HỆ THỐNG SẢN XUẤT LINH HOẠT doc

Chơng 4 - Hệ thống sản xuất linh hoạt
Flexible Manufacturing System (FMS)
Đào Bá Phong - Bộ môn GCVL và DCCN, Khoa Cơ khí, ĐHBK Hà Nội
4.1. Giới thiệu chung về hệ thống sản xuất linh hoạt
4.1.1. Khái niệm
Hệ thống sản xuất là một chuỗi các quá trình sản xuất gia tăng giá trị làm nhiệm
vụ chuyển đổi nguyên vật liệu thành dạng có ích hơn và cuối cùng là tạo ra sản phẩm
hàng hoá.
Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) là một hệ
thống sản xuất đợc điều khiển tự động bằng máy tính, có khả năng thay đổi chơng
trình điều khiển và sản phẩm một cách linh hoạt trong quá trình sản xuất.
Vì vậy hệ thống FMS có thể tự động đặt lại cấu hình để sản xuất các chủng loại
sản phẩm khác nhau. Đó là lý do tại sao nó đợc gọi là hệ thống sản xuất linh hoạt.
Khái niệm sản xuất linh hoạt đợc đợc biết đến lần đầu tiên vào năm 1965 khi công
ty British firm Molins, Ltd đa ra sản phẩm với tên gọi là System 24. System 24 là một
hệ thống FMS thật sự. Tuy nhiên hệ thống này không thể phát triển thêm đợc nữa bởi
vì khi đó công nghệ tự động hoá và công nghệ thông tin còn cha phát triển nên không
thể hỗ trợ cho sự phát triển của hệ thống này đợc. Khái niệm sản xuất linh hoạt vì vậy
bị quên lãng. Tuy nhiên vào những năm cuối thập kỷ 70 và đầu thập kỷ 80, cùng với sự
phát triển nhảy vọt của công nghệ thông tin và ứng dụng của công nghệ thông tin trong
sản xuất mà sản xuất linh hoạt đã phát triển trở lại với tốc độ đáng kinh ngạc. Hệ thống
sản xuất linh hoạt đợc sử dụng lần đầu tiên ở Mỹ để sản xuất ra ôtô và máy kéo.
Nh vậy, một hệ thống sản xuất linh hoạt nói chung gồm có các phần sau:
Thiết bị xử lý nh các trung tâm gia công, các trạm lắp ráp, và robot.
Thiết bị vận chuyển nguyên vật liệu ví dụ nh robot, băng truyền,
Một hệ thống truyền thông
Một hệ thống điều khiển bằng máy tính
Trong sản xuất linh hoạt, các máy gia công tự động nh tiện, phay, khoan, và
hệ thống vận chuyển nguyên liệu tự động giao tiếp với nhau thông qua mạng máy tính.
4.1.2. Ưu nhợc điểm của hệ thống FMS
Một hệ thống sản xuất linh hoạt có những u điểm sau:

ắ Linh hoạt trong việc xây dựng và tích hợp hệ thống sản xuất.
ắ Sản xuất đồng thời đợc nhiều loại sản phẩm khác nhau
ắ Giảm thời gian thiết lập và thời gian chờ đợi trong sản xuất
ắ Sử dụng thiết bị máy móc hiệu quả
ắ Giảm chi phí sản xuất cho nhân công lao động
ắ Có khả năng xử lý nhiều loại nguyên liệu khác nhau
ắ Khi một máy bị sự cố, các máy khác vẫn tiếp tục làm việc đợc.
Nhợc điểm của hệ thống sản xuất linh hoạt là giá thành đầu t xây dựng ban
đầu thờng rất lớn.
Thực tế cho thấy, số lợng nhân công trong hệ thống sản xuất linh hoạt ít hơn
nhiều so với hệ thống sản xuất thông thờng. Trong một hệ thống sản xuất linh hoạt,
con ngời giữ các vai trò sau:
Sửa chữa và bảo dỡng thiết bị
Lắp đặt và thay đổi dụng cụ
Nhập thông số khởi đầu cho hệ thống
Vận hành hệ thống (bật/tắt)
Thay đổi một phần hoặc toàn bộ chơng trình điều khiển
Phát triển và nâng cấp chơng trình điều khiển
4.1.3. Giới thiệu chung về CIM
Ngày nay, bên cạnh khái niệm về hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) còn có một
khái niệm khác đó là sản xuất có sự trợ giúp của máy tính CIM (Computer Integrated
Manufacturing) đợc sử dụng để mô tả một phơng thức sản xuất hiện đại. Mặc dù
CIM chứa đựng nhiều công nghệ sản xuất tiên tiến khác nh CAD/CAM/CNC,
Robot, nhng nó đợc hiểu với nghĩa là một công nghệ mới nhiều hơn là với một
khái niệm mới. Hình vẽ dới đây trình bày những thành phần cơ bản hình thành nên
CIM và mối quan hệ giữa chúng.

Thiết kế
sản phẩm
Sản xuất
Lập trình cho
các máy sản
xuất
CIM
Kế hoạch
sản xuất
Tiêu thụ
Vận chuyển
Lu kho
Tài chính
Tiếp thị
Lập quy trình
sản xuất
Hình 4.1: Nhữn
g
thành
p
hần cơ bản của CIM
4.2. Vai trò của điều khiển và giám sát trong hệ thống sản xuất linh hoạt

4.2.1. Đặt vấn đề
Hiện nay ở các nớc phát triển, hệ thống sản xuất linh hoạt đã và đang đợc ứng
dụng rộng rãi trong công nghiệp để sản xuất ra sản phẩm hàng hoá có chất lợng cao
với giá thành hạ. Các hệ thống sản xuất linh hoạt hiện đại sử dụng các tiến bộ của khoa
học kỹ thuật mà cụ thể là của bốn lĩnh vực tự động hoá, cơ khí, công nghệ thông tin và
điện tử viễn thông. Sự kết hợp của bốn lĩnh vực này đã hình thành nên một lĩnh vực
mới, đó là Cơ điện tử (mechatronics). ứng dụng đợc hệ thống sản xuất linh hoạt trong
sản xuất sẽ làm đơn giản hoá hoạt động của con ngời nhng đồng thời vẫn nâng cao
đợc hiệu quả sản xuất. Trong một hệ thống sản xuất linh hoạt, phạm vị điều khiển
hoạt động của hệ thống không chỉ giới hạn ở các thao tác hay vận hành hệ thống trực
tiếp tại xởng máy hay dây chuyền mà đợc mở rộng để có thể điều hành và giám sát
mọi hoạt động của nhà máy tại một địa điểm duy nhất gọi là trung tâm điều khiển.
Điều này đợc thực hiện nhờ sử dụng hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Trong
mạng truyền thông công nghiệp tất cả các thiết bị đo lờng, điều khiển và chấp hành
của hệ thống sản xuất linh hoạt đều đợc kết nối với nhau thành một hệ thống hoàn
chỉnh. Và hơn thế nữa, nhiều hệ thống sản xuất linh hoạt trong một nhà máy hay thậm
chí các nhà máy trong một khu công nghiệp cũng đợc kết nối mạng với nhau để hình
thành nên quy mô sản xuất lớn. Qua mạng truyền thông công nghiệp, ngời vận hành
hệ thống sẽ điều khiển và giám sát đợc mọi hoạt động của nhà máy.
Có thể lấy ví dụ nhà máy sản xuất và lắp ráp ôtô Mitsubisi tại Nhật Bản. Trong
nhà máy có rất nhiều dây chuyền lắp ráp để thực hiện nhiệm vụ lắp ráp các chi tiết
khác nhau của xe. Nếu không có mạng truyền thông công nghiệp, không thể phối hợp
đợc hoạt động của các dây chuyền và dẫn đến năng xuất lắp ráp của nhà máy sẽ rất
thấp. Ngoài ra nếu nhà máy không sử dụng mạng truyền thông công nghiệp nh hiện
nay thì để điều khiển và giám sát đợc toàn bộ hoạt động của toàn nhà máy cần phải sử
dụng lợng nhân công lớn gấp gần 100 lần. Không những thế, hệ thống điều khiển và
giám sát của nhà máy còn góp phần làm tăng hiệu quả sản xuất và chất lợng của sản
phẩm lên nhiều lần. Nh vậy, một hệ thống sản xuất đợc tích hợp hệ thống điều khiển
và giám sát cùng với mạng truyền thông công nghiệp sẽ mang lại lợi ích to lớn cho các
nhà máy và doanh nghiệp.

