Đồ án tốt nghiệp công nghệ kỹ thuật cơ điện tử design and develop control monitoring and communication systems for automatic production lines with industrial robots

Đồ án tốt nghiệp công nghệ kỹ thuật cơ điện tử thiết kế và phát triển hệ thống điều khiển, giám sát cho dây chuyền sản xuất tự động với robot công nghiệp.

• Tác giả: Tang Nghe Quang Huy
• Người hướng dẫn: Master Tuong Phuoc Tho
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Mechatronics Engineering Technology
• Đề tài: Design and develop control, monitoring and communication systems for automatic production lines with industrial robots
• Loại tài liệu: graduation thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• THE COMMITMENT
• THANK YOU!
• PROJECT SUMMARY
• 1. CHAPTER 1: OVERVIEW AND THEORICAL BASIS
• 1.1. Introduction to modern production lines, control, monitoring, maintenance and repair
• 1.2. Programmable Logic Controllers (PLCs)
• 1.3. Industrial communication network
• 1.4. Industrial Robot
• 2. CHAPTER 2: MECHANICAL DESIGN
• 2.1. Overall about the system
• 2.2. Hardware connection of PLC Siemens S7-1200 1214C AC/DC/RLY and inverter SINAMICS V20
• 2.3. Bottle supply and classification station
• 2.4. Transporting defective bottle station
• 2.5. Box supply station
• 3. CHAPTER 3: MONITORING CONTROLLER DESIGNATION
• 3.1. Overview of connection and communication of automatic production line system
• 3.2. PROFINET for IRC5
• 3.3. Information about the Internal device
• 3.4. Information about the internal controller
• 3.5. Software for configuring a device
• 3.6. Running Indicator Lights
• 3.7. Webserver communication PLC
• 3.8. Software that supports Webserver programming
• 3.9. Overview of necessary modules to support programming
• 3.10. Transmit data, establish connection between Webserver and PLC
• 3.11. Website structure and interface
• 4. CHAPTER 4: RESULTS AND EXPERIMENTS
• 4.1. Control system components and hardware station
• 4.2. Robot monitoring and control interface via HMI
• 4.3. Webserver PLC communication via Internet (Localhost)
• 4.4. Basic steps and notes when communicating between Robot and PLC

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống điều khiển và giám sát sản xuất tự động

Hệ thống điều khiển và giám sát cho dây chuyền sản xuất tự động với robot công nghiệp đang trở thành xu hướng chủ đạo trong ngành công nghiệp hiện đại. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa không chỉ giúp nâng cao hiệu suất sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm. Hệ thống này bao gồm nhiều thành phần như cảm biến, bộ điều khiển lập trình (PLC), và robot công nghiệp, tất cả đều hoạt động đồng bộ để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

1.1. Các thành phần chính trong hệ thống tự động hóa

Hệ thống tự động hóa bao gồm các thành phần như cảm biến, PLC, và robot công nghiệp. Cảm biến giúp thu thập dữ liệu về trạng thái sản xuất, trong khi PLC thực hiện các lệnh điều khiển dựa trên dữ liệu này. Robot công nghiệp thực hiện các nhiệm vụ lặp đi lặp lại, giúp giảm thiểu sai sót và tăng năng suất.

1.2. Lợi ích của việc áp dụng công nghệ tự động hóa

Việc áp dụng công nghệ tự động hóa trong sản xuất mang lại nhiều lợi ích như giảm chi phí lao động, tăng cường độ chính xác và ổn định trong quy trình sản xuất. Hệ thống giám sát cũng giúp phát hiện sớm các vấn đề, từ đó cải thiện hiệu suất và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động.

II. Thách thức trong việc triển khai hệ thống điều khiển tự động

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc triển khai hệ thống điều khiển và giám sát cho dây chuyền sản xuất tự động cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu về kỹ thuật và đào tạo nhân lực là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Chi phí đầu tư và bảo trì hệ thống

Chi phí đầu tư cho hệ thống tự động hóa có thể rất cao, bao gồm chi phí mua sắm thiết bị, lắp đặt và bảo trì. Do đó, các doanh nghiệp cần có kế hoạch tài chính rõ ràng để đảm bảo khả năng duy trì hệ thống trong thời gian dài.

2.2. Yêu cầu về kỹ thuật và đào tạo nhân lực

Việc triển khai hệ thống tự động hóa đòi hỏi nhân viên phải có kiến thức chuyên môn cao. Do đó, các doanh nghiệp cần đầu tư vào đào tạo và phát triển kỹ năng cho nhân viên để họ có thể vận hành và bảo trì hệ thống một cách hiệu quả.

III. Phương pháp tối ưu hóa quy trình sản xuất với robot công nghiệp

Để tối ưu hóa quy trình sản xuất, việc áp dụng các phương pháp hiện đại như Internet of Things (IoT) và hệ thống SCADA là rất cần thiết. Những công nghệ này giúp kết nối và giám sát các thiết bị trong dây chuyền sản xuất một cách hiệu quả.

3.1. Ứng dụng IoT trong sản xuất tự động

Internet of Things (IoT) cho phép các thiết bị trong dây chuyền sản xuất kết nối và giao tiếp với nhau. Điều này giúp thu thập dữ liệu theo thời gian thực, từ đó cải thiện khả năng ra quyết định và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

3.2. Hệ thống SCADA trong giám sát sản xuất

Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) cho phép giám sát và điều khiển các quy trình sản xuất từ xa. Hệ thống này cung cấp thông tin chi tiết về tình trạng hoạt động của thiết bị, giúp phát hiện và xử lý sự cố kịp thời.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống điều khiển trong sản xuất

Hệ thống điều khiển và giám sát cho dây chuyền sản xuất tự động đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất thực phẩm đến sản xuất linh kiện điện tử. Những ứng dụng này không chỉ giúp tăng năng suất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm.

