Đồ án HCMUTE: Điều khiển và giám sát mô hình lưu kho bằng PLC

Đồ án nghiên cứu hcmute điều khiển và giám sát mô hình lưu kho bằng plc, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Nguyễn Thành Đại
• Người hướng dẫn: Th.S Trần Văn Sỹ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử
• Đề tài: Điều khiển và giám sát mô hình lưu kho bằng PLC
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Mục tiêu của đề tài
• 1.2. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về phần cứng của hệ thống
• 2.2. Tổng quan về PLC và PLC Mitsubishi Q2ASCPU-S1
• 2.3. Tổng quan về cơ cấu Servo và Servo Mitsubishi
• 2.4. Biến tần và biến tần Mitsubishi
• 2.5. Màn hình điều khiển HMI
• 2.6. Các thiết bị khác
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG
• 3.1. Sơ đồ khối của mô hình
• 3.2. Các thiết bị của từng khối
• 3.3. Khối các thiết bị ngõ vào
• 3.4. Khối điều khiển trung tâm
• 3.5. Khối điều khiển động cơ
• 3.6. Khối động cơ AC
• 3.7. Khối xi lanh
• 3.8. Khối điều khiển xi lanh
• 3.9. Tính toán hệ số
• 3.10. Động cơ Servo MR-J2S-10A
• 3.11. Động cơ AC có hộp số
• 3.12. Thiết kế hệ thống
• 3.13. Sơ đồ mạch động lực
• 3.14. Sơ đồ mạch điều khiển
• 3.15. Sơ đồ đi dây của mô hình
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. Thi công phần cứng hệ thống
• 4.2. Lắp đặt phần khung, kệ sản phẩm và bảng điều khiển
• 4.3. Xây dựng giao diện
• 4.4. Thi công tủ điều khiển, kết nối bảng điều khiển
• 4.5. Lập trình cho hệ thống
• 4.6. Sơ đồ khối điều khiển biến tần và động cơ Servo
• 4.7. Lưu đồ điều khiển chương trình chính
• 4.8. Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát trên HMI
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: Hướng dẫn sử dụng phần mềm GX Developer
• PHỤ LỤC 2: Hướng dẫn sử dụng phần mềm GT Designer 3
• PHỤ LỤC 3: Nhật kí làm việc

Tóm tắt

I. Tổng quan

Trong bối cảnh công nghệ tự động hóa ngày càng phát triển, việc giám sát và điều khiển mô hình lưu kho bằng PLC trở nên cần thiết. Mô hình này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình lưu kho mà còn nâng cao hiệu quả quản lý kho. Giám sát mô hình lưu kho bằng PLC tại HCMUTE được thiết kế nhằm mục đích cải thiện quy trình nhập và xuất hàng hóa, đồng thời giảm thiểu sai sót trong quản lý. Việc sử dụng Hệ thống giám sát giúp người vận hành theo dõi tình trạng hàng hóa và hoạt động của thiết bị một cách hiệu quả. Mô hình này sử dụng công nghệ Internet of Things (IoT) để kết nối và giám sát từ xa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý kho.

1.1 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và phát triển mô hình giám sát mô hình lưu kho bằng PLC. Đề tài hướng đến việc xây dựng một hệ thống có khả năng tự động hóa quy trình lưu kho, từ việc nhập hàng đến xuất hàng. Hệ thống sẽ sử dụng HMI để hiển thị thông tin và trạng thái của hàng hóa, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và quản lý. Đặc biệt, việc áp dụng SCADA trong mô hình sẽ giúp nâng cao khả năng giám sát và điều khiển từ xa, tạo ra một giải pháp quản lý kho hiệu quả và hiện đại.

II. Cơ sở lý thuyết

Để hiểu rõ về mô hình lưu kho bằng PLC, cần nắm vững các khái niệm cơ bản về PLC và các thiết bị liên quan. PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa. PLC có khả năng xử lý tín hiệu đầu vào từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị đầu ra như động cơ, van, và các thiết bị khác. Việc sử dụng PLC trong mô hình lưu kho giúp tối ưu hóa quy trình vận hành, giảm thiểu sai sót và nâng cao hiệu quả quản lý. Hệ thống HMI được thiết kế để cung cấp giao diện thân thiện cho người sử dụng, cho phép theo dõi và điều khiển các hoạt động trong kho một cách dễ dàng.

2.1 Tổng quan về PLC

PLC được phát triển từ những năm 1960 và đã trải qua nhiều giai đoạn cải tiến. Ngày nay, PLC không chỉ đơn thuần là thiết bị điều khiển mà còn tích hợp nhiều tính năng thông minh, cho phép kết nối với các thiết bị khác qua mạng. Việc sử dụng PLC trong mô hình lưu kho giúp tự động hóa quy trình nhập và xuất hàng, từ đó nâng cao hiệu quả và giảm thiểu sai sót. Hệ thống SCADA và HMI đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều khiển, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi tình trạng hàng hóa và hoạt động của thiết bị.

