Phần mềm WinCC (WinCC viết tắt của từ Windows Control Center- hệ thống điều khiển trung tâm, Flexible- linh hoạt) là phần mềm chuyên dụng để thiết kế hệ SCADA và hệ thống HMI trong tự động hóa công nghiệp của hãng SIEMENS hiện đang được dùng phổ biến trên Thế giới và Việt Nam. WinCC là công cụ thay thế cho phần mềm ProTool sẽ không còn phát hành (bản cuối
cùng là ProTool 6.0 SP3). WinCC hiện có mặt trong rất nhiều lĩnh vực như sản xuất xi măng, giấy, thép, dầu khí……
WinCC tương thích với những hệ điều hành hiện nay như: Microsoft Window XP, Microsoft Window Vista Business (32 bit), Ultimate (32 bit). Cả hai hệ điều hành trên đều có khả năng đa nhiệm vụ cao, đảm bảo phản ứng nhanh với việc xử lí ngắt và độ an toàn chống mất dữ liệu bên trong ở mức độ cao.
WinCC kết hợp các bí quyết của hãng Siemes -công ty hàng đầu trong lĩnh vực tự động hóa và Microsoft -công ty hàng đầu trong phát triển phần mềm cho máy tính.
Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô như: việc tích hợp với những hệ thống cao cấp MES (Manufacturing Excution System -hệ thống quản lý việc thực hiện sản xuất) và ERP (Enterprise Resource Planning). WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới.
Chức năng:
- Thiết kế và lập trình hệ thống tự động hóa, quá trình điều khiển giám sát quy trình sản xuất.
- Mô phỏng bằng hình ảnh các sự kiện xảy ra trong quá trình hoạt động một cách trực quan giúp hệ thống dễ kiểm tra và sửa chữa.
- Làm SCADA trên PC cho ứng dụng vừa và nhỏ có đủ chức năng report, alarm, trend và kết nối trực tiếp nhiều loại PLC và cả giao thức OPC.
- Ngoài ra WINCC còn cung cấp nhiều chức năng khác như: hiển thị các thông báo hay báo cáo trong quá trình bằng số liệu hay đồ họa, xử lí thông tin đo lường, các bảng ghi báo cáo.
WinCC cho phép người sử dụng có khả năng truy cập vào các hàm giao diện chương trình ứng dụng API (Application Program Interface) của hệ điều hành.
Ngoài ra, chúng ta còn có thể kết hợp WinCC và các công cụ phát triển riêng như: Visual C++ hay Visual Bacis để tạo ra hệ thống có tính đặc thù cao, tinh vi, gắn riêng với cấu hình cụ thể nào đó. WinCC có thể tạo giao diện người- máy (HMI) dựa trên cơ sở giao tiếp giữa con người với các hệ thống máy, thiết bị điều khiển (PLC, CNC…) thông qua các hình ảnh, sơ đồ, hình vẽ, hay các câu chữ mang tính trực quan. Có thể giúp người vận hành theo dõi được quá trình làm việc, thay đổi các thông số, công thức hoặc quá trình hoạt động, hiển thị các giá trị hiện thời cũng như giao tiếp với quá trình công nghệ của hệ thống tự động.
Hình 2.35: Ví dụ về phần mềm wincc
2.4.2 Các đặc điểm chính của Wincc Các đặc điểm chính Các đặc điểm chính
- Sử dụng công nghệ phần mềm tiên tiến: nhờ sự cộng tác của Siemens và Microsoft người dùng có thể yên tâm với sự phát triển của công nghệ phần mềm - Hệ thống khách chủ với các chức năng SCADA: ngay từ hệ thống WinCC cơ sở đã có thể khởi động các yêu cầu hiển thị phức tạp. Việc gọi những hình ảnh (picture), các cảnh báo (alarm), đồ thị trạng thái (trend), các báo cáo (report) có thể dễ dàng được thiết lập.
- Cơ sở dữ liệu Odbe/Sql đã được tích hợp sẵn. - Các giao thức chuẩn mạnh (dde, ole, active, ope) - Ngôn ngữ vạn năng.
