Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của nền kinh tế và cuộc cách mạng công nghiệp, các ngành sản xuất ngày càng đòi hỏi trình độ khoa học kỹ thuật cao nhằm tối ưu hóa năng suất và chất lượng sản phẩm. Yêu cầu tự động hóa linh hoạt đang dần thay thế các dây chuyền máy móc tự động cố định truyền thống – vốn chỉ có khả năng thực hiện một công việc chuyên biệt và khó thích ứng khi thị trường liên tục thay đổi về mẫu mã, kích thước cũng như tính năng sản phẩm. Do đó, việc ứng dụng robot di động để thiết lập các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt (Flexible Manufacturing System - FMS) trở thành nhu cầu cấp thiết trong công nghiệp hiện đại.

Robot vận chuyển hàng hóa trong nhà xưởng là phương tiện tự động hóa có khả năng điều hướng theo lộ trình lập trình trước (thông qua băng từ, dây dẫn trên sàn hoặc laser định vị) nhằm trung chuyển vật tư, bán thành phẩm và thành phẩm qua các trạm làm việc một cách liên tục (24/24h), an toàn và chính xác. Giải pháp này giúp giảm thiểu sức lao động thủ công, giải phóng con người khỏi môi trường làm việc khắc nghiệt và độc hại, tối ưu chi phí vận hành và tăng năng lực cạnh tranh cho doanh nghiệp.

Xuất phát từ thực tiễn trên, tác giả đã thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp với các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan về lịch sử phát triển, cấu trúc động học và phân loại robot công nghiệp, robot tự hành cùng ứng dụng của robot trong vận chuyển hàng hóa nhà xưởng.
  2. Tổng hợp cơ sở lý thuyết về truyền thông vô tuyến sóng RF (Radio Frequency), kiến trúc phần cứng xử lý nhúng (vi điều khiển, bộ vi xử lý, bộ xử lý tín hiệu số DSP), mạng truyền thông công nghiệp Profibus và nguyên lý điều khiển PLC kết hợp robot.
  3. Thiết kế giải thuật điều khiển và lưu đồ thuật toán cho mô hình phân xưởng sản xuất tự động gồm 4 công đoạn gia công khép kín với 28 chu trình làm việc.
  4. Xây dựng phần mềm điều khiển trên môi trường MPLAB X IDE, cấu hình ngoại vi qua công cụ MPLAB Code Configurator (MCC), lập trình giao tiếp người - máy (HMI) qua chuẩn nối tiếp/RS485 và giao tiếp không dây RF 2.4GHz sử dụng module NRF24L01+.
  5. Thực hiện nạp chương trình bằng mạch nạp PICKIT3, thiết lập cơ chế bẫy lỗi bằng đèn chỉ thị và vận hành thử nghiệm mô hình thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống lập trình điều khiển tự động cho robot vận chuyển hàng hóa tích hợp bộ điều khiển PLC, giao diện HMI và các trạm gia công trong dây chuyền sản xuất.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu và chế tạo mô hình thực nghiệm tại Bộ môn Kỹ thuật điện và Tự động hóa – Khoa Cơ điện và Công trình (Trường Đại học Lâm Nghiệp Việt Nam), phối hợp thực hiện cùng Công ty Điện tử Anh Việt.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai thực nghiệm trong thời gian 10 tuần, từ ngày 08/08/2022 đến ngày 16/10/2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống điều khiển dựa trên các nền tảng lý thuyết kỹ thuật điện tử, viễn thông và truyền thông công nghiệp:

