Nghiên cứu xây dựng mô hình MPS ứng dụng phần mềm Labview phục vụ công tác đào tạo Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh

Nội dung text: Nghiên cứu xây dựng mô hình MPS ứng dụng phần mềm Labview phục vụ công tác đào tạo Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh

1. Đào tạo nguồn nhân lực và nghiên cứu khoa học phục vụ phát triển ngành công nghiệp chế biến, chế tạo Nghiên cứu xây dựng mô hình MPS ứng dụng phần mềm Labview phục vụ công tác đào tạo Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh ThS. Nguyễn Thị Trang*, ThS. Lê Quyết Thắng, ThS. Đoàn Thị Như Quỳnh Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh * Email: trang.edu84@gmail.com Mobile: 0988353484 Tóm tắt: Mô hình MPS là mô hình mô tả quy trình một dây chuyền lắp ráp và phân loại sản phẩm trong công nghiệp. Xây dựng mô hình MPS ứng dụng phần mềm labview là nội dung chính của bài báo. Mô hình bao gồm khối cơ cấu chấp hành và khối điều khiển. Để lắp giáp và phân loại sản phẩm nhóm tác giả sử dụng 5 trạm chính: Trạm cấp phôi, trạm gia công, trạm lắp giáp, trạm phân loại và trạm chuyển tiếp. Khối điều khiển bao gồm bộ điều khiển trung tâm NI USB 6363 với nhiều tính năng ưu việt và giá thành rất tốt. Mặc dù là mô hình đơn giản nhưng nó có thể cho phép người học giải quyết được một số nội dung về điều khiển tự động. Đây là một trong những giải pháp quan trọng nhằm nâng cao chất lượng đạo tạo tại trường Đại học công nghiệp quảng Ninh. Từ khóa: Cảm biến; Mô hình MPS; Trạm; Xilanh; Phần mềm labview. 1. Đặt vấn đề Hiện nay, lắp ráp và phân loại sản phẩm là công đoạn được sử dụng rất nhiều trong thực tế sản xuất. Khi dùng sức người, công việc này đòi hỏi sự tập trung cao và có tính lặp lại nên người thao tác khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc. Mặt khác, có những yêu cầu lắp ráp và phân loại dựa trên các yêu cầu kỹ thuật rất nhỏ mà mắt thường khó có thể nhận ra. Điều này ảnh hưởng trực tiếp tới năng suất và chất lượng sản phẩm. Vì vậy, hệ thống tự động lắp ráp và phân loại sản phẩm ra đời đã dần đáp ứng được nhu cầu cấp bách này [4]. Với mục tiêu đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao đáp ứng được yêu cầu của trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, sinh viên ra trường không chỉ nắm vững lý thuyết mà còn phải có kỹ năng nghề nghiệp tốt. Vì vậy, nghiên cứu xây dựng mô hình MPS là một trong những giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng đào tạo, nghiên cứu khoa học và góp phần vào sự nghiệp phát triển chung của nhà trường. 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Đối tượng nghiên cứu Xây dựng mô hình MPS lắp ráp và phân loại sản phẩm trong công nghiệp. Mô hình gồm 5 trạm chính: Trạm cấp phôi, trạm gia công, trạm lắp giáp, trạm phân loại và trạm chuyển tiếp. 2.2. Nghiên cứu ứng dụng phần mềm labview 2.2.1. Giới thiệu về phần mềm labview LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) là một ngôn ngữ lập trình đồ họa mà sử dụng các biểu tượng thay vì các hàng văn bản để tạo ra các ứng dụng. LabVIEW là một phần mềm nhằm mục đích phát triển những ứng dụng trong đo lường và điều khiển giống như ngôn ngữ lập trình C hoặc Basic, tuy nhiên LabVIEW khác so với các ngôn ngữ trên là các trình ứng dụng của nó đặt trong các VI (Virtual Instrument) nằm trong thư viện của labview, một số ứng dụng đặc biệt của labview là tạo các giao diện để người dùng quan sát một cách trực quan các hiện tượng vật lý trên thực tế. Labview gồm có 3 thành phần chính đó là: bảng giao diện (The Front Panel), sơ đồ khối (The Block Diagram) và biểu tượng và đầu nố (Theicon/connect). Front Panel là giao diện mà người sử dụng hệ thống nhìn thấy. Các VI bao gồm một giao diện người dùng có tính tương tác, mà được gọi là bảng giao diện, vì nó mô phỏng mặt trước của một dụng cụ vật lý. Bảng giao diện có thể bao gồm các núm, các nút đẩy, Kỷ yếu Hội thảo Khoa học - 2021 102
