Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0, công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc vận hành các dây chuyền sản xuất hiện đại. Việc ứng dụng hệ thống máy móc tự động và cánh tay robot thay thế cho sức lao động thủ công của con người mang lại khả năng tăng năng suất, tiết kiệm chi phí, rút ngắn thời gian và đảm bảo an toàn lao động trong các môi trường khắc nghiệt. Tại Việt Nam, nhiều doanh nghiệp quy mô lớn như Samsung, LG, Vinfast, Toyota, Canon, Mitsubishi Electric đã đưa cánh tay robot vào quy trình chế tạo; đồng thời các đơn vị trong nước như Tech Garden, Vinabot, VinaiRobotics cũng đang từng bước cung ứng thiết bị cho thị trường. Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ này tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ còn gặp rào cản về chi phí đầu tư và năng lực đào tạo kỹ thuật vận hành, bảo trì.

Trước thực tế đó, đồ án tốt nghiệp ngành Điện Công nghiệp thuộc Bộ môn Điện – Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp (thực hiện vào tháng 4/2021) đã triển khai đề tài: "Mô hình điều khiển bằng HMI, PLC S7-1200 và servo motor".

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các phương pháp điều khiển động cơ bước lai (Hybrid Servo), bộ điều khiển logic khả trình PLC SIMATIC S7-1200 và màn hình giao diện người – máy HMI.
  2. Thiết kế giải pháp phần cứng, sơ đồ nguyên lý đấu nối mạch điều khiển, lựa chọn thiết bị đóng cắt, cảm biến và cơ cấu chấp hành khí nén.
  3. Gia công, chế tạo và lắp ráp hoàn thiện mô hình cơ khí cánh tay gắp 3 trục (X, Y, Z) cùng hệ thống tủ điện điều khiển.
  4. Lập trình điều khiển phát xung tốc độ cao PTO trên nền tảng TIA Portal V16 và thiết kế giao diện vận hành, giám sát thông số trên màn hình HMI.
  5. Thử nghiệm, hiệu chỉnh và đánh giá sự vận hành ổn định của hệ thống gắp – thả sản phẩm theo các tọa độ không gian thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình cánh tay gắp sản phẩm 3 trục chuyển động kết hợp cơ cấu kẹp phôi khí nén, hệ thống điều khiển trung tâm PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C), hệ thống driver và động cơ Hybrid Servo Fastech, cùng giao diện điều khiển giám sát HMI.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Điện – Điện tử, tập trung vào điều khiển vị trí chính xác và giám sát hoạt động phân loại/gắp thả sản phẩm quy mô đồ án tốt nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên các nền tảng lý thuyết chuyên ngành tự động hóa và kỹ thuật điện tử công nghiệp:

  1. Lý thuyết động cơ bước và động cơ bước lai (Hybrid Servo):

    • Động cơ bước (Step Motor) là động cơ đồng bộ biến đổi tín hiệu điều khiển dạng xung điện rời rạc thành chuyển động góc quay rôto. Góc bước thay đổi từ $0{,}72^\circ$ đến $90^\circ$, trong đó các góc bước thông dụng là $1{,}8^\circ$, $2{,}5^\circ$, $7{,}5^\circ$ và $15^\circ$. Động cơ bước được phân loại theo số pha (2 pha: 4/6/8 dây; 3 pha: 3/4 dây; 5 pha: 5 dây), theo cực (đơn cực, lưỡng cực) và theo cấu trúc rôto (nam châm vĩnh cửu PM, biến đổi điện trở VR).
    • Động cơ Hybrid Servo kết hợp công nghệ nam châm vĩnh cửu (PM) và biến đổi điện trở (VR), cho mô-men xoắn lớn, hạn chế hiện tượng trượt bước nhờ tích hợp bộ mã hóa xung (encoder) phản hồi vị trí về driver. Bốn phương pháp phát xung điều khiển chính gồm: điều khiển dạng sóng (Wave), bước đủ (Full step), nửa bước (Half step), và vi bước (Microstep).

