Sử dụng mạng profibus xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát ứng dụng WinCC

Trong nền sản xuất hiện đại việc thành lập các hệ thống sản xuất linh hoạt đóng một vai trò hết sức quan trọng. Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) cho phép tự động hóa ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loại nhỏ và hàng loại vừa trên cơ sở sử dụng các máy CNC, các Rôbốt công nghiệp để điều khiển các đối tượng lao động, các đồ gá và các dụng cụ, các hệ thống vận chuyển, tích trữ phôi với mục đích tối ưu hóa quá trình công nghệ và quá trình sản xuất. Đặc điểm của FMS là khả năng điều chỉnh nhanh các thiết bị để chế tạo sản phẩm mới. Như vậy, nó rất thích hợp không chỉ cho sản xuất hàng khối, hàng loại lớn mà còn cho sản xuất hàng loại vừa và hàng loại nhỏ, thậm chí cả sản xuất đơn chiếc. Tuy nhiên phân tích FMS trong điều kiện sản xuất đơn chiếc cho thấy sự không ăn khớp giữa năng suất của FMS và phương pháp chuẩn bị sản xuất bằng tay. Cũng do việc sữ dụng không đồng bộ các hệ thống tự động hóa mà quá trình chuẩn bị sản xuất kéo dài. Sự nối kết các hệ thống tự động riêng lẻ thành một hệ thống duy nhất với sự trợ giúp của mạng máy tính nội bộ cho phép tăng năng suất lao động của các nhà thiết kế, các nhà công nghệ và các nhà tổ chức sản xuất và do đó nâng cáo năng suất và chất lượng sản phẩm. Các hệ thống sản xuất như vậy được gọi là hệ thống sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính. Hiện nay ở nước ta nghiên cứu về FMS mới chỉ được bắt đầu tài liệu về lĩnh vực này bằng tiếng Việt hầu như chưa có. Các hệ thống FMS và mô hình mới chỉ được trang bị ở một số trường ĐH. Trong tương lai các hệ thống này tiếp tục được đầu tư ở nhiều các cơ sở đào tạo khác trên cả nước. Song song với cơ sở hiện đại là việc rất cần có giáo trình giảng dạy.

linh hoạt đóng một vai trò hết sức quan trọng Hệ thống sản xuất linh hoạt(FMS) cho phép tự động hóa ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loại nhỏ

và hàng loại vừa trên cơ sở sử dụng các máy CNC, các Rôbốt côngnghiệp để điều khiển các đối tượng lao động, các đồ gá và các dụng cụ,các hệ thống vận chuyển, tích trữ phôi với mục đích tối ưu hóa quá trìnhcông nghệ và quá trình sản xuất

Đặc điểm của FMS là khả năng điều chỉnh nhanh các thiết bị để chếtạo sản phẩm mới Như vậy, nó rất thích hợp không chỉ cho sản xuất hàngkhối, hàng loại lớn mà còn cho sản xuất hàng loại vừa và hàng loại nhỏ,thậm chí cả sản xuất đơn chiếc

Tuy nhiên phân tích FMS trong điều kiện sản xuất đơn chiếc chothấy sự không ăn khớp giữa năng suất của FMS và phương pháp chuẩn bịsản xuất bằng tay Cũng do việc sữ dụng không đồng bộ các hệ thống tựđộng hóa mà quá trình chuẩn bị sản xuất kéo dài

Sự nối kết các hệ thống tự động riêng lẻ thành một hệ thống duynhất với sự trợ giúp của mạng máy tính nội bộ cho phép tăng năng suấtlao động của các nhà thiết kế, các nhà công nghệ và các nhà tổ chức sảnxuất và do đó nâng cáo năng suất và chất lượng sản phẩm Các hệ thốngsản xuất như vậy được gọi là hệ thống sản xuất tích hợp có sự trợ giúpcủa máy tính

Hiện nay ở nước ta nghiên cứu về FMS mới chỉ được bắt đầu tài liệu

về lĩnh vực này bằng tiếng Việt hầu như chưa có Các hệ thống FMS và

mô hình mới chỉ được trang bị ở một số trường ĐH Trong tương lai các

hệ thống này tiếp tục được đầu tư ở nhiều các cơ sở đào tạo khác trên cảnước Song song với cơ sở hiện đại là việc rất cần có giáo trình giảngdạy