Lĩnh vực lý thuyết Khái niệm, mô hình và công nghệ nền tảng
Kỹ thuật truyền thông vô tuyến (RF) - Nguyên lý sóng mang (Carrier Wave), các phương pháp điều chế tương tự và số: điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM).
- Lý thuyết anten: độ khuếch đại (Beamwidth ngang và dọc), bức xạ đẳng hướng, hiện tượng truyền dẫn đa đường.
- Chế độ truyền dẫn: Simplex (đơn công), Half Duplex (bán song công), Full Duplex (song công toàn phần).
- Khối thu phát ASK tần số 433,92 MHz: bộ mã hóa 8 bit và 4 bit gán địa chỉ qua công tắc DIP (A0–A7), điện áp hoạt động khối thu 4,5–5,5 VDC.
Kiến trúc phần cứng điều khiển nhúng - Vi điều khiển (Single Chip Microcomputer): Tích hợp CPU, RAM, ROM, I/O, Timer/Counter, ADC, giao tiếp nối tiếp trên công nghệ VLSI.
- Bộ vi xử lý (CPU): Khối điều khiển (CU), khối số học và logic (ALU), các thanh ghi (Registers), bộ nhớ Cache, bus hệ thống (FSB).
- Bộ xử lý tín hiệu số (DSP): Xử lý luồng dữ liệu liên tục thời gian thực, tính toán số nguyên và số thực dấu phẩy động tốc độ cao, xử lý cân bằng âm sắc (Equalizer), lọc dải tần, đảo pha và hiệu chỉnh trễ (delay).
Mạng truyền thông công nghiệp - Hệ thống mạng phân cấp điều khiển công nghiệp.
- Mạng Fieldbus chuẩn Profibus (Profibus DP, Profibus PA, Profibus FMS): nguyên tắc Token Bus không đồng bộ thời gian thực, kiến trúc Master-Slave, tốc độ 500 kbit/s đến 12 Mbps, khoảng cách truyền 200m (không lặp) đến 800m (dùng Repeater), dung lượng 32 đến 127 nút (nodes), truyền dẫn trên cáp xoắn đôi RS485 và chuẩn IEC 1158-2.
Lý thuyết lập trình nhúng - Hệ thống mã hóa Hexadecimal (hệ 16), mã chuẩn ASCII, ngôn ngữ Assembly và ngôn ngữ lập trình C/C++.
- Kỹ thuật ngắt thời gian thực: Dùng ngắt Timer 2 (TMR2_ISR) tạo các cờ định thời 1ms và 10ms phục vụ điều khiển đa nhiệm thay thế hàm trễ chặn luồng (delay).

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Phân tích yêu cầu công nghệ của dây chuyền sản xuất linh hoạt; thiết kế kiến trúc phân cấp điều khiển giữa trung tâm PLC và robot tự hành qua sóng không dây.
  • Phương pháp lưu đồ thuật toán: Xây dựng lưu đồ logic điều khiển trạng thái tuần tự cho 4 trạm công tác (Xếp hàng, CNC A, CNC B, Dỡ hàng) và phân chia 28 chu trình di chuyển khép kín.
  • Phương pháp lập trình và cấu hình tự động: Ứng dụng công cụ sinh mã MCC trên nền IDE MPLAB X để cấu hình hệ thống ngắt, phân bổ cổng vào/ra (I/O Pin Manager) và viết thư viện driver giao tiếp.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm thử: Nạp mã máy qua bộ nạp PICKIT3, sử dụng kỹ thuật đặt cờ kiểm tra và bẫy lỗi bằng tín hiệu đèn LED chỉ thị trạng thái (LOPE, LALM) trước khi vận hành thực tế trên sa hình xưởng.

Nguồn dữ liệu nghiên cứu: Dữ liệu nghiên cứu bao gồm tài liệu kiến trúc tập lệnh vi điều khiển 8-bit họ Microchip PIC (Baseline, Mid-Range, PIC18), thông số kỹ thuật module truyền thông không dây NRF24L01+, chuẩn giao thức Profibus/RS485, cùng số liệu thực nghiệm đo đạc tín hiệu logic cổng vào/ra (DI/DO) và thời gian trễ trong quá trình vận hành tại Công ty Điện tử Anh Việt.


Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển được thiết kế theo cấu trúc điều khiển phân tán bao gồm bộ điều khiển trung tâm PLC, bảng điều khiển giao tiếp người - máy HMI, robot vận chuyển và các trạm máy công cụ CNC.

Kiến trúc điều khiển và phân bổ phần cứng

Hệ thống PLC trung tâm quản lý 16 cổng vào/ra vật lý kết nối với các cảm biến vị trí, công tắc hành trình và động cơ chấp hành:

  • 8 cổng đầu vào (Digital Input - DI): Thu nhận tín hiệu logic từ cảm biến phát hiện vật thể/hàng hóa tại các giỏ chứa và công tắc hành trình kiểm tra giới hạn cơ khí của các máy gia công.
  • 8 cổng đầu ra (Digital Output - DO): Xuất lệnh điều khiển đóng/ngắt rơ-le và điều khiển chiều quay động cơ (MTA, MTB) của các cơ cấu chấp hành tại máy CNC A, CNC B và các cơ cấu cấp/dỡ phôi.