  2. Hệ thống điều khiển logic khả trình PLC SIMATIC S7-1200:

    • Cấu trúc phần cứng gồm khối xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ (ROM, PROM, EPROM, EEPROM, RAM tĩnh/động), và khối quản lý ngõ vào/ra (I/O).
    • Dòng CPU 1214C tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet) chuẩn đầu nối RJ45, tốc độ truyền 10/100 Mbits/s, hỗ trợ giao thức TCP/IP, ISO on TCP và S7 protocol. CPU trang bị 6 bộ đếm tốc độ cao (High Speed Counter - HSC: 3 bộ 100 kHz, 3 bộ 30 kHz), 2 ngõ ra phát xung PTO 100 kHz điều khiển vị trí động cơ, ngõ ra điều rộng xung PWM, 16 bộ điều khiển PID có tính năng tự động hiệu chỉnh (auto-tune), bộ nhớ làm việc 50 KB work memory và 2 MB load memory.
    • Các vùng nhớ của PLC S7-1200:
Vùng nhớ Tên gọi Chức năng chính Lưu giữ Ép buộc
I Input Buffer Bộ đệm sao chép dữ liệu từ các ngõ vào vật lý đầu chu trình quét Không Không
I_:P Physical Input Đọc trực tiếp tức thời từ điểm ngõ vào vật lý trên CPU/SB/SM Không Có
Q Output Buffer Bộ đệm sao chép dữ liệu đến các ngõ ra vật lý đầu chu trình quét Không Không
Q_:P Physical Output Ghi trực tiếp tức thời đến điểm ngõ ra vật lý trên CPU/SB/SM Không Có
M Internal Memory Vùng nhớ bit nội phục vụ dữ liệu trung gian và cờ điều khiển Có Không
L Local Memory Bộ nhớ dữ liệu tạm thời cục bộ cho từng khối hàm Không Không
DB Data Block Khối dữ liệu lưu trữ tham số, trạng thái cho các khối chức năng (FB) Có Không
  1. Giao diện người – máy (Human Machine Interface - HMI):
    • Thiết bị giao tiếp giám sát quy trình sản xuất qua màn hình hiển thị và các nút thao tác cảm ứng; bao gồm phần cứng xử lý, phần mềm lập trình giao diện và cổng giao tiếp mạng công nghiệp (RS232, RS485, Ethernet).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Khảo cứu tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất Siemens (hướng dẫn vận hành S7-1200), Fastech (driver và Hybrid Servo), sổ tay người dùng HMI và các công trình khoa học quốc tế liên quan (nghiên cứu của M. Ali Sadiq và cộng sự - 2019 tại Pakistan; R. Karthick và cộng sự - 2020 tại Ấn Độ; L. Georgescu và cộng sự - 2019 tại Rumani).
  • Phương pháp thiết kế và tích hợp phần cứng: Thiết kế mạch điện điều khiển, lựa chọn rơle trung gian, van điện từ khí nén, bộ điều áp khí nén, tính toán điện trở đệm $2{,}2\text{ k}\Omega$ cho mạch ghép nối driver servo, và thi công tủ điện vận hành.
  • Phương pháp thực nghiệm - kiểm thử: Cấu hình phần cứng và lập trình trên phần mềm TIA Portal V16, tạo đối tượng công nghệ (Technology Object - Axis) cho 3 trục, nạp chương trình vào CPU PLC 1214C và màn hình HMI, tiến hành chạy thử nghiệm gắp thả phôi và ghi nhận giá trị tọa độ định vị.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong đồ án xuất phát từ tài liệu kỹ thuật của Siemens, thông số catalog động cơ và driver ST Servo Fastech, datasheet các linh kiện điều khiển, cùng dữ liệu đo đạc thực nghiệm trên mô hình cánh tay gắp 3 trục.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế và chế tạo bao gồm các phân hệ chính sau:

1. Kiến trúc phần cứng và thiết bị điều khiển

  • Khung cơ khí cánh tay gắp: Cơ cấu chuyển động tịnh tiến 3 bậc tự do theo trục X, trục Y và trục Z, kết hợp bàn trượt dẫn hướng và cụm tay kẹp phôi.
  • Khối chấp hành khí nén: Bao gồm bộ điều áp khí nén, xi lanh cấp phôi và xi lanh kẹp sản phẩm.
  • Tủ điều khiển: Bố trí PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC), PLC phụ trợ, các bộ nguồn 24V DC và 5V DC, driver ST Servo Fastech, switch mạng kết nối Ethernet, rơle trung gian (RL1, RL2, RL3), nút dừng khẩn cấp (NDK), nút nhấn điều khiển, đèn báo nguồn và chuông báo sự cố.

