7 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÁC TRẠM PHÒNG CƠ ĐIỆN TỬ FMS 1.1 . GIỚI THIỆU TỔNG QUAN PHÒNG THỰC HÀNH CƠ ĐIỆN TỬ 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 hoá ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loạt nhỏ và hàng loạt 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 hoá 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 loạt lớn mà còn cho sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt 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 sử dụng không đồng bộ các hệ thống tự động hoá mà quá trình chuẩn bị sản xuất bị 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 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 trợ giúp của máy tính; CIM bao gồm: thiết kế trợ giúp của máy tính; lập quy trình có trợ giúp của máy tính; lập kế hoạch sản xuất và kiểm tra; kiểm tra chất lượng có trợ giúp của máy tính; và sản xuất có trợ giúp của máy tính. Hiện nay ở nước ta nghiên cứu về FMS và CIM mới chỉ được bắt đầu.Tài liệu về lĩnh vực này bằng tiếng Việt hầu như chưa có. Các hệ thống FMS và CIM mô hình mới được trang bị ở một số trường đại học.Trong tương lai các hệ thống này tiếp tục được đầu tư ở nhiều cơ sở đào tạo khác nhau trên cả nước.Song song với những thiết bị hiện đại là việc rất cần có giáo trình để giảng dạy.Chính vì vậy hệ thống FMS và cuốn tài liệu này được thiết kế nhằm cung cấp những kiến thức cơ bản cho sinh viên các trường ĐH, CĐ thuộc chuyên ngành cơ khí chế tạo. Đồng thời nó cũng được dùng làm tài liệu cho các cán bộ giảng dạy, các học viên cao học và nghiên cứu sinh trong công tác đào tạo và nghiên cứu của mình. 8 Hình 1.1 Hình ảnh tổng thể phòng cơ điện tử FMS 1.2. MÔ HÌNH TRẠM PHÂN PHỐI GIA CÔNG. 1.2.1. Tìm hiểu nguyên lý trạm phân phối vật gia công. Trạm phân phôi vật gia công có chức năng lưu trữ và phân phối phôi cho toàn bộ hệ thống. Phôi được chứa trong hộp đựng phôi và được đẩy xuống băng tải nhờ Xylanh 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, di chuyển phôi đến cuối Băng tải. Khi phôi đến cuối Băng tải, một tín hiệu gọi cánh tay khí nén hai bậc được bật lên. Cánh tay khí sẽ ghắp phôi từ Băng tải trạm 1 đặt sang trạm kế tiếp để chuẩn bị cho các quá trình gia công tiếp theo. 9 Hình 1.2 Trạm phân phối vật gia công 1.2.2. Bộ điều khiển PLC S7 200, các thiết bị điện và cơ khí. 1.2.2.1. Bộ điều khiển PLC S7 200. - Trạm phân phối phối sử dụng bộ điều khiển trung tâm là PLC S7 200 CPU 222 với 8 đầu vào số, 6 đầu ra số. Kết hợp với Module mở rộng EM 223, mở rộng số đầu vào/ra số.Bộ điều khiển PLC sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến, hoặc nút ấn để truyền lên điều khiển các cơ cấu chấp hành là van điện xy lanh khí, động cơ băng tải. - Đồng thời, để giao tiếp với các trạm khác, trong trạm có sử dụng module truyền thông EM 277.Module này hỗ trợ kết nối PLC S7 200 vào mạng PROFIBUS.Nhờ đó, trong chế độ chạy Auto, các trạm sẽ giao tiếp và làm việc tuần tự với nhau, đáp ứng đúng yêu cầu công nghệ. 1.2.2.2. Kết cấu thiết