Ví dụ trên đã thể hiện đợc vai trò của điều khiển và giám sát trong hệ thống
điều khiển nói chung và cụ thể là trong hệ thống sản xuất linh hoạt nói riêng. Do đó
khi nghiên cứu hay tìm hiểu về một hệ thống sản xuất linh hoạt, vấn đề điều khiển và
giám sát cho hệ thống luôn đợc đặt lên hàng đầu. Phần sau đây trình bày một số khái
niệm về điều khiển và giám sát nhằm trang bị cho ngời đọc những kiến thức cơ bản
nhất về lĩnh vực này.
4.2.2. Điều khiển và giám sát là gì?
Điều khiển và giám sát bao hàm toàn bộ các giải pháp hệ thống nhằm đảm bảo
các yêu cầu chức năng của quá trình kỹ thuật nh năng suất, chất lợng, an toàn cho
con ngời, môi trờng, Cụ thể là, quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của quá trình kỹ
thuật phải đợc điều khiển theo một mô hình cho trớc trong khi có tác động của môi
trờng xung quanh, đồng thời ảnh hởng xấu của quá trình kỹ thuật phải đợc giảm
thiểu. Mặc dù điều kiển và giám sát là hai nhiệm vụ khác nhau, nhng chúng có quan
hệ mật thiết với nhau. Thực tế đòi hỏi điều khiển phải có giám sát và việc giám sát sẽ
là vô nghĩa nếu thiếu điều khiển. Vì vậy ta có thể dùng một khái niệm chung là điều
khiển giám sát, để phân biệt với khái niệm điều khiển tự động hay điều khiển cơ sở.
Vào giai đoạn mới hình thành, do trình độ công nghệ còn hạn chế nên hệ thống
điều khiển và giám sát nói chung có cấu trúc rất đơn giản nh hình 4.2
Giai đoạn về sau, dựa trên thực tế sử dụng, sự phân bố chức năng điều khiển và
sự phân bố vị trí của các máy tính mà các hệ thống điều khiển và giám sát đã có sự
phân hoá và đẫn đến hình thành nên ba dạng hệ thống điều khiển và giám sát khác
nhau là: hệ thống điều khiển và giám sát có cấu trúc tập trung, hệ thống điều khiển và
giám sát có cấu trúc phân quyền, hệ thống điều khiển và giám sát có cấu trúc phân tán.
Trong thực tế tuỳ thuộc vào mục đích và quy mô của ứng dụng mà cần phải lựa chọn
mô hình điều khiển và giám sát phù hợp.

Hình 4.2: Cấu trúc chung của một hệ điều
khiển và giám sát




4.2.3. Cấu trúc điều khiển và giám sát tập trung










Phải hiểu từ tập trung ở đây là sự tập trung toàn bộ nhiệm vụ điều khiển và
giám sát vào trong một thiết bị điều khiển duy nhất. Một máy tính đợc dùng để điều
khiển và giám sát tất cả các quá trình công nghệ khác nhau. Các bộ cảm biến và chấp
hành đợc nối trực tiếp theo phơng pháp "điểm với điểm" đến máy tính trung tâm qua
các cổng vào/ra. Nh vậy, máy tính trung tâm sẽ thực hiện thu thập dữ liệu từ các cảm
biến và sau đó xử lý các dữ liệu này theo chơng trình điều khiển đã đợc lập trình.
Các lệnh điều khiển sau đó sẽ đợc máy tính gửi trực tiếp đến các cơ cấu chấp hành

hoặc thông qua hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Vì máy tính phải thực hiện
đồng thời cả nhiệm vụ điều khiển và giám sát nên thực tế yêu cầu máy tính phải có tốc
độ xử lý rất nhanh và khả năng ghép nối đợc với nhiều loại thiết bị.
Cấu trúc điều khiển và giám sát tập trung thích hợp với việc tự động hoá các quá
trình công nghệ hay các hệ thống sản xuất linh hoạt vừa và nhỏ vì nó có u điểm là đơn
giản, dễ thực hiện và giá thành đầu t cho thiết bị điều khiển và giám sát không lớn.
Tuy nhiên, những mặt hạn chế trong cấu trúc tập trung là:
Hình 4.3: Cấu trúc điều khiển và
g
iám sát tậ
p
trun
g

Giá thành cao do nối dây điểm với điểm, trực tiếp, phức tạp,
Khả năng mở rộng hệ thống rất khó khăn
Độ tin cậy kém
Năng suất thấp
Ngoài ra nhợc điểm lớn nhất của hệ thống này là nếu máy tính điều khiển
trung tâm bị hỏng thì toàn bộ hệ thống sẽ bị ngừng hoạt động, gây ảnh hởng lớn đến
sản xuất. Nh vậy cấu trúc điều khiển và giám sát theo mô hình tập trung thể hiện tính
linh hoạt không cao và vì vậy ít đợc ứng dụng trong thực tế.
4.2.4. Cấu trúc điều khiển và giám sát phân quyền
Cấu trúc điều khiển và giám sát phân quyền khắc phục đợc sự phụ thuộc của cả
hệ thống vào một máy tính trung tâm duy nhất và vì thế hệ thống trở nên linh hoạt hơn.
Sự "phân quyền" của cấu trúc điều khiển này thể hiện bởi mỗi quá trình công nghệ
đợc điều khiển bằng một máy tính và các máy tính này đợc đặt trong cùng một
phòng điều khiển. Do các quá trình công nghệ có sự liên quan mật thiết với nhau nên
các máy tính điều khiển đợc nối mạng để trao đổi dữ liệu. Trong quá trình điều khiển,
mỗi máy tính sẽ thực hiện thu thập dữ liệu từ các cảm biến và sau đó xử lý các dữ liệu

này theo chơng trình điều khiển đã đợc lập trình. Các lệnh điều khiển sau đó sẽ đợc
máy tính gửi trực tiếp đến các cơ cấu chấp hành hoặc thông qua hệ thống mạng truyền
thông công nghiệp. Với cấu trúc điều khiển và giám sát này, khi một máy tính điều
khiển của một dây chuyền sản xuất gặp sự cố thì các dây chuyền khác vẫn hoạt động
bình thờng nên không làm ảnh hởng nhiều đến sản xuất của toàn nhà máy.
Nhiệm vụ giám sát hệ thống đợc "máy tính phối hợp" hay máy tính trung tâm
đảm nhận. Máy tính phối hợp cũng đợc kết nối mạng để có thể trao đổi dữ liệu với
các máy tính điều khiển. Ngoài nhiệm vụ giám sát, máy tính phối hợp còn có chức
năng thực hiện nhiệm vụ điều khiển chung cho toàn nhà máy trong trờng hợp đặc
biệt. Ví dụ nh khi hệ thống gặp sự cố nguy hiểm thì máy tính trung tâm sẽ dừng hoạt
động của toàn nhà máy.