2. Đào tạo nguồn nhân lực và nghiên cứu khoa học phục vụ phát triển ngành công nghiệp chế biến, chế tạo các đồ thị và các dụng cụ chỉ thị và điều khiển khác. 2.2.2. Lập trình trên Labview LabVIEW có hai cửa sổ là bảng giao diện (The Front Panel), sơ đồ khối (The Block Diagram). Người dùng thao tác trên cả hai cửa sổ trên. Giao diện của Front Panel giống như giao diện sử dụng của các thiết bị vật lý, Front Panel chủ yếu là một tổ hợp các Control và Indicator. Control mô phỏng các thiết bị đầu vào của máy và cung cấp dữ liệu cho Block Diagram. Indicator mô phỏng các thiết bị đầu ra của máy để hiển thị các dữ liệu thu được hay được phát ra từ Block Diagram của VI. Có thể đặt các Control hay Indicator lên Front Panel thông qua bảng control. Cửa sổ Diagram có các Block Diagram của VI là mã nguồn đồ họa cho VI. Xây dựng Block Diagram bằng cách nối với nhau các đối tượng gửi hay nhận dữ liệu, thực hiện các hàm cụ thể, điều khiển quá trình truyền. Phần Diagram thể hiện những đối tượng chính của chương trình: các Node, Terminal và dây nối. Để khởi tạo một chương trình trong labview ta có thực hiện như sau: chọn File, lựa chọn NEW VI, đây là cách nhanh chóng và dễ thao tác nhất, khi đó sẽ xuất hiện đồng thời hai cửa sổ The Front Panel và The Block Diagram khi đó ta sẽ thao tác trên hai cửa sổ trên để lập chương trình hoặc giải quyết các yêu cầu bài toán [3]. 3. Xây dựng mô hình mps ứng dụng phần mềm labview 3.1. Thiết kế kết cấu của mô hình 3.1.1. Yêu cầu thiết kế Với mục tiêu là mô hình thực hành phục vụ đào tạo nên không thể đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu trong thực tế. Tuy nhiên, mô hình thiết kế phải đảm bảo một số yêu cầu kỹ thuật chung như sau: Mô hình cơ bản phải phù hợp với nguyên lý lắp ráp và phân loại trong thực tế. Lắp ráp, đầu nối và vận hành điều khiển dễ dàng. Sử dụng các vật tư, thiết bị, linh kiện thông dụng để dễ dàng thay thế sửa chữa. Đảm bảo tính thẩm mỹ và gọn gàng. Các cơ cấu truyền động, kết nối phải đảm bảo cứng vững và tuổi thọ cao. 3.1.2. Lựa chọn phương án thiết kế Trên yêu cầu kỹ thuật đã phân tích ở trên nhóm tác giả lựa chọn phương án thiết kế của mô hình lắp ráp và phân loại sản phẩm như hình 1: Quy trình hoạt động của mô hình được chia làm 7 giai đoạn: Giai đoạn 1: Trạm cấp phôi kiểm tra phôi trong ống. khi trạm trong trạng thái sẵn sàng xi lanh đẩy phôi hoạt động đưa phôi đến vị trí để chuyển tiếp đến trạm gia công sau đó thu về vị trí ban đầu. (Trên trạm 1 được trang bị cảm biến phôi tại vị trí chờ chuyển tiếp, cảm biến xi lanh để xác định trạng thái xi lanh cấp phôi và bảng điều khiển). Giai đoạn 2: Trạm chuyển tiếp di chuyển đến trạm cấp phôi (Trạm 1) gắp phôi ở trạm 1 di chuyển sang trạm gia công (Trạm 2) và đặt phôi vào vị trí trạm 2 để chờ gia công (Trạm gia công phải ở trạng thái sẵn sàng, không có phôi nào đang thực hiện gia công). (Trên trạm 5 được trang bị cảm biến xi lanh để xác định trạng thái xi lanh và cớ cấu dịch chuyển vị trí nhờ động cơ bước và trục vít me). Giai đoạn 3: Trạm gia công khi nhận được phôi chờ gia công và các cơ cấu ở trạng thái sẵn sàng, cơ cấu xi lanh đưa phôi vào vị trí gia công. Khi đến vị trí gia công chờ cho xi lanh gia công và sau khi gia công xong đưa phôi đã được gia công trở lại vị trí ban đầu để chuyển sang trạm tiếp theo. (Trên trạm 2 được trang bị cảm biến phôi tại vị trí chờ chuyển tiếp và cảm biến xi lanh để xác định trạng thái xi lanh). Giai đoạn 4: Trạm chuyển tiếp di chuyển đến trạm gia công (Trạm 2) gắp phôi ở trạm 2 di chuyển sang trạm lắp ráp (Trạm 3) và đặt phôi vào vị trí trạm 3 để chờ lắp ráp (Trạm lắp ráp phải ở trạng thái sẵn sàng, không có phôi nào đang thực hiện lắp ráp). Giai đoạn 5: Khi Trạm lắp ráp nhận được phôi đã được gia công và chờ lắp ráp các xi lanh cấp chi tiết lắp để xi lanh gắp chi tiết lắp lắp vào đúng vị trí gia công phôi. Sau khi lắp xong các cơ cớ về vị trí ban đầu và gửi tín hiệu báo hoàn thành để chuyển sản phẩm sang trạm Kỷ yếu Hội thảo Khoa học - 2021 103
3. Đào tạo nguồn nhân lực và nghiên cứu khoa học phục vụ phát triển ngành công nghiệp chế biến, chế tạo kế tiếp. (Trên trạm 3 được trang bị cảm biến phôi tại vị trí chờ chuyển tiếp và các cảm biến xi lanh để xác định trạng thái xi lanh). Hình 1. Mô hình MPS Giai đoạn 6: Trạm chuyển tiếp di chuyển đến trạm lắp ráp (Trạm 3) gắp sản phẩm ở trạm 3 di chuyển sang trạm phân loại (Trạm 4) và đặt sản phẩm vào vị trí trạm 4 để chờ phần loại (Trạm phân loại phải ở trạng thái sẵn sàng, băng tải đang dừng). Giai đoạn 7: Khi trạm phân loại nhận được sản phẩm băng tải hoạt động đưa sản phẩm tới vị trí các khay chứa sản phẩm tại vị trí khay chứa đặt cảm biểm xác định loại sản phẩm và xi lanh xếp sản phẩm để đưa sản phẩm vào khay chứa, khi sản phẩm được sắp xếp xong băng tải dừng để chờ lần kế tiếp. 3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển 3.2.1. Giới thiệu về module USB 6363 Sơ đồ chân của module USB 6008 thể hiện trên hình 2. Hình 2. Module USB 6363 Mô tả khái quát về chức năng các I/O: - Các chân P0.1, P0.2, P0.3 , P1.1, P1.2: có thể làm chức năng là Input/ OutPut: - Chân Input: Dùng để đọc tín hiệu các nút nhấn, hoặc dùng để đọc giá trí từ các cảm biến dạng số ( 0 hoặc 1). Ví dụ : Chân P1.1 được nối với nút nhấn. Để đọc được tín hiệu 0 hoặc 1 từ nút nhấn đó thì người lập trình phải khai báo / cài đặt chân đó là chân Input. Kỷ yếu Hội thảo Khoa học - 2021 104
4. Đào tạo nguồn nhân lực và nghiên cứu khoa học phục vụ phát triển ngành công nghiệp chế biến, chế tạo Tương tự để đọc được tín hiệu 1 cảm biến quang nhận biết có phôi hay không thì người lập trình phải khai báo là input. Chân OUTPUT: Để xuất dữ liệu đầu ra trên các chân điều khiển để điều khiển các cơ cấu chấp hành (van, động cơ, máy bơm ) hoặc các chỉ thị LED thì người dùng phải khai báo các chân đó là OUTPUT. Ví dụ: Chân P1.3 được kết nối với động cơ DC thì chân kết nối phải được khai báo là OUTPUT. 3.3.2. Mô hình mạch hoàn chỉnh Sau khi xây dựng sơ đồ nguyên lý ta tiến hành đấu nối trên thiết bị thực. 3.3.3. Chương trình mô tả cho tất cả các quá trình hoạt động của mô hình MPS Quá trình cấp phôi và nhận phôi thực hiện các công đoạn gia công lắp chi tiết tương ứng từng trạm và phân loại sản phẩm phôi vào các khay chứa tương ứng. Mô tả chương trình của hệ MPS được thể hiện như hình 3. Hình 3. Mô tả chương trình điều khiển chính của hệ MPS 1. Khởi tạo trạng thái ban đầu của các trạm. 2. Trạm 1 tiến hành cấp phôi. 3. Trạm 5 hạ tay rồi lấy phôi. 4. Trạm 5 di chuyển vị trí từ trạm 1 đến trạm 2. 5. Trạm 5 tiến hành thực hiện Ra - Hạ - Nhả (RHN) sau đó nhả nâng thu (NNT). 