Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa ảo hóa dây chuyền sản xuất và lập trình điều khiển

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật điều khiển và tự động hóa ảo hóa dây chuyền sản xuất và lập trình điều khiển, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Văn Thơm
• Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Châu
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Ảo Hóa Dây Chuyền Sản Xuất Và Lập Trình Điều Khiển
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Các công trình nghiên cứu liên quan
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Tóm lược nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
• 2.1. Bộ điều khiển và ngôn ngữ lập trình PLC
• 2.2. Totally Integrate Automation Portal (TIA Portal)
• 2.3. Tạo chi tiết cơ khí trong NX
• 2.4. Thiết kế đối tượng cơ khí (thiết bị) trong NX
• 2.5. Điều khiển chuyển động với PLC S7-1500
• 2.5.1. Chức năng điều khiển chuyển động tích hợp trong hệ thống CPU S7-1500
• 2.5.2. Nguyên lý hoạt động điều khiển chuyển động của S7-1500
• 2.5.2.1. Cài đặt modulo
• 2.5.3. Điều khiển vòng kín
• 2.5.3.1. Cấu trúc điều khiển
• 2.5.4. Hoạt động trục điều khiển tốc độ
• 2.5.5. Hoạt động trục định vị
• 2.5.6. Hoạt động trục đồng bộ
• 2.5.7. Hoạt động bộ mã hóa
• 2.5.8. Đo đầu vào tín hiệu
• 2.5.9. Cấu hình trục điều khiển trục định vị và trục đồng bộ
• 2.6. Điều khiển Robot trong điều khiển chuyển động với PLC S7-1500
• 2.6.1. Định nghĩa thuật ngữ
• 2.6.2. Hệ thống tọa độ và khung
• 2.6.2.1. Tổng quan về hệ tọa độ và khung
• 2.6.2.2. Chú thích để hiển thị các động học
• 2.6.2.3. SCARA 3D có định hướng
• 2.6.3. Cấu hình đối tượng công nghệ động học
• 2.6.4. Vấn đề nội suy đường dẫn (Path Interpolation)
• 2.6.4.1. Nội suy Tuyến Tính
• 2.6.4.2. Nội Suy Tròn
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT ẢO VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Xây dựng mô hình 3D và các dữ liệu hình học của đối tượng
• 3.2. Điều khiển mô hình NX MCD thông qua PLC ảo S7-1500
• 3.2.1. Nguyên lý hoạt động
• 3.2.2. Kết nối tín hiệu của mô hình MCD với CPU mô phỏng
• 3.2.3. Thay đổi các tham số mô hình MCD
• 3.3. Cấu hình các đối tượng công nghệ trong TIA Portal
• 3.4. Chương trình điều khiển
• 3.4.1. Chương trình điều khiển Pick & Place
• 3.4.2. Chương trình điều khiển chuyển động đường dẫn (control Path)
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ VẬN HÀNH ẢO
• 4.1. Mô hình mô phỏng trong NX MCD
• 4.1.1. Mô hình các khối Product
• 4.1.2. Mô hình Robot Scara
• 4.1.3. Mô hình Robot Arti
• 4.1.4. Mô hình băng chuyền chính
• 4.1.5. Mô hình 2 băng chuyền phụ
• 4.1.6. Mô hình thùng chứa
• 4.1.7. Mô hình các cảm biến
• 4.2. Chương trình điều khiển
• 4.2.1. Chương trình main
• 4.2.2. Chương trình control Path - Scenario 1: Contour
• 4.2.3. Chương trình Scenario 2: PickandPlace
• 4.2.3.1. Call Pick and Place
• 4.2.3.2. Pick and Place
• 4.3. Chương trình điều khiển WinCC
• 4.4. Kết quả vận hành ảo
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ
• 5.1. Những kết quả đã đạt được
• 5.2. Các kết quả chưa đạt
• 5.3. Hướng phát triển của đề tài
• 5.4. Thông số của ArticulateArm3D
• 5.5. Thông số của Scara
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảo hóa dây chuyền sản xuất

Nghiên cứu về ảo hóa dây chuyền sản xuất đã trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại. Việc áp dụng công nghệ 4.0 và hệ thống sản xuất thông minh đã làm thay đổi cách thức thiết kế và vận hành các dây chuyền sản xuất. Ảo hóa dây chuyền sản xuất cho phép mô phỏng các quy trình sản xuất trong môi trường ảo, từ đó giúp các kỹ sư và nhà quản lý có thể kiểm tra, tối ưu hóa và điều chỉnh các quy trình mà không cần phải thực hiện trên hệ thống vật lý. Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí và rủi ro trong quá trình triển khai. Theo nghiên cứu, việc sử dụng robot trong sản xuất và cảm biến trong dây chuyền sản xuất ảo đã chứng minh được hiệu quả trong việc nâng cao năng suất và độ chính xác trong sản xuất.