1

và giám sát ứng dụng WinCC” sử dụng bộ PLC S7-300 và PLC S7-200

của siemens liên hệ với nhau qua mạng truyền thông PROFIBUS mà emtrình bày trong đồ án tốt nghiệp này, em hy vọng sẽ đóng góp một phầnnhỏ bé vào quá trình tìm hiểu công nghệ sản xuất

Trong quá trình làm đồ án còn gặp nhiều khó khăn đó là tài liệutham khảo cho vấn đề này đang rất ít và hạn hẹp, nhưng được sự hướng

dẫn của thầy Thái Hữu Nguyên và toàn thể các thầy cô giáo trong khoa

Điện đã hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp.Mặc dù đã rất cố gắng nhưng về thời gian và khả năng của em còn có hạnnên không thể tránh khỏi những sai sót rất mong sự đóng góp ý kiến bổsung của các thầy, cô giáo

Em xin chân thành cảm ơn !

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

1.1 Trạm phân phối gia công

1.1.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm phân phối gia công

Trạm phân phôi vật gia công có chức năng lưu trữ và phân phối phôicho toàn bộ hệ thống Phôi được chứa trong hộp đựng phôi và được đẩyxuống băng tải nhờ Xi lanh đẩy phôi Cảm biến quang điện sẽ phát hiện

sự có mặt của phôi trên băng tải và bật tín hiệu cho băng tải hoạt động, dichuyển phôi đến cuối băng tải Khi phôi đến cuối băng tải nhờ cảm biếnquang đặt trên băng tải phát hiện và sau một thời gian trễ thì tín hiệu gọicánh tay rôbốt hai bậc được bật lên Cánh tay rôbốt sẽ ghắp phôi từ băngtải trạm 1 đặt sang trạm kế tiếp để chuẩn bị cho các quá trình gia côngtiếp theo

Hình 1.1: Trạm phân phối vật gia công

1.1.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:

• Mô hình băng tải : Di chuyển phôi

3

• Cơ cấu cấp phôi : Cung cấp phôi xuống băng tải.

• Phôi với 3 loại khác nhau : Phôi nhựa với 2 màu trắng, đen vàphôi sắt Ngoài ra, có một số phôi bị lỗi được đưa vào để phân biệtvới những phôi trên

• Xy lanh khí : Đẩy phôi xuống Băng tải khi có tín hiệu từ vanđiện

• Van điện : Điều khiển đóng/mở xy lanh khi có tín hiệu yêucầu từ PLC

• Cánh tay Robot : Cánh tay 2 bậc xoay và ghắp phôi sang trạmtiếp theo

• Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, cảmbiến, van điện

• Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222

• Module mở rộng EM 223

• Module truyền thông PROFIBUS EM 277

• Cảm biến quang : Sử dụng loại khuếch tán, phát hiện phôi ở cơ cấucấp phôi va cuối băng tải

• Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc độđộng cơ Băng tải

• Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch và đèn báo

1.2 Trạm kiểm tra sản phẩm

1.2.1 Tìm hiểu về quy trình công nghệ trạm kiểm tra sản phẩm

Khi trạm cấp phôi hoàn thành công đoạn cấp phôi, trạm kiểm tra sảnphẩm có nhiệm vụ kiểm tra phôi bị lỗi hay không (dài quá hoặc ngắn quá

Phôi ngắn 0 0 Phế phẩm ngắn

Phế phẩm sẽ bị đẩy xuống thùng chứa phía dưới Phôi không bị lỗi

sẽ được đẩy xuống băng tải Trên băng tải lắp đặt ba loại cảm biến gồm:Cảm biến quang điện phát hiện tất cả các loại phôi, cảm biến tiệm cậnphát hiện phôi có tính chất từ tính, cảm biến mầu sắc phát hiện nhữngphôi màu trắng Bảng chân lý để nhận biết phôi như sau:

Đặc điểm phôi Cảm biến

quang

Cảm biến tiệm cận

Khi phôi di chuyển qua các cảm biến, nhờ tín hiệu ba cảm biến này

sẽ xác định từng loại phôi và truyền tín hiệu sang trạm Gia công sảnphẩm để gia công theo yêu cầu công nghệ của từng loại phôi

5

Hình 1.2: Trạm kiểm tra sản phẩm.