Sa hình phân xưởng và chu trình hoạt động

Quy trình sản xuất được bố trí theo sa hình vòng tròn khép kín gồm 4 công đoạn làm việc chính:

  1. Khâu xếp hàng (Vị trí 01): Robot di chuyển vào trạm lấy hàng. Cảm biến phát hiện có robot và có hàng trên khay cấp phôi. PLC kích hoạt cơ cấu cấp hàng lên xe. Cảm biến trên robot xác nhận tải và gửi tín hiệu để robot chuyển bánh.
  2. Khâu máy CNC A (Vị trí 05): Robot dừng tại vị trí gia công. Hệ thống kích hoạt tuần tự 3 công đoạn: Chấn phôi, Cắt gọt và Gấp định hình. Mỗi công đoạn được kiểm soát chuyển mạch bằng công tắc hành trình. Sau khi gấp xong, PLC kích hoạt trễ và phát lệnh cho robot tiếp tục di chuyển.
  3. Khâu máy CNC B: Robot dừng tại trạm gia công thứ hai. Hệ thống kích hoạt tuần tự 3 công đoạn: Khoan lỗ, Hàn chi tiết và Tôi nhiệt luyện vật liệu. Hoàn tất chu trình, robot chuyển sang trạm dỡ.
  4. Khâu dỡ hàng: Cảm biến trạm xác nhận có robot và có hàng. Cơ cấu dỡ hàng hạ sản phẩm xuống khay chứa thành phẩm. Cảm biến trên robot báo trạng thái trống hàng, PLC phát tín hiệu điều khiển robot quay trở lại vị trí 01 để lặp lại chu trình.

Cấu hình phần mềm và giao thức truyền thông

  • Môi trường phát triển: Sử dụng phần mềm MPLAB X IDE kết hợp trình biên dịch MPLAB XC8 hỗ trợ dòng vi điều khiển 8-bit. Bộ công cụ đồ họa MCC (MPLAB Code Configurator) được thiết lập gồm 3 module hệ thống chính: Interrupt Module (quản lý ngắt hệ thống), Pin Module / Pin Manager (gán chức năng chân I/O) và System Module (cấu hình dao động và nguồn).
  • Giao tiếp HMI: Kết nối qua giao thức UART/RS485. Tệp menu_fun.c chia làm hai khối xử lý: MenuCommand() giải mã mã phím (menu_kc_data, menu_kc_cmd) và MenuDisplay() hiển thị trạng thái lên LCD. Biến HmiCursorPositions (giá trị từ 0 đến 7) định vị trạm làm việc và HmiVariablePositions định vị lệnh gia công.
  • Giao tiếp không dây NRF24L01+:
    • Cấu trúc khung truyền: Preamble (1 byte đồng bộ: 01010101 hoặc 10101010 phụ thuộc bit đầu địa chỉ), Trường địa chỉ nhận (3 đến 5 byte cấu hình qua thanh ghi AW), Trường điều khiển gói tin (9 bit: 6 bit độ dài tải trọng 0–32 byte, 2 bit PID phát hiện trùng lặp, 1 bit cờ NO_ACK), Trường tải trọng dữ liệu (Payload 0–32 byte) và mã kiểm tra CRC.
    • Tính năng MultiCeiver™: Cho phép bộ thu PRX mở đồng thời 6 đường ống logic (pipe0 đến pipe5) trên cùng một kênh tần số vật lý. pipe0 sử dụng địa chỉ 5 byte độc lập (RX_ADDR_P0), các ống pipe1 đến pipe5 chia sẻ 4 byte cao nhất và phân biệt bằng 1 byte thấp nhất (LSByte). Tích hợp cơ chế tự động gửi lại có độ trễ trượt ARD (Auto Retransmit Delay) và cơ chế Enhanced ShockBurst™.
    • Kiến trúc phân tầng mã nguồn: Tầng vật lý triển khai trong tệp nrf24l01.c với các hàm phục vụ ngắt nRF24L01pInterrupt() và quét cờ nRF24L01pStateIRQ(); Tầng liên kết dữ liệu triển khai trong tệp rft_2g4hz.c với các hàm bộ đệm phát RftWriteTxBuffer() và RftPutting().

