i


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong nền sản xuất hiện đại, việc thành lập các hệ thống sản xuất linh
hoạt đóng một vai trò hết sức quan trọng. Tự động hoá các quá trình sản xuất
ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn. Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) được
tự động hóa ở mức độ cao đối với sản xuất .
Hiện nay ở nước ta nghiên cứu về FMS mới chỉ bắt đầu. Tài liệu về lĩnh vực
này còn rất ít. Các mô hình hệ thống FMS mới được trang bị ở một số trường đại
học và cao đẳng trên cả nước. Song song với việc tiếp xúc những thiết bị hiện đại
là việc rất cần có tài liệu giảng dạy và học tập của học viên. Đáp ứng nhu cầu,
nắm bắt, tiếp cận nhanh hơn với những hệ thống tự động hóa sản xuất hiện đại,
tiên tiến trong thực tế và để nâng cao chất lượng đào tạo và nguồn nhân lực về tự
động hoá.
Bản thân là một Giáo viên đang giảng dạy về lĩnh vực điện tự động hóa
nhận thấy nhu cầu là rất cần thiết, do đó tác giả đã lựa chọn đề tài :“Nghiên cứu
xây dựng mô hình dây chuyền tự động cấp phôi và gia công ren ”. Đây cũng là
vấn đề được nghiên cứu và giải quyết trong trong bản luận văn này.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu xây dựng mô hình dây chuyền tự động cấp phôi và gia công ren
để sử dụng được trong việc giảng dạy, học tập áp dụng cho các môn học điều
khiển PLC, mạng truyền thông công nghiệp, tự động hóa sản xuất .v.v, trong
các trường đào tạo nghề nói riêng và các trường kỹ thuật nói chung.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu trong đề tài: :“Nghiên cứu xây dựng mô hình dây
chuyền tự động cấp phôi và gia công ren ” phục vụ cho công tác giảng dạy,
nghiên cứu khoa học của trường Cao đẳng Cộng đồng Hải Phòng.
Phạm vi nghiên cứu trong đề tài: Đề tài nghiên cứu, tìm hiểu trang thiết
bị, nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại phôi và gia công tạo ren. Sử dụng

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 cao 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.
Đặc điểm của FMS: là khả năng điều chỉnh nhanh các thiết bị và chương
trình điều khiển 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.
Hệ thống sản xuất linh hoạt nói chung gồm các phần sau:
-

Thiết bị xử lý như các trung tâm gia công, các trạm lắp ráp và robot.

-

Thiết bị vận chuyển nguyên vật liệu ví dụ như robot , băng truyền,...

-

Một hệ thống truyền thông.

-

Một hệ thống điều khiển bằng máy tính.

Trong sản xuất linh hoạt, các máy gia công tự động như: máy tiện, phay,
khoan và hệ thống vận chuyển nguyên liệu tự động giao tiếp với nhau thông qua
mạng máy tính.
Hệ thống sản xuất linh hoạt có những ưu điểm sau:
-

1.1.2.Giới thiệu về hệ thống sản xuất linh hoạt MPS 500
Hệ MPS 500 là sự minh họa lý tưởng cho tự động hóa trong tổng thể
phức tạp của hệ thống (hình 1.1). Bao gồm:
- Dẫn động khí nén
- Dẫn động điện
- Cảm biến
- PLC
- Băng chuyền
- Mạng truyền thông công nghiệp.

Hình 1.1: Mô hình hệ thống MPS-500

4


S
Phân loại
H
Tay gắp

L
Kho chứa

M
Lắp ráp
R
Robot

Băng chuyền


- Hệ thống điều khiển, giám sát thông qua mạng Fieldbus/Ethernet.
- Xây dựng mạng theo yêu cầu riêng và điều khiển hệ thống.
Cấu trúc liên kết truyền thông của hệ thống MPS-500 được thể hiện như
hình 1.4

Hình 1.4: Cấu trúc liên kết truyền thông trong hệ MPS
500
Hệ MPS 500 bao gồm các quá trình:
Nhập hàng hóa:
- Trạm Cung cấp
- Trạm Kiểm tra
Quá trình vận chuyển hàng hóa
- Hệ thống băng chuyền
Công đoạn gắp và gia công
- Trạm Tay gắp
- Trạm Gia công
Kiểm tra chất lượng
- Trạm Camera
Lắp ráp bằng robot 5 bậc tự do
6


- Trạm Robot
- Trạm Lắp ráp
Kho hàng AS/RS20.
- Trạm Xuất nhập tự động
Xuất hàng hóa
- Trạm Tay gắp
- Trạm Phân loại
Tùy theo phạm vi và sự phức tạp trong sản xuất mà hệ MPS 500 được

công

Máng
chứa
phôi

Bộ điều
khiển

Hình 1.6: Sơ đồ khối công đoạn Tay gắp
Phôi ở
trạm
Tay gắp

Bàn
quay
phân độ

Kiểm
tra
phôi

Gia
công
khoan

Trạm
Tay
gắp


2.1.1. Giới thiệu chung
Để đáp ứng yêu cầu tự động hoá ngày càng tăng đòi hỏi kĩ thuật điều khiển
phải có nhiều thay đổi về thiết bị cũng như về phương pháp điều khiển. Vì vậy
người ta phát minh ra bộ điều khiển lập trình rất đa dạng như: PLC…
Sự phát triển của PLC đem lại cho chúng ta có nhiều thuận lợi và làm cho
các thao tác công việc trở nên nhanh nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn. Nó có thể thay
gần như toàn bộ các phương pháp điều khiển trước đây. Như vậy PLC có rất
nhiều tính năng ưu việt và thích hợp trong môi trường công nghiệp là:
Khả năng chống nhiễu tốt.
Cấu trúc dạng modul rất thuận tiện cho việc thiết kế mở rộng, cải tạo nâng
cấp.
Có những modul chuyên dụng để thực hiện chức năng đặc biệt.
Lập trình được, lập trình dễ dàng là đặc điểm quan trọng để đánh giá một hệ
thống điều khiển tự động.
*) Nguyên lý về cấu trúc của một bộ điều khiển logic khả trình PLC

10


Bé nhí ch-¬ng tr×nh

Timer
Bé ®Öm
vµo/ra

Bé VXL trung
t©m + HÖ ®iÒu

Counter
BÝt cê

lớn với những yêu cầu I/O nhiều và thời gian đáp ứng nhanh, yêu cầu kết nối mạng
và có khả năng mở rộng, nâng cấp.
Ngôn ngữ lập trình đa dạng, cho phép người sử dụng có quyền lựa chọn.
Đặc điểm nổi bật của S7_300 đó là ngôn ngữ lập trình cung cấp những hàm toán
đa dạng cho những yêu cầu chuyên biệt như: Hàm SCALE... Hoặc ta có thể sử
dụng ngôn ngữ chuyên biệt để xây dựng hàm riêng cho ứng dụng mà ta cần.
Ngoài ra S7-300 còn xây dựng phần cứng theo cấu trúc modul, nghĩa là đối
với S7-300 sẽ có những modul tích hợp cho những ứng dụng đặc biệt như modul
PID, modul đọc xung tốc độ cao, modul truyền thông để kết nối PLC với mạng
công nghiệp hoặc mạng internet….Vì vậy ngày nay S7-300 được ứng dụng rất
rộng rãi.
Với mục đích điều khiển, giám sát nhiệt độ của hệ thống tank nấu và các hệ
thống tự động khác trong nhà máy bia, với điều kiện thực tế thông thường người ta
sử dụng PLC S7-200, 300. Trong nội dung đồ án, việc điều khiển giám sát cũng
thông qua PLC S7-300.
2.1.2 Các modul PLC S7-300
Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng vào thực tế phần lớn các đối tượng
điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác
nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hoá về cấu hình.
Chúng được sử dụng theo kiểu các modul, số lượng modul nhiều hay ít tuỳ vào yêu
cầu thực tế, xong tối thiểu bao giờ cũng có một modul chính là CPU, các modul
còn lại nhận truyền tín hiệu với các đối tượng điều khiển, các modul chức năng
chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ, van thuỷ khí …Chúng gọi chung là
modul mở rộng. Cấu hình của một trạm PLC S7-300 như sau :