1.2.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:

• Mô hình băng tải : Di chuyển phôi

• Cơ cấu kiểm tra phôi : Nâng và hạ phôi lên xuống để kiểm traphôi có phải là thành phẩm hay phế phẩm

• Xy lanh khí : Đẩy phôi xuống băng tải hoặc thùng đựng phếphẩm khi có tín hiệu từ van điện

• Van điện : Điều khiển đóng/mở xy lanh khi có tín hiệu yêu cầu

• Module truyền thông PROFIBUS EM 277

• Cảm biến quang : Sử dụng loại khuếch tán, phát hiện phôi ở

phân biệt phôi có bị lỗi hay không.

• Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc độđộng cơ Băng tải

• Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch và đèn báo

1.3 Trạm xử lý gia công phôi

1.3.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm xử lý gia công phôi

Trạm xử lý gia công nhận phôi từ trạm kiểm tra phôi Phôi sau khiđược xác định không bị lỗi sẽ bắt đầu quá trình gia công ở trạm này theoyêu cầu công nghệ của từng loại phôi theo bảng chân lý như sau:

Đặc điểm phôi Khoan lỗ trên bề

mặt Kiểm tra lỗ của phôi

Mâm xoay sẽ xoay từng bước phù hợp với yêu cầu nhờ tín hiệu từcảm biến và động cơ một chiều Hamonic Động cơ khoan sẽ di chuyểnlên xuống nhờ cơ cấu xy lanh Khi phôi dừng tại vị trí khoan, động cơkhoan sẽ được hạ xuống và khoan lỗ, quá trình này thực hiện trong vàigiây sau đó động cơ khoan trở về vị trí ban đầu nhờ xy lanh đẩy lên Tiếptheo, quá trình kiểm tra lỗ vừa khoan nhờ một xy lanh

7

Hình 1.3: Trạm xử lý gia công phôi.

1.3.2 Kết cấu thiết bị bao gồm :

• Cơ cấu mâm xoay 6 vị trí : Di chuyển phôi lần lượt đến các vịtrí gia công

• Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, cảmbiến, động cơ khoan

• Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiểnlập trình

• Module mở rộng EM 223 : Module mở rộng vào/ra số

• Module EM 277 : truyền thông PROFIBUS – DP

• Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc độđộng cơ Băng tải

• Cảm biến tiệm cận : Phát hiện loại phôi có tính chất từ tính

• Cảm biến màu : Phát hiện phôi có màu đen hoặc trắng

• Van điện : Nhận tín hiệu từ PLC để đóng/mở xy lanh.

• Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo

từ trạm gia công phôi chuyển đến trạm lắp ráp sản phẩm

1.4.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:

• Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử

• Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiểnlập trình

9

• Module mở rộng EM 223 : Module mở rộng vào/ra số.

• Module EM 277 : Module truyền thông PROFIBUS – DP

• Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC

• Robot SCARA

• Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo

• Phần mềm điều khiển Robot Scara

1.5 Trạm lắp ráp sản phẩm

1.5.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm lắp ráp sản phẩm

Phôi được chuyển đến trạm lắp ráp sản phẩm nhờ Robot SCARA.Khi phôi được đưa đến đầu băng tải, cảm biến quang sẽ phát hiện, gửi tínhiệu về PLC S7 200 yêu cầu cơ cấu giữ sản phẩm thực hiện nguyên cônggiữ Khi sản phẩm được giữ chắc chắn, cơ cấu lắp ráp sản phẩm sẽ thựchiện Sau khí lắp ráp xong, cơ cấu kẹp vật nhả ra, sản phẩm chạy đến cuốibăng tải, sẵn sàng cho trạm tiếp theo

Hình 1.5 Trạm lắp ráp sản phẩm

biến

• Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222

• Module mở rộng EM 223

• Module truyền thông PROFIBUS EM 277

• Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc

độ động cơ băng tải

• Cảm biến quang : Phát hiện sản phẩm đã có trên băng tải

• Cơ cấu lắp ráp sản phẩm

• Xy lanh khí : Giữ phôi để lắp ráp

• Van điện : Nhận tín hiệu từ PLC để đóng/mở xy lanh

• Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo

1.6 Trạm Robot cánh tay khí nén di chuyển sản phẩm

1.6.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm Robot cánh tay khí nén di chuyển vật

Sau khi sản phẩm được lắp ráp hoàn thiện ở trạm lắp ráp, một tínhiệu sẽ được bật lên để gọi cánh tay khí nén hoạt động, chuyển động sangtrái về phía sản phẩm cần gắp Cánh tay khí nén di chuyển bằng cơ cấukhí nén hành trình được điều khiển chính xác tại vị trí của sản phẩm Saukhi kẹp được sản phẩm, tay khí nén di chuyển sang phải và đặt sản phẩmcho trạm kế tiếp