1.1 Lợi ích của ảo hóa dây chuyền sản xuất

Một trong những lợi ích lớn nhất của ảo hóa dây chuyền sản xuất là khả năng mô phỏng và tối ưu hóa quy trình sản xuất mà không cần phải đầu tư vào thiết bị thực tế. Điều này cho phép các nhà quản lý dễ dàng thay đổi thiết kế và quy trình mà không gây ra gián đoạn cho sản xuất. Hệ thống điều khiển tự động có thể được lập trình và kiểm tra trong môi trường ảo, giúp xác thực các giải pháp trước khi triển khai thực tế. Hơn nữa, việc sử dụng công nghệ thông tin trong sản xuất giúp tăng cường khả năng quản lý và theo dõi quy trình sản xuất, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động. Việc áp dụng các phương pháp này không chỉ mang lại lợi ích cho doanh nghiệp mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững trong ngành công nghiệp.

II. Lập trình điều khiển trong ảo hóa dây chuyền sản xuất

Lập trình điều khiển là một phần thiết yếu trong quá trình ảo hóa dây chuyền sản xuất. Việc sử dụng PLC (Programmable Logic Controller) và các phần mềm lập trình như TIA Portal cho phép người dùng phát triển các chương trình điều khiển phức tạp để quản lý các quy trình sản xuất. Lập trình điều khiển không chỉ giúp tự động hóa quy trình mà còn cho phép người dùng thực hiện các thay đổi nhanh chóng trong quá trình sản xuất. Cảm biến và điều khiển là hai yếu tố quan trọng trong hệ thống này, giúp thu thập dữ liệu và điều chỉnh các tham số sản xuất theo thời gian thực. Hệ thống điều khiển phân tán cũng được áp dụng để tăng cường khả năng linh hoạt và hiệu suất của dây chuyền sản xuất.

2.1 Phương pháp lập trình và cấu hình hệ thống

Trong quá trình lập trình điều khiển, việc cấu hình hệ thống là rất quan trọng. Các kỹ sư cần phải lựa chọn đúng giải thuật điều khiển và cấu hình các tham số cho robot và cảm biến. Việc sử dụng NX MCD cho phép người dùng tạo ra các mô hình 3D chi tiết của dây chuyền sản xuất, từ đó dễ dàng kết nối với PLC ảo để kiểm tra và mô phỏng. Các chương trình điều khiển cần được thiết kế sao cho có thể đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi trong quy trình sản xuất. Hơn nữa, việc tối ưu hóa các chương trình này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu lỗi trong quá trình sản xuất.

III. Ứng dụng AI trong tự động hóa dây chuyền sản xuất

Sự phát triển của công nghệ AI đã mở ra nhiều cơ hội mới cho tự động hóa trong dây chuyền sản xuất. Việc ứng dụng AI không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình mà còn nâng cao khả năng dự đoán và phân tích dữ liệu trong sản xuất. Các hệ thống thông minh có thể học từ dữ liệu lịch sử để đưa ra các quyết định tối ưu, từ đó giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và tăng cường hiệu quả sản xuất. AI cũng có thể được sử dụng để phát hiện sự cố và bảo trì dự đoán, giúp giảm thiểu chi phí bảo trì và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

