nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ thống quản lý sản xuất tự động hóa theo hướng công nghiệp i4 0 để phục vụ quá trình sản xuất, thúc đẩy nền công nghiệp tự động hóa

Các hệ thống tự động hóa cần thiết trong các nhà máy công nghiệp hiện đại, góp phần tăng sản lượng và chất lượng với các ngành sản xuất quy mô lớn.. Mục tiêu của đề tài: “Nghiên cứu thiế

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 7

1.1 Lý do chọn đề tài 7

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 7

1.3 Mục tiêu của đề tài: 9

1.3.1 Mục tiêu kinh tế - xã hội 9

1.3.2 Mục tiêu khoa học công nghệ 9

1.4 Nội dung nghiên cứu 10

PHẦN 2 BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 11

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN MÔ HÌNH NHÀ MÁY THÔNG MINH VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ 4.0 11

1.1 Cấu trúc của hệ thống nhà máy thông minh 11

1.2 Ứng dụng của công nghệ 4.0 đối với các nhà máy 12

1.3 Lợi ích của áp dụng công nghệ 4.0 14

1.3.1 Hiệu quả tài sản 14

1.3.2 Phẩm chất 15

1.3.3 Chi phí thấp 15

1.3.4 An toàn và phát triển bền vững 15

CHƯƠNG 2.MELSEC IQ-R MITSUBISHI VÀ MẠNG CC LINK IE FIELD 16

2.1 Tổng quan về MELSEC iQ-R Mitsubishi 16

2.1.1 Ưu điểm 16

2.1.2 Cơ sở dữ liệu nội bộ 16

2.1.3 Tốc độ cao và đồng bộ hóa 17

2.1.4 Các tính năng bảo mật nâng cao 17

2.2 Thành phần của MELSEC iQ-R series 18

2.2.1 Mô-đun CPU 18

2.2.2 Mô-đun I/O 19

2.2.3 Mô-đun Analog 20

2.2.4 Mô-đun chuyển động, định vị, bộ đếm tốc độ cao 21

2.2.4.1 Mô-đun chuyển động 21

2.2.4.2 Mô-đun định vị 21

2.2.4.3 Mô-đun bộ đếm tốc độ cao 22

2.2.5 Mô-đun Mạng 22

2.3 Tổng quan về CC-Link IE Field 23

2.3.1 CC-Link IE Field 24

2.3.2 Tốc độ truyền dữ liệu cao 25

2.3.3 Tính điều khiển xác định 25

2.3.4 Cấu trúc liên kết đa dạng 25

2.3.5 Khả năng truyền thông liền mạch 25

2.3.6 Trao đồi dữ liệu theo chu kỳ và tạm thời 26

2.4 Mô-đun CC-Link IE Field RJ71GF11-T2 26

CHƯƠNG 3.XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ MÁY THÔNG MINH 29

3.1 Thiết kế hệ thống 29

3.1.1 Trạm chủ 30

3.1.1.1 Sơ đồ đấu nối với PLC 30

3.1.1.2 Mạch điều khiển 32

3.1.1.3 Mạch khí nén 33

3.1.2 Trạm tớ 1 33

3.1.2.1 Sơ đồ đấu nối PLC 34

3.1.2.2 Mạch điều khiển 36

3.1.2.3 Mạch khí nén 37

3.1.3 Trạm tớ 2 37

3.1.3.1 Sơ đồ đấu nối với PLC 38

3.1.3.2 Mạch điều khiển 40

3.1.3.3 Mạch khí nén 41

3.2 Kết nối vào ra với CPU 41

3.2.1 Trạm chủ 41

3.2.2 Trạm tớ 1 42

3.2.3 Trạm tớ 2 43

3.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển 44

3.3.1 Thuật toán chương trình chính 44

3.3.2 Thuật toán chương trình con 45

3.3.2.1 Trạm chủ 45

3.3.2.2 Trạm tớ 1 46

3.3.2.3 Trạm tớ 2 47

3.4 Giao diện giám sát 48

3.5 Mô hình thực tế 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

1 Các kết quả đạt được của đề tài 51

2 Kiến nghị 52

Tài liệu tham khảo 53

PHỤ LỤC 54

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Cấu trúc nhà máy thông minh 11