4.1. Ví dụ về ứng dụng trong sản xuất thực phẩm

Trong ngành sản xuất thực phẩm, hệ thống tự động hóa giúp đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra liên tục và an toàn. Các cảm biến và robot công nghiệp được sử dụng để kiểm soát chất lượng và đóng gói sản phẩm một cách hiệu quả.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất linh kiện điện tử

Trong sản xuất linh kiện điện tử, hệ thống điều khiển tự động giúp giảm thiểu sai sót và tăng cường độ chính xác. Robot công nghiệp thực hiện các nhiệm vụ lắp ráp và kiểm tra, đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng cao.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống điều khiển tự động

Hệ thống điều khiển và giám sát cho dây chuyền sản xuất tự động với robot công nghiệp đang mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại những cải tiến đáng kể trong quy trình sản xuất và quản lý.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ tự động hóa

Công nghệ tự động hóa đang phát triển nhanh chóng với sự xuất hiện của các giải pháp mới như trí tuệ nhân tạo và học máy. Những công nghệ này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả hoạt động.

5.2. Tác động của tự động hóa đến thị trường lao động

Mặc dù tự động hóa mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đặt ra thách thức cho thị trường lao động. Cần có các chính sách hỗ trợ để giúp người lao động thích nghi với sự thay đổi này và phát triển kỹ năng mới.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh sản xuất công nghiệp hiện đại, việc ứng dụng tự động hóa ngày càng trở nên thiết yếu nhằm nâng cao năng suất, duy trì chất lượng ổn định và đảm bảo nghiêm ngặt các tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm đối với các quy trình đóng gói khép kín. Dây chuyền sản xuất nước đóng chai tự động là một hệ thống điển hình đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng, liên tục giữa các cơ cấu cơ khí, thiết bị cảm biến, hệ thống truyền động, cánh tay robot công nghiệp và các bộ điều khiển logic khả trình (PLC).

Tại xưởng thực hành môn học Robot công nghiệp và Cảm biến thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, mô hình dây chuyền đóng gói chai nước trước đây từng gặp phải tình trạng vận hành thiếu ổn định, hiệu suất phối hợp giữa các trạm chức năng còn nhiều hạn chế và chưa có hệ thống giám sát tập trung. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Thiết kế và phát triển hệ thống điều khiển, giám sát và truyền thông cho dây chuyền sản xuất tự động với robot công nghiệp" (Design and develop control, monitoring and communication systems for automatic production lines with industrial robots) được thực hiện nhằm nâng cấp toàn diện phần cứng cơ khí, hoàn thiện mạng truyền thông công nghiệp và xây dựng giao diện điều khiển, giám sát từ xa.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo các mục sau:

1. Khảo sát hiện trạng dây chuyền sản xuất nước đóng chai tự động, căn chỉnh và tối ưu hóa các cơ cấu cơ khí trong từng trạm làm việc.
2. Nghiên cứu và thiết lập các giao thức truyền thông công nghiệp giữa các bộ điều khiển (PLC), màn hình giám sát (HMI), robot công nghiệp và máy tính điều khiển.
3. Xây dựng quy trình vận hành và bảo trì, lập trình thuật toán điều khiển và tiến hành chạy thực nghiệm toàn bộ dây chuyền.
4. Phát triển giao diện vận hành tại chỗ qua màn hình HMI và giao diện giám sát từ xa qua Webserver kết nối cơ sở dữ liệu MySQL.

Phạm vi nghiên cứu của đồ án tập trung vào hệ thống dây chuyền đóng gói nước chai gồm 4 trạm cơ điện tử kết hợp 2 cánh tay robot công nghiệp ABB (IRB-120 và IRB-1200), được điều khiển bởi hệ thống PLC Siemens S7-1200, S7-1500 và biến tần SINAMICS V20. Đề tài do sinh viên Tăng Nghệ Quang Huy và Đặng Quốc Dũng thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Tưởng Phước Thọ tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, trong giai đoạn từ ngày 01/02/2024 đến ngày 01/07/2024.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết cốt lõi của ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử và Tự động hóa:

• Bộ điều khiển logic khả trình (PLC): Ứng dụng đại số Boolean và mạch logic số để xử lý tín hiệu ngõ vào (Input) và điều khiển cơ cấu chấp hành ở ngõ ra (Output). Hoạt động dựa trên chu trình quét tuần hoàn (sequential execution) kết hợp cơ chế điều khiển hồi tiếp (feedback control), sử dụng kiến trúc vi xử lý trung tâm (CPU) dạng module linh hoạt mở rộng. Các ngôn ngữ lập trình được áp dụng bao gồm LAD (Ladder Logic), FBD (Function Block Diagram) và SCL (Structured Control Language).
• Mạng truyền thông công nghiệp: Khung liên kết phân tầng từ cấp trường (cảm biến, cơ cấu chấp hành) đến cấp điều khiển và giám sát. Đề tài tập trung vào chuẩn truyền thông công nghiệp PROFINET (dựa trên nền tảng Industrial Ethernet, hỗ trợ truyền thông chu kỳ và không chu kỳ giữa PLC và Robot), giao thức Modbus RTU/USS cho biến tần, và kết nối Ethernet/LAN nội bộ.
• Động học và cấu trúc Robot công nghiệp: Phân tích bậc tự do (Degrees of Freedom - DOF) của cơ cấu chuỗi động học hở theo công thức: $$w = 6n - \sum_{i=1}^{5} i \cdot p_i$$ Trong đó $n$ là số khâu động, $p_i$ là số khớp loại $i$. Xác định vị trí và hướng của robot thông qua hệ tọa độ cơ sở gắn trên đế ($O_0$) và các hệ tọa độ mở rộng ($O_n$) gắn trên các khâu động tuân theo quy tắc bàn tay phải. Nghiên cứu khảo sát các dạng cấu trúc robot tọa độ Descartes, tọa độ trụ và tọa độ cầu để ứng dụng cánh tay robot ABB với không gian làm việc (workspace) xác định.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả áp dụng phương pháp thiết kế kỹ thuật kết hợp thực nghiệm cơ điện tử:

