điều khiển hệ thống pick and place robot 3 trục servo kết hợp camera phân loại sản phẩm

Sự phát triển nhanh chóng của nó gắn liền với khoa học máy tính và công nghệ truyền thông đã tạo ra hàng loạt các dây chuyền sản xuất, thiết bị máy móc hiện đại có những đặc điểm vượt tr

Trang bìa i

Nhiệm vụ đồ án ii

Lịch trình iii

Cam đoan iv

Lời cảm ơn v

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn vi

Nhận xét của giáo viên phản biện vii

Mục lục viii

Liệt kê hình vẽ xi

Liệt kê bảng xiii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

1.4 Giới hạn 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Giới thiệu chung về PLC 4

2.1.1 Tổng quan về PLC 4

2.1.1.1 Định nghĩa 4

2.1.1.2 Cấu tạo 4

2.1.2 Đặc điểm và vai trò của PLC 5

2.1.2.1 Đặc điểm 5

2.1.2.2 Vai trò 6

2.1.3 PLC dòng Q của hãng Mitsubishi 6

2.1.3.1 Dạng module 6

2.1.3.2 Khả năng kết hợp 6

2.1.3.3 Những tính năng chính 7

2.1.3.4 Dãy các sản phẩm 7

2.2 Động cơ Servo và Driver Servo 11

2.2.1 Động cơ Servo 11

2.2.1.1 Khái niệm 11

2.2.1.2 Phân loại 12

2.2.1.3 Chức năng 13

2.2.1.4 Cấu tạo 14

2.2.2 Driver Servo 15

2.3 Encoder 17

2.3.1 Khái niệm 17

2.3.2 Phân loại 18

2.4 Phương pháp điều khiển vị trí động cơ Servo 19

2.4.1 Thiết lập bộ truyền động điện tử 19

2.7 Quét đọc mã vạch (Barcode Sanner) 29

2.7.1 Tổng quan về mã vạch 29

2.7.2 Công nghệ quét đọc mã vạch 30

2.8 Mạng truyền thông Ethernet 32

2.8.1 Tổng quan về mạng Ethernet 32

2.8.2 Đặc điểm của mạng Ethernet 33

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 35

3.1 Yêu cầu hệ thống 35

3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống 35

3.2.1 Phần cơ khí 35

3.2.1.1 Yêu cầu phần cứng 35

3.2.1.2 Sơ đồ khối phần cơ khí 36

3.2.1.3 Bảng vẽ thiết kế và các thông số mô hình 36

3.2.2 Phần điện 38

3.2.2.1 Yêu cầu vận hành 38

3.2.2.2 Thiết kế sơ đồ khối 39

3.2.2.3 Chọn thiết bị và thiết kế mô hình 40

3.2.2.3.1 Trạm PLC 40

3.2.2.3.2 Trạm Driver Servo 47

3.2.2.3.3 Động cơ Servo 49

3.2.2.3.4 Camera quét đọc mã vạch 49

3.2.2.3.5 Trạm HMI 51

3.2.2.3.6 Cảm biến 52

3.2.2.3.7 Cáp kết nối 55

3.2.2.3.8 Các thiết bị và phụ kiện khác 60

3.2.2.4 Thiết kế mạch điều khiển 62

3.2.2.5 Sơ đồ kết nối tín hiệu I/O 63

3.2.2.6 Mạch kết nối mạng truyền thông SSCNET III 64

3.2.2.7 Mạch kết nối mạng truyền thông Ethernet 65

3.3 Thi công hệ thống 66

3.3.1 Phần cơ khí 66

3.3.1.1 Các trục X, Y, Z và tay gắp 66

3.3.1.2 Băng tải và máng trượt sản phẩm 67

3.3.1.3 Phần bệ đỡ và khung giá 68

3.3.1.4 Phần tủ điện và bánh xe nâng 68

3.3.1.5 Dựng kết hợp các phần cơ khí của mô hình 69

3.3.2 Phần điện 70

3.3.2.1 Thi công lắp đặt tủ điện 70

3.3.2.2 Thi công kết nối điện với các thiết bị khác bên ngoài tủ điện 72

CHƯƠNG 4 GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 73

4.1 Mô tả hệ thống 73

4.2 Mô tả hoạt động của mô hình và giải thuật 73

4.2.1 Mô tả hoạt động của mô hình 73

4.2.2.1 Giải thuật xử lí thông tin từ hình ảnh của vật 74

4.2.2.2 Giải thuật chạy nội suy 76

4.2.3 Lưu đồ giải thuật 77

4.3 Phần mềm cài đặt chương trình hệ thống 80

4.3.1 Phần mềm GX Works 2 80

4.3.2 Phần mềm Cognex In-Sight Explorer 86

4.3.3 Chương trình giao diện HMI 92

4.3.3.1 Phần mềm thiết kế giao diện HMI 92

4.3.3.1 Cài đặt cho HMI 94

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 95

5.1 Kết quả 95

5.2 Nhận xét và đánh giá 95

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 97

6.1 Kết luận 97

6.2 Hướng phát triển 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

PHU LỤC 100

Hình Trang

Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của hệ thống PLC 5

Hình 2.2: Các động cơ Servo 12

Hình 2.3: Các Series động cơ AC Servo Mitsubishi 13

Hình 2.4: Cấu tạo động cơ Servo 14

Hình 2.5: Driver Servo 15

Hình 2.6: Encoder mới được dùng trong công nghiệp 17

Hình 2.7: Đĩa Encoder 18

Hình 2.8: Đĩa Encoder tuyệt đối 18

Hình 2.9: Đĩa Encoder tương đối 19

Hình 2.10: Minh họa chiều quay của động cơ 21

Hình 2.11: Giới hạn hành trình cho cơ cấu 22

Hình 2.12: Về Home cho hệ thống 22

Hình 2.13: Sơ đồ khối hệ thống vị trí tuyệt đối 23

Hình 2.14: Sơ đồ nối dây CN1B trong chế độ vị trí tuyệt đối 23

Hình 2.15: Lắp đặt pin cho Driver MR-J2S-10A 24

Hình 2.16: Cài đặt chế độ tuyệt đối 24

Hình 2.17: Giao thức truyền vị dữ liệu vị trí tuyệt đối 25

Hình 2.18: Cách thức truyền dữ liệu vị trí tuyệt đối 26

Hình 2.19: Màn hình HMI WEITEK MT8071IP 26

Hình 2.20: Cảm biến tiện cận Azbil APM-D3B1 27

Hình 2.21: Transistor trong cảm biến công nghiệp loại NPN và PNP 28

Hình 2.22: Kết nối dây với cảm biến công nghiệp loại NPN và PNP 29

Hình 2.23: Một số loại mã vạch 30

Hình 2.24: Một số công nghệ quét đọc mã vạch 30

Hình 2.25: Camera Cognex In-Sight 5000 32

Hình 2.26: Mô hình mạng Ethernet 33

Hình 2.27: Ethernet công nghiệp 34

Hình 3.1:Bản vẽ thiết kế hộp trượt trục X 37

Hình 3.2: Bản vẽ thiết kế hộp trượt trục Y 37

Hình 3.3: Bản vẽ thiết kế hộp trượt trục Z 38

Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ thống 39

Hình 3.5: Sơ đồ các chân của QX41 44

Hình 3.6: Sơ đồ các chân của QY41P 46

Hình 3.7: Bản vẽ thiết kế trạm CPU 46

Hình 3.8: Bản vẽ trạm Driver Servo 48

Hình 3.9: Camera Cognex In-Sight 5110 49

Hình 3.10: HMI Weintek MT8071P 51

Hình 3.11: Bản vẽ trạm HMI 52

Hình 3.12: Bộ khuếch đại và sơ đồ ngõ ra của LV-21A 53

Hình 3.13: Cách lắp cố định bộ khuếch đại của cảm biến 53

Hình 3.13: Đầu cảm biến LV-H35 54