12


Hình 2.2 : Cấu hình một thanh rack các modul của một trạm PLC S7-300
2.1.2.1. Modul CPU

cấu trúc modul rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho
việc mở rộng hệ thống. Số các modul được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng ứng
dụng nhưng tối thiểu bao giờ cũng phải có một modul chính là modul CPU, các
modul còn lại là những modul truyền và nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên
ngoài như động cơ, các đèn báo, các rơle, các van từ. Chúng được gọi chung là các
modul mở rộng.
Các modul mở rộng chia thành 5 loại chính:
a) Module nguồn nuôi (PS - Power supply)
Có 3 loại: 2A, 5A, 10A.
b) Module xử lý vào/ra tín hiệu số (SM - Signal module)
Modul mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:
DI (Digital input): Modul mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở
rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại modul.
DO (Digital output): Modul mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở
rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại modul.
DI/DO (Digital input/Digital output): Modul mở rộng các cổng vào/ra số... Số
các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/8ra hoặc 16 vào/16 ra tuỳ từng loại
modul.
AI (Analog input): Modul mở rộng các cổng vào tương tự. Số các cổng vào
tương tự có thể là 2, 4, 8 tuỳ từng loại modul.
AO (Analog output): Modul mở rộng các cổng ra tương tự. Số các cổng ra
tương tự có thể là 2, 4 tuỳ từng loại modul.

14


AI/AO (Analog input/Analog output): Modul mở rộng các cổng vào/ra tương
tự. Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hay 4 vào/4 ra tuỳ từng loại
modul.
Các CPU của S7_300 chỉ xử lý được các tín hiệu số, vì vậy các tín hiệu analog

Ví dụ:

Trong đồ án sử dụng ngôn ngữ LAD để lập trình.
2.1.3. Tập lệnh
2.1.3.1. Nhóm lệnh logic tiếp điểm
a. Lệnh gán
Ví dụ:

Khi ngõ vào I0.0 lên mức 1 thì ngõ ra Q0.0 ON
b. Lệnh AND
Ví dụ:

16


Khi I0.0 và I0.1 đồng thời lên mức 1 thì ngõ ra Q0.0 ON
c. Lệnh OR
Ví dụ:

Khi 1 trong 2 ngõ vào I0.0 hoặc I0.1 lên mức 1 thì ngõ ra Q0.0 ON
d. Lệnh AND NOT
Ví dụ:

Khi I0.0 lên mức 1 và I0.1 ở mức 0 thì Q0.0 ON
e. Lệnh OR NOT
Ví dụ:

Khi I0.0 mức 1 hay I0.1 mức 0 thì Q0.0 ON
f. Lệnh gán có điều kiện
Lệnh gán giá trị 1


18


d. Lệnh chia số nguyên
Ví dụ:

Số nguyên 16 bits

Số nguyên 32 bits

*) Với số thực
a- Lệnh cộng số thực

b-

Lệnh trừ số thực

Ví dụ:

c-

Lệnh nhân số thực

d-

Lệnh chia số thực

Ví dụ:


AR1
register
AR2

Work memory
 Logic block

DB (share)

 Data block

DI
(instance)
Data
block register

 Local block, Stack
Load memory
 User program (EEPROM)
 User program (RAM)