• Khảo sát và chuẩn hóa phần cứng: Kiểm tra các cơ cấu hiện hữu, đo đạc thông số kỹ thuật, thiết kế bổ sung các bộ gá, cơ cấu đẩy ép khí nén và hệ thống băng tải.
• Tích hợp hệ thống và cấu hình truyền thông: Cấu hình mạng PROFINET trên phần mềm TIA Portal và RobotStudio; khai báo tệp mô tả phần cứng GSDML cho bộ điều khiển Robot ABB IRC5; thiết lập địa chỉ IP, subnet mask qua cổng mạng cách ly LAN 3; cài đặt thông số biến tần SINAMICS V20 theo Macro Cn002.
• Lập trình và thực nghiệm: Lập trình điều khiển tuần tự cho từng trạm trên PLC S7-1200; lập trình quỹ đạo chuyển động gắp - đặt sản phẩm cho Robot ABB IRB-120 và IRB-1200; thiết kế giao diện HMI trên phần mềm SKTOOL; xây dựng Webserver đọc/ghi dữ liệu PLC thông qua hàm PUT/GET kết nối hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL.

Nguồn dữ liệu

Nguồn dữ liệu kỹ thuật sử dụng trong nghiên cứu bao gồm tài liệu hướng dẫn kỹ thuật (manuals) của Siemens (PLC S7-1200, S7-1500, Biến tần SINAMICS V20), tài liệu vận hành và lập trình của ABB Robotics (IRC5 controller, IRB-120, IRB-1200), bảng thông số linh kiện khí nén JELPC/PVN, cảm biến quang điện và cảm biến từ, cùng các dữ liệu đo đạc thực nghiệm thu thập trực tiếp tại xưởng thực hành.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc tổng thể và phân bổ chức năng các trạm

Dây chuyền sản xuất nước đóng chai tự động vận hành theo quy trình liên tục một chiều từ trái sang phải, bao gồm 4 trạm chức năng và 2 vị trí làm việc của robot công nghiệp:

    [Robot ABB IRB-120 gắp 6 chai]

1. Trạm 1 - Cấp và phân loại chai (Bottle Supply and Classification Station): Vận chuyển chai nước và phân loại chất lượng dựa trên màu sắc nắp chai thông qua camera xử lý ảnh và cảm biến quang. Chai nước đi qua cảm biến sẽ bị chặn bởi xi lanh 1 để camera nhận diện: nếu nắp màu xanh (đạt chuẩn), xi lanh chặn rút về để chai tiếp tục đi thẳng; nếu nắp màu đỏ (lỗi), xi lanh 2 sẽ đẩy chai sang băng tải của Trạm 2.
2. Trạm 2 - Vận chuyển chai lỗi (Transporting Defective Bottle Station): Tiếp nhận chai hỏng từ Trạm 1. Khi cảm biến phát hiện chai lỗi, băng tải Trạm 2 kích hoạt động cơ để vận chuyển chai ra khỏi khu vực đóng gói chính.
3. Trạm 3 - Cấp vỏ thùng carton (Box Supply Station): Băng tải vận chuyển phôi hộp carton. Cảm biến thứ hai nhận diện hộp đến cuối hành trình, kích hoạt xi lanh bên dưới nhô lên để chặn giữ thùng tiếp theo. Cảm biến thứ ba kích hoạt cụm cơ cấu chấp hành gồm 3 xi lanh (2 xi lanh chuyển động dọc, 1 xi lanh chuyển động ngang) đẩy thùng phôi sang Trạm 4. Sau 3 giây, xi lanh chặn 1 lùi về để thả thùng tiếp theo.
4. Trạm 4 - Dán băng keo và hoàn thiện sản phẩm (Taping Station): Nhận vỏ thùng từ Trạm 3. Tại đây, thùng được giữ cố định để chờ cánh tay robot ABB IRB-120 gắp đủ 6 chai nước đạt chuẩn từ Trạm 1 xếp vào thùng. Khi đủ 6 chai, băng tải Trạm 4 kéo thùng qua cụm dán băng dính gồm 1 xi lanh khí nén ép nắp, 2 con lăn ép, 1 lưỡi dao cắt băng keo và 2 băng tải hai bên giữ thăng bằng. Khi thùng ra khỏi cụm dán, trượt xuống máng dẫn và được cảm biến ghi nhận, robot ABB IRB-1200 sẽ gắp thùng thành phẩm đưa sang khu vực tập kết.