11

Hình 1.6 Cánh tay khí nén di chuyển vật

1.6.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:

• Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, vanđiện

• Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiểnlập trình

• Module mở rộng EM 223 : Module vào/ra số

• Module EM 277 : Module truyền thông PROFIBUS – DP

• Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và van điện

• Xy lanh khí : Kẹp sản phẩm

• Cánh tay khí nén : Ghắp vật sang trạm tiếp theo

• Van điện : Nhận tín hiệu từ PLC để đóng/mở xy lanh

Sản phẩm lắp ráp hoàn thiện được cánh tay khí nén gắp sang băng tảicủa trạm lưu kho Băng tải di chuyển sản phẩm đến cuối hành trình Trênbăng tải có 3 loại cảm biến để phân loại sản phẩm : Cảm biến tiệm cậnphát hiện sản phẩm từ tính, cảm biến màu sắc phát hiện sản phẩm màutrắng, cảm biến quang phát hiện sản phẩm màu đen Tương ứng với mỗisản phẩm đó, sẽ có tín hiệu gọi Robot lưu kho và lưu vào các hàng tươngứng 1, 2 hoặc 3

Hình 1.7 trạm lưu kho sản phẩm

1.7.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:

• Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, vanđiện, cảm biến, động cơ băng tải

• Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiểnlập trình

• Module mở rộng EM 223 : Module vào/ra số

• Module EM 277 : Module truyền thông PROFIBUS – DP

13

• Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và van điện, động

cơ băng tải

• Robot lưu kho tự động

• Xy lanh khí : Kẹp sản phẩm

• Van điện : Nhận tín hiệu từ PLC để đóng/mở xy lanh

• Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo

1.8 Trạm điều khiển và giám sát trung tâm

1.8.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm điều khiển và giám sát trung tâm

Trạm điều khiển và giám sát sử dụng bộ điều khiển PLC S7 300CPU 313C-2DP và màn hình giám sát HMI – TP 177A Bộ PLC S7 300

sẽ nhận tín hiệu từ 8 bộ PLC S7 200 truyền lên và xuất tín hiệu điềukhiển xuống các trạm thông qua mạng PROFIBUS Đồng thời, màn hìnhHMI – TP 177A sẽ điều khiển và giám sát các biến nhớ, các đầu vào/ra,tín hiệu từ cảm biến hiển thị lên màn hình

15

1.8.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:

• Bộ nguồn PS 2A : Cung cấp nguồn cho PLC S7 300 và mànhình

• TP 177A

• Bộ điều khiển lập trình PLC S7 300 CPU 313C-2DP

• Màn hình giao tiếp HMI – TP 177A

• Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo

Màn hình TP 177A sẽ điều khiển và giám sát các biến của PLC trongcác trạm thông qua mạng PROFIBUS Cho phép hiển thị trạng thái củacác biến, các đầu vào/ra, tín hiệu từ cảm biến về lên màn hình Đồngthời, có thể điều khiển từ màn hình với chức năng đa điểm chạm (TouchPanel).

17

Hình 1.8.4 Màn hình điều khiển TP 177A

1 Rãnh tháo lắp màn hình

2 Màn hình hiển thị và điều khiển với chức năng đa điểm

3 Gờ cạnh ngoài cùng của màn hình

4 Chỗ lắp cơ cấu gá

THIẾT LẬP MẠNG PROFIBUS-DP, XÂY DỰNG LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 2.1 Cấu hình mạng PROFIBUS-DP với phần mềm STEP 7

Các bước lập trình và cấu hình mạng truyền thông lần lượt thực hiệnnhư sau:

Vào START  SIMATIC  SIMATIC Manage để kích hoạt

Hình 3.2: Cách tạo một Project mới

Tiếp theo kích chọn Insert  Station  SIMATIC 300 Station để tạo

một trạm PLC S7 300 trong Project

Hình 3.3: màn hình thiết lập trạm S7 - 300

21

Khi nhấn chọn trạm sẻ xuất hiện biểu tượng Hardware.

Hình 3.4.: Chọn biểu tượng Hardware

Project có tên DOANTOTNGHIEP_FMS_2012 đã được thêm

phần cứng bên trong là một trạm PLC S7 300 Kích đúp trái chuột vào

SIMATIC 300(1) bắt đầu cấu hình phần cứng cho Project.