bị gồm : - Mô hình băng tải : Di chuyển phôi. - Cơ cấu cấp phôi : Cung cấp phôi xuống Băng tải. - Phôi với 3 loại khác nhau : Phôi nhựa với 2 màu trắng, đen và phôi sắt. Ngoài ra, có một số phôi bị lỗi được đưa vào để phân biệt với những phôi trên. - Xy lanh khí : Đẩy phôi xuống Băng tải khi có tín hiệu từ van điện. - Van điện : Điều khiển đóng/mở xy lanh khi có tín hiệu yêu cầu từ PLC. - Cánh tay Robot : Cánh tay 2 bậc xoay và ghắp phôi sang trạm tiếp theo. - Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, cảm biến, van điện. 10 - 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 cấu cấp phôi va cuối băng tải. - Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc độ động cơ Băng tải. - Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch và đèn báo. 1.3. TRẠM KIỂM TRA SẢN PHẨM. 1.3.1. Tìm hiểu nguyên lý trạm kiểm tra sản phẩm. Khi trạm cấp phôi hoàn thành công đoạn cấp phôi, trạm kiểm tra sản phẩm có nhiệm vụ kiểm tra phôi bị lỗi hay không (dài quá hoặc ngắn quá coi là phôi lỗi - phế phẩm) nhờ hai cảm biến từ đo độ cao của phôi. 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 cận phát hiện phôi có tính chất từ tính, cảm biến mầu sắc phát hiện những phôi màu trắng. Khi phôi di chuyển qua các phôi, nhờ tín hiệu ba cảm biến này sẽ xác định từng loại phôi và truyền tín hiệu sang trạm Lưu kho sản phẩm, trạm Lưu kho sản phẩm sẽ dựa vào những tín hiệu này để lưu trữ sản phẩm theo hàng. Hình 1.3 Trạm kiểm tra sản phẩm 1.3.2. Bộ điều khiển PLC S7 200, các thiết bị điện và cơ khí. 1.3.2.1. Bộ điều khiển PLC S7 200. 11 - Trạm phân phối phối sử dụng bộ điều khiển trung tâm là PLC S7 200 CPU 222 với 8 đầu vào số, 6 đầu ra số. Kết hợp với Module mở rộng EM 223, mở rộng số đầu vào/ra số.Bộ điều khiển PLC sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến, hoặc nút ấn để truyền lên điều khiển các cơ cấu chấp hành là van điện xy lanh khí, động cơ băng tải. - Đồng thời, để giao tiếp với các trạm khác, trong trạm có sử dụng module truyền thông EM 277.Module này hỗ trợ kết nối PLC S7 200 vào mạng PROFIBUS.Nhờ đó, trong chế độ chạy Auto, các trạm sẽ giao tiếp và làm việc tuần tự với nhau, đáp ứng đúng yêu cầu công nghệ. 1.3.2.2. Kết cấu thiết bị gồm : - Mô hình băng tải : Di chuyển phôi. - Cơ cấu kiểm tra phôi : Nâng và hạ phôi lên xuống để kiểm tra phôi có bị lỗi hay không. - Xy lanh khí : Đẩy phôi xuống Băng tải hoặc thùng đựng phế phẩm khi có tín hiệu từ van điện. - Van điện : Điều khiển đóng/mở xy lanh khi có tín hiệu yêu cầu từ PLC - Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, cảm biến, 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 cuối băng tải. - Cảm biến mầu sắc : Phát hiện những vật có mầu trắng. - Cảm biến quang điện : Phát hiện tất cả các vật. - Cảm biến từ : Giới hạn trên dưới cho cơ cấu kiểm tra phôi và phân biệt phôi bị lỗi hay không. - Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc độ động cơ Băng tải. 1.4. TRẠM SỬ LÝ GIA CÔNG PHÔI 1.4.1 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 