thiết kế và chế tạo hệ thống băng chuyền lắp ráp hàng tự động dùng plc siemens s7 1200 1

NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI TT Họ và tên lĩnh vực chuyên môn Đơn vị công tác và Nội dung nghiên cứu cụ thể được giao Chữ ký 1 Đặng Bảo Duy Viện Kỹ thuật – Công Nghệ Lập

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

VIỆN KỸ THUẬT-CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG BĂNG CHUYỀN

2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

VIỆN KỸ THUẬT-CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG BĂNG CHUYỀN

3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

VIỆN KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI

4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

VIỆN KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

1 TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG BĂNG

Khoa học Tự nhiên, Kỹ thuật, Công nghệ 

Khoa học Xã hội và Nhân văn

Kinh tế

Giáo dục

5 LOẠI HÌNH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu cơ bản Nghiên cứu ứng dụng  Triển khai thực nghiệm Sản xuất thử nghiệm

Từ tháng … năm 2023 đến tháng … năm 2024

Địa chỉ: Số 06, Trần Văn Ơn, Phường Phú Hoà, Tp Thủ Dầu Một, Bình Dương

Họ và tên thủ trưởng đơn vị:

8 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

Họ và tên: Đặng Bảo Duy

Năm sinh: 2001

Học vị: Sinh viên đại học

Đơn vị công tác: Đại học Thủ Dầu Một

Địa chỉ cơ quan: Số 06, Trần Văn Ơn, Phường Phú Hoà, Tp Thủ Dầu Một, Bình Dương Điện thoại cơ quan:

Địa chỉ nhà riêng: 359, ấp Phú Thứ, xã Phú An, thị

xã Bến Cát, tỉnh Bình Dương

Điện thoại nhà riêng: 0562289520

Di động: 0562289520 E-mail: 1925202010020@student.tdmu.edu.vn

9 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên: Nguyễn Thành Đoàn

Năm sinh: 1980

Học vị: Thạc sĩ

Chức danh khoa học:

Chức vụ: Giảng viên

Đơn vị công tác: Đại học Thủ Dầu Một

Địa chỉ cơ quan: Số 06, Trần Văn Ơn, Phường Phú Hoà, Tp Thủ Dầu Một, Bình Dương Điện thoại cơ quan:

Địa chỉ nhà riêng: số 7 đường D, An Bình, TP Dĩ

An, Bình Dương Điện thoại nhà riêng: 0908945001

Di động: 0908945001 E-mail: doannt@tdmu.edu.vn

11 NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

TT Họ và tên lĩnh vực chuyên môn Đơn vị công tác và Nội dung nghiên cứu cụ thể được giao Chữ ký

1 Đặng Bảo Duy Viện Kỹ thuật – Công Nghệ

Lập trình PLC, lắp ráp và đấu nối phần cứng cho hệ thống mô hình lắp ráp tự

động

2 Phạm Văn Đức Viện Kỹ thuật – Công Nghệ

Thiết kế mô hình băng chuyền lắp ráp tự động trên phần mềm Solidwork

3 Đoàn Nhựt Hào Viện Kỹ thuật – Công Nghệ

Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển SCADA cho mô hình lắp ráp tự động

12 ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

Tên đơn vị

trong và ngoài nước Nội dung phối hợp nghiên cứu Họ và tên người đại diện đơn vị

6

MỤC LỤC

MỤC LỤC 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

DANH MỤC CÁC HÌNH ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 13

MỞ ĐẦU 17

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 26

1.1GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG 26

1.2PHẦN MỀM ĐƯỢC SỬ DỤNG CHO ĐỀ TÀI 27

1.2.1 Phần mềm Tia Portal 27

1.2.2 Phần mềm Solidworks 28

1.2.3 Phần mềm Labview 29

1.2.4 Phần mềm Kepware's KEPServerEX 30

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG BĂNG CHUYỀN LẮP RÁP HÀNG TỰ ĐỘNG DÙNG PLC SIEMENS S7-1200 32

2.1MÔ TẢ HỆ THỐNG 32

2.1.1 Yêu cầu điều khiển 32

2.1.2 Sơ đồ khối hệ thống 33

2.2THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 36

2.2.1 Bản vẽ mô hình 36

2.2.2 Các thiết bị sử dụng trong mô hình 38

2.2.3 Thi công mô hình 59

2.3THIẾT KẾ PHẦN MỀM 62

2.3.1 Yêu cầu công nghệ 62

2.3.2 Lập trình 62

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 84

KẾT QUẢ 1: MÔ HÌNH HOÀN THIỆN ĐẦY ĐỦ CÁC TRẠM 84

7

KẾT QUẢ 2:HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

PHỤ LỤC 102

8

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Tính toán chọn nguồn tổ ong 56 Bảng 2 Thành tố và chức năng trong giao diện WinCC 78