- Cài đặt phần mềm với khả năng lựa chọn ngôn ngữ. - Giao tiếp hầu hết với các loại PLC.
Các cấu hình hệ thống cơ bản: WinCC có thể hỗ trợ các cấu hình từ thấp đến
cao, ví dụ như trong các cấu hình như sau
- Hệ thống điều khiển dùng 1 máy tính (sing-user system). - Hệ thống điều khiển dùng nhiều máy tính (nuti-user system). - Cấu trúc Client/Server có dự phòng.
- Cấu trúc phân tán với nhiều trạm chủ (sever).
2.4.3 Cấu hình giao diện Wincc
Để cấu hình kết nối WinCC với PLC Ta tiến hành theo các bước sau: - B1: Tạo Project và lập trình cho PLC
- B2: Khai báo địa chỉ IP cho PLC và máy tính
+ Đặt địa chỉ cho PLC: Chọn PLC1 (CPU)/Device configuration/FROFINET
interface/Khai báo địa chỉ IP cho PLC (Ví dụ: 192.168.0.1)
- B3: Khai báo cửa sổ Wincc advanced.
+ Tại cửa sổ TIA Portal chọn Add new device/PC System/PC Station + Click PC Station/Click đúp vào IE general/Click đúp vào Wincc RT Advanced.
Hình 2.37: Khai báo của sổ Wincc advanced.
+ Chọn Device & Network/Chọn Connection và nối dây giữa PLC với máy tính/Click vào biểu tượng Show address labels để kiểm tra lại địa chỉ IP đã đặt ở bước 1
Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI MÃ QRCODE
3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí 3.1.1 Tổng quan về hệ thống 3.1.1 Tổng quan về hệ thống
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống phân loại Qrcode
Hình 3.2: Bản vẽ cơ khí hệ thống phân loại sản phẩm Qrcode • Chú thích:
Hệ thống phân loại sản phẩm Qrcode Hệ thống cảm biến Cảm biến tiệm cận Hệ thống truyền động Băng tải
Bộ điều khiển trung tâm Bộ điều khiển PLC Hệ thống chấp hành Tay gắp khí nén, Động cơ Hệ thống giám sát Wincc
1. Bộ phận tay gắp sản phẩm 4. Cảm biến tiệm cận 7. Động cơ băng tải 2. Bộ phận camera 5. Thùng đựng 8. Nguồn Switch 3. Băng tải 6. PLC S7-1200 9. Sản phẩm mẫu ❖ Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Khi cấp nguồn cho hệ thống và cấp khí nén cho tay gắp robot, ấn Reset hệ thống trở về trạng thái ban đầu. Ấn nút START hệ thống bắt đầu hoạt động. Động cơ chạy ổn định, khi cảm biến tiệm cận ở đầu băng tải phát hiện đã có sản phẩm, băng tải bắt đầu chạy. Khi sản phẩm vào khu vực phân loại, cảm biến tiệm cận gắn ở cuối băng tải sẽ phát hiện được sản phẩm tới khu vực phân loại, băng tải dừng lại. Tại khu vực phân loại bố trí webcam để nhận dạng mã QR code trên sản phẩm.
Hệ thống hoạt động ở hai chế độ:
- Ở chế độ manual người dùng thao tác điều khiển cơ cấu tay máy thông qua nút nhấn trên giao diện wincc.
- Ở chế độ auto, khi nhận dạng được mã QR trên sản phẩm chương trình nhận dạng tự động gửi tín hiệu phân loại đến PLC để điều khiển cơ cấu phân loại (tay gắp robot). Các trạng thái vận hành của hệ thống được giám sát trên giao diện Wincc.
Khi nhấn stop hệ thống dừng hoạt động.
3.1.2 Tính tay gắp khí nén
Một tay gắp khí nén gồm ba bậc tự do ( quay, tịnh tiến, tịnh tiến) được sử dụng để phân loại các sản phẩm có mã Qrcode khác nhau ( Hình 3.1).