2. Sơ đồ kết nối và phân bổ địa chỉ I/O

Ký hiệu / Địa chỉ Thiết bị phần cứng kết nối Chức năng
I0.1 Cảm biến hành trình CB Báo tín hiệu giới hạn / trạng thái vị trí
I0.2 Cảm biến vị trí gốc CB HOME Xác định tọa độ gốc của trục chuyển động
I1.5 Nút dừng khẩn cấp (NDK) Ngắt hệ thống khi xảy ra sự cố
Q0.2 Ngõ ra phát xung điều khiển Phát chuỗi xung tốc độ cao cho driver servo
Q0.6 Rơle trung gian RL2 Đóng cắt van khí nén xi lanh cấp phôi
Q0.7 Rơle trung gian RL1 & RL3 Điều khiển xi lanh kẹp sản phẩm và chuông khẩn
CN1 / CN2 / CN3 / CN4 Cổng driver ST Servo Fastech Kết nối tín hiệu xung CW/CCW, Alarm Reset, nguồn và Encoder (A+, A-, B+, B-, FG)
IP: 192.x Cổng truyền thông Profinet Kết nối trao đổi dữ liệu giữa PLC S7-1200 và HMI qua Switch mạng

3. Quy trình cấu hình trên TIA Portal V16

Phần mềm TIA Portal V16 được sử dụng để lập trình hệ thống theo quy trình 7 bước:

  1. Mở phần mềm TIA Portal V16 từ màn hình làm việc.
  2. Chọn mục Create new project để khởi tạo dự án.
  3. Nhập tên dự án tại ô Project name và xác nhận bằng nút Create.
  4. Chọn chức năng Configure a device.
  5. Nhấp chọn Add new device.
  6. Chọn chủng loại CPU PLC S7-1200 (CPU 1214C) và nhấn Add.
  7. Giao diện Project hiển thị, tiến hành khai báo các trục công nghệ (Axis X, Axis Y, Axis Z), thiết lập cấu hình xung ngõ ra PTO và viết khối hàm điều khiển chuyển động.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quát mô hình điều khiển bằng HMI, PLC S7 1200 và servo motor

Chương 1 giới thiệu vai trò của công nghệ tự động hóa và cánh tay robot công nghiệp trong dây chuyền sản xuất. Tác giả trình bày các phương pháp phân cấp điều khiển từ phần mềm máy tính đến bộ điều khiển trung tâm và động cơ truyền động. Chương này tổng thuật các công trình nghiên cứu ngoài nước tiêu biểu về ứng dụng PLC S7-1200 kết hợp servo motor và HMI (công trình của M. Ali Sadiq et al. năm 2019 tại Pakistan; R. Karthick et al. năm 2020 tại Ấn Độ; L. Georgescu et al. năm 2019 tại Rumani trong dây chuyền sản xuất cáp điện). Đồng thời, chương 1 phản ánh tình hình ứng dụng công nghệ điều khiển tự động tại Việt Nam trong các ngành sản xuất ô tô, điện tử, dược phẩm, thực phẩm và các hoạt động nghiên cứu tại các trường đại học (như Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Công nghệ TP.HCM).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết về động cơ bước và động cơ Hybrid Servo, bao gồm cấu tạo rotor, stator, các thông số dòng định mức ($2{,}0\text{ A}$ / pha, áp $2{,}8\text{ V}$), điện trở cuộn dây ($1{,}8\text{ }\Omega$), số bước chuẩn ($200\text{ step/vòng}$), và 4 phương pháp kích từ (Wave, Full step, Half step, Microstep). Tiếp theo, chương phân tích cấu trúc phần cứng và nguyên lý hoạt động của PLC S7-1200, các họ CPU (1211C, 1212C, 1214C), cổng truyền thông Profinet, các ngõ ra điều khiển vị trí PTO $100\text{ kHz}$, bộ đếm tốc độ cao HSC, vùng nhớ PLC, hướng dẫn các bước tạo một Project trên TIA Portal V16. Cuối chương là lý thuyết về thiết bị giao diện HMI (phần cứng, phần mềm, các chuẩn truyền thông mạng, phân loại HMI truyền thống và hiện đại).

Chương 3: Mô hình thực tế

Chương 3 tập trung vào quá trình thi công và triển khai kỹ thuật của đồ án:

  • Gia công lắp ráp mô hình cơ khí cánh tay gắp 3 trục, bàn thả sản phẩm, cụm cấp phôi, bộ điều áp khí nén và tủ điện điều khiển.
  • Thiết lập sơ đồ đấu nối chi tiết giữa PLC S7-1200, màn hình HMI và Driver ST Servo Fastech; phân bổ các đầu dây tín hiệu xung, chiều, tín hiệu phản hồi encoder (A+, A-, B+, B-) và các rơle trung gian điều khiển khí nén.
  • Khai báo cấu hình trục chuyển động Axis cho trục X, trục Y, trục Z trong TIA Portal V16 và thiết kế giao diện vận hành HMI.
  • Bảng thông số tọa độ kiểm nghiệm thực tế của 3 trục chuyển động tại 3 vị trí gắp thả được ghi nhận như sau:
Vị trí kiểm nghiệm Tọa độ Trục X Tọa độ Trục Y Tọa độ Trục Z
Vị trí 1 1476 3540 459
Vị trí 2 1855 2750 246
Vị trí 3 2218 2750 30

