Động cơ điện, Động cơ giảm tốc, Máy bơm nước, Điện, Tự động hóa, Cơ khí Máy móc, Môi trường | Tin tức | Giải Pháp Mới | Ứng dụng mạng DDS của Siemens để điều khiển và giám sát hệ thống lắp ráp lốp ô tô

Bài báo này giới thiệu về hệ thống giám sát và điều khiển quá trình lắp ráp lốp ô tô. Trong hệ thống này ứng dụng mạng DDS (Distributed Driver System) của Siemens và phần mềm HMI tự thiết kế giúp nâng cao quá trình tự động hóa, tăng cường khả năng giám sát và điều khiển quá trình hoạt động của nhiều động cơ một cách liên tục, đáp ứng nhanh chóng, tiết kiệm được chi phí so với các cách điều khiển hệ động cơ thông thường.

Ngày nay giải pháp sử dụng mạng trong điều khiển, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa là rất cần thiết. Mạng DDS đã và đang là giải pháp để điều khiển một hệ Biến tần với độ tin cậy cao. Mặt khác, để điều khiển một hệ Biến tần chỉ dùng những đầu vào ra số và tượng tự trên nó làm tốn các đầu vào ra số và tương tự tương ứng trên PLC, làm tăng số lượng dây nối, giảm độ tin cậy và làm tăng giá thành của hệ thống. Trong hệ DDS của Siemens sử dụng giao thức USS để điều khiển Biến tần rất là hiệu quả và có độ tin cậy cao. Nếu dùng giao thức USS thì một PLC có thể điều khiển tối đa 32 Biến tần mà không cần đầu ra do đó mang lại hiệu quả kinh tế rất cao. Thông qua giao thức này, từ một PLC có thể thay đổi và giám sát phần lớn các tham số trên Biến tần.

Được trang bị giao diện người máy HMI sử dụng phần mềm Visual Basic V6.0 để hỗ trợ nhân viên vận hành theo dõi các trạng thái, thông số và diễn biến của quá trình, tình trạng làm việc của các thiết bị trong hệ thống. Qua đó nhân viên vận hành có thể thực hiện thao tác vận hành và can thiệp từ xa đến các hệ thống điều khiển phía dưới.

Đây là trái tim của hệ thống, ở đây sử dụng PLC S7 — 200 CPU 224 XP, kết nối với 24 Biến tần để điều khiển chúng qua giao thức USS. Sử dụng phần mềm: Step 7 MicroWin V4.0/ Libraries USS Protocol.

Hình 1. Sơ đồ bố trí hệ thống

Tích hợp mạng DDS cho hệ thống

Giới thiệu về Biến tần MicroMaster 440

MM440 (MM4) chính là họ Biến tần mạnh mẽ nhất trong dòng các Biến tần tiêu chuẩn của hãng Siemens. Khả năng điều khiển Vector cho tốc độ và Momen hay khả năng điều khiển vòng kín bằng bộ PID có sẵn đem lại độ chính xác cao cho các hệ thống truyền động quan trọng như các hệ thống nâng chuyển, các hệ thống định vị. Không chỉ có vậy, một loạt khối logic sẵn có lập trình tự do cung cấp cho người sử dụng sự linh hoạt tối đa trong việc thao tác một cách tự động. MicroMaster 440 là bộ Biến đổi tần số dùng điều khiển tốc độ động cơ ba pha xoay chiều.

Thiết lập kết nối truyền thông giữa CPU 224XP với MM4

Trước khi kết nối đến S7-200, cần phải cài đặt các tham số về địa chỉ, tốc độ đường truyền, chuẩn giao thức, thời gian time-out, và các tham số khác trên các Biến tần để chắc chắn rằng trên mỗi Biến tần phải có đầy đủ bộ tham số để đủ điều kiện tham gia vào mạng DDS.

Hình 2. Sơ đồ kết nối giữa PC và PLC với 24 Biến tần trong mạng DDS

Thiết lập kết nối truyền thông trong mạng DDS

Để biến tần tham gia vào mạng DDS cần phải chắc chắn rằng có đủ các thông số của MM440. Sử dụng keypad trên biến tần để cài đặt như sau:

Cài đặt các thông số định mức của động cơ: điện áp, dòng điện, công suất, tần số, tốc độ (Truy cập đến các tham số P304, P305, P307, P310, P311 để cài đặt).

Định chế độ điều khiển từ xa (P700="5).

Lựu chọn điểm đặt tần số cho USS ở cổng COM (P1000="5).

Cài đặt tốc độ truyền thông (truy cập đến tham số P2010 để chọn tốc độ truyền thông cho chuẩn RS-485).

Định địa chỉ của biến tần trong mạng (P2011= 0 ÷ 31).

Định thời gian Time-out (P2014="0" ÷ 65,535 ms).

Hình 3. Bộ phận siết ốc 6 trục

Các lệnh chính sử dụng trong chương trình điều khiển qua mạng DDS

PLC thực hiện việc điều khiển hệ biến tần qua mạng DDS thông qua các lệnh trong giao thức USS.

Cơ sở để xây dựng chương trình điều khiển cho dây chuyền công nghệ lắp lốp tự động

Mục tiêu chính của đề tài là ứng dụng mạng DDS của Siemens để điều khiển và giám sát hệ thống lắp ráp lốp ô tô.
Hệ thống gồm 4 bộ siết ốc, mỗi bộ gồm 6 động cơ. Mô hình của một bộ siết ốc được thể hiện như Hình 3.