Hình 3.3: Tay gắp khí nén ❖ Tính toán lực kẹp robot
Dùng hệ thống khí nén trong hệ thống truyền dẫn động robot có nhiều thuận lợi. Vì hầu như các phân xưởng, nhà máy, khu công nghiệp đều có mạng lưới khí nén, cho nên việc dùng hệ thống khí nén làm hệ thống dẫn động cho tay gắp, tay kẹp cho các robot là điều mà rất nhiều đề tài, mô hình về tay máy robot công nghiệp đã và đang sử dụng, bởi vì ưu điểm của hệ thống dẫn động khí nén là gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo chiều, ít nhạy với nhiệt độ khi làm việc. Tuy nhiên bên cạnh các ưu điểm mà chúng ta dễ nhận thấy thì hệ thống khí nén cũng có không ít nhược điểm, trước tiên là chất khí chuyển động thường sinh ra các dao động điều này gây nên sự không chính xác cho các tay gắp robot, khi làm việc hệ thống khí nén rất ồn. Chính bởi sự phổ biến của các đề tài, các tài liệu, mô hình đồ án về robot trước đó nhóm đã lựa chọn thiết kế tay kẹp robot của mình bằng hệ thống dẫn động khí nén.
- Tính toán lực kẹp robot:
Phôi có kích thước 50 mm × 50 mm × 50 mm. Với thể tích phôi: V= 5 × 5 × 5 = 125 cm3 .
Chúng ta có khối lượng riêng của nhựa là: 2 (g/ cm3).
Từ đó chúng ta tính được khối lượng thật của phôi: mp = 125× 2= 250 (g) = 0,25 (kg)
Hình 3.4: Các lực tác động khi kẹp phôi Yêu kỹ thuật của tay kẹp cần thiết kế:
- Khối lượng phôi cần kẹp: m= 0,25 kg.
- Kiểu kẹp: Song song, hai má kẹp tác động cùng một lúc.
- Hệ số ma sát: μ= 0,4 là hệ số ma sát trượt giữa thép và nhựa teflon. • Tính toán lựa chọn tay kẹp
Theo định luật II Newton, ta có:
P
⃗⃗ + F⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ms =ma⃗ .
Chiếu lên phương thẳng đứng có chiều dương hướng xuống: P - 2Fms = 0.
Với:
- P là trọng lượng của phôi, P = m.g.
- g là gia tốc trọng trường, chọn g = 9,8 m/s2.
- N1 là lực kẹp của má động kẹp của xy lanh tay kẹp. - N2 là phản lực của má tĩnh lên phôi.
• Theo định luật III Newton ta có : N1 = N2 = N.
Fms là lực ma sát giữa các má kẹp của tay gắp với phôi, Fms = μ.N. a là gia tốc, a= 0 m/s2..
Hệ số ma sát trượt μ = 0,4. Từ đó chúng ta tính được:
P = 2Fms. mg= 2 μ.N. Từ đó chúng ta tính được lực kẹp của tay kẹp:
N = mg
2μ = 0,25.9,8
2.0,4 = 3,06 (N).
Theo khuyến nghị của công ty chuyên về điều khiển khí nén hàng đầu thế giới SMC biên độ an toàn của a= 4 cho phép tác động xảy ra trong khi vận chuyển bình thường. Do đó lực kẹp cần thiết là: F = a.N = 4.3,06 = 12,24 (N). Do đó phải chọn tay kẹp có lực kẹp: ≥ 12,24 (N). • Lựa chọn tay kẹp khí nén MHZ2-16D Hình 3.5: Tay kẹp khí nén MHZ2-16D • Thông số kỹ thuật
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của tay kẹp khí nén MHZ2-16D
Thương hiệu SMC
Đường kính xylanh 16 mm
Lực kẹp mạnh nhất 30N
Nhiệt độ lưu chất -10 – 60 độ C
Cổng ren cấp khí M5 x 0.8
Tần suất hoạt động 180c.p.m (180 lần đóng mở kẹp mỗi phút)
b) Tính chọn xylanh cho tay gắp robot [4]
Giả sử lựa chọn xylanh để thỏa mãn các thông số đầu vào sau: Hành trình xylanh L=125mm
Tải trong đáp ứng là: 15(N) Khi đó:
- Áp suất khí nén của các máy nén khí thông dụng là:p = 1bar =105 (N/𝑚2) - Tải trọng cần đáp ứng là: 13N - Chọn đường kính xylanh: D ≥ D = √4F pπ = √ 4.13 105π = 0,012 (m) = 12 (mm). Suy ra lựa chọn: - Xylanh có đường kính D là 16 mm. - Hành trình xylanh là 125 mm.