Quy trình nạp và kiểm thử bẫy lỗi

Chương trình được biên dịch và nạp vào chip điều khiển thông qua mạch nạp chuyên dụng PICKIT3. Quá trình kiểm thử và dò lỗi logic trên phần cứng sử dụng 2 đèn LED chỉ thị trạng thái:

  • Đèn LALM: Bật sáng báo hiệu khi hệ thống chuyển trạng thái từ chế độ điều khiển bằng tay sang chế độ chạy tự động.
  • Đèn LOPE: Sử dụng để bẫy lỗi thực thi mã nguồn. Lệnh LOPE_SetHigh() được đặt tại các điểm chốt trong chương trình; nếu phát sinh lỗi trong quá trình thực thi, đèn LOPE phát sáng giúp người lập trình dừng toàn bộ hệ thống (Stop) để cô lập đoạn mã gây lỗi.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT

Chương 1 khái quát lịch sử hình thành và phát triển của kỹ thuật robot:

  • Khởi đầu từ khái niệm năm 1922 của nhà soạn kịch Karel Čapek (Karen Kapek), đến tay máy đôi của Goertz (1948, 1954), cỗ máy biết đi 4 chân thủy lực của Mosher (General Electric, 1956), robot tự hành nhận dạng hình ảnh tại Đại học Stanford (1969), robot tự hành Lunokhod thám hiểm Mặt Trăng (1970) và mô hình robot 6 chân Hexapod của TU Munich.
  • Phân loại cấu trúc robot thành hai nhánh: Robot công nghiệp (cánh tay máy cố định nối tiếp Series Robot hoặc song song Parallel Robot) và Robot di động (Mobile Robot).
  • Ứng dụng của robot trong các ngành công nghiệp chế tạo (ô tô, xe máy, cơ khí, dược phẩm, hóa chất, chế biến gỗ, điện tử).
  • Đánh giá vai trò của robot vận chuyển trong nhà máy: hoạt động liên tục 24/24h, bao quát không gian nhà xưởng rộng lớn, tải trọng vận chuyển lớn và an toàn hơn phương pháp thủ công.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN PLC VÀ ROBOT

Chương 2 trình bày các nguyên lý phần cứng và mạng truyền thông phục vụ ghép nối hệ thống:

  • Nguyên lý thu phát sóng RF: Phân tích đặc tính sóng mang (biên độ, tần số, pha), các sơ đồ điều chế tín hiệu AM/FM tương tự và số; chức năng bức xạ và thu nhận sóng điện từ của anten, kỹ thuật thu hẹp búp sóng (Beamwidth) để tăng cự ly truyền; nguyên lý hoạt động của module ASK tần số 433,92 MHz.
  • Cấu trúc phần cứng nhúng: Phân tích vi điều khiển tích hợp trên một chip (VLSI); cấu tạo CPU gồm 3 khối (CU, ALU, Registers), vai trò của tần số xung nhịp đồng hồ, bus hệ thống FSB và bộ nhớ đệm Cache; phân tích sự khác biệt giữa DSP và vi điều khiển trong xử lý dữ liệu liên tục thời gian thực và thuật toán dấu phẩy động.
  • Mạng Profibus: Trình bày chuẩn truyền thông công nghiệp Profibus (DP, PA, FMS), kiến trúc Master-Slave thời gian thực, tốc độ truyền 500 kbit/s – 12 Mbps, cự ly truyền cáp xoắn đôi RS485 từ 200m đến 800m.
  • Mô hình vận hành dây chuyền: Thiết lập chu trình hoạt động của PLC với robot gồm 28 chu trình chạy và dừng tuần tự khép kín; phân bổ 16 cổng vào/ra (8 Input kết nối cảm biến và công tắc hành trình, 8 Output điều khiển động cơ các máy công cụ).