9

DANH MỤC CÁC HÌNH

HÌNH 1 1 Bản vẽ thiết kế băng chuyền lắp ráp trên phần mềm Solidworks 22

HÌNH 1 2 Băng chuyền lắp ráp thực tế 27

HÌNH 1 3 Giao diện của phần mềm TIA Portal V16 28

HÌNH 1 4 Giao diện SolidWorks 29

HÌNH 1 5 Giao diện phần mềm Labview 30

HÌNH 1 6 Giao diện phần mềm Kepware's KEPServerEX 31

HÌNH 2 1 Sơ đồ khối của hệ thống 33

HÌNH 2 2 Mô phỏng trạm 1 bằng phần mềm Solidworks 34

HÌNH 2 3 Mô phỏng trạm 2 bằng phần mềm Solidworks 35

HÌNH 2 4 Mô phỏng trạm 4 bằng phần mềm Solidworks 36

HÌNH 2 5 Bản vẽ cơ khí trên phần mềm Solidworks 36

HÌNH 2 6 Hình ảnh mặt bằng của băng chuyền lắp ráp 37

HÌNH 2 7 Thống kê số lượng ngõ ra cần dùng 37

HÌNH 2 8 Thống kê số lượng Xi lanh 38

HÌNH 2 9 Các thiết bị đã mua 38

HÌNH 2 10 Các thiết bị đã mua 39

HÌNH 2 11 Các PLC thực tế 39

HÌNH 2 12 Cách đấu nối để sử dụng PLC 40

HÌNH 2 13 Module CSM 1277 41

HÌNH 2 14 Cách đấu nối để sử dụng module CSM 1277 42

HÌNH 2 15 Các cổng Ethenet của module CSM 1277 42

HÌNH 2 16 Driver motor S-SERVO 43

HÌNH 2 17 Đấu nối sử dụng driver motor 43

HÌNH 2 18 Driver step motor 44

HÌNH 2 19 Cách đấu nối driver với PLC 45

HÌNH 2 20 Van điện từ khí nén 45

HÌNH 2 21 Cấp nguồn cho van điện từ khí nén 46

HÌNH 2 22 Van hút chân không 46

HÌNH 2 23 Giác hút chân không 47

10

HÌNH 2 24 Bộ lọc điều áp 47

HÌNH 2 25 Động cơ Servo 48

HÌNH 2 26 Cách đấu nối cho driver motor Servo và Servo motor 49

HÌNH 2 27 Step motor 49

HÌNH 2 28 Cách đấu nối cho driver step motor và step motor 50

HÌNH 2 29 Xi lanh khí nén 2 trục 50

HÌNH 2 30 Sensor quang 51

HÌNH 2 31 Đấu nối cảm biến quang vào PLC 52

HÌNH 2 32 Cảm biến từ xi lanh 52

HÌNH 2 33 Đấu nối cảm biến từ vào PLC 53

HÌNH 2 34 Bản vẽ cấp nguồn cho mô hình 54

HÌNH 2 35 Nút nhấn nhả 54

HÌNH 2 36 Relay khối Omron 55

HÌNH 2 37 Đấu nối sử dụng relay khối Omron 56

HÌNH 2 38 Nguồn tổ ong 57

HÌNH 2 39 Bản vẽ đấu nối nguồn tổ ong 58

HÌNH 2 40 Vị trí đấu lắp Contactor trong sơ đồ mạch điện 59

HÌNH 2 41 Khung bàn 60

HÌNH 2 42 Các máng dây và các thiết bị của mô hình 60

HÌNH 2 43 Hoàn tất đi dây và ống khí cho hệ thống 61

HÌNH 2 44 Trạm 1, trạm 2, trạm 4 đã được lắp ráp hoàn chỉnh 61

HÌNH 2 45 Webcam được lắp tại trạm 3 62

HÌNH 2 46 Thiết lập các Tag IN/OUT trong phần mềm lập trình 63

HÌNH 2 47 Cấu hình kết nối 3 PLC 63

HÌNH 2 48 Các tag ouput truyền thông giữa 3 PLC 64

HÌNH 2 49 Các tag input truyền thông giữa 3 PLC 65

HÌNH 2 50 Sử dụng lệnh PUT để thực hiện truyền thông giữa 3 PLC 66

HÌNH 2 51 Sử dụng lệnh GET để thực hiện truyền thông giữa 3 PLC 66

HÌNH 2 52 Lập trình quay mâm ốc bằng các khối lệnh Motion Control 67

HÌNH 2 53 Khối cấp nguồn và khối dừng khẩn cấp 68

HÌNH 2 54 Trục vít me 68

11

HÌNH 2 55 Khối MC MoveAbsolute lập trình di chuyển vị trí 69

HÌNH 2 56 Khối MC Home lập trình về vị trí home cho trục vit me 69

HÌNH 2 57 Khối nguồn cho băng tải chính và băng tải thùng 70

HÌNH 2 58 Khối di chuyển cho băng tải chính và băng tải thùng 71

HÌNH 2 59 Khối dừng cho băng tải chính và băng tải thùng 72

HÌNH 2 60 Các địa chỉ được tạo trong phần mềm KepserverEX 73

HÌNH 2 61 Lập trình xử lý ảnh trên phần mềm Labview 73

HÌNH 2 62 Gắn địa chỉ tại đây để giao tiếp với phần mềm KepserverEX 74

HÌNH 2 63 Tín hiệu nhận được trên phần mềm KepserverEX 75

HÌNH 2 64 Thao tác thực hiện để tiến hành xuất báo cáo 75

HÌNH 2 65 Mẫu báo cáo sử dụng cho đề tài 76

HÌNH 2 66 Tạo file Data_Report 76

HÌNH 2 67 Tính năng của các trang 78

HÌNH 2 68 Trang Login Account 79

HÌNH 2 69 Trang Home 80

HÌNH 2 70 Trang Setting Parameter 80

HÌNH 2 71 Trang Data System 81

HÌNH 2 72 Trang Alarm 81

HÌNH 2 73 Trang Layout 1 82

HÌNH 2 74 Trang Layout 2 82

HÌNH 2 75 Trang Image Processing 83

HÌNH 3 1 Trạm 1 lắp ráp sản phẩm 84

HÌNH 3 2 Trạm 2 bắt vít cho sản phẩm 85

HÌNH 3 3 Trạm 3 phân loại sản phẩm lỗi 86

HÌNH 3 4 Trạm 4 xếp hàng vào thùng 87

HÌNH 3 5 Mô hình hoàn chỉnh đẩy đủ các trạm 87

HÌNH 3 6 Giao diện đăng nhập trên WinCC 88

HÌNH 3 8 Chuẩn bị chạy hệ thống 89

HÌNH 3 9 Xylanh cấp nắp và đế ra 90

HÌNH 3 10 Hút gắp nắp ráp với đế 90

HÌNH 3 11 Nắp đã được ráp với đế 90

12

HÌNH 3 12 Hoàn thành di chuyển tới trạm 2 90

HÌNH 3 13 Chuẩn bị bắt vít tại trạm 2 91

HÌNH 3 14 Cánh tay hạ xuống lấy vít 91

HÌNH 3 15 Bắt vít vào hàng 91

HÌNH 3 16 Sau khi lắp xong tới trạm 3 91

HÌNH 3 17 Phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh 92

HÌNH 3 18 Số lượng vít nhận diện được bằng phần mềm Labview 93

HÌNH 3 19 Màn hình giám sát xử lý ảnh 93

HÌNH 3 20 Chuẩn bị gắp hàng 94

HÌNH 3 21 Cánh tay hạ xuống lấy hàng 94

HÌNH 3 22 Gắp hàng vào thùng 95

HÌNH 3 23 Tiếp tục gắp sản phẩm tới khi đủ thùng 95

HÌNH 3 24 Chế độ Manual điều khiển các thiết bị theo ý muốn 95

HÌNH 3 25 Trang thông tin của các trạm 96

HÌNH 3 26 Trang Alarm hiển thị các lỗi của hệ thống 96

HÌNH 3 27 Xuất báo cáo EXCEL hiển thị số lượng sản xuất trong ngày 97

HÌNH 3 28 Kết quả file báo cáo Excel 97

13

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition

PLC: Programmable Logic Controller

AC: Alternating Current

DC: Direct Current

IOT: Internet of Things

14

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

Đơn vị: Viện Kỹ Thuật-Công Nghệ

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo hệ thống băng chuyền lắp ráp hàng tự động dùng PLC

SIEMENS S7-1200

- Mã số: DTSV.23.1-020

- Chủ nhiệm: Đặng Bảo Duy

- Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Thành Đoàn

- Đơn vị chủ trì: Viện Kỹ Thuật-Công Nghệ

- Thời gian thực hiện:

2 Mục tiêu: Định hướng nghiên cứu đề tài “Thiết kế và chế tạo hệ thống băng chuyền

lắp ráp hàng tự động dùng PLC Siemens S7-1200” đảm bảo các yêu cầu sau:

• Tạo ra một băng chuyền lắp ráp sản phẩm tự động hàng loạt với số lượng lớn, đáp ứng đầy đủ các khâu từ lắp ráp, bắt vít, in ấn thương hiệu và xếp hàng tự động vào thùng

• Mô hình băng chuyền lắp ráp phục vụ cho việc đào tạo kiến thức về mảng tự động hóa PLC trong sinh viên

• Có bản thiết kế sản phẩm và mô hình băng chuyền lắp ráp hàng tự động trên phần mềm Solidwork

• Lập trình bằng phần mềm TIA Portal cho bộ điều khiển PLC Siemens

S7-1200

• Ứng dụng được truyền thông công nghiệp cho bộ xử lý trung tâm 3 PLC của hệ thống

• Ứng dụng được Motion Control cho điều khiển động cơ Servo

• Thiết kế giao diện SCADA cho việc giám sát và điều khiển hệ thống lắp ráp hàng tự động

• Giảm thiểu sai số trong việc điều khiển vị trí

• Thử nghiệm trước, điều chỉnh và đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống so với yêu cầu ban đầu

3 Tính mới và sáng tạo:

Các điểm nổi bật bao gồm:

Tính tự động: Hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động, giúp tăng cường hiệu suất và tiết kiệm lao động

15

Sử dụng công nghệ PLC Siemens S7-1200: Sử dụng PLC Siemens S7-1200 mang lại

độ tin cậy cao và khả năng lập trình linh hoạt, tạo điều kiện cho việc điều khiển và giám sát hệ thống một cách hiệu quả

Tích hợp linh hoạt: Mô hình được thiết kế để dễ dàng tích hợp với các phần mềm và thiết bị khác, tối ưu hóa sự linh hoạt và khả năng mở rộng

Giảm thiểu lỗi: Sử dụng hệ thống tự động giúp giảm thiểu lỗi và tăng cường độ chính xác trong quá trình lắp ráp hàng

Tối ưu hóa hiệu suất: Thiết kế mô hình nhằm mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống, từ đó tăng cường năng suất và giảm thời gian sản xuất

Tính tiên tiến và hiện đại: Mô hình sử dụng công nghệ PLC và tự động hóa hiện đại, phản ánh sự tiên tiến và sáng tạo trong quá trình sản xuất

4 Kết quả nghiên cứu: Mô hình hoàn thiện đầy đủ các trạm là kết quả của sự nỗ lực

và chăm chỉ trong quá trình phát triển Với sự tỉ mỉ và chi tiết, mỗi trạm được xây dựng và hoàn thiện để đáp ứng mọi yêu cầu và tiêu chí đặt ra

Mô hình thực hành “Hệ thống băng chuyền lắp ráp hàng tự động dùng PLC Siemens S7-1200” là một dây chuyền sản xuất thu nhỏ có các ưu điểm nổi bật sau so với một số sản phẩm hiện có trên thị trường