Hình 3.16: Cách cài khoảng cách xác định vật 55

Hình 3.17: Cáp MR-J3BUS1M 56

Hình 3.18: Cáp MR-J3BUS1M 56

Hình 3.19: Chuẩn kết nối Ethernet RJ-45 57

Hình 3.20: Cáp kết nối Ethernet 57

Hình 3.21: Các cáp kết nối của camera Cognex In-Sight 5110 58

Hình 3.22: Kiểu dáng cáp encoder và 2 đầu connector 59

Hình 3.23: Kiểu dáng Power supply cable với đầu connector 60

Hình 3.24: Switch Tenda S108 8-Port 60

Hình 3.25: Nút nhấn E-Stop KACON 61

Hình 3.26: Xích nhựa 61

Hình 3.27: Nguồn tổ ong 24V DC 62

Hình 3.28: Mạch kết nối động cơ Servo trong mô hình 62

Hình 3.29: Sơ đồ kết nối với Input Module QX41 và Output Module QY 41P 63

Hình 3.30: Mạch kết nối mạng truyền thông SSCNET III 64

Hình 3.31: Mạch kết nối mạng truyền thông Ethernet 65

Hình 3.32: Lắp các trục X, Y, Z và tay gắp 66

Hình 3.33: Lắp băng tải và thi công máng trượt sản phẩm 67

Hình 3.34: Lắp phần bệ đỡ và khung giá 68

Hình 3.35: Lắp phần tủ điện và bánh xe nâng 68

Hình 3.36: Hoàn thành mô hình cơ khí 69

Hình 3.37: Thi công bảng điện trong tủ điện 70

Hình 3.38: Thi công lắp đặt các thiết bị trong tủ điện 71

Hình 3.39: Hoàn thành lắp đặt tủ điện 72

Hình 3.40: Thi công kết nối điện với các thiết bị khác bên ngoài tủ điện 72

Hình 4.1: Mô tả giải thuật chạy nội suy tuyến tính 3 trục 76

Hình 4.2: Mô tả giải thuật chạy nội suy vòng cung hai trục 77

Hình 4.3: Lưu đồ điều khiển chính của hệ thống 78

Hình 4.4: Lưu đồ các chương trình con 79

Hình 4.5: Giao diện phần mềm Cognex In-Sight Explorer 87

Hình 4.6: Các màn hình giao diện giới thiệu hệ thống 92

Hình 4.7: Màn hình giao diện chạy chế độ bằng tay 93

Hình 4.8: Màn hình giao diện chạy theo chế độ làm việc 93

Hình 4.9: Cài đặt IP cho HMI Weintek MT8071IP 94

Bảng Trang

Bảng 2.1: Các kí hiệu của PLC dòng Q series 7

Bảng 2.2: Các loại thiết bị CPU hiện có……… 8

Bảng 2.3: Các module CPU dòng Q……… 9

Bảng 2.4: Các module nguồn cung cấp dòng Q 9

Bảng 2.5: Các module ngõ vào dòng Q 10

Bảng 2.6: Các module ngõ ra dòng Q 10

Bảng 2.7: Nguyên lý phát xung điều khiển động cơ Servo 20

Bảng 3.1: Các module có trong trạm PLC 40

Bảng 3.2: Thông số Base unit Q38B 40

Bảng 3.3: Thông số Power Supply Q61P 40

Bảng 3.4: Thông số CPU Q03UDE 41

Bảng 3.5: Thông số Positioning Module QD75MH4 41

Bảng 3.6: Thông số của QX41 44

Bảng 3.7: Thông số của QY41P 45

Bảng 3.8: Thông số Servo Driver MR J3-10B 47

Bảng 3.9: Thông số Servo Driver MR J4-20B 47

Bảng 3.10: Thông số các động cơ Servo sử dụng trong mô hình 49

Bảng 3.11: Thông số kỹ thuật In-Sight 5110 COGNEX 50

Bảng 3.12: Thông số kỹ thuật màn hình HMI Weintek MT8071IP 51

Bảng 3.13: Các cảm biến sử dụng trong mô hình 52

Bảng 3.14: Mô tả các chân ra của cáp Ethernet kết nối camera In-Sight 5110 58

Bảng 3.15: Mô tả các chân ra của cáp Breakout kết nối camera In-Sight 5110 59

Bảng 4.1: Mô tả các bước cài đặt trong phần mềm Cognex In-Sight Explorer 87

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong thời đại công nghệ 4.0 ngày nay, với sự ứng dụng và phát triển của khoa học công nghệ, thế giới đã có những chuyển biến rõ rệt và ngày càng tiên tiến hiện đại hơn Cùng với đó, công nghệ điều khiển và tự động hóa đã không còn xa lạ đối với hầu hết các ngành công nghiệp Sự phát triển nhanh chóng của nó gắn liền với khoa học máy tính và công nghệ truyền thông đã tạo ra hàng loạt các dây chuyền sản xuất, thiết bị máy móc hiện đại có những đặc điểm vượt trội với sự chính xác tuyệt đối, tốc độ đáp ứng nhanh chóng, hiệu quả, giải quyết được hầu hết các nhu cầu công việc phức tạp với sự điều khiển – vận hành một cách đơn giản, dễ dàng đã và đang ứng dụng rộng rãi trong nền công nghiệp hiện đại

Chính vì vậy, việc học tập, nghiên cứu những ứng dụng của ngành công nghệ điều khiển và tự động hóa là một yêu cầu cần thiết và có tác dụng to lớn đối với các kĩ sư kĩ thuật Mà một trong số những thành tựu trong lĩnh vực điều khiển tự động đó chính là robot và ứng dụng công nghệ xử lí hình ảnh kết hợp với bộ điều khiển lập trình PLC vào sản xuất

Mà thực tế cho thấy rằng, trong một hệ thống sản xuất, đối với những công việc không những phải nâng hạ, di chuyển một khối lượng lớn, rất nhiều sản phẩm, hàng hóa Mà nó còn đòi hỏi cần phải kiểm tra lỗi, kiểm tra kí tự, đọc và giải mã các loại mã vạch trong quá trình kiểm tra tổng thể, xác định hướng, vị trí, hình dạng sản phẩm, hàng hóa, linh kiện, bộ phận để phân loại và sắp xếp đúng địa điểm,… Với những vấn đề đó thì những hoạt động thủ công của con người gần như không thể hoặc rất tốn thời gian

và chi phí thì mới thực hiện được Nhưng với công nghệ tiên tiến hiện nay, điều đó có thể thực hiện một cách dễ dàng, nhanh chóng và đem lại hiệu quả tốt nhất về kinh tế Xuất phát từ nhu cầu muốn tìm hiểu về các thiết bị, cách thức điều khiển thiết bị cũng như muốn xây dựng một mô hình điều khiển về robot nâng hạ, di chuyển và phân loại, sắp xếp sản phẩm, hàng hóa trong sản xuất nên nhóm quyết định lựa chọn đề tài “ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PICK AND PLACE ROBOT 3 TRỤC SERVO KẾT HỢP CAMERA PHÂN LOẠI SẢN PHẨM”

1.2 MỤC TIÊU

Giao tiếp được các thiết bị của mô hình với nhau thông qua mạng truyền thông SSCNET III và Ethernet, bao gồm: Q03UDECPU; QD75MH4; QX41; QY41P; Driver Servo: MR-J3-10B, MR-J4-20B; các Servo Motor: HF-KP23G1, HF-KP23G7, HF-KP053, HG-KR13; các cảm biến (Sensor); các thiết bị ngoại vi như màn hình HMI Weitek MT8071IP và Camera Scanner Cognex 5110