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Chương 3 chi tiết hóa giải thuật, cấu hình và mã nguồn điều khiển hệ thống:

  • Cơ sở lập trình: Trình bày mối liên hệ giữa mã Hex (16-bit), bảng mã chuẩn ASCII và tập lệnh Hợp ngữ (Assembly/ASM); phân tích ví dụ biên dịch từ mã nguồn C++ sang mã máy trên MPLAB X IDE (dòng lệnh itf_dat.int_data_hd[TER_CHAR_ADD + 39] = 'A'; sinh mã hợp ngữ MOVLW 0x41 với mã máy 0E41).
  • Giới thiệu phần mềm: Trình bày tính năng của IDE MPLAB X, trình biên dịch MPLAB XC8 hỗ trợ các dòng lõi PIC (Baseline, Mid-range, Enhanced Mid-range, PIC18 core 16-bit) và công cụ cấu hình MCC (MCC Melody, MCC Classic, MPLAB Harmony).
  • Thuật toán điều khiển các khâu: Xây dựng lưu đồ thuật toán và giải thuật điều khiển cho 4 công đoạn:
    • Khâu CNC A: Đọc lọc nhiễu tín hiệu cảm biến DI0 20 lần (ngưỡng phát hiện >= 10 lần mức cao thì bật cờ báo có hàng); quét trình tự bật lệnh Chấn -> Cắt -> Gấp; thuật toán trễ trạng thái 200 chu kỳ clock 10ms (tương đương 2 giây); trễ lệnh chạy tiếp robot 50 chu kỳ clock 10ms (tương đương 0,5 giây); giải thuật kiểm tra công tắc hành trình chuyển trạng thái từ mở sang đóng vượt quá 2 lần (> 2) để chuyển đổi an toàn giữa các lệnh; điều khiển động cơ quay thuận bằng cách xuất mức logic chân MTA lên mức cao và MTB xuống mức thấp.
  • Lập trình HMI qua file menu_fun.c: Cài đặt các phím nhấn điều khiển Clear (Start), Tab (Stop), P1 (Left), P2 (Up), P3 (Down), P4 (Right); gán biến con trỏ HmiCursorPositions (0: Xếp hàng, 1: CNC A, 2: Dỡ hàng, 3: CNC B, 4: Robot 1, 5: Robot 2) và biến giá trị HmiVariablePositions để thực thi chế độ chạy bằng tay và chạy tự động.
  • Giao tiếp NRF24L01+: Chi tiết hóa cấu trúc gói tin (Preamble, Address 3–5 byte, Packet Control 9 bit, Payload 0–32 byte, CRC); cấu hình địa chỉ 6 đường ống MultiCeiver™ (pipe0 – pipe5); phân tầng xử lý lớp vật lý (nrf24l01.c) và lớp liên kết dữ liệu (rft_2g4hz.c).

CHƯƠNG 4: VẬN HÀNH THỬ NHIỆM MÔ HÌNH

Chương 4 mô tả quy trình triển khai thử nghiệm trên mô hình thực tế:

  • Quy trình nạp phần mềm: Thiết lập 4 bước thực hiện trên MPLAB X IDE: Biên dịch dự án -> Thiết lập cấu hình trong Project Properties -> Nhận diện công cụ nạp (Refresh Debug Tool Status / chọn PICKIT3) -> Tiến hành nạp mã xuống chip.
  • Kỹ thuật gỡ lỗi phần cứng: Sử dụng đèn LED LALM hiển thị trạng thái chuyển đổi tự động và đèn LED LOPE kết hợp câu lệnh LOPE_SetHigh() để cô lập và xử lý lỗi ngắt.
  • Vận hành thực tế: Chạy thử nghiệm đồng bộ sa hình xưởng sản xuất, kiểm tra sự tương tác giữa robot và các khâu gia công tự động.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

Hệ thống thử nghiệm đã hoàn thành các chỉ tiêu kỹ thuật chính được ghi nhận trong báo cáo:

Hạng mục Kết quả thực nghiệm cụ thể
Thuật toán điều khiển phân trạm - Đã lập trình và vận hành ổn định 4 khâu chức năng: Xếp hàng, Máy CNC A (Chấn - Cắt - Gấp), Máy CNC B (Khoan - Hàn - Tôi) và Dỡ hàng.
- Thuật toán lọc số tín hiệu ngõ vào đạt độ tin cậy với 20 chu kỳ lấy mẫu (ngưỡng xác lập >= 10).
- Định thời trễ chính xác bằng ngắt Timer 2 với chu kỳ clock 10ms (trễ chuyển trạng thái 2 giây, trễ lệnh chạy robot 0,5 giây).
Điều khiển vận hành - Thiết lập thành công 2 chế độ điều khiển: Chạy bằng tay (Manual qua phím điều hướng HMI) và Chạy tự động (Auto theo sa hình khép kín 28 chu trình).
Giao tiếp không dây - Thiết lập thành công đường truyền không dây hai chiều giữa PLC và Robot qua module NRF24L01+ ở dải tần 2.4GHz ứng dụng chế độ Enhanced ShockBurst™ và MultiCeiver™.
Công cụ gỡ lỗi phần cứng - Kiểm soát trạng thái hệ thống và bẫy lỗi lập trình thông qua 2 kênh đèn LED chỉ thị chuyên dụng (LALM và LOPE).

Giải pháp và đóng góp của đề tài

  • Giải pháp lập trình đa nhiệm không dùng trễ tĩnh: Tác giả đã loại bỏ hoàn toàn các hàm dừng luồng tĩnh (delay) bằng cách xây dựng bộ đếm thời gian thực trên nền ngắt phần cứng Timer 2 (TMR2_ISR), giúp PLC quét đồng thời nhiều trạng thái ngoại vi và đáp ứng thời gian thực cho dây chuyền.
  • Tích hợp truyền thông công nghiệp và không dây: Kết hợp thành công giao tiếp màn hình HMI qua giao thức nối tiếp RS485/UART và mạng không dây RF 2.4GHz vào một kiến trúc điều khiển duy nhất, cho phép giám sát trực quan và điều khiển linh hoạt robot di động trong nhà xưởng.
  • Đóng góp thực tiễn: Xây dựng thành công một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh, có thể ứng dụng làm học cụ phục vụ đào tạo thực hành môn Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC, Robot công nghiệp và Mạng truyền thông công nghiệp tại Bộ môn Kỹ thuật điện và Tự động hóa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

Tác giả đã chỉ ra một số tồn tại kỹ thuật trong quá trình thử nghiệm thực tế tại doanh nghiệp:

  • Hệ thống dây dẫn nối mạch còn dài và kỹ thuật hàn nối thủ công dẫn đến hiện tượng suy hao và dễ bị nhiễu tín hiệu đường truyền.
  • Chất lượng của các module phần cứng linh kiện rời chưa cao, làm ảnh hưởng đến độ ổn định tổng thể của hệ thống.
  • Hệ thống mới chỉ thực hiện giao tiếp điều khiển đơn lẻ cho 1 robot, chưa triển khai đồng thời giao tiếp đa điểm cho 2 robot cùng lúc trong một chu trình sản xuất.
  • Chế độ điều khiển bằng tay (Manual) qua phím bấm HMI đôi khi vẫn còn hiện tượng trễ và nhiễu tín hiệu.

Hướng nghiên cứu mở rộng

Để hoàn thiện hệ thống, tác giả đề xuất các giải pháp kỹ thuật tiếp theo:

  • Tối ưu hóa và hoàn thiện phần cứng mô hình, thiết kế lại bo mạch in (PCB) công nghiệp để hạn chế tối đa dây nối dài.
  • Nâng cấp và sử dụng các module phần cứng đạt chuẩn công nghiệp nhằm triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng nhiễu sóng vô tuyến.
  • Mở rộng thuật toán phân phối địa chỉ đường ống MultiCeiver™ để điều khiển phối hợp đồng thời nhiều robot vận chuyển trên cùng sa hình.
  • Thiết kế và lắp đặt bổ sung 2 cánh tay robot cơ khí tự động (Robot Arm) tại khâu xếp hàng và khâu dỡ hàng để tự động hóa hoàn toàn thao tác bốc dỡ phôi.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa: Tham khảo phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển kết hợp giữa vi điều khiển PIC, PLC và robot tự hành; phương pháp cấu hình ngoại vi đồ họa bằng công cụ MPLAB Code Configurator (MCC) trên môi trường MPLAB X IDE.
  • Kỹ sư và người nghiên cứu hệ thống nhúng, mạng công nghiệp: Tham khảo chi tiết giải thuật phân tầng mã nguồn điều khiển không dây NRF24L01+ (tầng vật lý nrf24l01.c và tầng liên kết dữ liệu rft_2g4hz.c), cấu trúc định địa chỉ 6 đường ống MultiCeiver™, giải thuật bẫy lỗi bằng LED chỉ thị (LOPE/LALM) và kỹ thuật lập trình đa nhiệm dựa trên ngắt định thời Timer 2.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng công cụ và trình biên dịch phần mềm nào để lập trình hệ thống điều khiển?
Tác giả sử dụng môi trường phát triển tích hợp MPLAB X IDE kết hợp trình biên dịch MPLAB XC8 (chuyên dụng cho các dòng vi điều khiển 8-bit PIC) và công cụ sinh mã đồ họa MPLAB Code Configurator (MCC) để cấu hình ngắt, chân vào ra và các ngoại vi hệ thống.