Bảng thông số kỹ thuật các thiết bị chính trong hệ thống

Tên thiết bị / Linh kiện	Mã hiệu / Quy cách	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
PLC Siemens S7-1200	CPU 1214C AC/DC/RLY (6ES7 214-1BG40-0XB0)	Nguồn cấp 120–240 VAC, 14 ngõ vào số (DI 24VDC), 10 ngõ ra Relay (2A), 2 ngõ vào tương tự (AI 0–10V), bộ nhớ chương trình 75 kB, tích hợp cổng PROFINET/Ethernet.	Điều khiển logic độc lập tại từng trạm (Trạm 1 đến Trạm 4).
PLC Siemens S7-1500	SIMATIC S7-1500	Bộ điều khiển trung tâm, hỗ trợ PROFINET, xử lý truyền thông mạng công nghiệp.	Điều phối tín hiệu tổng và truyền thông trực tiếp với Robot ABB.
Module tương tự	Signal Board SB 1232 (6ES7232-4HA30-0XB0)	1 ngõ ra tương tự (AQ 1x12bit), dải điện áp -10V đến +10V hoặc dòng 0–20mA.	Xuất tín hiệu tương tự điều khiển tần số (Setpoint) cho biến tần.
Biến tần Siemens	SINAMICS V20 (1.1 kW)	Nguồn 240 VAC 1 pha, dòng định mức 6A, tần số ngõ ra tối đa 550 Hz, hỗ trợ Modbus RTU/USS, cài đặt Connection Macro Cn002.	Điều khiển tốc độ động cơ truyền động băng tải.
Robot công nghiệp ABB	IRB-120 & IRB-1200	Tích hợp tủ điều khiển IRC5, truyền thông PROFINET qua cổng mạng LAN 3, module PN_Internal_Device (64 DI/DO).	IRB-120: gắp 6 chai nước vào thùng; IRB-1200: gắp thùng thành phẩm.
Màn hình cảm ứng HMI	Samkoon SK-102HS	Màn hình màu 10.2 inch (1024×600), vi xử lý Cortex A8 600 MHz, 128MB Flash + 128MB DDR3, cổng COM (RS232/422/485) và Ethernet, chuẩn IP65 mặt trước.	Giao diện vận hành, cài đặt thông số và điều khiển tại từng trạm.
Cảm biến quang điện	E18-DS30PA	Khoảng cách phát hiện 5–30 cm, nguồn 10–36 VDC, ngõ ra PNP thường mở (NO), dòng cực đại 300 mA, chuẩn bảo vệ IP54.	Phát hiện sự hiện diện của chai nước và thùng carton trên băng tải.
Cảm biến từ vị trí	SMC D-H7A1	Dạng 3 dây, ngõ ra NPN, điện áp 5–24 VDC, có đèn LED hiển thị trạng thái màu đỏ.	Xác định vị trí hành trình của pít-tông xi lanh khí nén.
Xi lanh khí nén	JELPC DN/TN series & PVN MAL32x100	JELPC DN16x75, DN16x150, TN16x125, TN20x75; PVN MAL32x100 (đường kính nòng 32 mm, hành trình 100 mm, áp suất làm việc 0.9 MPa).	Chặn chai, đẩy chai lỗi, cơ cấu đẩy phôi thùng và ép nắp thùng dán băng dính.
Van điện từ khí nén	JELPC J4V210-08	Van đảo chiều 5/2, kích thước cổng vào/ra G 1/4", cổng xả G 1/8", áp suất làm việc 0.2–0.8 MPa, công suất cuộn coil AC 3.5W, IP65.	Điều khiển cấp/xả khí nén cho các xi lanh tác động kép.
Động cơ hãm điện từ	41K25GN-SWM	Động cơ cảm ứng 3 pha 200/220/230 VAC, 50/60 Hz, công suất 24W, tốc độ định mức 1300/1550 rpm, tích hợp phanh điện từ.	Truyền động và giữ thăng bằng cho thùng carton tại trạm dán băng keo.

Cấu hình truyền thông công nghiệp và giám sát Webserver

• Mạng PROFINET giữa PLC và Robot ABB: Cấu hình truyền thông sử dụng tệp mô tả thiết bị GSDML được xuất từ hệ thống Robot ABB và nạp vào TIA Portal. Bộ điều khiển IRC5 kết nối với switch trung tâm TP-Link thông qua cổng mạng độc lập LAN 3. Cấu hình module truyền thông nội bộ PN_Internal_Device Module DI/DO 64 để trao đổi 64 tín hiệu ngõ vào/ngõ ra số giữa PLC S7-1500 và cánh tay robot.
• Hệ thống giám sát Webserver: Để giám sát dữ liệu PLC qua trình duyệt web trên nền tảng mạng cục bộ (Localhost), trên phần mềm TIA Portal tiến hành cấp quyền truy cập đầy đủ (Full access), kích hoạt tính năng Permit PUT/GET to let the PLC authorize the third party connection, và bỏ chọn thuộc tính Optimized block access tại các khối dữ liệu (Data Block). Dữ liệu I/O và trạng thái thời gian hoạt động của các trạm được đồng bộ và lưu trữ vào cơ sở dữ liệu MySQL Workbench để hiển thị trực quan trên giao diện Dashboard.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan và cơ sở lý thuyết (Overview and Theorical Basis)

Chương 1 trình bày tổng quan về các dây chuyền sản xuất hiện đại, vai trò của hệ thống điều khiển, giám sát, bảo trì và sửa chữa trong sản xuất công nghiệp. Tác giả phân tích cấu trúc phần cứng và nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển lập trình PLC, bao gồm chu trình quét tín hiệu và cấu trúc module hóa. Chương này cũng phân loại các mạng truyền thông công nghiệp phổ biến (Ethernet, Profinet, Modbus, Profibus, DeviceNet) và làm rõ vai trò của chúng trong việc giảm chi phí dây nối, tăng độ tin cậy và hỗ trợ chẩn đoán sự cố từ xa. Về mặt robot công nghiệp, chương 1 trình bày khái niệm bậc tự do (DOF), các hệ tọa độ (cơ sở $O_0$, mở rộng $O_n$), không gian làm việc (workspace), và ba dạng cấu trúc robot chính: robot tọa độ Descartes, robot tọa độ trụ và robot tọa độ cầu.

