TỔ CHỨC VÀ QUẢN LÝ MÔ HÌNH SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP GEMMA

TỔ CHỨC VÀ QUẢN LÝ MÔ HÌNH SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP GEMMA ORGANIZATION AND MANAGEMENT OF AUTOMATIC MANUFACTURING MODELING WITH GEMMA METHOD ĐOÀN QUANG VINH – TRẦN ĐÌNH KHÔI QUỐC Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng HUỲNH TRỌNG Trung tâm Viễn thông Quốc tế 3 TÓM TẮT Tự động hóa ngày nay đã hoàn toàn không còn là một lĩnh vực xa lạ với chúng ta nữa. Các hệ thống sản xuất tự động hóa càng ngày càng lớn và phức tạp, do đó việc nghiên cứu thiết kế và điều khiển hệ thống sản xuất trở nên khó khăn, dẫn đến đòi hỏi phải có phương pháp nghiên cứu hiện đại thích hợp. Bài báo này giới thiệu phương pháp lập trình dạng đồ hình, có tên gọi là GEMMA (Guide d'Etudes des Modes de Marches et d'Arrets) ABSTRACT Nowadays, automation is no longer considered a new area. However, automatic manufacturing systems are getting more complicated, leading to the difficulties in finding out an appropriate research method to design and control such systems. This article discusses a graphic programming method called GEMMA (Guide d'Etudes des Modes de Marches et d'Arrets). 1. GIỚI THIỆU GEMMA , trực quan, chi tiết và kinh tế. Công cụ đồ hình này cho phép mô tả một cách rõ ràng các chế độ chạy và dừng của hệ thống từ khâu nghiên cứu cho đến khâu thực hiện. Với các thuật ngữ đơn giản, nó tạo điều kiện cho các nhà kỹ thuật làm việc trên cùng một hệ thống có thể dễ dàng trao đổi với nhau. Nó cho phép liệt kê ra tất cả các thủ tục chạy và dừng của hệ thống trên các PC (phần điều khiển) và PO (phần thao tác). GEMMA là công cụ hỗ trợ đắc lực trong lập trình bằng GRAFCET. 2. CẤU TRÚC GEMMA PC CÓ ĐIỆN PC CÓ ĐIỆN PC KHÔNG CÓ ĐIỆN PC KHÔNG CÓ ĐIỆN A D F DỪNG SỰ CỐ HOẠT ĐỘNG SẢN XUẤT II I I Hình 1. Đồ hình GEMMA Đồ hình GEMMA có hai vùng: - Vùng I: vùng phần điều khiển không có điện, tương ứng với trạng thái <<không có điện>> của phần điều khiển, trong trạng thái này phần thao tác (PO) không được điều khiển bởi phần điều khiển. Ta không xét vùng này. - Vùng II: vùng phần điều khiển có điện và hoạt động, cho phép mô tả những gì xảy ra trong khi phần điều khiển đang hoạt động bình thường <<có điện>>, cho phép xác định các chế độ chạy và dừng khác nhau của thiết bị (hệ thống) cùng với các điều kiện chuyển đổi giữa chế độ này sang chế độ khác. Đây là vùng chiếm hầu như toàn bộ đồ hình GEMMA. Phương pháp GEMMA phân chia đồ hình hệ thống tự động thành 3 nhóm chạy và dừng nằm ở vùng phần điều khiển có điện. Vùng sản xuất là vùng gặp nhau của 3 nhóm này. Ba nhóm đó là: Nhóm F - các thủ tục hoạt động; nhóm A- các thủ tục dừng và nhóm D- Các thủ tục sự cố. Phương pháp GEMMA phân chia quá trình hệ thống thành « các hình chữ nhật trạng thái » tương ứng với mỗi chế độ chạy và dừng. Mỗi hình chữ nhật trạng thái ở một vị trí nhất định trong đồ hình GEMMA. Mỗi hình chữ nhật trạng thái được liên kết với một hoặc nhiều các hình chữ nhật trạng thái khác bằng các mũi tên có định hướng. Sự chuyển từ hình chữ nhật này sang hình chữ nhật khác được thực hiện theo cách thức chuyển của các chuyển tiếp trong Grafcet. Mỗi nhóm có thể phân nhỏ thành các nhóm các trạng thái (hình chữ nhật trạng thái) bên trong, dẫn đến có 16 chế độ vận hành. A6 <Đưa P.O về trạng thái ban đầu> A1 <Dừng ở trạng thái ban đầu> < Dừng hệ thống theo yêu cầu> A7 <Đưa PO về trạng thái xác định> <Chuẩn bị hoạt động sau hư hỏng> <Dừng theo yêu cầu cuối chu trình> <Dừng theo yêu cầu trong trạng thái xác định> <Sản xuất trong chế độ sự cố > <Chuẩn đoán/ xử lý hư hỏng> D1 <Dừng khẩn cấp> F1 <Sản xuất bình thường> F4 <Chạy kiểm tra không theo trình tự> <Chạy kiểm tra theo trình tự> F6 <Chạy và thử nghiệm> D THỦ TỤC SỰ CỐ F THỦ TỤC HOẠT ĐỘNG yêu cầu chạy yêu cầu dừng Phát hiện hư hỏng Cắt điện phần điều khiển (P.C) Cung cấp điện P.C Cắt điện P.C cung cấp điện P.C Cắt điện P.C A THỦ TỤC DỪNG <Chạy chuẩn bị> <Chạy kết thúc> Mọi trạng thái I F5 F3 F2 D2 D3 A5 A2 A3 A4 SẢN XUẤT Hình 2. Sơ đồ GEMMA tổng quát và việc chuyển đổi giữa các chế độ - Nhóm F (hoạt động): Là nhóm tất cả các trạng thái cần thiết của hệ thống tự động để tạo ra sự gia tăng sản phẩm. Các tác động trong nhóm này xác định các trạng thái hoạt động của hệ thống. Có thể chia nhóm F thành 6 nhóm con, đó là F1, F2, F3, F4, F5, F6. Không bắt buộc sản xuất trong mọi trạng thái F: hệ thống có thể đang sản xuất, nhưng cũng có thể chuẩn bị sản xuất, tiến hành điều chỉnh, chạy thử . - Nhóm A (dừng): Chế độ chạy tự động ít khi làm việc 24/24 giờ. Việc dừng chế độ chạy tự động để chuyển sang một chế độ khác là do các yếu tố bên ngoài hệ thống tác động vào (cuối ngày, cuối ca làm việc .) hoặc do thiếu nguyên liệu cung cấp . Nhóm A gồm các trạng thái dừng bình thường. Phương pháp GEMMA chia nhóm A thành 7 nhóm con, đó là A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7. Ngoài ra, nhóm A còn chứa các công đoạn, các tiến trình để đưa hệ thống vào hoạt động trở lại. - Nhóm D (sự cố): Là nhóm các trạng thái mô tả trạng thái dừng do một nguyên nhân bên ngoài hệ thống. Đây là trạng thái dừng không bình thường (dừng do sự cố). Phương pháp GEMMA chia nhóm D thành 3 nhóm con, đó là D1, D2, D3. Cho phép quản lý các sự cố của hệ thống, ví dụ như là trạng thái dừng khẩn cấp. Các trạng thái sự cố ở đây là các sự cố trên PO. 3. PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG GEMMA GEMMA giúp cho việc xây dựng các chế độ chạy và dừng ngay từ khâu thiết kế lắp đặt thiết bị. Từ yêu cầu của quá trình sản xuất, người lập trình trước tiên lập ra sơ đồ GEMMA. Trong GEMMA, mỗi hình chữ nhật trạng thái được đặc trưng bởi tên và kí hiệu của nó. Trước tiên, người kỹ sư tự động sẽ chọn các hình chữ nhật trạng thái cần thiết mô tả hệ thống tự động cần nghiên cứu, sau đó định nghĩa các liên kết có hướng đưa đến sự chuyển đổi giữa các chữ nhật trạng thái. Một định nghĩa ngắn gọn của các tác động được sử dụng để mô tả ứng xử của hệ thống trong mỗi hình chữ nhật trạng thái. 1. Dự kiến tất cả các hình chữ nhật trạng thái: Với hình chữ nhật trạng thái, đồ hình GEMMA bao gồm danh sách chế độ chạy và dừng theo yêu cầu và đặc điểm của quá trình sản xuất. 2. Tìm sự liên kết giữa các trạng thái 3. Điều kiện chuyển đổi giữa các trạng thái 4. ĐÁNH GIÁ VỀ GEMMA GEMMA là công cụ hỗ trợ lập trình có cấu trúc các hệ thống tự động trên nguyên tắc xác định các chế độ chạy và dừng, và mối liên hệ giữa các chế độ này. Các hình chữ nhật trạng thái trong GEMMA và việc chuyển đổi giữa chúng xuất phát từ đặc điểm của các thiết bị và yêu cầu của quá trình điều khiển. Một hệ thống được tổ chức lập trình điều khiển theo phương pháp GEMMA sẽ cho người điều khiển một cách nhìn khoa học, logic ngay từ khâu lắp ráp đến khi lập trình, điều khiển và giám sát. Hơn nữa, GEMMA còn giúp việc tìm, khắc phục các lỗi chương trình cũng như giải quyết các sự cố xảy ra một cách nhanh chóng. 5. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP GEMMA ĐỂ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỔNG QUAN CHO HỆ THỐNG SAPHIR Qua nghiên cứu phương pháp GEMMA, tác giả nhận thấy có thể ứng dụng phương pháp này cho việc xây dựng chương trình điều khiển mô hình SAPHIR nhằm nâng cao khả năng khai thác mô hình SAPHIR tại phòng thí nghiệm thuộc chương trình đào tạo kỹ sư chất lượng cao Việt-Pháp tại trường Đại học bách khoa-Đại học Đà nẵng. Hệ thống băng tải trong mô hình SAPHIR khi được bàn giao từ phòng thí nghiệm LAG của trường Đại học Bách khoa Grenchle chỉ có một chế độ vận hành bình thường. Hiện tại hệ thống băng tải mới chỉ được sử dụng để thí nghiệm cho các bài toán thực hành lập trình PLC, mà chưa có chương trình điều khiển hoàn chỉnh dựa trên một phương pháp lập trình mang tính chất công nghiệp.Do vậy trong quá trình vận hành còn tồn tại một số vấn đề sau: - Chỉ có một chế độ điều khiển tại chỗ nên rất bất tiện cho người vận hành. - Khi hệ thống hoạt động ta khó có thể xác định hệ thống đang làm việc ở công đoạn nào. - Khi yều cầu dừng thì hệ thống không đợi dừng trước khi kết thúc. - Vật ở đầu vào băng tải trung tâm: cảm biến không xác định sản phẩm tức không mã hóa sản phẩm, pít tông đẩy sản phẩm vào không đúng băng tải. - Khi có vật tại barrie, barrie mở mà vật không qua (chẳng hạn như bị kẹt cơ khí) thì chương trình bị lỗi, hệ thống làm việc sai. - ý sự cố và cũng không quay được về trạng thái ban đầu. - Không có chức năng giám sát, điều khiển từ xa và kiểm tra (bảo dưỡng) thiết bị trên hệ thống băng tải, . Để khắc phục những nhược điểm đó: (1) Trước tiên tác giả xây dựng lại chương trình ở chế độ vận hành bình thường. Sau đó tác giả xây dựng toàn bộ chương trình điều khiển theo phương pháp GEMMA với các chế độ chạy và dừng như giai đoạn chuẩn bị trước khi vào sản xuất, vận hành bình thường, dừng theo yều cầu cuối chu trình, kiểm tra bằng tay các chức năng hoạt động của các thiết bị trên hệ thống, các chế độ sự cố, … tức là xây dựng chương trình điều khiển hệ thống các băng tải như là một mô hình sản xuất tự động linh hoạt. (2) Ngoài ra, với sự hỗ trợ của các công cụ điều khiển và giám sát trong PL7, tác giả tạo ra màn hình giao diện thân thiện giám sát và điều khiển hệ thống băng tải SAPHIR trên máy tính, ở 2 chế độ Local và Remote. Đối với hệ thống băng tải SAPHIR, áp dụng phương pháp GEMMA, và theo đặc điểm của thiết bị, tác giả tổ chức lập trình và quản lý sản xuất hệ thống tự động SAPHIR như sau: - Thủ tục hoạt động: gồm có 3 nhóm + F1<Sản xuất bình thường>: Hệ thống hoạt động bình thường ở chế độ tự động, chu trình hoạt động từ việc tiếp nhận sản phẩm, phân loại sản phẩm theo khối lượng và vận chuyển sản phẩm đến trạm định vị. + F2<Chạy chuẩn bị>: hệ thống cần phải được chuẩn bị trước khi đi vào sản xuất bình thường: giai đoạn thải sản phẩm thừa trên hệ thống băng tải, . + F4<Chạy kiểm tra>: Chạy kiểm tra không theo trình tự, chế độ này cho phép kiểm tra bằng nhân công một số chức năng, các công đoạn hệ thống, như kiểm tra các cảm biến, các pít tông, các động cơ trên hệ thống, . - Thủ tục dừng: gồm có 3 nhóm: + A1<Dừng ở trạng thái ban đầu>: Đây là "trạng thái nghỉ" hay trạng thái dừng và sẵn sàng làm việc của hệ thống, trước khi chuyển sang sản xuất bình thường: hệ thống băng tải dừng, các pít tông ở vị trí xác định, . + A2<Dừng theo yêu cầu cuối chu trình>: Khi yêu cầu dừng vào cuối chu trình sản xuất (như kết thúc ca làm việc, cuối ngày, .) hệ thống tiếp tục sản xuất cho đến khi kết thúc chu trình làm việc. Trạng thái A2 là trạng thái quá độ về trạng thái A1. + A6<Đưa PO về trạng thái ban đầu>: Hệ thống đang ở trạng thái A6, sau khi người vận hành xử lí xong sự cố và thực hiện lệnh xác nhận thì hệ thống sẽ tự động thực hiện việc phục hồi trạng thái sẵn sàng làm việc của tất cả các thiết bị và sau đó mới quay về trạng thái A1, sẵn sàng cho chu trình sản xuất mới. - Thủ tục sự cố: D1<Dừng khẩn cấp>: Khi hệ thống tự động phát hiện được sự cố hay người vận hành ấn nút Emergency stop từ màn hình máy tính hay tại hệ thống, ngay lập tức toàn bộ hệ thống dừng và phát tín hiệu cảnh báo. Chờ người vận hành xử lí. THỦ TỤC DỪNG A1 <Dừng ở trạng thái ban đầu> A2 <Dừng theo yêu cầu cuối chu trình> A6 <Đưa PO về trạng thái ban đầu> Hình chữ nhật trạng thái <A2> THỦ TỤC HOẠT ĐỘNG F1 <SX bình thường> F2 <Chạy chuẩn bị> F4 <Chạy kiểm tra> Hình chữ nhật trạng thái <F1> THỦ TỤC SỰ CỐ D1 <Dừng khẩn cấp> SẢN XUẤT F D A Stop Man Auto Stop Mọi trạng thái Emer.stop A2 kết thúc F2 kết thúc D1 kết thúc A6 kết thúc Hình 3. Sơ đồ tổng quát điều khiển hệ thống băng tải SAPHIR theo phương pháp GEMMA Từ sơ đồ GEMMA tổng quát, tác giả xây dựng Grafcet chính có các chế độ làm việc như sau: 5 3 4 6 Nhiệm vụ F4 Nhiệm vụ F1 Nhiệm vụ A2 Nhiệm vụ D1 A2 kết thúc Stop Man Stop Emer. stop 1 Nhiệm vụ A1 2 Nhiệm vụ F2 Auto F2 kết thúc D1 kết thúc Emer. stop 7 Nhiệm vụ A6 Emer. stop Emer. stop A6 kết thúc Hình 4. Grafcet chính của hệ thống băng tải Và với sự hỗ trợ của các công cụ điều khiển và giám sát trong phần mềm PL7 của PLC-TSX57303, tác giả tạo ra màn hình giao diện thân thiện giám sát và điều khiển hệ thống băng tải SAPHIR trên máy tính, ở 2 chế độ Local và Remote. STOP ES L L O O C C A A L L R R E E M M O O T T E E OFF AUTO MAN Dat toc do MO HINH GIAM SAT VA DIEU KHIEN HE THONG BANG TAI SAPHIR Toc do BTTT Toc do BTT Toc do BTP Hình 5. Màn hình giám sát và điều khiển hệ thống băng tải 6. KẾT LUẬN Như vậy, với phương pháp GEMMA tác giả đã tổ chức và quản lí quá trình sản xuất của hệ thống băng tải SAPHIR, ta thấy hệ thống làm việc rất ổn định và linh hoạt, đáp ứng được mọi chế độ làm việc của quá trình sản xuất. Từ thực nghiệm thành công chu trình làm việc của hệ thống băng tải theo mô hình một dây chuyền sản xuất trình tự dựa trên phương pháp lập trình GEMMA và từ đó đã thiết kế được màn hình quản lí, giám sát và điều khiển xa từ máy tính tại phòng thí nghiệm thông qua mạng Ethernet. Có thể khẳng định rằng phương pháp GEMMA hoàn toàn có thể ứng dụng để tổ chức lập trình và quản lý hệ thống tự động sản xuất lớn trong công nghiệp, dân dụng và các lĩnh vực khác,… Bằng cách lắp đặt thêm một số cảm biến và các thiết bị đo lường vào hệ thống băng tải và kết hợp với việc phân tích dữ liệu trong PLC có thể phát hiện và chẩn đoán các sự cố thiết bị cũng như sai lệch của các sản phẩm trên băng tải. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống SAPHIR bao gồm cả mâm quay, băng tải, và robot, kể cả việc giám sát từ xa qua Internet. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Minh Sơn (2004), Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [2] Abati, P. (2000), Le Gemma. [3] Bouteille, N. (1992), Le Grafcet, Cepadues - Editions, Toulouse. [4] Fi de Carrera (2005), Enginyer Industrial Metodologia per implementar automatismes GRAFCET en microprocessadors programats en C. [5] PL7 Micro/Junior/Pro: Detailed description of Instructions and Functions TLX DR PL7. . TỔ CHỨC VÀ QUẢN LÝ MÔ HÌNH SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP GEMMA ORGANIZATION AND MANAGEMENT OF AUTOMATIC MANUFACTURING MODELING WITH GEMMA. định rằng phương pháp GEMMA hoàn toàn có thể ứng dụng để tổ chức lập trình và quản lý hệ thống tự động sản xuất lớn trong công nghiệp, dân dụng và các lĩnh