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

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.

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.