Tuy có nhiều u điểm hơn cấu trúc điều khiển và giám sát tập trung nhng cấu
trúc điều khiển và giám sát phân quyền vẫn còn tồn tại nhợc điểm là phải sử dụng số
lợng lớn dây nối. Để khắc phục nhợc điểm này các nhà nghiên cứu về mạng truyền
thông công nghiệp đã xậy dựng hệ thống điều khiển và giám sát có cấu trúc phân tán.
Hình 4.4: Cấu trúc điều khiển và
g
iám sát

p
hân
q
u
y
ền
4.2.5. Cấu trúc điều khiển và giám sát phân tán
Cấu trúc điều khiển và giám sát phân tán thực hiện việc phân bố chức năng theo
cả chiều rộng và chiều sâu, kết hợp với việc sử dụng mạng truyền thông để thay thế
triệt để cho phơng pháp dùng dây nối cổ điển. Bên trong hệ thống sử dụng các cụm
vào/ra tại chỗ và cơ cấu chấp hành có tích hợp công nghệ vi điện tử (hình 4.5)
Cấu trúc điều khiển và giám sát phân tán có hai đặc trng nổi bật nh sau:
Nghiên cứu dới giác độ của kỹ thuật thông tin thể hiện ở việc xử lý thông tin
và lập trình phân tán, không phụ thuộc vào quá trình công nghệ cụ thể, sử dụng
kỹ thuật truyền thông công nghiệp, ứng dụng triệt để các công nghệ phần mềm
tiên tiến.
Hệ thống có kiến trúc mở thể hiện ở khả năng tơng tác giữa các thành phần,
khả năng thay thế lẫn nhau của các sản phẩm khác nhau, khả năng mở rộng hệ
thống do chính ngời sử dụng, xây dựng giải pháp theo chuẩn quốc tế.

Hình 4.5: Cấu trúc điều khiển và
g
iám sát
p
hân tán

Một hệ thống điều khiển và giám sát có cấu trúc phân tán gồm có các bộ phận
quan trọng sau:
Trung tâm điều hành quá trình sản xuất gồm có trạm kỹ thuật ES (Engineering
Station), trạm thao tác OS (Operator Station) và trạm phục vụ SS (Server
Station).
Trung tâm điều khiển gồm có các máy tính điều khiển và các máy tính phối hợp
(hay máy tính giám sát) đợc nối mạng với nhau đồng thời kết nối lên trung tâm
điều hành quá trình sản xuất thông qua bus xử lý (ví dụ nh Ethernet).
Khu vực gần kề với các quá trình kỹ thuật gồm có bộ điều khiển PLC, vi điều
khiển (microcontroller), các thiết bị vào ra tại chỗ và các bộ cảm biến và chấp
hành. Tất cả các thiết bị này đợc nối lên trung tâm điều khiển thông qua bus
trờng (ví dụ Profibus, Interbus, ).
Tính u việt của hệ điều khiển phân tán là chỗ khắc phục đợc các nhợc điểm
của các cấu trúc khác nh đã trình bày:
Giảm giá thành hệ thống: thay thế phơng pháp nối điểm với điểm bằng mạng
truyền thông, thời gian lắp đặt nhanh chóng,
Tính linh hoạt, độ tin cậy và năng suất đợc nâng cao nhờ xử lý phân tán.
Cấu trúc đơn giản, dễ bao quát làm tăng khả năng chẩn đoán, bảo trì và bảo
dỡng hệ thống.
Nâng cao khả năng tơng tác giữa các thành phần nhờ sử dụng giao diện chuẩn
quốc tế.
Mở ra một số khả năng ứng dụng mới do có thể tích hợp hệ thống mới và cũ, có
khả năng chẩn đoán và định vị lỗi từ xa, dễ dàng kết nối với hệ thống thông tin
cấp cao hơn.

Trong thời gian gần đây nhờ những tiến bộ vợt bậc trong lĩnh vực đo lờng
điều khiển và công nghệ thông tin, các hệ thống điều khiển và giám sát đã có những
bớc phát triển nhảy vọt để hình thành nên hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ
liệu hoàn chỉnh hơn với tên gọi là SCADA.

4.2.6. Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA)
Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Supervisory Control
And Data Acquisition) là một hệ thống điều khiển giám sát, nói cách khác là một hệ
thống hỗ trợ con ngời trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều
khiển tự động thông thờng. Hệ SCADA hiện đại luôn đi cùng giao diện ngời-máy
(Human-Machine Interface, HMI), các hệ thống truy nhập và truyền tải dữ liệu.
Một hệ SCADA gồm các thành phần sau:
Các trạm điều khiển giám sát trung tâm
- Engineering Station (ES)
-
Opertor Station (OS)
- Server Station (SS)
Các trạm thu thập dữ liệu trung gian
- Remote Terminal Unit (RTU)
- Data Collection Unit (DCU) : PLC, PC, I/O
Hệ thống truyền thông
- Mạng truyền thông công nghiệp.
- Mạng viễn thông/truyền tín hiệu đờng dài (vô tuyến, hữu tuyến).
- Các thiết bị chuyển đổi, dồn kênh (Modem, Multiplexer)
Các công cụ phát triển ứng dụng(Development Tool), chơng trình chạy
(Runtime Engine)
Các thành phần chức năng của hệ SCADA là:
Giao diện ngời-máy (sơ đồ công nghệ, đồ thị, phím thao tác, )
Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp.
Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu (drivers cho các PLC, các module

vào/ra cho các hệ thống bus trờng).
Cơ sở dữ liệu quá trình, dữ liệu cấu hình hệ thống.
Các chức năng hỗ trợ trao đổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện (Event), sự cố
(Alarm).
Hỗ trợ lập báo cáo và thống kê (Reporting).
Một hệ SCADA truyền thống là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ
thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về khu trung tâm để xử lý.
Trong các hệ thống nh vậy, hệ thống truyền thông đợc chú trọng và phần cứng đợc
quan tâm nhiều hơn. Từ những năm gần đây, tiến bộ trong các lĩnh vực truyền thông
công nghiệp và công nghiệp phần mềm thực sự đem lại nhiều khả năng và giải pháp
mới. Theo xu hớng phát triển hiện đại, trong giải pháp điều khiển phân tán có sẵn hệ
thống truyền thông ở cấp dới (bus trờng, bus xử lý) và ở cấp trên (Ethernet). Thì
trọng tâm của việc xây dựng hệ SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao
diện và tích hợp hệ thống.
Để đánh giá một giải pháp SCADA cần đặc biệt chú ý các vấn đề sau:
- Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm đối với việc thực hiện các màn
hình giao diện, chất lợng của các thành phần đồ hoạ có sẵn.
- Khả năng truy cập và cách thức kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trực
tiếp từ các cơ cấu chấp hành,cảm biến, các modul Vào/Ra qua PLC hay các
hệ thống bus trờng).
- Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình.
- Khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging), xử lý
sự kiện và sự cố (Event and Alarm), lu giữ thông tin (Archive and History)
và lập báo cáo (Reporting).
- Tính năng thời gian và hiệu suất trao đổi thông tin.
- Giá thành tổng thể của hệ thống.
Có thể hình dung tạo dựng một ứng dụng SCADA gồm hai công việc chính:
xây dựng màn hình hiển thị và thiết lập mối quan hệ giữa các hình ảnh trên màn hình
với các biến quá trình. Có hai phơng pháp để thực hiện là:
Phơng pháp lập trình: là phơng pháp tạo dựng ứng dụng bằng các ngôn ngữ