Điều khiển chính xác vị trí các trục và vận hành đúng yêu cầu

Xây dựng được mô hình điều khiển và giám sát thực tế cho các trục của mô hình nhằm vận chuyển sản phẩm qua băng tải, đọc mã vạch sản phẩm bằng Camera Scanner

để phân loại và gắp chính xác vị trí rồi di chuyển bằng hệ thống các trục X, Y, Z đến đúng vị trí máng để sản phẩm

Điều khiển và giám sát được mô hình thông qua màn hình trên HMI

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Với mục tiêu đã đề ra như trên, đồ án tốt nghiệp được nhóm xây dựng với bố cục như sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, bố cục đồ án và các giới hạn thông số

Chương 2: Cơ sở lí thuyết

Trình bày cơ sở lý thuyết về PLC nói chung và kiến thức về PLC dòng Q của hãng Mitsubishi nói riêng; động cơ Servo, AC Servo và phương pháp điều khiển cùng với Driver Servo và Encoder; màn hình HMI; cảm biến; công nghệ mã vạch và mạng truyền thông SSCNET III, Ethernet

Chương 3: Tính toán, thiết kế và thi công mô hình

Chương này nói về cách tính toán và bố trí các thiết bị trong mô hình cho phù hợp với yêu cầu hệ thống đã đặt ra Mô tả cách thức hoạt động của mô hình và sự liên kết giữa các thiết bị với nhau Dựa vào cơ sở đã tính toán lựa chọn thiết bị cho mô hình Mô

tả quá trình thi công mô hình từ khâu cơ khí, lắp ráp và kết nối các thiết bị với nhau Kiểm tra độ an toàn về điện, tránh ảnh hưởng tới con người và thiết bị Sau đó là các bước cài đặt, viết chương trình để có được một mô hình hoạt động đúng với yêu cầu ban đầu

Chương 4: Giải thuật và chương trình điều khiển

Mô tả hệ thống và giải thuật điều khiển, trình bày lưu đồ giải thuật Các phần mềm

và các bước tạo nên chương trình cho hệ thống

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Trình bày kết quả của quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài Đồng thời, cũng trình bày các lỗi đã gặp trong quá trình làm đồ án và hướng giải quyết, cũng như hạn chế của quá trình nghiên cứu để từ đó có những đánh giá và rút ra những bài học kinh nghiệm áp dụng trong tương lai

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Kết luận sau khi hoàn thành mô hình Nêu ra những ưu, nhược điểm của mô hình

và hướng phát triển của nó trong tương lai

1.4 GIỚI HẠN

Đề tài chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu thử nghiệm, thực hiện và xây dựng trên mô hình có kích thước nhỏ so với thực tế, vận hành với các yêu cầu điều khiển đơn giản đã đặt ra

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC

2.1.1 Tổng quan về PLC

2.1.1.1 Định nghĩa

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển logic khả trình thuộc loại điều khiển bán dẫn tự động theo chương trình người dùng PLC sử dụng bộ nhớ khả trình để lưu trữ chương trình và thực hiện yêu cầu điều khiển PLC có thể coi là một máy tính được thiết kế hoạt động tin cậy trong môi trường công nghiệp

2.1.1.2 Cấu tạo

Bộ xử lý (CPU: Central Processing Unit )

 Để đáp ứng được yêu cầu đã nêu thì PLC cần phải có CPU như một máy tính thực thụ CPU được xem là bộ não của PLC, nó quyết định tốc độ xử lý cũng như khả năng điều khiển chuyên biệt của PLC

 CPU là nơi đọc tín hiệu ngõ vào từ khối vào, xử lý và xuất tín hiệu tới khối

ra CPU còn chứa các khối chứa năng phổ biến như Counter, Timer, lệnh toán học, chuyển đổi dữ liệu… và các hàm chuyên dụng

Khối vào (Module Input): Có hai loại ngõ vào là ngõ vào số DI (Digital Input) và ngõ vào tương tự AI (Analog Input)

 Ngõ vào DI kết nối với các thiết bị tạo ra tín hiệu dạng nhị phân như: công tắc, nút nhấn, công tắc hành trình, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận,…

 Ngõ vào AI kết nối với các thiết bị tạo ra tín hiệu liên tục như: các loại cảm biến nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, độ ẩm,… Khi kết nối cần chú ý đến sự tương thích giữa tín hiệu ngõ ra cảm biến với tín hiệu vào mà module AI có thể đọc được Mỗi module AI sẽ có khả năng đọc tín hiệu tương tự khác nhau: đọc dòng điện, điện áp, tổng trở,… Một thông số quan trọng khác của các module AI là độ phân giải, thông số này cho biết độ chính xác khi thực hiện chuyển đổi ADC

Khối ra (Module Output): Có 2 loại ngõ ra là ngõ ra số DO (Digital Output) và ngõ ra tương tự AO (Analog Output)

 Ngõ ra DO kết nối với các cơ cấu chấp hành điều khiển theo quy tắc On/Off như: đèn báo, chuông, van điện, động cơ không điều khiển tốc độ,…

 Ngõ ra AO kết nối với các cơ cấu chấp hành cần tín hiệu điều khiển liên tục: biến tần, van tuyến tính,…

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống PLC

2.1.2 Đặc điểm và vai trò của PLC

 Tiết kiệm thời gian nối dây, mạch điều khiển lúc này đã được thay thế hoàn toàn bằng chương trình PLC

 Cấu trúc dạng Module giúp PLC có tính năng mềm dẻo, không bị cứng hóa về phần cứng Người dùng dễ dàng lựa chọn những module nào cần thiết với yêu cầu điều khiển hiện tại giúp tiết kiệm chi phí Cấu trúc dạng module của PLC giúp việc mở rộng quy mô điều khiển đơn giản, tiết kiệm, không cần phải trang bị CPU mới Tuy nhiên khi mở rộng cần chú ý tới khả năng kết nối tối đa của CPU

 Khả năng truyền thông, nối mạng với máy tính hay với PLC khác Khả

 Hoạt động với độ tin cậy cao, tuổi thọ cao, chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp

Nhược điểm

 Phạm vi ứng dụng hạn chế do giá thành cao nên không đáp ứng các yêu cầu điều khiển đơn giản Với những yêu cầu này thì bộ điều khiển tiếp điểm sẽ hiệu quả kinh tế hơn

 Yêu cầu người lắp đặt ban đầu, lập trình phải có hiểu biết chuyên môn về PLC

2.1.2.2 Vai trò

Với những ưu nhược điểm như đã nêu trên, PLC thể hiện ưu điểm vượt trội và hiện nay đã thay thế hệ thống điều khiển tiếp điểm truyền thống trong các nhà máy, dây chuyền công nghệ Việc thay thế này giúp hệ thống hoạt động tin cậy và hiệu quả hơn, tiết kiệm nhân công và tránh những thao tác sai của người vận hành

2.1.3 PLC dòng Q của hãng Mitsubishi

2.1.3.1 Dạng module

Phát triển lên từ dòng sản phẩm trước đó - họ AnSH, họ Q PLC Mitsubishi cho phép người dùng phối hợp và lựa chọn sự kết hợp tốt nhất giữa CPU, công cụ truyền tin, module điều khiển chuyên biệt và I/O trên cùng một nền tảng Điều này cho phép người dùng cấu hình hệ thống theo những gì mình cần, khi nào mình cần, nơi mình cần triển khai

2.1.3.2 Khả năng kết hợp

Có thể phối hợp PLC CPU (cơ bản & nâng cao), Motion CPU, Process Controllers và ngay cả PC vào trong một hệ thống duy nhất lên đến 4 CPU khác nhau Điều này tạo cho người sử dụng sự chọn lựa hướng điều khiển, ngôn ngữ lập trình – tất

cả cùng chung trên một nền tảng duy nhất

Linh động và phân cấp là đặc tính thiết kế chủ chốt làm cho dòng Q thực sự là một nền tảng tự động hóa duy nhất Người dùng có thể sử dụng trong điều khiển đơn giản các loại máy móc riêng lẻ hoặc quản lý toàn bộ thiết bị tất cả cùng trên một nền tảng phần cứng

2.1.3.3 Những tính năng chính

- Tốc độ xử lý lên đến 34ns/LD

- Bộ A/D-D/A có độ chính xác cao, ứng dụng điều khiển nhiệt độ, điều khiển vị trí

- Ngõ vào CIP (Chanel Isolated Pulse), tích hợp bộ đếm xung tốc độ cao

- Điều khiển tiến trình, lập trình online

- Hỗ trợ hoàn toàn trong các ứng dụng phần mềm MELSOFT

- Khả năng mở rộng đến 4096 I/O (max 8192 I/O )

- Bước lập trình đến 252K steps

2.1.3.4 Dãy các sản phẩm

Bảng 2.1: Các kí hiệu của PLC dòng Q series

QnUCPU Các tính năng, phương pháp, và thiết

bị cho lập trình

Mã CPU ứng dụng tổng quát

QCPU Thông tin cho cấu hình hệ thống đa

CPU (cấu hình hệ thống, thông số I/O, liên kết thiết bị vào/ra và tính năng thiết bị thông minh)

Mẫu QCPU cơ bản/ hiệu năng cao/ điều khiển qui trình/ ứng dụng tổng quan QnPRHCPU Cấu hình hệ thống dự phòng, tính

năng, kết nối với các thiết bị bên ngoài

Bảng 2.2: Các loại thiết bị CPU hiện có

CPU thiết bị Tên gọi chung cho mấu QCPU cơ bản, QCPU hiệu năng cao,

CPU tiến trình, CPU dự phòng và QCPU ứng dụng tổng quát

Mẫu QCPU cơ

bản

Tên gọi chung cho Q00JCPU, Q00CPU, và Q01CPU

Mẫu QCPU hiệu

năng cao

Tên gọi chung cho Q02CPU, Q02HCPU, Q06HCPU, Q12HCPU,

và Q25HCPU CPU điều khiển

Bảng 2.4 Các module nguồn cung cấp dòng Q:

QX82 QX82-S1

*1: thông số kỹ thuật ngõ vào cho các module tích hợp I/O

Transistor

12 đến 24VDC (Sink)

Transistor

12 đến 24VDC (Sink/source)

Transistor

5 đến 12VDC (Sink)

Transistor

12 đến 24VDC (Source)

*2

*2

*2: Thông số kỹ thuật ngõ ra cho các module tích hợp I/O

2.2 ĐỘNG CƠ SERVO VÀ DRIVER SERVO

2.2.1 Động cơ Servo

2.2.1.1 Khái niệm

Servo là thiết bị chuyên dụng có thể chưa bao giờ nhìn thấy trong cuộc sống hàng ngày Từ “Servo” có nguồn gốc từ chữ Latinh “servus” Từ “servus” có nghĩa là tuân thủ các lệnh một cách trung thực và làm việc nhanh chóng, chính xác Tương tự như vậy, Servo là một thiết bị thực hiện công việc một cách chính xác theo các lệnh điều khiển Các Servo được sử dụng để khởi động và ngừng hoạt động ở các vị trí chính xác, thay đổi tốc độ cực kì nhanh và điều chỉnh tốc độ phù hợp với các điều kiện

Động cơ servo nói chung là loại động cơ sử dụng khả năng hồi tiếp tín hiệu từ encoder về driver điều khiển để điều chỉnh tốc độ, moment, vị trí của động cơ hay các kết cấu cơ khí đi kèm đạt được như mong muốn Khi có vật cản hoặc những tác động làm hãm trục động cơ, hệ thống hồi tiếp sẽ giúp động cơ tự điều chỉnh cho lực moment, tốc độ, hay quán tính cho phù hợp với tải đang mang Ngoài ra động cơ servo luôn có

xu hướng giữ vị trí hiện tại khi không có tín hiệu điều khiển, chính vì thế khi có một ngoại vi tác động làm thay đổi vị trí của động cơ hay kết cấu cơ khí liên kết với trục động cơ thì servo sẽ tự trở về vị trí trước khi bị sai lệch

Hình 2.2 Các động cơ Servo

2.2.1.2 Phân loại

Động cơ Servo thông thường sẽ được phân ra làm hai loại chính đó là: động cơ

AC Servo và động cơ DC Servo

Động cơ DC servo: nguồn cấp cho động cơ là nguồn một chiều DC servo sử dụng chổi than bên trong động cơ chính vì thế việc thay thế chổi than là cần thiết khi sử dung thời gian dài, do đó việc sử dụng DC servo cần có sử bảo trì định kì DC servo thường có thế mạnh về điều khiển tốc độ với khả năng duy trì tốc độ cao một cách cực

kì ổn định kiểm soát bởi bộ điều khiển PWM tích hợp Moment xoắn của động cơ được điều khiển độc lập bởi một dòng điện điều khiển cho phép duy trì tính nhất quán trong khi hoạt động Vì những lí do đó, việc điều khiển DC servo tướng đối dễ dàng hơn AC servo

Động cơ AC servo: có cấu tạo gần khá giống với brushless motor, do không có chổi than việc bảo trì động cơ AC servo là ít cần thiết hơn so với DC servo Hệ thống encoder hồi tiếp giúp điều khiển và cảnh bảo vị trí của roto để trình tự dòng điện cấp qua các cuộn dây một cách chính xác Sự liên kết và phản hồi được sử dụng trong các động cơ AC servo phải được hoạt động đúng với bô điều khiển hay bộ khuếch đại Quán tính trên roto rất thấp so với DC servo, hệ thống điều khiển tinh vi, cường độ dòng, tần

số và các pha của stato được driver điều khiển phối hợp để đạt được vị trí mong muốn Tốc độ quay của AC servo có thể đạt đến 6000 vòng/phút hoặc cao hơn ở những servo chuyên dụng

Đối với hãng Mitsubishi, động cơ AC Servo của hãng sẽ phân theo ứng dụng của động cơ và sẽ được phân biệt dựa vào Series động cơ:

 Động cơ quán tính trung bình (Series HF): Độ chính xác của máy quán tính cao sẽ được đảm bảo Thích hợp cho các máy yêu cầu tăng tốc nhanh chóng

 Động cơ quán tính thấp (Series HF-KP): Phù hợp với một trục phụ trợ đòi hỏi phải định vị tốc độ cao

 Động cơ servo tuyến tính (Series LM-F): Có thể sử dụng trong môi trường sạch sẽ bởi không sử dụng bất cứ vít me bi nào và do đó nhiễm bẩn từ dầu mỡ không phải là vấn đề

 Động cơ servo dẫn động trực tiếp (Series TM-RB): Động cơ kết hợp dẫn động trực tiếp với mô-men xoắn cao với hệ thống điều khiển có độ lợi cao sẽ mang lại khả năng tăng tốc và định vị nhanh chóng, giúp máy quay mượt mà hơn

Động cơ quán tính trung bình

(Series HF)

Động cơ quán tính thấp (Series HF-KP)

Động cơ servo tuyến tính (Series LM-F)