- Đầy đủ các quy trình công nghiệp: Mô hình này đáp ứng đầy đủ các quy trình công nghiệp như lắp ráp, bắt vít, kiểm tra sản phẩm lỗi bằng xử lý ảnh và xếp hàng tự động vào thùng Điều này cung cấp cho sinh viên một trải nghiệm thực tế về việc lập trình PLC để điều khiển các quy trình sản xuất trong một dây chuyền tự động

- Mô phỏng và thực hành: Mô hình này cho phép sinh viên mô phỏng và thực hành các quy trình sản xuất Sinh viên có thể tạo ra các dự án điều khiển và thử nghiệm chúng trên mô hình, từ đó tăng cường khả năng lập trình PLC và hiểu rõ các khái niệm tự động hóa

- Giao diện thân thiện và dễ sử dụng: Mô hình được thiết kế với giao diện thân thiện và

dễ sử dụng Điều này giúp sinh viên nhanh chóng làm quen với mô hình và dễ dàng thực hiện các thao tác điều khiển và giám sát quy trình sản xuất

5 Sản phẩm:

- Mô hình băng chuyền lắp ráp hàng tự động

+ Đảm bảo đúng đề cương đã duyệt nội dung

- Bộ tài liệu hướng dẫn sử dụng băng chuyền

+ Đảm bảo hướng dẫn chính xác kỹ thuật để vận hành phục vụ giảng dạy và học tập + Đảm bảo đúng đề cương đã duyệt nội dung

Hình thức trình bài khoa học, không sai sót

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Hiệu quả

Về giáo dục:

16

Bộ tài liệu hướng dẫn sử dụng mô hình của đề tài “Thiết kế và chế tạo hệ thống băng chuyền lắp ráp hàng tự động dùng PLC Siemens S7-1200”, là tư liệu phục vụ cho đào tạo ở các chương trình như: Kỹ thuật điện, Kỹ thuật cơ điện tử, Tự động hóa Giúp cho sinh viên có cái nhìn tổng quan về quy trình của một dự án tự động hóa

• Giúp cho sinh viên tiếp cận nhiều loại thiết bị công nghiệp và cách vận hành chúng

• Là cơ sở phần cứng hỗ trợ cho việc đào tạo phần đấu nối thiết bị trong hệ thống điện tự động hóa

• Là cơ sở phần cứng hỗ trợ cho việc đào tạo về lập trình PLC S7-1200 trên phần mềm TIA Portal

• Là cơ sở phần cứng hỗ trợ cho việc đào tạo về thiết kế hệ thống SCADA, Motion Control, truyền thông công nghiệp và nhiều phương thức điều khiển khác trong chương trình giảng dạy môn PLC

Khi được thực hành trên băng chuyền lắp ráp của đề tài, các phương pháp và quy trình

lý thuyết sẽ được sinh viên nắm rõ hơn Từ đó nuôi dưỡng sự quan tâm và yêu thích nhiều hơn của sinh viên đối với môn học PLC và các khối ngành tự động Bên cạnh đó còn giúp sinh viên rèn luyện những kỹ năng, phát triển năng lực quan sát, phân tích, tổng hợp để có đầy đủ kinh nghiệm khi bước vào công việc thực tế Với việc được thực hành trên các thiết bị hiện đại, sinh viên sẽ được trao dồi thêm về: Vận hành các thiết bị tự động của băng chuyền sản xuất, theo dõi hệ thống điều khiển, phát hiện sai sót để khắc phục kịp thời, bảo trì hệ thống điện tự động, bảo dưỡng

Về kinh tế:

Tạo ra một băng chuyền sản xuất sản phẩm hàng loạt với số lượng lớn trong thời gian ngắn, đáp ứng đủ các khâu từ lắp ráp, bắt vít, in ấn thương hiệu và xếp hàng tự động vào thùng Băng chuyền lắp ráp tự động được sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất phần cứng, ô tô, sản xuất xe điện, sản xuất xe máy, tự sản xuất, sản xuất máy móc Băng chuyền lắp ráp này phù hợp để ứng dụng cho quy trình sản xuất sản phẩm hoàn thiện, nhu cầu thị trường lớn, nhiều quy trình lắp ráp và sản xuất lâu dài chẳng hạn như: vòng bi, hộp số, động cơ, linh kiện điện tử, thiết bị điện,…v.v

Phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và địa chỉ ứng dụng

Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng để phục vụ nghiên cứu và phát triển trong các lĩnh vực mô phỏng, thiết kế, và phát triển băng chuyền lắp ráp và được chuyển giao cho Viện Kỹ thuật Công nghệ thuộc Trường Đại Học Thủ Dầu Một

17

MỞ ĐẦU Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu liên quan đến mô hình băng chuyền sản xuất sản phẩm

tự động cũng đã ngày càng thu hút được nhiều quan tâm của cộng đồng khoa học cũng như các công ty, doanh nghiệp Công ty Cổ Phần Thiết Bị Công Nghiệp Hữu Hồng là công ty chuyên bán, kinh doanh các mặt hàng điện-điện tử đã cho ra Mô Hình Đào Tạo Dây Chuyền Sản Xuất Tự Động MPS[1] để phục vụ cho quá trình giảng dạy cho sinh viên Cho đến nay việc phát triển mô hình dây chuyền sản xuất trong nước có khuynh hướng hiện đại hóa, với mục đích nghiên cứu thì Trương Trường Thịnh đã tổ chức nghiên cứu mô hình dây chuyền lắp ráp các cụm chi tiết xe buýt Thaco City B60[2] Đối với công ty công ty cổ phần giải pháp tự động hóa Etek đưa ra nhiều giải pháp và thông về các mô hình lắp rắp tự động hóa hỗ trợ cho dây chuyền sản xuất hay phục vụ cho việc giảng dạy[3]

Võ Như Thành và cộng sự đã cho ra những ý tưởng đầu tiên cho việc tạo ra một dây chuyền lắp rắp sản phẩm với nhiều trạm khác nhau như trạm phân loại chất liệu, trạm thử đóng vít sản phẩm, trạm lắp ráp sản phẩm và trạm sắp xếp hàng vào kho Trước tiên thì họ sẽ làm bắt đầu làm trạm phân loại chất liệu Để cho lắp ráp sản phẩm đã hoàn thành một cách chính xác, các chi tiết làm việc cho quá trình lắp ráp phải được được chọn chính xác Sắp xếp có thể được thực hiện thủ công bằng công việc của con người hoặc tự động bởi một máy phân loại Nhiều máy móc được chế tạo để phân loại sản phẩm dựa trên một tiêu chí đơn giản hoặc cao, hoặc màu sắc, hoặc loại vật liệu, hoặc hình dạng Tuy nhiên, phân loại phức tạp dựa trên một số nguyên tắc vẫn yêu cầu hoạt động của con người Các mục tiêu là sử dụng công nghệ cảm biến khác nhau kết hợp với một thuật toán logic phù hợp để thiết kế một hệ thống phân loại hoàn chỉnh có thể hoàn thành nhiệm vụ phân loại mong muốn Mô hình bao gồm khối cấp phôi, khối băng tải, và khối điều khiển Để làm được công việc phức tạp này, một hệ thống băng tải kết hợp với nhiều loại cảm biến khác nhau như cảm biến quang, cảm biến từ, cảm biến màu, cảm biến siêu âm được thiết kế và chế tạo Khối điều khiển sử dụng PLC S7-1214 DC/DC/DC của Siemens với nhiều tính năng ưu việt và giá thành rất tốt Mô hình đã được kiểm tra hoạt động ổn định trong thực tế[4]

Sau đó Võ Như Thành và các cộng sự tiếp tục phát triển các trạm khác và cuối cùng họ cũng đã cho ra một hệ thống mô hình dây chuyền sản xuất tự động sử dụng giao tiếp Profinet giữa các PLC Siemens S7-1200 lập trình bằng Tia Portal Mô hình này gồm 4 khâu thường gặp ở một dây chuyền sản xuất trong thực tế đó là khâu lựa chọn sản phẩm, khâu gắn linh kiện vào sản phẩm, khâu lắp ghép sản phẩm đã có linh kiện, và khâu sắp xếp sản phẩm vào kệ chứa Mỗi khâu của dây chuyền được điều khiển bằng một PLC S7-1200 Các khâu được kết nối trực tiếp với nhau bằng giao tiếp Profinet qua hai môdun mở rộng Siemens CSM 1227 theo giao thức kiểu hình sao Các PLC điều khiển được lập trinh bằng phần mềm TIA Portal sử dụng các ngôn ngữ FBD,

