Sử dụng mạng profibus xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát ứng dụng WinCC

Trong nền sản xuất hiện đại việc thành lập các hệ thống sản xuất linh hoạt đóng một vai trò hết sức quan trọng. Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) cho phép tự động hóa ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loại nhỏ và hàng loại vừa trên cơ sở sử dụng các 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 quá trình công nghệ và quá trình sản xuất. Đặc điểm của FMS là khả năng điều chỉnh nhanh các thiết bị để chế tạo sản phẩm 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 do việc sữ dụng không đồng bộ các hệ thống tự động hóa mà quá trình chuẩn bị sản xuất kéo dài. Sự nối kết các hệ thống tự động riêng lẻ thành một hệ thống duy nhất với sự trợ giúp 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 chất lượng 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 vực này bằng tiếng Việt hầu như chưa có. Các hệ thống FMS và mô hình mới chỉ được trang bị ở một số trường ĐH. Trong tương lai các hệ thống này tiếp tục được đầu tư ở nhiều 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.

Hữu Nguyên LỜI NÓI ĐẦU Trong nền sản xuất hiện đại việc thành lập các hệ thống sản xuất linh hoạt đóng một vai trò hết sức quan trọng. Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) cho phép tự động hóa ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loại nhỏ và hàng loại vừa trên cơ sở sử dụng các 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 quá trình công nghệ và quá trình sản xuất. Đặc điểm của FMS là khả năng điều chỉnh nhanh các thiết bị để chế tạo sản phẩm 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 do việc sữ dụng không đồng bộ các hệ thống tự động hóa mà quá trình chuẩn bị sản xuất kéo dài. Sự nối kết các hệ thống tự động riêng lẻ thành một hệ thống duy nhất với sự trợ giúp 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 chất lượng 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 vực này bằng tiếng Việt hầu như chưa có. Các hệ thống FMS và mô hình mới chỉ được trang bị ở một số trường ĐH. Trong tương lai các hệ thống này tiếp tục được đầu tư ở nhiều 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. 1 Hữu Nguyên Với đề tài ‘‘Sử dụng mạng Profibus xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát ứng dụng WinCC” 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 hy vọng sẽ đóng góp một phần nhỏ bé vào quá trình tìm hiểu công nghệ sản xuất. Trong quá trình làm đồ án còn gặp nhiều khó khăn đó là tài liệu tham khảo cho vấn đề này đang rất ít và hạn hẹp, nhưng được sự hướng dẫn của thầy Thái Hữu Nguyên và toàn thể các thầy cô giáo trong khoa Điện đã hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp . Mặc dù đã rất cố gắng nhưng về thời gian và khả năng 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 ! 2 Hữu Nguyên CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 1.1 Trạm phân phối gia công 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 Xi lanh đẩy phôi. Cảm biến quang điện sẽ phát hiện sự có mặt của phôi trên băng tải và bật tín hiệu cho băng tải hoạt động, di chuyển phôi đến cuối băng tải. Khi phôi đến cuối băng tải nhờ cảm biến quang đặt trên băng tải phát hiện và sau một thời gian trễ thì tín hiệu gọi cánh tay rôbốt hai bậc được bật lên. Cánh tay rôbốt sẽ ghắp phôi từ băng 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. 3 Hữu Nguyên • 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. • Xy lanh khí : Đẩy phôi xuống Băng tải khi có tín hiệu từ van điện. • Van điện : Điều khiển đóng/mở xy lanh khi có tín hiệu yêu cầu từ PLC. • Cánh tay Robot : Cánh tay 2 bậc xoay và ghắp phôi sang trạm tiếp theo • 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 va cuối 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 Trạm kiểm tra sản phẩm 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: 4 Hữu Nguyên Đặc điểm phôi Cảm biến từ 1 Cảm biến từ 2 Kết luận Phôi ngắn 0 0 Phế phẩm ngắn Phôi dài 1 1 Phế phẩm dài Phôi vừa 1 0 Thành phẩm Phế phẩm sẽ bị đẩy xuống thùng chứa phía dưới. Phôi không bị lỗi sẽ được đẩy xuống băng tải. Trên băng tải lắp đặt ba loại cảm biến gồm: Cảm biến quang điện phát hiện tất cả các loại phôi, cảm biến tiệm cận phát hiện phôi có tính chất 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 Phôi sắt 1 1 1 Phôi nhựa trắng 1 0 1 Phôi nhựa đen 0 0 1 Khi phôi di chuyển qua các cảm biến, nhờ tín hiệu ba cảm biến này sẽ xác định từng loại phôi và truyền tín hiệu sang trạm Gia công sản phẩm để gia công theo yêu cầu công nghệ của từng loại phôi. 5 Hữu Nguyên Hình 1.2: Trạm kiểm tra sản phẩm. 1.2.2 Kết cấu thiết bị bao gồm: • 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 tín hiệu 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. • 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 cuối băng tải. 6 Hữu Nguyên • Cảm biến từ : Giới hạn trên/dưới cho cơ cấu kiểm tra phôi và phân biệt phôi có bị lỗi hay không. • 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. 1.3 Trạm xử lý gia công phôi 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 Phôi sắt có có Phôi nhựa trắng có có Phôi nhựa đen có có Mâm xoay sẽ xoay từng bước phù hợp với yêu cầu nhờ tín hiệu từ cảm biến và động cơ một chiều Hamonic. Động cơ khoan sẽ di chuyển lên xuống nhờ cơ cấu xy lanh. Khi phôi dừng tại vị trí khoan, động cơ khoan sẽ được hạ xuống và khoan lỗ, quá trình này thực hiện trong vài giây sau đó động cơ khoan trở về vị trí ban đầu nhờ xy lanh đẩy lên. Tiếp theo, quá trình kiểm tra lỗ vừa khoan nhờ một xy lanh. 7 Hữu Nguyên 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 cơ khoan. • Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiển lập trình. • Module mở rộng EM 223 : Module mở rộng vào/ra số. • Module EM 277 : truyền thông PROFIBUS – DP. • 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. 8 Hữu Nguyên • 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. 1.4 Trạm Rôbôt 5 bậc tự do Scara 1.4.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm Robot 5 bậc tự do Scara Hình 1.4: Trạm Robot 5 bậc tự do Robot SCARA gồm 5 bậc tự do sử dụng cơ cấu truyền động động cơ bước và cơ cấu gắp sản phẩm được điều khiển bằng khí nén. Robot được lập trình và mô tả tọa độ trên phần mềm OpenGL. Robot sẽ gắp sản phẩm từ trạm gia công phôi chuyển đến trạm lắp ráp sản phẩm. 1.4.2 Kết cấu thiết bị bao gồm: • Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử. • Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiển lập trình. 9 Hữu Nguyên • 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. • Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo. • Phần mềm điều khiển Robot Scara 1.5 Trạm lắp ráp sản phẩm 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 được đưa đến đầu băng tải, cảm biến quang sẽ phát hiện, gửi tín hiệu về PLC S7 200 yêu cầu cơ cấu giữ sản phẩm thực hiện nguyên công giữ. Khi sản phẩm được giữ chắc chắn, 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 1.5.2 Kết cấu thiết bị bao gồm: 10 [...]... đầu vào/ra PLC và van điện, động cơ băng tải • • Xy lanh khí : Kẹp sản phẩm • Van điện : Nhận tín hiệu từ PLC để đóng/mở xy lanh • 1.8 Robot lưu kho tự động Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo Trạm điều khiển và giám sát trung tâm 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. .. truyền lên và xuất tín hiệu điều khiển xuống các trạm thông qua mạng PROFIBUS Đồng thời, màn hình HMI – TP 177A sẽ điều khiển và giám sát các biến nhớ, các đầu vào/ra, tín hiệu từ cảm biến hiển thị lên màn hình 14 Hữu Nguyên Hình 1.8.1 Trạm điều khiển và giám sát trung tâm 15 Hữu Nguyên 1.8.2 Kết cấu thiết bị bao gồm: • Bộ nguồn PS 2A : Cung cấp nguồn cho PLC S7 300 và màn hình • TP 177A • Bộ điều khiển. .. hình giám sát TP 177A và PLC S7 300 1.8.3 Bộ điều khiển PLC S7 300 điều khiển các trạm qua mạng PROFIBUS- DP PLC S7 300 CPU 313C-2DP có 16 đầu vào số, 16 đầu ra số, 1 cổng truyên thông MPI, 1 cổng truyền thông PROFIBUS (cổng DP) PLC S7 300 giao tiếp với các trạm thông qua mạng PROFIBUS, nó sẽ nhận các 16 Hữu Nguyên tín hiệu gửi lên từ các trạm và ra lệnh điều khiển xuống đảm bảo đúng yêu cầu công nghệ và. .. Hình 1.8.3 Bộ điều khiển lập trình PLC S7 300 1.8.4 Màn hình giao tiếp Người – Máy TP 177A và giao diện điều khiển giám sát Màn hình TP 177A là thiết bị giao tiếp Người – Máy (HMI)do hãng Siemens sản xuất Nó có khả năng giao tiếp với các loại PLC của Siemens thông qua chuẩn PPI, MPI và PROFIBUS Màn hình TP 177A sẽ điều khiển và giám sát các biến của PLC trong các trạm thông qua mạng PROFIBUS Cho phép... chỉ và tốc độ truyền cho mạng Profibus, ta được kết quả như sau: 25 Hữu Nguyên 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 giữa PLC S7 300 ta cấu hình module EM 277 vào mạng như sau: 26 Hữu Nguyên Chọn PROFIBUS DP  Additional Field Devices  PLC  SIMATIC  EM 277 PROFIBUS – DP Kéo và. .. đầu vào/ra, tín hiệu từ cảm biến về lên màn hình Đồng thời, có thể điều khiển từ màn hình với chức năng đa điểm chạm (Touch Panel) 17 Hữu Nguyên 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 3 Gờ cạnh ngoài cùng của màn hình 4 Chỗ lắp cơ cấu gá 18 Hữu Nguyên CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP MẠNG PROFIBUS- DP, XÂY DỰNG LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ VIẾT... 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 thả vào phần... tín hiệu gọi Robot lưu kho và lưu vào các hàng tương ứng 1, 2 hoặc 3 Hình 1.7 trạm lưu kho sản phẩm 1.7.2 Kết cấu thiết bị bao gồm: • Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, van điện, cảm biến, động cơ băng tải • Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiển lập trình • • 13 Module mở rộng EM 223 : Module vào/ra số Module EM 277 : Module truyền thông PROFIBUS – DP Hữu Nguyên... lượt kéo thả các phần cứng đó vào đúng Slot sẽ được cấu hình như hình dưới 23 Hữu Nguyên 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: 24 Hữu Nguyên Hình 3.8: Cấu hình mạng Profibus Hình 3.9: Chọn tốc độ truyền cho mạng Profibus Nhấn OK để... 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 19 Hữu Nguyên Hình . Nguyên Với đề tài ‘ Sử dụng mạng Profibus xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát ứng dụng WinCC sử dụng bộ PLC S7-300 và PLC S7-200 của siemens liên hệ với nhau qua mạng truyền thông PROFIBUS mà em trình. Trạm điều khiển và giám sát trung tâm 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. 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