Ta lựa chọn xylanh Airtrac TN 16x125s
• Thông số kỹ thuật
Bảng 3.2: Bảng thông số kỹ thuật xyloanh Airtrac TN16x125s
Đường kính trong piston 16 mm
Đường kính cần 8 mm
Chiều dài hành trình 125 mm
Áp suất hoạt động 0.1~1 MPa (14~145 Psi)
Kích thước cổng M5x0.8
Vận tốc 30~500 mm/s
Lưu chất Khí
Nhiệt độ hoạt động cho phép -20~700C
3.1.3 Tính toán thông số băng tải
Hình 3.7: Băng tải phân loại sản phẩm ❖ Các thông số đầu vào của băng tải:
- Chiều dài băng tải: L = 740 mm - Chiều rộng băng tải: 𝑊 = 100 𝑚𝑚
- Chiều dài hình học của đai: L G = 1,525 mm - Chiều dày đai H = 3 mm
- Thống số hình học của sản phẩm: 50 x 50 x 30 mm ( dài x rộng x cao ) - Khối lượng con lăn: 𝑚𝑅 = 0,057(𝑘𝑔).
Theo thiết kế, hệ thống phân loại từng sản phẩm một. Quãng đường ngắn nhất để sản phẩm từ đầu băng chuyền đến được vị trí phân loại (theo thiết kế) để tay gắp phân loại là ℎ = 630 𝑚𝑚, năng suất tối đa 4 sản phẩm/phút. Trong 1 phút băng tải đi được một quãng đường:
𝑆 = ℎ. 𝑁 = 630.4 = 2520 (𝑚𝑚) (3.2) Vận tốc băng tải là: 𝑣 =𝑆
𝑡 =2520
60 = 42 (𝑚𝑚/𝑠) a) Tính lực kéo tối đa [3]
Khối lượng sản phẩm: m =0,25kg Khối lượng của dây đai:
𝑚đ = 𝐷. 𝐿𝐺. 𝑏 = 2,2.1,525. 0,003 = 0,0101(𝑘𝑔) = 10,1(𝑔) (3.3) Trong đó: D là khối lượng riêng của chất liệu làm đai (đơn vị 𝑘𝑔 𝑚⁄ 2)
Lực kéo có ích:
𝐹𝑈 = 𝜇𝑅. 𝑔. ( 𝑚 + 𝑚đ + 𝑚𝑅) = 0,33.9,8. (0,1 + 0,0101 + 0,5 ) (3.4) = 1,97 (𝑁)
Trong đó: 𝜇𝑅 là hệ số ma sát (0,33)
g là gia tốc trong trường (đơn vị 𝑚 𝑠⁄ 2)
Lực kéo tối đa 𝐹1 = 𝐹𝑈. 𝐶1 trong đó 𝐶1 là hệ số áp dụng cho các tang và con lăn, tra bảng hệ số này theo góc nối ta chọn C1 = 1,6.