18

LAD, và SCL Giao tiếp giữa các PLC sẽ sử dụng khối lệnh TSEND_C và khối lệnh TRCV_C[5]

Nguyễn Đức Dương và Nguyễn Thị Hiên đã cùng nhau xây dựng hệ thống điều khiển

và giám sát SCADA cho dây chuyền phân loại sản phẩm theo màu sắc trên cơ sở PLC S7-1200 ứng dụng công nghệ IOT Để nghiên cứu hệ điều khiển và giám sát nhóm tác giả đã sử dụng mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc để làm đối tượng nghiên cứu Với mục tiêu xây dựng một hệ thống điều khiển và giám sát dây chuyền phân loại sản phẩm trên cơ sở PLC S7-1200 sử dụng công nghệ IoT một cách đơn giản, thuận tiện, bài viết giới thiệu một giải pháp mới trong việc xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát SCADA sử dụng công nghệ điện toán đám mây (Cloud SCADA) Hệ thống cho phép người dùng truy cập từ các thiết bị khác nhau (máy tính, máy tính bảng, điện thoại thông minh) ở bất cứ đâu với kết nối internet Việc xây dựng giao diện điều khiển và giám sát không phụ thuộc nhiều vào cấu hình của PLC Đặc biệt, hệ thống cho phép viết/chỉnh sửa và nạp chương trình cho PLC từ xa thông qua kết nối không dây, rất phù hợp cho các kỹ sư, chuyên gia làm việc trực tuyến từ xa[6]

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

J.Kruger, T.K.Lien, A.Verl đã cùng nhau hợp tác tạo ra mô hình có sự hợp tác của con người và máy móc trong dây chuyền lắp ráp[7], theo họ sự tương tác giữa con người

và bốt cải thiện hiệu quả của các quy trình lắp ráp phức tạp riêng lẻ, đặc biệt khi bốt đóng vai trò là trợ lý thông minh Erina Shen và cộng sự đã thiết kế một dây chuyền lắp ráp mô-đun tự động cho các loại thuốc trong một nhà máy thu nhỏ[8], một quy trình sản xuất liên tục tích hợp, hoàn toàn tự động, từ đầu đến cuối cho một loại thuốc gốc phân tử nhỏ có tích hợp đảm bảo chất lượng Toàn bộ quy trình nằm gọn trong một hộp có diện tích 30,7 m^2 và tổng thời gian lưu trữ dưới 30 giờ, với công suất lên tới 40,3 × 106 viên mỗi năm

rô-Tạo ra dây chuyền với đầy đủ chức năng rất quan trọng nên Daria Leiber và các cộng

sự đã cùng nhau phân tích thiết kế dây chuyền lắp rắp sản phẩm gồm nhiều trạm khác nhau[9], mục đích của việc này khi sản xuất sản phẩm cơ điện tử nhỏ, như máy ảnh hoặc loa, thường được sản xuất hoàn toàn bằng các hệ thống tự động Bên cạnh việc giảm thiểu chi phí lao động, điều này cũng cho phép các quy trình có độ chính xác cao,

ổn định và hiệu quả sản lượng sản xuất cao Do chu kỳ sống của sản phẩm bị rút ngắn

và số lượng biến thể sản phẩm ngày càng tăng, lắp ráp tự động các dòng phải được thiết kế hoặc thiết kế lại với sự gia tăng tần suất[9] Để tạo ra sản phẩm có tính ổn định thì Brahim Rekiek và cộng sự [10] đã tạo ra dây chuyền sản xuất sản phẩm có tính ổn định hơn, sẽ tập trung vào thiết kế dây chuyền lắp ráp, phần lớn thời gian được cấu tạo theo ba bước Đầu tiên là xây dựng bố cục hợp lý của dây chuyền, bao gồm việc phân phối các hoạt động giữa các máy trạm dọc theo dây chuyền Thứ hai là lựa chọn hỗn hợp sản phẩm và trình tự sản xuất hiệu quả nhất liên quan đến giai đoạn vận hành Thứ

ba là việc xây dựng về cách bố trí vật lý của dây chuyền, tức là quyết định về việc bố trí các máy trạm, (các) băng chuyền, các bộ đệm có thể có, v.v…[10]

19

Còn Fei Yuan và các cộng sự đã cùng nhau thiết kế hệ thống lắp ráp tự động cho điện thoại di động dựa trên thị giác máy Trong 4 mắt xích sản xuất điện thoại, nhân công lắp ráp chiếm 60% Để nâng cao hiệu quả lắp ráp điện thoại di động, bài báo này đã thiết kế hệ thống lắp ráp điện thoại tự động dựa trên thị giác máy Hệ thống chủ yếu bao gồm hệ thống điều khiển PLC, cánh tay cơ khí, hệ thống thị giác và màn hình cảm ứng SIMATIC S7-1200 CPU1214C được sử dụng làm bộ điều khiển PLC và chương trình điều khiển được thiết kế Vỏ điện thoại di động, chip điện thoại di động và bảng điều khiển màn hình được chụp và lắp ráp bởi cánh tay cơ khí bốn trục DOBOT MG400 của Yuejiang Technology Sản phẩm của Hikvision được chọn là phần cứng của hệ thống tầm nhìn và chương trình tầm nhìn được thiết kế bằng nền tảng thuật toán Dobot Vision Studio của Yuejiang Technology MT6071IP/MT8071IP (800×400) của Vellon là màn hình cảm ứng cho hệ thống và thông qua màn hình này, hệ thống có thể được điều khiển và giám sát bằng tay Thực tiễn đã chứng minh rằng hệ thống lắp ráp

tự động điện thoại di động được thiết kế trong bài báo này có thể hoàn thành toàn bộ quá trình lắp ráp điện thoại di động một cách hoàn hảo và tỷ lệ thành công là hơn 99%

Hệ thống lắp ráp tự động điện thoại di động dựa trên thị giác máy có tỷ lệ thành công cao, độ ổn định cao, nhân công tiết kiệm và hoạt động lâu dài[11] Những sự phát triển mang tính hiện đại luôn được công bố đồng thời giúp tăng năng suất đẩy nhanh sự phát triển của đất nước

Zhiming Wang và các cộng sự đã lên ý tưởng để thiết kế và thực hiện lắp ráp hoàn toàn tự động hệ thống van lật bình nhiên liệu ô tô, họ đã cho ta thấy ngày nay ít nhất một hoặc hai van lật được yêu cầu trong mỗi sản xuất ô tô tiến trình Tuy nhiên, việc sản xuất và lắp ráp van lật vẫn đang trong giai đoạn lắp ráp thủ công, dẫn đến hiệu quả sản xuất thấp Bài báo này chủ yếu thiết kế một hệ thống lắp ráp hoàn toàn tự động dựa vào cấu tạo của van lật Hệ thống lắp ráp tự động bao gồm thiết bị, lắp ráp, vận chuyển và các trạm làm việc khác, và lắp ráp tự động dựa trên hệ thống điều khiển PLC Đồng thời, màn hình cảm ứng trang tương tác của con người được sử dụng để theo dõi dữ liệu và tham số cài đặt Kết quả thử nghiệm của họ cho thấy hệ thống lắp ráp có thể hoàn thành việc lắp ráp tự động van lật của bình nhiên liệu ổn định và đáng tin cậy[12]

Kai Chang, Yun Xing và các cộng sự đã cùng nhau thiết kế hệ thống điều khiển và quản lý thông minh dây chuyền lắp ráp hộp số linh hoạt Họ cho biết hệ thống thực hiện việc thiết lập kế hoạch lắp ráp, thiết lập các tệp quy trình lắp ráp, phản hồi về trạng thái thiết bị và cấu hình lại các nhiệm vụ lắp ráp Nó sử dụng Ethernet công nghiệp để trao đổi dữ liệu để đạt được sự tích hợp quản lý và kiểm soát thông qua giao diện OPC Tất cả các thiết bị dựa trên điều khiển logic của PLC đều hoàn toàn tự động Máy khách chạy trên IPC được lập trình bằng C# Tất cả các máy trạm thiết bị được cấu hình RFID Một mặt, dữ liệu lắp ráp có thể được tải lên hệ thống quản lý cùng với mã số truyền được đọc bởi RFID để theo dõi thông tin của quá trình lắp ráp Mặt khác, các thông số quy trình lắp ráp được tạo tự động bởi hệ thống quản lý có thể được chuyển đến các thiết bị để đạt được cấu hình lại quy trình công nghệ[13]

