Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống dây chuyền tự động hóa sản xuất phục vụ thí nghiệm tại trường cao đẳng nghề cơ điện-Xây dựng và nông lâm trung bộ

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG HÓA SẢN XUẤT PHỤC VỤ THÍ NGHIỆM TẠI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CƠ ĐIỆN-XÂY DỰNG VÀ NÔNG LÂM TRUNG BỘ DESIGN AND FABRICATION OF A MODEL OF AUTOMATED PRODUCTION FOR EXPERIMENT AT VOCATIONAL COLLEGES AND CONSTRUCTION OF ELECTICTY-CENTRAL AGROFORESTRY Tác giả: HÀ VĂN NGỌC Giảng viên Khoa kỹ thuật điện Trường cao đẳng nghề cơ điện- xây dựng và nông lâm Trung Bộ. TÓM TẮT Với đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống dây chuyền tự động hóa sản xuất sản xuất phục vụ thí nghiệm tại Trường cao đẳng nghề cơ điện- xây dựng và nông lâm Trung Bộ. ”, tôi xây dựng mô hình đặc trưng của một hệ thống sản xuất tự động hiện đại với sự kết hợp của các cơ cấu cơ khí, truyền động khí nén, điều khiển và giám sát bằng PLC-s7-200. Việc sử dụng ngôn ngữ lập trình cấu trúc LADER và điều khiển giám sát qua WinCC tạo cho đề tài có tính linh hoạt và đáp ứng được các yêu cầu thí nghiệm tiên tiến. Hệ thống các bài tập thực hành được xây dựng trên nguyên tắc linh hoạt, có tính mở nhằm phát huy tối đa khả năng của mô hình, đồng thời giúp sinh viên chủ động trong việc thiết kế. Mô hình sẽ phục vụ học tập Trường cao đẳng nghề cơ điện- xây dựng và nông lâm Trung Bộ ABSTRACT With the theme "Design and fabrication a line model system to automate manufacturing production at vocational colleges and construction of electicty-central agroforestry. ", we construct a specific model of an automatic system of modern production, which is a combination of the mechanical structure, pneumatic transmission, controlled and monitored by PLC. The use of structural programming language LADER, control and supervision over the WinCC makes the model flexible and satisfying the requirements of advanced experiments. The system of exercises are built on the principle of flexible, open to maximize the ability of the model, and helping students actively in the design. The model will serve the study and the scientific research of the students of the vocational colleges and construction of electicty-central agroforestry. 1. Mở đầu 1.1. Giới thiệu chung Ngày nay với nền khoa học tiên tiến, các thiết bị công nghệ cao thì vấn đề tự động hoá quá trình sản xuất đóng một vai trò quan trọng và ngày càng phát triển. Bên cạnh đó tự động hoá dây chuyền sản xuất ngày càng đòi hỏi phức tạp hơn, nhiều tính năng công nghệ cao nhằm giám sát và nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm bớt được nhân công lao động. Vì vậy để sử dụng , khai thác và vận hành làm chủ được công nghệ thì vấn đề đặt ra cho các Trường đào tạo nghề phải nâng cao được chất lượng đào tạo, phải đáp ứng được nhu cầu thực tế. Với đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống dây chuyền tự động hóa sản xuất phục vụ thí nghiệm và thực hành tại Trường Cao Đẳng Nghề Cơ điện-XD & Nông lâm Trung Bộ ”, tôi xây dựng mô hình đặc trưng của một hệ thống sản xuất tự động hiện đại với sự kết hợp của các cơ cấu cơ khí, truyền động khí nén, điều khiển và giám sát bằng PLC S7-200. Việc sử dụng ngôn ngữ lập trình cấu trúc LADvà điều khiển giám sát