Cửa sổ HW_config cho phép người lập trình thiết lập cấu hình phần

cứng của toàn bộ hệ thống ngoài thực tế bao gồm trạm chủ PLC S7 300,các trạm tớ PLC S7 200 và chuẩn kết nối trong mạng truyền thông

Trong mục SIMATIC 300 chọn RACK-300, kích và giữ trái chuột vàoRail và thả vào phần trống bên trái

Hình 3.5 : Chọn biệu tượng giá đỡ (Rail)

Ta theo quy tắc để lựa các khay Slot:

Hình 3.6: Giao diện sau khi cài xong phần cứng

Khi ta kéo chọn CPU 313C – 2DP vào Rail, sẽ xuất hiện hộp thoại

Hình 3.7 : Màn hình sau khi đặt CPU vào Slot 2

Tiếp theo chọn New ta làm theo như các hình vẽ sau:

Hình 3.8: Cấu hình mạng Profibus

Hình 3.9: Chọn tốc độ truyền cho mạng Profibus

Nhấn OK để kết thúc thiết lập địa chỉ và tốc độ truyền cho mạngProfibus, ta được kết quả như sau:

25

Hình 4.0: Mạng Profibus được thiết lập

Hình 4.1: Mạng Profibus được thiết lập hoàn chỉnh

Để gán các bộ PLC S7 200 vào mạng và thực hiện quá trình trao đổi

dữ liệu giữa PLC S7 300 ta cấu hình module EM 277 vào mạng như sau:

vào “cable profibus” bên trái.

Hình 4.2: Chọn các Module EM 277

Chọn địa chỉ các module EM 277 cho PLC S7 200 trên các mạng Ta

có cấu hình tất cả các module EM 277 cho tất cả trạm PLC S7 200 nhưsau:

Hình 4.3: Chọn địa chỉ cho PLC S7-200

27

Việc cấu hình ở trên đảm bảo Project vừa tạo ra đã được khai báo đầy

đủ phần cứng và chuẩn truyền thông Để hệ thống hoạt động và kết nốiđược với nhau, trên PLC S7 300 cần lập trình cho việc “truyền và nhận”

dữ liệu mà các trạm PLC S7 200 gửi lên và đợi lệnh Việc lập trình đó đãđược thực hiện ở chương trên

Sau khi lập trình xong 7 trạm, tiến hành download cho trạm MasterPLC S7 300 trước với cấu hình mạng MPI Sau đó, chuyển sang cấu hìnhmạng PROFIBUS và download cấu hình này xuống PLC S7 300 Cácbước tiến hình như sau:

Vào Options  SetPG/PC Interface

Trong cửa sổ tiếp theo chọn chuẩn giao tiếp MPI => PCAdapter(MPI), kích chọn Properties, chọn cổng truyền thông của CableUSB hoặc COM

29

Kích OK kết thúc quá trình chọn chuẩn giao tiếp Sau đó, tiến hành

Download chương trình của PLC S7 300 vào CPU(qua cổngMPI_COM1) Kích vào biểu tượng Download:

Sau khi toàn bộ chương trình của PLC S7 300 đã được Downloadvào CPU của PLC S7 300 qua cổng MPI, tiếp theo để toàn bộ hệ thống

giao tiếp được với nhau qua mạng PROFIBUS, tiến hành chọn chuẩn giao tiếp PROFIBUS Bắt đầu với việc cấu hình trên phần mềm PLC S7

200 như hình sau:

Chọn cổng truyền thông của Cable với máy tính tùy thuộc vào loạiCable sử dụng (USB hoặc COM).

31

Kích OK kết thúc quá trình chọn chuẩn giao tiếp Sau đó, tiến hành

Download chương trình của PLC S7 200 vào CPU qua cổngPROFIBUS_USB

2.1 Chương trình điều khiển trạm Master (PLC S7 300)

2.1.1 Bảng khai báo Symbol

2.1.2 Chương trình điều khiển

33

35

37

39

2.2.1 Trạm phân phối vật gia công

a Lưu đồ thuật toán

41

b Chương trình điều khiển

• Bảng khai báo symbol

• Chương trình chính

43

• Chương trình Profibus

45

• Chương trình tự động

47

• Chương trình tự động bằng tay

49