20

Lingyun Feng đã nguyên cứu và thiết kế dây chuyền sản xuất thông minh và cân bằng động cho sản phẩm 3C Sản phẩm 3C là thuật ngữ để ám chỉ các thiệt bị điện tử, máy tính nhỏ,… Theo họ sơ đồ thiết kế dây chuyền sản xuất thông minh cho các sản phẩm 3C được giới thiệu trong bối cảnh hiện nay mức độ tự động hóa thấp ở lắp ráp, thử nghiệm, đóng gói phải xem xét về cách bố trí tổng thể, cấu trúc máy của trạm, hệ thống kiến trúc và hệ thống điều khiển Trước hết, mô hình toán cân bằng động được thiết lập, sau đó là thuật toán di truyền được sử dụng để giải các tham số mô hình và cuối cùng dây chuyền sản xuất có thể giữ cân bằng bằng cách điều chỉnh tốc độ chạy của thiết bị hiện trường theo kết quả tính toán[14]

Đối với JianQin Liu và các cộng sự đã cùng phát triển một hệ thống với sự thông và hiện đại JianQin Liu và các cộng sự đã lên ý tưởng để tạo ra hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất tự động dựa trên nền tảng đám mây công nghiệp Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp hiện đại, các doanh nghiệp có nhu cầu ngày càng tăng về giám sát dữ liệu và kiểm soát tự động nhiều cửa hàng sản xuất và dây chuyền sản xuất Bài báo này trước tiên phân tích cấu trúc của dây chuyền sản xuất, hoàn thiện thiết kế mô hình hệ thống điều khiển, thiết lập khung mạng của hệ thống, thiết kế giao diện tương tác giữa người và máy, đưa ra lưu đồ SFC của các máy trạm và sơ đồ giao tiếp của PLC giữa từng trạm và cuối cùng nhận ra sự tương tác thời gian thực của dữ liệu giám sát trong nền tảng đám mây công nghiệp Nghiên cứu đóng góp những ý tưởng mới cho các nghiên cứu liên quan trong lĩnh vực này[15]

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện tại, tình trạng thiếu hụt thiết bị phục vụ cho việc đào tạo ngành tự động hóa nói riêng và các khối ngành điện - điện tử ở Việt Nam nói chung vẫn còn tồn tại và đang gây khó khăn cho việc phát triển những ngành này Điều này đặc biệt khó khăn đối với các trường đại học và tổ chức đào tạo ngành tự động hóa, vì các thiết bị đào tạo, các bộ thực hành lập trình PLC tích hợp sẵn thường rất đắt tiền Do đó, việc cải tiến và nâng cao chất lượng thiết bị phục vụ đào tạo ngành tự động hóa vẫn cần được quan tâm và đầu tư để có thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng về nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực tự động hóa

Song song với chương trình đào tạo tại giảng đường, trong thực tế để sản xuất ra một sản phẩm hoàn thiện cần phải trải qua rất nhiều công đoạn lắp ráp khác nhau Các sản phẩm lắp ráp điện tử như bo mạch, cho tới điện máy gia dụng, các cụm phụ tùng ô tô

xe máy, động cơ,… đều phải trải qua công đoạn lắp ráp mới có thể hoàn thiện Nói cách khác, hầu như mọi sản phẩm ngoài thị trường dù phục vụ cho ngành điện tử, ô tô

xe máy, cơ khí, gia dụng, y tế hay hàng không vũ trụ đều cần thông qua công đoạn lắp ráp mới có thể hoàn thiện đem đến tay người tiêu dùng

Một số nhà máy hiện nay vẫn còn tồn tại mô hình sản xuất sản phẩm từ cách lao động thủ công, nếu hiện đại hơn thường thấy là sản xuất theo kiểu bán thủ công chưa thể tự động hóa hoàn toàn từ đầu đến cuối quy trình Mô hình sản xuất dạng này gây hao tốn chi phí, thời gian và nhân công lao động làm đẩy cao giá thành sản phẩm, năng xuất làm việc không được tối ưu Từ đó ta thấy, một băng chuyền sản xuất đáp ứng đầy đủ

Mục tiêu đề tài

Định hướng nghiên cứu đề tài “Thiết kế và chế tạo hệ thống băng chuyền lắp ráp hàng

tự động dùng PLC Siemens S7-1200” đảm bảo các yêu cầu sau:

• Tạo ra một băng chuyền lắp ráp sản phẩm tự động hàng loạt với số lượng lớn, đáp ứng đầy đủ các khâu từ lắp ráp, bắt vít, in ấn thương hiệu và xếp hàng tự động vào thùng

• Mô hình băng chuyền lắp ráp phục vụ cho việc đào tạo kiến thức về mảng tự động hóa PLC trong sinh viên

• Có bản thiết kế sản phẩm và mô hình băng chuyền lắp ráp hàng tự động trên phần mềm Solidwork

• Lập trình bằng phần mềm TIA Portal cho bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200

• Ứng dụng được truyền thông công nghiệp cho bộ xử lý trung tâm 3 PLC của hệ thống

• Ứng dụng được Motion Control cho điều khiển động cơ Servo

• Thiết kế giao diện SCADA cho việc giám sát và điều khiển hệ thống lắp ráp hàng tự động

• Giảm thiểu sai số trong việc điều khiển vị trí

• Thử nghiệm trước, điều chỉnh và đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống so với yêu cầu ban đầu

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

Nhóm nghiên cứu đề tài đề ra định hướng nghiên cứu, thiết kế và chế tạo băng chuyền lắp ráp tự động trong đó tập trung vào những đối tượng sau:

• Nghiên cứu các hệ thống lắp ráp và bắt vít tự động tương tự đã được dùng trước đây

• Nghiên cứu các thiết bị điều khiển cần dùng trong hệ thống

• Nghiên cứu lý thuyết về Motion Control

• Nghiên cứu các phương pháp truyền thông trong công nghiệp

• Nghiên cứu phương pháp phân loại sản phẩm lỗi

• Nghiên cứu cách vận hành các thiết bị công nghiệp dùng cho mô hình

• Nghiên cứu hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA

- Phạm vi nghiên cứu

• Thiết kế bản vẽ phôi sản phẩm và bản vẽ mô hình băng chuyền lắp ráp hàng tự động trên phần mềm Solidwork

22

• Điều khiển tốc độ và vị trí chính xác trong các khâu lắp ráp, bắt vít, in ấn và xếp hàng vào thùng tự động

• In ấn logo và phân loại sản phẩm lỗi

• Sắp xếp hàng vào thùng sau khi xong các khâu lắp ráp, bắt vít và in ấn hoàn chỉnh

• Thiết kế giao diện SCADA phục vụ cho giám sát và điều khiển băng chuyền lắp ráp hàng tự động

Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu

- Cách tiếp cận

Xuất phát từ những lần tham quan nhà máy công nghiệp và đợt thực tập doanh nghiệp, chúng em đã được quan sát nhiều cơ cấu khác nhau như lắp ráp hàng hóa, bắt vít tự động, in ấn thương hiệu lên sản phẩm và xếp hàng vào thùng tự động, Từ đó nhóm nghiên cứu nhận định được việc ứng dụng các giải pháp tự động hóa để làm ra một sản phẩm hoàn thiện là vô cùng cần thiết

Nghiên cứu các đề tài đã được thực hiện trước đây, từ đó tìm ra điểm mới có thể cải tiến để ứng dụng cụ thể cho đề tài “Thiết kế và chế tạo hệ thống băng chuyền lắp ráp hàng tự động dùng PLC Siemens S7-1200”

- Phương pháp nghiên cứu

• Nghiên cứu trực tiếp qua các dự án tự động hóa đã có sẵn tại trường

• Tham khảo một số băng chuyền lắp ráp tự động tại các doanh nghiệp và trên Internet

• Xây dựng hệ thống lập trình logic trên phần mềm Tia Portal cho đề tài

• Tìm nguồn tài liệu về thiết bị điện công nghiệp trên các trang chủ chính hãng từng thiết bị

