Hệ thống thực hành về dây chuyền sản xuất tích hợp trong công nghiệp
HỆ THỐNG THỰC HÀNH VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT TÍCH HỢP
TRONG CÔNG NGHIỆP
Trần Viết Thắng, Nghiêm Hoàng Hải
Viện Kỹ thuật, trƣờng Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HUTECH)
TÓM TẮT
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình đào tạo về tự động hoá dây chuyền
sản xuất theo mô hình của một hệ thống sản xuất tích hợp có sự hỗ trợ của máy tính (CIM/FMS_Computer
Integrated Manufacturing/Flexible Manufacturing Systems) sử dụng mạng truyền thông công nghiệp tiên
tiến. Mô hình đƣợc thiết kế chế tạo bao gồm: Băng tải chính (kích thƣớc 2000 (D) x 1350 (R) x 850 (C)
mm) có đặt 4 trạm điều khiển, cho phép kết nối các robot 5 bậc tự do. Mô hình sử dụng các PLC của
Siemens kết nối thành mạng có dây và không dây theo chu n Profinet. Hệ thống cho phép triển khai các
bài thực hành, bao gồm các bài về khảo sát, vận hành hệ thống và robot, các bài thực hành về truyền thông
công nghiệp, thực hành về các phƣơng pháp điều khiển và thực hành về lập trình điều khiển CIM/FMS.
Hệ thống sau khi chế tạo cũng đã đƣợc kiểm chứng kết quả thông qua hệ thống các bài thực hành cụ thể để
kiểm định tính ổn đinh và chất lƣợng thiết kế, chế tạo.
Từ khóa: CIM/FMS, PLC, Profinet, Sản xuất công nghiệp, Truyền thông công nghiệp.
1. GIỚI THIỆU
Tự động hoá hệ thống sản xuất công nghiệp hiện nay đã phát triển tới mức kết hợp với tự động hoá quản
lý để tạo thành hệ thống tự động hoá tích hợp toàn diện TIA (Totally Integrated Automation). Với TIA, hệ
thống điều hành sản xuất trung gian bằng sức ngƣời và giấy tờ đƣợc tin học hoá trong cụm trung gian gọi
là MES (Manufacturing Execution System [1- 2]. Ở mức độ trực tiếp và quy mô nhỏ hơn, việc phối hợp
này thực hiện trong hệ thống sản xuất tích hợp máy tính CIM, hay hệ thống sản xuất linh hoạt FMS [3-6].
Việc tích hợp hệ thống cho phép các công đoạn hoặc thiết bị gia công riêng rẽ có thể trao đổi thông tin với
nhau và cùng hoạt động đồng bộ. Hệ thống CIM tập trung chủ yếu kết nối thông số công nghệ thời gian
thực với cơ sở dữ liệu trong máy tính. Đồng thời, một phần mềm CIM lấy các dữ liệu này để đánh giá
năng suất, sản ph m hoặc các thông số quản lý khác và gửi yêu cầu điều khiển tới hệ thống công nghệ để
điều chỉnh. Hệ thống dây chuyền sản xuất CIM/FMS đƣợc ứng dụng phổ biến trong điều khiển quá trình
sản xuất hiện nay ở các nƣớc phát triển, bởi vì chúng cho năng suất cao hơn, ít sai sót hơn và là hệ thống
sản xuất tự động hoá theo thời gian thực, đáp ứng nhanh. Hệ thống CIM bƣớc đầu đƣợc ứng dụng ở nƣớc
ta trong các chuyền treo may công nghiệp. Ngoài ra, việc ứng dụng CIM mới chỉ ở mức áp dụng các công
cụ phần mềm cho hệ thống quản lý. Việc phát triển hệ thống CIM/FMS ở nƣớc ta phù hợp cho nền sản
xuất với nhiều doanh nghiệp vừa và nhỏ. Nhằm đào tạo nguồn nhân lực trong lĩnh vực này, một số mô
hình đào tạo CIM/FMS của của các nhà sản xuất hàng đầu đã đƣợc cung cấp cho thị trƣờng. Mô hình CIM
của Festo-Didactic (CHLB Đức) [7], mô tả đầy đủ một dây chuyền tự động gồm băng tải, kho chứa, máy
phay, các robot để cấp phôi, lắp ráp, bộ điều khiển và phần mềm CIM..., thực hiện chức năng CIM đƣợc
mở rộng, có tính đến quản lý sản ph m và điều tiết sản xuất. Các mô hình phát triển có thể có hơn 2 trung
tâm gia công. Hệ thống CIM Intelitek (Mỹ) [8] bao gồm: trạm lƣu trữ,trạm phụ trợ, trạm quản lý lắp ráp
và chất lƣợng, trạm hàn,... Hệ thống CIM của Lucas-Neulle (CHLB Đức) [9] cung cấp các giải pháp cho
1447
đào tạo CNC, đáp ứng đòi hỏi về lập trình CNC và gia công. Qua khảo sát các mô hình nêu trên có thể
nhận xét là các hệ thống đào tạo CIM/FMS đƣợc xây dựng trên các hệ thống tự động hoá có tính chu n
hoá cao, xây dựng theo kiểu module có tính mở để phát triển tuỳ theo yêu cầu đào tạo. Tuy nhiên, giá
thành của hệ thống này rất cao, lên tới vài trăm ngàn USD, làm hạn chế khả năng đầu tƣ ở các nƣớc đang
phát triển. Chính vì vậy mà nhóm nghiên cứu đã tập trung phát triển một mô hình giảng dạy tƣơng ứng
đáp ứng đƣợc nhau cầu thực tế hiện nay ở Việt Nam và có giá thành hợp lý.
2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC HÀNH CIM/FMS
2.1 Lựa chọn và đề xuất mô hình
Qua khảo sát các lĩnh vực sản xuất trong nƣớc hiện nay, có thể nhận thấy xu hƣớng và thực tế phát triển
mạnh của các ngành lắp ráp, phân loại, xử lý các sản ph m. Vì vậy, hệ thống CIM/FMS cho đào tạo nên
bắt đầu theo hƣớng ứng dụng robot xử lý sản ph m trên băng. Mô hình đƣợc xây dựng cần có sự kết hợp
giữa các sản ph m nội địa nhƣ robot, băng tải,...với các PLC tiêu chu n, nhằm đảm bảo hệ thống gần với
dây chuyền công nghiệp thực tế và có giá thành rất thấp. Hệ thống đƣợc đề xuất thiết kế gồm băng tải
vòng chính vận hành bởi motor AC và biến tần; bốn trạm điều khiển đƣợc xây dựng trên PLC SIEMENS
S7-1200, đƣợc bố trí xung quanh băng tải, trong đó các trạm sẽ truyền thông lẫn nhau qua chu n truyền
thông công nghiệp Profinet, và giao tiếp máy tính qua Router WIFI để truyền/nhận thông tin điều khiển và
dữ liệu. Các ROBOT đƣợc sử dụng tùy chọn tại các trạm là loại 5 bậc tự do sản xuất tại Việt Nam với giá
thành rẻ.
2.2 Thiết kế và chế tạo mô hình thực hành
2.2.1 Băng tải vòng
Thông số kỹ thuật lựa chọn cho hệ thống băng tải vòng:
– Băng tải vòng chính có kích thƣớc: 2000 (D) x 1350 (R) x 850 (C) mm
– Bán kính cong nhỏ nhất: 40 mm
– Khả năng chịu tải: 1230 N
– Vật liệu băng tải: xích tải nhựa loại POM (polyoxymethylene)
– Vật liệu khung: sắt, Inox
– Sử dụng động cơ AC 3 pha 2 Hp
– Tốc độ băng tải lớn nhất: 90 m/ phút
Hệ thống đƣợc thiết dựa trên các vật liệu sắt và INOX cho phần khung sƣờn, vật liệu băng tải nhựa tiêu
chu n cho việc thiết kế băng tải. băng tải có khả năng vận hành ổn định và cho phép vận chuyển các vật
mẫu dễ dàng trên bề mặt băng nhựa, phục vụ tốt có việc triển khai các mô hình thực hành xung quanh hệ
thống và đáp ứng đƣợc yêu cầu kỹ thuật thiết kế ban đầu.
2.2.3 Trạm điều khiển
Trong hệ thống đề xuất, bốn trạm điều khiển đƣợc thiết kế và chế tạo bao gồm: Trạm cấp phôi, trạm đóng
nắp sản ph m, trạm kiểm tra lỗi và trạm xử lý thành ph m. Tất cả các trạm truyền thông lẫn nhau qua
chu n Profinet và kết nối chung với một WIFI Router để trung chuyển thông tin về máy tính chủ. Hệ
thống thực tế sau khi chế tạo hoàn chỉnh đƣợc thể hiện nhƣ Hình 1.
1448
Trạm cấp phôi: Bao gồm một hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng PLC S7-1200, cho phép giao tiếp
với một ROBOT công nghiệp, nhiệm vụ của trạm là phát hiện tình trạng có pallet (chân đế di chuyển trên
băng tải dùng để chứa sản ph m trên đó khi vận chuyển trong hệ thống sản xuất) để thông báo cho
ROBOT cung cấp phôi phục vụ sản xuất. ROBOT, đã đƣợc lập trình s n đƣờng đi, có khả năng nhận biết
thông tin từ trạm và điều khiển băng tải phụ cung ứng phôi để gắp đặt trên pallet khi cần thiết.