Hình 1-2 Điều khiển Robot 13

Hình 1-3 Dây truyền sản xuất sữa 14

Hình 2-1 Cơ sở dữ liệu nội bộ 17

Hình 2-2 Tính năng bảo mật cao 17

Hình 2-3 Mô-đun CPU 18

Hình 2-4 Mô-đun I/O 19

Hình 2-5 Mô-đun Analog 20

Hình 2-6 Mô-đun chuyển động 21

Hình 2-7 Mô-đun định vị 22

Hình 2-8 Mô-đun đếm tốc độ cao 22

Hình 2-9 Mô-đun mạng 23

Hình 2-10 Mô-đun RJ71GF11-T2 26

Hình 2-11 Dạng tuyến 27

Hình 2-12 Dạng Sao 28

Hình 2-13 Dạng vòng 28

Hình 3-1 Sơ đồ hệ thống 29

Hình 3-2 Đầu vào trạm chủ 31

Hình 3-3 Đầu ra trạm chủ 32

Hình 3-4 Mạch điều khiển trạm chủ 32

Hình 3-5 Mạch khí nén trạm chủ 33

Hình 3-6 Đầu vào trạm tớ 1 35

Hình 3-7 Đầu ra trạm tớ 1 35

Hình 3-8 kết nối biến tần với động cơ và PLC 36

Hình 3-9 Mạch điều khiển trạm tớ 1 36

Hình 3-10 Mạch khí nén trạm tớ 1 37

Hình 3-11 Đầu vào trạm tớ 2 39

Hình 3-12 Đầu ra trạm tớ 2 40

Hình 3-13 Mạch điều khiển trạm tớ 2 40

Hình 3-14 Mạch khí nén trạm tớ 2 41

Hình 3-15 Thiết lập mạng trạm chủ 42

Hình 3-16 Cài các trạm tớ 41

Hình 3-17 Cài thông số Refresh trạm chủ 42

Hình 3-18 Cài đặt mô-đun mạng trạm tớ 1 42

Hình 3-19 Cài thông số Refresh tạm tớ 1 43

Hình 3-20 Cài đặt mô-đun mạng trạm tớ 2 43

Hình 3-21 Cài thông số Refresh tạm tớ 2 43

Hình 3-22 Lưu đồ thuật toán của hệ thống 44

Hình 3-23 Lưu đồ thuật toán của trạm chủ 45

Hình 3-24 Lưu đồ thuật toán của trạm tớ 1 46

Hình 3-25 Lưu đồ thuật toán của trạm tớ 2 47

Hình 3-26 Giao diện giám sát 48

Hình 3-27 Giao diện giám sát 48

Hình 3-28 Giao diện giám sát 49

Hình 3-29 Giao diện giám sát 49

Hình 3-30 Mô hình thực tế 50

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Thông số kỹ thuật mô-đun RJ71GF11-T2 27

Bảng 3-1 Đầu vào PLC trạm chủ 31

Bảng 3-2 Đầu ra PLC trạm chủ 31

Bảng 3-3 Đầu vào PLC trạm tớ 1 34

Bảng 3-4 Đầu ra PLC trạm tớ1 34

Bảng 3-5 Đầu vào PLC trạm tớ 2 38

Bảng 3-6 Đầu ra PLC trạm tớ 2 38

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhu cầu nâng cao năng suất sản xuất

và cải tiến hệ thống sản xuất Các hệ thống tự động hóa cần thiết trong các nhà máy công nghiệp hiện đại, góp phần tăng sản lượng và chất lượng với các ngành sản xuất quy mô lớn

Hệ thống bao gồm các sản phẩm cơ khí chế tạo máy chất lượng và thiết bị điện tự động

Để đảm bảo các chỉ tiêu về số lượng và chất lượng sản phẩm thì doanh nghiệp nên đầu tư hệ thống sản xuất tự động ngay hôm nay Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp, từ sản xuất công nghiệp nhẹ đến công nghiệp nặng như ngành may mặc, dược phẩm, điện tử, ô tô, xe máy đến các dây chuyền sản xuất thực phẩm Cần có sự cải thiện mạnh

mẽ trong quá trình sản xuất, nâng cao tính tự động hóa để tạo năng suất lao động cao hơn đồng thời giảm thiểu được rủi ro

Toàn bộ hệ thống sản xuất đều được vận hành tự động, được điều khiển bởi hệ thống máy trung tâm Mỗi khâu trong quá trình sản xuất đều được giám sát, theo dõi để đảm bảo không xảy ra sai xót trong quá trình xử lý Một nhà máy sản xuất hiện đại, thông minh là điều tiên quyết cho công cuộc cải cách của nền công nghiệp 4.0 Do những yêu cầu như vậy, để phục vụ quá trình sản xuất, thúc đẩy nền công nghiệp – tự động hóa đã hình thành mục tiêu nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ thống quản lý sản xuất tự động hóa theo hướng công nghiệp I4.0

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trong bối cảnh Việt Nam đang hội nhập sâu rộng vào nền kinh tế thế giới với việc hoàn tất nhiều hiệp định thương mại tự do quy mô lớn như TPP, FTA với EU, liên minh kinh tế Á - Âu , việc tiếp cận thành tựu cách mạng sản xuất mới sẽ tạo ra công cụ đắc lực giúp Việt Nam tham gia hiệu quả chuỗi giá trị toàn cầu và đẩy nhanh quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Những cải cách công nghệ mang tính đột phá có thể dẫn đến những điều kỳ diệu trong sản xuất và năng suất

Về phía Chính phủ, dưới tác động của cuộc cách mạng này, công tác điều hành của Chính phủ Việt Nam cũng sẽ có được sức mạnh công nghệ mới để tăng quyền kiểm soát,

cải tiến hệ thống quản lý xã hội Song cũng như các chính phủ khác trên thế giới, Chính phủ Việt Nam cũng sẽ ngày càng phải đối mặt với áp lực phải thay đổi cách tiếp cận hiện tại của mình để thực hiện chính sách, trong đó quan trọng nhất là phải nâng cao vai trò của người dân trong quá trình này Điều này sẽ càng có ý nghĩa hơn khi Việt Nam đang tiến vào giai đoạn phát triển mới rất quan trọng đòi hỏi đổi mới mạnh mẽ về tư duy, quyết tâm cao của Chính phủ nhằm công nghiệp hóa, hiện đại hóa

Về phía doanh nghiệp, chi phí cho giao thông và thông tin sẽ giảm xuống, dịch vụ hậu cần và chuỗi cung ứng sẽ trở nên hiệu quả hơn, và các chi phí thương mại sẽ giảm bớt, tất cả sẽ làm mở rộng thị trường và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế Về phía cung ứng, nhiều ngành công nghiệp đang chứng kiến sự du nhập của các công nghệ mới, nó tạo ra những cách hoàn toàn mới để phục vụ cho nhu cầu trong hiện tại và thay đổi triệt để các chuỗi giá trị ngành công nghiệp đang hoạt động Do đó các doanh nghiệp Việt Nam sẽ tiếp cận được với các công nghệ hiện đại, cải thiện phẩm chất, tốc độ, giá cả mà khi được chuyển giao nó

có giá trị hơn

Bên cạnh đó, người tiêu dùng cũng có được những quyền lợi nhất định khi sự minh bạch ngày càng rõ hơn, quan tâm của người tiêu dùng, và các khuôn mẫu mới về hành vi của người tiêu dùng buộc các doanh nghiệp phải thích nghi với cách mà họ thiết kế, tiếp thị

và cung cấp các sản phẩm và dịch vụ Khi công nghệ và tự động hóa lên ngôi, họ sẽ đối mặt với áp lực cần nâng cao chất lượng, cải tiến và đổi mới các dây chuyền công nghệ, tuyển nhân lực có năng lực về công nghệ, đồng thời phải đối mặt với sự cạnh tranh ngày càng gay gắt của doanh nghiệp nước ngoài Những điều này là thực sự khó khăn trong bối cảnh doanh nghiệp Việt Nam vẫn còn thua kém rất lớn các doanh nghiệp nước ngoài về công nghệ, cũng như nhân lực và vốn đầu tư như hiện nay

Tuy nhiên, CMCN 4.0 lần này cũng đang đặt ra nhiều thách thức mới đối với các nước đang phát triển như Việt Nam Chính phủ, các doanh nghiệp, các trung tâm nghiên cứu và cơ sở giáo dục tại Việt Nam cần phải nhận thức được và sẵn sàng thay đổi và có những chiến lược phù hợp cho việc phát triển công - nông nghiệp, dịch vụ và kinh tế hay nguồn nhân lực trong thời kỳ Internet vạn vật và cuộc CMCN 4.0

Mục tiêu của đề tài:

“Nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ thống quản lý sản xuất tự động hóa theo hướng công nghiệp I4.0 để phục vụ quá trình sản xuất, thúc đẩy nền công nghiệp – tự động hóa”

1.3.1 Mục tiêu kinh tế - xã hội

- Tăng kinh tế sản xuất , tốc độ và tính linh hoạt

- Sản xuất công nghiệp đáp ứng các yêu cầu của khách hàng ở mức chất lượng cao, trong khi đem lại tính linh hoạt và mạnh mẽ hơn cũng như sử dụng tối ưu các nguồn lực

- Kết hợp thế giới vật chất của sản xuất với thế giới ảo của công nghệ thông tin

1.3.2 Mục tiêu khoa học công nghệ

- Thúc đẩy và đưa hướng nghiên cứu công nghệ thu thập quản lý dữ liệu sản xuất trên thiết bị PLC vào trong nghiên cứu và giảng dạy tại khoa Điện tử và tại nhà trường

- Lập trình các thuật toán thông minh để kết nối giám sát các quá trình hoạt động của thiết bị nhằm hiện thực hóa công nghệ và tạo ra các sản phẩm mang hàm lượng chất xám cao

- Ứng dụng hệ thống quản lí sản xuất tự động hóa công nghiệp

- Tăng cường kỹ năng thực hành cho giáo viên và học sinh - sinh viên khi dạy

và học các ngành Điện tử, Điện, Tự động hoá

Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan mô hình nhà máy thông minh

- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ 4.0 trong các nhà máy

- Nghiên cứu về MELSEC iQ-R, R04CPU của hãng Mitsubishi

- Nghiên cứu về mạng truyền thông CC - Link của hãng Mitsubishi

- Xây dựng phần mềm và lắp đặt phần cứng của mô hình hoàn chỉnh

- Xây dựng các bài thực hành dựa trên các chức năng của mô hình

PHẦN 2 BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN MÔ HÌNH NHÀ MÁY THÔNG MINH

VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ 4.0

Cấu trúc của hệ thống nhà máy thông minh

Cấu trúc quản lý, điều hành sản xuất kinh doanh của một tập đoàn, công ty, nhà máy sản xuất I4.0 bao gồm các lớp sau:

 Level 4: Business Planning: ERP, APO, CRM

 Level 3: Manufacturing Operation Management: MES, LIMS, WMS, PLM

 Level 2: Supervisory Control: Scada, HMI

 Level 1: Plant Control: PLC, DCS

 Level 0: Physical equipment: I/O, Devices, Sensors

Level 4 Business Planning: là cấp cao nhất trong hệ thống của nhà máy hay doanh nghiệp Chức năng của lớp này là quản lý tổng thể doanh nghiệp, công ty… lập kế hoạch, tạo dự án, quản lý nhân sự, quản lý tài nguyên, kiểm sát sản xuất, nguyên vật liệu kho, tài sản cố định, tài chính-kế toán, giao dịch thương mại… của cả công ty hay doanh nghiệp

Level 3 Manufacturing Operation Management (MES): đây là cấp thứ hai trong hệ thống nhà máy, doanh nghiệp, công ty…Chức năng của nó là điều hành sản xuất hay nói cách khác nó là tập hợp con của giải pháp quản lý sản xuất tổng thể (ERP sản xuất) MES

có vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thống vận hành nhà máy và công ty Nó đảm bảo cho

Hình 1-1 Cấu trúc nhà máy thông minh

sự liên kết chặt chẽ các thành phần, các cơ cấu trong hệ thống vận hành, đảm bảo tối đa chất lượng, tối ưu hóa sản xuất trong các nhà máy trên thế giới

Level 2 Supervisory Control: đây là cấp điều khiển giám sát hoạt động cụ thể của nhà máy, nó có chức năng giám sát và thu thập dữ liệu các hoạt động điển hình và chú trọng vào các thiết bị, các dây chuyền máy móc cũng như kiểm soát nhiều bộ điều khiển riêng lẻ hay các vòng kiểm soát ví dụ như hệ thống điều khiển phân tán, cho phép người vận hành quan sát toàn bộ quá trình hoạt động và cho phép tích hợp hoạt động giữa các bộ điều khiển

để đảm bảo các thiết bị máy móc hoạt động ổn định, đạt hiệu suất đã đề ra cũng như phát hiện sự cố để nhanh chóng có phương án khắc phục sửa chữa

Level 1 Plant Control: đây là cấp điều khiển trong nhà máy Nói cách khác đây là các bộ điều khiển hay hệ thống điều khiển được kết nối trực tiếp đến các thiết bị máy móc

để vận hành chúng

Level 0 Physical Equipment: đây là cấp cuối cùng và cơ bản nhất Nó chính là những thiết bị vật lý, các cảm biến, các bộ phận hoạt động cấu thành lên thiết bị hay dây chuyền Với thế hệ smart sensor trong I4.0 thì hiện các cảm biến đều được kết nối Internet

Hiện tại các doanh nghiệp, nhà máy sản xuất thực tế của các tập đoàn lớn đã tiếp cận với I4.0, tuy nhiên tại Việt Nam các trang thiết bị, phòng thí nghiệm phục vụ nghiên cứu, tiếp cận mô hình công nghiệp 4.0 hay các thiết bị giảng dạy, đào tạo hiện chưa có đồng bộ

mô phỏng thu nhỏ vận hành thực tế như một nhà máy để người học có thể tiếp cận, hiểu quá trình và thực hành

Ứng dụng của công nghệ 4.0 đối với các nhà máy

Cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đang tạo nên cuộc cải cách đáng kể về công nghệ sản xuất Trong đó, nhà máy thông minh (ứng dụng công nghệ, quy trình thông minh vào sản xuất và quản trị) hiện ngày càng phát triển rầm rộ trên thế giới

Sự hội tụ của sức mạnh công nghệ lớn, máy móc biết suy nghĩ và trí thông minh nhân tạo đã kích hoạt sự chuyển đổi hoàn toàn của ngành công nghiệp sản xuất, cho ra đời những nhà máy thông minh siêu tiện ích và tạo điều kiện cho sự nổi lên của Industry 4.0 - thế giới của điện toán đám mây, IoT và các hệ thống điều khiển vật lý

Sự phát triển nhảy vọt trong lĩnh vực công nghệ thông tin đang thúc đẩy việc sử dụng robot và cảm biến trong các nhà máy thông minh, thúc đẩy Industry 4.0 Các cảm biến bền và ít tốn kém đóng vai trò quan trọng trong hoạt động sản xuất tại nhà máy thông minh như thu thập thông tin đảm bảo tính đồng bộ trong vận hành máy móc, tiết kiệm năng lượng

và tối ưu hóa việc vận hành hệ thống

Xu hướng nhà máy thông minh hiện nay đang hình thành và phát triển trên toàn thế giới Trong kỷ nguyên sản xuất kỹ thuật số, khoảng cách giữa thế giới ảo và thế giới thực đang được thu hẹp nhanh chóng bằng một cách sản xuất hoàn toàn mới

Sự quan tâm đến sản xuất tiên tiến, nhu cầu ngày càng tăng từ các ngành hàng chính

và xu hướng của các nhà sản xuất là những nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy sự phát triển của thị trường nhà máy thông minh toàn cầu

Ở các nhà máy thông minh, máy móc được kết nối Internet và liên kết với nhau qua

hệ thống có thể tự quản lý toàn bộ quy trình sản xuất rồi đưa ra quyết định Tính năng quan trọng nhất của một nhà máy thông minh là sự kết nối

Hình 1-2 Điều khiển Robot

Các máy móc thiết bị, cảm biến, robot, dữ liệu, nguồn nhân lực,… kết nối với nhau,

từ đó có thể thực hiện các quy trình thông minh và hiệu quả trong sản xuất Với công nghệ mới mọi hoạt động được tối ưu hóa, giảm thiểu sự can thiệp bằng tay với độ tin cậy cao, quy trình sản xuất được minh bạch từ khâu đầu tiên đến khâu cuối cùng, từ nhà máy đến chuỗi cung ứng, quá trình phân phối, trải nghiệm người dùng

Những ứng dụng công nghệ đã được doanh nghiệp đưa vào thực tế sản xuất nhưng theo các chuyên gia, để đạt được trình độ sản xuất tiên tiến như nhà máy thông minh đúng nghĩa thì cần có quá trình phát triển mạnh mẽ về cơ sở hạ tầng, máy móc thiết bị và con người

Lợi ích của áp dụng công nghệ 4.0

1.3.1 Hiệu quả tài sản

Mọi khía cạnh của nhà máy thông minh tạo ra nhiều tệp dữ liệu, thông qua phân tích liên tục, tiết lộ vấn đề hiệu suất tài sản có thể yêu cầu một số loại tối ưu hóa Trên thực tế, chẳng hạn như việc tự sửa lỗi là điều phân biệt các nhà máy thông minh và nhà máy tự động hóa truyền thống, trong đó có thể mang lại hiệu quả tài sản chung lớn hơn, một trong những lợi ích nổi bật nhất của một nhà máy thông minh

Hình 1-3 Dây chuyền sản xuất sữa

1.3.2 Phẩm chất

Tự tối ưu hóa là đặc trưng của nhà máy thông minh có thể dự đoán và phát hiện xu hướng khiếm khuyết chất lượng sớm hơn và có thể giúp xác định con người, máy móc hoặc các nguyên nhân môi trường có chất lượng kém Điều này có thể làm giảm tỷ lệ phế liệu và thời gian bán hàng, tăng tỷ lệ lấp đầy và năng suất

1.3.3 Chi phí thấp

Các quy trình được tối ưu hoá theo truyền thống dẫn đến các quy trình hiệu quả về chi phí hơn những yêu cầu kiểm kê dự đoán được nhiều hơn, những quyết định tuyển dụng nhân viên hiệu quả hơn cũng như làm giảm quy trình và hoạt động Một quy trình chất lượng tốt hơn cũng có thể có nghĩa là một cái nhìn tổng thể về mạng lưới cung cấp với phản ứng nhanh, không trễ để tìm nguồn cung ứng nhu cầu do đó giảm chi phí hơn nữa

1.3.4 An toàn và phát triển bền vững

Nhà máy thông minh cũng có thể mang lại những lợi ích thực sự xung quanh sức khỏe và môi trường bền vững Quy trình tự chủ nhiều hơn có thể tạo ra ít lỗi hơn cho con người, bao gồm các tai nạn lao động gây ra thương tích Khả năng tự cung tự cấp tương đối của nhà máy thông minh sẽ thay thế một số vai trò nhất định đòi hỏi các hoạt động lặp đi lặp lại và mệt mỏi Tuy nhiên, vai trò của nhân viên lao động trong môi trường nhà máy thông minh có thể đạt được mức độ đánh giá cao hơn và sự tự quyết định tại chỗ, có thể dẫn đến sự hài lòng trong công việc và tăng doanh thu

CHƯƠNG 2.MELSEC IQ-R MITSUBISHI VÀ MẠNG CC LINK

IE FIELD

Tổng quan về MELSEC iQ-R Mitsubishi

iQ-R là một nền tảng điều khiển đầy đủ tính năng với tốc độ xử lý nhanh, đồng bộ hóa mạng, mô-đun và điều khiển đa ngành Thiết kế tiên tiến của iQ-R cho phép người dùng dẫn đầu ngành công nghiệp của họ với hiệu suất và năng suất máy vượt trội Vô số tùy chọn mô-đun CPU và I/O làm cho nó trở thành một giải pháp linh hoạt cho nhiều ứng dụng

2.1.2 Cơ sở dữ liệu nội bộ

CPU bao gồm một cơ sở dữ liệu nội bộ có thể được cài đặt vào thẻ nhớ SD Điều này cho phép lựa chọn các lệnh cơ sở dữ liệu có thể thêm xóa thay đổi các bản ghi được sử dụng cho các hàm công thức đơn giản Bạn cũng dễ dàng nhập xuất các tệp Unicode để sử dụng trong bảng tính Điều này rất hữu ích khi nhiều biến thể sản phẩm được tạo ra bằng cùng một quy trình máy

2.1.3 Tốc độ cao và đồng bộ hóa

iQ-R tự hào có một bus hệ thống tốc độ cao để truyền dữ liệu được đồng bộ giữa nhiều CPU Điều này cải thiện hiệu suất và độ chính xác, đặc biệt đối với các ứng dụng điều khiển chuyển động tốc độ cao Mạng CC-Link IE Field cung cấp hiệu suất xác định qua Ethernet công nghiệp đảm bảo đồng bộ hóa

2.1.4 Các tính năng bảo mật nâng cao

iQ-R có nhiều tính năng bảo mật để bảo vệ tài sản trí tuệ và an toàn cho thiết bị Các

kỹ sư có thể hạn chế quyền truy cập ở cấp độ mạng bằng cách sử dụng bộ lọc IP, giảm nguy

cơ bị hack hoặc bất kỳ quyền truy cập trái phép nào của bên thứ ba Ở cấp độ điều khiển, xác thực khóa bảo mật ngăn chặn truy cập trái phép vào chương trình hoặc thực thi CPU Khóa bảo mật có thể được đăng ký cho các CPU cụ thể, máy tính cá nhân hoặc bằng SRAM mở rộng Việc sử dụng SRAM cho phép thay thế CPU mà không cần thay đổi chương trình

Hình 2-1 Cơ sở dữ liệu nội bộ

Hình 2-2 Tính năng bảo mật cao

Thành phần của MELSEC iQ-R series

Series MELSEC iQ-R là một hệ thống điều khiển đun được trang bị nhiều đun khác nhau như CPU, nguồn điện, I/O kỹ thuật số, I/O tương tự, base unit và các mô-đun chức năng thông minh, mỗi mô-đun có trách nhiệm riêng trong hệ thống

mô-Cốt lõi của hệ thống là một base unit kết nối tất cả các mô-đun với nhau và cho phép liên lạc tốc độ cao giữa mỗi mô-đun Từ hệ thống nhỏ đến lớn, khả năng mở rộng rất đơn giản Có thể kết nối tối đa 7 base unit và tối đa 64 mô-đun được cài đặt cùng một lúc

2.2.1 Mô-đun CPU

Series MELSEC iQ-R bao gồm một loạt các bộ điều khiển tự động lập trình có khả năng phục vụ các nhu cầu điều khiển tự động đa dạng Tập trung vào hai lĩnh vực, dòng sản phẩm bao gồm bộ điều khiển đa năng, hiệu suất cao có khả năng thay đổi bộ nhớ và bộ điều khiển chuyển động có độ chính xác cao với các trục có thể điều khiển được Kiến trúc đã được thiết kế lại xung quanh hệ thống bus tốc độ cao MELSEC iQ-R mới để đảm bảo hiệu suất cao và khả năng xử lý thông minh

Ngoài ra, CPU dành riêng cho ứng dụng đã được thêm vào, CPU điều khiển quá trình (hỗ trợ tối đa 500 vòng lặp PID và trao đổi nóng các mô-đun I/O) và CPU Bộ điều khiển C, cung cấp lập trình ngôn ngữ C lý tưởng để chuyển đổi từ máy tính cá nhân hoặc

hệ thống dựa trên bộ điều khiển vi mô

Hình 2-3 Mô-đun CPU

2.2.2 Mô-đun I/O

Các mô-đun I/O kỹ thuật số là các giác quan của hệ thống tự động hóa và cung cấp giao diện của các quá trình khác nhau cho bộ điều khiển Các thiết bị như công tắc, đèn và cảm biến có thể dễ dàng kết nối với hệ thống điều khiển

Các kết nối đầu cuối mật độ cao (lên đến 64 điểm) dẫn đến các thiết kế tiết kiệm không gian trong tủ điều khiển giúp giảm thêm chi phí lắp đặt Ngoài ra, các chức năng ngắt đầu vào và chuẩn đoán hoạt động chuyển tiếp đầu ra là các tính năng bổ sung được tích hợp trong mô-đun nhỏ gọn nhưng thông minh này

 Xếp hạng đầu vào / đầu ra được in ở phía trước, làm giảm hệ thống dây không chính xác

 Móc buộc cáp dễ sử dụng để nối dây gọn gàng

 Các khối thiết bị đầu cuối 16 điểm hiện tại có thể tái sử dụng, loại bỏ việc tua lại

 Khối đầu nối kẹp lò xo làm giảm các nhiệm vụ nối dây và bảo trì

 Xác nhận đơn giản bởi sản phẩm nối tiếp số in ở mặt trước

 Công tắc bật tắt xen kẽ được sử dụng để hiển thị giữa các tín hiệu LED 32 điểm

Hình 2-4 Mô-đun I/O

 Tín hiệu đầu cuối được dán nhãn rõ ràng và được mã hóa màu lên đến 32 tín hiệu LED rõ ràng

Dòng mô-đun tương tự Sê-ri MELSEC iQ-R bao gồm các tính năng như lấy mẫu tốc

độ cao kết hợp với tín hiệu đầu ra kỹ thuật số độ phân giải cao 16 bit, chuyển đổi đa kênh đồng thời phát hiện cách ly và ngắt kết nối kênh điện và HART giao tiếp với các thiết bị hiện trường, do đó cho phép xử lý tín hiệu analog ổn định và chính xác cao

 5 mẫu lấy mẫu tốc độ cao, độ phân giải cao 16 bit

 Thao tác mở rộng và dịch chuyển bằng cách sử dụng cài đặt tham số

 Lý tưởng cho các ứng dụng kiểm tra độ chính xác tốc độ cao

2.2.4 Mô-đun chuyển động, định vị, bộ đếm tốc độ cao

Mô-đun chuyển động

Các mô-đun chuyển động đơn giản dễ dàng thiết lập tương tự như các mô-đun vị trí

và cung cấp hiệu suất của bộ điều khiển chuyển động có độ chính xác cao Đây là mô-đun

dễ sử dụng được thiết kế dành riêng cho các ứng dụng điều khiển chuyển động có độ chính xác cao, có sẵn kết nối với mạng điều khiển servo tốc độ cao (SSCNET / H) hoặc mạng CC-Link IE Field tùy thuộc vào kiểu máy

 Kiểm soát định vị

 Điều khiển đồng bộ / điều khiển cam điện tử

 Điều khiển mô-men xoắn tốc độ

 Chuyển đổi điều khiển tốc độ / vị trí

Mô-đun định vị

Có khả năng truyền tốc độ cao (5M xung / s ), mô-đun định vị có thể điều khiển tối

đa bốn trục Mô-đun đa năng này hỗ trợ kết nối với một loạt các thiết bị chuyển động, chẳng hạn như bộ khuếch đại servo đầu vào mạch xung hoặc động cơ bước với một bóng bán dẫn hoặc giao diện đầu vào trình điều khiển vi sai

 Kiểm soát vị trí

 Kiểm soát tốc độ

Hình 2-6 Mô-đun chuyển động

 Nội suy tuyến tính, tròn, xoắn ốc

Mô-đun bộ đếm tốc độ cao

Có khả năng đo ở mức xung lên tới 8 M / s, mô đun bộ đếm tốc độ cao là một giải pháp kiểm soát vị trí chi phí thấp lý tưởng cung cấp theo dõi vị trí chính xác khi được sử dụng kết hợp với bộ mã hóa gia tăng

 Đo xung bằng bộ mã hóa

 Điều khiển ổ đĩa hệ thống PWM

2.2.5 Mô-đun Mạng

Các mô-đun mạng và giao diện của Sê-ri MELSEC iQ-R đảm bảo nhiều lựa chọn

về khả năng kết nối với các giao thức và cấu trúc liên kết mạng khác nhau cung cấp giải pháp phù hợp nhất cho các ứng dụng khác nhau Cốt lõi của series là mạng CC-Link IE, đây là mạng điều khiển công nghiệp cấu trúc liên kết Ethernet cấp độ mạng tốc độ cao 1 Gbps

 Các mô-đun mạng cụ thể khác nhau có sẵn

 Tốc độ cao 1 Gbps, băng thông lớn 128K từ cho CC-Link IE

Hình 2-8 Mô-đun đếm tốc độ cao Hình 2-7 Mô-đun định vị

 Kết nối với hai mạng riêng biệt bằng một mô-đun duy nhất

 Mạng liền mạch (SLMP)

 Chức năng lặp lại đảm bảo liên lạc liên tục

 Tự động quay lại khi trạm bị lỗi được thay thế

 Hỗ trợ các giao diện tiêu chuẩn như RS-232 và RS-422/485

Tổng quan về CC-Link IE Field

CC-Link (Control & Communication Link) là một mạng mở được phát triển bởi Mitsubishi Electric Nó được thiết kế để dễ sử dụng, đơn giản trong thiết kế hệ thống, cài đặt nhanh chóng và độ tin cậy trong hoạt động Nó cung cấp tốc độ cao, giao tiếp xác định liên kết một loạt các thiết bị tự động hóa của nhà cung cấp qua một cáp

CC-Link là công nghệ mạng mở hàng đầu tại Nhật Bản và Châu Á và đang phát triển mạnh mẽ ở Bắc Mỹ và Châu Âu Đối với các nhà sản xuất thiết bị tự động hóa, việc tích hợp mạng mở chiếm ưu thế là lựa chọn rõ ràng để tối đa hóa khả năng tương thích mạng Nhiều nhà sản xuất thiết bị lớn của châu Âu hiện đang kết hợp khả năng tương thích CC-Link vì sức mạnh của nó ở châu Á

Có bốn loại mạng CC-Link, chúng có thể được sử dụng cùng nhau trong một giải pháp tích hợp hoặc riêng rẽ khi cần:

 CC-Link LT

 CC-Link Safety

 CC-Link

Hình 2-9 Mô-đun mạng

CC-Link IE cho phép truyền dữ liệu liền mạch từ mạng doanh nghiệp cấp nhà máy đến mạng sản xuất Triết lý mạng công nghiệp tích hợp này cũng giúp giảm chi phí cho toàn bộ nhiệm vụ kỹ thuật hệ thống từ khởi động hệ thống, vận hành và bảo trì Sự khác biệt lớn nhất giữa CC-Link IE Field và các giao thức dựa trên Ethernet khác là tốc độ và tính xác định cao

Các tính năng chính của CC-Link IE Field:

 Mạng CC-Link IE Field - Mạng sản xuất Ethernet Field bus 1Gbps tiêu chuẩn mở

 Ngoài việc kiểm soát truyền dữ liệu, nó cho phép xử lý thông tin để bảo trì

và chuẩn đoán để cung cấp sự hợp tác và năng suất được cải thiện

 Truyền dữ liệu tốc độ cao 1Gbps sử dụng cáp đồng Cat5E tiêu chuẩn có sẵn rộng rãi và các đầu nối RJ-45

 Xác định qua Ethernet được đảm bảo thông qua việc sử dụng kỹ thuật chuyển mã thông báo và không yêu cầu sử dụng các công tắc bổ sung

 Giao tiếp liền mạch được kích hoạt từ lớp mạng doanh nghiệp đến lớp mạng

bộ điều khiển đến lớp mạng trường Vì CC-Link IE Field là một mạng công nghệ mở, tổ chức CLPA toàn cầu hỗ trợ và hỗ trợ các công ty đối tác phát triển các sản phẩm tương thích CC-Link IE Field của họ Điều này cho phép người dùng lựa chọn từ nhiều sản phẩm giá trị gia tăng cho các hệ thống tự động hóa của họ

2.3.2 Tốc độ truyền dữ liệu cao

Giao thức truyền và thời gian thực một gigabit mỗi giây cho phép điều khiển các thiết bị trường I/O từ xa mà về cơ bản không có độ trễ truyền Tốc độ truyền này nhanh hơn

ít nhất mười lần so với các mạng dựa trên Ethernet công nghiệp hiện có Mạng CC-Link IE Field là mạng Ethernet công nghiệp gigabit đầu tiên được mở rộng xuống cấp thiết bị trường Nó kết hợp tốt nhất các công nghệ hiện có và áp dụng chúng trong một kiến trúc có

độ tin cậy cao, cung cấp băng thông dữ liệu và tốc độ giao dịch đặc biệt Mạng mới sử dụng cáp Cat5E và đầu nối RJ45 có bán trên thị trường

2.3.3 Tính điều khiển xác định

Sự khác biệt đáng kể giữa Mạng CC-Link IE Field và các giải pháp Ethernet công nghiệp khác là Mạng CC-Link IE Field cung cấp liên lạc điều khiển xác định mà không cần thêm công tắc Ethernet Tính năng này giúp loại bỏ chi phí phần cứng và chi phí thực hiện

kỹ thuật của các công tắc đó Ngoài ra, chi phí và nhu cầu phát triển các câu lệnh truyền thông để điều chỉnh luồng dữ liệu bị loại bỏ do khái niệm bộ nhớ dùng chung của CC-Link

IE Field và không cần có kiến thức về giao thức CC-Link IE Field Tính xác định được đảm bảo bằng kỹ thuật chuyển mã thông báo CC-Link IE Field

2.3.4 Cấu trúc liên kết đa dạng

Mạng CC-Link IE Field cho phép cấu trúc liên kết phù hợp nhất với nhu cầu của ứng dụng cụ thể - do đó đảm bảo tính linh hoạt cao nhất Các cấu trúc liên kết này bao gồm ngôi sao, dòng, ngôi sao hỗn hợp và dòng và vòng Trong một mạng duy nhất, có thể có tổng cộng 120 trạm với cáp Cat5E lên tới 100 mét giữa mỗi trạm Ngoài ra, có tới 239 mạng

có thể được kết nối với nhau cho phép trao đổi dữ liệu lớn phù hợp với bất kỳ ứng dụng nào

2.3.5 Khả năng truyền thông liền mạch

Mạng CC-Link IE Field cho phép truyền dữ liệu liền mạch từ thiết bị trường đến bộ điều khiển và từ bộ điều khiển đến bộ điều khiển khác để tạo thành một mạng tích hợp để truyền dữ liệu ở tốc độ gigabit Bộ điều hợp Ethernet cho phép kết nối với các thiết bị Ethernet 100 Mb

CC-Link IE Field cung cấp truyền dữ liệu liền mạch giữa các bộ điều khiển tự động hóa như PLC và máy tính và các thiết bị như I/O kỹ thuật số, van khí, đầu đọc RFID, ổ đĩa biến tốc, bộ điều khiển chuyển động và các tài sản khác của nhà máy Hiện tại, nó cho phép kết nối tới 120 trạm trên một mạng duy nhất trong khi cung cấp trao đổi dữ liệu xác định ở tốc độ gigabit mà không cần chuyển mạch Ethernet

2.3.6 Trao đồi dữ liệu theo chu kỳ và tạm thời

CC-Link IE Field cung cấp cả hai phương thức trao đổi dữ liệu trong chu kỳ chuyển đổi dữ liệu và chuyển đổi dữ liệu được cung cấp dựa trên công nghệ chuyển đổi mã thông báo được chứng minh tốt và giao thức được tối ưu hóa Truyền tuần hoàn cung cấp dịch vụ cung cấp dữ liệu minh bạch, thời gian thực cho tất cả các trạm Một bộ nhớ chung Mô hình truyền hình trực tuyến được cấu hình bởi một vài cài đặt tham số đơn giản sẽ thiết lập trao đổi dữ liệu xác định cho toàn bộ mạng

Thời gian cung cấp dữ liệu cụ thể có thể được tính toán chính xác trước khi mạng được vận hành Phương thức thứ hai của giao tiếp CC-Link IE Field là chế độ chuyển đổi trực tuyến Dữ liệu có thể được gửi đến một hoặc nhiều trạm mạng và các trạm này có thể đáp ứng các yêu cầu nhất thời cho dữ liệu CC-Link IE Field phân bổ băng thông chế độ thoáng qua để giao tiếp theo chu kỳ vẫn mang tính quyết định

Mô-đun CC-Link IE Field RJ71GF11-T2

Hình 2-10 Mô-đun RJ71GF11-T2

Tối đa số lượng trạm kết nối 121 (trạm chủ: 1, trạm tớ: 120)

Đầu vào từ xa (RX), đầu ra từ xa

(RY) 16K điểm (16384 điểm, 2K byte)Đăng ký từ xa (RWw, RWr) 8K điểm (8192 điểm, 16K byte)

Bảng 2-1 Thông số kỹ thuật mô-đun RJ71GF11-T2

Để liên kết các trạm trong hệ thống với nhau chúng ta có thể liên kết hệ thống thông qua ba kiểu liên sau:

 Liên kết dạng tuyến

- Điểm cuối chỉ có một kết nối duy nhất

- Sự cố với một cáp hay một trạm vẫn có khả năng ngắt hoạt đoạn của các trạm khác

Hình 2-11 Dạng tuyến

 Liên kết dạng sao

- Tất cả các cáp sẽ được kết nối với vị trí trung tâm

- Lỗi ở một cáp hay một trạm sẽ không có khả năng ảnh hưởng đến các trạm còn lại

- Tuy nhiên lỗi ở bộ tập trung có thể gây lan ra toàn mạng

- Có thể kết hợp với topo dạng tuyến

 Liên kết dạng vòng

- Tương tự với topo dạng tuyến, nhưng không có điểm cuối nào

- Lỗi ở một cáp hay một trạm sẽ không ảnh hưởng đến khả năng duy trì truyền thông của mạng

Hình 2-12 Dạng Sao

Hình 2-13 Dạng vòng

CHƯƠNG 3.XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ MÁY THÔNG MINH

Hệ thống được điều khiển bằng bộ điều khiển khả trình MELSEC iQ-R của Mitsubishi, chương trình được viết trên phần mềm GX Works3 và màn hình giám sát được thiết kế trên GT Designer 3 Các trạm trong hệ thống được kết nối với nhau thông qua mạng

CC Link IE Field, qua đó tạo thành một mạng Các trạm trong mạng sẽ được quản lý điều khiển bởi trạm chủ, trao đổi dữ liệu với nhau

Hệ thống được ứng dụng tại các nhà máy trong hệ thống quản lý sản xuất tự động, giúp quản lý các hệ thống sản xuất trong nhà máy một các thông minh hơn nhờ đó nâng cao năng xuất sản xuất, giảm chi phí nhân công

Thiết kế hệ thống

Hệ thống quản lý sản xuất được cấu tạo gồm 3 trạm: trong đó có 1 trạm chủ và 2 trạm tớ

Hình 3-1 Sơ đồ hệ thống