qua WinCC tạo cho đề tài có tính linh hoạt và đáp ứng được các yêu cầu thí nghiệm và thực hành tiên tiến. Hệ thống các bài tập thực hành được xây dựng trên nguyên tắc linh hoạt, có tính mở nhằm phát huy tối đa khả năng của mô hình, đồng thời giúp sinh viên chủ động trong việc thiết kế, thí nghiệm thực hành tổng quát ở các môn học liên quan đến Truyền động khí nén, điều khiển logic, thiết lập giao diện HIM. . Mô hình sẽ phục vụ học tập và thí nghiệm, Trường Cao Đẳng Nghề Cơ điện-XD & Nông lâm Trung Bộ. 1.2. Phương pháp nghiên cứu Qúa trình tìm hiểu các mô hình cùng chủng loại đã được chế tạo dành cho việc thực hành ở các trường, việc tham khảo các mô hình của các công ty nước ngoài thông qua Internet, và tình hình thực tế ở Trường Cao Đẳng Nghề Cơ điện-XD & Nông lâm Trung Bộ, tôi đã lựa chọn được phương án thiết kế mô hình tối ưu. Đó là phương án vừa tính đến hiệu quả kinh tế, vừa tính đến hiệu quả sử dụng. Xây dựng mô hình thiết kế trên phần mềm AutoCad 2010. Và sau đó tiến hành việc thi công, chế tạo từng chi tiết của mô hình, rồi tiến hành lắp ráp theo đúng bản vẽ thiết kế. Tiến hành xây dựng các chương trình điều khiển trên ngôn ngữ LAD tiêu chuẩn và chọn cấu trúc chương trình tối ưu. Lập trình trên S7- 200 và mô phỏng. Xây dựng chương trình điều khiển giám sát trên WinCC và mô phỏng. Download chương trình kiểm tra. Xây dựng hệ thống các bài tập mẫu. 1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Mô hình mà chúng tôi đã hoàn thành sẽ đóng góp vào cơ sở vật chất để phục vụ giảng dạy, thực hành thí nghiệm tại Trường Cao Đẳng Nghề Cơ điện-XD & Nông lâm Trung Bộ, mặt khác, việc thi công, thực hiện những yêu cầu đặt ra đã giúp tôi có thêm nhiều kiến thức bổ ích về các lĩnh vực: cơ khí, tự động hóa, cơ điện tử … 2. Nội dung 2.1. Lựa chọn phương án thiết kế Trong phạm vi một mô hình hệ thống dây chuyền tự động hóa sản xuất phục vụ cho việc dạy và học, ta không thể đưa tất cả các bộ phận thực trong hệ thống đó. Các hãng sản xuất mô hình hệ thống sản xuất tự động dùng để dạy học thường chia hệ thống ra hàng chục mô đun khác nhau, với mỗi mô đun có giá bán từ 30. 000 – 80. 000 USD, báo giá của các công ty trong nước từ 300 triệu đồng đến 350 triệu đồng tùy theo độ phức tạp của module. Trong khuôn khổ của môhình này với kinh phí không nhiều chúng tôi lựa chọn thiết kế và chế tạo một module thể hiện một phần của hệ thống sản xuất tự động gồm các khâu chính sau: i) Khâu cấp lọ; ii) Khâu di chuyển lọ bằng mâm xoay.iii) Khâu rót liệu; iv) Khâu robot thả nắp; v) Khâu đóng nắp; vi) Khâu robot gắp lọ; vii) Khâu vận chuyển trên băng tải; viii) Khâu phân loại sản phẩm; ix) Chuyển lọ vào từng vị trí của két đựng lọ. 2.2. Thiết kế mô hình Khi tiến hành việc thiết kế mô hình “mô hình hệ thống dây chuyền tự động hóa sản xuất ”, tôi đã tự đặt ra một số tiêu chí cần đạt được như sau: Mô hình phải đặc trưng được cho những dây chuyền, hệ thống sản xuất tự động thông dụng nhất. Cho phép sinh viên thực hành điều khiển trên các thiết bị điều khiển khả lập trình thông dụng và nâng cao như S7-200, S7-300, WinCC, ngôn ngữ lader và grafcet tiêu chuẩn. Lắp ráp mạch khí nén, đấu nối mạch điện điều khiển dễ thao tác. Cài đặt biến tần cho động cơ kéo băng tải, điều khiển động cơ bước 5 pha. Sử dụng các vật tư, thiết bị, linh kiện thông