Thiết kế hệ điều khiển cho mô hình cấp phôi tự động, ứng dụng bộ điều khiển PLC

Từ đó chung em quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế hệ điều khiển cho mô hình cấp phôi tự động, ứng dụng bộ điều khiển PLC.” Để hoàn thành được đề tài này em xin chân thành cảm ơn thầy

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

MỞ ĐẦU 5

1 Lý do chọn đề tài 5

2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 5

3 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG 7

1.1 Giới thiệu về hệ thống cấp phôi tự động trong nhà máy thực tế 7

1.2 Phân tích yêu cầu của hệ thống 7

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 8

2.1 Sơ đồ khối 8

2.2 Sơ đồ mạch động lực 8

2.3 Sơ đồ mạch điều khiển 10

2.4 Lưu đồ thuật toán 13

2.5 Chương trình điều khiển 15

CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 19

3.1 Lập trình giao diện trên HMI 19

3.1.1 Khái niệm về HMI 19

3.1.2 Cấu trúc HMI 19

3.2 Các thành phần của HMI 22

3.3 Quy trình xây dựng hệ thống HMI 22

3.4 Tìm hiểu về màn hình HMI Kinco MT4414TE 23

3.6.2 Lựa chọn thiết bị, cài đặt kết nối và thông số 26

3.7 Thiết kế giao diện cho HMI 30

3.7.1 Thiết kế giao diện khi bật màn hình và giao diện bảo mật 33

3.7.2 Dowload project 37

3.8 Giao diện sau khi hoàn thành 39

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40

4.1 Kết quả đạt được 40

4.2 Kết quả chưa đạt được 41

4.3 Kết luận 41

4.4 Kiến nghị 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

Hình 2 2: Mạch động lực động cơ 9

Hình 2 3: Sơ đồ kết nối PLC 10

Hình 2 4: Sơ đồ kết nối input 11

Hình 2 5: Sơ đồ kết nối đầu ra output 12

Hình 2 6: Lưu đồ thuật toán 14

Hình 2 7: Bảng symbol 15

Hình 2 8: NW1 15

Hình 2 9: NW2 16

Hình 2 10: NW3 16

Hình 2 11: NW4 17

Hình 2 12: NW5 17

Hình 2 13: NW6 18

Hình 3 1: HMI kinco 20

Hình 3 2: Tổng quan hệ thống điều khiển bằng giao diện HMI 21

Hình 3 3: Màn hình HMI Kinco 23

Bảng 3 2: Thông số HMI 24

Hình 3 4: Giao diện phần mềm Kinco HMIware 25

Hình 3 5: Tạo project mới 25

Hình 3 6: Chọn phương thức truyền thông 26

Hình 3 8: Chọn loại PLC 27

Hình 3 9: Thiết lập màn hình 27

Hình 3 10: Thiết lập thông số PLC 28

Hình 3 12: Giao diện thiết kế của phần mềm 29

Hình 3 13: Cài mức độ bảo mật cho Project 29

Hình 3 14: Tạo nút nhấn 30

Hình 3 15: Chọn loại nút nhấn 31

Hình 3 16: Tạo đèn báo 31

Hình 3 17: Chọn loại đèn báo 32

Hình 3 18: Hộp thoại Text Attribute 32

Hình 3 19: Tạo Text 33

Hình 3 20: Chọn màu nền 34

Hình 3 21: Tạo Frame mới 34

Hình 3 22: Bảo mật cho Frame 10 34

Hình 3 23: Tạo nút ấn chuyển trang có yêu cầu bảo mật 35

Hình 3 24: Hộp thoại New Graphics 36

Hình 3 25: Chọn bitmap 37

Hình 3 26: Hộp thoại Project Settings Option 38

Hình 3 27: Hộp thoại KHDownload 39

Hình 3 28: Giao diện điều khiển trên HMI sau khi hoàn thành 39

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cùng với sự vận động và phát triển không ngừng nghỉ của xã hội hiện nay, việc nâng cấp và cải tiến các máy móc dây chuyền phục vụ sản xuất tự động hóa là điều mà các nhà máy đặt ở mức độ ưu tiên hang đầu Bởi giải pháp tự động hóa luôn là hướng đi chính của ngành công nghiệp 4.0 hiện nay nhằm tang năng suất cũng như hiệu quả của công việc Từ đó chung em quyết định thực hiện đề tài:

“Thiết kế hệ điều khiển cho mô hình cấp phôi tự động, ứng dụng bộ điều khiển PLC.”