III. Xây dựng hệ thống

Quá trình xây dựng hệ thống giám sát mô hình lưu kho bằng PLC bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, cần thiết kế sơ đồ khối của hệ thống, xác định các thiết bị cần thiết và cách thức kết nối chúng. Các thiết bị như động cơ AC, cảm biến, và HMI sẽ được lắp đặt và kết nối với PLC để đảm bảo hoạt động đồng bộ. Việc lập trình cho PLC cũng rất quan trọng, giúp điều khiển các thiết bị một cách chính xác và hiệu quả. Hệ thống sẽ được kiểm tra và điều chỉnh để đảm bảo hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu quản lý kho.

3.1 Thi công hệ thống

Thi công hệ thống bao gồm việc lắp đặt phần cứng và lập trình cho PLC. Các thiết bị như động cơ, cảm biến và HMI sẽ được lắp đặt theo sơ đồ thiết kế. Sau khi lắp đặt, cần tiến hành lập trình cho PLC để điều khiển các thiết bị. Việc lập trình cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác. Sau khi hoàn thành, hệ thống sẽ được kiểm tra và điều chỉnh để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả trong việc quản lý kho.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Mô hình giám sát mô hình lưu kho bằng PLC tại HCMUTE đã cho thấy những lợi ích rõ rệt trong việc tối ưu hóa quy trình quản lý kho. Hệ thống không chỉ giúp giảm thiểu sai sót mà còn nâng cao hiệu quả trong việc theo dõi và điều khiển hàng hóa. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc mở rộng hệ thống để tích hợp thêm các công nghệ mới như IoT và AI, từ đó nâng cao khả năng tự động hóa và quản lý kho. Việc nghiên cứu và phát triển thêm các giải pháp quản lý kho thông minh sẽ là một bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp tự động hóa.

4.1 Hướng phát triển

Hướng phát triển cho mô hình giám sát mô hình lưu kho có thể bao gồm việc tích hợp thêm các cảm biến thông minh và công nghệ IoT để nâng cao khả năng giám sát từ xa. Việc áp dụng các công nghệ mới sẽ giúp cải thiện hiệu quả quản lý kho, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành. Ngoài ra, việc nghiên cứu và phát triển thêm các giải pháp tự động hóa sẽ giúp nâng cao năng suất và hiệu quả trong quy trình lưu kho.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh sản xuất hiện đại, nhu cầu lưu trữ và quản lý hàng hóa phục vụ cho các hoạt động tiêu thụ nội địa cũng như xuất khẩu ngày càng gia tăng. Hàng hóa thường được lưu trữ trong thời gian dài tại hệ thống kho bãi ngoài trời hoặc trong nhà. Đối với mô hình kho trong nhà, việc vận hành truyền thống dựa vào sức người hoặc xe nâng tay bộc lộ nhiều hạn chế về hiệu suất và khả năng kiểm soát. Việc ứng dụng công nghệ tự động hóa dựa trên bộ điều khiển logic khả trình (PLC) giúp quy trình vận chuyển, phân loại và sắp xếp hàng hóa vào các ô chứa diễn ra chính xác, đồng thời hỗ trợ kiểm soát số lượng và giám sát hoạt động của toàn hệ thống một cách chặt chẽ. Đề tài "Điều khiển và giám sát mô hình lưu kho bằng PLC" được nhóm tác giả Nguyễn Thành Đại và Lê Phong Vũ thực hiện nhằm xây dựng một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh, phục vụ nghiên cứu và ứng dụng trong đào tạo kỹ thuật.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm 5 nội dung chính:

1. Thiết kế lưu đồ, giải thuật và chương trình điều khiển cho mô hình ứng dụng PLC trong lưu kho hàng hóa.
2. Thiết kế hệ thống gắp sản phẩm vào kho chứa và lấy sản phẩm ra trên cùng một cánh tay cơ cấu và cùng một băng tải.
3. Thiết kế tủ điều khiển dạng khay trượt và bảng điều khiển dạng jack cắm thuận tiện cho công tác đào tạo, giảng dạy.
4. Thiết kế giao diện giám sát hàng hóa và trạng thái vận hành của các thiết bị trên màn hình HMI.
5. Nghiên cứu và làm rõ cách thức vận hành của các hệ thống nhập/xuất kho tự động trong công nghiệp.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 4 giai đoạn cụ thể:

• Nhiệm vụ 1: Nghiên cứu lý thuyết và phần cứng bao gồm PLC Mitsubishi Q2ASCPU-S1/Q2ASHCPU-S1 cùng các module mở rộng; tìm hiểu phần mềm lập trình GX Developer và thiết kế giao diện GT Designer 3; khảo sát phương thức truyền dữ liệu từ PLC sang biến tần; nghiên cứu phương pháp điều khiển vị trí động cơ Servo MR-J2S-10A; tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các loại van khí nén SMC (dòng 5/2 và 5/3).
• Nhiệm vụ 2: Thi công phần cứng gồm khung kệ nhà kho nhiều tầng, cơ cấu xy lanh nâng cánh tay gắp, hệ thống băng tải truyền động bằng động cơ AC, gia công khay trượt chứa PLC, biến tần và driver servo; bố trí hệ thống dây dẫn và bảng điều khiển jack cắm.
• Nhiệm vụ 3: Kết nối liên động hệ thống điện - khí nén (ngõ ra PLC được cách ly qua relay trung gian để bảo vệ module I/O), viết chương trình điều khiển PLC, nạp cấu hình HMI, tiến hành chạy thử nghiệm, cân chỉnh và hoàn thiện.
• Nhiệm vụ 4: Đánh giá kết quả thực nghiệm, đề xuất hướng mở rộng và hoàn thành báo cáo tốt nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu là mô hình lưu kho tự động tích hợp điều khiển vị trí và giám sát trạng thái. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở mô hình kho nhiều tầng, định vị cột ô chứa bằng 1 trục động cơ Servo, định vị tầng bằng cơ cấu xy lanh khí nén kết hợp cảm biến, sử dụng 1 động cơ AC điều khiển qua biến tần cho băng tải chạy thuận - nghịch dùng chung cho cả chu trình nhập và xuất hàng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài được xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động hóa công nghiệp và truyền động điện khí nén:

• Lý thuyết điều khiển khả trình PLC: Kiến trúc phần cứng, chu trình quét (scan cycle), cơ chế quản lý vùng nhớ (RAM, ROM, EPROM, EEPROM), hệ thống bus truyền thông (Address Bus, Data Bus, Control Bus) và các module chuyên dụng của dòng Mitsubishi Melsec-QnA (CPU Q2AS/Q2ASH).
• Lý thuyết điều khiển vị trí vòng kín (Closed-Loop Servo System): Cấu trúc động cơ servo không chổi than, nguyên lý phản hồi của bộ mã hóa xung (encoder) tương đối (pha A, B, Z) và tuyệt đối, nguyên lý mạch vòng điều khiển vị trí (Position Loop), mạch vòng vận tốc (Velocity Loop) và mạch vòng dòng điện/momen (Current Loop).
• Lý thuyết biến đổi tần số: Nguyên lý nghịch lưu điện áp PWM qua bộ khóa bán dẫn IGBT, quy luật điều khiển tỷ số điện áp - tần số ($V/f$), phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ AC 3 pha thông qua ngõ vào số đa cấp tốc độ hoặc ngõ vào tương tự ($0-5\text{V}$, $0-10\text{V}$, $4-20\text{mA}$).
• Lý thuyết truyền động khí nén: Nguyên lý tác động của xy lanh đơn, xy lanh kép, kết cấu cơ cấu kẹp và phương pháp phân phối khí qua van điện từ đảo chiều.
• Giao tiếp người - máy (HMI): Nguyên lý hiển thị dữ liệu thời gian thực và nhập lệnh điều khiển qua thiết bị đầu cuối đồ họa.

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng gồm:

• Phương pháp phân tích tài liệu kỹ thuật: Thu thập và nghiên cứu tài liệu hướng dẫn sử dụng, sơ đồ chân và thông số kỹ thuật (datasheet/manual) từ nhà sản xuất cho từng thiết bị phần cứng.
• Phương pháp thiết kế và tính toán kỹ thuật: Tính toán lựa chọn công suất động cơ, dòng tiêu thụ của hệ thống, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển.
• Phương pháp thực nghiệm - chế tạo: Gia công cơ khí, lắp ráp tủ điện dạng module trượt, đấu nối dây dẫn và tích hợp hệ thống cảm biến - cơ cấu chấp hành.
• Phương pháp lập trình và mô phỏng: Xây dựng giải thuật điều khiển tuần tự, viết mã điều khiển trên GX Developer, thiết kế giao diện vận hành trên GT Designer 3 và tiến hành chạy thử thực nghiệm trên mô hình vật lý.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu là các tài liệu kỹ thuật chuyên ngành tự động hóa, manual dòng QnA/A-Series, manual driver MR-J2S, biến tần FR-E520 của hãng Mitsubishi Electric, tài liệu thiết bị khí nén SMC, STNC và catalog cảm biến công nghiệp.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Mô hình lưu kho tự động được thiết kế dưới dạng hệ thống cơ điện tử tích hợp hoàn chỉnh gồm phần cứng cơ khí, tủ điều khiển điện - khí nén và chương trình điều khiển giám sát.

