết được chế tạo trong FMS Kết quả của công việc này (nhận được nhờ máy tính) được dùng để xác định thiết bị công nghệ của FMS (các tế bào gia công tự động hay các modul sản xuất linh hoạt), các loại kho chứa, các cơ cấu vận chuyển…

Tiếp theo đó là thiết lập các cấu trúc chức năng, cấu trúc công nghệ và cấu trúc thông tin của FMS, đồng thời thiết lập mạng máy tính nội bộ Sau giai đoạn này có thể giải quyết vấn đề thuật toán và lập trình có tính đến tác động qua lại của các hệ

thống điều khiển của FMS với các hệ thống tự động khác trong hệ thống tích hợp toàn phần Song song với hệ thống này cần thiết lập các hệ thống công cấp điện, nước, khí nén, thông tin…

Vấn đề tiêu chuẩn hoá của FMS phải được chú ý ngay từ đầu và phải được đặt trên cơ sở sử dụng rộng rãi nguyên tắc modul Ví dụ, có thể chọn các mẫu tiêu chuẩn của kho chứa tự động, các thiết bị công nghệ tiêu chuẩn và các robot…

Sau đây là ví dụ về nguyên tắc hình thành hệ thống sản xuất linh hoạt FMS từ các máy CNC

Nguyên tắc 1: Trang bị cho máy ổ tích dụng cụ (magazin dụng cụ)

Ổ dụng cụ với cơ cấu thay dao tự động cho phép gia công nhiều bề mặt của chi tiết trong một hoặc một số lần gá và do đó giảm được thời gian gia công, giảm được khối lượng công việc của con người Đây là một bước phát triển trong công nghệ điều chỉnh hàng loạt

Nguyên tắc 2: Trang bị cho máy cơ cấu vệ tinh thay đổi

Cơ cấu vệ tinh thay đổi là cơ cấu cấp phôi tự động và đẩy chi tiết đã gia công ra vị trí xác định Cơ cấu vệ tinh cho phép làm trùng thời gian phụ (thời gian tháo chi tiết gia công và thời gian gá đặt phôi trong đồ gá) Thực tế cho thấy số lượng

cơ cấu vệ tinh thay đổi từ 2 - 3 là kinh tế nhất

Nguyên tắc 3: Chế tạo máy nhiều trục chính

Máy nhiều trục chính thông dụng là các máy phay chuyên dùng, máy này được sử dụng để gia công đồng thời nhiều chi tiết giống nhau hoặc gia công đồng thời nhiều bề mặt của một chi tiết bằng nhiều dao nhằm tăng năng suất gia công Thực tế cho thấy số lượng trục chính thay đổi từ 2-4 trong điều kiện gia công nghệ và trung bình

Nguyên tắc 4: Gia công đồng thời bằng nhiều dao

Tức là chi tiết trong cùng một thời gian được gia công bằng nhiều dao khác nhau (mỗi trục chính dịch chuyển theo một chương trình riêng) cho phép nâng cấp năng suất của máy và cho phép thực hiện công nghệ điều chỉnh linh hoạt giống như các máy CNC một trục chính

Nguyên tắc 5: Điều khiển các máy CNC bằng máy tính

Điều khiển các máy CNC bằng máy tính cho phép thực hiện công nghệ điều chỉnh linh hoạt (nhờ khả năng kết nối với máy tính bậc cao, khả năng điều khiển thích

nghi và khả năng điều khiển di chuyển của các vệ tinh thay đổi) và giảm được kích cỡ máy, đồng thời nâng cao được năng suất và chất lượng gia công

Nguyên tắc 6: Tập hợp các máy CNC thành từng nhóm và điều khiển chúng bằng máy tính

Điều khiển cả nhóm bằng máy tính cho phép hiệu chỉnh chương trình trực tiếp trên máy tính và điều chỉnh công việc của các máy

Hiệu quả kinh tế- kỹ thuật của phương pháp điều khiển nhóm này bằng máy tính được thể hiện qua các ưu điểm sau: Giảm chu kỳ lập trình, loại bỏ các băng từ