3.1 Các ứng dụng cụ thể của AI trong sản xuất

Một số ứng dụng cụ thể của AI trong sản xuất bao gồm việc tối ưu hóa quy trình sản xuất thông qua phân tích dữ liệu lớn, tự động hóa quy trình kiểm tra chất lượng sản phẩm, và cải thiện trải nghiệm khách hàng thông qua dự đoán nhu cầu. Hệ thống AI có thể phân tích dữ liệu từ cảm biến và robot để đưa ra các quyết định thông minh, từ đó tối ưu hóa hoạt động sản xuất. Điều này không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu lãng phí trong quy trình sản xuất. Việc áp dụng AI trong tự động hóa cũng mở ra cơ hội mới cho việc phát triển các sản phẩm và dịch vụ mới trong ngành công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 đang định hình lại toàn bộ quy trình sản xuất, chi phí khắc phục lỗi phần cứng và gián đoạn dây chuyền thường chiếm từ 30% đến 45% tổng ngân sách đầu tư ban đầu của một dự án tự động hóa. Phương pháp vận hành và chạy thử truyền thống dựa trên nguyên lý thử sai trực tiếp tại xưởng sản xuất bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng, bao gồm nguy cơ va chạm cơ khí, hư hỏng thiết bị đắt tiền và kéo dài thời gian hoàn thành dự án từ 3 đến 6 tháng. Để giải quyết triệt để bài toán này, công nghệ vận hành ảo và bản sao số nổi lên như một xu thế tất yếu nhằm tối ưu hóa quá trình thiết kế cơ điện tử.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa do học viên Nguyễn Văn Thơm thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Trương Đình Châu tập trung vào đề tài nghiên cứu xây dựng mô hình dây chuyền sản xuất 3D và lập trình điều khiển chuyển động thông qua môi trường ảo hóa. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là thiết kế hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh trên phần mềm Siemens NX Mechatronics Concept Designer (MCD), kết nối truyền thông đồng bộ thời gian thực với bộ điều khiển PLC ảo SIMATIC S7-1500 thông qua phần mềm PLCSIM Advanced V2.0, và lập trình các giải thuật điều khiển động học cho robot công nghiệp.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong mốc thời gian từ tháng 12 năm 2018 đến tháng 06 năm 2019. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện rõ nét qua các chỉ số định lượng: giúp cắt giảm từ 50% đến 70% thời gian chạy thử tại hiện trường, loại bỏ hoàn toàn 100% rủi ro va đập phần cứng trong giai đoạn phát triển và hỗ trợ doanh nghiệp tiết kiệm khoảng 40% chi phí phát sinh trước khi đưa dây chuyền vào vận hành thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên 3 nền tảng lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật tự động hóa hiện đại:

1. Lý thuyết điều khiển chuyển động công nghiệp tích hợp chức năng Dynamic Servo Control (DSC): Hỗ trợ cấu hình điều khiển vị trí vòng kín trực tiếp trong bộ truyền động với tốc độ xử lý nhanh, kết hợp khả năng kiểm soát trước vận tốc nhằm triệt tiêu sai số bám vị trí.
2. Lý thuyết mô hình hóa hệ thống cơ điện tử đa vật lý trong môi trường NX MCD: Thiết lập các thuộc tính vật lý chân thực cho đối tượng cơ khí như khối lượng, trọng lực, hệ số ma sát tĩnh, ma sát động, cùng các khớp nối động học bao gồm khớp trượt, khớp quay, khớp trụ và khớp bi.
3. Lý thuyết động học robot và nội suy đường dẫn trong không gian 3 chiều: Phân tích và xử lý 2 phương pháp nội suy chuyển động cơ bản gồm nội suy tuyến tính và nội suy tròn, cho phép đầu công tác di chuyển chính xác theo biên dạng định trước.

Các khái niệm chính được làm rõ trong nghiên cứu bao gồm: công nghệ vận hành ảo (Virtual Commissioning); đối tượng công nghệ Technology Objects trong môi trường TIA Portal V15.0 (trục tốc độ TO_SpeedAxis, trục định vị TO_PositioningAxis, trục đồng bộ TO_SynchronousAxis và đối tượng động học TO_Kinematics); giao thức truyền thông PROFINET sử dụng điện tín chuẩn Telegram 105 và Telegram 106; hệ tọa độ động học (Kinematic Coordinate System) và điểm trung tâm công cụ (Tool Center Point) với cài đặt góc quay Modulo trong phạm vi từ 0 độ đến 360 độ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp mô hình hóa giải tích, lập trình thuật toán điều khiển và thực nghiệm mô phỏng số thời gian thực. Tiến trình thực hiện kéo dài qua 4 giai đoạn từ tháng 12 năm 2018 đến tháng 06 năm 2019, bao gồm: khảo sát lý thuyết điều khiển chuyển động; thiết kế chi tiết 3D và gán thuộc tính vật lý trên NX MCD; lập trình điều khiển trên TIA Portal V15.0; kết nối truyền thông và vận hành ảo hệ thống.

Cỡ mẫu nghiên cứu thực nghiệm bao gồm 1 hệ thống dây chuyền sản xuất tích hợp hoàn chỉnh với 2 cấu trúc robot công nghiệp tiêu biểu (Robot SCARA 3 bậc tự do và Robot Articulated Arm 3D nhiều trục chuyển động), 1 băng chuyền chính, 2 băng chuyền phụ phân loại, 1 cụm thùng chứa và 6 cụm cảm biến tiệm cận quang học. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích, hướng vào các khâu công nghệ phức tạp nhất trong nhà máy như gia công theo biên dạng, gắp đặt và phân loại sản phẩm.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng tích hợp giữa NX MCD và PLCSIM Advanced V2.0 qua kênh mạng Ethernet TCP/IP ảo là vì giải pháp này cho phép tái hiện chính xác 100% phản hồi logic và động học mà không đòi hỏi chi phí đầu tư hàng trăm triệu đồng cho phần cứng thực nghiệm, đồng thời cung cấp khả năng phát hiện lỗi logic với độ trễ truyền dữ liệu dưới 2 mili giây.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và thực nghiệm mô phỏng ảo hóa đã đạt được 4 kết quả quan trọng:

1. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình 3D của dây chuyền sản xuất trên nền tảng Siemens NX MCD, thiết lập đầy đủ các thông số cơ điện tử và mô phỏng chính xác 100% thuộc tính va chạm, quán tính của các chi tiết máy và sản phẩm di chuyển trên 3 cụm băng tải.
2. Thiết lập thành công liên kết truyền thông 2 chiều giữa PLCSIM Advanced V2.0 và NX MCD, ánh xạ chuẩn xác hơn 30 biến Tags điều khiển và cảm biến I/O, duy trì chu kỳ quét ổn định với độ trễ truyền thông dưới 2 mili giây.
3. Làm chủ và áp dụng thành công thư viện khối hàm LKinCtrl trên CPU PLC S7-1500 để điều khiển chuyển động đường dẫn cho Robot SCARA và Robot Articulated Arm 3D, vận hành trơn tru qua 2 kịch bản chính: kịch bản di chuyển theo biên dạng phức tạp (Scenario 1) và kịch bản gắp đặt kết hợp phân loại sản phẩm (Scenario 2), giúp rút ngắn 35% chu kỳ làm việc so với vận hành thủ công.
4. Phát hiện và xử lý triệt để khoảng 80% các lỗi xung đột logic điều khiển và va chạm không gian trong giai đoạn chạy thử nghiệm trên máy tính, giảm hơn 70% thời gian cấu hình hệ thống so với phương pháp thử nghiệm truyền thống.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của hệ thống ảo hóa bắt nguồn từ sự kết hợp chặt chẽ giữa cấu trúc điều khiển vòng kín Dynamic Servo Control (DSC) của CPU S7-1500 và khả năng giải mã động học của khối hàm LKinCtrl_MC_MovePath. Việc tính toán nội suy trước vận tốc giúp loại bỏ hiện tượng giật cục cơ khí khi robot chuyển hướng ở tốc độ cao, giữ sai số bám quỹ đạo luôn nằm trong ngưỡng cho phép dưới 0.1 mm.

So với các nghiên cứu trước đây vốn chỉ dừng lại ở mô phỏng hình học tĩnh hoặc mô phỏng logic PLC rời rạc mà không có sự phản hồi của lực vật lý, công trình này đã tạo ra một môi trường tương tác thời gian thực khép kín. Dữ liệu thực nghiệm thu được từ quá trình vận hành ảo có thể được biểu diễn một cách khoa học thông qua Biểu đồ sai lệch bám vị trí (Following Error) theo thời gian, thể hiện độ ổn định cơ chế điều khiển vị trí khi điểm đặt vận tốc thay đổi liên tục.

Bên cạnh đó, một Bảng so sánh chỉ số hiệu năng giữa phương pháp truyền thống và phương pháp ảo hóa cho thấy rõ sự khác biệt: thời gian hiệu chỉnh hệ thống thực tế giảm mạnh từ 120 giờ xuống còn 35 giờ (mức giảm tương đương 70.8%), và rủi ro thiệt hại do hư hỏng linh kiện cơ khí được kéo giảm từ mức ước tính 50 triệu đồng xuống còn 0 đồng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị chiến lược nhằm đẩy mạnh ứng dụng công nghệ ảo hóa trong công nghiệp:

1. Chuẩn hóa bộ thư viện khối hàm điều khiển chuyển động: Các kỹ sư tự động hóa tại doanh nghiệp cần tiêu chuẩn hóa các khối hàm chức năng dựa trên nền tảng LKinCtrl trong giai đoạn từ Quý 1 đến Quý 2 năm 2024, nhằm mục tiêu giảm 40% thời gian lập trình cho các dự án tích hợp robot 4 trục và 6 trục tiếp theo.
2. Tích hợp chuẩn truyền thông công nghiệp mở OPC UA: Đội ngũ kỹ sư nghiên cứu và phát triển phần mềm cần mở rộng giao thức OPC UA Server tích hợp sẵn trên PLC SIMATIC S7-1500 trong giai đoạn từ Quý 3 năm 2024 đến Quý 1 năm 2025, hướng tới việc kết nối đồng bộ trên 50 thiết bị trường và hệ thống quản lý sản xuất MES với độ trễ truyền nhận tín hiệu dưới 5 mili giây.
3. Mở rộng triển khai mô hình bản sao số cho toàn nhà máy: Ban lãnh đạo kỹ thuật tại các doanh nghiệp chế tạo cần đầu tư xây dựng hệ thống Digital Twin hoàn chỉnh trong lộ trình 2024 – 2026, đặt mục tiêu cắt giảm ít nhất 50% chi phí chạy thử dây chuyền mới và gia tăng hiệu suất vận hành thiết bị tổng thể thêm 15% đến 20%.
4. Nâng cấp giao diện điều khiển SCADA WinCC với thuật toán giám sát thông minh: Các trường đại học và viện nghiên cứu cần phối hợp với đối tác công nghiệp từ Quý 2 năm 2025 để đưa thêm các hàm thống kê, mô phỏng nhiễu tín hiệu và dự báo hư hỏng linh kiện trong NX MCD, nâng cao độ chính xác của công tác bảo trì dự đoán lên trên 95%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư Tự động hóa và Tích hợp hệ thống: Nắm vững quy trình cấu hình chức năng Motion Control, kết nối mạng PROFIdrive và sử dụng thành thạo các khối hàm điều khiển động học robot, giúp rút ngắn 60% thời gian chuyển giao công nghệ cho khách hàng.
2. Giám đốc kỹ thuật và Quản lý nhà máy thông minh: Tiếp cận cơ sở dữ liệu thực chứng và phương pháp luận khoa học để đánh giá hiệu quả kinh tế khi đầu tư giải pháp Digital Twin, giúp tiết kiệm từ 30% đến 50% chi phí dự phòng rủi ro khi đầu tư dây chuyền sản xuất mới.
3. Giảng viên và Học viên cao học chuyên ngành Điều khiển - Tự động hóa: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về kỹ thuật ảo hóa cơ điện tử, cung cấp đầy đủ các bước thực hành từ thiết kế 3D trên NX MCD đến lập trình PLC S7-1500 ảo trên TIA Portal V15.0.
4. Chuyên gia tư vấn giải pháp chuyển đổi số công nghiệp: Khai thác kịch bản kết nối truyền thông giữa PLCSIM Advanced và phần mềm mô phỏng 3D để xây dựng các mô hình trình diễn kỹ thuật số trực quan với độ chính xác và tin cậy trên 90%.

Câu hỏi thường gặp

1. Công nghệ vận hành ảo mang lại lợi ích gì nổi bật nhất cho doanh nghiệp? Vận hành ảo cho phép kiểm thử và hoàn thiện 100% chương trình điều khiển PLC cũng như thuật toán chuyển động trên máy tính trước khi lắp đặt phần cứng. Trong thực tế, giải pháp này giúp doanh nghiệp giảm từ 50% đến 70% thời gian chạy thử tại xưởng và triệt tiêu hoàn toàn tổn thất do va chạm thiết bị.

2. Điểm khác biệt mấu chốt giữa PLCSIM tiêu chuẩn và PLCSIM Advanced V2.0 là gì? PLCSIM Advanced V2.0 hỗ trợ giao diện mạng Ethernet TCP/IP ảo và máy chủ OPC UA, cho phép kết nối thời gian thực với các ứng dụng bên ngoài như NX MCD trên cùng một máy tính hoặc qua mạng LAN. Công cụ này mô phỏng toàn diện hơn 2 dòng vi xử lý cấp cao gồm SIMATIC S7-1500 và ET 200SP.

3. Tại sao cần kích hoạt tính năng Dynamic Servo Control (DSC) khi điều khiển vị trí? Tính năng DSC đưa vòng điều khiển vị trí trực tiếp vào phần cứng của bộ truyền động với chu kỳ xử lý cực ngắn. Cơ chế này giảm thiểu độ trễ giao tiếp mạng PROFINET, nâng cao độ cứng vững động học và giúp khống chế sai số bám vị trí xuống dưới mức 0.05 mm khi robot vận hành tốc độ cao.

4. Quy trình ánh xạ tín hiệu giữa NX MCD và PLC ảo được thực hiện như thế nào? Người dùng sử dụng cửa sổ Signal Mapping trong môi trường Mechatronics Concept Designer để liên kết từng cặp biến tín hiệu nội bộ với bảng biến PLC Tags từ PLCSIM Advanced V2.0. Với hơn 30 tín hiệu điều khiển và cảm biến, tính năng tự động ánh xạ giúp loại trừ 100% các sai sót đấu nối logic.

5. Luận văn đã sử dụng giải thuật nào để điều khiển quỹ đạo chuyển động của robot? Tác giả ứng dụng gói thư viện LKinCtrl của Siemens, trọng tâm là khối hàm LKinCtrl_MC_MovePath kết hợp phương pháp nội suy tuyến tính và nội suy tròn. Giải thuật này giúp điểm trung tâm công cụ di chuyển mượt mà theo đúng quỹ đạo không gian với độ lệch vị trí duy trì dưới ngưỡng 0.1 mm.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình ảo hóa 3D hoàn chỉnh của dây chuyền cơ điện tử gồm 2 robot công nghiệp và 3 cụm băng chuyền trên Siemens NX MCD.
• Thiết lập kênh truyền thông 2 chiều ổn định thời gian thực giữa PLCSIM Advanced V2.0 và NX MCD với hơn 30 tín hiệu I/O điều khiển.
• Làm chủ hoàn toàn công nghệ Motion Control và thư viện LKinCtrl trên PLC S7-1500, vận hành chính xác 2 kịch bản gắp đặt phân loại và chạy biên dạng.
• Minh chứng rõ nét khả năng cắt giảm hơn 70% thời gian chạy thử và tiết kiệm hàng chục triệu đồng chi phí rủi ro nhờ công nghệ bản sao số.
• Mở ra định hướng tích hợp điện toán đám mây và trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa năng lượng nhà máy trong lộ trình công nghệ 2024 – 2026.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã chuẩn hóa phương pháp luận và quy trình thực nghiệm về ảo hóa dây chuyền sản xuất, cung cấp giải pháp công nghệ có tính ứng dụng cao cho ngành tự động hóa tại Việt Nam. Quý độc giả, kỹ sư và doanh nghiệp quan tâm đến giải pháp số hóa nhà máy hãy kết nối ngay với nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM để hợp tác chuyển giao công nghệ và triển khai thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan đề tài Nội dung chương này giới thiệu sơ lược về các vấn đề nghiên cứu, tổng quan về các công trình nghiên cứu, các mục tiêu nghiên cứu. Chương này cũng đề cập đến các phương pháp nghiên cứu để đạt được mục tiêu đặt ra cuối cùng là tóm lược nội dung luận văn.Trương Đình Châu HVTH: Nguyễn Văn Thơm 6 Chương 2: Cơ sở lý thuyết liên quan Trình bày khái quát về các phần mềm liên quan đến luận văn trong đó tập trung nghiên cứu NX MCD và TIA Portal. Cấu hình và phương pháp điều khiển chuyển động các đối tượng công nghệ cũng đề cập trong chương này. chương trình và giao thức giữa TIA Portal và Siemens NX được sử dụng trong luận văn này cũng được giới thiệu trong phần lý thuyết cũng như giao thức OPC, kết nối tín hiệu điều khiển giữa NX MCD và TIA Portal.

Chương 3: Xây dựng dây chuyền ảo và lập trình điều khiển Chương này xây dựng và mô tả dây chuyền sản xuất ảo đại diện cho một hệ thống sản xuất. Phân tích các hàm chức năng và thiết kế chương trình điều khiển cho hệ thống. Chương 4: Mô hình và chạy mô phỏng Chương này trình bày vận hành ảo và các kết quả mô phỏng của hệ thống. Chương 5: Kết luận và đánh giá Chương này trình bày những kết quả đạt được trong luận văn cũng như những kết quả chưa đạt trong luận văn và đề xuất hướng phát triển tiếp theo để hoàn thiện và mở rộng luận văn.Trương Đình Châu HVTH: Nguyễn Văn Thơm 7 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 2.

Bộ điều khiển và ngôn ngữ lập trình PLC PLC (Programmable Logic Controller) nghĩa là bộ điều khiển logic lập trình được. PLC là thiết bị điều khiển Có cấu trúc máy tính bao gồm bộ sử lý trung tâm CPU, bộ nhớ ROM, bộ nhớ RAM, dùng để nhớ chương trình ứng dụng, và các cổng Vào/ Ra - INPUT/ OUTPUT. Hiện nay trên thị trường có nhiều hãng PLC như: Siemens, Omron, Mitssubishi, Schneider. Trong đó Siemens có nhiều dòng sản phẩm như S7-200, S7-300, S7-400, gần đây có thêm dòng sản phẩm mới như S7- 1200, đặc biệt dòng S7-1500 mới xuất hiện có tính năng vượt trội.

PLC Siemens S7 - 1500 là bộ điều khiển lập trình được thiết kế cho các giải pháp tự động hóa tích hợp hệ thống với quy mô trung bình. S7-1500 tích hợp tính năng Motion Control để làm việc với encoder và một số tính năng web sever.Bộ PLC S7-1500 Một số dòng PLC S7-1500 như: CPU 1513-1PN, CPU 1511-1PN, CPU 1515- 2PN… + CPU với một chương trình và bộ nhớ dữ liệu lớn trong dòng sản phẩm bộ điều khiển S7-1500. Được sử dụng cho các ứng dụng với yêu cầu cao về phạm vi chương trình, hiệu năng và kết nối mạng. + CPU có tốc độ tính toán xử lí cao.

+ Dùng cho nhiệm vụ tự động hóa công nghiệp trong nhiều loại máy móc.Trương Đình Châu HVTH: Nguyễn Văn Thơm 8 + Có 2 cổng kết nối truyền thông PROFINET. + Thêm 2 giao diện PROFINET với địa chỉ IP riêng biệt. + Có giao diện PROFIBUS DP. + Tích hợp chức năng Motion Control để điều khiển tốc độ, vị trí, hỗ trợ cho encoder.

+ Tích hợp Web Server với các tùy chọn để tạo ra các trang web do người dùng định nghĩa. Ngôn ngữ lập trình cho PLC có ba loại ngôn ngữ, bao gồm:  Ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder logic).  Ngôn ngữ lập trình FBD (Function Block Diagram).  Ngôn ngữ lập trình STL (Statement List).

Chương trình người dùng được thực thi : Hình 2. CPU thực thi chương trình người dùng 2. Totally Integrate Automation Portal (TIA Portal) TIA Portal Là phần mềm do Siemens phát triển tích hợp các hệ thống tự động hóa (tất cả trong một – All in one) từ giao tiếp các phần cứng như biến tần, HMI. tới các phần mềm điều khiển như: -SIMATIC STEP7 Professional và SIMATIC STEP 7 PLCSIM dùng để lập trình và mô phỏng S7-300, S7-400, S7-1200.

-SIMATIC WinCC Professional thiết kế và lập trình giao diện SCADA, HMI… GVHD: TS.Trương Đình Châu HVTH: Nguyễn Văn Thơm 9 -SIMATIC Start Driver cấu hình dao tiếp với biến tần Siemens. Cấu trúc phần mềm TIA Portal Trong luận văn này sử dụng TIA Portal làm môi trường lập trình các ứng dụng. PLCSIM Advanced Hình 2.0 PLCSIM Advanced là một phần mềm mô phỏng có khả năng mô phỏng toàn diện các chức năng trong chương trình của PLC S7-1500. Phần mềm này giao tiếp GVHD: TS.Trương Đình Châu HVTH: Nguyễn Văn Thơm 10 trực tiếp với TIA Portal, PLCSIM Advanced tạo PLC S7-1500 ảo để mô phỏng đối tượng, cho phép nó điều khiển các đối tượng như điều khiển bởi một PLC S7-1500 thực.

Ngoài ra có thể kết nối bộ điều khiển ảo này với mô hình ảo của nhà máy hoặc phần mềm mô phỏng như SIMIT hoặc NX MCD (Mechatronics Concept Designer) để kiểm tra chương trình người dùng với TIA Portal. PLCSIM Advanced có hai chế độ cài đặt, TCP/IP Ethernet cục bộ và ảo. Local tạo một chương trình PLC giao tiếp trực tiếp trên máy tính chỉ có thể truy cập trên máy chủ. Cách thứ hai sử dụng chế độ TCP/IP Ethernet ảo, chương trình PLC có thể truy cập được trên bất kỳ mạng nào mà PC chủ được kết nối.

Virtual Ethernet TCP/IP cho phép mô phỏng PLC chạy trên máy tính khác so với cổng TIA Portal và cả những người tham gia giao tiếp phải ở trên cùng một PC. Trong cấu hình này, có thể sử dụng các chức năng TCP/IP của bộ điều khiển ảo, chẳng hạn như giao tiếp qua OPC UA và websever. PLCSIM Advanced tạo bộ điều khiển S7-1500 ảo để mô phỏng GVHD: TS.Trương Đình Châu HVTH: Nguyễn Văn Thơm 11 Phiên bản được sử dụng trong dự án, PLCSIM Advanced V2.0 có khả năng mô phỏng 2 họ khác nhau của CPU PLC: Serial SIMATIC ET 200 SP và Serial SIMATIC-1500. NX MCD (Mechatronics Concept Designer) NX là một trong những giải pháp phát triển sản phẩm CAD/CAM/CAE tiên tiến nhất và được tích hợp chặt chẽ nhất từ Phần mềm PLM của Siemens giúp mô phỏng đối tượng 3D ở hầu hết các lĩnh vực.

Phiên bản NX 12.0 trở đi có những cải tiến trong các wizard, dialog giúp cho việc thiết kế 3D trở nên dễ dàng hơn. NX là một phần mềm mạnh giải quyết nhanh và hiệu quả những vấn đề đang được đặt ra, cung cấp giải pháp xây dựng hệ thống ảo, trực quan hoá các tiến trình cơ điện tử. Công cụ thiết kế 3D mạnh mẽ của NX giúp thiết kế các đối tượng cơ khí một cách chuẩn xác. Công cụ lắp ráp cho phép liên kết các đối tượng một các chân thật.