Chương 2: Thiết kế cơ khí và phần cứng các trạm (Mechanical Design)

Chương 2 mô tả chi tiết thiết kế cơ khí và đấu nối phần cứng của dây chuyền đóng gói chai nước. Nội dung bao gồm sơ đồ đấu nối nguồn và tín hiệu I/O của PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY (đấu nối ngõ vào dạng Sinking/Sourcing, ngõ ra Relay) và biến tần SINAMICS V20 (cấu hình Connection Macro Cn002: điều khiển chạy/dừng bằng tiếp điểm switch qua cổng DI, đặt tần số bằng tín hiệu Analog qua cổng AI1). Tiếp đó, chương 2 trình bày chi tiết bản vẽ cấu tạo, bảng thông số linh kiện, địa chỉ I/O, sơ đồ khối và sơ đồ mạch điện của 4 trạm chức năng:

• Trạm 1 (Cấp và phân loại chai): Sử dụng cảm biến I1.3, ngõ ra động cơ Q0.0 (chạy thuận), Q0.1 (chạy nghịch), cùng 2 xi lanh JELPC DN16x75/DN16x150.
• Trạm 2 (Vận chuyển chai lỗi): Sử dụng cảm biến I1.2, 4 cảm biến từ SMC D-H7A1, ngõ ra động cơ Q0.0/Q0.3 và 2 xi lanh DN16x75.
• Trạm 3 (Cấp vỏ thùng): Nút nhấn Start I0.4, 2 cảm biến E18-DS30PA, ngõ ra động cơ Q0.0/Q0.1, cơ cấu đẩy 3 xi lanh (DN16x75, TN16x125, TN20x75).
• Trạm 4 (Dán băng keo): Nút nhấn Start I0.3, ngõ ra động cơ Q0.0/Q0.3, 2 cảm biến quang, 1 xi lanh PVN MAL32x100 và 2 động cơ hãm điện từ 41K25GN-SWM.

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát (Monitoring Controller Designation)

Chương 3 tập trung vào giải pháp kết nối mạng và thiết kế giao diện giám sát cho toàn bộ hệ thống:

• Truyền thông PROFINET cho Robot ABB IRC5: Trình bày chi tiết các bước thiết lập cổng LAN 3, gán địa chỉ IP/Subnet, cấu hình thiết bị nội bộ PN_Internal_Device với module DI/DO 64, gán tên thiết bị PROFINET (Device Name) và tích hợp tệp GSDML vào TIA Portal để trao đổi dữ liệu với PLC S7-1500.
• Thiết kế giao diện HMI Samkoon: Sử dụng phần mềm SKTOOL để thiết kế màn hình điều khiển trực quan cho từng trạm (Trạm 1 đến Trạm 4), hiển thị trạng thái đèn báo, nút nhấn điều khiển chạy/dừng băng tải và giám sát trạng thái cảm biến, xi lanh.
• Xây dựng Webserver giám sát PLC: Thiết lập cấu hình truyền thông bên thứ ba trên TIA Portal (cho phép PUT/GET, hủy Optimized Block Access), xây dựng khối dữ liệu SQL Data Block, kết nối PLC với hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL Workbench và thiết kế giao diện website Dashboard hiển thị trạng thái I/O, thời gian hoạt động của từng trạm theo thời gian thực.

Chương 4: Kết quả và thực nghiệm (Results and Experiments)

Chương 4 công bố kết quả lắp ráp phần cứng hoàn thiện và các bước chạy thử nghiệm thực tế:

• Kiểm tra trạng thái kết nối phần cứng và đèn báo tín hiệu (Running Indicator Lights) trên tủ điện chính và các trạm.
• Thực nghiệm truyền thông PROFINET giữa PLC S7-1500 và Robot ABB: xác nhận kết nối thành công thông qua biểu tượng dấu tích xanh trên giao diện cài đặt; chuyển trạng thái robot từ Manual sang Auto để kích hoạt chu trình điều khiển tự động.
• Kiểm thử hoạt động đồng bộ của dây chuyền: Trạm 1 phân loại chính xác chai đạt/lỗi; Trạm 2 chuyển chai lỗi ra ngoài; Trạm 3 cấp phôi hộp; Robot ABB IRB-120 gắp chính xác 6 chai nước vào hộp tại Trạm 4; Trạm 4 dán băng keo hoàn thiện hộp và Robot ABB IRB-1200 gắp thùng thành phẩm sang vị trí lưu trữ.
• Đánh giá giao diện HMI Samkoon tại từng trạm và giao diện Webserver/MySQL Workbench trên môi trường Localhost, xác nhận tín hiệu I/O và dữ liệu thời gian thực được đồng bộ liên tục.
• Tổng kết các bước cơ bản và các lưu ý kỹ thuật quan trọng khi thiết lập truyền thông giữa Robot ABB và PLC Siemens.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

1. Hoàn thiện mô hình dây chuyền cơ điện tử 4 trạm: Lắp ráp, đấu nối hoàn chỉnh hệ thống cơ khí, khí nén và điện - điện tử cho 4 trạm chức năng, vận hành đồng bộ với 2 cánh tay robot công nghiệp ABB (IRB-120 và IRB-1200).
2. Thiết lập mạng truyền thông công nghiệp đa tầng: Kết nối thành công mạng PROFINET trao đổi 64 tín hiệu số (DI/DO) giữa PLC Siemens S7-1500 và bộ điều khiển robot ABB IRC5 qua cổng mạng LAN 3 và tệp GSDML. Điều khiển ổn định biến tần SINAMICS V20 qua Macro Cn002 kết hợp module ngõ ra tương tự SB 1232.
3. Phát triển hệ thống giám sát đa kênh: Xây dựng hoàn chỉnh giao diện điều khiển HMI Samkoon SK-102HS tại 4 trạm và triển khai hệ thống Webserver kết nối cơ sở dữ liệu MySQL Workbench, cho phép theo dõi trạng thái I/O và thời gian vận hành qua mạng.
4. Bàn giao đầy đủ sản phẩm cam kết theo đề cương:
   • 01 Hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hoàn chỉnh tại xưởng thực hành.
   • 01 Bộ tài liệu hướng dẫn thực hành (Practice guide set).
   • 01 Video mô phỏng và ghi hình quá trình vận hành thực tế (Operating simulation video).
   • 01 Quyển báo cáo tổng kết đồ án tốt nghiệp (Summary report book).