dụng để dễ dàng thay thế sữa chữa. Đảm bảo tính thẩm mỹ và gọn gàng. Các phần truyền động, kết nối phải đảm bảo bền và cứng vững. Tuổi thọ của mô hình phải cao. Với những tiêu chí trên, chúng tôi đã tiến hành thiết kế, chế tạo mô hình như hình 1. · Vật liệu dùng làm các băng chuyền là loại đai vãi, có tính đàn hồi cao, ma sát khá lớn. Động cơ được chọn dùng để truyền động cho hệ thống bánh đai là loại động cơ có mômen truyền động lớn, số vòng quay nhỏ, độ tự hãm lớn. · Các cảm biến được lắp ở vị trí cần thiết nhất: trên băng tải – cảm biến quang, trên các khâu – cảm biến từ, cảm biến màu, cảm biến điện dung…. · Các cơ cấu: hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm, khâu cấp lọ, khâu cấp liệu, cánh tay robot thả nắp, khâu đóng nắp, cánh tay robot gắp lọ, khâu vận chuyển lọ, khâu phân loại, khâu xắp xếp lọ vào két, là các loại pittông 1 chiều, 2 chiều , pittong xoay được điều khiển bởi các van solenoid nhằm tăng độ tin cậy và độ chính xác điều khiển. · Vị trí các cơ cấu của mô hình được bố trí hợp lý như hình 1 nhằm tối ưu hóa kích thước, khối lượng cũng sự đảm bảo về tính mỹ thuật cho mô hình. 2.3. Thiết kế hệ điều khiển - Chọn hệ điều khiển là PLC S7-200, điều khiển giám sát qua WINCC 6.0 - Ứng dụng điện khí nén trong điều khiển, và vi điều khiển trong điều chỉnh tốc độ của động cơ, và động cơ bước. - Chọn ngôn ngữ ngôn ngữ Lad để xây dựng chương trình điều khiển. 3. Kết quả đạt được 3.1. Mô hình Hình 3: Mô hình đã hoàn thành và đưa vào thí nghiệm và thực hành - Khi nhấn nút start hệ thống làm việc. Vỏ lọ được cấp từ xilo chứa xuống mâm xoay, mâm xoay quay đi 1 góc 60 độ, lọ được di chuyển đến vị trí khâu cấp liệu (chất lỏng được lấy từ bồn chứa A) qua van điện từ, nhiên liệu từ bồn chứa A chảy vào lọ, mức nhiên liệu vào lọ được khống chế bởi một trong các trường hợp sau: sensor điện dung, rơle thời gian hoặc cảm biến trọng luợng (loadcell). Tùy thuộc vào chương trình điều khiển. Khi nhiên liệu vào lọ đủ thể tích thì van xả nhiên liệu đóng lại, mâm xoay lại quay 1 góc 60 độ đến đúng vị trí cơ cấu thả nắp thì tay máy gắp nắp đóng vào lọ, mâm xoay lại quay đi 1 góc 60 độ tiếp theo đến vị trí đóng chặt nắp, mâm xoay lại quay đi 1 góc 60 độ, mâm xoay lại quay đi 1 góc 60 độ tiếp theo đến vị trí tay máy gắp lọ sang băng chuyền để vận chuyển đến khâu sắp xếp (Phần ghép nối với môdul máy CNC có sẵn). Trên băng chuyền có đặt các sensor kiển tra lỗi và cơ cấu phân loại sản phẩm theo 3 loại như sau: Loại 1: Sản phẩm lọ không có nắp. Loại2: Sản phẩm có nắp chưa có nhãn Loại 3: Sản phẩm lọ có nắp có nhãn Trong đó Loại 1 và loại 2 được các Xilanh loại ra trên 2 khay đựng. Loại 3 được băng tải chuyển sang khâu sắp xếp thành phẩm khâu này được tay máy gắp vào các vị trí trên khay đựng. Trong quá trình làm việc nếu nhiên liệu trên bể chứa A mà giảm xuống mức giới hạn dưới thì động cơ bơm nhiên liệu làm việc, bơm nhiên liệu từ bể chứa B lên bể chứa A, mức nhiên liệu trên bể chứa A tăng dần đến giới hạn trên thì dừng bơm, quá trình cứ như vậy trong suốt quá trình làm việc. Sơ đồ mặt bằng qui trình công nghệ Khâu cấp chai Khâu cấp liệu Khâu đóng nắp Tay máy Mâm xoay Băng tải phân loại Kiểm tra SP Xi lanh Bảng điều khiển in nhãn Máy CNC Két - Khi ấn phím dừng hệ thống thì các khối chức năng sẽ bị vô hiệu hóa và các đầu ra cũng được reset. 