Suy ra: 𝐹1 = 𝐹𝑈. 𝐶1 = 1,97. 1,6 = 3,15 (𝑁) (3.5)
3.1.4 Tính chọn động cơ băng tải a) Tính chọn động cơ a) Tính chọn động cơ
Công suất động cơ truyền động băng tải tính theo công thức sau: [2]
𝑃𝑐𝑡 =𝑃𝑡
Trong đó:
𝑃𝑐𝑡 là công suất trên trục động cơ
𝑃𝑡 là công suất tính toán trên trục máy công tác
𝜂 là hiệu suất truyền động hệ thống Tính 𝑃𝑡
Vì trong quá trình vận chuyển phôi, tải trọng của băng tải không đổi
⇒ 𝑃𝑡 = 𝑃𝑙𝑣
Trong đó: 𝑃𝑙𝑣là công suất làm việc trên trục máy công tác
Băng tải làm việc theo nguyên lý truyền chuyển động dùng lực ma sát giữa băng tải và con lăn theo nguyên lý bộ truyền đại dẹt. Xét tại thời điểm băng tải đang vận chuyển phôi có khối lượng lớn nhất, có sơ đồ tác động như sau:
Hình 3.8: Lực tác dụng lên băng tải Trong đó:
𝑃𝑚𝑎𝑥: Trọng lượng của phôi lớn nhất trên băng tải
𝐹𝑐: Lực căng băng tải S: Lực liên kết
Giả sử băng tải trên bị võng đi 1 góc . Ta có phương trình:
{𝑆. sin 𝜃 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 2 𝑆. cos 𝜃 = 𝐹𝑐 ⇒ 𝐹𝑐 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 2 tan 𝜃 (3.7) ⇒ 𝐹𝑘 = 𝐹𝑚𝑠 = 𝐹𝑐. 𝜇 = 𝑃𝑚𝑎𝑥. 𝜇 2 tan 𝜃
Trong đó: 𝜇 là hệ số ma sát giữa con lăn và băng tải 𝐹𝑘 là lực khéo 𝐹𝑚𝑠 là lực ma sát băng tải 𝑃𝑙𝑣 = 𝐹𝑘. 𝑣 = 𝑃𝑚𝑎𝑥.𝜇.𝑣 2 tan 𝜃 (3.8) Thay số: 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑛. 𝑚𝑚𝑎𝑥. 𝑔 = 1.0,25.10 = 2,5(𝑁)
Hệ số ma sát giữa con lăn và mặt tiếp xúc bằng cao su của băng tải lấy
𝜇 = 0.35
Do tải trọng không thay đổi nên theo công thức nên theo công thức (2.11) trong tập “ thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1”
Vì băng tải kích thước bé, chịu tải trọng thấp nên góc võng là không đáng kể, có kích thước lớn nhất: 𝜃 = 0,5° Ta có : 𝑃𝑙𝑣 = 𝑃𝑚𝑎𝑥. 𝜇. 𝑣 1000.2 tan 𝜃 = 2,5.0,35.0.042 2 tan 0.5 ≈ 2,1. 10 −3(𝑘𝑊)
Vì băng tải hoạt động không thông qua một bộ bánh đai và một cặp ổ lăn nên
𝜂 = 1. ⇒ 𝑃𝑐𝑡 =𝑃𝑡 𝜂 = 𝑃𝑙𝑣 𝜂 = 2,1. 10−3 1 = 2,1. 10 −3(𝑘𝑊) ❖ Tính momen
Do động cơ được gắn vào trục rulo của băng tải lên tốc độ vòng quay bằng với vận tốc của băng tải: 𝑛 = 𝑉 = 42. 10−3(m/s) = 16 (v/p)
T = 9,55. P n =
9,55.2,1. 10−3
16 = 0,013 (N. m) = 0,13 kg. fcm
Để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định, an toàn, tránh quá tải gây hỏng hóc, cần phải chọn công suất của động cơ 𝑃𝑑𝑐 ≥ 𝑃𝑐𝑡
Hình 3.9:Động cơ DC giảm tốc có chổi than GA 25 • Thông số sản phẩm
Bảng 3.3: Bảng thông số động cơ DC giảm tốc có chổi than GA 25 Khoảng điện áp sử dụng 6-24Vdc Điện áp chỉ định 12VDC Đường kính động cơ 25mm Đường kính trục 4mm Tốc độ chịu tải 20v/p Tốc độ không tải 25 v/p
Dòng không tải 46mA
Dòng có tải 300mA
Momen 4,2 kg.fcm
Công suất định mức 2.5 W
3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển 3.2.1 Lựa chọn bộ điều khiển trung tâm 3.2.1 Lựa chọn bộ điều khiển trung tâm
❖ Hoạt động hệ thống
Bộ điều khiển trung tâm có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ hệ thống. Khi cảm