Chương 1: Tổng quan Trong chương này nhóm trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu, các mục tiêu, đối tượng, ứng dụng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 2 trình bày tổng quan về hệ thống, các ưu nhược điểm và công nghệ liên quan đến hệ thống. Ngoài ra còn trình bày tổng quan về một số thiết bị được sử dụng trong hệ thống. Chương 3: Thiết kế phần cứng Trong chương này trình bày những yêu cầu về thiết kế phần cứng, đưa ra quy trình hoạt động của hệ thống, lựa chọn các thiết bị cũng như đưa ra các thông số kỹ thuật chính của thiết bị.
Chương 4: Thiết kế phần mềm Ở Chương này sẽ trình bày về những yêu cầu thiết kế phần mềm để viết chương trình, thiết kế màn hình HMI điều khiển, giám sát cho toàn hệ thống và thiết kế web bằng phần mềm node-red. Ngoài ra còn trình bày về cách cấu hình cho PLC, Driver, Iot Gateway kết nối qua giao thức truyền thông Profinet và cảnh báo lỗi đến người dùng. Chương 5: Lập trình điều khiển và kết quả Trong chương này nhóm sẽ trình bày kết quả đã đạt được của hệ thống, giao diện điều khiển HMI, kết quả mô phỏng và chạy thực tế. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Trong chương này nhóm sẽ trình bày ưu, nhược điểm của hệ thống và đưa ra một số định hướng phát triển trong tương lai để nâng cao chất lượng cũng như ứng dụng đa dạng hệ thống vào thực tế.
Ngoài ra, phần cuối của báo cáo là mục tài liệu tham khảo và phụ lục. Cơ Sở Lý Thuyết Quá trình thiết lập, phân tích và xử lý là một phần quan trọng trong hệ thống tự động hóa. Ở chương này, sẽ trình bày tổng quan, ưu nhược điểm của hệ thống từ đó đưa ra yêu cầu công nghệ của hệ thống. Trình bày tóm tắt, sơ lược về một số thiết bị và công nghệ đã lựa chọn như: Bộ điều khiển PLC, bộ điều khiển servo motor (Driver), sevor motor và step motor.1 Tổng quan về hệ thống Robot Gantry 3 trục sử dụng sự kết hợp trong di chuyển của các bộ truyền động tuyến tính tạo nên những chuyển động linh hoạt trong một không gian ba chiều nhất định.
Hệ thống Robot Gantry 3 trục bao gồm: Bộ controller Trung tâm – bộ não của robot Gantry. Nó có chức năng truyền tải tín hiệu số đến các motor servo Driver và các cổng I/O để điều khiển cho cả hệ thống di chuyển và thao tác đúng theo như chương trình đã được lập trình từ trước. Bao gồm 4 motor, mỗi motor sẽ đảm nhận điều khiển chuyển động của mỗi trục X-Y-Z và 1 cơ cấu chấp hành. Đa số Robot Gantry thường được cố định trên giàn trong dây chuyền sản xuất để thực hiện các thao tác từ trên cao.
Kích thước của Robot Gantry có thể lớn hoặc nhỏ tùy theo mục đích và nhu cầu thực tế của dây chuyền. Ưu điểm: Năng suất tương đối cao, cùng với khả năng di chuyển một cách chính xác về vị trí lẫn tốc độ trong lúc vận hành tùy theo yêu cầu khách hàng. Chi phí đầu tư thấp, giảm thiểu chi phí lao động và tiết kiệm điện năng, hệ thống điều khiển đơn giản. Độ bền cao, hoạt động ổn định, dễ dàng bảo trì, thiết kế theo hệ kín nên hoàn toàn có thể đưa vào kết hợp với các khâu trong dây chuyền sản xuất tự động.
Không gian làm việc linh hoạt, đối với loại gắn trên trần sẽ dành được diện tích làm việc lớn cho các khâu công việc khác ở dưới. Có nhiều lợi thế đáp ứng các nhu cầu về hành trình, tải trọng và tốc độ trong hầu hết các ứng dụng tự động hóa. Trong thực tế, hệ thống gantry robot 3 trục đang được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều ngành nghề. Nhược điểm: Cần đảm bảo không gian làm việc của hệ thống không vướng vật cản trên đoạn đường di chuyển của robot.
