Thiết kế và chế tạo mô hình sản xuất tự động phục vụ thí nghiệm tại pfiev

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 60 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG PHỤC VỤ THÍ NGHIỆM TẠI PFIEV DESIGN AND FABRICATION OF A MODEL OF AUTOMATED PRODUCTION FOR EXPERIMENT AT PFIEV SVTH: Nguyễn Ngọc Tân, Lê Duy Dũng, Nguyễn Hữu Đắc, Đỗ Tài Vinh, Nguyễn Danh Ngọc, Lê Anh Tuấn Lớp , Trường Đại học Bách Khoa GVHD: TS. Trần Đình Khôi Quốc , Trường Đại học Bách Khoa TÓM TẮT Với đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình sản xuất tự động phục vụ thí nghiệm tại PFIEV”, chúng tôi xây dựng mô hình đặc trưng của một hệ thống sản xuất tự động hiện đại với sự kết hợp của các cơ cấu cơ khí, truyền động khí nén, điều khiển và giám sát bằng PLC. Việc sử dụng ngôn ngữ lập trình cấu trúc GRAFCET và điều khiển giám sát qua WinCC tạo cho đề tài có tính linh hoạt và đáp ứng được các yêu cầu thí nghiệm tiên tiến. Hệ thống các bài tập thực hành được xây dựng trên nguyên tắc linh hoạt, có tính mở nhằm phát huy tối đa khả năng của mô hình, đồng thời giúp sinh viên chủ động trong việc thiết kế. Mô hình sẽ phục vụ học tập (PFIEV), Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. ABSTRACT With the theme "Design and fabrication a model of automated production for experiment at PFIEV", we construct a specific model of an automatic system of modern production, which is a combination of the mechanical structure, pneumatic transmission, controlled and monitored by PLC. The use of structural programming language GRAFCET, control and supervision over the WinCC makes the model flexible and satisfying the requirements of advanced experiments. The system of exercises are built on the principle of flexible, open to maximize the ability of the model, and helping students actively in the design. The model will serve the study and the scientific research of the students of the PFIEV of the Danang University of Technology. 1. Mở đầu 1.1. Giới thiệu chung Với mục đích xây dựng mô hình linh hoạt phục vụ thực hành thí nghiệm cho sinh viên chuyên ngành Sản xuất tự động, đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình sản xuất tự động phục vụ thí nghiệm tại PFIEV” lựa chọn việc xây dựng mô hình sản xuất, vận chuyển, phân loại, đóng gói sản phẩm tự động. Cơ cấu mô hình được thiết kế trên các phần mềm chuyên nghiệp từ việc bố trí các cơ cấu chấp hành đến hình dáng và kích thước mô hình. Các phần tử điều khiển chính sử dụng khí nén có thể tháo lắp linh hoạt, do đó mô hình tính mở rất lớn đối với các ngôn ngữ lập trình. Về phần điều khiển, chúng tôi sử dụng thiết bị điều khiển logic khả lập trình tiên tiến S7-300 để sinh viên dễ dàng tiếp cận các thiết bị điều khiển công nghiệp. Chương trình điều khiển giám sát với sự hỗ trợ của WINCC. Các chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ GRAFCET tiêu chuẩn và được cụ thể bằng S7 Graph trong S7–300. Mô hình được thiết kế và chế tạo nhằm mục đích có thể tích Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 61 hợp vào đó nhiều bài tập từ đơn giản đến phức tạp nhằm giúp cho sinh viên hiểu biết về cơ bản nhất về một hệ thống điều khiển tự động trong thực tế, là mô hình thí nghiệm thực hành tổng quát ở các môn học liên quan đến Truyền động khí nén, điều khiển logic, thiết lập giao diện HIM. 1.2. Phương pháp nghiên cứu Q trình tìm hiểu các mô hình cùng chủng loại đã được chế tạo dành cho việc thực hành ở các trường, việc tham khảo các mô hình của các công ty nước ngoài thông qua Internet, và tình hình thực tế ở PFIEV, chúng tôi đã lựa chọn được phương án thiết kế mô hình tối ưu. Đó là phương án vừa tính đến hiệu quả kinh tế, vừa tính đến hiệu quả sử dụng. Xây dựng mô hình thiết kế trên phần mềm AutoCad 2010. Và sau đó tiến hành việc thi công, chế tạo từng chi tiết của mô hình, rồi tiến hành lắp ráp theo đúng bản vẽ thiết kế. Tiến hành xây dựng các chương trình điều khiển trên ngôn ngữ GRAFCET tiêu chuẩn và chọn cấu trúc chương trình tối ưu. Lập trình trên S7- GRAPH và mô phỏng. Xây dựng chương trình điều khiển giám sát trên WinCC và mô phỏng. Download chương trình kiểm tra. Xây dựng hệ thống các bài tập mẫu. 1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Mô hình mà chúng tôi đã hoàn thành sẽ đóng góp vào cơ sở vật chất để phục vụ giảng dạy, thực hành thí nghiệm tại PFIEV, mặt khác, việc thi công, thực hiện những yêu cầu đặt ra đã giúp nhóm sinh viên chúng tôi có thêm nhiều kiến thức bổ ích về các lĩnh vực: cơ khí, động hóa, điện tử … 2. Nội dung 2.1. Lựa chọn phương án thiết kế Trong phạm vi một mô hình hệ thống sản xuất tự động phục vụ cho việc dạy và học, ta không thể đưa tất cả các bộ phận thực trong hệ thống đó. Các hãng sản xuất mô hình hệ thống sản xuất tự động dùng để dạy học thường chia hệ thống ra hàng chục mô đun, ví dụ hãng SL (Italia) đã sản xuất một hệ thống gồm 22 module của hệ thống, với mỗi mô đun có giá bán từ 20 000 – 50 000 USD tùy theo độ phức tạp của module. Trong khuôn khổ của đề tài với kinh phí không nhiều chúng tôi lựa chọn thiết kế và chế tạo một module thể hiện một phần của hệ thống sản xuất tự động gồm các bộ phận chính sau: i) Vận chuyển sản phẩm; ii) Chuyển sản phẩm từ dây chuyền (băng tải 1) đến dây chuyên của băng tải thứ 2 để tiến hành phân loại sản phẩm; iii) Phân loại sản phẩm; iv) Chuyển vào đóng hộp sản phẩm; v) Đóng hộp và vận chuyển vào kho. 2.2. Thiết kế mô hình Khi tiến hành việc thiết kế mô hình “Sản xuất tự động”, chúng tôi đã tự đặt ra một số tiêu chí cần đạt được như sau: Mô hình phải đặc trưng được cho những dây chuyền, hệ thống sản xuất tự động thông dụng nhất. Cho phép sinh viên thực hành điều khiển trên các thiết bị điều khiển khả lập trình Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 62 thông dụng và nâng cao như S7-200, S7-300, WinCC, ngôn ngữ grafcet tiêu chuẩn. Lắp ráp mạch khí nén, đấu nối mạch điện điều khiển dễ thao tác. Lập trình vi điều khiển ở một số bộ phận. Sử dụng các vật tư, thiết bị, linh kiện thông dụng để dễ dàng thay thế sữa chữa. Đảm bảo tính thẩm mỹ và gọn gàng. Các phần truyền động, kết nối phải đảm bảo bền và cứng vững. Tuổi thọ của mô hình phải cao. Với những tiêu chí trên, chúng tôi đã tiến hành thiết kế, chế tạo mô hình như hình 1. Vật liệu dùng làm các băng chuyền là loại đai vãi, có tính đàn hồi cao, ma sát khá lớn. Động cơ được chọn dùng để truyền động cho hệ thống bánh đai là loại động cơ có mômen truyền động lớn, số vòng quay nhỏ, độ tự hãm lớn. Các cảm biến được lắp ở vị trí cần thiết nhất: trên băng tải 1 – cảm biến quang, trên băng tải 2 – cảm biến từ, cảm biến quang. Các cơ cấu: hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm (1), cơ cấu cấp sản phẩm (2), cánh tay robot (3), cơ cấu chuyển sản phẩm vào hộp (4) là các loại pittông 1 chiều, 2 chiều được điều khiển bởi các van solenoid nhằm tăng độ tin cậy và độ chính xác điều khiển. Cơ cấu cấp hộp được thiết kế là 2 hệ thống rulô bằng nhựa (5), đây l . Vị trí các cơ cấu của mô hình được bố trí hợp lý như hình 1 nhằm tối ưu hóa kích thước, khối lượng cũng sự đảm bảo về tính mỹ thuật cho mô hình. 2.3. Thiết kế hệ điều khiển Chọn hệ điều khiển là PLC S7-300, điều khiển giám sát qua WINCC 7.0 Ứng dụng điện khí nén trong điều khiển, và vi điều khiển trong điều chỉnh tốc độ của động cơ. Chọn ngôn ngữ ngôn ngữ Grafcet để dựng chương trình điều khiển. 2 3 4 5 1 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 63 Hình 2: Sơ đồ khối quá trình dùng vi điều khiển điều khiển tốc độ động cơ 3. Kết quả đạt được 3.1. Mô hình Hình 3: Mô hình đã hoàn thành Quy trình công nghệ phân loại sản phẩm và đóng hộp tự động trên băng chuyền. Sản phẩm được phân chia thành 2 loại: sản phẩm có từ tính và không có từ tính. Chi tiết về phần chương trình điều khiển: Khi ấn phím khởi động lệnh gọi các khối chức năng được thực hiện và các khối thực hiện các công việc cụ thể như sau: Khối băng tải 1 (FB1, DB1) sẽ chạy băng tải và cơ cấu cấp sản phẩm và nó sẽ dừng lại khi cảm biến phát hiện vật trên băng tải 1 tác động. Tiếp đó cánh tay robot sẽ tiến tới vị trí của vật để hút vật, sau đó vật được chuyển sang băng tải 2. Khi cánh tay robot trở lại vị trí cuối hành trình (phía băng tải 1) thì cơ cấu cấp sản phẩm và băng tải 1 lại hoạt động trở lại và chu trình được lặp lại như cũ. Khối băng tải 2, 3 và các rulo (FB2, DB2) khi được gọi thì băng tải 2 chạy, băng tải 3 và các rulo cũng hoạt động để đưa hộp vào vị trí tiếp nhận sản phẩm. Khi vật được đưa vào băng tải 2 bởi cánh tay robot chúng sẽ được phân thành 2 loại nhờ các cảm biến. Sản phẩm có từ sẽ được đưa vào hộp nhờ cần gạt 1, còn sản phẩm Bộ điều khiển khả lập trình PLC S7-300 Chíp AT89S52 Phát n xung/1s Lập trình các cấp tốc độ bằng PWM cho động cơ điện 1 chiều và động chơ bước Mạch điều khiển tốc độ động cơ bước Mạch điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều Động cơ bước chạy với cấp tốc độ ứng với n xung/1s Chạy với tốc độ bằng 1/3 tốc độ tối đa Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 64 màu đen sẽ được đưa vào hộp nhờ cần gạt 2. Khi số lượng sản phẩm đã đủ 4 cái thì barie sẽ mở ra để hộp được đưa ra ngoài nhờ băng tải 3 và hộp không sẽ lại được đưa vào để tiếp tục quy trình. Khi ấn phím dừng hệ thống thì các khối chức năng sẽ bị vô hiệu hóa và các đầu ra cũng được reset. 3.2. Các bài tập thực hành mẫu Bài tập 1: Bài toán thực hành về tập lệnh Timer ứng dụng trên băng tải 1. Với bài toán này sẽ giúp sinh viên làm quen với bộ lệnh Timer trong chương trình grafcet như: lệnh timer TD, TL, lệnh delay D, reset timer TR,… Bài tập 2: Bài toán thực hành về tập lệnh Counter ứng dụng trên băng tải 2. Bài tập 3: Bài toán về điều khiển hệ thống theo đồng hồ thời gian thực (RTC) được ứng dụng trên phần băng tải 1. Bài tập 4: Bài toán về điều khiển động cơ bước và động cơ điện một chiều. Bài tập 5: Chạy tự động toàn bộ hệ thống Ứng dụng các kiến thức từ các bài toán trên ta thiết lập chương trình chạy cho toàn hệ thống băng tải. Ở đây người dùng sẽ xây dựng chương trình là tập hợp của các khối chức năng khác nhau, đại diện cho từng khối trong mô hình (giống như các chương trình con). Bài toán này giúp sinh viên làm quen với cấu trúc của lệnh gọi các khối như: FC, FB… Nhận xét chung: Khi chạy chương trình, từ các grafcet ta có thể quan sát một các dễ dàng các thao tác đang được thực hiện trên dây chuyền và vị trí của các cơ cấu trên dây chuyên đó. Vì thế nó có thể giúp cho người điều khiển dễ dàng nhận biết các sự cố và khắc phục chúng một cách nhanh chóng. 3.3. Giao diện điều khiển giám sát Giao diện điều khiển giám sát được thực hiện trên Graphic Designer trong WINCC v7.0. Thực hiện việc kết nối các biến vào ra của PLC với các biến internal và external của Wincc, từ đó ta có thể mô phỏng được một cách chính xác các hoạt động của hệ thống và điều khiển nó thông qua màn hình máy tính. Giao diện điều khiển và giám sát được chúng tôi thiết kế theo từng module, do đó, với Hình 4: Giao diện điều khiển mô hình được xây dựng trên WINCC Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 65 mỗi bài toán liên quan đến từng module cụ thể (băng tải 1, 2, 3, cánh tay robot), ta có thể click vào các nút trên các module tương ứng để chuyển giao diện của màn hình sang dạng chỉ bao gồm 1 module duy nhất. Điều đó thuận tiện cho việc quan sát mô hình theo từ đơn giản đến phức tạp và thực hành các bài toán điều khiển trên các giao diện khác nhau. Giao diện điều khiển giám sát cũng tích hợp các chức năng điều khiển riêng lẻ từng thiết bị: pittong, cánh tay robot, quan sát việc nhận tín hiệu từ cảm biến. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng thiết kế thêm phần hiển thị các thông tin khi vận hành: số lượng sản phẩm đã được cấp, số loại sản phẩm có từ tính, số loại sản phẩm không có từ tính. Mặt khác, chúng tôi cũng thiết kế giao diện theo hướng vẫn có thể thực hành, thao tác trên giao diện mà không cần có mô hình thực tế. 4. Kết luận và hướng phát triển  Kết luận Qua việc sử dụng Grafcet tiêu chuẩn để xây dựng chương trình điều khiển, chúng tôi thấy rằng: Grafcet rất thuận tiện cho các chương trình điều khiển hệ thống tuần tự, thể hiện ở sự trực quan, tính linh hoạt, dễ gỡ rối. Mô hình hoạt động tốt, phần điều khiển linh hoạt. Xây dựng được mô hình bàn thí nghiệm đạt được các mục tiêu đã đề ra ban đầu.  Hướng phát triển Việc tiếp tục nghiên cứu để thiết kế chế tạo một số mô đun khác như: sắp xếp cơ cấu nhập hàng, xuất hàng tự đoojng, bô phận sấp xếp sản phẩm sau khi đã đóng gói vào kho một cách tự động và thông minh. Đề tài này cũng có thể được nhân rộng ra cho hoạt động thí nghiệm và học tập ở các trường Đại học, Cao đẳn có đào tạo về điều khiển tự động và các môn học liên quan đến điện khí nén, PLC, WINCC, vi điều khiển... TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS. TS. Phạm Đắp, PGS. TS. Trần Xuân Tuỳ, Điều khiển tự động trong các lĩnh vực cơ khí, Nhà xuất bản Giáo dục. [2] Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm, Thiết kế chi tiết máy, Nhà xuất bản Giáo dục. [3] PTS. Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển bằng khí nén, Nxb. Giáo Dục 1999. [4] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, Tự động hóa với SIMATIC S7-300, Trung tâm hợp tác đào tạo Bách khoa Hà Nội SIEMENS. [5] Nguyễn Tấn Phước, Giáo trình Điện tử Kĩ thuật-Linh kiện Điện tử. Nxb. TP. Hồ Chí Minh. [6] Tống Văn On, Hoàng Đức Hải, Họ Vi Điều Khiển 8051.NXB Lao Động Xã Hội.