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

Chương 4 tổng kết toàn bộ kết quả thiết kế thi công phần cứng và chương trình điều khiển, đánh giá khả năng vận hành gắp thả sản phẩm theo tọa độ đặt trước. Đồng thời, chương nêu rõ các hạn chế liên quan đến chi phí đầu tư thiết bị, yêu cầu chuyên môn cao trong vận hành và bảo trì, từ đó đề xuất các hướng nghiên cứu hoàn thiện hệ thống trong giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Thi công hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm cánh tay gắp 3 trục chuyển động, tủ điện điều khiển tích hợp PLC S7-1200, màn hình HMI, driver ST Servo và cơ cấu chấp hành khí nén.
  • Xây dựng thành công thuật toán phát xung PTO điều khiển vị trí động cơ Hybrid Servo trên phần mềm TIA Portal V16, đáp ứng việc định vị chính xác tại các vị trí không gian theo bảng số liệu thực nghiệm (Trục X: 1476 – 2218; Trục Y: 2750 – 3540; Trục Z: 30 – 459).
  • Thiết kế giao diện HMI kết nối qua giao thức Profinet Ethernet, cho phép người vận hành giám sát trạng thái, điều chỉnh thông số và thao tác điều khiển linh hoạt.
  • Hệ thống cơ cấu kẹp khí nén và xi lanh cấp phôi phối hợp đồng bộ với chuyển động của các trục servo, hoàn thành chu trình gắp và thả sản phẩm theo yêu cầu đặt ra.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Thay thế hệ thống điều khiển rơle truyền thống bằng PLC S7-1200, cho phép linh hoạt thay đổi quy trình vận hành hoàn toàn bằng phần mềm mà không cần đấu nối lại dây mạch lực.
  • Lựa chọn động cơ bước lai (Hybrid Servo) kết hợp bộ giải mã xung (encoder) phản hồi về driver ST Servo nhằm khắc phục nhược điểm trượt bước của động cơ bước thông thường khi tải thay đổi.
  • Sử dụng điện trở hạn dòng $2{,}2\text{ k}\Omega$ trên đường tín hiệu điều khiển để đảm bảo mức điện áp tương thích và ổn định tín hiệu xung phát từ PLC tới driver servo.

Đóng góp của đề tài

  • Hoàn thiện giải pháp phần cứng và quy trình lập trình Motion Control phát xung PTO tích hợp giữa PLC Siemens S7-1200 và driver servo hãng thứ ba (Fastech) qua giao diện HMI.
  • Cung cấp mô hình học cụ trực quan phục vụ cho công tác giảng dạy, nghiên cứu thực hành tại Bộ môn Điện – Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Chi phí đầu tư: Chi phí trang bị các thiết bị điều khiển công nghiệp như PLC S7-1200, màn hình HMI và động cơ servo còn tương đối cao so với các giải pháp vi điều khiển bán dẫn thông thường.
  • Yêu cầu kỹ thuật vận hành: Quá trình cài đặt, hiệu chỉnh tham số trục và lập trình trên TIA Portal V16 đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức chuyên sâu về công nghệ tự động hóa.
  • Bảo trì và sửa chữa: Đòi hỏi kỹ thuật viên có tay nghề cao để chẩn đoán lỗi phần cứng, dây truyền thông và bộ truyền động servo.
  • Đánh giá dài hạn: Đồ án mới dừng lại ở việc kiểm thử tính năng phần cứng trên mô hình phòng thí nghiệm, chưa đánh giá độ bền cơ học và độ ổn định lâu dài trong môi trường công nghiệp liên tục.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu tối ưu hóa thuật toán điều khiển để nâng cao hơn nữa độ chính xác và độ mượt mà khi tăng tốc/giảm tốc của các trục chuyển động.
  • Tích hợp thêm cảm biến phát hiện kích thước sản phẩm để tự động điều chỉnh khoảng mở của tay gắp phù hợp với từng loại phôi.
  • Mở rộng mạng truyền thông công nghiệp, kết nối PLC lên hệ thống máy tính trung tâm để thu thập dữ liệu và quản lý sản xuất từ xa.
  • Cải tiến cơ cấu chấp hành cơ khí, tăng độ cứng vững để có thể ứng dụng trực tiếp thành máy gắp phôi tự động trong dây chuyền công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên ngành Điện công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử: Tham khảo phương pháp xây dựng một đồ án tốt nghiệp kỹ thuật hoàn chỉnh từ khâu tính toán lý thuyết, thiết kế sơ đồ nguyên lý đến thi công tủ điện và lập trình thực tế.
  • Người làm nghiên cứu về PLC Siemens: Tham khảo quy trình từng bước khởi tạo project trên TIA Portal V16, cấu hình đối tượng công nghệ điều khiển vị trí (Axis) phát xung PTO $100\text{ kHz}$, và kỹ thuật đấu nối I/O giữa CPU 1214C với driver servo bên ngoài.
  • Kỹ sư bảo trì, tích hợp hệ thống: Tham khảo sơ đồ phối ghép tín hiệu xung/hướng, đấu nối tín hiệu encoder và tích hợp mạng truyền thông Profinet Ethernet giữa PLC và màn hình HMI.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại PLC nào và những đặc tính kỹ thuật nào của PLC được khai thác để điều khiển servo?
Đồ án sử dụng bộ điều khiển lập trình SIMATIC S7-1200 CPU 1214C của Siemens. Hệ thống khai thác các ngõ ra phát xung tốc độ cao PTO $100\text{ kHz}$ để điều khiển vị trí và tốc độ của động cơ servo, cùng cổng truyền thông Profinet Ethernet (RJ45, tốc độ 10/100 Mbits/s) để liên kết điều khiển với màn hình HMI.