Động cơ servo dẫn động trực tiếp

(Series TM-RB) Hình 2.3 Các Series động cơ AC Servo Mitsubishi

2.2.1.3 Chức năng của AC Servo

AC Servo có khả năng thực hiện ba loại điều khiển: điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ, điều khiển momen

 Điều khiển vị trí: AC Servo có khả năng điều khiển vị trí chính xác đến từng micromet mà mắt người không thể phát hiện được Ví dụ: điều khiển vị trí

 Điều khiền tốc độ: điều khiển tốc độ được sử dụng cho các thiết bị được biết đến như máy xi mạ quay được sử dụng để sản xuất mạch bán dẫn,…

 Điều khiển momen: momen là lực dùng để xoay các trục được sử dụng như máy in công nghiệp

2.2.1.4 Cấu tạo của động cơ Servo

Hình 2.4 Cấu tạo động cơ Servo Động cơ Servo xoay chủ yếu được cấu tạo với một Stator, Rotor và bộ mã hóa Stator là bệ động cơ, dây quấn được quấn quanh lõi để cung cấp lực cần thiết để xoay rotor Rotor là trục quay với các nam châm vĩnh cửu Bộ mã hóa được cấu tạo để dò vị trí tuyệt đối có thể đọc được vị trí hiện tại của động cơ

Động cơ Servo tương thích với điều khiển Nano, rất thích hợp cho nhiều loại máy

AC Servo chủ yếu được cấu hình với hai thiết bị chính: bộ khuếch đại Servo (Driver Servo) và động cơ Servo (thiết bị dò và dẫn động) Tuy nhiên, AC Servo không thể hoạt chỉ với bộ khuếch đại Servo và động cơ Servo Hệ thống cần một bộ điều khiển

để phát đi các lệnh điều khiển Bộ điều khiển gửi các lệnh tới bộ khuếch đại Servo, sau khi nhận được lệnh, bộ khuếch đại Servo sẽ truyền lệnh này tới động cơ Servo Sau đó động cơ Servo sẽ phát ra lực dẫn động theo lệnh đó Động cơ Servo cũng được trang bị

bộ mã hóa có chức năng như máy dò để dò vị trí hiện tại và chuyển thông tin này tới bộ khuếch đại Servo Bộ khuếch đại Servo sẽ so sánh giá trị của lệnh với giá trị hiện tại như

bộ mã hóa đã đọc được và sau đó đưa ra một lệnh sửa đổi để giảm tối thiểu mức chênh lệch Quá trình này gọi là điều khiển hồi tiếp

2.2.2 Driver Servo

Hình 2.5 Driver Servo Driver Servo là một bộ khuếch đại điện tử đặc biệt được sử dụng để theo dõi tín hiệu phản hồi từ cơ chế Servo và liên tục điều chỉnh độ lệch từ các hành vi dự kiến Drive Servo nhận được tín hiệu lệnh từ một hệ thống điều khiển, khuếch đại tín hiệu và truyền dòng điện cho một động cơ Servo để tạo ra chuyển động tỉ lệ thuận với tín hiệu lệnh Thông thường, tín hiệu lệnh đại diện cho một vận tốc mong muốn, nhưng cũng có thể biểu diễn một momen hoặc vị trí mong muốn Một cảm biến gắn vào động cơ Servo báo cáo tình trạng thực tế của động cơ quay trở lại bộ khuếch đại Động cơ Servo sau

đó so sánh trạng thái động cơ thực tế với trạng thái động cơ được chỉ định Sau đó, thay đổi tần số, điện áp hoặc độ rộng xung tới động cơ để sửa lỗi cho bất kỳ độ lệch nào từ trạng thái lệnh

Trong một hệ thống điều khiển được cấu hình đúng cách, động cơ Servo quay với vận tốc rất gần với tín hiệu vận tốc mà động cơ Servo nhận được từ hệ thống điều khiển Một số tham số, chẳng hạn như độ cứng (còn được gọi là tỷ lệ thuận lợi), giảm chấn (còn gọi là đạt được phái sinh) có thể được điều chỉnh để đạt được hiệu suất mong muốn

Mặc dù có nhiều động cơ Servo đòi hỏi một Drive cụ thể cho thương hiệu động cơ hoặc kiểu động cơ cụ thể; Tuy nhiên, nhiều Drive hiện nay có thể tương thích với một loạt các động cơ khác nhau

Dòng Servo thế hệ mới MR-J3 với công nghệ đứng đầu thế giới, như một kiệt tác về công nghệ điều khiển Servo Tính năng chống rung chuyên dụng cho máy móc

và autotuning thời gian thực làm cho việc chuyển động đạt được độ chính xác cao nhất, thời gian đáp ứng nhanh và dễ dàng lắp đặt Servo MR-J3 có kích thước giảm khoảng 40% so với dòng Servo MR-J2S thế hệ trước

Để đáp ứng nhu cầu và ứng dụng điều khiển, Servo MR-J3 có 2 dạng:

 Dòng MR-J3-A phù hợp cho những tác vụ điều khiển thông thường về vận tốc, momen xoắn và vị trí

 Dòng MR-J3-B chuyên dùng cho các hệ điều khiển kín tổng thể, hệ nhiều trục chuyển động nội suy và đặc biệt là hệ mạng điều khiển Servo với đường truyền cable quang (fiber)

Các đơn vị cấu hình (Plug & Play) để điều khiển chuyển động của Mitsubishi Electric và hệ thống kiểm soát vị trí, mà chúng được kết nối thông qua mạng tốc độ cao SSCNET III, trong đó có một chu kỳ thời gian 0,44 phần nghìn giây Các MR-J3 với đầu ra từ 50W đến 7kW

Những tính năng chính:

 Điều khiển tốc độ cao cho lần định vị siêu ngắn; trung bình tốc độ phản ứng tần số 900Hz

 Độ phân giải cao cho tính mã hóa tốc độ tối đa

 Autotuning cho các thiết lập , nhanh và chính xác

 Tối ưu chi phí / lợi ích tỷ lệ

 Vị trí tuyệt đối bao gồm bộ mã hóa như trang bị tiêu chuẩn

 Hỗ trợ các tiêu chuẩn toàn cầu

Bên cạnh đó, trong điều khiển chuyển động, tốc độ là cần thiết để có được năng suất máy tối đa Dòng Servo MR-J4 với thời gian tần số đáp ứng 2500Hz giúp giảm thời gian cài đặt thấp hơn 2 milli-giây (msec) nhằm làm tăng tối đa hiệu năng, công suất của máy và sản lượng cho người chế tạo máy cũng như người sử dụng cuối

MR-J4 đem đến những đặc điểm tính năng với độ an toàn vận hành cao Kiến trúc dạng module cung cấp đầu vào STO (Safe Torque Off) 2 kênh dự phòng như tiêu chuẩn trên tất cả các MR-J4 amplifier, và một module tùy chọn cung cấp đầu vào SS1 (Safe Stop) đi đôi với EN61800-5-2 Cấu hình hệ thống cũng hỗ trợ yêu cầu an toàn SIL2 (EN62061) và PLd (EN13849-1) Đối với các hệ thống tiên tiến hơn đòi hỏi mức

hỗ trợ an toàn cao nhất cho các chức năng an toàn theo tiêu chuẩn TUV như SS2, SOS, SLS, SBC và SSM, MR-J4B sử dụng các amplifier và bộ điều khiển chuyển động với các modun an toàn Sự linh hoạt này cho phép người sử dụng giảm chi phí bằng cách điều chỉnh cấu hình hệ thống của họ để đáp ứng những đòi hỏi an toàn cần thiết đối với các ứng dụng mục tiêu