3.2. Các bài tập thực hành mẫu - Bài tập 1: Bài toán thực hành về các tập lệnh cơ bản như Timer, ứng dụng trên mô hình. - Bài tập 2: Bài tập thực hành về tập lệnh Counter ứng dụng trên mô hình. - Bài tập 3: Bài tập về các lệnh phát xung tốc độ cao. - Bài tập 4: Bài tập về điều khiển động cơ bước 5 pha và động cơ điện xoay chiều 3 pha. - Bài tập 5: Chạy tự động toàn bộ hệ thống - Bài tập 6: Bài tập về điều khiển và cài đặt biến tần - Bài tập 7 : Bài tập về đấu nối các loại sensor thông dụng - Bài tập 8: Bài tập về đấu nối các mạch khí nén và các van điện từ - Bài tập 9: Bài tập về điều khiển tự động bơm nước lên bể chứa sử dụng sensor mức - Bài tập 10: Bài tập về điều khiển và giám sát hệ thống bằng màn hình cảm ứng PROFACE - Bài tập 11: Bài Tập về điều khiển và giám sát hệ thống bằng phần mềm WINCC 6.0 Ứng dụng các kiến thức từ các bài toán trên ta thiết lập chương trình chạy cho toàn hệ thống băng tải. Ở đây người dùng sẽ xây dựng chương trình là tập hợp của các khối chức năng khác nhau, đại diện cho từng khối trong mô hình (giống như các chương trình con). Bài toán này giúp sinh viên làm quen với cấu trúc của lệnh gọi các khối như: khối ON/OFF, khối Cấp lọ, khối cấp liệu….. Nhận xét chung: Khi chạy chương trình, từ LAD ta có thể quan sát một cách dễ dàng các thao tác đang được thực hiện trên dây chuyền và vị trí của các cơ cấu trên dây chuyên đó. Vì thế nó có thể giúp cho người điều khiển dễ dàng nhận biết các sự cố và khắc phục chúng một cách nhanh chóng. 3.3. Giao diện điều khiển giám sát Giao diện điều khiển giám sát được thực hiện trên Graphic Designer trong WINCC 6.0. Thực hiện việc kết nối các biến vào ra của PLC với các biến internal và external của Wincc, từ đó ta có thể mô phỏng được một cách chính xác các hoạt động của hệ thống và điều khiển nó thông qua màn hình máy tính. Giao diện điều khiển và giám sát được chúng tôi thiết kế theo từng module, do đó, với mỗi bài toán liên quan đến từng module cụ thể (băng tải , cánh tay robot…), ta có thể click vào các nút trên các module tương ứng để chuyển giao diện của màn hình sang dạng chỉ bao gồm 1 module duy nhất. Điều đó thuận tiện cho việc quan sát mô hình theo từ đơn giản đến phức tạp và thực hành các bài toán điều khiển trên các giao diện khác nhau. Giao diện điều khiển giám sát cũng tích hợp các chức năng điều khiển riêng lẻ từng thiết bị: pittong, cánh tay robot, quan sát việc nhận tín hiệu từ cảm biến. Bên cạnh đó, tôi cũng thiết kế thêm phần hiển thị các thông tin khi vận hành: số lượng sản phẩm , số loại sản phẩm , số loại sản phẩm không đạt…. Mặt khác, chúng tôi cũng thiết kế giao diện theo hướng vẫn có thể thực hành, thao tác trên giao diện mà không cần có mô hình thực tế. 4. Lợi ích kinh tế -xã hội: Nhiều năm qua, phong trào tự làm thiết bị dạy học và cải tiến, khai thác hiệu quả thiết bị được đầu tư ở trường Cao đẳng nghề CĐ-XD và Nông lâm Trung Bộ luôn được duy trì, chất lượng của phong trào ngày càng cao cả về qui mô và hiệu quả sử dụng. Đặc biệt trong năm học 2008-2009 căn cứ vào yêu cầu và nội dung của từng môđul đào tạo, ngay từ đầu năm học các khóa đã có kế hoạch làm các thiết bị dạy học còn thiếu để đáp ứng yêu cầu đào tạo, mô hình “MÔ HÌNH HỆ THỐNG DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG HÓA SẢN XUẤT” là một trong những thiết bị đó. Mô hình này đã đem lại hiệu quả nhất định: a. Về kinh tế: - Nguyên vật liệu đều là những kim loại dễ tìm, có thể tận dụng vật tư thực tập để làm, Khoảng trên 50% thiết bị thiết bị là hàng cũ trên thị trường vì vậy chi phí để chế tạo chỉ tốn có 120,000,000 VND, trong đó gía thị trường: 347,200,000 VND , như vậy đã tiết kiệm cho trường hàng trăm triệu đồng. b. Về xã hội: - Học sinh có đủ thiết bị để thực tập , không phải chờ khi nhà trường có kinh phí mới trang bị. - Thiết bị đã đáp ứng được yêu cầu đào tạo chương trình khung kịp thời. - Áp dụng tốt trong đào tạo nâng cao được tay nghề, giảm được thời gian và chi phí đi thực tập ở các nhà máy có các dây chuyền sản xuất tự động. c. Về giáo dục: Thiết bị đưa vào sử dụng đã đáp ứng rõ rệt yêu cầu đào tạo, cụ thể đã rút ngắn được thời gian thực tập và hiệu quả sử dụng cao, thuận tiện cho nhiều môn học, bài học khác nhau. Giúp học sinh dễ quan sát, tiếp thu bài giảng và vận dụng tốt khi thực hành, từ đó tay nghề học sinh được nâng lên.. Giáo dục cho học sinh ý thức lao động sáng tạo, luôn tìm tòi học hỏi, sáng kiến tiết kiệm trong lao động sản xuất và học tập. 5. Tính sáng tạo của mô hình: - Trên cùng một mô hình có 3 chế độ vận hành (vận hành bằng các nút nhấn, vận hành, giám sát và điều khiển bằng màn hình giao diện Pro-face, và Touch Screen, Win cc 6.0 - Sử dụng sensor từ thay thế sensor kiểm tra mức chất lỏng đơn giản và tiết kiệm chi phí - Bảng đấu nối và điều khiển đã thể hiện được gần hết các thiết bị, dễ dàng cho việc quan sát và thực hành đấu nối các bài tập lien quan. - Sử dụng mặt bàn lắp ghép bằng nhôm định hình có lợi thế gá lắp mô hình có tính mở rộng bài thực hành: Có thể đưa thêm Loadcell vào mô hình để định lượng nhiên liệu dạng bột do vậy mô hình có thể thực hành được bài tập về tín hiệu Analog có sử dụng môdul mở rộng EM 235. - Sử dụng các công tắc 3 vị trí tạo Pan cho các bài tập, giúp học sinh có tính tư duy sáng tạo và tính độc lập khi vận hành, sửa chữa mạch điện. 6. Kết luận và hướng phát triển - Kết luận + Qua việc sử dụng LAD tiêu chuẩn để xây dựng chương trình điều khiển, chúng tôi thấy rằng: LAD rất thuận tiện cho các chương trình điều khiển hệ thống tuần tự, thể hiện ở sự trực quan, tính linh hoạt, dễ gỡ rối. + Mô hình hoạt động tốt, phần điều khiển linh hoạt. + Xây dựng được mô hình bàn thí nghiệm đạt được các mục tiêu đã đề ra ban đầu. - Hướng phát triển + Đề tài này cũng có thể được nhân rộng ra cho hoạt động thí nghiệm và học tập ở các trường Đại học, Cao đẳng có đào tạo về điều khiển tự động và các môn học liên quan đến điện khí nén, PLC, WINCC, Mô hình có thể lắp đặt thêm khâu dán nhãn sản phẩm.. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS. TS. Phạm Đắp, PGS. TS. Trần Xuân Tuỳ, Điều khiển tự động trong các lĩnh vực cơ khí, Nhà xuất bản Giáo dục. [2] Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm, Thiết kế chi tiết máy, Nhà xuất bản Giáo dục. [3] PTS. Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển bằng khí nén, Nxb. Giáo Dục 1999. [4] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, Tự động hóa với SIMATIC S7-300, Trung tâm hợp tác đào tạo Bách khoa Hà Nội SIEMENS. [5] Nguyễn Tấn Phước, Giáo trình Điện tử Kĩ thuật-Linh kiện Điện tử. Nxb. TP. Hồ Chí Minh.