- Giảm số dụng cụ sử dụng, nâng cao năng suất và chất lượng gia công

Nguyên tắc 7: Tập hợp các máy CNC thành hệ thống FMS

Hệ thống FMS bao gồm cả hệ thống vận chuyển tự động và điều khiển trung tâm bằng máy tính, nhằm mục đích tự động hóa các nguồn công chính và phụ trong sản xuất hàng loạt nhỏ và hàng loạt vừa Thành lập các hệ thống như vậy được tiến hành theo các hướng sau đây: Dây truyền tự động điều chỉnh, hệ thống FMS với kho chứa phôi và dụng cụ, hệ thống FMS có kho chứa cơ cấu vệ tinh với phôi, hệ thống FMS có kho chứa cơ cấu vệ tinh với chi tiết và cơ cấu vệ tinh với magazin dụng

cụ, hệ thống FMS có kho chứa cơ cấu vệ tinh với phôi và dụng cụ để cấp phát riêng biệt cho các máy

Hình 1.14: Sơ đồ hệ thống dẫn hướng quá trình sản xuất

Kết luận chương 1: Sau phần mở đầu nhóm nghiên cứu trình bày cơ sở lý

thuyết về hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing Systems), tự động hóa trong dây chuyền nhà máy, một số hệ thống cấp phôi tự động và vai trò của tự động hóa trong nhà máy công nghiệp Đây chính là tiền đề cho đề xuất mô hình nghiên cứu trong phần chương 2

Quá trình sản xuất (Gia công, lắp ráp, vận tải)

Kế hoạch sản xuất và điều khiển sản xuất

Lập kế hoạch, điều khiển và giám sát quá trình sản xuất của

việc xử lý tới khi xuất xưởng về sản lượng, thời hạn và năng

suất

Sau khi kiểm tra liệu nguồn lực cần thiết cho quá trình sản

xuất ( vật liệu, phương tiện, nhân lực ) còn để dung hay không,

rồi có thể giao nhiệm vụ cho bộ phận điều khiển gia công

Nhiệm

vụ gia công

Phản hồi

-Tình trạng

-Sự chênh

lệch

Điều khiển gia công

(Điều khiển phân xưởng, công nghệ chỉ đạo gia công) -Nhiệm vụ được phân công của hệ thống kế hoạch sx và điều khiển sản xuất cho các tế bào sản xuất/ tế bào rắp ráp/hệ thống vận tải

- Điều khiển và giám sát sự phân phối này

-Bù nhiễu

Điều khiển số trực tiếp Thu thập dữ liệu vận hành

Thông tin điều khiển

Thực trạng quá trình

về tất cả các lĩnh vực: Công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ Điểm nổi bật của nền kinh

tế hiện nay có thể nhìn thấy đó là sự phát triển không ngừng và ngày càng hiện đại của các ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp điện tử Nó khẳng định vị thế, sức mạnh khả năng nhạy bén của một quốc gia trong việc áp dụng các thành tựu khoa

học kĩ thuật và việc sản xuất các sản phẩm có chất lượng cao, hoạt động hiệu quả

Ngành công nghiệp trẻ đóng vai trò to lớn trong nền kinh tế quốc dân - là ngành sản xuất vật chất tạo ra khối lượng sản phẩm lớn cho xã hội và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người Nó đòi hỏi các ngành ngày càng đổi mới không chỉ về phương thức sản xuất mà còn phải đổi mới cách thức sản xuất Chính vì vậy mà người

ta bắt đầu tính đến chuyện giảm bớt số số lượng công nhân trong việc tạo ra nhiều sản phẩm, thay vào đó là các dây chuyền sản xuất và các khâu sản xuất đảm bảo một chức năng cụ thể Cũng giống như các ngành khác, công nghiệp điện tử là một ngành công nghiệp trẻ, hết sức nhạy cảm với tiến bộ khoa học kỹ thuật và là một trong những ngành kỹ thuật tinh vi của thế giới Nó không chỉ sử dụng thiết bị hiện đại mà còn có phương pháp tổ chức, quản lý sản xuất tiên tiến nhằm tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, giá thành hạ thông qua việc sản xuất theo dây chuyền và hàng loạt