Phân hệ chức năng	Thiết bị sử dụng	Thông số kỹ thuật / Đặc điểm chính
Khối điều khiển trung tâm	PLC Mitsubishi Q2ASHCPU-S1 Module nguồn A1S61PN Module ngõ vào A1SX42 Module ngõ ra A1SY42P Module phát xung A1SD75P3-S3	CPU dòng QnA tốc độ xử lý nhanh gấp 3 lần dòng AnU. Nguồn cấp 5VDC, tích hợp bảo vệ quá dòng. Module ngõ vào số DC. Module ngõ ra số dạng Transistor. Module điều khiển vị trí phát xung 3 trục độc lập.
Khối truyền động vị trí (Servo)	Driver Mitsubishi MR-J2S-10A Động cơ AC Servo HC-MFS053	Driver đa chế độ (vị trí, tốc độ, momen). Động cơ servo tích hợp encoder tuyệt đối độ phân giải 131.072 xung/vòng, truyền động trục vitme ngang.
Khối truyền động băng tải	Biến tần Mitsubishi FR-E520 Động cơ xoay chiều AC	Biến tần dòng FR-E500, điều khiển $V/f$, hỗ trợ điều khiển đa cấp tốc độ qua ngõ vào số và tín hiệu tương tự. Động cơ AC gắn hộp số giảm tốc kéo băng tải 2 chiều.
Khối cơ cấu khí nén	Xy lanh dẫn hướng MY2H16G-450L Xy lanh đẩy TBDA10X50 Xy lanh kẹp MHQ-6D3 Van điện từ STNC TG2511-06 & Van SMC	Xy lanh không trục hành trình dài cho cơ cấu nâng. Xy lanh tác động kép định vị vị trí. Xy lanh kẹp dạng cánh tay gắp sản phẩm. Van khí nén điều khiển hướng $5/2$ và $5/3$.
Khối cảm biến & Thiết bị phụ trợ	Cảm biến quang CDR-30X Cảm biến quang BGS-2S15N Cảm biến tiệm cận SN-04P Nút ấn $\varnothing 22$, Nút Emergency Stop (ES)	Phát hiện kiện hàng trên băng tải và tại các vị trí lưu trữ. Cảm biến tiệm cận kiểu cảm ứng xác định giới hạn vị trí. Thiết bị đóng cắt bảo vệ của Allen Bradley, bộ nguồn tổ ong 24V-5A và 12V-5A.
Khối giám sát & Giao diện	Màn hình HMI Mitsubishi 1265-VNBA	Màn hình hiển thị đồ họa, kết nối truyền thông trực tiếp với PLC để giám sát ô chứa và điều khiển hệ thống.

Toàn bộ hệ thống phần cứng được thiết kế tối ưu cho mục đích đào tạo: tủ điện bố trí theo dạng ngăn kéo/khay trượt giúp dễ dàng kéo ra kiểm tra hoặc bảo trì; các tín hiệu vào/ra trên bảng điều khiển được quy hoạch thành dạng cắm jack bắp chuối chuyên dụng, các đầu ra của PLC đều được nối qua relay đệm cách ly nhằm triệt tiêu nguy cơ ngắn mạch gây hư hỏng module bán dẫn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc áp dụng tự động hóa vào hoạt động quản lý kho bãi trong sản xuất công nghiệp. Tác giả nêu rõ mục tiêu nghiên cứu nhằm làm chủ công nghệ điều khiển PLC, thiết kế và thi công mô hình lưu kho tự động nhiều tầng kết hợp cơ cấu gắp, băng tải trung chuyển và màn hình HMI. Bố cục nhiệm vụ gồm 4 phần từ nghiên cứu phần cứng, thi công mô hình, lập trình điều khiển đến đánh giá mở rộng; xác định phạm vi giới hạn của đề tài là mô hình kho mini vận hành bằng 1 trục servo, 1 biến tần điều khiển động cơ băng tải và hệ thống khí nén.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết về các thiết bị cốt lõi trong hệ thống:

• Cấu trúc và nguyên lý làm việc của PLC nói chung và dòng PLC Mitsubishi Q2ASCPU-S1/Q2ASHCPU-S1 nói riêng; nguyên lý hoạt động của các module mở rộng A1S61PN, A1SX42, A1SY42P và module phát xung điều khiển vị trí 3 trục A1SD75P3-S3.
• Cơ cấu truyền động Servo: Cấu tạo động cơ servo không chổi than, cấu trúc encoder tương đối (nhận biết chiều quay qua độ lệch pha 90 độ giữa pha A và pha B, xung gốc pha Z) và encoder tuyệt đối độ phân giải 131.072 xung/vòng; phân tích 3 mạch vòng điều khiển vị trí, vận tốc, momen; sơ đồ khối bộ khuếch đại MR-J2S-10A và động cơ HC-MFS053.
• Biến tần Mitsubishi FR-E520: Nguyên lý chỉnh lưu diode - nghịch lưu IGBT bằng phương pháp PWM; sơ đồ kết nối ngõ vào số (STF, STR, RH, RM, RL, MRS, RES), ngõ vào tương tự (chân 10, 2, 4, 5) và ngõ ra rơle/open-collector (A, B, C, RUN, FU, SE).
• Màn hình HMI Mitsubishi 1265-VNBA: Định nghĩa, vai trò giao tiếp người - máy, các thành phần phần cứng, firmware và phần mềm phát triển.
• Các thiết bị ngoại vi: Nguyên lý xy lanh khí nén đơn/kép (MY2H16G-450L, TBDA10X50, tay kẹp MHQ-6D3), van điện từ STNC/SMC, động cơ xoay chiều AC lồng sóc, rơle trung gian, contactor, cảm biến quang (CDR-30X, BGS-2S15N) và cảm biến tiệm cận cảm ứng (SN-04P).