Đóng góp của đề tài

Đề tài đã nâng cấp thành công mô hình thực hành phục vụ môn học Robot công nghiệp và Cảm biến từ trạng thái hoạt động kém ổn định thành một hệ thống tích hợp hoàn chỉnh, có khả năng vận hành liên hoàn giữa PLC, biến tần, khí nén, HMI, Robot công nghiệp và Webserver. Bộ tài liệu hướng dẫn thực hành và quy trình cấu hình truyền thông PROFINET đóng vai trò là tài liệu kỹ thuật trực quan, phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo thực hành của sinh viên các khóa sau tại Khoa Cơ khí - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Do giới hạn về thời gian thực hiện (5 tháng) và kinh nghiệm thực tế, hệ thống Webserver chủ yếu mới được thử nghiệm truyền thông trên môi trường mạng nội bộ (Localhost); các thuật toán giám sát và cảnh báo lỗi chuyên sâu chưa được tích hợp hoàn toàn trên giao diện web.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  1. Mở rộng hệ thống Webserver để giám sát và điều khiển toàn diện qua Internet với các giao thức bảo mật cao hơn.
  2. Nâng cấp thuật toán xử lý ảnh trên camera Trạm 1 để nhận diện nhiều dạng khuyết tật phức tạp hơn của chai nước (như mức nước, độ biến dạng thân chai, lỗi nhãn mác) thay vì chỉ nhận diện màu nắp chai.
  3. Xây dựng các khối thuật toán tự động chẩn đoán và dự đoán lỗi bảo trì định kỳ cho các cơ cấu khí nén và động cơ trên dây chuyền.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Tham khảo quy trình thiết kế phần cứng, lập trình PLC Siemens S7-1200/S7-1500, và phương pháp cấu hình mạng truyền thông công nghiệp PROFINET với Robot ABB IRC5.
• Người làm đồ án, dự án nghiên cứu về Robot công nghiệp: Tham khảo chi tiết các bước xuất/nạp tệp GSDML, khai báo I/O trên RobotStudio/FlexPendant, và quy tắc gán địa chỉ tín hiệu giữa robot và PLC.
• Kỹ sư và kỹ thuật viên tích hợp hệ thống: Tham khảo giải pháp đấu nối biến tần SINAMICS V20 theo Macro Cn002 và mô hình kết nối Webserver/MySQL để thu thập dữ liệu PLC trong nhà máy.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Dây chuyền sản xuất sử dụng những dòng PLC và Robot công nghiệp nào?
Dây chuyền sử dụng các bộ điều khiển PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C AC/DC/RLY) độc lập tại 4 trạm chức năng, 1 bộ điều khiển trung tâm PLC Siemens S7-1500, và 2 cánh tay robot công nghiệp của hãng ABB gồm IRB-120 (chuyên gắp 6 chai nước vào hộp carton) và IRB-1200 (chuyên gắp thùng thành phẩm đã dán băng dính).

2. Giao thức truyền thông nào được dùng để kết nối giữa PLC Siemens S7-1500 và Robot ABB IRC5?
Hệ thống sử dụng giao thức truyền thông công nghiệp PROFINET. Việc kết nối được thực hiện qua cổng mạng cách ly LAN 3 trên tủ điều khiển IRC5, thông qua việc nạp tệp mô tả phần cứng GSDML của robot vào TIA Portal và gán cấu hình module nội bộ PN_Internal_Device Module DI/DO 64 (trao đổi 64 tín hiệu số).

3. Biến tần Siemens SINAMICS V20 được cấu hình theo chế độ nào để điều khiển động cơ băng tải?
Biến tần SINAMICS V20 (công suất 1.1 kW, nguồn 240 VAC 1 pha) được cấu hình theo Connection Macro Cn002: nhận lệnh điều khiển chạy/dừng thông qua các tiếp điểm công tắc ở ngõ vào số (Digital Input), và nhận tín hiệu đặt tốc độ (Setpoint) dạng tương tự (Analog) từ module ngõ ra tương tự SB 1232 (AQ 1x12bit) của PLC S7-1200.

4. Trạm 4 (Trạm dán băng keo) thực hiện chu trình đóng gói và dán hộp như thế nào?
Khi vỏ hộp từ Trạm 3 chuyển sang Trạm 4, cơ cấu giữ hộp cố định để Robot ABB IRB-120 gắp đủ 6 chai nước từ Trạm 1 xếp vào. Sau khi nhận đủ 6 chai, băng tải kéo hộp qua cụm dán: 1 xi lanh khí nén PVN MAL32x100 ép nắp hộp, 2 băng tải hai bên giữ thăng bằng nhờ 2 động cơ hãm điện từ 41K25GN-SWM, các cơ cấu con lăn và dao cắt thực hiện dán kín miệng hộp. Hộp thành phẩm trượt xuống máng trượt và kích hoạt cảm biến để Robot ABB IRB-1200 gắp ra vị trí lưu trữ.