lập trình thông dụng nh Visual C++, Visual basic, Delphi, Việc này đòi hỏi ngời
kỹ s phải có trình độ lập trình chuyên sâu. Chỉ riêng việc tạo các biểu tợng thờng
thấy trong công nghiệp nh van, đồng hồ, đờng ống, đã mất rất nhiều công sức và
thơi gian. Cho dù sử dụng những kỹ thuật lập trình tiên tiến, thì điều không thể tránh
khỏi là phải biên dịch lại toàn bộ ứng dụng (Compiler).
Phơng pháp thứ hai sử dụng những công cụ phần mềm chuyên dụng cho hệ
SCADA (gọi là phần mềm SCADA). Phơng pháp này thể hiện tính u việt ở ngay
tính chuyên dụng của nó. Các công cụ này có sẵn th viện thành phần cho việc xây
dựng giao diện ngời-máy, cũng nh các phần mềm kết nối với các thiết bị cung cấp
dữ liệu thông dụng. Để đơn giản hoá việc tạo dựng, xu hớng hiện nay là kết hợp
phơng pháp lập trình trực quan với một ngôn ngữ script thông dụng (tơng tự việc
soạn thảo văn bản). Đi xa hơn nữa, một số công cụ cho phép ta sử dụng các biểu tợng,
ký hiệu đồ họa để xây dựng giao diện ngời-máy, đồng thời biểu diễn sự liên quan
logic giữa các thành phần của chơng trình dới dạng các khối chức năng.
Thực tế hiện nay các công cụ chuyên dụng để tạo dựng nên các hệ thống
SCADA đợc sử dụng phổ biến là: WinCC (Siemens), Genesis32 (Iconics), Fix
(Intellution), Lookout (Nationnal Intruments), là những sản phẩm của các hãng nổi
tiếng trong công nghiệp. Trong phần 5 của giáo trình, phần mềm tạo dựng hệ SCADA
và HMI (Human Machina Interface) rất mạnh của hãng SIEMENS là WinCC (Window
Control Center) sẽ đợc giới thiệu.
Để giúp ngời đọc có thể hiểu rõ và có cái nhìn trực quan về hệ thống sản xuất
linh hoạt, trong phần sau của giáo trình một hệ thống sản xuất linh hoạt hoàn chỉnh sẽ
đợc giới thiệu và phân tích. Đó là hệ thống sản xuất linh hoạt FMS-50 mô phỏng cho
một nhà máy lắp ráp động cơ ôtô.



4.3. Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS-50
4.3.1. Giới thiệu chung
Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS-50 là một dây chuyền sản xuất do hãng

FESTO (CHLB Đức) chế tạo. Đây là quà tặng của chính phủ Đức cho trờng
ĐHBKHN để phục vụ việc giảng dạy cho sinh viên khoa Cơ Khí. Hệ thống FMS-50
gồm có 6 trạm: trạm phân phối phôi (Distribution Station); trạm kiểm tra phôi (Testing
Station); trạm băng tải (conveyor Station); trạm lắp ráp phôi (Robot Station); trạm lấy
sản phẩm (Handing Station); trạm phân loại sản phẩm (Sorting Station). Mỗi trạm trong
hệ thống đợc điều khiển bằng một bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-300. Bộ điều
khiển PLC thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin từ các cảm biến và thao tác của ngời
sử dụng; xử lý các thông tin này theo một chơng trình đợc lập trình trớc trong bộ
nhớ của PLC và sau đó gửi các tín hiệu điều khiển tơng ứng đến các cơ cấu chấp
hành. Các cơ cấu chấp hành đợc sử dụng trong hệ thống là các van khí nén điện từ
đợc điều khiển bởi tín hiệu điện; hệ thống Xylanh-Piston đợc điều khiển bởi các van
khí nén điện từ.
Hệ thống hoạt động theo chu trình sau: trạm phân phối chuyển phôi sang trạm
kiểm tra. Tại đây phôi đợc kiểm tra về màu sắc và chiều cao. Phôi đạt yêu cầu sẽ đợc
đa tới trạm băng tải và sau đó tới trạm lắp ráp. Tại trạm này phôi đợc robot lắp ráp
thành sản phẩm và đợc đa trở lại băng tải. Trạm băng tải tiếp tục đa sản phẩm đến
trạm lấy sản phẩm. Trạm lấy sản phẩm đa sản phẩm đến trạm phân loại và tiến hành
phân loại thành ba sản phẩm khác nhau trên cơ sở phân biệt sự khác nhau về màu sắc
(đỏ, đen, trắng); sự khác nhau về vật liệu (nhôm, nhựa).

Trạm
p
hân loại sản
p
hẩm
Băn
g
chu
y
ền
Trạm Robot
Lắp ráp
Trạm
p
hân
p
hối
p
hôi
Trạm kiểm tra
p
hôi
Trạm lấ
y
sản
p
hẩm
Hình 4.6: Sơ đồ của h

ệ
thốn
g
FM
S
-50
4.3.2. Trạm phân phối phôi









Với nhiệm vụ phân phối và vận chuyển phôi đến trạm kiểm tra, các thiết bị đợc
bố trí trên trạm gồm có:
Hình 1.2. Trạm
p
hân
p
hối
p
hôi
- ống tích phôi: là một ống trụ tròn có nhiệm vụ tích chứa và định hớng các phôi,
phôi đợc đặt trớc piston tác động hai phía chuẩn bị cho quá trình đẩy phôi.
- Cảm biến quang: đợc đặt trong ống tích phôi để kiểm tra tình trạng còn hay hết phôi.
Khi trong ống tích không còn phôi, cảm biến quang sẽ gửi tín hiệu đến bộ điều khiển PLC
để thông báo tình trạng hết phôi trên màn hình giám sát.

- Xylanh điều khiển hai phía: cơ cấu chấp hành này nhận tín hiệu tác động từ bộ
điều khiển PLC để đẩy phôi vào vị trí xác định, tốc độ dịch chuyển của trục piston
đợc điều chỉnh nhờ sử dụng van tiết lu điều chỉnh lu lợng của dòng khí.
- Cảm biến cảm ứng điện từ xác định vị trí của trục piston: đây là loại công tắc hành
trình không dùng tiếp xúc cơ khí và hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ.
Hai công tắc hành trình loại này đợc sử dụng để phát hiện vị trí giới hạn trớc và
sau của piston đẩy phôi đồng thời gửi tín hiệu đến bộ điều khiển PLC để thông báo vị trí
hiện thời của piston đẩy phôi trên màn hình giám sát.
- Xylanh quay: loại xylanh này có hành trình điều khiển là một cung tròn, phạm vi
hoạt động là từ 0
o
-180
o
. Trên tay quay có gắn cơ cấu hút chân không để đa phôi từ
trạm phân phối sang trạm kiểm tra.
- Công tắc hành trình: đây là loại công tắc hành trình sử dụng tiếp xúc cơ khí. Hai
công tắc hành trình đợc gắn trên hai đầu giới hạn của xylanh quay để phát hiện vị
trí giới hạn bên trái (0
o
) và vị trí giới hạn bên phải (180
o
). Tín hiệu từ hai công tắc
hành trình này cũng gửi đến bộ điều khiển PLC để thông báo vị trí hiện thời của xylanh
quay trên màn hình giám sát.
- Bộ lọc khí và điều áp: không khí lấy từ máy nén khí trớc khi đợc phân phối để
điều khiển các thiết bị cần phải đợc đi qua bộ lọc khí để tách hơi nớc và đảm bảo
dòng khí sạch không có bụi bẩn làm ảnh hởng đến quá trình điều khiển cũng nh
tuổi thọ của các thiết bị trong hệ thống. Trên bộ lọc khí còn bố trí van điều áp để có
thể điều chỉnh áp suất dòng khí đa vào hệ thống, tránh hiện tợng áp suất tăng quá
cao ảnh hởng đến quá trình làm việc.

Hình 1.3. Bộ lọc khí và điều á
p

- Cụm van điều khiển: để phân phối dòng khí đến các cơ cấu chấp hành cần phải có
các van điều khiển. Loại van đợc sử dụng là van điện từ đợc điều khiển bằng
PLC. Các van này đợc bố trí thành cụm dùng chung đờng cấp khí vào để nhỏ hoá
thiết bị.