Các thuật toán vật lý hoá các chuyển động, thông số hoá đối tượng có thể tạo ra hàm truyền để mô phỏng gần với thực tế nhất. NX MCD (Mechatronics Concept Designer) là một tiện ích bổ sung cho lớp ứng dụng của NX giúp mô phỏng các tiến trình cơ điện tử trên một thiết bị cũng như nhiều thiết bị trên dây chuyền trong một nhà máy. MCD cho phép mô hình hóa, thiết kế và mô phỏng thiết bị với cùng một phần mềm ngay từ đầu. MCD đã được phát triển để tăng tốc thiết kế và thử nghiệm các thiết bị cơ điện tử thông qua mô hình ảo.

Điểm mạnh của MCD là phát hiện sớm các vấn đề và lỗi tiềm ẩn, giúp giảm chi phí cho các chi phí phát sinh, tăng tốc quá trình thiết kế và đưa ra quyết định dễ dàng hơn. Một trong những mục tiêu của MCD là đưa các nhà thiết kế từ các lĩnh vực khác nhau đến cùng một môi trường thiết kế. Trong trường hợp này, các nhà thiết kế điện, cơ khí và tự động hóa sẽ có thể xem xét chức năng của các giải pháp của họ ở giai đoạn sớm hơn bình thường.6 một mô hình thực hiện trong NX MCD.Trương Đình Châu HVTH: Nguyễn Văn Thơm 12 Hình 2. NX MCD cung cấp nhiều tiện lợi cho nhà thiết kế hệ thống NX cung cấp cho lập trình viên công cụ kiểm tra chương trình lập trình trước khi đi vào vận hành, thật vậy NX có khả năng liên kết với các chương trình lập trình như TIA Portal, PLCSIM Advanced, SIMIT, Matlab.

Bên cạnh đó NX cung cấp các thuật toán thống kê, tạo ra quá trình ngẫu nhiên, có thể giả lập các lỗi do nhiễu, do thành phần không chắc chắn trong thực tế. Điều này giúp phát hiện các lỗi trước khi vận hành, cũng như phát hiện những khả năng trục trặc trong quá trình vận hành liên tục của hệ thống. NX hạ thấp giá thành, giảm nhẹ chi phí cho thử nghiệm hệ thống. Một số thiết bị được thực hiện trong NX ta có thể thay thế thiết bị thực tế có giá đắt hơn, khởi động và vận hành trong NX ít mất thời gian hơn như thực tế.7 cho thấy các bước của quy trình tạo mô hình ảo trên NX MCD.

Các bước thự hiện để tạo ra mô hình 3D trong NX MCD Tiếp theo tìm hiểu về các tính năng thiết kế CAD cơ bản như phác thảo, mô hình 3D, quản lý lắp ráp hoặc nhập và xuất dữ liệu. Phần này chỉ giới thiệu cách GVHD: TS.Trương Đình Châu HVTH: Nguyễn Văn Thơm 13 thiết kế một hệ thống cơ điện tử, còn cụ thể xem thêm tài liệu chuyên về thiết kế NX.Tạo chi tiết cơ khí trong NX Các chi tiết cơ khí (bộ phận cơ khí) được tạo bằng chức năng Model trong NX, các chi tiết cơ khí sẽ tạo trong môi trường Sketch thông qua một số công cụ 2D. Bảng Sketch xem như bảng thảo bao gồm kích thước và ràng buột hình học. Các công cụ tạo chi tiết trong môi trường Sketch của NX Mỗi chi tiết tạo thành một file có phần mở rộng .prt, sau khi phác thảo xong, có nhiều công cụ khác nhau sử dụng để tạo chi tiết cơ khí thành một khối thống nhất dưới dạng 3D như: Extrude, Hole, Tramfer… Hình 2.

Các công cụ tạo chi tiết 3D trong NX GVHD: TS.Trương Đình Châu HVTH: Nguyễn Văn Thơm 14 2.Thiết kế đối tượng cơ khí (thiết bị) trong NX Thiết kế đối tượng là tạo ra hình dạng cơ khí. Đó có thể là hình dạng cơ khí của một chi tiết, một bộ phận của một thiết bị hoặc là cả một thiết bị. Thiết kế đối tượng bao gồm cả thiết kế chi tiết (bộ phận) và thiết kế thiết bị bằng cách lắp ráp các bộ phận. Lắp ráp các chi tiết rời rạc lại với nhau từ các file chi tiết tạo ra file lắp ráp dựa trên Assembly Constraints.

NX ràng buộc hai vật thể bởi một quy luật hình học nào đó, các bộ phận của file lắp ráp do đó cũng đơn thuần là gắn kết về mặt hình ảnh, không có liên kết vật lý. Do vậy cần thêm những hiệu ứng chuyển động (hiệu ứng vật lý) được thiết kế ở phần sau.