10 Hạn chế trong việc di chuyển đối với một số ứng dụng yêu cầu việc điều hướng di chuyển linh hoạt hơn là 3 hướng XYZ. Thiết kế của máy cố định nên khó di chuyển để kết hợp với những dây chuyền sản xuất tự động khác. Nếu hoạt động ở môi trường làm việc quy mô lớn, cần nhiều thao tác phức tạp để thực hiện thì việc điều khiển hệ thống đáp ứng đầy đủ yêu cầu sẽ trở nên khó khăn. Công nghệ của hệ thống là quy trình nhận và gửi tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm (PLC) thông qua giao thức mạng Profinet.
Các bộ truyền động tuyến tính di chuyển theo 3 hướng vuông góc với nhau. Robot Gantry 3 trục với thiết kế dùng hai bộ truyền động cho một phương chuyển động (phương X), truyền động tuyến tính song song và di duyển cùng chiều khiến hệ thống trở lên lý tưởng hơn cho các động tác gắp – thả những kiện hàng với tải trọng lớn. Nó giúp robot trở nên vững hơn, cứng cáp hơn, phù hợp với yêu cầu cấu tạo của một số dây chuyền sản xuất trong công nghiệp. Đối với robot gantry với thiết kế nhân đôi bộ truyền động ở trục X, mômen tải tác động lên bánh xoay của bộ truyền động thuộc trục Y và Z sẽ được cân bằng bởi hai trục truyền động phương X.
Vì mômen đã được tiêu hao nên hành trình và tốc độ của robot cũng sẽ được tăng lên.2 Tổng quan về thiết bị 2.1 Tổng quan về bộ điều khiển PLC Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) cho đến nay đã có thể lập trình bằng ngôn ngữ cấu trúc lệnh (STL), sơ đồ hình thang (LAD), sơ đồ khối (FBD). Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như: Allen-Bradley, Omron, Mitsubishi, Panasonic, Delta,… Mỗi hãng đều cung cấp cho người dùng một phần mềm chương trình chuyên dụng riêng để lập trình và mô phỏng PLC cho từng dòng của họ. Với mỗi dòng PLC của từng hãng khác nhau đều có những ưu và nhược điểm riêng tùy theo hệ thống mà ta sử dụng. PLC Allen-Bradley được biết đến với khả năng chịu nhiệt tốt, khả năng hoạt động của máy ổn định, tuy giá thị trường cao nhưng tuổi thọ hoạt động vô cùng kinh ngạc.
Vì vậy PLC Allen-Bradley được các nhà máy lựa chọn ưu tiên trong môi trường tương đối khắc nghiệt (nhiệt độ cao, môi trường biển, nóng, ẩm,…) và đòi hỏi tính ổn định cao, ví dụ như trong ngành dầu khí, điện,… Hình 2.1 PLC Allen-Bradley 11 PLC OMRON tích hợp nhiều tính năng trong một sản phẩm như cổng truyền thông, analog, tích hợp board mở rộng qua cổng jack trên CPU và mở rộng bằng dây cáp.Hiện nay có thể phân loại các dòng PLC OMRON thành hai loại như sau: Loại thứ nhất là dạng module sử dụng cho một số ứng dụng phức tạp hỗ trợ nhiều tập lệnh liên quan tới điều khiển vị trí. Loại thứ hai phổ biến hơn rất nhiều đó là PLC dạng tích hợp, loại này có đầy đủ in/out và có cổng mở rộng module để sử dụng cho một số loại máy móc từ đơn giản đến mức trung bình. PLC OMRON PLC Mitsubishi có ưu điểm lớn về giá thành, chất lượng sản phẩm và khả năng đáp ứng đa dạng các cấu hình yêu cầu các tính năng như: Giao tiếp truyền thông, ngõ vào ra tương tự, bộ đếm ngõ vào tốc độ cao, ngõ ra phát xung tốc độ cao, các module đọc nhiệt độ, load cell,…Module mở rộng có nhiều chủng loại như: Analog, xử lý nhiệt độ, điều khiển vị trí, các module mạng như CC-link, Profibus,….Một số dòng PLC Mitsubishi thông dụng: PLC Mitsubishi FX1N, PLC Mitsubishi FX2N, PLC Mitsubishi FX1S, PLC Mitsubishi FX3G, PLC Mitsubishi FX3U, PLC Mitsubishi FX5U Hình 2.PLC Mitsubishi 12 PLC Siemens S7-1200 là một dòng PLC mới của Siemens, được thiết kế dạng module nhỏ gọn, linh hoạt, có một giao tiếp diện truyền thông đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất của truyền thông công nghiệp. Đặc điểm nổi bật là PLC S7-1200 được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet) có thể giao tiếp với: Các thiết bị lập trình, thiết bị HMI, Các bộ điều khiển Simatic khác,….