Trạm đóng nắp: Bao gồm một hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng PLC S7-1200, đƣợc thiết kế tích
hợp với hai cảm biến (nhận biết có pallet và nhận biết có phôi trên pallet) và một hệ thống cơ cấu khí nén
cho phép chặn giữ pallet đã có phôi và cung cấp nắp hộp cho các phôi.
Trạm kiểm tra lỗi: Bao gồm một hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng PLC S7-1200, tích hợp thêm các
cảm biến nhận biết có pallet với phôi và nắp, cảm biến màu sắc than phôi và màu sắc nắp phôi (các màu
phân biệt dƣới dạng trắng/ đen). Tùy theo yêu cầu lắp ráp của ngƣời dùng về màu sắc và trạm sẽ thông báo
tình trạng lỗi hay tốt của sản ph m về trạm thành ph m cuối cùng.
Trạm thành phẩm: Bao gồm một hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng PLC S7-1200 giao tiếp với
ROBOT công nghiệp và một hệ thống cảm biến nhận biết thành ph m. ROBOT đã lập trình trƣớc đƣờng
đi cho phép nhận biết thông tin sản ph m tốt hoặc lỗi từ trạm, từ đó gắp sản ph m trên pallet và sắp xếp
đúng vị trí qui định.
Trạm kiểm tra lỗi
Trạm thành ph m
(ROBOT 2)
Trạm đóng nắp
Trạm cấp phôi
(ROBOT 1)
Máy chủ với giao diện
điều khiển dùng
WINCC
Hình 1. Hệ thống thực hành CIM/FMS
3. NỘI DUNG CÁC BÀI THỰC HÀNH FMS VÀ CIM
Hệ thống thiết kế có thể sử dụng triển khai các bài thực hành điều khiển cơ bản, thực hành truyền thông
công nghiệp cũng nhƣ các bài thực hành FMS và CIM.
3.1 Thực hành FMS
Xây dựng giải thuật điều khiển cho thực hành sản xuất linh hoạt (FMS) bằng một phần mềm mềm điều
khiển trên máy tính đƣợc thiết kế dùng phần mềm WINCC, cho phép ngƣời dùng đặt ra các yêu cầu sản
xuất các loại sản ph m: a) phôi trắng - nắp trắng; b) phôi trắng - nắp đen; c) phôi đen – nắp đen; d) phôi
đen – nắp trắng.
1449
Hình 2. Giải thuật điều khiển mô tả sản xuất FMS. ST1 – ST4: trạm điều khiển 1 đến 4; SP: sản ph m;
RB1: ROBOT cấp mẫu; RB2: ROBOT xử lý thành ph m
Hệ thống cho phép quản lý sản xuất theo 4 yêu cầu giả định nhƣ trên. Dựa vào yêu cầu cụ thể xủa ngƣời
sử dụng và hệ thống tự động vận hành qui trình sản xuất từ khâu cấp mẫu ở trạm 1, đến đóng nắp ở trạm 2,
kiểm lỗi ở trạm 3 và trạm xử lý thành ph m 4. Giải thuật thực hiện quá trình điều khiển toàn hệ thống
đƣợc thể hiện nhƣ ở Hình 2. Tại trạm 1, hệ thống cảm biến cảm nhận có pallet hay không, nếu có và trạng
thái trạm 2 đang rỗi, hệ thống sẽ yêu cầu ROBOT1 gắp phôi đặt vào pallet phục vụ quá trình sản xuất. Tại
trạm 2, hệ thống cảm biến dò tìm các pallet đã có phôi, tiến hành thao tác cấp phôi thông qua hệ thống khí
nén đồng thời cũng thông báo tình trạng bận/ rảnh về trạm 1. Tại trạm 3, hệ thống điều khiển nhận lệnh
phân biệt sản ph m đúng sai từ giao diện ngƣời dùng (ví dụ: phôi trắng – nắp đen, thì các màu khác xem
nhƣ lỗi); thông qua hệ thống cảm biến màu sắc sẽ nhận biết sản ph m tốt hay lỗi và truyền thông tin về
trạm 4. Trạm 4 là khâu xử lý thành ph m nhờ ROBOT 2 và dựa trên thông tin từ trạm 3.
3.1 Thực hành CIM
Hình 3. Giải thuật điều khiển mô tả sản xuất CIM. SP: sản ph m; N: số sản ph m cần sản xuất trong thời gian H;
H: thời gian cần thiết để sản xuất ra N sản ph m; ST1, ST4: các trạm điều khiển 1 và 4; RB1, RB2: ROBOT 1
và ROBOT 2; BT: Băng tải vòng.