5. Cần thực hiện những thiết lập nào trên phần mềm TIA Portal để Webserver có thể giao tiếp với PLC Siemens?
Người lập trình cần: (1) Cấp toàn quyền truy cập (Full access) cho PLC; (2) Kích hoạt tùy chọn Permit PUT/GET to let the PLC authorize the third party connection để cho phép kết nối bên thứ ba; (3) Bỏ chọn thuộc tính Optimized block access trên các khối dữ liệu (Data Block) liên quan; và (4) Khai báo đúng địa chỉ IP, cổng (port), rack và slot kết nối tương ứng với PLC trong cấu hình phần mềm máy chủ/MySQL.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và phát triển hệ thống điều khiển, giám sát và truyền thông cho dây chuyền sản xuất tự động với robot công nghiệp" đã giải quyết thành công bài toán tích hợp cơ điện tử phức tạp trong sản xuất tự động. Nhóm tác giả đã hoàn thiện phần cứng 4 trạm chức năng, làm chủ công nghệ truyền thông PROFINET giữa PLC Siemens và Robot ABB, đồng thời xây dựng thành công hệ thống giám sát kép qua HMI Samkoon và Webserver/MySQL Workbench. Kết quả nghiên cứu không chỉ đáp ứng trọn vẹn các yêu cầu kỹ thuật và sản phẩm bàn giao cam kết mà còn trực tiếp nâng cao năng lực thực hành, đào tạo tại xưởng Cơ điện tử của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS MAJOR: MECHATRONICS ENGINEERING TECHNOLOGY DESIGN AND DEVELOP CONTROL, MONITORING AND COMMUNICATION SYSTEMS FOR AUTOMATIC PRODUCTION LINES WITH INDUSTRIAL ROBOTS INSTRUCTOR: TUONG PHUOC THO STUDENT: TANG NGHE QUANG HUY DANG QUOC DUNG Ho Chi Minh city, July 2024 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION ----------------------------- HIGH QUALITY TRAINING PROGRAM PROJECT OF GRADUATION THESIS REPORT TOPIC: “Design and develop control, monitoring and communication systems for automatic production lines with industrial robots ” Instructor: MASTER TUONG PHUOC THO Students: Tang Nghe Quang Huy 20146255 Dang Quoc Dung 20146234 Course: 2020 – 2024 Ho Chi Minh City, July 2024 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM TECHNOLOGY AND EDUCATION Independence – Freedom – Happiness FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING GRADUATION PROJECT REGISTRATION FORM Instructor: MASTER TUONG PHUOC THO Students: Tang Nghe Quang Huy 20146255 Dang Quoc Dung 20146234 Course: 2020 – 2024 1. Topic: Design and develop control, monitoring and communication systems for automatic production lines with industrial robots. Original data, documents, hardware: - Robot ABB - PLC S7-1200 - PLC S7 -1500 - SIEMENS Inverter - Bottled water production line 3. Main content of the project: - Surveying the automatic water production line, adjusting the mechanisms in the line.

- Learn the communication protocol between controllers, monitors and communications. - Develop operation and maintenance procedures, programming and running experiments. Expected products: - Automatic production line system. - 01 Practice guide set.

- 01 Video simulates the operating process. - 01 Summary report book. Project delivery date: February 1st, 2024 6. Project submission date: July 1st, 2024 7.

Presentation language: The report: English  Vietnamese  The present : English  Vietnamese  INDUSTRY HEAD INSTRUCTOR PROJECT EXECUTION TEAM (Sign and write full name) (Sign and write full name) (Sign and write full name) 1 THE COMMITMENT - Topic : “ Design and develop control, monitoring and communication systems for automatic production lines with industrial robots.” - Instructor: MASTER TUONG PHUOC THO Name ID Class Phone numbers Tang Nghe Quang Huy 20146255 20146CLA2 0913628080 Dang Quoc Dung 20146234 20146CLA2 0971818178 - Student address: No. 1 Vo Van Ngan, Linh Chieu Ward, Thu Duc City, Ho Chi Minh. - Graduation project submission date: July 1st, 2024 - Commitment: "We hereby declare that this graduation project is a project researched and implemented by ourselves. We do not copy any published articles without citing the original source.

If there is any violation, we take full responsibility." Ho Chi Minh city, July 1st, 2024 (Sign and write full name) 2 THANK YOU! Dear our teachers, First, we want to express our deep gratitude to our parents for their great contributions in giving birth and raising us. Parents are always the ones who create the best conditions for us to discover our passions and inspire us in life. That's why we can study and grow more at the school we dream of studying “Ho Chi Minh City University of Technology and Education”. Having spent four years on the University journey, we would like to sincerely thank the school's Board of Directors and the teachers who taught us at Ho Chi Minh City University of Technology and Education, especially the international faculty.

With all the love, enthusiasm, and dedication, supporting us in all aspects, creating conditions for us to study and research our major. We are grateful to our teachers who are always shining examples to guide us, always accompanying us, steering the boat of our dreams and supporting us on every journey. To successfully complete this graduation project, in addition to our own efforts, we would like to express our deep gratitude to Mr. Tuong Phuoc Tho for being close, enthusiastic in instructing, and enthusiastically sharing professional knowledge, subjects and valuable experiences to us.

Not only that, but he also always inspired us throughout the process of being taught and guided by him. Finally, we tried very hard to complete the project, despite the limitations in time and work experience. Our group could not avoid shortcomings. We look forward to receiving sincere opinions and comments from teachers.

The teachers' comments are extremely important to help us improve and expand our knowledge. We will appreciate and be grateful to receive good advice and honest comments from our teachers. Finally, we wish our teachers good health and always be the torch that lights up the dreams of generations of students, creating inspiration and enthusiastic energy for future generations. We sincerely thank you! 3 PROJECT SUMMARY DESIGN AND DEVELOP CONTROL, MONITORING AND COMMUNICATION SYSTEMS FOR AUTOMATIC PRODUCTION LINES WITH INDUSTRIAL ROBOTS.

Automation in manufacturing is rapidly advancing, and there are opinions suggesting that the robust development of automation today will replace human labor in certaine industrie. However, others point out that automation will allow for better quantity and quality of products, making them more stable. It can be said that the automation of production is the application of machinery to perform tasks that were traditionally carried out by human labor or were impractical for humans to perform. The industrial revolution is where automation truly flourished, coupled with the development and innovation of technologies during this period, paving the way for the rise and dominance of factories.

Many fields have implemented automation systems in areas such as manufacturing, management, services, and even in daily life. With the advancement of science, technology, and automation today, automated water bottle production lines have become indispensable allies for companies and businesses. The application of modern advanced engineering technologies and fully enclosed production lines ensures absolute food safety and hygiene. Hence, the specific goal of the team is to build and design a project with the aim of upgrading the control system and monitoring applications into the automated production and packaging system for water bottles.

Track and monitor the water bottle line via the Internet or industrial network, promptly maintain and adjust the performance of parts and lines to optimize the system. The graduation project report includes 4 chapters : CHAPTER 1: Introduction to modern production lines, control, monitoring, maintenance and repair CHAPTER 2: Mechanical design CHAPTER 3: Design of monitoring and control system CHAPTER 4: Result and experiment 4 TABLE OF CONTENTS GRADUATION PROJECT REGISTRATION FORM. 4 CHAPTER 1: OVERVIEW AND THEORICAL BASIS. Introduction to modern production lines, control, monitoring, maintenance and repair .1 Programmable Logic Controllers (PLCs) .2 Industrial communication network.

13 CHAPTER 2: MECHANICAL DESIGN. Overall about the system. Hardware connection of PLC Siemens S7-1200 1214C AC/DC/RLY and inverter SINAMICS V20. Bottle supply and classification station.2 Transporting defective bottle station.

Box supply station. 40 CHAPTER 3: MONITORING CONTROLLER DESIGNATION. Overview of connection and communication of automatic production line system. PROFINET for IRC5.

Information about the Internal device. Information about the internal controller. Software for configuring a device. Running Indicator Lights.

Webserver communication PLC. Software that supports Webserver programming. Overview of necessary modules to support programming:. Transmit data, establish connection between Webserver and PLC.

Website structure and interface. 70 CHAPTER 4: RESULTS AND EXPERIMENTS. Control system components and hardware station. Robot monitoring and control interface via HMI.

Webserver PLC communication via Internet (Localhost). Basic steps and notes when communicating between Robot and PLC. 89 6 TABLE OF FIGURES Figure 1: PLC Components .1: Extended coordinate systems .3: Cartesian coordinate system robot.4: Cylindrical coordinate robot .5: Spherical coordinate robot. 16 Figure 2: The water bottle system .1: PLC Siemens S7-1200 1214C AC/DC/RLY .2: Module SB 1232, AQ 1x12bit.3: Sensor E18-DS30PA.5: Cylinder JELPC DN20x75/DN16x125 .6: Cylinder JELPC TN16x150 .7: Cylinder JELPC TN20x75 .8: Solenoid Valve JELPC J4V210-08 .9: HMI Samkoon SK-102HS .13: Electromagnetic Brake Induction Motor 41K25GN-SWM .14: Cylinder PVN MAL32x100 .15: PLC circuit connection .16: General diagram of the inverter .17: Source wiring diagram PNP .18: Source wiring diagram NPN.

19: Bottle supply and classification station (Station 1) .20: HMI screen interface of station 1 .21: General block diagram station 1 .22: Circuit diagram station 1 .23: Transporting defective bottle station (Station 2) .24: HMI screen interface of station 2 .25: General block diagram station 2 .26: Circuit diagram station 2. 27: Box supply station (Station 3) .28: HMI screen interface of station 3 .29: General block diagram station 3 .30: Circuit diagram station 3 .32: HMI screen interface of station 4 .33: General block diagram station 4 .34: Circuit diagram station 4 .1: Communication overview diagram of water bottle packaging line .2: PLC connection diagram.3: PLC connection diagram with HMI .4: Relationship between PLC and station signals .5: The connection hardware interface of the ABB IRB-1200 Robot includes wire ports .6: LAN 3 is a Isolated Network.7: By connecting to the isolated LAN 3 port it is possible to connect several robot controllers to a dedicated industrial network.8:Inser and download file GSDML from Robot.9: This example illustrates the structure from topic, down to arguments (also called action values).10: PROFINET communication between PLC and ABB IRB-1200 Robot.11: Overview of the structure of the HMI screen.12: Power supply part for HMI screen .13: LCD display screen and Indicator light of HMI Screen .15: Indicator light's purpose is to display signals for users to easily monitor 63 Figure 3.16: General diagram of PLC receiving and sending signals from HMI SKTOOL screen .17: General diagram of PLC communication on the website .18: Select New terminal and we get its interface .19: Grant full access rights to PLC.20: Select Permit PUT/GET to let the PLC authorize the third party connection .21: Uncheck Optimized block access .22: It should be noted that places such as port, host and slot will change accordingly depending on the connected PLC .23: The basic interface monitors the PLC's data from MySQL .1: Line control and operation diagram.2: Station 1 bottle sorting and transport station .3: Robot IRB – 120 take charge of picking up water bottles .4: Station 3 boxes pushing station .5: Station 4 for fixing and gluing boxes to produce finished products .6: ABB IRB - 1200 robot is used to pick up boxes and transport them .7: Main power Station with PLC S7-1500.8: HMI interface screen for communication between PLC and Robot along with I/O system parameters .9: The green ticks let us know that the communication connection between the robot and PLC has been successful .10: To start communication between PLC and Robot, we need to switch from the Robot's Manual state to Auto .11: Results and experiments after completing connection with Robot device .12: I/O Signals Robot equivalent to PLC data types .13: Results and operations after successfully packaging and picking up the product .14: Station monitoring and control website includes system I/O signals.15: Station control monitoring website with time tracking .16: Sql data block triggered program .17: Dashboard data time at MYSQL Workbench .1: FlexPendant file explorer .2: Choose Robot internal device .3: PLC connect subnet with RobotBasicIO module .4: I/O system – New Industrial network .5: Restart Robot to upload data .7: Add IP Address and Subnet with Interface LAN3 .8: Type of internal device with description .9: Choose the appropriate internal device .10: PN_Internal_Device Module DI/DO 64 .11: DO Signal Robot.12: DI Signal Robot .13: Choose the appropriate DI/DO module for internal devices .14: Assign PROFINET device name to connect with PLC. 96 10 CHAPTER 1: OVERVIEW AND THEORICAL BASIS 1. Introduction to modern production lines, control, monitoring, maintenance and repair In today's context of advancing technological developments, the specific application of these technologies, such as communication systems, for various purposes and industries to meet production needs or automation is crucial and essential.

The production and packaging line for bottled water is no exception, employing a closed and continuous operation system to ensure the production of products with stable quality and hygienic safety.