khi đƣợc xác định không bị lỗi sẽ bắt đầu quá trình gia công ở trạm này theo yêu cầu công nghệ của từng loại phôi theo bảng chân lý như sau: Đ ặc điểm phôi Khoan l ỗ tr ên b ề mặt Ki ểm tra lỗ của phôi Phôi sắt Có Có Phôi nhựa trắng Có Có Phôi nhựa đen Có Có 12 Mâm xoay sẽ xoay từng bước phù hợp với yêu cầu nhờ tín hiệu từ cảm biến và động cơ một chiều Hamonic. Động cơ khoan sẽ di chuyển lên xuống nhờ cơ cấu xy lanh. Khi phôi dừng tại vị trí khoan, động cơ khoan sẽ được hạ xuống và khoan lỗ, quá trình này thực hiện trong vài giây sau đóđộng cơ khoan trở về vị trí ban đầu nhờ xy lanh đẩy lên. Tiếp theo, quá trình kiểm tra lỗ vừa khoan nhờ một xy lanh. Hình 1.4 Trạm sử lý gia công phôi 1.4.2 Kết cấu thiết bị bao gồm. - Cơ cấu mâm xoay 6 vị trí : Di chuyển phôi lần lƣợt đến các vị trí gia công. - Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, cảm biến, động cơ khoan. - Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiển lập 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 độ động 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. - Cơ cấu khoan : Gia công phôi. - Xy lanh khí : Giữ phôi để khoan dễ dàng. - Van điện : Nhận tín hiệu từ PLC để đóng/mở xy lanh. 13 - Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo. 1.5. TRẠM ROBOT 5 BẬC TỰ DO SCARA 1.5.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm robot 5 bậc tự do Scara Hình 1.5 Trạm Robot 5 bậc tự do Scara Robot SCARA gồm 5 bậc tự do sử dụng cơ cấu truyền động động cơ bƣớc và cơ cấu gắp sản phẩm được điều khiển bằng khí nén. Robot được lập trình và mô tả tọa độ trên phần mềm OpenGL. Robot sẽ gắp sản phẩm từ trạm gia công phôi chuyển đến trạm lắp ráp sản phẩm. 1.5.2 Kết cấu thiết bị bao gồm. - Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử. - Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc độ động cơbăng 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. 14 1.6. TRẠM LẮP RÁP SẢN PHẨM. 1.6.1. Tìm hiểu nguyên lý trạm lắp ráp sản phẩm. Trạm Lắp ráp sản phẩm có chức năng thực hiện quá trình đóng nắp cho sản phẩm sau khi đã được gia công lỗ trên bề mặt. Phôi được chuyển đến trạm này nhờ Robot SCARA. Khi phôi được đưa đến đầu băng tải, cảm biến quang sẽ phát hiện, gửi tín hiệu về PLC S7 200 yêu cầu Băng tải hoạt động di chuyển phôi đến vị trí láp ráp. Cơ cấu giữ là một xy lanh khí sẽ giữ chặt phôi. Khi phôi được giữ chắc chắn, cơ cấu lắp ráp sản phẩm sẽ thực hiện quá trình đóng nắp. Sau khí lắp ráp xong, cơ cấu giữ phôi nhả ra, lúc này phôi đã được lắp ráp xong và được Băng tải di chuyến đến cuối hành trình và sẵn sàng cho trạm tiếp theo. Hình 1.6 Trạm lắp ráp sản phẩm 1.6.2. Bộ điều khiển PLC S7 200, các thiết điện và cơ khí. 1.6.2.1. Bộ điều khiển PLC S7 200. - Trạm phân phối phối sử dụng bộ điều khiển trung tâm là PLC S7 200 CPU 222 với 8 đầu vào số, 6 đầu ra số. Kết hợp với Module mở rộng EM 223, mở rộng số đầu vào/ra số.Bộ điều khiển PLC sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến, hoặc nút ấn để truyền lên điều khiển các