6. Trạm 2 tiến hành kéo phôi- sau đó trạm 2 gia công phôi. Sau khi gia công xong trạm 2 tiến hành đẩy phôi ra để trạm 5 tiến hành quá trình bắt đầu nhận phôi. 7. Trạm 5 tiến hành quá trình Nâng - Ra - Hạ (NRH). Sau khi kết thúc quá trình NRH trạm 5 tiếp tục thực hiện quá trình Kẹp - Nâng - Thu (KNT). 8. Sau khi kẹp phôi xong thì trạm 5 di chuyển vị trị từ trạm 2 đến trạm 3. 9. Trạm 5 tiến hành thực hiện quá trình Ra - Hạ - Nhả (RHN). 10. Trạm 3 tiến hành đẩy chi tiết lắp ráp . Trạm 3 tiến hành quá trình Hạ - Kẹp - Nâng. 11. Trạm 3 tiếp tục thực hiện quá trình Ra - Hạ - Nhả (RHN). 12. Trạm 3 thực hiện quá trình thu vào. 13. Sau đó trạm 5 tiến hành quá trình Hạ - Kẹp - Nâng để lấy phôi cho quá trình tiếp theo. 14. Sau khi kẹp phôi xong trạm 5 di chuyển vị trí từ trạm 3 đến trạm 4. 15. Trạm 5 thực hiện quá trình Ra - Hạ - Nhả (RHN). 16. Chương trình tiến hành kiểm tra có phôi hay chưa nếu có thì động cơ băng tải chạy. Phôi sẽ được di chuyển qua các cảm biến phân loại sản phẩm. Cảm biến Phân loại sản phẩm loại 1 (Cảm biến từ). Cảm biến phân loại sản phẩm loại 2 (Cảm biến quang). Chương trình sẽ tiến hành kiểm tra loại sản phẩm sau đó tiến hành đẩy xi lanh tương ứng với loại sản phẩm tương ứng. Kỷ yếu Hội thảo Khoa học - 2021 105
5. Đào tạo nguồn nhân lực và nghiên cứu khoa học phục vụ phát triển ngành công nghiệp chế biến, chế tạo 3.3.4. Một số chương trình thể hiện hoạt động tương ứng của từng trạm tương ứng với từng quy trình. * Chương trình đẩy phôi trạm 1: Hình 4. Mô tả chương trình đẩy phôi trạm 1 * Chương trình mô tả quá trình hạ tay của trạm 5 Trạm 5 sẽ thực hiện quá trình Nhả - Ra - Hạ. Sau khi Phôi ở trạm 1 được cấp thì trạm 5 sẽ thực hiện quá trình Nhả - Ra - Hạ để bắt đầu thực hiện vào việc lấy phôi. Hình 5. Mô tả quá trình hạ tay của trạm 5 * Chương trình mô tả cho quá trình lấy phôi (Kẹp - Nâng - Thu) Trạm 5 sẽ tiến hành thực hiện quá trình kẹp phôi . Sau đo nâng lên và thu về thông qua thao tác: Kẹp- Nâng -Thu: Việc trạm 5 thu về nhằm mục đích để bắt đầu cho quá trình đưa phôi từ trạm 1 đến cấp phôi cho trạm 2. Hình 6. Mô tả cho quá trình lấy phôi * Chương trình mô tả cho quá trình di chuyển của trạm 5 từ trạm 1 đến trạm 2. Hình 7 mô tả Front Panel của chương trình trạm 5 di chuyển từ trạm 1 đến trạm 2 Kỷ yếu Hội thảo Khoa học - 2021 106
6. Đào tạo nguồn nhân lực và nghiên cứu khoa học phục vụ phát triển ngành công nghiệp chế biến, chế tạo Hình 7. Mô tả cho quá trình di chuyển của trạm 5 từ trạm 1 đến trạm 2 4. Kết luận Mô hình MPS lắp ráp và phân loại sản phẩm trong công nghiệp nhằm phục vụ trong giảng dạy giúp sinh viên làm quen các dây chuyền sản xuất. Nghiên cứu đã thiết kế và xây dựng chương trình điều khiển ứng dụng phần mềm Labview. Với mục tiêu chính là phục vụ đào tạo, mô hình được thiết kế đơn giản đáp ứng được một số nội dung thực hành trong lĩnh vực điều khiển tự động. Đây là một trong những giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng đào tạo, nghiên cứu khoa học trong điều kiện hiện nay. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hoà, Kĩ thuật đo lường các đại lượng vật lí, Nhà xuất bản Giáo Dục, 2006. [2]. Nguyễn Tấn Phước, Cảm biến đo lường và điều khiển, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2006. [3]. Nguyễn Bá Hải, Lập trình LabVIEW, NXB Đại học quốc gia T.P Hồ Chí Minh, 2010. [4]. Nguyễn Xuân Quỳnh, Trần văn Địch (2007), ứng dụng PLC trong hệ thống phân loại sản phẩm. Luận văn Thạc Sỹ ĐH Bách khoa, Hà Nội. Kỷ yếu Hội thảo Khoa học - 2021 107