Hình 1.4. Cụm van điều khiển
Hình 1.5. Bộ
p
hân
p

h
ố
i điện
- Bộ phân phối điện: có nhiệm vụ cung cấp nguồn nuôi, tín hiệu điều khiển, tín hiệu
đo lờng cho cảm biến và các cơ cấu chấp hành có trên trạm.
- Van tiết lu: dòng khí nén trớc khi đến các cơ cấu chấp hành cần phải qua van tiết
lu để điều chỉnh lu lợng của dòng khí theo yêu cầu, qua đó điều khiển tốc độ
dịch chuyển của cơ cấu chấp hành.
Quá trình hoạt động của trạm phân phối phôi nh sau: phôi từ ống tích phối sau
khi đợc cảm biến quang học phát hiện sẽ đợc piston tác động 2 phía đẩy đến vị trí
phía trớc. Phôi đợc hút chặt bằng lực hút chân không và sau đó đợc xylanh quay
chuyển sang trạm kiểm tra và nhả phôi. Xylanh quay sau đó sẽ trở về vị trí ban đầu để
lấy phôi tiếp theo và tiếp tục chu trình hoạt động cho đến khi hết phôi trong ống tích
phôi.
4.3.3. Trạm kiểm tra phôi










Với nhiệm vụ kiểm tra chất lợng của phôi (vật liệu và kích thớc của phôi) để
loại bỏ những phôi không đủ yêu cầu kỹ thuật và chỉ vận chuyển những phôi đạt yêu cầu
đến trạm băng tải để mang đi lắp ráp thì trên trạm kiểm tra cũng có các thiết bị nh của
trạm phân phối phôi là: bộ lọc khí và điều áp, bộ phân phối điện, cụm van phân phối.
Ngoài ra trên trạm còn có các thiết bị sau:

Hình 1.6 : Trạm kiểm tra
p
hôi
- Cảm biến tiếp cận điện dung: khi phôi đợc chuyển từ trạm phân phối sang trạm
kiểm tra, sự có mặt của phôi sẽ đợc nhận biết bởi cảm biến tiếp cận điện dung. Tín
hiệu nhận biết từ cảm biến đợc gửi tới bộ điều khiển PLC và là cơ sở để bộ điều khiển
thực hiện quá trình điều khiển.
- Cảm biến cảm ứng điện từ xác định vị trí của trục piston: đây là loại công tắc hành
trình không dùng tiếp xúc cơ khí và hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ.
Hai công tắc hành trình loại này đợc sử dụng để phát hiện vị trí giới hạn trên và dới
của piston nâng phôi đồng thời gửi tín hiệu đến bộ điều khiển PLC để thông báo vị trí
hiện thời của piston nâng phôi trên màn hình giám sát.
- Cảm biến tiếp cận điện cảm: đợc sử dụng để phát hiện chủng loại vật liệu của phôi
(là kim loại hay phi kim). Nếu phôi là kim loại, cảm biến tiếp cận điện cảm sẽ phát
hiện và gửi về bộ điều khiển PLC tín hiệu lôgíc 1. Nếu phôi là phi kim, cảm biến tiếp
cận điện cảm sẽ phát hiện và gửi về bộ điều khiển PLC tín hiệu lôgíc 0.
Hình 1.7. Cảm biến
q
uan
g
học
- Cảm biến tiếp cận quang học: có nhiệm vụ phát hiện màu sắc của phôi là sáng hay
tối. Cảm biến này sử dụng nguyên lý phản xạ và hấp thụ ánh sáng của phôi.

Hình1.8: Bộ kiểm tra chiề
cao phôi

u
- Bộ kiểm tra chiều cao phôi: chiều cao của phôi đợc đo và chuyển đổi thành giá trị
điện áp. Giá trị điện áp này đợc so sánh với một điện áp chuẩn đặt trớc. Nếu nhỏ
hơn giá trị điện áp chuẩn tức là chi tiết không đủ chiều cao tiêu chuẩn, bị coi là phế
phẩm và sẽ bị trạm kiểm tra phôi loại bỏ.
- Xylanh đẩy phôi : Nếu phôi đạt yêu cầu, xylanh này sẽ đẩy phôi vào "máng dẫn
phôi sang trạm băng tải". Nếu phôi không đạt yêu cầu, xylanh này sẽ đẩy phôi vào
"máng chứa phôi không đạt tiêu chuẩn".
- Xylanh nâng phôi: xylanh này có nhiệm vụ nâng và hạ phôi. Trên xylanh nâng
phôi có gắn hai cảm biến cảm ứng điện từ ký hiệu là 1B1 và 1B2 để xác định vị trí
của trục piston. Hai cảm biến này sau khi phát hiện đợc vị trí giới hạn trên và dới
của piston nâng phôi sẽ gửi tín hiệu thông báo đến bộ điều khiển PLC. Bộ điều khiển sẽ
xử lý các tín hiệu đo lờng này theo chơng trình và đa ra tín hiệu điều khiển tới hai van
điện từ để điều khiển xylanh nâng hoặc hạ phôi.
- Máng chứa phôi không đạt tiêu chuẩn: máng chứa phôi này có chức năng chứa
những phôi không đạt tiêu chuẩn về chiều cao hoặc/và vật liệu. Khi phôi đợc
chuyển đến từ trạm phân phối, cảm biến tiếp cận điện cảm và cảm biến tiếp cận
quang học sẽ kiểm tra vật liệu và màu sắc của phôi. Nếu nh phôi không đạt những
điều kiện đặt ra nh phải là kim loại và có màu trắng, piston đẩy sẽ đẩy phôi vào
rãnh này. Nếu đạt yêu cầu, xylanh nâng phôi sẽ đa phôi lên vị trí giới hạn trên để
tiếp tục kiểm tra chiều cao của phôi bằng bộ kiểm tra chiều cao phôi. Nếu phôi đạt
chiều cao yêu cầu, phôi sẽ đợc chuyển tiếp sang trạm băng tải. Ngợc lại, phôi sẽ
đợc xylanh nâng phôi đ
a xuống vị trí giới hạn dới và bị xylanh đẩy phôi chuyển
vào máng chứa phôi không đạt tiêu chuẩn.
- Máng dẫn phôi sang trạm băng tải: sau khi kiểm tra, nếu phôi đạt tất cả các yêu cầu
thì sẽ đợc xylanh đẩy phôi chuyển vào máng dẫn phôi này. Dọc theo chiều dài của

máng dẫn phôi này có bố trí một hệ thống các ống khí nhỏ tạo thành lớp đệm không
khí. Vì máng đợc đặt nghiêng nên dới tác dụng của lớp đệm không khí và trọng
lực, phôi sẽ trợt trên máng sang trạm băng tải.