Để hoàn thành được đề tài này em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Minh Tân cùng toàn thể các thầy cô giáo và các bạn trong trường Đại Học SPKT Hưng Yên đã giúp đỡ và hướng dẫn em tận tình để hoàn thành được đề tài này

2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

- Nghiên cứu, phân tích đặc điểm của hệ thống cấp phôi tự động.

- Nghiên cứu, phân tích phương pháp điều khiển tự động ứng dụng PLC S71200.

- Nghiên cứu quy trình làm việc của hệ thống cấp phôi tự động trong các nhà máy trên thực tế.

- Xây dựng quy trình làm việc của mô hình

Nghiên cứu Khách thể nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống cấp phôi tự động Đối tượng nghiên cứu gồm các bộ phận sau:

- Tính toán thiết kế panel lắp đặt vận hành điều khiển thiết bị.

- Xây dựng chương trình điều PLC S7 1200.

Phương pháp nghiên cứu

Để xây dựng và phát triển đề tài thì sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng các kiến thức cơ sở lý thuyết và

- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Dựa trên các panel trong xưởng và một số doanh nghiệp, thiết chế và lắp đặt panel.

3 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa về mặt lý luận:

- Là cơ sở để phân tích cấu tạo, giải thích được nguyên lý hoạt động của hệ thống Cấp phôi tự động - Nắm được phương pháp điều khiển, truyền thông dùng PLC.

Ý nghĩa về mặt thực tiễn:

- Phục vụ cho quá trình cung cấp sản phẩm

- Phục vụ cho quá trình giảng dạy, quá trình sản xuất của hệ thống công nghệ.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẤP PHÔI TỰ

ĐỘNG 1.1 Giới thiệu về hệ thống cấp phôi tự động trong nhà máy thực tế

Hệ thống cấp phôi tự động sẽ làm cho máy bán tự động nâng cấp thành máy tự động hoàn toàn Dây chuyền sản xuất trong nhà xưởng công nghiệp cũng từ

đó mà trở thành chuỗi dây chuyền tự động, giúp cho quá trình sản xuất hoạt động hiệu quả hơn.

1.2 Phân tích yêu cầu của hệ thống.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

Khi nhấn nút START, hệ thống cấp phôi bắt đầu hoạt động.

Cảm biến phát hiện phôi trong ống phôi báo có phôi, xi lanh 1A đẩy phôi ra, khi gặp cảm biến giới hạn cuối của XL1A, xi lanh 1A đi về.

Lúc này xi lanh 2A đi xuống, Khi gặp cảm biến cuối của xi lanh 2A thì bật van hút chân không, sau 1s thì xi lanh 2A đi lên, khi gặp sườn lên của cảm biến đầu hành trình xi lanh 2A thì xi lanh 3A bắt đầu quay 1 góc 90 độ.

Khi cảm biến báo góc của xi lanh 3A báo đủ hành trình thì xi lanh 2A đi xuống, khi cảm biến cuối hành trình xi lanh 2A tác động thì hút chân không tắt, xi lanh 2A đi lên.

Khi cảm biến đầu hành trình xi lanh 2A tác động thì xi lanh 3A quay về, khi cảm biến đầu hành trình của xi lanh 3A tác động thì hệ thống lặp lại chu trình.

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ XỬ LÝ TÍN

HIỆU 2.1 Sơ đồ khối

- Hệ thống được lập trình điều khiển tuần tự

- Điều khiển trên giao diện HMI

- Hệ thống hoạt động ổn định

Khối hiển thị giám sát

Khối lập trình điều khiển

Hình 2 1: Sơ đồ kết nối khí nén

- Mạch động lực valve khí nén:

 Van 5/2 1 cuộn dây.

 Giác hút chân không.

 Xy lanh.

Hình 2 2: Mạch động lực động cơ

2.3 Sơ đồ mạch điều khiển

- Sơ đồ kết nối input:

Hình 2 4: Sơ đồ kết nối input

- Sơ đồ kết nối đầu ra và valve :

Hình 2 5: Sơ đồ kết nối đầu ra output

2.4 Lưu đồ thuật toán

Hình 2 6: Lưu đồ thuật toán

2.5 Chương trình điều khiển

Bảng địa chỉ:

Hình 2 7: Bảng symbol Chương Trình điều khiển :

Hình 2 8: NW1

Network 2:

Hình 2 9: NW2

Network 3:

Hình 2 10: NW3

Network 4:

Hình 2 11: NW4

Network 5:

Hình 2 12: NW5

Network 6:

Hình 2 13: NW6

CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 3.1 Lập trình giao diện trên HMI

3.1.1 Khái niệm về HMI

- HMI là viết tắt của Human-Machine-Interface, có nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành và máy móc thiết bị Là một hệ thống dùng để người dùng giao tiếp, thông tin qua lại với hệ thống điều khiển thông qua mọi hình thức HMI cho phép người dùng theo dõi, ra lệnh điều khiển toàn bộ hệ thống HMI có giao diện đồ họa, giúp cho người dùng có cái nhìn trực quan về tình trạng của hệ thống.

- Biểu thị dữ liệu cho người vận hành và cho phép nhập lệnh điều khiển qua nhiều dạng: hình ảnh, sơ đồ, cửa sổ, menu, màn hình cảm ứng …

- HMI có thể là màn hình GOT(Graphic Operation Terminal) của Mitsubishi, màn hình NT của Omron, hoặc một PC chạy phần mềm SoftGOT của Mitsubishi…

- Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao diện” với một máy móc thì đó là một HMI, hệ thống số điều khiển trên máy giặt, bảng hướng dẫn lựa chọn phần mềm hoạt động từ xa trên TV đều là HMI.

3.1.2 Cấu trúc HMI

Cấu trúc HMI gồm hai phần :

- Ngõ vào : Cho phép người sử dụng thao tác hệ thống, là các giá trị, dữ liệu thu thập từ bộ điều khiển (giá trị trong các thanh ghi của PLC như các giá trị thực tế của quá trình sản xuât, giá trị đặt mặc định…) hay từ các thiết bị nối trực tiếp để lưu trữ, hiển thị…

- Ngõ ra : Truyền tín hiệu về bộ điều khiển nối kèm để bộ điều khiển thực hiện tác vụ điều khiển HMI đơn thuần chỉ là giao tiếp, không thể thực hiện công việc điều khiển.

a Các thiết bị HMI

Hình 3 1: HMI kinco

- Cấu trúc :

+ HMI trên nền PC và Windows/MAC : SCADA.

+ HMI trên nền các máy tính nhúng : HMI chuyên dụng.

+ Ngoài ra còn có một số loại HMI biến thể khác : MobileHMI dùng Palm, PoketPC

- Các ưu điểm của HMI hiện đại :

+ Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin.

+ Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ xung thông tin cần thiết.

+ Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa + Tính “Mở”: có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại giao thức.

+ Khả năng lưu trữ cao.

b Vị trí của HMI trong hệ thống tự động hóa hiện đại

HMI ngày càng đảm nhiệm nhiều thuộc tính của các ứng dụng SCADA truyền thống đồng thời cũng thực hiện nhiều chức năng phân tích phức tạp hơn Sự phức tạp này đòi hỏi các giao diện hệ thống quản lý mạng chuẩn hóa phải tăng chất lượng dịch vụ Mục đích của việc làm này là nhằm nâng cao hiệu suất và hiệu quả của tương tác giữa các hệ thống quản lý và người vận hành chúng Hiệu quả của HMI được đánh giá bởi rất nhiều yếu tố, như khả năng học được và năng suất, được

gọi chung là tính khả dụng HMI đem lại nhiều lợi ích cho người sử dụng, nổi bật là :

- Dễ học và dễ nhớ.

- Khó có thể gây lỗi.

- Hoàn thành mục tiêu hiệu quả hơn.

- Sử dụng dễ chịu hơn.

Hình 3 2: Tổng quan hệ thống điều khiển bằng giao diện HMI

Thiết lập những yêu cầu và cài đặt thông số kỹ thuật cung cấp cho các nhà cung cấp dịch vụ và nhà cung cấp Resource các công cụ để đạt được mức độ đồng nhất về giao diện người sử dụng Điều này sẽ tạo ra nhiều lợi ích vì người sử dụng

sẽ không phải học những mô hình cơ bản của mỗi hệ thống quản lý như ngày nay Các nhà phát triển giao diện người sử dụng (UI) trong lĩnh vực tài nguyên và dịch

vụ sẽ được lợi từ một nguồn thông tin và vốn từ vựng ổn định ứng dụng trong giao diện người sử dụng.

+ Các công cụ xây dựng HMI.

+ Các công cụ kết nối, nạp chương trình và gỡ rối.

+ Các công cụ mô phỏng.

d Truyền thông:

+ Các cổng truyền thông.

+ Các giao thức truyền thông

e Các thông số đặc trưng của HMI

+ Độ lớn màn hình: quyết định thông tin cần hiển thị cùng lúc của HMI.

+ Dung lượng bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ liệu, Flash dữ liệu: quyết định số lượng tối đa biến số và dung lượng lưu trữ thông tin.

+ Số lượng các phím và các phím cảm ứng trên màn hình: khả năng thao tác vận hành.

+ Chuẩn truyền thông, các giao thức hỗ trợ.

+ Số lượng các đối tượng, hàm lệnh mà HMI hỗ trợ.

+ Lựa chọn số phím cứng, số phím cảm ứng tối đa cùng sử dụng cùng lúc.

+ Lựa chọn các cổng mở rộng nếu có nhu cầu in ấn, đọc mã vạch, kết nối các thiết bị ngoại vi khác.

+ Lựa chọn dung lượng bộ nhớ: theo số lượng thông số cần thu thập

số liệu, lưu trữ dữ liệu, số lượng trang màn hình cần hiển thị.

b Xây dựng giao diện

+ Cấu hình phần cứng: chọn phần cứng, chuẩn giao thức

+ Xây dựng các màn hình.

+ Gán các biến số (tag) cho các đối tượng.

+ Sử dụng các đối tượng đặc biệt.

+ Viết các chương trình.

+ Mô phỏng chương trình.

+ Nạp chương trình xuống HMI.

3.4 Tìm hiểu về màn hình HMI Kinco MT4414TE

Giới thiệu

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất HMI như Siemen, Mitsubishi, Delta, Omron, weintek, Kinco HMI của hãng Kinco sản xuất đang được người dùng Việt Nam tin dùng do nó có giá thành rẻ, hoạt động ổn định, và kết nối được với hầu hết các loại PLC khác nhau Trong đó màn hình Kinco MT4414TE có thể dễ dàng kết nối với PLC S7-1200 của siemen thông qua cổng Ethernet.

Hình 3 3: Màn hình HMI Kinco

3.6 Tìm hiểu về phần mềm Kinco HMIware V2.4

Để thiết kế giao diện điều khiển giám sát, ta sử dụng phần mềm KinCo HMIware V2.4.

Hình 3 4: Giao diện phần mềm Kinco HMIware

3.6.1 Tạo Project mới

- Bước 1 : Nhấp vào biểu tượng trên thanh công cụ hoặc vào File > Chọn New hoặc nhấn tổ hợp phím Ctrl+N để tạo một project mới.

- Bước 2 : Nhập tên project tại ô “Project Name”.

- Bước 3 : Chọn đường dẫn để lưu project (ở đây chúng ta sử dụng đường dẫn mặc định) tại ô “Project Path”.

- Bước 4 : Nhấp OK để kết thúc việc tạo project mới.

Sau khi tạo project, nó sẽ bật lên cửa sổ làm việc lưới màu xám.Cửa sổ này được đặt tên là "Construct Window" Để lưu Project ta vào New > Save (S).

3.6.2 Lựa chọn thiết bị, cài đặt kết nối và thông số

a Chọn phương thức truyền thông

Ta có thể chọn phương thức truyền thông tại cửa sổ phần tử “ Connector” bằng cách kéo-thả ra cửa sổ làm việc.

Hình 3 6: Chọn phương thức truyền thông

b Chọn mô hình HMI Chọn dòng màn hình tại cửa sổ phần tử “HMI” và thực hiện kéo-thả ra cửa

sổ làm việc Khi bạn kéo-thả biểu tượng HMI, sẽ xuất hiện hộp thoại “Display Mode” như sau hình.Có tùy chọn "Horizont" và "Vertical", sau đó nhấp OK.

c Chọn loại PLC Tại cửa sổ phần tử “PLC” có mặt hầu hết các loại PLC trên thị trường hiện nay Ta có thể chọn loại PLC mình sử dụng tại đây bằng cách kéo-thả ra cửa sổ làm việc.

Hình 3 8: Chọn loại PLC

d Thiết lập cho màn hình HMI

- Bước 1 : Kích đúp vào HMI, xuất hiện cửa sổ "HMI Attribute"

- Bước 2 : Bấm vào tùy chọn "Task Bar"

- Bước 3 :Hủy bỏ tùy chọn của "Display Task Bar" trong " Task Bar " Sau

đó nhấn OK.

e Thiết lập cho PLC

- Bước 1 : Kích đúp vào PLC, xuất hiện cửa sổ "PLC Attribute"

- Bước 2 : Đặt "Station No" theo số PLC thực tế (Ở đây số trạm PLC là 1)

- Bước 3 : đặt địa chỉ IP tại ô IP sao cho khớp với địa chỉ IP thực tế sử dụng.

Hình 3 10: Thiết lập thông số PLC

f Tạo liên kết giữa PLC và màn hình HMI

- Bước 1 : Tại cửa sổ “PLC Attribute”, ta chọn “Network Device Setting”

- Bước 2 : Cửa sổ “Network Device Setting” xuất hiện, chọn “Add” để thêm thiết bị Sau đó nhấn OK

Sau khi hoàn tất phần kết nối, ta chọn Window > HMI Edit Window để bắt đầu thiết kế giao diện điều khiển giám sát.

Hình 3 12: Giao diện thiết kế của phần mềm

- Kích đúp vào màn hình HMI -> chọn tab Security Levels Setting -> chọn 3

ở mục the number of Security Levels (cấp bảo vệ), chọn mật khẩu ở mục 1 Password là 666666, sau đó kích OK.

Hình 3 13: Cài mức độ bảo mật cho Project

- Ấn Ctrl + E hoặc chọn Window -> Edit HMI window để vào giao diện thiết kế.

3.7 Thiết kế giao diện cho HMI

a Tạo các Tag cho chương trình

- Bước 1 : Nhấp vào biểu tượng “Address Tag List” trên thanh công cụ

- Bước 2 : Cửa sổ “Address Tag” xuất hiện, nhấn “Add” để thêm các Tag cho chương trình Sau đó nhấn OK.

b PLC Parts Tại cửa sổ phần tử“PLC Parts” ta có thể chọn các công cụ thiết kế như nút nhấn, đèn báo, hiển thị số, văn bản, đồ thị… để thiết kế giao diện điều khiển.

- Tạo nút nhấn + Bước 1 : Để tạo một nút nhấn, ta kéo thả nút lệnh“Bit State Setting”

+ Bước 2 : Cửa sổ “Bit State Setting Component Attribute” xuất hiện Tại tab “Basic Attributes” ta chọn ô “Use Address Tag” để sử dụng các Tag đã tạo từ trước mà không phải đặt lại.

+ Bước 3 : Tại tab “ Bit State Setting” ta có thể chọn loại nút nhấn tại ô

Hình 3 14: Tạo nút nhấn

Hình 3 15: Chọn loại nút nhấn

- Tạo đèn báo + Bước 1 : Ta kéo thả nút lệnh “Bit State Lamp”

+ Bước 2 : Cửa sổ “Bit State Lamp Component Attribute” xuất hiện Tại tab

“Basic Attributes” ta chọn ô “Use Address Tag” để sử dụng các Tag đã tạo từ trước

mà không phải đặt lại.

+ Bước 3 : Tại tab “Bit State Lamp” ta có thể chọn loại đèn báo tại ô

“Function” và tốc độ nháy tại ô “Rate”

+ Bước 4 : Tại tab “Graphics” ta chọn “Import Graphics” để tiến hành chọn kiểu đèn báo tại thư viện đèn báo có sẵn của phần mềm.

+ Bước 5 : Nhấn OK và di chuột đến tọa độ muốn đặt đèn báo.