Bên cạnh các model MR-J4A (kiểu analog/pulse train) và MR-J4B (SSCNET III/H mạng lưới chuyển động), MR-J4 series còn có 2 phiên bản cho các bộ khuyếch đại thuật toán 2 và 3 trục Với một giải pháp nhỏ gọn và hiệu quả hơn, là phương án tiết kiệm không chỉ tiền bạc của nhà chế tạo máy, giảm thiểu khí thải CO2 ra môi trường,

mà còn giảm thiểu không gian cabin và bảng điều khiển

Họ servo MR-J4 cũng giúp tiết kiệm chi phí với tốc độ bus nhanh hơn gấp 3 lần thông qua SSCNET III/H (Mạng Serial từ Servo tới chuyển động) Và MR-J4 servo cần ít kết nối hơn và ít kết nối dây hơn đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng do năng lượng có thể tái sử dụng, tái tạo khi sử dụng model 3 trục

MR-J4 servo cũng được hỗ trợ đầy đủ bởi iQ Works phần mềm kỹ thuật được tích hợp của Mitsubishi Electric cung cấp PLC, lập trình chuyển động và HMI cũng như khả năng phát triển trong một gói phần mềm đơn

2.3 ENCODER

2.3.1 Khái niệm

Hình 2.6: Encoder mới được dùng trong công nghiệp Encoder được hiểu là một cảm biến vị trí đưa ra thông tin về góc quay, tốc độ của một trục xoay nào đó kết nối với nó Nguyên lý cơ bản của Encoder gồm một đĩa xoay quay quanh trục, trên đĩa có các lỗ hoặc rảnh để tín hiệu quang chiếu qua đĩa sẽ thu về được góc quay của đĩa Khi trục quay khiến đĩa quay, tin hiệu quang chiều qua đĩa sẽ nhận tắt liên tục tao ra các xung, ghi nhận lại số xung và tốc độ xung ta có thể thu về được góc quay và tốc độ quay của trục gắn encoder

Hình 2.7 Đĩa Encoder 2.3.2 Phân loại

Encoder thường được phân làm 2 loại : encoder tuyệt đối (Absolute encoder) và encoder tương đối (Increamental encoder)

Encoder tuyệt đối: là dòng encoder có khả năng phản hồi chính xác vị trí của trục động cơ so với điểm quy định sẵn ban đầu Đĩa encoder tuyệt đối thường có nhiều rãnh

có kích thước khác nhau và sắp xếp không đều để tín hiệu quang phát ra xuyên qua rảnh đưa về được tín hiệu vị trí tại đó nhờ phân tích kích thước, số lượng rảnh rồi biên dịch qua hệ nhị phân mà từ đó qui đổi ngược lại được ví trí của trục quay

Hình 2.8: Đĩa Encoder tuyệt đối Encoder tương đối : là dòng encoder mà đĩa quay của nó có nhiều rảnh với kích thước bằng nhau và cách đều nhau, nhờ vậy khi tín hiệu quang cứ đi qua mỗi rãnh thì lại có một xung tín hiệu ra cho biết trục quay đã quay được một góc bao nhiêu độ

Hình 2.9: Đĩa Encoder tương đối

Sự khác biệt giữa 2 loại encoder: encoder tuyệt đối sẽ có ưu điểm vượt trôi hơn encoder tương đối với khả năng nhớ được vị trí chính xác trên một vòng quay của đĩa encoder hay trục kết nối Khi nguồn bị mất do sự cố, khi có điện trở lại encoder tuyệt đối vẫn nhớ được ví trí của mình, hệ thống có thể hoàn thành công việc tiếp tục mà không cần quay trở về vị trí ban đầu Tuy nhiên đi kèm với ưu điểm vượt trội của encoder tuyệt đối đó là giá thành khá cao, điều khiển phức tạp hơn và các thiệt bị hỗ trợ phải hiện đại, giá thành cao hơn

2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ SERVO

2.4.1 Thiết lập bộ truyền động điện tử

Unit setting (Cài đặt chuyển động): đây là thiết lập đầu tiên trong chế độ điều khiển vị trí Chọn “mm” trong phần này để có thể điều chỉnh thông số cho chế độ chạy

vị trí

Number of pulses per rotation (Số xung trên mỗi vòng quay): đây là thiết lập rất quan trọng và là bắt buộc để việc điều khiển đạt được đúng sự chính xác như mong muốn Đây là số xung yêu cầu để động cơ servo hoàn thành một vòng quay mà số xung này phụ thuộc vào số xung cố định trên đĩa encoder

Movement amount per roration (Khoảng di chuyển trên mỗi vòng quay): cài đặt khoảng di chuyển mà cơ cấu cơ khí liên kết với trục động cơ như vít me, linear, bàn xoay,… Đơn vị thiết lập có thể là mm đối với chuyển động tịnh tiến, độ với các hệ thống xoay hay trực tiếp tính bằng xung đối với những trường hợp đặc biệt

Pulse output mode (Chế độ phát xung): cài đặt phương pháp truyền tín hiệu xung

Bảng 2.7 Nguyên lý phát xung điều khiển động cơ Servo

Pulse/sign

(xung/tín hiệu)

- Số vòng quay cũng như tốc độ quay phụ thuộc vào tín hiệu xung

- Tín hiệu quay thuận nghịch độc lập với xung lệnh để điều khiển hướng quay

- Ta có thể điều khiển chiều quay của servo thông qua 2 ngõ nhận xung Khi ngõ A nhận xung thì động cơ quay theo chiều kim đồng hồ, ngõ B nhận xung thì ngược lại

- Việc ngõ nào quay theo chiều nào có thể cài đặt trực tiếp trong parameter hoặc truyền lệnh từ bộ điều khiển xuống driver servo

Pulse/pulse

(xung/ xung)

- Hướng quay điều khiển bợi độ lếch pha giữa 2 ngõ phát xung

- Quay thuận khi pha B trễ pha hơn so với pha A

bộ điều khiển servo bằng cách cài đặt động cơ quay theo chiều mà giá trị vị trí báo về là dương nghĩa là quay thuận và ngược lại là quay nghịch

Hình 2.10: Minh họa chiều quay của động cơ Cài đặt hành trình cho hệ thống: để tranh hỏng hóc cũng như những điều không mong muốn xảy ra khi điều khiển có sai xót, hệ thống cần được chỉ định hành trình di chuyển tối đa Có 2 cách để cài đặt điều này, cách đầu tiên là cài đặt bằng phần mềm qua các thông số upper limit và lower limit trong parameter của driver servo, cách thứ

2 là dùng các công tắc hành trình hay cảm biến để giới hạn chuyển động cho động cơ

Hình 2.11: Giới hạn hành trình cho cơ cấu

Về Home cho hệ thống (Zero Point Return): Điều quan trọng trước khi vận hành

đó chính là về vị trí định trước cho hệ thống trước khi vận hành Thông thường giá trị của điểm về Home sẽ là 0

Hình 2.12: Về Home cho hệ thống

2.4.2 Chế độ vị trí tuyệt đối

Đối với hoạt động bình thường, như được hiển thị bên dưới, bộ mã hóa bao gồm một máy dò được thiết kế để phát hiện vị trí trong một vòng quay và bộ đếm vòng quay tích lũy được thiết kế để phát hiện số vòng quay

Hệ thống phát hiện vị trí tuyệt đối luôn phát hiện vị trí tuyệt đối của động cơ và giữ cho nó hoạt động tốt, không phụ thuộc vào việc bật hay tắt nguồn bộ điều khiển lập

trình đa năng Do đó, một khi vị trí Home được xác định tại thời điểm lắp đặt máy, không cần quay lại vị trí Home khi bật nguồn sau đó