Quy trình công nghệ

Bước 1: Nhân viên vận hành đặt giá trị momen lớn nhất bằng a (N.m) trên máy tính.

Bước 2: Khi đã lắp đặt ốc vào lốp ô tô sau đó ấn nút Start để khởi động 6 động cơ cùng một lúc, 6 động cơ sẽ chạy cùng tốc độ 20 rpm. Lúc này sẽ có momen phản hồi về của từng động cơ một đưa về MM4 để thực hiện việc giảm tốc cho động cơ (n = 12 rpm nếu momen phản hồi bằng momen đặt chia 4; n = 6 rpm nếu momen phản hồi bằng momen đặt chia 2; n = 0 rpm nếu momen phản hồi bằng momen đặt) và hiển thị giá trị lên máy tính.

Bước 3: Khi cả 6 ốc của bộ nào được siết xong thì cho dừng bộ đó.

Khi nhấn nút Stop thì hệ thống sẽ dừng và giá trị đặt cũng sẽ được xóa. Việc điều tốc cho các động cơ, khởi động dừng cập nhập thông số để hiển thị lên PC… đều được thực hiện qua mạng DDS bằng giao thức USS.

Như vậy để thực hiện quy trình công nghệ này thì PLC luôn đọc giá trị momen (từ cảm biến momen đưa về Biến tần) và lưu vào vùng nhớ của nó, so sánh với giá trị momen đặt để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ cho các động cơ như đồ thị Hình 3.
Các hiển thị cảnh báo (Alarms)

Cảnh báo quá tải

Trong trường hợp khi động cơ đã chạy, giá trị momen phản hồi cũng luôn được PLC đọc về từ Biến tần và luôn so sánh với giá trị momen đặt nhân với hệ số 1,05; nếu giá trị momen phản hồi của động cơ nào lớn hơn giá trị trên nghĩa là động cơ quá tải thì cảnh báo quá tải lên máy tính và cho dừng bộ đó.

Cảnh báo non tải

Khi hệ thống đang hoạt động, bất kỳ một ốc nào bị “tua” để xác định lỗi này, bộ điều khiển dựa vào giá trị momen phản hồi của động cơ đang tăng dần sau đó đột ngột giảm thì sẽ cảnh báo non tải lên máy tính và cho dừng bộ đó.

Các bàn thí nghiệm hệ thống DDS của Siemens Hình 4. Đồ thị quan hệ giữa momen và tốc độ

Kết quả thực nghiệm

Thiết kế giao diện VB 6.0

Giao diện VB 6.0 sẽ giúp nhân viên vận hành điều khiển và giám sát một cách tổng quan quá trình hoạt động của toàn bộ hệ thống với giá thành thấp. Thông qua giao diện HMI này người vận hành giám sát được các thông số về momen, dòng điện, tốc độ, các cảnh báo sự cố của từng động cơ một. Ngoài ra phần mềm còn lưu trữ dữ liệu của quá trình sản xuất, in báo cáo tự động theo ngày, …

Mô hình thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm đã được thử nghiệm thành công trên hệ thệ thống đào tạo chuẩn của hãng Siemens Đức tại Trung tâm Nghiên Cứu Điện — Điện Tử, Đại học Đà Nẵng.

Hình 5. Giao diện HMI để điều khiển và giám sát hệ thống

Kết luận

Việc ứng dụng mạng DDS đáp ứng được nhu cầu thực tế hiện nay trong công nghiệp, bài báo đã đưa ra giải pháp điều khiển tối ưu hệ thống mà trong đó trong đó việc truyền động bằng các biến tần động cơ là chiếm đa số. Việc xây dựng những hệ thống tương tự như thế này giúp tiết kiệm được rất nhiều chi phí so với những giải pháp điều khiển thông thường. Với những tính năng nổi trội về việc điều khiển hệ biến tần mạng DDS không những đáp ứng cho hệ thống lắp ráp lốp ô tô mà còn nhiều hệ thống khác có nhiều động cơ biến tần tham gia như: hệ thống băng chuyền vận chuyển hành lý trong sân bay, trong sản xuất thép, hệ truyền động thang máy, trong công nghiệp dệt may, sản xuất vật liệu xây dựng, công nghiệp khai thác khoáng sản…

[1] Lâm Tăng Đức, Nguyễn Kim Ánh (2005), Giáo trình điều khiển Logic, trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng.
[2] Trung tâm nghiên cứu Điện — Điện Tử (2009), Giáo trình lý thuyết, bài tập PLC và Biến tần.
[3] Siemens A&G (2007), Hướng dẫn vận hành Micromaster MM440/MM430/MM420, Germany.
[4] Nguyễn Ngọc Mai, Nguyễn Hữu Anh (2004), Lập trình cơ sở dữ liệu VB 6.0, Nhà xuất bản lao động — xã hội.
[5] Tài liệu kỹ thuật của nhà máy ô tô VEAM, Thanh Hóa.
[6] Tài liệu kỹ thuật của nhà máy ô tô Trường Hải, Chu Lai, Quảng Nam.
[7] Siemens A&G (2006), Micromaster 440 Operating Instructions, Germany.
[8] Siemens A&G (2001), S7-200 Programmable Controller System Manual CD, Germany.

Nguyễn Kim Ánh, Nguyễn Viết Hùng, Lê Minh Dưỡng, Phạm Thị Diệu Hiền
Khoa Điện , Trường Đại học Bách khoa — Đại học Đà Nẵng