Chương 3: Xây dựng hệ thống

Chương 3 tập trung vào công tác tính toán và thiết kế sơ đồ nguyên lý:

• Xây dựng sơ đồ khối toàn diện của hệ thống gồm: Khối nguồn, Khối điều khiển trung tâm, Khối điều khiển vị trí Servo, Khối điều khiển biến tần - động cơ AC, Khối chấp hành khí nén và Khối cảm biến ngõ vào.
• Tính toán lựa chọn thiết bị, lập bảng tổng hợp dòng điện tiêu thụ toàn hệ thống để chọn bộ nguồn tổ ong 24V-5A và 12V-5A phù hợp.
• Thiết kế chi tiết sơ đồ mạch động lực (cung cấp nguồn cho biến tần, động cơ AC, driver AC Servo, hệ thống van khí nén) và sơ đồ mạch điều khiển (đấu nối ngõ vào X, ngõ ra Y của PLC qua relay trung gian, kết nối cáp điều khiển phát xung giữa module A1SD75P3-S3 và driver MR-J2S-10A).
• Lập bảng ánh xạ địa chỉ vào/ra (I/O map) và thiết kế sơ đồ đi dây hoàn chỉnh cho bảng điều khiển jack cắm.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo thực tế và lập trình:

• Thi công cơ khí: Gia công khung kệ kho nhiều tầng, lắp đặt băng tải dẫn động bằng động cơ AC hộp số, lắp ráp cơ cấu vitme gắn động cơ servo HC-MFS053 và giá nâng gắn cụm xy lanh khí nén kèm tay gắp MHQ-6D3.
• Thi công tủ điện: Lắp ráp các thiết bị (PLC, bộ nguồn, driver servo, biến tần, relay trung gian) lên khay trượt; hoàn thiện đấu nối dây bảng điều khiển ngoài và kết nối HMI.
• Xây dựng giải thuật điều khiển: Thiết kế sơ đồ khối điều khiển biến tần đa cấp tốc độ, sơ đồ khối điều khiển phát xung vị trí Servo, lưu đồ giải thuật chương trình chính xử lý chu trình nhập kho và xuất kho tự động.
• Lập trình hệ thống: Sử dụng phần mềm GX Developer để viết chương trình điều khiển tuần tự cho PLC Q2ASHCPU-S1; dùng phần mềm GT Designer 3 để thiết kế giao diện HMI hiển thị trực quan trạng thái từng ô chứa, nút điều khiển chế độ tự động/bằng tay và báo lỗi vận hành.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương này đánh giá mức độ hoàn thành so với các mục tiêu ban đầu, xác nhận mô hình đã vận hành ổn định, cơ cấu servo định vị chính xác vị trí ô chứa, tay gắp khí nén và băng tải hoạt động nhịp nhàng theo đúng kịch bản lập trình, giao diện HMI phản ánh đúng trạng thái thực tế. Đồng thời, chương đưa ra các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Sau quá trình nghiên cứu, thiết kế và chế tạo, đề tài đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Chế tạo thành công mô hình lưu kho tự động nhiều tầng hoàn chỉnh về cơ khí và điện khí nén, tích hợp cơ cấu truyền động vitme trục ngang sử dụng động cơ AC Servo HC-MFS053 và driver MR-J2S-10A.
• Xây dựng cơ cấu gắp - nâng đa bậc sử dụng kết hợp xy lanh dẫn hướng MY2H16G-450L, xy lanh đẩy TBDA10X50 và tay kẹp khí nén MHQ-6D3 điều khiển qua hệ thống van STNC TG2511-06 và van SMC.
• Ứng dụng thành công PLC Mitsubishi Q2ASHCPU-S1 cùng module phát xung chuyên dụng A1SD75P3-S3 để điều khiển vị trí chính xác của cơ cấu chấp hành; điều khiển băng tải vận hành thuận - nghịch đa cấp tốc độ thông qua biến tần FR-E520.
• Thiết kế giao diện vận hành và giám sát trực quan trên màn hình HMI Mitsubishi 1265-VNBA bằng phần mềm GT Designer 3, cho phép theo dõi số lượng hàng hóa và trạng thái từng ô chứa trong kho.
• Đóng góp về mặt giải pháp đào tạo: Thiết kế thành công tủ điều khiển dạng khay trượt kết hợp bảng đấu nối jack cắm an toàn (các ngõ ra PLC được cách ly qua relay trung gian), tạo thành một module thực hành trực quan, an toàn và thuận tiện cho việc giảng dạy các môn học Điều khiển lập trình, Truyền động điện và Khí nén trong nhà trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đã hoàn thành các mục tiêu đặt ra, đề tài vẫn tồn tại một số giới hạn kỹ thuật do phạm vi nghiên cứu và thời gian thực hiện:

• Hệ thống chỉ sử dụng 1 băng tải và 1 cánh tay gắp dùng chung cho cả hai quá trình nhập và xuất kho, dẫn đến hạn chế về năng suất khi không thể thực hiện đồng thời hai tác vụ.
• Định vị phương ngang dựa trên trục servo nhưng việc nâng hạ giữa các tầng vẫn phụ thuộc vào hành trình cố định của xy lanh khí nén kết hợp cảm biến, chưa linh hoạt thay đổi chiều cao tầng bằng điều khiển vị trí số.
• Biến tần và PLC đang kết nối điều khiển chủ yếu qua ngõ vào/ra số và tín hiệu tương tự rời rạc, chưa khai thác mạng truyền thông công nghiệp chuyên dụng.