Sự kết hợp của ngành điện - điện tử và ngành cơ khí là bước tiến quan trọng trong sự phát triển của tự động hóa trong công nghiệp Các khu công nghiệp ngày càng nhiều sự phát triển của nó buộc phải gắn với sự hình thành và đi vào hoạt động của nhiều dây chuyền với thiết bị máy móc hiện đại để phối hợp với nhu cầu sản xuất tạo

ra sản phẩm chất lượng cao đáp ứng nhu cầu của con người

Tổ chức sản xuất theo dây chuyền có hiệu quả nhất với loại hình sản xuất lặp lại, thường được sử dụng để thiết lập luồng sản xuất sản phẩm thông suốt, nhịp nhàng, khối lượng lớn Mỗi đơn vị đầu ra đòi hỏi cùng một trình tự các thao tác từ đầu đến cuối Các nơi làm việc và thiết bị thường được bố trí thành dòng nhằm thực nhiện đúng trình tự các bước công việc đã được chuyên môn hóa và tiêu chuẩn hóa, có khả

năng sắp xếp quá trình tương ứng với những đòi hỏi về công nghệ chế biến sản phẩm Máy móc thiết bị có thể sắp đặt theo một đường cố định như các băng tải để nối liền giữa các hoạt động tác nghiệp với nhau, hình thành các dây chuyền

Dây chuyền sản xuất linh hoạt

Tính linh hoạt: Khi thêm một bước mới vào quy trình sản xuất, các nhà quản

lý sẽ thường phải hướng dẫn, đào tạo người lao động về bước mới đó Tuy nhiên, robot và các hệ thống máy tính hoàn toàn có thể được lập trình để thực hiện các thao tác mới mà không cần qua đào tạo hay hướng dẫn, nhờ đó giúp quy trình sản xuất trở nên linh hoạt hơn

Tuy nhiên, tự động hóa trong công nghiệp cũng có các hạn chế như:

Các mối đe dọa an ninh: hệ thống tự động điều khiển bằng máy tính hay robot hoàn toàn có nguy cơ bị hack Khi hệ thống tự động hóa bị tấn công hay xâm nhập, sản xuất của một nhà máy sẽ bị đình trệ và gây ra những thiệt hại nghiêm trọng

Chi phí đầu vào cao: việc chuyển từ sử dụng nhân công con người sang dây truyền sản xuất tự động đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu rất cao Ngoài ra, cũng cần có chi phí cho việc đào tạo nhân công vận hành các loại thiết

Dây chuyền sản xuất linh hoạt thường có các đặc điểm sau đây:

Hệ thống thiết bị sản xuất một hay vài loại sản phẩm nhất định với sản lượng lớn

Hệ thống thiết bị này tự động thực hiện các nhiệm vụ gia công theo quy trình công nghệ đã định, chỉ cần người theo dõi và kiểm tra

Nguyên liệu hay bán thành phẩm lần lượt dời chỗ theo nhịp sản xuất từ vị trí gia công này đến vị trí gia công khác theo cơ cấu chuyển động nào đó (nghĩa là khó thay đổi nhịp thời gian và nhịp không gian)

Các dây chuyền sản xuất linh hoạt thường được dùng để gia công các chi tiết dạng hộp lớn và các chi tiết có hình dáng phức tạp, với yêu cầu gia công qua nhiều bước Các chi tiết đó là vỏ động cơ ôtô, máy kéo, vỏ hộp tốc độ, vỏ hộp chạy dao, vỏ máy bơm, nắp vòng bi, trục khuỷu, vỏ động cơ điện, các loại bánh răng dẫn động, giá

đỡ, động cơ điện, các loại ống nối, các bánh răng xích v.v Trong những năm gần đây, nhiều loại dây chuyền tự động có thêm máy chuốt mặt phẳng và máy cán lỗ cho các chi tiết đặc thù

Theo lịch sử phát triển tự động hoá, các dây chuyền sản xuất linh hoạt đã có trong thực tế bao gồm:

+ Dây chuyền lắp ráp tự động

+ Dây chuyền hàn tự động trong cơ khí chế tạo

+ Dây chuyền gồm các máy vạn năng cải tiến

+ Dây chuyền cấp phôi tự động

+ Dây chuyền gồm các máy tổ hợp

+ Dây chuyền gồm các máy chuyên môn hoá

+ Dây chuyền gồm các máy NC, CNC

Trong các nhà máy, các sản phẩm được sản xuất ra trước khi được xuất xưởng thì phải trải qua nhiều giai đoạn kiểm tra sản phẩm Tuỳ theo sản phẩm được sản xuất

ra mà nó phải được kiểm tra qua các khâu khác nhau, chẳng hạn như kiểm tra về chất lượng, kích thước, màu sắc, hình dạng, hoặc trọng lượng, từ tính,… Qua đó những sản phẩm không đạt yêu cầu của nhà sản xuất kể trên sẽ bị hệ thống tự động loại ra khỏi dây

chuyền Trong đề tài này, nhóm tác giả thực hiện việc: “Nghiên cứu, điều khiển mô hình

hệ thống sản xuất linh hoạt phục vụ giảng dạy và nghiên cứu khoa học” Đề tài này sẽ

giúp những người quan tâm phần nào hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của các dây chuyền thiết bị được dùng trong hệ thống sản xuất linh hoạt, đồng thời ứng dụng PLC vào việc điều khiển chúng, cũng như tìm hiểu rõ hơn về các hệ thống nhận dạng, các hệ thống băng chuyền, các hệ thống xi lanh khí nén [3]

2.2 Đề xuất mô hình

2.2.1 Yêu cầu về công nghệ của hệ thống

Hệ thống được thiết kế với chế độ làm việc tự động

Chế độ tự động (Auto): Chế độ tự động được kích hoạt khi nút nhấn trên màn hình

HMI được kích hoạt Ở chế độ này hệ thống sẽ hoạt động tự động dưới sự điều khiển của thiết bị điều khiển trung tâm, theo chương trình đã được nạp cho PLC

Trong trường hợp muốn dừng hệ thống thì người vận hành nhấn nút “Stop”

Khi đó toàn bộ hoạt động của hệ thống sẽ bị dừng lại

Mỗi một dây chuyền phân loại sản phẩm dùng trong công nghiệp cần đảm bảo những yêu cầu công nghệ sau:

- Đảm bảo yêu cầu về tập trung hóa – tự động hóa công tác quản lý giám sát và điều khiển các hệ thống tự động nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, tránh rủi ro, tiết kiệm chi phí, hạn chế nhân công

- Làm việc tin cậy, ổn định, xác suất hỏng hóc, chi phí sản xuất ở mức tối thiểu

- Có khả năng thích ứng cao với những sự thay đổi mang tính quá trình, nhằm đáp ứng nhu cầu đa dạng hóa sản xuất

Chế độ làm việc bằng tay bán tự động trên giao diện HMI với các thiết bị đầu

ra cơ bản

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của mô hình

Mô hình được chia làm 3 công đoạn

Hình 2.1: Công đoạn 01 cấp phôi

Hệ thống ở trạng thái sẵn sàng hoạt động

Ấn nút START trên màn hình HMI GOT 1000 cấp nguồn cho hệ thống để hệ thống chạy ở chế độ tự động Trước tiên, phải có phôi đặt sẵn trên khay phôi, hệ thống kiểm tra tín hiệu của sensor 1 (cảm biến quang) để xác định có phôi trên khay hay không Nếu phát hiện thấy phôi trên khay phôi thì lúc này xi lanh lên xuống sẽ di chuyển xuống để xi lanh 1 hút hút vật Phôi được xi lanh 1 di chuyển tới vùng tác động của sensor 2 là cảm biến hành trình, xi lanh lên xuống lại di chuyển lên và xi lanh quay quay 1 góc 90 độ để đưa vật sang xi lanh 2 để tiếp tục chu trình sản xuất tiếp theo

Hình 2.2: Công đoạn 02 di chuyển phôi

Công đoạn 02 thực hiện quá trình di chuyển phôi, xi lanh 2 lên xuống sẽ di chuyển xuống để xi lanh hút hút vật lên Di chuyển tới vùng tác động của sensor 3 là cảm biến quang thì xi lanh dừng lại nhả sản phẩm xuống khay chứa Khi xi lanh 2 thực hiện chu trình xong thì trở về vị trí ban đầu nhờ cảm biến sensor 4 để dừng lại tiếp tục nhiệm vụ tiếp theo

Hình 2.3: Công đoạn 03 đóng gói sản phẩm

Công đoạn 03 giai đoạn đóng gói sản phẩm Khi sản phẩm hoàn thành, xi lanh 3 thực hiện nhiệm vụ Nhờ có cảm biến trên khay sản phẩm đã có sản phẩm hay chưa thì

xi lanh 3 hoạt động Xi lanh 3 lên xuống sẽ di chuyển xuống để xi lanh hút sản phẩm Nhờ có sensor 5 xi lanh di chuyển sang vị trí đóng gói sản phẩm Sản phẩm được đẩy vào thùng nhờ có xi lanh 4 Kết thúc một chu trình sản xuất từ cấp phôi đến đóng gói sản phẩm