Nếu mất điện hoặc xảy ra lỗi, việc khôi phục rất dễ dàng Ngoài ra, dữ liệu vị trí tuyệt đối, được hỗ trợ bởi pin siêu tụ điện trong bộ mã hóa, có thể được giữ lại trong khoảng thời gian được chỉ định

Sơ đồ nối dây CN1B trong chế độ vị trí tuyệt đối:

Hình 2.14 Sơ đồ nối dây CN1B trong chế độ vị trí tuyệt đối

Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống vị trí tuyệt đối

Quy trình cài đặt:

Bước 1: Lắp đặt pin cho Driver MR-J2S-10A

Hình 2.15 Lắp đặt pin cho Driver MR-J2S-10A Bước 2: Cài đặt thông số Parameter cho Driver

Cài 1000 cho Parameter No.1

Hình 2.16 Cài đặt chế độ tuyệt đối Bước 3: Reset lại driver

Sau khi chuyển sang chế độ vị trí tuyệt đối, việc xóa vị trí tuyệt đối (AL.25) xảy

ra ở lần bật nguồn đầu tiên Để lại trạng thái này trong vài phút, sau đó tắt nguồn, sau

đó bật lại để đặt lại hệ thống

Bước 4: Xác định việc truyền dữ liệu vị trí tuyệt đối

Bước 5: Cài đặt vị trí Home

Trong hệ thống vị trí tuyệt đối, tọa độ vị trí tuyệt đối được tạo bằng cách cài đặt

vị trí Home tại thời điểm thiết lập hệ thống

Động cơ servo có thể hoạt động sai nếu hoạt động định vị được thực hiện mà không cần cài đặt vị trí Home Luôn luôn thiết lập vị trí nhà trước khi bắt đầu hoạt động

Giao thức truyền dữ liệu vị trí tuyệt đối:

Hình 2.17 Giao thức truyền vị dữ liệu vị trí tuyệt đối Việc truyền nhận dữ liệu vị trí được thực hiện theo dữ liệu 32bit trong đó 17 bit đầu sẽ đọc về vị trí trong một vòng quay, các bit còn lại sẽ là số vòng mà servo đã quay được

Hình 2.18 Cách thức truyền dữ liệu vị trí tuyệt đối Lệnh chuyên dụng để sử dụng trong việc đọc về giá trị encoder chuyển sang vị trí tuyệt đối trong QD75 là lệnh Z.ABRST1,…

2.5 MÀN HÌNH GIAO DIỆN - HMI

Hình 2.19 Màn hình HMI WEITEK MT8071IP HMI (Human-Machine-Interface) nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành

và máy móc thiết bị Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao tiếp” với một máy móc qua một màn hình giao diện thì đó là một HMI

Màn hình HMI hiện nay đã quá quen thuộc với con người, đặc biệt trong công nghiệp, nó đóng vai trò vô cùng quan trọng trong phần giao tiếp giữa người và máy HMI hiện đại ngày nay được có thể là HMI trên nền PC và Windows/MAC: SCADA,Citect… HMI trên nền nhúng: HMI chuyên dụng, hệ điều hành là Windows

CE 6.0 Ngoài a 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

Các thành phần của HMI bao gồm: phần cứng (màn hình, phím bấm, chip CPU

và bộ nhớ), phần mềm (các đối tượng, hàm, lệnh, xây dựng, phát triển, kết nối, nạp chương trình, mô phỏng, ) và phần truyền thông (cổng: RS232, RS485, Ethernet, USB; giao thức: Mobus, CANbus, PPI, MPI, Profielbus…)

Màn hình Weintek MT8071IP là dòng được Weintek sử dụng 16 triệu màu hiển thị, có cổng mạng LAN (Ethernet) kết nối PLC Siemens S7-1200 bên cạnh đó có truyền thông: RS232/RS485 Hỗ trợ nhiều dòng PLC Mitsubishi FX series, A Series, Q Series,

Màn hình hiển thị Weintek MT8071IP được tạo ra trên máy tính nhờ phần mềm chuyên dụng EBPro Sử dụng EBPro version 5.06 tạo ra các chức năng cho MT8071IP bằng cách cài đặt vào màn hình hiển thị các thành phần có chức năng tương ứng như: công tắc, đèn, hiển thị số,… và các đối tượng khác Sau đó thực hiện cài đặt các thuộc tính, chức năng hoạt động kết nối với CPU PLC

2.6 CẢM BIẾN (SENSOR)

Sensor (cảm biến) là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý hay hóa học và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể

đo và xử lý được

Hình 2.20 Cảm biến tiện cận Azbil APM-D3B1

Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:

+ Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc,

từ trường, trọng trường,

+ Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,

Cảm biến có vai trò quan trọng trong các bài toán điều khiển quá trình nói riêng

và trong các hệ thống điều khiển tự động nói chung Là thiết bị có khả năng cảm nhận các tín hiệu điều khiển vào, ra Có vai trò đo đạc các giá trị Giới hạn cảm nhận với đại lượng vật lý cần đo

Mặc dù có hàng ngàn loại cảm biến khác nhau, nhưng thực tế công việc, thiết kế các máy móc, đặc biệt là ngành điện tự động hóa, chỉ có vài chục cảm biến công nghiệp thông dụng mà chúng ta dùng nhiều, thường thấy như cảm biến nhiệt độ, cảm biến quang, cảm biến áp suất, cảm biến tiện cận, cảm biến siêu âm, cảm biến độ ẩm vv Đó

là những cảm biến thường thấy trên thị trường

Cảm biến công nghiệp loại NPN và PNP:

Hình 2.21 Transistor trong cảm biến công nghiệp loại NPN và PNP:

Hình 2.22 Kết nối dây với cảm biến công nghiệp loại NPN và PNP

2.7 QUÉT ĐỌC MÃ VẠCH (BARCODE SCANNER)

2.7.1 Tổng quan về mã vạch

Mã vạch (Barcode) theo định nghĩa là phương pháp lưu trữ và truyền tải dữ liệu thông tin bằng một loại ký hiệu dưới dạng hình ảnh gọi là ký mã vạch (Barcode symbology) và khi cần hình ảnh này sẽ được máy quét mã vạch đọc và giải mã ngược lại để ra thông tin Ký mã vạch hay gọi tắt cũng là mã vạch, là một dãy các vạch và khoảng trống song song xen kẽ được sắp xếp theo một qui tắc mã hóa nhất định để thể hiện mã số (hoặc các dữ liệu gồm cả chữ và số) Sự thay đổi trong độ rộng của vạch và khoảng trắng biểu diễn thông tin dữ liệu mà máy quét (Scanner) có thể đọc được

Ban đầu, công nghệ mã vạch chỉ có loại mã vạch một chiều tuyến tính được thể hiện bằng các khoảng trắng xen kẽ các thanh màu đen chạy 1 chiều thẳng đứng và song song với nhau Ngày nay, do nhu cầu trở nên phức tạp hơn nên mã vạch đã tiến hóa thành ô vuông ma trận dữ liệu để lưu trữ được nhiều thông tin hơn vì dữ liệu được

mã hóa theo cả hai chiều dọc và ngang

Hình 2.23 Một số loại mã vạch Công nghệ mã vạch tuyến tính đôi khi được gọi là mã hoá 1D Mặc dù chúng

ta quen thuộc nhất với các mã vạch này, nhưng có nhiều mã phức tạp hơn sử dụng ma trận dấu chấm để đạt được một quy trình mã hóa phức tạp hơn có thể lưu trữ và xác định nhiều thông tin hơn, được gọi là 2D Chúng bao gồm các dấu chấm nhỏ, giống như các máy in ma trận dấu chấm, tạo các mẫu được đọc trong quá trình quét Chúng không giới hạn trong định dạng này và có thể bao gồm các mẫu tròn hoặc một tập hợp các hình dạng

2.7.2 Công nghệ quét đọc mã vạch

Các công nghệ quét đọc mã vạch được dùng phổ biến trên các máy quét đọc mã vạch hiện nay mà chúng ta còn thấy được đó là công nghệ đầu đọc CCD, công nghệ Laser và công nghệ chụp ảnh

Công nghệ CCD

(CCD Scanner)

Công nghệ laser (Laser Scanner)

Công nghệ chụp ảnh (Camera Scanner) Hình 2.24 Một số công nghệ quét đọc mã vạch

Công nghệ CCD (CCD Scanner): (Charge Coupled Device, có nghĩa là “linh kiện tích điện kép”) là cảm biến chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện trong các máy thu nhận hình ảnh Từ thông tin này các bạn có thể thấy rõ được cách làm việc của

nó Chiếc máy đọc sẽ được trang bị 1 bộ phát sáng có cường độ cao (màu đỏ) để chiếu lên vùng cần nhận biết (mã vạch) Sau khi chiếu lên cảm biến sẽ nhận diện các khu vực hấp thụ ánh sáng (các vạch màu đen của mã vạch đây cũng là nguyên nhân các mã có màu khác màu đen khó đọc hơn ) Sau đó đầu đọc sẽ giải mã các vạch đó theo một bảng

mã hóa và đưa thông tin lên thiết bị để phân tích (ở đây đa phần là máy tính và PDA và gần đây là smastphone)

Công nghệ Laser (Laser Scanner): nhờ vào việc phát triển vượt bậc về ngành chiếu sáng laser Ngành công nghiệp đầu đọc cũng sang một trang mới với việc thay thế bóng đèn màu bằng tia laser giúp cho tốc độ của đầu đọc tăng lên vô cùng lớn Nhất là thiết bị có thể đọc được cả mã vạch trên màn hình LCD hay qua lớp giấy nilon nhờ có nguồn sáng mạnh của tia laser Công nghệ giải mã mã vạch sau khi đọc bằng laser cũng tương tự như ở công nghệ CCD

Công nghệ chụp ảnh (Camera Scanner): đây là công nghệ có thể nói là hoàn hảo tính đến thời điểm hiện tại Chúng có tốc độ đọc cực nhanh bất kể với một mã vạch có kích thước to hay bé Trên bề mặt gồ ghề hay trên một bề mặt có độ bóng cao Chúng cũng có độ bền cao hơn hẳn so với 2 công nghệ còn lại Các máy quét camera sử dụng công nghệ chụp ảnh thường có giá thành rất cao so với máy quét CCD hay laser thông thường

Ví dụ về dòng Camera Cognex In-Sight 5000: là dòng sản phẩm camera công nghiệp đạt tiêu chuẩn IP67, với hơn 15 mẫu thiết kế khác nhau đáp ứng các yêu cầu về tốc độ cao, độ phân giải cao, màu sắc và ứng dụng line scan

 Mỗi camera In-Sight 5000 cung cấp cho nhà máy hiệu suất hoạt động tốt nhất

Đa phần các mẫu thiết kế đều được trang bị đầy đủ thư viện các công cụ Cognex Vision thông qua phần mềm In-Sight Explorer vô cùng dễ sử dụng

 Phần mềm tuỳ chọn trực quan

 Bảng tính In-Sight Explorer cung cấp cách thức hiệu quả và linh hoạt để điều chỉnh các công cụ xử lý ảnh và xử lí dữ liệu thu được từ một ứng dụng xử lý ảnh

 Giao diện EasyBuilder vô cùng linh hoạt, giúp dễ dàng thiết lập và triển khai các ứng dụng kiểm tra, phát hiện sai sót, dẫn hướng, sắp xếp và đo lường

 Test Run cho phép tinh chỉnh, kiểm tra và xác nhận hệ thống kiểm tra một các

tự động Cognex Connect cung cấp đa dạng giao thức liên lạc có sẵn, kết nối với bất kì PLC, robot hoặc HMI có trong hệ thống nhà máy của bạn

 Ứng dụng: Kiểm tra lỗi lắp ráp, kiểm tra bề mặt, các bộ phận bị hư hại và các

bộ phận bị thiếu Xác định hướng, hình dạng và vị trí của các bộ phận, linh kiện.Đo đạc các bộ phận để kiểm tra các kích thước quan trọng và/hoặc đo đạc kích thước các linh kiện, bộ phận để phân loại và sắp xếp Dẫn hướng các thiết

bị tự động và robot Sắp xếp các bộ phận để đạt được hiệu quả lắp ráp cao.Đọc

và kiểm tra kí tự được khắc trực tiếp lên các bộ phận và in trên bao bì Đọc mã vạch 1D, 2D trong quá trình kiểm tra tổng thể

Hình 2.25 Camera Cognex In-Sight 5000 2.8 MẠNG TRUYỀN THÔNG ETHERNET

2.8.1 Tổng quan về mạng Ethernet

Ethernet là một dạng công nghệ truyền thống dùng để kết nối các mạng LAN cục bộ, cho phép các thiết bị có thể giao tiếp với nhau thông qua một giao thức - một bộ quy tắc hoặc ngôn ngữ mạng chung Là một lớp giao thức data-link trong tầng TCP/IP, Ethernet cho thấy các thiết bị mạng có thể định dạng và truyền các gói dữ liệu như thế nào, sao cho các thiết bị khác trên cùng phân khúc mạng cục bộ có thể phát hiện, nhận và xử lý các gói dữ liệu đó Cáp Ethernet là một hệ thống dây vật lý để truyền dữ liệu qua Giao thức Ethernet được xác định là hoạt động trên cả Layer 1 (lớp vật lý) và Layer 2 (lớp liên kết dữ liệu) trên mô hình giao thức mạng OSI Ethernet xác định hai đơn vị

truyền: packet và framework Framework không chỉ có nội dung của dữ liệu được truyền

mà còn bao gồm:

- Địa chỉ truy cập vật lý (MAC) của cả người gửi và người nhận;

- Gắn thẻ VLAN và thông tin liên quan khác;

- Thông tin sửa lỗi để phát hiện sự cố truyền

Mỗi frame sẽ nằm trong một gói chứa một vài byte thông tin để thiết lập kết nối và đánh dấu vị trí framework bắt đầu

Hình 2.26: Mô hình mạng Ethernet 2.8.2 Đặc điểm của mạng Ethernet

- Mạng khu vực theo chuẩn quốc tế IEEE 802.3 (Ethernet) được thiết kế cho môi trường công nghiệp và mở rộng đến cấp thiết bị hiện trường

- Kết nối các thiết bị tự động với nhau, với các máy tính và các trạm làm việc cũng như các thiết bị kết nối không dây với phương thức truyền thông đồng nhất hoặc bất động nhất

- PROFINET, chuẩn mở cho tự động hoá, dựa trên chuẩn Ethernet công nghiệp và hỗ trợ việc kết nối các thiết bị từ cấp hiện trường cho đến cấp quản lý

- Có thể áp dụng giải pháp mạng mở toàn diện

- Tốc độ truyền thông cao, có thể lên đến 1 gigabit/s

- Kết nối tới mạng LAN không dây (WLAN) và các mạng LAN công nghiệp không dây (IWLAN) theo tiêu chuẩn

- Là nền tảng IT trong tự động hoá, ví dụ như chức năng Web, thư tín điện tử (email) và kết nối IWLAN

- Giải pháp an toàn được thiết kế đặc biệt cho tự động hóa công nghiệp với khái niệm bảo mật công nghiệp dùng SCALANCES

Hình 2.27: Ethernet công nghiệp