Các hướng mở rộng và phát triển được nhóm tác giả đề xuất bao gồm:

• Nâng cấp phần cứng: Trang bị thêm 1 động cơ Servo độc lập cho cơ cấu gắp sản phẩm ra và bổ sung thêm 1 băng tải chuyên biệt cho luồng xuất hàng để tách rời chu trình nhập/xuất.
• Nâng cấp truyền thông: Tích hợp mạng truyền thông công nghiệp CC-Link để kết nối, truyền dữ liệu và giám sát thông số vận hành giữa PLC và biến tần, giảm thiểu hệ thống dây nối vật lý.
• Mở rộng thuật toán quản lý kho: Phát triển các thuật toán tối ưu hóa vị trí lưu trữ hàng hóa và liên kết cơ sở dữ liệu trên máy tính.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là nguồn tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tế cao dành cho:

• Sinh viên và giảng viên: Chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa, Cơ điện tử tại các trường đại học và cao đẳng kỹ thuật.
• Người nghiên cứu và kỹ sư thiết kế: Những người đang thực hiện các đề tài hoặc dự án liên quan đến điều khiển vị trí bằng PLC, hệ thống kho bãi thông minh (AS/RS mini) hoặc thiết kế module thí nghiệm tự động hóa.
• Các nội dung đáng tham khảo nhất:
  • Sơ đồ đấu nối và phương pháp cấu hình module phát xung vị trí Mitsubishi A1SD75P3-S3 kết nối với driver Servo MR-J2S-10A.
  • Kỹ thuật đấu dây điều khiển đa cấp tốc độ và kết nối ngõ vào/ra cho biến tần dòng FR-E500.
  • Phương pháp thiết kế module thí nghiệm dạng khay trượt và bảo vệ an toàn ngõ ra I/O bằng rơle đệm phục vụ đào tạo.
  • Tài liệu hướng dẫn sử dụng chi tiết hai phần mềm công nghiệp GX Developer và GT Designer 3 được đính kèm trong phụ lục đồ án.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống điều khiển vị trí trục ngang của mô hình sử dụng cấu hình phần cứng nào? Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Mitsubishi Q2ASHCPU-S1 kết hợp module phát xung chuyên dụng 3 trục A1SD75P3-S3, kết nối điều khiển driver Servo Mitsubishi MR-J2S-10A và động cơ AC Servo HC-MFS053 có tích hợp bộ mã hóa vị trí tuyệt đối (absolute encoder) độ phân giải 131.072 xung/vòng.

2. Làm thế nào để bảo vệ an toàn cho các ngõ ra của PLC khi kết nối với cơ cấu chấp hành? Theo thiết kế trong đồ án, toàn bộ các ngõ ra số của PLC (module A1SY42P) đều không đấu trực tiếp tới tải mà được nối trung gian qua hệ thống rơle (Relay). Cơ chế cách ly điện áp này giúp ngăn chặn dòng quá tải hoặc hiện tượng ngắn mạch ngoài mạch động lực gây hư hại cho các vi mạch bán dẫn bên trong module ngõ ra PLC.

3. Băng tải của mô hình được điều khiển như thế nào để phục vụ cả việc nhập và xuất hàng? Băng tải được kéo bởi 1 động cơ xoay chiều AC gắn hộp số giảm tốc, điều khiển thông qua biến tần Mitsubishi FR-E520. Biến tần nhận tín hiệu điều khiển số từ PLC qua các chân chạy thuận (STF) cho chu trình nhập kho và chạy nghịch (STR) cho chu trình xuất kho, kết hợp các chân lựa chọn cấp tốc độ (RH, RM, RL) hoặc tín hiệu tương tự để thay đổi tốc độ băng tải.

4. Cơ cấu gắp và nâng sản phẩm trong kho được thực hiện bằng những thiết bị khí nén nào? Cơ cấu nâng và gắp hàng hóa sử dụng kết hợp 3 loại xy lanh: xy lanh không trục dẫn hướng hành trình dài MY2H16G-450L cho chuyển động nâng, xy lanh đẩy TBDA10X50 và xy lanh kẹp dạng cánh tay gắp MHQ-6D3. Hệ thống khí nén được cấp nguồn và phân phối thông qua các van điện từ STNC TG2511-06 cùng cụm van SMC loại $5/2$ và $5/3$.