cơ cấu chấp hành là van điện xy lanh khí, động cơ băng tải. 15 - Đồng thời, để giao tiếp với các trạm khác, trong trạm có sử dụng module truyền thông EM 277.Module này hỗ trợ kết nối PLC S7 200 vào mạng PROFIBUS.Nhờ đó, trong chế độ chạy Auto, các trạm sẽ giao tiếp và làm việc tuần tự với nhau, đáp ứng đúng yêu cầu công nghệ. 1.6.2.2. Kết cấu thiết bị gồm : - Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, cảm biến, động cơ băng tải. - 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. 1.7. TRẠM CÁNH TAY KHÍ NÉN DI CHUYỂN SẢN PHẨM. 1.7.1. Tìm hiểu nguyên lý cánh tay khí nén di chuyển vật. Sau khi sản phẩm được lắp ráp hoàn thiện ở trạm lắp ráp, một tín hiệu sẽ được bật lên để gọi trạm Cánh tay khí nén hoạt động. Cánh tay khí nén di chuyển bằng cơ cấu khí nén, hành trình được điều khiển chính xác tại vị trí của sản phẩm. Sau khi kẹp được sản phẩm, tay khí nén di chuyển sang phải và đặt vào băng tải cho trạm kế tiếp và trở về vị trí ban đầu. 16 Hình 1.7 Cánh tay khí nén di chuyển vật 1.7.2. Bộ điều khiển PLC S7 200, các thiết điện và cơ khí. 1.7.2.1. Bộ điều khiển PLC S7 200. - Trạm phân phối phối sử dụng bộ điều khiển trung tâm là PLC S7 200 CPU 222 với 8 đầu vào số, 6 đầu ra số. Kết hợp với Module mở rộng EM 223, mở rộng số đầu vào/ra số.Bộ điều khiển PLC sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến, hoặc nút ấn để truyền lên điều khiển các cơ cấu chấp hành là van điện xy lanh khí, động cơ băng tải. - Đồng thời, để giao tiếp với các trạm khác, trong trạm có sử dụng module truyền thông EM 277.Module này hỗ trợ kết nối PLC S7 200 vào mạng PROFIBUS.Nhờ đó, trong chế độ chạy Auto, các trạm sẽ giao tiếp và làm việc tuần tự với nhau, đáp ứng đúng yêu cầu công nghệ. 1.7.2.2. Kết cấu thiết bị gồm : - Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, van điện. - Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiển lập 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. - Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo. [...]... Trạm máy tính điều khiển giám sát trung tâm Trạm máy tính trung tâm gồm một máy tính cấu hình cao có cài đặt phần mềm điều khiển giám sát WinCC của hãng Siemens Trạm máy tính sẽ giám sát hoạt động của cả hệ thống thông qua giao diện được thiết kế bằng WinCC Đồng thời, tại trạm trung tâm có thể điều khiển bất kỳ khâu nào của bất kỳ trạm nào Hình 1.12 Trạm máy tính trung tâm 20 CHƯƠNG 2 MẠNG PROFIBUS... PLC của Siemens thông qua chuẩn PPI, MPI và PROFIBUS Màn hình TP 177A sẽ điều khiển và giám sát các biến của PLC trong các trạm thông qua mạng PROFIBUS Cho phép hiển thị trạng thái của các biến, các đầu vào/ra, tín hiệu từ cảm biến về lên màn hình 19 1 2 3 4 Rãnh tháo lắp màn hình Màn hình hiển thị và điều khiển với chức năng đa điểm Gờ cạnh ngoài cùng của màn hình Chỗ lắp cơ cấu gá 1.9.4 Trạm máy. .. động cơ băng tải - Đồng thời, để giao tiếp với các trạm khác, trong trạm có sử dụng module truyền thông EM 277.Module này hỗ trợ kết nối PLC S7 200 vào mạng 17 PROFIBUS.Nhờ đó, trong chế độ chạy Auto, các trạm sẽ giao tiếp và làm việc tuần tự với nhau, đáp ứng đúng yêu cầu công nghệ 1.8.2.2 Kết cấu thiết bị gồm : - Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, van điện, cảm biến, động cơ băng tải... EM 277 cho tất cả trạm PLC S7 200 như sau: Hình 2.6 Chọn địa chỉ cho PLC s7-200 Việc cấu hình ở trên đảm bảo Project vừa tạo ra đãđược khai báo đầy đủ phần cứng và chuẩn truyền thông.