Được ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực như: Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động, máy đóng gói, hệ thống trộn, trạm phân phối điện, điều khiển ánh sáng, điều khiển bơm,… Hình 2.2 Tổng quan về bộ giám sát HMI HMI (Human Machine Interface) là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành thiết kế với máy móc thiết bị. Có thể phân loại HMI theo các tiêu chí: Theo kiểu màn hình: Màn hình cảm ứng HMI và màn hình HMI không cảm ứng (TFT, LCD, Touch…); Theo kích thước: 3.5 inch, 4 inch, 7 inch, 10 inch, 12 inch, 15 inch,…; Theo dung lượng bộ nhớ: 288 KB, 1M, 2M, 10M,…; Theo cổng truyền thông: USB, RS232/RS485, Ethernet, CANbus,…; Theo giao thức truyền thông: Modbus, MQTT, Ethernet/IP, CANopen, SNMP, FTP, BACnet, M-bus, VNC,…; Theo tính năng nâng cao: SCADA, Cloud, Web server, SQL,… Dựa vào quá trình phát triển của HMI mà chúng ta có thể phân chia chúng ra làm 2 nhóm: HMI truyền thống và HMI hiện đại. HMI truyền thống: Là các dạng HMI thường bao gồm các thiết bị nhập thông tin như các loại nút bấm, bàn phím, các công tắc để chuyển mạch,… và các thiết bị dùng cho việc xuất thông tin như các loại còi báo, đèn báo, các loại máy tự ghi trên giấy,…Chính vì loại này đã xuất hiện khá lâu cũng như lúc bấy giờ khoa học kỹ thuật chưa phát triển cho nên sẽ có rất nhiều nhược điểm cần nói đến như: Các thông tin hay tín hiệu khi chúng ta nhập hoặc xóa ra sẽ không hoàn toàn đầy đủ, không có các bộ nhớ 13 lưu trữ lớn do bộ nhớ chỉ có khả năng lưu trữ thấp ảnh hưởng đến quá trình làm việc cường độ cao và lâu dài, chúng dường như hoạt động không được hiệu quả cho lắm nến người dùng ít tin cậy hơn vào chúng. HMI hiện đại thường được chia làm 2 loại chính: HMI trên nền PC và windows/Mac: SCADA, ngoài ra còn có một số màn hình biến thể khác: Mobile HMI dùng cho Palm, Pocket PC.
Chúng được nâng cấp cũng như được tối ưu trong quá trình dài nên việc có nhiều ưu điểm cũng là 1 điều hiển nhiên, cụ thể thì chúng ta có thể biết đến một số ưu điểm: Quá trình xuất hoặc nhập thông tin được dễ dàng và hoàn toàn chính xác, đầy đủ, khả năng linh hoạt cao, cho phép chúng ta có thể điều chỉnh các thông tin một cách dễ dàng, linh hoạt, hệ thống khá đơn giản, dễ vận hành sửa chữa cũng như mở rộng, có khả năng kết nối với nhiều thiết bị khác thông qua các giao thức thường thấy ngày nay, được trang bị một bộ nhớ có dung lượng cao, cho phép ta làm việc lâu dài mà không sợ thiếu nơi lưu trữ.