1
TÓM TẮT:
Bài báo giới thiệu hệ thống sản xuất đơn vị
bao gồm hệ thống vận chuyển và các trạm làm
việc, hệ thống tích hợp điều khiển và giám sát, hệ
thống thực thi sản xuất. Phần cứng của hệ thống
điều khiển và giám sát được thiết kế và phát triển,
bao gồm bốn thành phần chính được nối
mạng:máy tính trung tâm, bộ điều khiển trung tâm,
bộ điều khiển trạm làm việc và panel vận hành.
ABSTRACT:
The paper introduces the unit production
system which includes the conveyor system and
workstations, the integrated control and
monitoring system, the manufacturing execution
system. The hardware of the integrated control
and monitoring system is designed and developed,
consists of four networked parts: central
controller, workstation controller, interface
module and operation panel.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Giảm thời gian chu kỳ gia công và chi phí
sản xuất, nâng cao năng suất, chất lượng và khả
năng cạnh tranh đang là những mục tiêu hàng đầu
của các doanh nghiệp, trong đó có các doanh
nghiệp ngành may. Ngành may sản xuất theo dây
chuyền. Do độ phức tạp của sản phẩm, rất khó đạt
được chuyền thực sự cân đối với phương pháp điều
hành sản xuất thủ công. Vì vậy việc bố trí phân
công cho 40 – 50 công nhân không hợp lý sẽ dẫn
tới năng suất chuyền may thấp. Mặt khác trong các
chuyền may thủ công hiện nay thường thì chỉ
khoảng 20 % chi phí gia công là để trả cho công
việc may thực tế còn 80 % chi phí này là cho việc
vận chuyển vật tư và bán thành phẩm. Hệ thống
sản xuất đơn vị là một giải pháp cải thiện đáng kể
tình trạng này nhờ giảm thời gian vận chuyển, tăng
tính đồng bộ và khả năng linh hoạt của hệ thống,
năng suất có thể tăng đến 30 – 40 % nên có thể đạt
được những mục tiêu nói trên. Thiết kế và chế tạo
những hệ thống sản xuất đơn vị với chi phí thấp
đang là vấn đề cấp thiết nhằm đáp ứng nhu cầu của
ngành may.
2. CẤU HÌNH HỆ THỐNG SẢN XUẤT ĐƠN
VỊ
Hệ thống sản xuất đơn vị (HTSXĐV) là hệ
thống vận chuyển các chi tiết của một đơn vị sản
phẩm may từ trạm làm việc này sang trạm làm việc
khác. Toàn bộ hệ thống này được điều khiển bằng
máy tính, bao gồm hệ thống vận chuyển và các
trạm làm việc, hệ thống tích hợp điều khiển và
giám sát, hệ thống thực thi sản xuất.
Hình 1: Sơ đồ hệ thống sản xuất đơn vị gồm n
trạm làm việc.
+ Hệ thống vận chuyển thường là dạng xích tải. Số
trạm làm việc phụ thuộc vào độ phức tạp của sản
phẩm. Các chi tiết của một sản phẩm may được gắn
toàn bộ trên một móc treo chuyên dùng, có nhiều
dạng khác nhau tùy theo loại sản phẩm.
+ Hệ thống tích hợp điều khiển và giám sát gồm
phần cứng và phần mềm điều khiển.
+ Hệ thống thực thi sản xuất là một bộ phần mềm
quản lý và điều hành sản xuất chuyền may gồm
nhiều mô đun.
3. HỆ THỐNG VẬN CHUYỂN VÀ CÁC TRẠM
LÀM VIỆC
Hệ thống vận chuyển và các trạm làm việc
được thiết kế theo cấu trúc mô đun để có thể tích
hợp được dễ dàng thành một hệ thống có n trạm
phục vụ cho việc sản xuất một hoặc một số sản
phẩm may cụ thể. Nhờ vậy cũng có thể dễ dàng
thêm hoặc bớt một số trạm khi cần.
• Hệ thống vận chuyển
Hệ thống vận chuyển gồm ba thành phần chính: cụm
dẫn động, cụm căng xích và cụm dẫn hướng móc
treo. Trong quá trình hoạt động, móc treo di chuyển
dọc theo đường ray dạng ống của hệ thống này.
- Cụm dẫn động
Cụm dẫn động gồm có động cơ liên kết với
hộp giảm tốc, thông qua bộ truyền đai kéo trục dẫn
động. Trục dẫn động gắn với đĩa xích, kéo xích di
chuyển.
THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN PHẦN CỨNG TÍCH HỢP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
CHO HỆ THỐNG SẢN XUẤT ĐƠN VỊ
Phạm Ngọc Tuấn
Khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM
Máy
tính
và cơ
sở dữ
liệu
trung
t
âm
H
ệ
thống đ
i
ều khiển và giám sát
H
ệ
thống th
ự
c thi sản xuất
Hệ thống vận chuyển
ể
Sản phẩm
(đầu ra) Các chi
tiết
(đầu vào)
Trạm làm
việc 3
Trạm làm
việc 2
Trạm làm
việc 1
Trạm làm
việc n
Trạm làm
việc n-1
Trạm làm
việc 4
2
Hình 2: Cụm dẫn động.
- Cụm căng xích
Việc căng xích được thực hiện nhờ cơ cấu
vít me – đai ốc. Một đầu trục vít me được lắp với
tấm đế cố định, còn đầu kia được gắn với tấm đế di
động. Tấm đế di động mang các đỡ ổ của trục dẫn
động.
Hình 3: Cụm căng xích.
- Cụm dẫn hướng móc treo
Cụm này gồm thanh đỡ gắn cố định với xích.
Đầu trên thanh đỡ liên kết với hai trục gắn với hai
con lăn di chuyển tịnh tiến trên ray dạng chữ V.
Đầu dưới thanh đỡ liên kết với tay đẩy, làm nhiệm
vụ đưa móc treo di chuyển dọc theo chuyền chính.
M6
M8
Ø8H8/h7
Hình 4: Cụm dẫn hướng móc treo.
- Móc treo
Cấu tạo móc treo được thể hiện ở hình 5.
Hình 5: Móc treo.
Tay đẩy của cụm dẫn hướng móc treo tựa vào
bánh xe đưa móc treo di chuyển trên đường ray
dạng ống còn gọi là chuyền chính, mang các chi tiết
của một đơn vị sản phẩm may từ trạm làm việc này
sang trạm làm việc khác.
Ở mặt đầu của bánh xe có dán mã vạch giúp
phân biệt từng sản phẩm may.
• Các trạm làm việc
Trạm làm việc nhận móc treo từ chuyền chính,
trữ móc treo, cung cấp các chi tiết từ móc treo để
công nhân ngồi trên máy may tại trạm làm việc thực
hiện công việc được phân công.
Sau khi hoàn thành công việc, công nhân ấn nút
trên máy may, móc treo được đưa trở lại vào chuyền
chính.
Các thành phần chính của trạm làm việc được
thể hiện trên hình 6.
rục dẫn
động
Động c
ơ
Hộp giảm t
ố
c
Bộ truy
ề
n đai
Xích
Cơ c
ấ
u vít me
–
đ
a
i
c
Đĩa xích Xích
T
ấ
m đ
ế
cố định
T
ấ
m đ
ế
di
động
Trục dẫn
động
Thân móc
Ổ
bi Bánh xe
T
hanh giữ
thân móc
Bu lông
V
òng chặn
C
h
ố
t giữ sản ph
ẩ
m
V
ít
C
h
ố
t ch
ê
m
N
ắ
p móc
Đ
a
i
ố
c
C
on
lăn
Ray
Tay đ
y
Thanh đ
ỡ
X
ích
3
80
Hình 6: Trạm làm việc.
Chức năng của một số cơ cấu chính như sau:
- Panel vận hành: dùng để nhập mã số công
nhân vào đầu ca làm việc.
- Bộ xy lanh 1 đóng: móc treo từ chuyền
chính đi vào trạm làm việc.
- Các cảm biến Half và Full: giám sát tình
trạng dự trữ móc treo.
- Bộ xy lanh 2 mở: móc treo đi xuống vị trí
thấp nhất để công nhân thao tác may.
- Công nhân ấn nút bấm trên máy may: hệ
thống băng tải đưa móc treo lên phía trên, tác động
vào cảm biến Ready, kích hoạt thiết bị đọc MSMT.
Thiết bị đọc MSMT chuyển MSMT về máy tính,
máy tính xử lý thông tin, xác định trạm cần đến và
tác động vào bộ xy lanh 3 đưa móc treo vào
chuyền chính để đi tới trạm cần đến.
Hình 7: Móc treo đang ra khỏi trạm làm việc.
• Một số đặc tính kỹ thuật của HTSXĐV
- Số trạm: n.
- Kích thước bao: Rộng x Cao = 4,5 x 2,3 m.
- Khoảng cách hai trạm: 1,8 m.
- Động cơ truyền động chính: 1 HP, 220 V.
- Máy nén khí 2 HP, 3 P, 380 V.
- Máy tính cấu hình Pentium IV, 1,4 GHz, HDD
40 GB trở lên.
- Cứ 6 trạm có 1 vòi xịt khí nén để làm vệ sinh.
- Khoảng cách giữa hai tay đẩy móc treo: 496 mm.
- Tốc độ xích tải: 33 tay đẩy/phút.
- Lưu lượng của hệ thống: 1980 móc treo/giờ.
- Mỗi trạm làm việc có:
! Động cơ kéo băng tải: 25W, 220 V.
! 25 móc treo, có mã số được mã hóa dạng
mã vạch.
! 1 thiết bị đọc mã vạch.
! Panel thao tác với màn hình LCD.
! 1 nút ấn trên máy may.
! 1 ổ cắm điện chuẩn công nghiệp.
• Một số hình ảnh của HTSXĐV
Cảm bi
ế
n
Half
Cảm biến Full
Bộ xy
lanh 2
C
ảm bi
ế
n
Ready
Bộ xy
lanh 3
Thi
ế
t bị đọc MSMT
Bộ xy
lanh 1
Panel vận h
à
nh
Hệ th
ố
ng bă
n
g tải
Nút b
ấ
m trên máy ma
y
H
ình 8: Chuy
ề
n chính.
H
ình 9: Chuy
ề
n
chính và tr
ạ
m làm vi
ệ
c.
4
4. PHẦN CỨNG TÍCH HỢP ĐIỀU KHIỂN VÀ
GIÁM SÁT
Hệ thống sản xuất đơn vị đựơc lắp đặt theo
kiểu môđun có thể gồm n trạm làm việc. Các bán
thành phẩm được vận chuyển tự động từ trạm làm
việc này đến trạm làm việc khác theo quy trình sản
xuất đã được lập trình sẵn trên máy tính.
Cấu hình tổng quát của hệ thống điều khiển
và giám sát được thể hiện trên hình 13.
Hình 13: Cấu hình tổng quát của hệ thống điều
khiển và giám sát.
a. Phần mềm điều khiển và giám sát
- Được lập trình để tạo ra các công cụ điều khiển và
giám sát .
- Các công cụ điều khiển và giám sát bao gồm nhiều
nhóm chức năng được liên kết với nhau một cách
linh hoạt.
- Sử dụng nguồn dữ liệu dùng chung.
b. Máy tính trung tâm
Máy tính trung tâm thu thập, xử lý, lưu trữ số
liệu của quá trình sản xuất như: mã hàng, kích cỡ,
năng suất tiến độ và ngườI thực hiện các công đoạn ;
cũng như tình trạng các trạm làm việc và thiết bị ở
các trạm để điều phối và giám sát các quá trình.
Bộ điều
khiển trạm
làm việc 2
Panel vận
h
ành
Bộ điều khiển trung tâm
Bộ điều
khiển trạm
làm việc 1
Panel vận
h
ành
Bộ điều
khiển trạm
làm việc n-1
Panel vận
hành
Bộ điều
khiển trạm
làm việc n
Panel vận
hành
Máy tính trung
tâm
Phần mềm
điều khiển
và giám sát
H
ình 14: Máy tính trung tâm.
Hình 11: Móc treo đang vào trạm làm việc.
Hình 12: Công nhân đang thao tác tại trạm
làm việc.
Hình 10: Tr
ạ
m làm vi
ệ
c.
5
c. Bộ điều khiển trung tâm
Thực hiện nhiệm vụ liên kết các trạm làm
việc với máy tính trung tâm và đồng bộ hóa dữ liệu
giữa các trạm làm việc với máy tính trung tâm.
Bộ điều khiển trung tâm sử dụng hai cổng
COM thực hiện việc nhận và truyền tín hiệu điều
khiển hệ thống.
Chức năng cụ thể của các cổng như sau:
COM1 : tín hiệu từ COM1 qua IC U4, chuyển đổi
logic của RS232 thành tín hiệu có mức logic TTL,
từ tín hiệu TTL được các IC U6 và U8 chuyển
thành tín hiệu RS485 đưa vào BUS chung đến các
trạm làm việc.
HTSXĐV có khoảng cách truyền tín hiệu khá
dài, chuẩn RS232 không cho phép thực hiện, nên
cần chuyển sang tín hiệu RS485. Đây là chuẩn
được sử dụng trong công nghiệp.
COM2 : truyền tín hiệu điều khiển động cơ truyền
động chính và giám sát vị trí các tay đẩy.
d. Bộ điều khiển trạm làm việc
Trên mỗi trạm có hai cảm biến báo tình trạng
dự trữ móc treo (nửa mức dự trữ – Half và đầy -
Full), một cảm biến Ready và một thiết bị đọc mã
số móc treo (MSMT).
Bộ điều khiển trạm làm việc gồm hai thành
phần chính: bộ xử lý hỗ trợ U2 và bộ xử lý chính
U1.
Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển trạm làm việc thể
hiện trên hình 16.
Bộ điều khiển này có chức năng điều khiển các
cơ cấu tác động trên trạm (bộ xy lanh 1, bộ xy lanh
3, thiết bị đọc mã số móc treo) và xử lý dữ liệu từ
RST
BUS4
JS5
SENSOR2
1
2
3
1
2
3
U4
MAX232
13
8
11
10
1
3
4
5
2
6
12
9
14
7
16
15
R1IN
R2IN
T1IN
T2IN
C1+
C1-
C2+
C2-
V+
V-
R1OUT
R2OUT
T1OUT
T2OU T
VCC
GND
C5
C8
U6
75176
1
2 7
63
4
R
RE B
ADE
D
INT1
TXD3
D4
VCC
RTS1
C5
TXD1
D3
R2
C17
RST
D2
GND
R1
D1
P3.5
C7
R4
C3
VCC
+12V
BUS4
BUS1
DTRCOM1
BUS2
RTS1C4
Q1
BC140-10
3
2
1
INT2
VCC
C6
C12
C5
RXD3
BUS1
R3
+12V
RE7
R7
C3
TXD2
X2
R6
J1
CON2
1
2
OUT1
JS1
COM1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
R9
R
R10
R
D5
LED
J2
CON4
1
2
3
4
C2
RXD1
VCC
RTS2
C2
C4
BUS2
RE6
TU 104
JS4
BUS2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
INT1
RXD2 P3.4
RXD1
TXD2
RTSCOM2
BUS3
VCC
JS6
SENSOR1
1
2
3
1
2
3
C7
U8
75176
1
2 7
63
4
R
RE B
ADE
D
+12V
OUT2
RXD2
RTSCOM2
TXD1
GND
U7
MAX232
13
8
11
10
1
3
4
5
2
6
12
9
14
7
16
15
R1IN
R2IN
T1IN
T2IN
C1+
C1-
C2+
C2-
V+
V-
R1OUT
R2OUT
T1OU T
T2OUT
VCC
GND
C9
C2
GND
C14
DTRCOM1
C16
V+
C1
JS3
COM2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
X1
INT2
C19 C4
GND
OUT2C1
INT2
V-
P3.7
VCC
GND
OUT2
P3.7
RTS2
GND
TU 104
+12V
R5
C6
C8
GND
C11
U9
NOT
12
C1
C8
Y1
JS2
BUS1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
DC
GND
C18
RTS2
INT1
C15
BUS3
V+
OUT1
V-
C10
C3
OUT1
RE7
VCC
TXD3
DC
VCC
X2
+12V
RTS2
RTS2
U5
AT89C2051
1
12
13
14
15
16
17
18
19
20
2
3
6
7
8
9
11
5
4
RST/VPP
P1.0/AIN0
P1.1/AIN1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
VCC
P3.0/RXD
P3.1/TXD
P3.2/INTO
P3.3/INT1
P3.4/T0
P3.5/T1
P3.7
XTAL1
XTAL2
C7
RXD3
C13
R8
R
D6
LED
C6
X1
RE6
Hình 15: Bộ điều khiển trung tâm.
Cảm
biến
Half
Bộ xy
lanh 3
Bộ xy
lanh 1
Cảm
biến
Ready
Cảm
biến
Full
Bộ xử lý
chính U1
Bộ xử lý
hỗ trợ
U2
RS-485 / TTL
Hình 16: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển trạm làm việc.