Để hệ thống hoạt động và kết nối được 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 25 Sau khi lập trình xong 7 trạm, tiến hành download cho trạm Master... là một mạng con (subnet) trong hệ thống SIMATIC NET của hãng Siemens Mạng MPI được sử dụng cho cấp điều khiển, giám sát với yêu cầu khoảng cách giữa các trạm không lớn Thiết lập mạng MPI này phục vụ cho mục 21 đích ghép nối một số lượng hạn chế trạm không quá 32 trạm và dung lượng truyền thông nhỏ với tốc độ truyền tối đa là 187,5 Kbps 2.1.2 Câu hình mạng Profibus – DP bằng phần mềm Step7 2.1.2.1 PLC... 300 sẽ nhận tín hiệu từ 8 bộ PLC S7 200 truyền lên và xuất tín hiệu điều khiển xuống các trạm thông qua mạng PROFIBUS Đồng thời, màn hình HMI – 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 Hình 1. 9Trạm điều khiển và giám sát trung tâm 1.9.2 Kết cấu thiết bị gồm : - Bộ nguồn PS 2A : Cung cấp nguồn cho PLC S7 300 và màn hình TP 177A - Bộ điều... các ứng dụng có các thiết bị ngoại vi phân tán PROFIBUS DP có thể sử dụng chuẩn truyền thông RS-485, không dây hoặc cáp quang Trong đó chuẩn RS485 được sử dụng phổ biến nhất PROFIBUS DP được phát triển nhằm phục vụ cho việc trao đổi thông tin đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu nhanh, đáp ứng yêu cầu cao về thời gian trong trao đổi dữ liệu giữa các bộ PLC hoặc các máy tính công nghiệp với các ngoại vi phân... thực địa như: cảm biến, thiết bị đo, bộ truyền động, thiết bị chấp hành, các module mở rộng… Đặc điểm của mạng PROFIBUS DP:  Dữ liệu truyền được xác định trong cấu hình (tối ưu hóa trao đổi dữ liệu)  Duy nhất một DP chủ có thể xuất dữ liệu về trạm máy tính  Hệ thống field bus nhanh, có thể lên đến 12 Mbits/s (xem Bảng 2.1)  Dữ liệu lên đến 244 byte vào / 244 byte ra trên mỗi trạm  Thời gian đáp ứng... nhanh đo được với 10 trạm mở rộng I/O phân tán ET200, mỗi trạm này có 32 I/O là 0,25 ms Bảng 2.1: Tương quan giữa khoảng cách và tốc độ truyền của Profibus – DP Tốc độ truyền Khoảng cách truyền tối đa 187,5Kb/s 500 Kb/s 1,5 Mb/s 3 Mb/s 6 Mb/s 12 Mb/s 1000 mét 400 mét 200 mét 150 mét Nhỏ hơn 150 mét 100 mét Multi Point Interface (MPI) là một mạng con (subnet) trong hệ thống SIMATIC NET của hãng Siemens... với các trạm thông qua mạng PROFIBUS, nó sẽ nhận các tín hiệu gửi lên từ các trạm và ra lệnh điều khiển xuống đảm bảo đúng yêu cầu công nghệ và tính thời gian thực Hình 1.11 Bộ điều khiển lập trình PLC S7 300 1.9.3.2 Màn hình giao tiếp Người - Máy TP 177A và giao diện điều khiển giám sát Màn hình TP 177A là thiết bị giao tiếp Người – Máy (HMI) do hãng Siemens sản xuất Nó có khả năng giao tiếp với các