Quá trình hoạt động của trạm kiểm tra phôi nh sau: Khi phôi đợc chuyển đến
từ trạm phân phối, các cảm biến tiếp cận điện cảm, cảm biến tiếp cận quang học và bộ
kiểm tra chiều cao phôi sẽ kiểm tra vật liệu, màu sắc của phôi và kích thớc của phôi.
Nếu phôi đạt yêu cầu, cụm xylanh nâng phôi, xylanh đẩy phôi và máng dẫn phôi sẽ
chuyển phôi sang trạm băng tải. Nếu không đạt yêu cầu, phôi sẽ bị loại bỏ nh đã trình
bày ở trên. Sau khi đã chuyển phôi sang trạm băng tải, cụm xylanh nâng phôi và xy
lanh đẩy phôi sẽ trở về vị trí ban đầu là vị trí giới hạn dới để tiếp tục nhận phôi từ
trạm phân phối.
Hình 1.9: Máng chứa phôi
không đạt tiêu chuẩn
Hình 1.10: Máng dẫn phôi
sang trạm băng tải
4.3.4. Trạm băng tải (băng chuyền)
Trạm băng chuyền chịu trách nhiệm vận
chuyển các phôi và sản phẩm trong hệ thống. Trạm
băng tải đợc truyền động bằng 4 động cơ một
chiều nên có thể thay đổi đợc tốc độ vận chuyển
phôi và sản phẩm. Trên trạm băng tải có bố trí 6 giá
mang phôi để chứa phôi. Nhiệm vụ đặt ra là cần

điều khiển băng tải để 6 giá mang phôi này luân
chuyển phôi một cách liên tục và đều đặn mà không
bị ùn tắc. Vấn đề này đợc giải quyết nhờ bố trí
trên băng tải một hệ thống các cảm biến quang học, cảm biến tiếp cận điện cảm và
xylanh chặn hợp lý. Các bộ cảm biến, xylanh chặn và một số cơ cấu chấp hành khác
đợc kết nối thành mạng theo cấu trúc mạng ASi và đợc đa về bộ điều khiển PLC để
xử lý. Bộ điều khiển PLC thực hiện các chức năng sau: đa ra tín hiệu điều khiển động
cơ để điều chỉnh tốc độ vận chuyển của băng tải; thu thập số liệu từ các cảm biến
quang học, cảm biến tiếp cận điện cảm qua mạng ASi để nhận biết vị trí của từng giá
Hình 1.11: Trạm băng tải
mang phôi; dựa trên vị trí của các giá mang phôi, PLC đa ra tín hiệu điều khiển các
xylanh chốt chặn tơng ứng để cho phép hoặc không cho phép các giá mang phôi này
chuyển động. Nguyên tắc điều khiển là: theo chiều chuyển động của băng tải, giá
mang phôi đứng ở phía trớc chuyển động qua vị trí của xylanh chốt chặn thì giá mang
phôi đứng ở vị trí tiếp theo sau mới đợc phép chuyển động qua vị trí của xylanh chốt
chặn. Trong trạm băng tải, các cảm biến quang có tác dụng nhận biết sự tồn tại hay
không của phôi trên giá mang phôi. Nếu đã có phôi, giá mang phôi sẽ không nhận
thêm phôi nữa và ngợc lại. Vì các giá mang phôi làm bằng kim loại nên các cảm biến
tiếp cận điện cảm có tác dụng nhận biệt vị trí của chúng.
Trong hệ thống FMS-50, trạm băng tải đóng vai trò trung tâm và có chức năng
liên kết các trạm với nhau thông qua các tín hiệu vào/ra trực tiếp giữa các trạm với
nhau và giữa các trạm với băng tải.
4.3.5. Trạm robot lắp ráp sản phẩm
Trạm Robot có nhiệm vụ lắp ráp các chi tiết thành sản phẩm hoàn chỉnh. Quá
trình lắp ráp sản phẩm mà trạm robot thực hiện mô phỏng cho một quá trình lắp ráp
động cơ điện trong công nghiệp. Các chi tiết cần lắp ráp gồm có:
Phôi đợc băng tải đa đến từ trạm kiểm tra; Phôi đóng vai trò nh vỏ bọc
bên ngoài của động cơ điện. Có 3 dạng phôi khác nhau là: phôi bằng nhựa
màu đỏ; phôi bằng nhựa màu đen; phôi bằng nhôm màu trắng.
Lò xo đóng vai trò nh stator của động cơ điện.

Trục đóng vai trò nh rotor của động cơ điện. Có hai dạng trục khác nhau về
đờng kính: trục đờng kính lớn phải đợc lắp cho phôi bằng nhựa màu đỏ
và phôi bằng nhôm màu trắng; trục đờng kính nhỏ phải đợc lắp cho phôi
bằng nhựa màu đen.
Nắp đậy đóng vai trò nh vỏ đậy phía trên của động cơ điện. Nắp đậy và
phôi đợc gắn kết với nhau nhờ chốt xoay ngợc chiều kim đồng hồ.
Để có thể lắp ráp chính xác các chi tiết, Ngoài các thiết bị nh bộ lọc khí và
điều áp, bộ phân phối điện thì trạm robot còn sử dụng các thiết bị cảm biến, điều khiển
và chấp hành sau:
Cơ cấu chấp hành chính là một Robot 6 bậc tự do của hãng Mitsubisi. Ngoài ra
còn có các cụm xylanh-piston làm nhiệm vụ cung cấp chi tiết (lò xo và nắp đậy)
từ các máng chứa.
Bộ điều khiển chính của trạm là bộ điều khiển robot nh ở hình 1.12. Ngoài ra
còn có các van khí nén điện từ để điều khiển các cụm xylanh-piston.
Hình 1.12: Bộ điều khiển Robot
Hình 1.13: Trạm Rôbốt lắ
p
rá
p
Các bộ cảm biến đợc sử dụng trên trạm gồm có: cảm biến tiếp cận quang học
để phân biệt màu sắc của phôi và xác định có còn các chi tiết (lò xo và nắp đậy)
trong các máng chứa hay không; cảm biến tiếp cận điện cảm để xác định chủng
loại vật liệu làm phôi; cảm biến cảm ứng điện từ để xác định vị trí của các trục
piston.


Các bớc lắp ráp chi tiết thành sản phẩm hoàn chỉnh nh sau:
Khi cảm biến quang đặt trên băng tải phát hiện có tồn tại phôi trên giá mang
phôi, xylanh chốt chặn sẽ đợc tác động để giữ chặt giá mang phôi và robot
tiến hành gắp phôi từ trên băng tải và đa đến vị trí lắp ráp.

Cảm biến tiếp cận quang học và cảm biến tiếp cận điện cảm đặt tại vị trí lắp
ráp sẽ xác định chính xác loại phôi để lựa chọn trục động cơ phù hợp. Trục
đờng kính lớn phải đợc lắp cho phôi bằng nhựa màu đỏ và phôi bằng
nhôm màu trắng; trục đờng kính nhỏ phải đợc lắp cho phôi bằng nhựa
màu đen. Robot sẽ gắp trục động cơ và lắp chính xác vào vị trí đồng tâm bên
trong của phôi.
Sau khi xylanh cung cấp lò xo đẩy một lò xo vào vị trí định trớc, robot tiến
hành gắp và lắp ráp chính xác lò xo vào vị trí đồng tâm bên trong của phôi
nhng bên ngoài của trục động cơ.
Sau khi xylanh cung cấp nắp đậy đẩy một nắp đậy vào vị trí định trớc, robot
tiến hành gắp và lắp ráp chính xác nắp đậy vào phôi. Sản phẩm đợc lắp ráp
hoàn chỉnh.
Cuối cùng robot tiến hành gắp sản phẩm từ vị trí lắp ráp và chuyển đến giá
mang phôi nằm trên trạm băng tải. Khi cảm biến quang đặt trên băng tải
phát hiện có tồn tại phôi trên giá mang phôi, xylanh chốt chặn sẽ nhả ra để
giá mang phôi tiếp tục chuyển động đến trạm tiếp theo. Sau đó robot sẽ
chuyển động về vị trí ban đầu và kết thúc một chu trình lắp ráp.
4.3.6. Trạm lấy sản phẩm










Trạm lấy sản phẩm có nhiệm vụ chuyển các sản phẩm đã đợc lắp ráp hoàn
thiện từ các giá mang phôi trên băng tải đến trạm phân loại sản phẩm. Trên trạm lấy

sản phẩm cũng có các thiết bị nh của các trạm khác là: bộ lọc khí và điều áp, bộ phân
phối điện, cụm van phân phối. Ngoài ra trên trạm còn có các thiết bị đo lờng, điều
khiển và chấp hành sau:
Hình 1.14: Trạm lấ
y
sản
p
hẩm
- Tay kẹp sản phẩm: Đợc gắn trên đầu trục của xylanh-piston gắp sản phẩm có
nhiệm vụ gắp sản phẩm từ các giá mang phôi đặt trên băng tải và thả sản phẩm tại
một vị trí định trớc trên trạm phân loại. Trên tay kẹp sản phẩm có đặt một cảm
biến quang để phát hiện sự tồn tại của sản phẩm.
- Xylanh - piston gắp sản phẩm: Cơ cấu chấp hành này nhận tín
hiệu điều khiển từ bộ điều khiển PLC để gắp sản phẩm từ các
giá mang phôi và thả sản phẩm xuống trạm phân loại. Tốc độ
dịch chuyển của trục piston có thể điều chỉnh đợc nhờ sử dụng
các van tiết lu điều chỉnh lu lợng dòng khí. Hành trình lên
xuống có thể điều chỉnh đợc nhờ việc thay đổi vị trí của hai
cảm biến cảm ứng điện từ xác định vị trí của trục piston.
Hình 1.15: Ta
y
kẹ
p
- Cảm biến cảm ứng điện từ xác định vị trí của trục piston: đây là loại công tắc
hành trình không dùng tiếp xúc cơ khí và hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng
điện từ. Hai công tắc hành trình loại này đợc sử dụng để phát hiện vị trí giới hạn
trên và dới của piston gắp sản phẩm. Hai công tắc hành trình khác đợc sử dụng
để phát hiện vị trí giới hạn trái và phải của piston chuyển sản phẩm. Các tín hiệu từ
các công tắc hành trình này đợc gửi đến bộ điều khiển PLC để thông báo vị trí
hiện thời của piston gắp sản phẩm và piston chuyển sản phẩm trên màn hình giám

sát.
- Xylanh - piston chuyển sản phẩm: Cơ cấu chấp hành
này có nhiệm vụ đa cả xylanh-piston gắp sản phẩm và
sản phẩm đến trạm phân loại. Tốc độ dịch chuyển của
trục piston có thể điều chỉnh đợc nhờ sử dụng các van
tiết lu điều chỉnh lu lợng dòng khí. Hành trình sang
phải và sang trái cũng có thể điều chỉnh đợc nhờ việc
thay đổi vị trí của hai cảm biến cảm ứng điện từ xác
định vị trí của trục piston.
Hình 1.16: Xylanh-piston
chuyển sản phẩm
- Cảm biến tiếp cận quang học: có nhiệm vụ phát hiện
màu sắc của sản phẩm là sáng hay tối. Cảm biến này sử
dụng nguyên lý phản xạ và hấp thụ ánh sáng của sản
phẩm.

Quá trình hoạt động của trạm lấy sản phẩm nh sau: Khi sản phẩm đợc chuyển
đến từ trạm băng tải, cảm biến quang đặt trên trạm băng tải sẽ phát hiện có tồn tại sản
phẩm trên giá mang phôi, xylanh chốt chặn sẽ đợc tác động để giữ chặt giá mang
phôi. Bộ PLC sẽ điều khiển xylanh-piston đi xuống gắp sản phẩm và đi lên sau khi đã
gắp xong. Sau đó PLC sẽ điều khiển "xylanh-piston chuyển sản phẩm" đi sang phải đến
vị trí của trạm phân loại sản phẩm. "Xylanh-piston gắp sản phẩm" sẽ đi xuống để thả
sản phẩm và đi lên sau khi đã thả xong. Kết thúc chu trình, cả "xylanh-piston gắp sản
phẩm" và xylanh-piston chuyển sản phẩm" trở về vị trí ban đầu.
4.3.7. Trạm phân loại sản phẩm

Trạm phân loại sản phẩm là trạm cuối cùng trong hệ thống sản xuất linh hoạt
FMS-50. Trạm này thực hiện nhiệm vụ phân loại sản phẩm dựa vào sự khác biệt về
màu sắc và vật liệu của sản phẩm. Trong thực tế, các hệ thống với chức năng nh của
trạm phân loại sản phẩm đợc sử dụng rất nhiều trong công nghiệp. Trên trạm phân
Hình 1.17: Trạm
p
hân loại sản
p
hẩm
loại sản phẩm cũng có các thiết bị nh của các trạm khác là: bộ lọc khí và điều áp, bộ
phân phối điện, cụm van phân phối. Ngoài ra trên trạm còn có các thiết bị đo lờng,
điều khiển và chấp hành sau:
- Máng chứa sản phẩm: Ba loại sản phẩm khác nhau
sau khi đợc phân loại sẽ đợc chứa trong ba máng
dạng này.
Hình 1.18: Mán
g
chứa
p
hôi
- Cảm biến tiếp cận điện cảm: đợc sử dụng để phát
hiện chủng loại vật liệu của lớp vỏ bên ngoài sản
phẩm là kim loại hay phi kim. Cảm biến này hoạt
động theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Từ trờng biến
thiên tập trung từ lõi sắt sẽ móc vòng với đối tợng kim loại đặt đối diện với nó. Khi đối
tợng kim loại lại gần sẽ có dòng Foucault cảm ứng trên mặt đối tợng tạo nên một tải

làm giảm biên độ tín hiệu dao động. Bộ phát hiện có chức năng phát hiện sự thay đổi này
và chuyển đổi thành tín hiệu dạng xung vuông. Nếu đối tợng nằm trong giới hạn cảm
nhận của cảm biến và bị phát hiện thì tín hiệu xung vuông đầu ra sẽ ở mức lôgíc cao
(mức 1).
- Cảm biến tiếp cận quang học: có nhiệm vụ
phát hiện màu sắc của sản phẩm là sáng hay tối.
Cảm biến này sử dụng nguyên lý phản xạ và hấp
thụ ánh sáng của sản phẩm.
- Chốt chặn: Để dừng sản phẩm trên băng tải của
trạm, cho phép các cảm biến có đủ thời gian
kiểm tra và gửi tín hiệu về bộ điều khiển PLC để
xử lý thông tin và phân loại sản phẩm.
Hình 1.19. Băn
g
tải trên trạm
- Băng tải: Bao gồm dây đai băng tải, động cơ kéo băng tải và các thiết bị dẫn
hớng. Sau khi sản phẩm đã đợc phân loại, băng tải này kết hợp với hệ xylanh-
piston và cần gạt dẫn hớng làm nhiệm vụ vận chuyển sản phẩm đến các máng
chứa sản phẩm tơng ứng.
- Hệ xylanh-piston liên kết với cần gạt dẫn
hớng: Gồm một bộ xylanh-piston và cần gạt
dẫn hớng đợc liên kết cơ khí với nhau sao
cho khi piston đi lên thì cần gạt dẫn hớng
quay đi một góc khoảng 45
o
đủ để chuyển
hớng sản phẩm vào các máng chứa sản phẩm
tơng ứng.

Hình 1.20: Hệ piston-xylanh
dẫn hớng

Hình 1.21: Kết quả phân loại sản phẩm
Quá trình hoạt động của trạm phân loại sản phẩm nh sau: Khi sản phẩm đợc
trạm lấy sản phẩm chuyển đến, một cảm biến tiếp cận quang học đặt trên trạm phân
loại sẽ phát hiện có tồn tại sản phẩm và gửi tín hiệu thông báo về bộ điều khiển PLC.
Bộ điều khiển cho phép băng tải trên trạm hoạt động để đa sản phẩm đến vị trí đặt các
cảm biến phân loại sản phẩm. Chốt chặn sẽ đợc tác động để dừng sản phẩm trên băng
tải của trạm, cho phép các cảm biến có đủ thời gian kiểm tra và gửi tín hiệu về bộ điều
khiển PLC để xử lý thông tin và phân loại sản phẩm. Để phân loại sản phẩm sử dụng hai
cảm biến: một cảm biến tiếp cận quang học và một cảm biến tiếp cận điện cảm. Hai
cảm biến này sau khi nhận biết đợc màu sắc và vật liệu của sản phẩm sẽ gửi kết quả
về bộ PLC dới dạng các tín hiêu lôgíc 0 và 1. Kết hợp các kết quả nhận biết này cho
phép bộ điều khiển phân loại đợc ba sản phẩm khác nhau là: sản phẩm có vỏ bọc bằng
nhựa màu đỏ, sản phẩm có vỏ bọc bằng nhôm màu trắng và sản phẩm có vỏ bọc bằng
nhựa màu đen.
Cảm biến tiếp
cận quang học
Cảm biến tiếp
cận điện cảm
Kết quả phân loại
0 0 Sản phẩm có vỏ bọc bằng nhựa màu đen
0 1 Không sử dụng
1 0 Sản phẩm có vỏ bọc bằng nhựa màu đỏ
1 1 Sản phẩm có vỏ bọc bằng nhôm màu trắng



4.3.8. Các cảm biến đo lờng của hệ thống FMS-50

Trong các hệ thống đo lờng và điều khiển, mọi quá trình đều đợc đặc trng
bởi các biến thiên trạng thái nh nhiệt độ, áp suất, tốc độ, mômen, Các trạng thái
biến thiên này thờng đợc biểu diễn dới dạng các đại lợng không điện. Để điều
khiển các quá trình, cần phải thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các
biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến đợc sử dụng để thực hiện chức năng
này, chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Nh vậy, xét một cách
tổng quát thì các bộ cảm biến đợc định nghĩa là thiết bị có khả năng cảm nhận và đáp
ứng với các tín hiệu và kích thích.
Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS-50 sử dụng rất nhiều loại cảm biến khác nhau
để kiểm tra màu sắc, vật liệu, kích thớc và vị trí của phôi và sản phẩm trong hệ thống.
ắ Cảm biến tiếp cận quang học đợc sử dụng để phát hiện màu sắc của phôi và
sản phẩm đồng thời cũng đợc sử dụng để phát hiện sự có mặt của phôi và sản
phẩm. Cảm biến tiếp cận quang học sử dụng nguyên lý phản xạ và hấp thụ
ánh sáng.
ắ Cảm biến tiếp cận điện dung đợc dùng để phát hiện sự có mặt hoặc không có
mặt của phôi và sản phẩm bằng kỹ thuật cảm biến không có tiếp xúc cơ học.
ắ Cảm biến tiếp cận điện cảm đợc sử dụng để phát hiện chủng loại vật liệu của
phôi và sản phẩm là kim loại hay phi kim.
ắ Đo kích thớc (chiều cao) của phôi và sản phẩm theo nguyên lý cầu điện trở.
4.3.8.1. Cảm biến tiếp cận điện dung và điện cảm
Cảm biến tiếp cận đợc dùng để phát hiện sự có mặt hoặc không có mặt của đối
tợng bằng kỹ thuật cảm biến không có tiếp xúc cơ học. Điều này khác với các công
tắc hành trình đòi hỏi sự tiếp xúc cơ khí với đối tợng.
Các cảm biến tiếp cận sử dụng nguyên lý thay đổi điện cảm hay điện dung của
phần tử mạch điện khi có mặt hoặc không có mặt đối t
ợng. Loại cảm biến này có cấu
tạo tơng đối đơn giản nhng tầm hoạt động bị hạn chế với khoảng cách tối đa 100mm.
Các kỹ thuật tiếp cận dựa trên nguyên lý vi sóng và quang học có tầm hoạt động lớn hơn
và đợc sử dụng rộng rãi trong thực tế.
a. Cảm biến tiếp cận điện dung

Trong cảm biến tiếp cận điện dung, sự có mặt của đối tợng sẽ làm thay đổi
điện dung (C) của các bản cực. Sau đó sự thay đổi này sẽ đợc chuyển hoá thành tín
hiệu điện gửi đến bộ điều khiển để thông báo có tồn tại phôi hoặc sản phẩm hay không.
Cảm biến tiếp cận điện dung gồm có bốn bộ phận chính là:
Cảm biến (là các bản cực cách điện)
Mạch dao động
Bộ phát hiện
Mạch đầu ra
Cảm biến điện dung không đòi hỏi đối tợng phải là kim loại. Đối tợng phát hiện
có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim (thuỷ tinh, nhựa, ), vật liệu kim loại (sắt, thép, ). Tốc
độ chuyển mạch của cảm biến tơng đối nhanh, có thể phát hiện các đối tợng có kích
thớc nhỏ, phạm vi cảm nhận lớn.
Hạn chế chủ yếu của cảm biến điện dung là chịu ảnh hởng của độ ẩm và bụi
bẩn. Cảm biến điện dung có vùng cảm nhận lớn hơn vùng cảm nhận của cảm biến điện
cảm. Để bù ảnh hởng của môi trờng tới đối tợng, các cảm biến tiếp cận điện dung
thờng có một chiết áp điều chỉnh.
b. Cảm biến tiếp cận điện cảm
Cảm biến điện cảm đòi hỏi đối tợng phải là kim loại. Một bộ cảm biến tiếp cận
điện cảm gồm có 4 bộ phận chính sau (hình 1.22):
Cuộn dây và lõi ferit
Mạch dao động
Mạch phát hiện
Mạch đầu ra
Mạch dao động phát dao động điện từ tần số radio. Từ trờng biến thiên tập trung
từ lõi sắt sẽ móc vòng với đối tợng kim loại đặt đối diện với nó. Khi đối tợng lại gần
sẽ có dòng Foucault cảm ứng trên mặt đối tợng tạo nên một tải làm giảm biên độ tín
hiệu dao động. Bộ phát hiện có chức năng phát hiện sự thay đổi này và chuyển đổi
thành tín hiệu dạng xung vuông. Nếu đối tợng nằm trong giới hạn cảm nhận của cảm
biến và bị phát hiện thì tín hiệu xung vuông đầu ra sẽ ở mức lôgíc cao (mức 1). Nếu đối
tợng nằm ngoài giới hạn cảm nhận của cảm biến và không bị phát hiện thì tín hiệu

xung vuông đầu ra sẽ ở mức lôgíc thấp (mức 0).
Phạm vi cảm nhận của cảm biến tiếp cận điện cảm phụ thuộc vào những yếu tố:
Khoảng cách giữa bề mặt cảm biến và đối tợng
Kích thớc và hình dáng lõi, cuộn dây, vật liệu lõi.
Vật liệu và kích thớc đối tợng
Điều kiện điện từ xung quanh
Nhiệt độ môi trờng




M














ục tiêu
C
ảm biến
Bộ dao độn

g

Bộ
p
hát hiện
Tín hiệu đầu ra
Mục tiêu
Cảm biến
Mạch dao động
Són
g
ra
Mạch ra
ON
OFF
OFF

Mức tác độn
g
Mức nhả
Hình 1.22: Nguyên lý làm việc của cảm biến tiếp cận
4.3.8.2. Cảm biến tiếp cận quang học
Cảm biến tiếp cận quang học sử dụng một nguồn phát quang và một cảm biến
quang. Đối tợng cần phát hiện sẽ cắt chùm tia sáng làm cảm biến bị tác động. Cảm
biến này sử dụng nguyên lý phản xạ và hấp thụ ánh sáng. Trên hệ thống FMS-50 sử
dụng rất nhiều cảm biến quang để phát hiện màu sắc của phôi và sản phẩm đồng thời
cũng đợc sử dụng để phát hiện sự có mặt của phôi và sản phẩm. Các cảm biến quang
này đợc phân làm hai loại:
Cảm biến đặt đối diện với nguồn phát quang
Cảm biến đặt cùng phía với nguồn phát quang

Cảm biế
uang

n
q
ợn
g
Đối t
N
g
uồn
p
hát
q
uan
g

Hình 1.23: Cảm biến quang đặt đối diện với nguồn phát