1450
Bài toán sản xuất CIM yêu cầu điều khiển tối ƣu qui trình sản xuất để đáp ứng sản lƣợng đặt ra về thời
gian và số lƣợng. Giải thuật điều khiển mô tả nhƣ Hình 3, trong đó sử dụng chỉ trạm 1 (cấp phôi tròn) và
trạm 4 (xử lý thành ph m). Đầu vào sản xuất là yêu câu ngƣời dùng, bao gồm số sản ph m cần sản xuất
(N) và thời gian sản xuất xong số sản ph m đó (H), đƣợc đƣa vào từ máy tính thông qua một giao diện
ngƣời dùng đơn giản dùng phần mềm WINCC. Dựa trên số liệu đầu vào và cấu hình công suất của các
khâu, hệ thống điều khiển sẽ tính toán đƣợc có đáp ứng đƣợc yêu câu hay không, nếu đáp ứng đƣợc sẽ lập
tức cài đặt các thông số công suất sản xuất cho các khâu. Tuy nhiên trong quá trình sản xuất sẽ phát sinh
một số vấn đề: a) sản ph m bị dồn ứ quá nhiều (nhận biết bằng hệ thống cảm biến trạm 4); b) sản ph m
lỗi; c) tiến độ sản xuất chậm. Tùy theo từng ngữ cảnh cụ thể mà hệ thống tự điều tiết qui trình sản xuất cho
phù hợp dựa trên việc cài đặt lại các thông số công suất của các khâu thành phần nhƣ: tăng/giảm tốc RB1,
RB2 hoặc BT để sao cho đảm bảo tiến độ theo yêu cầu.
4. KẾT LUẬN
Mô hình tự động hoá dây chuyền sản xuất FMS/CIM phục vụ đào tạo đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt ra ban
đầu. Mô hình đƣợc thiết kế chế tạo bao gồm: Băng tải chính (kích thƣớc 2000 (D) x 1350 (R) x 850 (C)
mm) có đặt 4 trạm giao diện, cho phép kết nối các robot 5 bậc tự do. Hệ thống đƣợc kết nối có dây và
không dây theo chu n truyền thông công nghiệp Profinet. Hệ thống đƣợc chế tạo cho phép triển khai các
bài thực hành cơ bản về tự động hóa cũng nhƣ cũng đã kiểm chứng các bài thực hành mô tả qui trình sản
xuất tích hợp công nghiệp CIM/FMS. Ngoại trừ bộ điều khiển S7-1200 của hang SIEMENS, các thành
phần còn lại bao gồm cả ROBOT đƣợc sản xuất tại Việt Nam do đó giá thành hệ thống hoàn toàn chấp
nhận đƣợc đối với các cơ sở đào tạo về tự động hóa trong nƣớc.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] SIEMENS Simatic Totally Integrated Automation, Tech.Doc. 2010.
[2] YOKOGAWA / CENTUM CS 3000 R3 – DSC Integrated Automation System, 2002.
[3] Kalpakjian, Serope; Schmid, Steven (2006), Manufacturing engineering and technology (5th ed.),
Prentice Hall, p. 1192, ISBN 978-7-302-12535-8.
[4] Laplante, Phillip A. (2005), Comprehensive dictionary of electrical engineering (2nd ed.), CRC
Press, p. 136, ISBN 978-0-8493-3086-5.
[5] GS. Trần Văn Địch, Sản xuất linh hoạt FMS và tích hợp CIM, Nhà xuất bản: NXB Khoa học và kỹ
thuật, 2015.
[6] Nguyễn Ngọc Lâm, Nguyễn Xuân Quỳnh, Nghiên cứu xây dựng hệ thống tự động hoá tích hợp tối
ƣu, phù hợp với điều kiện Việt Nam cho doanh nghiệp loại hình sản xuất – kinh doanh, Báo cáo đề
tài cấp Nhà nƣớc, mã số: KC.03-10, Vielina, 2004.
[7] Festo-didactic, http://www.festo-didactic.com/int-en/learning-systems/learning-factories,cim-fms-
systems/icim, 2018
[8] Intelitek, Dinamic Solutions, Computer Integrated Manufacturing & Flexible Manufacturing
[9] Lucas-Neuller, Automation Technology, Computer Integrated Manufacturing , Product
1451
5 trang
11760
Free
Bạn đang xem tài liệu "Hệ thống thực hành về dây chuyền sản xuất tích hợp trong công nghiệp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- he_thong_thuc_hanh_ve_day_chuyen_san_xuat_tich_hop_trong_con.pdf