Khi nhấn nút STOP, hệ thống sẽ dừng lại ở cuối chu trình

Muốn hoạt động tiếp người vận hành lại nhấn nút Start, thực hiện những khâu còn lại cho tới hết chu trình và chuyển sang chế độ tự động để hệ thống tự động hoạt động

Hình 2.4: Mô hình đề xuất

2.3 Lựa chọn thiết bị sử dụng trong mô hình

2.3.1 Lựa chọn thiết bị điều khiển và giám sát

Bộ nhớ mở rộng (Memory cassette) (OPTION): FX3U-FLROM-16 (16K steps), FX3U-FLROM-64 (64K steps), FX3U-FLROM-64L (64K steps, loader function), FX3U-FLROM-1M (64K steps, 1300kB dedicated area)

- 16 ngõ vào DC dạng Sink (0V)

- 16 ngõ ra Transistor, trong đó 3 ngõ ra Y0 Y1 Y2 phát xung max 100 kHz

- Khả năng mở rộng thêm I/O: max 384 I/O

- Nguồn cấp: 24VDC

- High-speed counter: 8 ngõ

- 1 Phase: 6 ngõ max 100 kHz, 2 ngõ max 10kHz

- 2 Phase: 2 ngõ max 50 kHz

- Pulse output: max 100 kHz, Y0, Y1, Y2

- Có chức năng thời gian thực (real-time clock)

- Cổng truyền thông: Cổng tròn 8 chân RS422

Hình 2.5: PLC Mitshubishi FX3GC- JE 20A

b Phần mềm lập trình GX Works 2

Phần mềm GX Works 2 là phần mềm được Mitsubishi nâng cấp và thay thế cho

GX Developer với giao diện trực quan đẹp hơn hơn, thao tác mượt mà và có hỗ trợ thêm các ngôn ngữ lập trình khác như là FBD (Function Block Diagram), SFC (Sequential Function Chart)

Phần mền GX Works 2 có khả năng đọc các thiết bị cảm biến, điều khiển động cơ, nên nó thường được dùng để làm bộ xử lý trung tâm của rất nhiều loại robot Có ứng dụng cao trong các dây chuyền công nghiệp lớn hoạt động ổn định

Hình 2.8: Giải thích ký hiệu GX Works2

Ngôn ngữ lập trình bổ sung được gọi là lập trình hình dạng hình thang có cấu trúc (Structrued Ladder)

Sử dụng phần mềm GX work 2 để lập chương trình

Mở chương trình và chọn loại PLC lập trình

Hình 2.9: Hướng dẫn sử dụng GX Works2

Chương trình được lập sau khi mở phần mềm

Hình 2.10: Một số chương trình điều khiển

c Màn hình HMI GOT1000 Misubishi

Là loại màn hình cảm ứng với nhiều kích thước khác nhau từ 5,7" cho đến 15"

và hỗ trợ nhiều màu, có thể lên tới 65536 màu Sử dụng cho tất cả các loại MELSEC PLC và các loại PLC khác Cho phép gõ chữ Unicode Hỗ trợ cổng USB và thẻ nhớ

Độ phân giải: Từ 128 x 64 đến 1024 x 768

Khả năng liên kết mạng: Ethernet, CC-Link, MELSECNET/10

Bộ nhớ: 3–9 Mb

Cổng giao tiếp: RS232, RS422, RS485, USB

Hình 2.11: Màn hình HMI GOT1000 Mitsubishi

d PLC Mitsubishi điều khiển động cơ AC servo bằng driver MR_JE_10A

Sơ đồ mạch điện

Hình 2.12: Sơ đồ đấu điện của động cơ Secvo

Đấu điện 1 pha 200VAC - 240VA vào chân L1 và L3 của bộ khuếch đại MR-JE Với điện 3 pha 380VAC thì đấu chân L1 vào 1 trong 3 chân R - S hoặc T, Chân L3 đấu với dây trung tính N

Đấu nối ngõ vào I/O CN1 Sử dụng chân PP (Pin 10) để phát xung điều khiển

động cơ (Nối với chân Y000 của PLC) Chân NP (Pin 35) để đảo chiều động cơ (Nối với chân Y001 của PLC) Chân SON là chân khởi động bộ khuếch đại, nối thẳng với chân 0V của nguồn 24DC, Servo khởi động cùng nguồn cấp 1 chiều

Điều khiển động cơ bằng PLC PLC chúng ta sẽ sử dụng các lệnh phát xung

như PLSY hoặc PLSR qua chân Y000

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý hoạt động