Status word
Status

Hình 2.5: Phân chia các vùng ô nhớ trong CPU
2.1.5. Bộ đếm (Counter)
Ví dụ:

Loại Counter đếm lên và đếm xuống


PLC

RS485

Ch-ơng trình
Hệ điều hành

Yêu cầu

Hệ điều hành

Dữ liệu
Đáp ứng
Dữ liệu
Ch-ơng trình

Đọc

Bộ chuyển đổi tín hiệu
(Card MPI)

Bộ nhớ dữ liệu

Hỡnh 2.7: Mụ t PC c thụng tin v b nh v trng thỏi hot ng ca PLC

21


+ Máy tính gửi dữ liệu đến PLC:
Để truyền dữ liệu từ PC đến PLC, PC gửi tín hiệu yêu cầu PLC nhận dữ liệu

Trường hợp này thuộc loại truyền thông một chiều từ PLC đến PC.
PC

RS232

PLC

RS485

Chương trình
Hệ điều hành
Hệ điều hành
Dữ liệu
Ghi
Chương trình

Bộ chuyển đổi tín

Dữ liệu

Đọc

Bộ nhớ dữ liệu

hiệu (Card MPI)

Hình 2.9: PC gửi dữ liệu đến máy tính
2.2.Trang thiết bị trong công đoạn gắp và gia công sản phẩm
2.2.1.Trang thiết bị trong công đoạn tay gắp
Trạm Tay gắp được lắp ráp là một tay máy hai trục.Thực hiện nhiệm vụ


Hình 2.12: Mô đun PicAlfa.
Mô đun gồm có:
+ Xylanh gắp phôi: làm nhiệm gắp phôi, hành trình thực hiện là nâng lên và
hạ xuống. Hành trình lên xuống có thể điều chỉnh được nhờ việc thay đổi vị trí
của hai cảm biến cảm ứng điện từ gắn trên thân xy lanh để xác định vị trí của trục
piston.
+ Xylanh chuyển phôi: cơ cấu chấp hành này có nhiệm vụ vận chuyển cả
xylanh gắp phôi và phôi. Hành trình sang phải và sang trái cũng có thể điều
chỉnh được nhờ việc thay đổi vị trí của các cảm biến cảm ứng điện từ xác định vị
trí của trục piston.
+ Hàm kẹp phôi: được gắn trên đầu trục của xy lanh gắp phôi có nhiệm giữ
phôi trong quá trình vận chuyển. Trên tay kẹp phôi có đặt một cảm biến quang để
phát hiện sự tồn tại của phôi.
Tốc độ dịch chuyển trục piston của các xy lanh có thể điều chỉnh được nhờ sử
dụng các van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng dòng khí.
- Thiết bị điều khiển gồm có:
+ Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ : xác định vị trí của trục piston, đây là loại
công tắc hành trình không dùng tiếp xúc cơ khí và hoạt động dựa trên nguyên
lý cảm ứng điện từ. Các cảm biến tiệm cận cảm ứng từ này được gắn trên thân của
xy lanh gắp phôi và xy lanh chuyển phôi để xác định vị trí trục pis ton.
+ Cảm biến quang khuếch tán: làm nhiệm vụ phát hiện sự có mặt của
phôi trong giá chứa phôi và trong hàm kẹp phôi.
+ Bộ lọc khí và điều áp: không khí lấy từ máy nén khí trước khi được phân
phối để điều khiển các thiết bị cần phải được đi qua bộ lọc khí để tách hơi nước
và đảm bảo dòng khí sạch không có bụi bẩn làm ảnh hưởng đến quá trình điều
khiển cũng như tuổi thọ của các thiết bị trong hệ thống. Trên bộ lọc khí còn bố trí
van điều áp để có thể điều chỉnh áp suất dòng khí đa vào hệ thống, tránh hiện
tượng áp suất tăng quá cao ảnh hưởng đến quá trình làm việc (hình 2.13)