5. Giao diện giám sát HMI được xây dựng bằng phần mềm nào và đảm nhiệm chức năng gì? Giao diện giám sát được thiết kế trên màn hình HMI Mitsubishi 1265-VNBA thông qua phần mềm GT Designer 3. Giao diện có chức năng hiển thị trạng thái vận hành của các thiết bị (động cơ, biến tần, servo, van khí nén), hiển thị vị trí và số lượng hàng hóa trong từng ô chứa, đồng thời cho phép người vận hành chuyển đổi chế độ làm việc và nhập lệnh điều khiển trực tiếp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát mô hình lưu kho bằng PLC" của nhóm tác giả Nguyễn Thành Đại và Lê Phong Vũ đã xây dựng thành công một mô hình tự động hóa kho hàng hoàn chỉnh và có tính ứng dụng cao. Công trình tích hợp đồng bộ các công nghệ điều khiển then chốt của hãng Mitsubishi gồm PLC Q2ASHCPU-S1, module phát xung vị trí A1SD75P3-S3, hệ thống truyền động Servo MR-J2S, biến tần FR-E520 cùng mạng giao tiếp HMI và cơ cấu chấp hành điện khí nén. Thiết kế phần cứng dạng khay trượt và bảng cắm jack bảo vệ không chỉ giải quyết tốt bài toán điều khiển lưu kho mà còn tạo ra một bộ thiết bị học cụ trực quan, đáp ứng hiệu quả yêu cầu thực hành và nghiên cứu trong đào tạo kỹ thuật điện tử - tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu đề tài, nội dung nghiên cứu đề tài, giới hạn và bố cục đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Trình bày cơ sở lý thuyết của PLC, động cơ Servo, biến tần và động cơ AC cho băng tải, từ đó đi vào cụ thể các thiết bị của Mitsubishi.

Hệ thống Van SMC cho cánh tay và cho bệ nâng. Chương 3: Tính toán. Bố trí linh kiện, sơ đồ khối, tính toán các thông số của thiết bị và lựa chọn các thiết bị phù hợp với công suất cho mô hình. Chương 4: Thi công mô hình.

Thi công mạch điều khiển và mạch động lực và phần cứng của mô hình đề tài. Từ đó xây dựng lưu đồ khối để viết chương trình điều khiển cho hệ thống. Tối ưu chương trình cho hệ thống giúp mô hình hoạt động ổn định và ít lỗi nhất. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Kết luận quá trình thực hiện mô hình, kết luận quá trình hoạt động mô hình, đưa ra hướng phát triển cho đề tài trong tương lai.

3 do an Trường ĐH SPKT TP.HCM Khoa Đào tạo Chất lượng cao CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về phần cứng của hệ thống 2. Tổng quan về PLC và PLC Mitsubishi Q2ASCPU-S1 2. Tổng quan về PLC PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình đầu tiên là thiết bị điều khiển logic khả trình xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1969 tại một hãng ôtô của Mỹ.

Bắt đầu chỉ đơn giản là một bộ logic thuần tuý ứng dụng để điều khiển các quá trình công nghệ, chủ yếu là điều khiển ON/OFF giống như hệ thống rơle, công tắc tơ thông thường mà không điều khiển chất lượng hệ thống. Kể từ khi xuất hiện đến nay PLC đã được cải tiến rất nhiều phiên bản:  1974: PLC đã sử dụng nhiều bộ vi xử lý như mạch định thời, bộ đếm dung lượng bộ nhớ  1976: Giới thiệu hệ thống đưa tín hiệu vào ra  1980: PLC phát triển các khối vào ra thông minh nâng cao điều khiển thuận lợi qua viễn thông, nâng cao phát triển phần mềm, lập trình dùng máy tính cá nhân.  1985: PLC được ghép nối thành mạng PLC Ngày nay PLC đã được cải tiến nhiều và đáp ứng tất cả các yêu cầu của điều khiển. PLC là một máy tính công nghiệp, dùng chương trình để điều khiển các quá trình hoạt động.

PLC thay thế hoàn toàn các phương pháp điều khiển truyền thống dùng các relay, contactor. Vì vậy PLC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, được xem như phương pháp điều khiển lý tưởng của các quá trình sản xuất. Trong hệ thống điều khiển tự động, PLC được xem như trái tim của hệ thống điều khiển. Có khâu trung gian có nhiệm vụ xử lý các tín hiệu thông tin đầu vào rồi đưa các tín hiệu tới các thiết bị chấp hành.

Cấu trúc của PLC PLC cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển thông qua một ngôn ngữ lập trình. Toàn bộ chương trình điều khiển sẽ được lưu vào trong bộ nhớ của PLC. Điều này làm cho PLC giống như một máy tính, nghĩa là có bộ vi xử lý, một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu các chương trình hỗ trợ điều khiền, dữ liệu, các cổng ra/vào để kết nối với các đối tượng điều khiển… PLC gồm các thành phần cơ bản sau: 4 do an Trường ĐH SPKT TP.HCM Khoa Đào tạo Chất lượng cao Bộ nguồn cấp: có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới thành điện áp thấp hơn cung cấp cho PLC và các module khác. Điện áp này là 5V, 5A.

Đồng thời bộ nguồn này còn tích hợp bộ bảo vệ quá dòng. Bộ điều khiển trung tâm: là bộ vi xử lý thực hiện các lệnh trong bộ nhớ của chương trình. Dữ liệu được nhập ở ngõ vào, xử lý chương trình, nhớ chương trình, xử lý các kết quả trung gian sau đó các kết quả này sẽ được truyền trực tiếp đến cơ cấu chấp hành để thực hiện việc xuất dữ liệu ra ở các ngõ ra. Bộ nhớ: lùng để chứa chương trình lưu trữ số liệu, đơn vị nhỏ nhất là bit.