2. Giải thuật lọc nhiễu tín hiệu cảm biến đầu vào của máy CNC A được thực hiện như thế nào?
Tín hiệu ngõ vào DI0 nối với cảm biến báo hàng được quét đọc liên tục 20 lần. Mỗi lần đọc ở mức cao thì biến bộ lọc tăng 1 đơn vị, ở mức thấp thì giảm 1 đơn vị. Nếu giá trị biến bộ lọc tích lũy đạt từ 10 trở lên (>= 10) thì chương trình mới xác lập cờ báo có hàng, ngược lại cờ sẽ bị xóa để loại trừ tín hiệu nhiễu xung ngắn.

3. Cơ chế giao tiếp không dây giữa PLC và Robot qua module NRF24L01+ được tổ chức như thế nào?
Hệ thống sử dụng sóng RF 2.4GHz với cấu trúc gói tin gồm: Preamble (1 byte), Địa chỉ thiết bị (3–5 byte), Trường điều khiển gói (9 bit gồm 6-bit độ dài tải trọng, 2-bit PID, 1-bit cờ NO_ACK), Tải trọng dữ liệu (0–32 byte) và kiểm tra lỗi CRC. Hệ thống sử dụng chế độ MultiCeiver™ hỗ trợ 6 đường ống nhận dữ liệu logic (pipe0 đến pipe5), trong đó pipe0 có địa chỉ 5 byte riêng biệt, các đường ống 1 đến 5 dùng chung 4 byte MSB và phân biệt bằng byte thấp nhất LSByte.

4. Khâu máy gia công CNC A và CNC B thực hiện những công đoạn công nghệ cụ thể nào?
Máy CNC A thực hiện tuần tự 3 công đoạn: Chấn phôi, Cắt gọt và Gấp định hình (được kiểm soát chuyển bước bằng công tắc hành trình và trễ 2 giây). Máy CNC B thực hiện tuần tự 3 công đoạn: Khoan lỗ, Hàn chi tiết và Tôi nhiệt luyện vật liệu.

5. Tác giả sử dụng giải pháp kỹ thuật nào để tìm và gỡ lỗi (debug) trên phần cứng thực tế?
Tác giả sử dụng 2 đèn LED chỉ thị: Đèn LALM sáng khi hệ thống chuyển sang chế độ chạy tự động; Đèn LOPE được dùng để bẫy lỗi lập trình bằng cách chèn lệnh LOPE_SetHigh() tại các điểm kiểm tra trong mã nguồn. Khi chương trình gặp lỗi bất thường, đèn LOPE sẽ bật sáng, báo hiệu cho người vận hành nhấn nút dừng (Stop) toàn bộ hệ thống để kiểm tra và khắc phục.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Minh Hoàng đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống điều khiển tự động cho robot vận chuyển hàng hóa kết hợp bộ điều khiển PLC và các trạm gia công CNC. Đề tài đã giải quyết hiệu quả bài toán lập trình đa nhiệm thời gian thực bằng ngắt Timer 2 trên môi trường MPLAB X IDE, tích hợp thành công giao diện HMI qua chuẩn RS485/UART và mạng không dây RF 2.4GHz sử dụng NRF24L01+. Mặc dù vẫn còn tồn tại hiện tượng nhiễu do kết cấu dây nối và chưa mở rộng điều khiển đồng thời nhiều robot, kết quả thực nghiệm đạt được là nền tảng kỹ thuật vững chắc phục vụ học tập, nghiên cứu và phát triển các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt trong tương lai.