• Tham khảo phương pháp thiết kế cơ khí trên các trang mạng học thuật về phần mềm Solidwork

Nội dung nghiên cứu

HÌNH 1 1 Bản vẽ thiết kế băng chuyền lắp ráp trên phần mềm Solidworks

23

Định hướng nghiên cứu đề tài “Thiết kế và chế tạo hệ thống băng chuyền lắp ráp

hàng tự động dùng PLC Siemens S7-1200” tập trung vào các nội dung sau:

- Nghiên cứu CPU PLC Siemen S7-1200

Sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC S7 1200 CPU 1214C DC/DC/DC Bằng tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ đã khiến cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau

Để phù hợp với yêu cầu cần một bộ điều khiển với độ chính xác cao nhóm nghiên cứu quyết định chọn model CPU: 6ES7214-1AE30-0XB0, có I/O tích hợp: 14 DI 24 V DC; 10 DO 24 V DC; 2 AI 0-10 V DC, nguồn điện: DC 20,4-28,8V DC, Bộ nhớ chương trình / dữ liệu 50 KB

Với số lượng lớn ngõ Input/Output của đề tài (cần 42 Input Digital, 27 Output Digital), chọn sử dụng 3 CPU 1214C sẽ giúp mở rộng phạm vi thu thập và điều khiển

đa thiết bị

Sử dụng Module chuyển mạch nhỏ gọn CSM 1277, mode: 0AA0, để kết nối SIMATIC S7-1200 và tối đa 3 nút tiếp theo với Ethernet công nghiệp với 10/100 Mbit / s; gồm 4 cổng RJ45 Chẩn đoán LED, nguồn cung cấp điện

6GK7277-1AA10-24 V DC Với các tính năng nổi bật đó chọn CSM 1277 để truyền thông 3 PLC chính

là lựa chọn tối ưu

- Sử dụng truyền thông công nghiệp cho bộ xử lý trung tâm PLC

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát

và các máy tính cấp trên điều hành xí nghiệp quản lý công ty

Trong lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự động hóa, việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp (đặc biệt là bus trường) để thay thế cách nối điểm – điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp, mang lại những lợi ích sau:

 Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp;

 Giám đáng kể giá thành dây nối và công lắp đặt hệ thống

 Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống

 Tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp cao

 Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc chuẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị

 Nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) nhờ các giao diện chuẩn

24

 Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống Ví dụ, các ứng dụng điều khiển phân tán, điều khiển giám sát hoặc chuẩn đoán lỗi từ xa qua Internet

 Các hệ thống bus trường cũng đã dần thay thế các mạch dòng tương tự 4 – 20mA hoặc 0 – 10V

Ưu thế của giải pháp dùng mạng công nghiệp không những nằm ở phương diện

kỹ thuật mà còn ở khía cạnh hiệu quả kinh tế Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu thống nhất ứng dụng truyền thông Profinet và tập lệnh PUT/GET để kết nối điều khiển cùng lúc 3 PLC Siemens với nhau

- Sử dụng Motion Control cho điều khiển Servo

Motion control có nghĩa là “điều khiển chuyển động.” Một ví dụ đặc biệt là điều khiển định vị bằng các động cơ khác nhau Bằng cách cung cấp năng lượng điện tử cho động cơ, động cơ hoạt động và chuyển nó thành năng lượng chuyển động Công nghệ này có vai trò quan trọng trong các công cụ gia công, điều khiển robot, thiết bị sản xuất chất bán dẫn, máy ép phun và máy kiểm tra điện tử gia dụng kỹ thuật số Đầu

tư thiết bị trong lĩnh vực này phần lớn đang tăng trong những năm này

Động cơ servo có hai loại: Động cơ servo AC và động cơ DC servo Động cơ servo được sử dụng rộng rãi trên các công cụ gia công và robot công nghiệp tại các nhà máy sản xuất Động cơ servo có bộ mã hóa để phát hiện góc quay, và định vị chính xác cao được thực hiện trên vòng kín Bảng điều khiển chuyển động của chúng tôi có thể áp dụng cho động cơ servo loại đầu vào xung

Trong đề tài này nhóm nghiên cứu chọn sử dụng loại động cơ Servo của hãng Fastech Fastech là một hãng sản xuất động cơ tại Hàn Quốc, có lịch sử hình thành từ đâu đời Việc sử dụng Servo Fastech giúp nâng cao độ tin cậy trong việc điều khiển vị trí và tốc độ chính xác khi lắp ráp hàng, bắt vít và xếp hàng vào thùng

- Thiết kế sản phẩm và xây dựng bản vẽ mô hình băng chuyền lắp ráp hàng

tự động trên phần mềm Solidwork

Nhắc đến thiết kế 3D trên Solidworks thì đây mà một trong những tính năng tương đối mạnh mẽ, có thể đáp ứng được hầu hết các công việc thiết kế các mô hình 3D và việc thiết kế là hoàn toàn tham số hóa Về giao diện phần mềm thì rất thân thiện với người dùng, các thanh công cụ và tính năng được sắp xếp rất phù hợp để người sử dụng có thể lấy ra và sử dụng dễ dàng nhất

Quy trình thiết kế là phải đi qua các bước: Thiết kế trên bản vẽ Cad 2D những chi tiết với kích thước thật, sau đó từ kích thước chuẩn trên Cad 2D nhóm nghiên cứu sẽ dựng mô hình 3D trên phần mềm Solidworks thông qua các lệnh có sẵn, thư viện thiết

bị được Download trên các trang hãng thiết bị và cuối cùng là cắt xén, chỉnh sửa các khối cho đúng với yêu cầu sản phẩm

- Thiết kế giao diện SCADA cho giám sát và điều khiển hệ thống băng chuyền

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) được hiểu như là giải pháp điều khiển giám sát sử dụng công nghệ phần mềm chuyên dụng Khác với các cấp

25

dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ,…) SCADA dùng phần mềm chuyên dụng của Siemens đó

là WinCC Nó cho phép thiết kế toàn bộ hệ thống trên giao diện hệ thống trên nền Windows

Trong đề tài này nhóm nghiên cứu sẽ thiết kế giao diện SCADA để giám sát và điều khiển các trạng thái hoạt động như Auto/Manual, các nút On/Off System Ngoài

ra có thể tùy chỉnh các thông số như tốc độ động cơ Servo và vị trí lắp ráp hàng linh hoạt thông qua giao diện SCADA

- Nghiên cứu các loại băng tải thường dùng trong băng chuyền lắp ráp, sản xuất hàng loạt

Thiết bị vận chuyển cho băng chuyền lắp ráp tự động Có thể kể đến các thiết bị công nghiệp phổ biến nhất hiện nay là hệ thống băng tải, băng chuyền Bao gồm băng

tải belt, PVC, băng tải con lăn, băng tải treo, băng tải xích để vận chuyển các linh phụ kiện, phụ tùng, thành phần, bán thành phẩm Từ chi tiết tới bán thành phẩm rồi sản phẩm hoàn thiện sẽ đi qua các công đoạn (các trạm đảm nhiệm một khâu nào đó như lắp ráp, đo kiểm, kiểm tra chất lượng…)

- Thực hiện chế tạo và thi công lắp ráp mô hình

Thực hiện chế tạo phôi sản phẩm, đặt gia công một số chi tiết phụ trợ lắp ráp, cơ cấu nâng đỡ phần thiết bị chính, các bát gắn cảm biến hoặc cố định dây, khung bàn mô hình và mặt bàn mô hình,…vv

Sau khi gia công hoàn thiệt tất cả chi tiết, nhóm nghiên cứu thực hiện lắp ráp mô hình băng chuyền hoàn thiện theo đúng bản vẽ mẫu Solidworks

- Thử nghiệm, điều chỉnh và đánh giá kết quả hoạt động hệ thống so với mục tiêu đã đề ra

Thử nghiệm diện hẹp: Test từng thiết bị bằng chế độ Manual để xem mức hoàn thiện của từng trạm một

Thử nghiệm diện rộng: Cho băng chuyền chạy với chế độ Auto và quan sát mức

độ hoàn thiện bằng cách so sánh kết quả với yêu cầu đã đề ra ban đầu như mức độ ổn định của hệ thống khi làm việc lâu dài, kiểm tra chính xác vị trí khi lắp ráp và bắt vít, kiểm tra tín hiệu gửi và nhận trên hệ thống SCADA có đúng với thực tế hay chưa Trường hợp các trạm hoạt động tốt không phát sinh lỗi, nhóm nghiên cứu sẽ phát triển tiếp mô hình giúp tối ưu hơn cho khả năng sản xuất hàng loạt, còn nếu chưa thì tinh chỉnh lại

26

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống

Nền công nghiệp nước ta nói riêng và các nước trên thế giới nói chung đang phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng Sự hiện đại và tự động hóa trong quá trình sản xuất là lựa chọn hàng đầu mang lại hiệu quả to lớn về tiết kiệm được nguồn nhân lực, nâng cao hiệu suất công việc, độ chính xác cao… trong công nghiệp hiện nay Trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày nay nhu cầu về hàng hóa ngày càng gia tăng dẫn đến sản xuất tăng nhanh để đáp ứng được nhu cầu của xã hội Từ đó yêu cầu các quá trình sản xuất phải đạt hiệu suất cao trong cả chất lượng và sản lượng hàng hóa

Hệ thống lắp ráp, bắt vít, phân loại sản phẩm lỗi, và xếp sản phẩm vào thùng đóng một vai trò then chốt trong quy trình sản xuất ngày nay Được xây dựng trên cơ

sở của công nghệ tiên tiến và sự tự động hóa, hệ thống này không chỉ tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng cao và khả năng đáp ứng linh hoạt với nhu cầu thị trường

Quá trình lắp ráp và bắt vít được thực hiện với độ chính xác cao, giảm thiểu lỗi nhân công và tăng cường hiệu suất sản xuất Các thiết bị tự động không chỉ nhanh chóng mà còn đảm bảo tính chính xác và ổn định, đặc biệt là trong việc lắp ghép các thành phần phức tạp Hệ thống còn có khả năng phân loại sản phẩm lỗi, giúp ngăn chặn các sản phẩm không đạt chất lượng từ việc tiếp tục vào quy trình sản xuất Bằng cách sử dụng công nghệ cảm biến và hệ thống kiểm soát chất lượng, sản phẩm được kiểm tra một cách tự động để đảm bảo rằng chỉ những sản phẩm đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng cao nhất mới được chấp nhận

Cuối cùng, sau khi đã qua quá trình kiểm tra chất lượng, hệ thống tự động xếp sản phẩm vào thùng theo các tiêu chí đã được đặt ra Quy trình xếp thùng không chỉ giúp tối ưu hóa không gian lưu trữ mà còn đảm bảo rằng sản phẩm đến tay khách hàng với tình trạng hoàn hảo

Tóm lại, hệ thống lắp ráp, bắt vít, phân loại sản phẩm lỗi, và xếp sản phẩm vào thùng không chỉ là trái tim của quy trình sản xuất mà còn là bảo đảm cho sự hiệu quả

và chất lượng trong ngành công nghiệp sản xuất hiện đại

Ngành ô tô: Trong sản xuất ô tô, hệ thống này được sử dụng để lắp ráp các thành phần, bắt vít các bộ phận cần thiết, kiểm tra chất lượng, và cuối cùng xếp sản phẩm vào thùng hoặc container để vận chuyển

Ngành điện tử: Trong việc sản xuất các sản phẩm điện tử như điện thoại di động, máy tính, hệ thống này đảm bảo rằng các linh kiện được lắp ghép chính xác và an toàn, đồng thời loại bỏ sản phẩm lỗi từ quy trình sản xuất

Ngành sản xuất đồ gia dụng: Trong việc sản xuất các sản phẩm như máy giặt, tủ lạnh, hệ thống này giúp tăng cường quy trình sản xuất và đảm bảo chất lượng cao của các sản phẩm cuối cùng

Ngành sản xuất đồ chơi: Trong ngành sản xuất đồ chơi, hệ thống này giúp tối ưu hóa quy trình lắp ráp, kiểm tra chất lượng, và xếp sản phẩm vào thùng, giúp nâng cao hiệu suất sản xuất

Ngành sản xuất thực phẩm: Trong một số trường hợp, hệ thống này cũng có thể được sử dụng để lắp ráp và đóng gói các sản phẩm thực phẩm, đặc biệt là trong quy trình sản xuất đại trà và đóng gói thực phẩm hộp

1.2 Phần mềm được sử dụng cho đề tài

1.2.1 Phần mềm Tia Portal

TIA Portal (Total Intergrated Automation Portal) là phần mềm cơ sở tích hợp tất

cả các phần mềm lập trình cho các hệ tự động hóa và truyền động điện: PLC, HMI, Inverter của Siemens

28

Được thiết kế với giao diện thân thiện người sử dụng, lần đầu làm quen thì rất rối mắt bởi rất nhiều tính năng và tác vụ của nó, nhưng khi làm quen nhiều rồi thí đúng là rất tiện, tất cả trong một Tất cả các bộ điều khiển PLC, HMI, Inverter đều được cấu hình trên TIA Portal V16.0, tạo ra sự nhất quán trong việc lập trình, cấu hình sản phẩm

HÌNH 1 3 Giao diện của phần mềm TIA Portal V16

1.2.2 Phần mềm Solidworks

SolidWorks là phần mềm thiết kế 3D tham số chạy trên hệ điều hành Windows

và có mặt từ năm 1995, được tạo bởi công ty SolidWorks Dassault Systèmes, là một công ty thành viên của tập đoàn công nghệ hàng đầu thế giới Dassault Systèmes, S A (Vélizy, Pháp)

Những nhóm tính năng cơ bản của SolidWorks 3D

• Thiết kế mô hình 3D chi tiết

• Thiết kế lắp ghép và cụm lắp ghép

• Xuất bản vẽ dễ dàng

• Tính năng Tab và Slot

• Tính năng gia công

Dưới đây là một số chức năng cơ bản của LabVIEW:

• Ngôn ngữ Lập trình Đồ họa (G Programming Language):Sử dụng mô hình lập trình đồ họa, giúp người dùng tạo chương trình thông qua việc kéo và thả các thành phần trên một sổ block diagram

• Cấu trúc Chương trình Dòng dữ liệu (Dataflow): Hỗ trợ mô hình dòng dữ liệu, thực hiện các thao tác khi có dữ liệu sẵn sàng

• Giao diện Người dùng Đồ họa: Cung cấp giao diện người dùng đồ họa cho việc thiết kế và quản lý các chương trình, bao gồm công cụ kéo và thả

• Chức năng Mô phỏng và Tương tác: Cung cấp công cụ mô phỏng để kiểm thử chương trình mà không cần kết nối với thiết bị thực tế

• Hỗ trợ Thiết bị Đo lường và Kiểm soát: Tích hợp tốt với các thiết bị đo lường

và kiểm soát của National Instruments và nhiều nhà sản xuất khác

• Xử lý Tín hiệu và Xử lý Ảnh: Sử dụng trong các ứng dụng xử lý tín hiệu và xử

lý ảnh với các công cụ và thư viện đi kèm

30

HÌNH 1 5 Giao diện phần mềm Labview

1.2.4 Phần mềm Kepware's KEPServerEX

Kepware's KEPServerEX là một phần mềm giúp kết nối và tích hợp các thiết bị

và hệ thống khác nhau trong môi trường tự động hóa công nghiệp Dưới đây là mô tả ngắn gọn về nó và các chức năng cơ bản:

KEPServerEX:

Mục đích: Hỗ trợ truyền thông giữa các thiết bị và ứng dụng trong hệ thống tự động hóa

Chức năng Cơ bản:

• Kết Nối Đa Dạng: Hỗ trợ nhiều giao thức và kết nối với các thiết bị và hệ thống

đa dạng trong công nghiệp

• Chuyển Đổi Dữ Liệu: Thực hiện chuyển đổi định dạng và đơn vị đo giữa các thiết bị và ứng dụng khác nhau

• Tích Hợp Dữ Liệu: Cho phép tích hợp dữ liệu từ các nguồn khác nhau, tạo ra một giao diện đồng nhất

• Bảo mật và Quản lý Phiên: Cung cấp các tính năng bảo mật để đảm bảo an toàn cho dữ liệu và quản lý phiên kết nối

• Giao diện Người dùng: Có giao diện dễ sử dụng giúp người quản trị cấu hình và theo dõi các kết nối một cách hiệu quả

• Khả năng Mở Rộng: Hỗ trợ mô-đun mở rộng và tích hợp linh hoạt với các giải pháp phần mềm và phần cứng khác

31

HÌNH 1 6 Giao diện phần mềm Kepware's KEPServerEX

Khi hàng tới trạm 2 chạm cảm biến dừng băng tải và thực hiện quá trình bắt vít, tại đây ốc sẽ được bắt tại các vị trí mà ta đã chọn lúc đầu, để di chuyển ngang ta sử dụng động cơ servo kết hợp với trục vitme, để di chuyển ra và xuống dùng xi lanh khí nén, để lấy ốc lên ta dùng xi lanh kẹp và để vặn ốc ta dùng động cơ bước, sau khi lắp đúng những vị trí ốc và cánh tay về vị trí home thì băng tải sẽ di chuyển tiếp đến trạm

3

Tại trạm 3 sẽ thực hiện quá trình phân loại sản phẩm lỗi bằng xử lý ảnh kèm đèn để tránh bị ảnh hưởng bởi yếu tố bên ngoài Khi hàng tới trạm 3 chạm cảm biến đèn sẽ sáng đồng thời camera sẽ ghi hình phân tích xử lý, nếu sản phẩm bị lắp thiếu ốc thì sẽ loại bỏ sản phẩm lỗi này còn nếu sản phẩm đạt chuẩn đủ số ốc đã cài đặt thì sản phẩm

sẽ di chuyển tới trạm 4

Khi hàng đạt chuẩn băng tải sẽ tiếp tục di chuyển tới trạm 4, hàng chạm cảm biến đồng thời băng tải dừng, cánh tay xi lanh khí nén sẽ hút di chuyển sản phẩm vào thùng hàng theo 4 vị trí khác nhau Các trạm có các cảm biến được đặt với các khoảng cách bằng nhau nên nhóm sẽ lập trình cho hệ thống lắp ráp, cắp phôi liên tục Quá trình cứ lặp đi lặp lại cho đến khi hết nắp và đế hoặc nhấn nút Stop System

• Điều khiển bằng tay (Manual):

Đầu tiên nhấn On System trên màn hình giám sát SCADA và chuyển sang chế độ Manual Khi đó người điều khiển có thể điều khiển các thiết bị tùy ý như xi lanh cấp hàng, cánh tay để bắt vít hay di chuyển băng tải… Muốn dừng hoạt động của chế độ Manual cần nhấn nút Stop System trên màn hình giám sát SCADA

2.1.1 Yêu cầu điều khiển

- Xây dựng hoàn thiện, đầy đủ hệ thống “thiết kế và chế tạo hệ thống băng chuyền lắp ráp hàng tự động dùng PLC Siemens S7-1200”

- Xây dựng giải thuật điều khiển hệ thống bằng PLC

- Xây dựng giao diện SCADA hiển thị và giám sát hệ thống

- Xây dựng hệ thống lập trình logic và dễ hiểu

- Yêu cầu chung cho hệ thống:

+ Quy mô hệ thống lớn

+ Không gian làm việc tương đối, linh hoạt

33

+ Hệ thống lắp ráp, phân loại sản phẩm lỗi và xếp hàng hóa Vì hệ thống mang tính chất quy mô lớn nên nhóm nên nhóm đã thiết lập những tính năng vượt trội để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định không có sai xót

+ Tốc độ hoạt động của hệ thống đáp ứng nhanh

+ Hiệu suất hoạt động cao

+ Độ chính xác khi hoạt động đạt 95%

2.1.2 Sơ đồ khối hệ thống

HÌNH 2 1 Sơ đồ khối của hệ thống

Chức năng và nguyên lý hoạt động của từng trạm:

Trạm 1: Lắp ráp phôi đế và nắp

Mô tả: Trạm 1 là trạm đầu vào của băng chuyền lắp ráp sản phẩm, cung cấp 2 loại phôi (nắp và đế) bằng trụ cấp phôi cung cấp nguyên liệu cho việc lắp ráp sản phẩm Nhiệm

HÌNH 2 2 Mô phỏng trạm 1 bằng phần mềm Solidworks

Trạm 2: Bắt vít liên kết sản phẩm

Mô tả: Trạm 2 là trạm bắt vít tạo liên kết giữa phôi nắp và phôi đế Quá trình này tiếp nối cho Trạm 1 sau khi phôi đế và phôi nắp được ráp thô cố định

Cơ chế lắp vít như sau: Sử dụng trục vitme để di chuyển từ vị trí mâm vít đến các vị trí

đã xác định trong chương trình Khi trục vitme di chuyển vít đến vị trí đã định, motor bước quay vít để thực hiện việc bắt vít vào phôi sản phẩm Sau khi hoàn thành bắt vít cho con đầu tiên, quá trình được lặp lại cho đến khi hoàn thiện tất cả các vị trí đã định trước đó

Sử dụng bộ đếm trong PLC (Programmable Logic Controller) để đếm số lượng sản phẩm đã được đưa vào thùng Khi số lượng sản phẩm đạt đến giới hạn đã định, PLC sẽ điều khiển băng tải thùng để đưa thùng đầy ra khỏi vị trí và đưa một thùng trống vào

để tiếp tục quá trình nhận sản phẩm hoàn thiện

36

HÌNH 2 4 Mô phỏng trạm 4 bằng phần mềm Solidworks

2.2 Thiết kế phần cứng

2.2.1 Bản vẽ mô hình

2.2.1.1 Bản vẽ cơ khí trên phần mềm Solidworks

Tổng quan tưởng thiết kế của đề tài: Một băng chuyền sản xuất có đầy đủ các khâu như: lắp ráp, bắt vít, phân loại sản phẩm lỗi và xếp hàng tự động,

HÌNH 2 5 Bản vẽ cơ khí trên phần mềm Solidworks

Thiết kế cơ khí trên phần mềm là một công đoạn không thể thiếu trong một dự án tự động hóa

37

HÌNH 2 6 Hình ảnh mặt bằng của băng chuyền lắp ráp

Solidworks là một phần mềm thiết kế 3D mạnh mẽ với giao diện thân thiện người sử dụng Kết hợp với những ad-in các module: Cosmos, SolidCam… giúp Solidworks ngày càng hoàn thiện hơn và là sự lựa chọn của nhiều Công ty trên toàn thế giới Phần mềm này có ưu điểm là giao diện đẹp, thân thiện, khả năng thiết kế nhanh hơn các phần mềm khác rất nhiều nhờ vào sự xắp xếp và bố trí các toolbar một cách có hệ thống và hợp lý Thấy được những tính năng vượt trội của phần mềm SolidWorks mang lại, nhóm nghiên cứu quyết định dùng nó làm công cụ cho việc phác thảo ý tưởng và thiết kế cơ khí cho đề tài

Thống kê số lượng ngõ ra cần dùng để tính toán chọn thiết bị điều khiển

HÌNH 2 7 Thống kê số lượng ngõ ra cần dùng

38

Thống kê số lượng xylanh để chọn mua van Solenoid tương thích

HÌNH 2 8 Thống kê số lượng Xi lanh

2.2.2 Các thiết bị sử dụng trong mô hình

Hình ảnh tổng quan về thiết bị thực tế hiện có của đề tài

HÌNH 2 9 Các thiết bị đã mua

40

- Để phù hợp với yêu cầu cần một bộ điều khiển với độ chính xác cao nhóm nghiên cứu quyết định chọn model CPU: 6ES7214-1AG40-0XB0, có I/O tích hợp: 14 DI 24

V DC; 10 DO 24 V DC; 2 AI 0-10 V DC, nguồn điện: DC 20,4-28,8V DC, Bộ nhớ chương trình / dữ liệu 50 KB

- Với số lượng lớn ngõ Input/Output của đề tài (cần 42 Input Digital, 27 Output Digital), chọn sử dụng 3 CPU 1214C sẽ giúp mở rộng phạm vi thu thập và điều khiển

HÌNH 2 12 Cách đấu nối để sử dụEng PLC

- Đấu nguồn 24VDC vào chân L+, M để cho CPU hoạt động, đồng thời cấp nguồn 24VDC vào chân 3L+, 3M của ngõ ra output, đối với 14 chân DI để nhận được tính hiệu thì đối với loại cảm biến PNP thì ta đấu âm 24VDC vào chân 1M còn ngõ ra tín hiệu của cảm biến ta sẽ đấu vào các chân DI của CPU Ngược lại, đối với loại cảm