Bộ nhớ là vùng lưu giữ hệ điều hành và vùng nhớ của người dùng (hệ điều hành là một phần mềm hệ thống mà nó kết nối PLC để PLC thực sự hoạt động được). Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau. Để PLC có thể hoạt động được ta cần phải có bộ nhớ để PLC lưu trữ chương trình. Nhiều trường hợp cần mở rộng bộ nhớ để thực hiện thêm các chức năng khác.

Vùng nhớ đệm tạm thời sẽ lưu trữ trạng thái của các kênh xuất – nhập được gọi là RAM xuất - nhập. Lưu trữ tạm thời trạng thái của các chức năng bên trong : các bộ định thời (Timer), các bộ đếm (Counter), các Relay. Bộ nhớ gồm các loại sau:  Bộ nhớ chỉ đọc (ROM): Bộ nhớ ROM không phải là bộ nhớ khả biến, nó chỉ được lập trình 1 lần. Do đó bộ nhớ này không thích hợp cho việc điều khiển “mềm” của PLC vì vậy nó ít phổ biến hơn so với các loại bộ nhớ khác.

 Bộ nhớ ghi đọc (RAM): Bộ nhớ của PLC là CMOSRAM, nó tiêu tốn ít năng lượng và được cấp pin dự phòng khi mất nguồn. Nhờ đó dữ liệu sẽ không bị mất khi ngăt nguồn đột ngột.  Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xóa được (EPROM): EPROM lưu trữ dữ liệu giống như bộ nhớ ROM, tuy nhiên dung lượng của nó có thể được xóa đi nếu bi ảnh hưởng trực tiếp từ tia tử ngoại và khi đó ta phải viết lại toàn bộ chương trình cho bộ nhớ.  Bộ nhớ chỉ đọc chương trình sẽ được xóa được bằng điện (EEPROM): Dữ liệu lưu trữ trên EEPROM có thể bị xóa và lập trình lại bằng điện, tuy nhiên nó sẽ giới hạn một số lần lập trình nhất định.

Các module xuất nhập: Khối xuất – nhập đóng vai trò là mạch giao tiếp giữa vi mạch điện tử bên trong PLC với mạch ngoài. Module nhập nhận tín hiệu từ sensor 5 do an Trường ĐH SPKT TP.HCM Khoa Đào tạo Chất lượng cao và đưa vào trong CPU, module xuất sẽ đưa tín hiệu điều khiển từ CPU ra cơ cấu chấp hành. Mọi hoạt động xử lý tín hiệu từ bên trong PLC có mức điện áp từ 5 ÷ 15 VDC, trong khi tín hiệu bên ngoài có thể lớn hơn rất nhiều. Có nhiều loại ngõ ra như: ngõ ra dùng transitor, ngõ ra dùng triac, ngõ ra dùng role.

Hệ thống Bus: Là hệ thống tập hợp một số dây dẫn kết nối các module trong PLC gọi là Bus, đây là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều tín hiệu song song với nhau.  Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau.  Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.  Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC.

Ngoài ra PLC còn có các module phụ trợ như module giao tiếp mạng, module phát xung,…. Nguyên lý hoạt động của PLC CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi.

Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ. PLC thực chất chạy bằng mã máy với hệ thống số nhị phân, do đó tốc độ quét vòng chương trình có thể đạt đến vài phần ngàn giây, các phần mềm dùng để lập trình PLC tích hợp cả phần biên dịch. Các dòng lệnh khi lập trình chúng ta đưa từ chương trình vào thì trình biên dịch sẽ chuyển đổi sang mã máy và ghi từng bit “0” hay bit “1” lên đúng vào vị trí có địa chỉ đã được quy ước trước trong PLC lên PC được thực thi xảy ra ngược lại và trình biên dịch đã làm xong nhiệm vụ của mình trước khi trả chương trình lên Monitor. Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các module vào ra thông qua Data Bus.

Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song. Nếu một module đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ chuyển tất cả trạng thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, module đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data Bus. Control Bus sẽ 6 do an Trường ĐH SPKT TP.HCM Khoa Đào tạo Chất lượng cao chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC.

Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế. Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O. PLC thực hiện các công việc (bao gồm cả chương trình điều khiển) theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (scancycle).

Mỗi vòng quét được bắt đàu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo X, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối Main. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Y tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn xử lý các yêu cầu truyền thông (nếu có) và kiểm tra trạng thái của CPU.

Mỗi vòng quét có thể mô tả như sau: Hình 2.1: Hoạt động của PLC trong một vòng quét Chú ý: Bộ đệm X và Y không liên quan tới các cổng vào/ra tương tự nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua bộ đệm. Thời gian cần thiết để cho PLC thực hiện được một vòng quét được gọi là thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tuỳthuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu truyền thông.

Trong vòng quét đó. Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển đến đối tượng có một khoảngthời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét.