CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 4.1. Kết quả mô phỏng mô hình băng tải
Khi nhấn nút Play bắt đầu mô phỏng, mô hình bắt đầu hoạt động. Phôi được cấp vào đầu băng tải.
Hình 4.1. Phôi ở vị trí đầu băng tải
Hình 4.3. Vận tốc của băng tải
Hình 4.4. Thời gian vận chuyển phôi
Thời gian vận chuyển 1 phôi từ đầu băng tải đến giá chứa phôi: 4s. Sau 5s thì hệ thống sẽ cấp phôi tự động vào đầu băng tải bắt đầu 1 chu trình mới.
Khi nhấn nút stop, mô hình trở về trạng thái ban đầu.
4.2. Kết quả mô phỏng mô hình Robot SCARA
Khi nhấn nút Play bắt đầu mô phỏng, mô hình bắt đầu hoạt động. Phôi được cấp vào băng tải chưa phôi.
Hình 4.5. Phôi được cấp vào băng tải
Băng tải vận chuyển phôi đến vị trí nhận sản phẩm của Robot SCARA. Khi cảm biến tại đây có tín hiệu Robot SCARA bắt đầu hoạt động, trục robot đi xuống đế hút phôi.
Hình 4.7. Tay hút bật
Khi tay hút chạm vào phôi thông số Sticky được kích hoạt giúp tay hút hút phôi từ băng tải cấp phôi.
Hình 4.8. Robot hút và di chuyển phôi vào ổ chứa phôi
Hình 4.9. Robot ở vị trí thả phôi
Sau khi robot đưa phôi đén vị trí thả phôi, đợi 2s sau tay hút tắt thả phôi vào ổ chứa phôi. Thả phôi xong, robot quay lại vị trí ban đầu.
Hình 4.10. Robot quay lại vị trí ban đầu sau khi thả phôi
Thời gian thực hiện 1 chu trình gắp thả phôi là 25s, sau 30s phôi được cấp vào băng tải bắt đầu 1 chu trình mới.
Nhấn nút Stop mô hình dừng hoạt động, trở về trạng thái ban đầu.
4.3. Kết quả mô phỏng hệ thống chiết rót đóng nắp cà phê
Để thuận tiện trong việc lập trình, điều khiển cũng như là vận hành giám sát hệ thống nên nhóm thiết kế 5 màn hình HMI.
Hình 4.11. Các màn hình HMI
HMI Màn Hình Chờ: màn hình mở đầu.
HMI Nhập Số Lượng: nhập số lượng bình đầu vào cho hệ thống sản xuất.
HMI Nhiệt Độ: mô phỏng lại quá trình đo nhiệt độ cà phê trong máy rót cà phê, nếu cảm biến phát hiện nhiệt độ cà phê quá mức cho phép thì hệ thống dừng khẩn cấp và thông báo cho người vận hành hệ thống đến để kiểm tra.
HMI Tín Hiệu: màn hình thể hiện các tín hiệu cảm biến và tín hiệu điều khiển trong hệ thống.
HMI Trạm 1: chiết rót và đóng nắp sản phẩm. HMI Trạm 2: kiểm tra nắp sản phẩm
HMI Trạm 3: đóng gói sản phẩm. “BẮT ĐẦU”: bắt đầu mô phỏng. “DỪNG”: tắt hệ thống. “DỪNG KHẨN CẤP”: dừng khẩn cấp hệ thống. “TẮT DKC”: tắt quà trình dừng khẩn cấp. “TRẠM 1”: chuyển đến màn hình HMI Trạm 1. “TRẠM 2”: chuyển đến màn hình HMI Trạm 2. “TRẠM 3”: chuyển đến màn hình HMI Trạm 3.
“BẢNG TÍN HIỆU”: chuyển đến màn hình hiển thị tín hiệu điều khiển và tín hiệu cảm biến.
“NHẬP SỐ LƯỢNG BÌNH ĐẦU VÀO”: chuyển đến màn hình nhập số lượng bình đầu vào.
Hình 4.12. Màn hình chờ
Màn hình Chờ: màn hình mở đầu thông báo các thông tin cơ bản như đề tài, nhóm sinh viên thực hiện. Ngoài các công cụ chèn văn bản và hình ảnh thì còn dùng thêm một nút “BẮT ĐẦU”. Nút này có tác dụng chuyển từ màn hình thông báo sang đến màn hình nhập số lượng sản phẩm đầu vào.
Hình 4.13. Màn hình nhập số lượng bình đầu vào
Màn hình nhập số lượng bình: nhập số lượng bình đầu vào cấp cho hệ thống. Nhấp chọn chuột trái vào ô để nhận số lượng bình.
Hình 4.14. Màn hình Trạm 1
Màn hình Trạm 1: Cho biết thời gian quay của mâm quay (sau 10 giây mâm quay sẽ quay 1 góc 90 độ) và hiển thị số lượng bình đầu đã cấp cho hệ thống.
Nút nhấn “KIỂM TRA NHIỆT ĐỘ” để chuyển sang màn hình theo dõi nhiệt độ cà phê trong máy.
Hình 4.15. Màn hình theo dẽo nhiệt độ cà phê trong máy rót cà phê
Màn hình này để mô phỏng lại quá trình đo nhiệt độ cà phê được rót ra từ máy nên nhóm thiệt kế 1 ô nhập nhiệt độ. Nếu nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ quy định thì đèn cảnh báo màu đỏ sáng, hiển thị dòng thông báo “DỪNG KHẨN CẤP HỆ THỐNG VÌ QUẢ TẢI NHIỆT ĐỘ CÀ PHÊ” và dừng khẩn cấp hệ thống để đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra, an toàn cho hệ thống.
Hình 4.16. Màn hình Trạm 2
Màn hình Trạm 2: hiển thị thời gian kiểm tra của Robot 6DOF (6s) và hiển thị số lượng sản phẩm lỗi.
Hình 4.17. Màn hình Trạm 3
Màn hình Trạm 3 gồm:
+6 công tắc được đánh số từ 1 đến 6 tương ứng với 6 vị trí đặt sản phẩm trong thùng chứa sản phẩm.
+ Khi sản phẩm được đặt vào vị trí nào thì công tắc tại vị trí đó sẽ sáng thông báo vị trí này đã được đặt sản phẩm, tránh va chạm không đáng có trong quá trình vận hành.
Hình 4.18. Màn hình hiển thị tín hiệu điều khiển
Màn hình này cho phép theo dõi các tín hiệu cảm biến và tín hiệu điều khiển chính trong hệ thống. Khi có tín hiệu thì đèn báo tương ứng bên cạnh cảm biến sẽ sáng.
Kết quả vận hành hệ thống chiết rót cà phê
Khi nhấn nút play trên NX MCD và nút BẮT ĐẦU trên HMI thì hệ thống bắt đầu hoạt động.
Hình 4.19. Nhập số lượng bình đầu vào
Hình 4.20. Băng tải đưa phôi vào vị trí mâm quay
Phôi được cấp vào băng tải 1, băng tải vận chuyển phôi đến vị trí mâm quay. Trên màn hình HMI hiển thị thời gian chờ của mâm quay.
Hình 4.21. Mâm quay vận chuyển phôi đến vị trí rót cà phê
Khi bình được đưa đến vị trí rót cà phê, cảm biến rót cà phê có tín hiệu, cà phê được rót vào bình. Khi rót cà phê xong, mâm quay vận chuyển bình đến vị trí đóng nắp của robot SCARA.
Hình 4.22. Mâm quay vận chuyển bình đến vị trí đóng nắp
Theo dõi nhiệt độ cà phê trong máy rót ở màn hình Nhiệt độ.
Hình 4.23. Nhiệt độ trong mức an toàn
Khi cảm biến nhiệt độ đo được nhiệt độ ở mức an toàn (nhỏ hơn 50oC) thì đèn báo sáng xanh. Ngược lại khi nhiệt độ lớn hơn mức an toàn thì đèn báo sáng đỏ, hiện thông báo cánh báo và dừng khẩn cấp hệ thống để người vận hành sửa hệ thống.
Hình 4.24. Thông báo khi nhiệt độ cà phê vượt mức an toàn
Hình 4.25. Hệ thống dừng khẩn cấp khi bị nhiệt độ quá mức an toàn
Hình 4.26. Kết quả mô phỏng trạm 1
Màn hình HMI hiện thị số lượng bình đã cấp là 3, đúng với số lượng bình đầu vào. Bình sau khi đi qua trạm 1 đã được rót cà phê và đóng nắp.
Hình 4.27. Bình được vận chuyển từ trạm 1 đến trạm 2
Khi bình đến vị trí kiểm tra, cảm biến nhận biết vận đến vị trí kiểm tra có tín hiệu, băng tải trạm 2 tắt và robot 6 DOF bắt đầu kiểm tra. Thời gian kiểm tra 1 bình là 6s.
Hình 4.29. Bình sau khi được kiểm tra xong
Kiểm tra bình có nắp thì thanh điều hướng 2 được đóng lại, băng tải trạm 2 bật, vận chuyển bình đến trạm 3. Thời gian kiểm tra được đặt lại 0s.
Hình 4.30. Bình lỗi sau khi kiểm tra xong
Khi kiểm tra xong, bình không có nắp thì bật băng tải trạm 2, mở thanh điều hướng 2 đưa bình vào thùng chứa sản phẩm lỗi. Khi bình lỗi di chuyển đến vị trí cảm biến đếm sản phẩm lỗi, cảm biến có tín hiệu, số lượng sản phẩm lỗi tăng lên 1 đơn vị và được hiển thị trên HMI.
Sau khi qua trạm 2, thì bình hoàn thiện được đưa đến trạm 3 để đóng gói. Một thùng gồm 6 sản phẩm. Khi bắt đầu mô phỏng, tay gắp được di chuyển về vị trí nghỉ, cảm biến xác nhận tay gắp ở vịt trí nghỉ.
Hình 4.31. Bình được vận chuyển từ trạm 2 đến trạm 3
Hình 4.33. Bình đến vị trí nhận hàng của tay gắp
Khi bình đến vị trí nhận hàng của tay gắp, cảm biến tại đây có tín hiệu, tay gắp di chuyển từ vị trí nghỉ đến vị trí nhận hàng để gắp sản phẩm.
Hình 4.34. Tay kẹp đưa sản phẩm đến vị trí 2
Tay gắp đưa sản phẩm đến vị trí 2 trong thùng hàng, khi sản phẩm được thả vào vị trí 2 thì cảm biến 2 có tín hiệu thông báo cho người vận hành tại vị trí này đã có sản phẩm để tránh bị lỗi đặt vị trí với những sản phẩm sau.
Hình 4.35. Kết quả vận mô phỏng trạm 3
Công tắc tại 3 vị trí sáng đèn khi có sản phẩm tại vị trí đó. Sản phẩm được đặt đúng vị trí đã thiết lập.
+ Hệ thống vận hành ổn định, các cơ cấu vận hành nhịp nhàng ăn khớp với nhau. Các trạm hoạt động ăn khớp với nhau tránh tình trạng bị ùn tắc sản phẩm tại các vị trí tương ứng. 4.4. Các sự cố xảy ra và cách khắc phục Bảng 4.1. Các sự cố xảy ra và cách khắc phục STT Các sự cố Nguyên nhân Cách khắc phục 1 Hệ thống chạy không đúng yêu cầu.
Lỗi trong quá trình điều khiển, lập trình
Chọn sai tín hiệu điều khiển kết nối NX MCD và TIA Portal.
Tìm và xử lý lỗi trong chương trình điều khiển Chọn lại tín hiệu điều khiển kết nối NX MCD và TIA Portal.
2 Cảm biến nhiệt độ
không nhận biết được nhiệt độ cà phê trong máy.
Chon sai loại cảm biến, đặt cảm biến ở vị trí không phù hợp.
Chỉnh sửa hoặc thay đổi cảm biến.
Tính toán chọn lại vị trí đặt cảm biến và chọn loại cảm biến khác phù hợp hơn.
Cảm biến tiệm cận không phát hiện được bình khi đến gần. 3 Mâm quay quay sai tốc
độ và thời gian quay giữa các lần quay.
Lỗi trong quá trình lập trình và thiết kế mô hình.
Tính toán lại thời gian quay và góc quay.
4 Robot SCARA di chuyển lệch khỏi quỹ đạo thiết kế, không gắp được nắp đặt vào bình.
Lỗi trong quá trình lập trình và thiết kế mô hình.
Thiết kế lại thông số cài đặt cho Robot. Tính toán lại thông số Sticky.
5 Robot 6 DOF chuyện động không đúng quỹ đạo đã thiết kế.
Lỗi trong quá trình lập trình và thiết kế mô hình.
Tính toán chọn lại quỹ đạo chuyển động cho robot.
6 Tay kẹp kẹp nhả sản phẩm không đúng vị trí trong thùng.
Lỗi trong quá trình lập trình và thiết kế mô hình. Điều chỉnh lại lực kẹp và thời gian kẹp nhả sản phẩm. 7 Kết nối PLC và NX MCD bị lỗi.
Chọn sai địa chỉ IP của PLC ảo.
Kiểm tra lại địa chỉ IP của PLC.
Chọn lại cổng kết nối trên NX MCD.
4.5. Nhận xét
4.5.1. Kết quả đạt được
Sau quá trình chạy thử nghiệm và sửa lỗi, hệ thống mà nhóm thiết kế đã đạt được những kết quả:
+ Hệ thống hoạt động ổn định.
+ Màn hình HMI hiển thị đầy đủ các thông tin khi mô phỏng hệ thống.
+ Các cảm biến và khâu tác động làm việc ổn định với các trạng thái được hiển thị chính xác trên HMI.
+ Các bộ đếm thống kê đúng theo tín hiệu các cảm biến trả về. + Màn hình thông báo hiển thị đúng các cảnh báo hệ thống.
+Các nút bấm và công tắc ảo tác động dễ dàng, phản hồi nhanh.
4.5.2. Hạn chế
Sau quá trình chạy thử nghiệm, phát hiện lỗi và sửa lỗi, hệ thống mà nhóm thiết kế còn tồn tại một số hạn chế nhất định:
+ Thời gian mô phỏng 1 chu trình của hệ thống còn chậm.
+ Mô hình hệ thống còn một số thiếu sót: cơ cấu dán nhãn sản phẩm, kiểm tra nhãn, cấp thùng chứa sản phẩm vào ra trạm 3.
+ Tính thẩm mỹ của mô hình chưa cao.
4.6. Phương hướng phát triển đồ án
+ Thiết kế thêm 1 cơ cấu dán nhãn cho sản phẩm.
+ Kết hợp 2 việc kiểm tra nắp và kiểm tra nhãn dán trên sản phẩm vào Robot 6DOF -> đưa ra thông báo tình trạng của sản phẩm.
+ Nâng cấp kiểm tra bằng cảm biến lên kiểm tra bằng camera ứng dụng xử lí ảnh. + Thiết kế thêm cơ cấu cung cấp hộp chứa sản phẩm vào ra tại trạm 3.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Gonzalo Carrasco Velilla: Creción de un guía de para la autoaprendizaje formación en simulación de puesta en marcha virtual de instalaciones industriales, 2021
[2] TLDT-Training Siemens NX MCD-V1.1
[3] Trần Ngọc Tiến, Bài giảng kĩ thuật robot, trường ĐHCNHN
[4] Trần Văn Hiếu, Thiết kế hệ thống HMI/SCADA với TIA Portal, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2019.
[5] Lê Ngọc Duy, Giáo trình Cảm biến và Hệ thống đo, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2019.
[6] Nguyễn Tuấn Linh, Giáo trình chi tiết máy, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, 2014. [7] Nguyễn Thanh Hà, Giáo trình ứng dụng PLC vào thiết kế màn hình giám sát HMI, Nhà xuất bản Thống kê, 2020.
[8] PGS TS Ngô Văn Thuyên, KS Phạm Quang Huy, Lập Trình Với PLC S7 1200 & S7 1500, NXB Thanh Niên, 2019
[9] C. Gosselin, M. Isaksson, K. Marlow and T. Laliberté, "Workspace and Sensitivity Analysis of a Novel Nonredundant Parallel SCARA Robot Featuring Infinite Tool Rotation," in IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 1, no. 2, pp. 776-783, July 2016
[10] S. Zhen, Z. Zhao, X. Liu, F. Chen, H. Zhao and Y. -H. Chen, "A Novel Practical Robust Control Inheriting PID for SCARA Robot," in IEEE Access, vol. 8, pp. 227409- 227419, 2020
[11] S. Gulpanich, V. Krongratana, A. Srimuang, V. Tipsuwanporn and N. Wongvanich, "PLC-based industrial temperature controller with different response times," 2017 17th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), 2017, pp. 522- 527
[12] W. Alsabbagh and P. Langendöerfer, "A New Injection Threat on S7-1500 PLCs - Disrupting the Physical Process Offline," in IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society, vol. 3, pp. 146-162, 2022
PHỤ LỤC
Bảng 4.1: Bảng địa chỉ vào ra
Mô tả Kiểu dữ liệu Địa chỉ
Start Bool M0.0
Stop Bool M0.1
Emergency Bool M0.2
RESET Bool M0.3
ST1_Cam Bien Vat Den Bool I1.0
ST1_Cam Bien Rot CF Bool I1.1
ST1_Cam Bien Nap Bool I1.2
ON/OFF Bool Q0.0
KE Bool Q0.1
main_bang tai chuyen dong Bool Q0.2
ST1_Dia Quay 90 Bool Q1.0
ST1_Cap CF Tu Dong Bool Q1.1
ST1_Robot SCARA Di Chuyen Den VT Nhan Hang Bool Q1.2
ST1_Cap Nap Tu Dong Bool Q1.3
ST1_Cap Binh CF Tu Dong Bool Q1.4
ST1_Nguon Hen Gio Dau Ra Bool M1.1
main_bat dau mo phong Bool I0.4
K RESET Bool Q0.3
ST1_Dia Hen Gio Dau Ra Bool M1.2
ST1_So Luong Binh CF IP Bool I1.3
ST1_INT Int IW100
ST2_6DOF Chuyen Dong Ve VT Dau Bool Q2.1
ST2_Mo Thanh Dieu Huong 1 Bool Q2.2
ST2_Dong Thanh Dieu Huong 1 Bool Q2.3
ST2_Dong Thanh Dieu Huong 1 Bool Q2.3
ST2_Mo Thanh Dieu Huong 2 Bool Q2.4
ST2_Dong Thanh Dieu Huong 2 Bool Q2.5
ST2_Cam Bien Den Tram 2 Bool I2.1
ST2_Trang Thai Binh CF Bool I2.0
ST2_Bat Bang Tai 2 Bool Q2.6
ST2_Thoi Gian Kiem Tra Time QD102
ST2_Nut Nhan Kiem Tra Bool M2.2
ST2_CT Dong Mo Thanh Dieu Huong 2 Bool M2.3
ST2_Cam Bien Nhan Biet 6DOF Den Vt Cuoi Bool I2.4
ST2_Cam Bien Nhan Biet Nap Bool I2.5
ST2_Ket Thuc Kiem Tra Bool M2.0
ST3_Tay Gap Di Den VT Nhan Hang Bool Q3.0
ST3_Di Sang Ngang (-120mm) Bool Q3.2
ST3_Di Sang Ngang (-240mm) Bool Q3.3
ST3_Di Doc (-300mm) Bool Q3.5
ST3_Di Doc(-450mm) Bool Q3.6
ST3_Cam Bien Phat Hien SP Den ST3 Bool I3.0
ST1_Dung Chuyen Dong Cua Dia Bool M1.3
switch 1 Bool M3.1
switch 2 Bool M3.2
switch 3 Bool M3.3
switch 5 Bool M3.5
switch 6 Bool M3.6
ST3_Cam Bien Nhan Biet Tay Gap O VT Nghi Bool I3.7
ST3_Tay Gap Kep Chat SP Bool Q3.7
ST3_Dua Tay Gap Den VT Nghi Bool Q3.1
ST3_Delay 1s Bool M3.0
ST3_Cam Bien Tay Gap O VT -240mm Bool I4.0
ST3_Cam Bien Tay Gap O VT Nhan SP Bool I4.1