2. Động cơ điều khiển cánh tay gắp là loại gì và có thông số kỹ thuật như thế nào?
Đề tài sử dụng động cơ bước lai (Hybrid Servo) kết hợp driver ST Servo của hãng Fastech. Động cơ có số bước là $200\text{ step/vòng}$, dòng điện định mức $2{,}0\text{ A}$ / pha (điện áp $2{,}8\text{ V}$), điện trở pha $1{,}8\text{ }\Omega$, được tích hợp encoder phản hồi tín hiệu (kênh A+, A-, B+, B-) về driver để kiểm soát vị trí.

3. Cơ cấu chấp hành kẹp và cấp phôi sử dụng công nghệ gì và được điều khiển qua ngõ I/O nào?
Cơ cấu chấp hành kẹp và cấp phôi hoạt động bằng hệ thống khí nén (gồm bộ điều áp và các xi lanh khí nén). Việc đóng ngắt van khí nén được thực hiện thông qua các rơle trung gian kết nối với ngõ ra của PLC: ngõ ra Q0.6 điều khiển rơle RL2 (xi lanh cấp phôi) và ngõ ra Q0.7 điều khiển rơle RL1 (xi lanh kẹp sản phẩm) cùng rơle RL3 (chuông báo khẩn).

4. Các giá trị tọa độ thực nghiệm của 3 trục X, Y, Z tại các vị trí làm việc là bao nhiêu?
Theo số liệu kiểm nghiệm tại Bảng 3 của đồ án:

  • Vị trí 1: Trục $\text{X} = 1476$, Trục $\text{Y} = 3540$, Trục $\text{Z} = 459$.
  • Vị trí 2: Trục $\text{X} = 1855$, Trục $\text{Y} = 2750$, Trục $\text{Z} = 246$.
  • Vị trí 3: Trục $\text{X} = 2218$, Trục $\text{Y} = 2750$, Trục $\text{Z} = 30$.

5. Bốn phương pháp điều khiển động cơ bước được trình bày trong cơ sở lý thuyết gồm những phương pháp nào?
Bốn phương pháp gồm: điều khiển dạng sóng (Wave - cấp xung lần lượt cho từng cuộn dây pha), điều khiển bước đủ (Full step - cấp xung đồng thời cho 2 cuộn dây pha kế tiếp), điều khiển nửa bước (Half step - kết hợp giữa dạng sóng và bước đủ để giảm góc bước đi 2 lần), và điều khiển vi bước (Microstep - cho phép dừng và định vị ở các phân đoạn nhỏ giữa 2 bước đủ).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình cánh tay gắp sản phẩm 3 trục sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, giao diện HMI và động cơ Hybrid Servo kết hợp cơ cấu khí nén. Hệ thống được lập trình phát xung định vị chính xác trên nền tảng TIA Portal V16 và thiết lập kết nối truyền thông Profinet Ethernet ổn định. Kết quả nghiên cứu cung cấp giải pháp kỹ thuật khả thi, đáp ứng tốt yêu cầu thực nghiệm và tạo nguồn tài liệu tham khảo hữu ích cho công tác đào tạo, nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp.