LỜI NÓI ĐẦU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT TRẠM KIỂM TRA VÀ VẬN CHUYỂN QUA MẠNG INTERNET BẰNG MQTT

Xu hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng được phát triển một cách mạnh mẽ, minh chứng cho điều đó là hàng loạt các khu công nghiệp, nhà máy đã áp dụng các công nghệ, máy móc hiện đại vào để sản xuất sản phẩm hàng loạt và chất lượng sản phẩm không ngừng được nâng cao. Không dừng lại ở đó, khi vấn đề được đặt ra là liệu có thể giám sát cũng như điều khiển các thiết bị nhà máy từ xa để tiết kiệm thời gian, tiết kiệm nhân lực, đảm bảo an toàn với một số dây chuyền sản xuất có chứa các thành phần tác động xấu đến sức khỏe, tính mạng con người? Đó cũng là vấn đề được quan tâm nhiều ở thời đại 4.0.

Hiện nay có rất nhiều phương án để giải quyết vấn đề trên và nhóm chúng em quyết định sử dụng PLC (Programmable Logic Controller) của hãng Siemens cùng với giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) từ broker (server) HiveMQ để nghiên cứu phát triển việc giám sát, điều khiển một số thiết bị nhà máy từ xa bằng máy tính, điện thoại thông minh qua mạng Internet.

PLC được biết đến với nhiều tính năng tự động hóa vượt trội, trong đó không thể không kể đến sự hiện diện của hãng Siemens (Đức). Được tích hợp và không ngừng cải tiến nhiều thư viện giúp cho việc tiếp cận tự động hóa của người tiêu dùng trở nên thuận tiện hơn. Đặc biệt là dòng PLC S7-1200 được hãng cho ra mắt năm 2009, dùng để thay thế dần cho S7-200, thiết kế nhỏ gọn với nhiều tính năng tiên tiến, được sử dụng trong các ứng dụng nhỏ và trung bình.

Ngoài ra, PLC S7-1200 còn tích hợp sẵn thư viện MQTT nên rất thuận tiện để phát triển các dự án liên quan đến IoT. MQTT được phát triển bởi Andy Stanford - Clark và Arlen Nipper vào cuối năm 1999. Nhiệm vụ của họ là tạo ra một giao thức sao cho sự hao phí băng thông và năng lượng là thấp nhất. Từ đó kết nối đến đường ống dẫn dầu thông qua sự kết nối giữa các vệ tinh. MQTT được chuẩn hoá và dần trở thành một trong những giao thức được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.Ngày nay có khá nhiều broker MQTT như các dịch vụ đám mây của Amazon Web Services (AWS), Google Cloud, IBM Cloud, Microsoft Azure… Bên cạnh đó cũng có nhiều broker miễn phí. Broker HiveMQ là một broker có hỗ trợ miễn phí, phù hợp với việc nghiên cứu các dự án cũng như đồ án tốt nghiệp.

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU.. 2

LỜI CẢM ƠN.. 3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN.. 4

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN.. 5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI10

1.1      Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. 10

1.2      Tổng quan, mục đích làm đề tài11

1.3      Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài12

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 13

2.1      Kiểm tra, thay thế một số chi tiết cơ khí13

2.1.1      Trạm kiểm tra. 13

2.1.2      Trạm vận chuyển. 16

2.2      Tính toán, thay thế một số thiết bị điện. 18

2.2.1      Tính toán để chọn thông số một số thiết bị điện. 18

2.2.2      Thay thế một số thiết bị điện. 20

2.3      Lựa chọn phương án cho hệ thống điều khiển. 24

2.4      PLC S7-1200. 25

2.5      Vài nét về phần mềm Tia Portal V16. 26

2.6      Giao thức MQTT và Broker HiveMQ. 27

2.6.1      Giới thiệu giao thức MQTT. 27

2.6.2      Ý nghĩa một số thuật ngữ quan trọng trong MQTT:30

2.6.3      Một số ứng dụng của MQTT. 31

2.6.4      Giới thiệu về Broker HiveMQ. 32

2.7      Node Red. 34

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG CƠ KHÍ35

3.1      Kết quả kiểm tra các trạm phần cơ khí35

3.1.1      Trạm kiểm tra 1. 35

3.1.2      Trạm kiểm tra 2. 36

3.1.3      Trạm vận chuyển 1. 37

3.1.4      Trạm vận chuyển 2. 38

3.2      Thiết kế, cải tiến, gia công một số kết cấu trạm kiểm tra. 38

3.2.1      Nguyên lí hoạt động trạm kiểm tra. 38

3.2.2      Thiết kế, cải tiến, gia công một số kết cấu cơ khí39

3.3      Thiết kế, cải tiến, điều chỉnh vị trí một số cơ cấu trên trạm vận chuyển. 41

3.3.1      Nguyên lí hoạt động trạm vận chuyển. 41

3.3.2      Thiết kế, cải tiến, gia công, điều chỉnh vị trí một số cơ cấu. 41

3.4      Quy trình tháo, lắp cụm động cơ. 42

CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN.. 43

4.1      Kết quả kiểm tra các trạm phần điện. 43

4.1.1      Trạm kiểm tra 1. 43

4.1.2      Trạm kiểm tra 2. 43

4.1.3      Trạm vận chuyển 1. 44

4.1.4      Trạm vận chuyển 2. 45

4.2      Thiết lập Input, Output cho PLC. 46

4.2.1      Trạm vận chuyển 1 và 2. 46

4.2.2      Trạm kiểm tra 1 và 2. 47

4.3      Đấu nối lại đầu DB25 theo sơ đồ chuẩn của bộ môn để đồng bộ các trạm.. 48

CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.. 49

5.1      Sơ đồ khối hệ thống và hình thức truyền dữ liệu. 49

5.2      Nâng cấp version cho PLC. 50

5.3      Thiết lập các điều kiện cho PLC kết nối với Broker MQTT bằng phần mềm Tia Portal V16. 53

5.4      Thiết kế giao diện trên Node-red. 62

5.5      Thiết kế giao diện trên điện thoại thông minh bằng phần mềm IoT MQTT Panel  67

5.6      Lưu đồ giải thuật72

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN.. 74

6.1      Kết quả. 74

6.2      Hướng phát triển. 74

 

MỤC LỤC HÌNH

Hình 2. 1: Trạm kiểm tra 1 trước khi sửa chữa. 13

Hình 2. 2: Trạm kiểm tra 2 trước khi sửa. 14

Hình 2. 3: Trạm vận chuyển 1 trước khi sửa chữa. 16

Hình 2. 4: Trạm vận chuyển 2  trước khi sửa chữa. 17

Hình 2. 5: Dây DB25 Anlixun AWM 2464. 20

Hình 2. 6: Dây mới21

Hình 2. 7: Dây cũ. 21

Hình 2. 8: Đầu DB25 cũ. 22

Hình 2. 9: Đầu DB25 mới22

Hình 2. 10: Cảm biến quang Panasonic FX-551-C2. 22

Hình 2. 11: Cầu chì QDQ CT-FB101L. 23

Hình 2. 12: CB PS45N C32. 23

Hình 2. 13: PLC S7-1200. 25

Hình 2. 14 Tia Portal V16. 26

Hình 2. 15: MQTT. 27

Hình 2. 16: Sơ đồ MQTT. 27

Hình 2. 17: HiveMQ. 32

Hình 2. 18: Tổng quan HiveMQ. 33

Hình 2. 19: Node-Red. 34

Hình 3. 1: Gá động cơ. 39

Hình 3. 2: Gá cảm biến nắp. 39

Hình 3. 3: Gá cần gạt39

Hình 3. 4: Bas cụm băng tải40

Hình 3. 5: Cố định nhôm định hình. 40

Hình 3. 6: So sánh động cơ cũ và động cơ mới40

Hình 3. 7: Cụm bas gá máng trượt41

Hình 3. 8: Quy trình tháo cụm động cơ. 42

Hình 3. 9: Quy trình lắp cụm động cơ. 42

Hình 4. 1: Machine connection cable. 48

Hình 4. 2: Panel connection cable. 48

Hình 5. 1: Sơ đồ khối hệ thống. 49

Hình 5. 2: Cách nâng cấp version cho PLC bước 2. 50

Hình 5. 3: Cách nâng cấp version cho PLC bước 3. 50

Hình 5. 4: Cách nâng cấp version cho PLC bước 4. 51

Hình 5. 5: Cách nâng cấp version cho PLC bước 5. 51

Hình 5. 6: Cách nâng cấp version cho PLC bước 6. 52

Hình 5. 7: Cách nâng cấp version cho PLC bước 7. 52

Hình 5. 8: Điều kiện PLC kết nối với MQTT bước 1. 53

Hình 5. 9: Điều kiện PLC kết nối với MQTT bước 2. 53

Hình 5. 10: Điều kiện PLC kết nối với MQTT bước 3. 54

Hình 5. 11: Điều kiện PLC kết nối với MQTT bước 4. 54

Hình 5. 12: Điều kiện PLC kết nối với MQTT bước 5. 55

Hình 5. 13: Điều kiện PLC kết nối với MQTT bước 6. 55

Hình 5. 14: Thêm thư viện MQTT (1)56

Hình 5. 15: Thêm thư viện MQTT (2)56

Hình 5. 16: Thêm thư viện MQTT (3)57

Hình 5. 17: Các tham số có trong hàm MQTT. 57

Hình 5. 18: Tạo một khối DB (1)59

Hình 5. 19: Tạo một khối DB (2)60

Hình 5. 21: Tìm IP của Broker HiveMQ. 60

Hình 5. 22: Nhập các giá trị để kết nối với Broker61

Hình 5. 23: Thiết lập user name, password cho PLC (client)61

Hình 5. 24: Thiết lập Topic. 62

Hình 5. 25: Khởi chạy Node-red. 62

Hình 5. 26: Trình duyệt Node-red. 63

Hình 5. 27: Chương trình thiết lập giao diện trạm vận chuyển. 65

Hình 5. 28: Giao diện trạm vận chuyển. 65

Hình 5. 29: Chương trình thiết lập giao diện trạm kiểm tra. 66

Hình 5. 30: Giao diện trạm kiểm tra. 66

Hình 5. 31: Thiết kế giao diện trên điện thoại thông minh (1)67

Hình 5. 32: Thiết kế giao diện trên điện thoại thông minh (2)67

Hình 5. 33: Thiết kế giao diện trên điện thoại thông minh (3)68

Hình 5. 34: Thiết kế giao diện trên điện thoại thông minh (4)68

Hình 5. 35: Thiết kế giao diện trên điện thoại thông minh (5)69

Hình 5. 36: Thiết kế giao diện trên điện thoại thông minh (6)69

Hình 5. 37: Giao diện điều khiển, giám sát trạm kiểm tra trên điện thoại thông minh. 70

Hình 5. 38: Giao diện điều khiển, giám sát trạm vận chuyển trên điện thông minh. 71

Hình 5. 39: Lưu đồ giải thuật trạm kiểm tra. 72

Hình 5. 40: Lưu đồ giải thuật trạm vận chuyển. 73

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1   Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Nhóm chúng em lựa chọn đề tài cải tiến, sửa chữa, khắc phục những khuyết điểm từ đồ án của nhóm trước gồm 2 trạm kiểm tra và 2 trạm vận chuyển. Phần trọng tâm là nghiên cứu ứng dụng điều khiển các trạm từ xa bằng máy tính, điện thoại thông minh sử dụng giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) từ broker HiveMQ và PLC (Programmable Logic Controler) của hãng Siemens.

1.1.1  MQTT trên thế giới

-      Giao thức MQTT trên thế giới được cho ra mắt từ năm 1999, đến nay không ngừng phát triển mạnh mẽ trong môi trường IoT (Internet of Thing) và ứng dụng M2M (Machine-to-Machine).

-      Theo kết quả khảo sát các nhà phát triển IoT trong ấn bản năm 2018 của Eclipse Foundation đã phát hiện ra rằng giao thức được sử dụng nhiều nhất làm giải pháp IoT là MQTT với 62,61%, sau đó là giao thức HTTP với 54,10%. HTTP được phát triển vào năm 1997 trong khi MQTT được giới thiệu vào năm 1999 bởi IBM.

-      Trước khi MQTT ra đời, các ứng dụng IoT phần lớn sử dụng giao thức truyền thống như HTTP (Hypertext Transfer Protocol) để truyền tải dữ liệu. Tuy nhiên, HTTP không phù hợp cho các ứng dụng IoT có yêu cầu về khối lượng dữ liệu thấp, tốc độ truyền tải cao và tiêu thụ năng lượng thấp. Điều này đã thúc đẩy sự phát triển của MQTT.

-      Sau đó, MQTT được chuyển giao cho cộng đồng mã nguồn mở và trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp. Hiện tại, MQTT được quản lý bởi Tổ chức Eclipse Foundation và đã được phát triển thành phiên bản MQTTv5, cung cấp nhiều tính năng cải tiến so với phiên bản MQTT trước đó.

-      Sự phát triển của MQTT đã thu hút sự quan tâm và sử dụng rộng rãi trên toàn cầu. Giao thức này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm nhà thông minh, công nghiệp, nông nghiệp, y tế và năng lượng.

-      Một số công ty lớn như Amazon, Google và Microsoft đã tích hợp MQTT vào các dịch vụ cloud của mình, tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai các ứng dụng IoT dựa trên MQTT.

-      Tổ chức MQTT đã thành lập các nhóm làm việc và diễn đàn trực tuyến để khuyến khích việc phát triển và chia sẻ kiến thức về MQTT. Điều này đã đóng góp vào sự phát triển nhanh chóng và sự lan rộng của MQTT trên toàn cầu.

1.1.2  MQTT ở Việt Nam

-      MQTT đã được nhiều công ty và tổ chức ở Việt Nam áp dụng vào các dự án và sản phẩm IoT, cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả. Việc sử dụng MQTT giúp tối ưu hóa việc quản lý dữ liệu, giảm độ trễ và tiêu thụ năng lượng, đồng thời tạo điều kiện cho việc phân tích và ứng dụng dữ liệu trong thực tế.

-      Ở Việt Nam, MQTT đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và ứng dụng khác nhau. Một số ví dụ bao gồm:

+ IoT trong công nghiệp: MQTT được sử dụng trong các hệ thống tự động hóa và quản lý trong các ngành công nghiệp như sản xuất, năng lượng, giao thông và quản lý tòa nhà.

+ Nông nghiệp thông minh: MQTT được sử dụng cho việc giám sát và điều khiển các hệ thống tưới nước, cảm biến đất và môi trường, đo lường thông tin thời tiết, và quản lý nông trại.

+ Smart home và đô thị thông minh: MQTT được sử dụng để kết nối và điều khiển các thiết bị trong các hệ thống nhà thông minh và đô thị thông minh, bao gồm đèn, cửa, camera an ninh, máy lạnh và các thiết bị gia đình khác.

+ Y tế: MQTT đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và truyền tải dữ liệu từ các thiết bị y tế, hệ thống giám sát và định vị bệnh nhân trong các bệnh viện và các hệ thống chăm sóc sức khỏe thông minh.

+ Giao thông thông minh: MQTT được sử dụng trong việc quản lý và giám sát giao thông, ghi nhận và phân tích dữ liệu từ các cảm biến đo lường tình trạng đường, giao thông và xe cộ.

1.2   Tổng quan, mục đích làm đề tài

-  Với mục đích đồng bộ các thiết bị, đảm bảo tối ưu hóa các mô hình phù hợp với chương trình giảng dạy thực hành của nhà trường, đồng thời tích lũy kiến thức, kinh nghiệm trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Đây cũng được xem là phần đánh giá năng lực, rèn luyện các kỹ năng như: làm việc nhóm, tìm kiếm thông tin tài liệu qua nhiều hình thức, ứng dụng kiến thức học được từ trong sách vở ra thực tiễn,… để tạo tiền đề phát triển công việc khi ra trường.

-  Ngoài ra, mục đích đề tài bắt nhịp theo xu hướng thời đại 4.0, khi con người đang dần dần cải tiến công nghệ theo phong trào IoT (Internet of Thing). Từ cơ cấu thô sơ bằng sức người đến cơ cấu tự động hóa, không dừng lại ở đó mà còn đang hướng đến hai chữ “từ xa”. Đây cũng là mục đích quan trọng ở đề tài nghiên cứu này.

1.3   Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài

-  Thiết kế, thay thế cụm động cơ

-  Chọn cảm biến, thiết kế gá lắp đặt cảm biến, điều chỉnh vị trí gá đặt.

-  Lắp đặt hệ thống hoàn chỉnh, cứng vững.

-  Thiết kế một vài chi tiết cơ khí.

-  Thiết kế bản vẽ điện, đi lại dây điện cho trạm kiểm tra, vận chuyển.

-  Chọn cảm biến cho trạm kiểm tra, thiết kế gá cảm biến, thay thế một số cảm biến bị hư ở các trạm.

-  Thay thế dây khí nén và một số thiết bị khí nén bị hư cho các trạm.

-  Lập trình vận hành các trạm.

-  Kết nối, đưa dữ liệu từ các trạm với HiveMQ Broker.

-  Thiết kế giao diện giám sát, điều khiển bằng phần mềm Node-red trên máy tính và phần mềm IoT MQTT Panel trên điện thoại thông minh (Android).

-  Lập trình hoàn thiện hệ thống.

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1   Kiểm tra, thay thế một số chi tiết cơ khí

2.1.1  Trạm kiểm tra

Hình 2. 1: Trạm kiểm tra 1 trước khi sửa chữa

Trạm kiểm tra 1 trước khi tiến hành thay thế một số chi tiết cơ khí

Hình 2. 2: Trạm kiểm tra 2 trước khi sửa

Trạm kiểm tra 2 trước khi tiến hành thay thế một số chi tiết cơ khí

Trạng thái	Trạm kiểm tra 1	Trạm kiểm tra 2	Ghi chú
Cụm động cơ bị hỏng.	Mua mới	Mua mới
Gá cảm biến phát hiện có nắp và không nắp không phù hợp.	Thiết kế và gia công lại	Thiết kế và gia công lại
Cố định các thanh nhôm định hình chắc chắn hơn.	Gia công lại	Gia công lại	Khoan lỗ các thanh nhôm và cố định bằng trục ren.
Đồ gá cụm cần gạt chưa phù hợp.	Thiết kế và gia công lại	Thiết kế và gia công lại	Cố định trực tiếp lên cụm băng tải.
Dây khí nén bị ố vàng.	Thay thế	Thay thế
Bas trong cụm băng tải bị cong vênh.	Gia công lại	Gia công lại
Bám bụi.	Vệ sinh	Vệ sinh

 

2.1.2  Trạm vận chuyển

-     
Trạm vận chuyển 1 trước khi tiến hành chỉnh sửa một số chi tiết cơ khí

Hình 2. 3: Trạm vận chuyển 1 trước khi sửa chữa

 

Hình 2. 4: Trạm vận chuyển 2  trước khi sửa chữa

Trạm vận chuyển 2 trước khi tiến hành chỉnh sửa một số chi tiết cơ khí

Trạng thái	Trạm vận chuyển 1	Trạm vận chuyển 2	Ghi chú
Gia cố pas gá máng trượt	Gia công lại	Gia công lại
Cố định các thanh nhôm định hình chắc chắn hơn	Gia công lại	Gia công lại	Khoan lỗ các thanh nhôm và cố
Dây khí nén bị ố vàng	Gia công lại	Gia công lại
Bám bụi.	Vệ sinh	Vệ sinh

 

2.2   Tính toán, thay thế một số thiết bị điện

2.1.2   

2.2.1  Tính toán để chọn thông số một số thiết bị điện

• PLC S7-1200:

+         PLC 24VDC có lượng I/O cần thiết: 14 DI 24VDC, 10DO 24VDC (PLC S7-1200 DC/DC/RL)

+         Nguồn U= 24VDC

+         PLC gồm 10 output : I=0.007x10=0.07A;

• Trạm 4 – Trạm vận chuyển:

+         Cảm biến sợi quang Autonics BF5R-S1-N: I=0.05x2 =0.1A;

P=UxI=24x0.1=2.4W

+         Cảm biến từ SMC D-M9B: I=0.04x5=0.2A;

P=UxI= 24x0.2=4.8W

Tổng dòng điện hệ thống: 0.07+0.1+0.2=0.37A.

Tổng công suất trên hệ thống:0.37x24=8.88W và sử dụng điện áp 24VDC.

• Trạm 8 – Trạm kiểm tra

+         Động cơ: I=2.5A;

P=UxI=24x2.5=60W

+         Cảm biến sợi quang Autonics BF5R-S1-N: I=0.05x4=0.2A;

P=UxI=24x0.2=4.8W

+         Cảm biến trên cần gạt CRQ2BS10-90: I=0.07x2=0.14A;

P=UxI=24x0.14=3.36W

+         Cảm biến quang Panasonic FX-551-C2: I=0.1x1=0.1A;

P=UxI=24x0.1=2.4W

Tổng dòng điện hệ thống: 0.07+0.2+0.14+2.5+0.1=2.95A.

Tổng công suất trên hệ thống:2.95x24=70.8W và sử dụng điện áp 24VDC..

Kết luận: Chọn Nguồn 24 VDC, dòng 3A để cấp cho cả hệ thống.

2.2.2  Thay thế một số thiết bị điện

-      Thay đổi dây DB25 Altek Kabel CT-500 25G0.5 bằng dây DB25 Anlixun AWM 2464.

Hình 2. 5: Dây DB25 Anlixun AWM 2464

+ Thông số kỹ thuật dây DB25 Anlixun AWM 2454:

 

Điện áp định mức	300V
Dòng điện định mức	3A
Số lõi	25
Tiết diện lõi	0.14mm2
Cấu trúc lõi	7x0.16 (7 sợi, mỗi sợi có đường kính 0.16mm)
Chất liệu vỏ	Nhựa PVC
Đường kính vỏ	4.5mm
Tính năng đặc biệt	Sử dụng lưới đồng mạ chì đặc biệt để chống nhiễu và chống va đập, giúp bảo vệ và truyền tín hiệu một cách ổn định.

 

 

 

+ So sánh dây DB25 Altek Kabel CT-500 25G0.5 (dây cũ) với DB25 Anlixun AWM 2464 (dây mới):

Hình 2. 6: Dây mới

Hình 2. 7: Dây cũ

                                                                                  

	Dây mới	Dây cũ
Chất liệu lõi dẫn	Đồng mạ bạc	Đồng
Nhiệt độ	80 độ C	80 độ C
Vật liệu bọc ngoài	Nhựa PVC	Nhựa PVC
Đường kính vỏ ngoài	4.5mm	7.5mm
Số lõi	25 lõi	25 lõi
Tiết diện lõi	0.14mm2	0.5mm2
Cấu trúc lõi	7x0.16 (7 sợi, mỗi sợi có đường kính 0.16mm)	7x0.3 (7 sợi, mỗi sợi có đường kính 0.3mm)
Màu sắc lõi dây	25 màu	2 màu
Điện áp định mức	300V	300/500V
Dòng điện định mức	3A	7A
Lớp chống nhiễu, chống va đập	Lưới đồng mạ chì	Lớp chì mỏng

 

Ưu điểm dây mới so với dây cũ:

+ Đường kính vỏ ngoài cũng như tiết diện lõi nhỏ, dễ lắp đặt vào máng điện.

+ Lõi dây nhiều màu, dễ nhận biết và phân biệt trong quá trình lắp đặt.

+ Chất liệu lõi dây tốt.

+ Chống nhiễu, chống va đập tốt giúp bảo vệ và truyền tính hiệu một cách ổn định.

-     

Hình 2. 9: Đầu DB25 mới

Hình 2. 8: Đầu DB25 cũ

Thay đổi đầu dây DB25.   

Ưu điểm đầu DB25 mới so với đầu DB25 cũ: Dễ lắp đặt, dễ sửa chữa, hạn chế tình trạng chập mạch do đầu DB25 cũ phải hàn chì để liên kết dây với các tiếp điểm của chân ra, còn đầu DB25 mới thì có thể lắp trực tiếp lên Terminal.

-      Thay đổi cảm biến nhận biết phôi có nắp ở các trạm kiểm tra

Hình 2. 10: Cảm biến quang Panasonic FX-551-C2

Thông số kỹ thuật cảm biến quang Panasonic FX-551-C2:

 

 

Điện áp tiêu thụ	12 đến 24 VDC
Dòng điện tiêu thụ	40 mA
Dòng điện chìm tối đa	100 mA
Điện áp áp dụng	30 VDC trở xuống (giữa đầu ra và 0 V)
Đầu ra	2 chế độ D/L (kết hợp bảo vệ ngắn mạch)
Thời gian đáp ứng	FST: 60μs trở xuống, STD: 250μs trở xuống, LONG: 2ms trở xuống, U-LG: 4ms trở xuống, HYPR: 24ms trở xuống

 

Hình 2. 11: Cầu chì QDQ CT-FB101L

 Thay đổi lõi cầu chì từ 6A thành 4A

 

-      Thay đổi CB

Thông số kỹ thuật CB PS45N C32:

 

Hình 2. 12: CB PS45N C32

 

Số cục	2P
Dòng điện định mức	32A
Dòng cắt ngắn mạch	4.5kA
Đặc tính cắt	Loại C
Điện áp định mức	230/400VAC
Bề rộng cực	18mm

2.3   Lựa chọn phương án cho hệ thống điều khiển

-  Hiện nay có nhiều phương án để đáp ứng việc điều khiển, giám sát nhà máy từ xa, nhóm chúng em đưa ra 2 phương án để chọn lựa cho đề tài này là Web Server với giao thức HTTP và một Broker có sẵn trên thị trường với giao thức MQTT.

- Sau đây là sự so sánh giữa giao thức HTTP và MQTT trong IoT:

STT	Điểm so sánh	HTTP	MQTT
1	Tốc độ	Chậm hơn	Nhanh hơn (gấp 9.3 lần HTTP theo phép đo trong mạng 3G)
2	Độ phức tạp và kích thước tin nhắn	Lớn, ở định dạng ASCII	Nhỏ, là nhị phân với tiêu đề 2 Byte
3	Hình thức	Giao thức truyền siêu văn bản	Tin nhắn xếp hàng từ xa
4	Kiến trúc	Yêu cầu/Đáp ứng	Publisher/Subscriber
5	Độ phức tạp	Phức tạp hơn	Đơn giản
6	Bảo mật dữ liệu	Không, do đó HTTPS được sử dụng để cung cấp bảo mật dữ liệu	Có
8	Các cấp độ dịch vụ	1	3

 

-  Từ những dữ liệu so sánh trên, nhóm chúng em quyết định lựa chọn phương án sử dụng giao thức MQTT để áp dụng có đề tài đồ án này.

2.4   PLC S7-1200

Hình 2. 13: PLC S7-1200

- Dòng PLC Siemens S7 1200 là thiết bị tự động hóa đơn giản nhưng có độ chính xác cao và tốc độ xử lý nhanh. Nó được thiết kế dạng module nhỏ gọn, linh hoạt, phù hợp cho một loạt các ứng dụng.

- PLC S7 1200 của hãng Siemens có một giao diện truyền thông mạnh mẽ đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất của truyền thông công nghiệp và đầy đủ các tính năng công nghệ mạnh mẽ tích hợp sẵn làm cho nó trở thành một giải pháp tự động hóa hoàn chỉnh và toàn diện.

- Các thành phần của PLC S7-1200, bao gồm:

+ 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như điều khiển AC, RELAY hoặc DC phạm vi rộng

+ 2 mạch tương tự và số mở rộng ngõ vào/ra trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản phẩm

+ 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau bao gồm (module SM và SB)

+ 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP

+ Bổ sung 4 cổng Ethernet

+ Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24 VDC

-  Ứng Dụng Của PLC SIEMENS S7 1200

+ Hệ thống băng tải

+ Dây chuyền sản xuất thực phẩm

+ Dây chuyền xử lý nước thải

+ Máy móc ngành dược phẩm

+ Dây chuyền nhà máy bia, rượu, nước giải khát

+ Máy móc ngành in ấn, bao bì, ngành nhựa

…

2.5   Vài nét về phần mềm Tia Portal V16

Hình 2. 14 Tia Portal V16

- Phần mềm Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) được phát triển lần đầu vào năm 1996 bởi các kỹ sư của hãng Siemens. Đây là một đột phá lớn khi tích hợp tất cả công cụ vào trong 1 bộ phần mềm duy nhất. Từ thiết kế, thử nghiệm, vận hành và duy trì nâng cấp hệ thống tự động hóa, phần mềm TIA sẽ giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và công sức cho các kỹ sư.

- SIMATIC STEP 7 (TIA Portal) là phần mềm nổi tiếng và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Giao diện của TIA Portal được thiết kế thân thiện người sử dụng, thích hợp cho cả những người mới lẫn những người nhiều kinh nghiệm trong lập trình tự động hóa. Với phần mềm này, các bạn có thể cấu hình, lập trình, thử nghiệm và chẩn đoán tất cả các bộ điều khiển PLC cũng như các module, HMI sẵn có của Siemens một cách dễ dàng.

- Phiên bản TIA Portal V16 là phiên bản được Siemens tung ra thị trường vào cuối năm 2019. Các ngôn ngữ lập trình LAD, FBD, SCL, STL, GRAPH được hỗ trợ đầy đủ giúp kỹ sư lập trình có thể linh hoạt lựa chọn ngôn ngữ lập trình cho bộ điều khiển của hệ thống.

 

2.6   Giao thức MQTT và Broker HiveMQ

2.6.1  Giới thiệu giao thức MQTT

-     

Hình 2. 15: MQTT

MQTT viết tắt bởi cụm từ Message Queuing Telemetry Transport, có thể hiểu đây là một giao thức vận chuyển các tin nhắn được xếp hàng từ xa.

-     

Hình 2. 16: Sơ đồ MQTT

Giao thức MQTT được phát minh vào năm 1999 để sử dụng trong ngành dầu khí. Các kỹ sư cần một giao thức sử dụng băng thông tối thiểu và tốn ít pin nhất để giám sát các đường ống dầu qua vệ tinh. Ban đầu, giao thức này được gọi là Giao thức truyền thông điệp từ xa xếp hàng đợi do Dòng sản phẩm MQTT của IBM hỗ trợ giai đoạn đầu. Năm 2010, IBM đã phát hành MQTT 3.1 như một giao thức mở và miễn phí để mọi người triển khai. Sau đó, vào năm 2013, giao thức này được đệ trình lên cơ quan về thông số kỹ thuật của Tổ chức vì sự tiến bộ của các tiêu chuẩn thông tin có cấu trúc (OASIS) để duy trì. Năm 2019, OASIS phát hành MQTT phiên bản 5 được nâng cấp. Giờ đây MQTT không còn là từ viết tắt mà được coi là tên chính thức của giao thức.

-      MQTT là một giao thức nhắn tin dựa trên các tiêu chuẩn hoặc một bộ các quy tắc được sử dụng cho việc giao tiếp máy với máy (M2M). Cảm biến thông minh, thiết bị đeo trên người và các thiết bị IoT khác thường phải truyền và nhận dữ liệu qua mạng có tài nguyên và băng thông hạn chế. Các thiết bị IoT sử dụng MQTT để truyền dữ liệu vì giao thức này dễ triển khai và có thể giao tiếp dữ liệu IoT một cách hiệu quả. MQTT hỗ trợ nhắn tin giữa các thiết bị với đám mây và từ đám mây đến thiết bị theo cơ chế Publish/Subscribe. MQTT cũng lý tưởng cho các ứng dụng di động vì kích thước nhỏ, các gói dữ liệu được giảm thiểu và phân phối thông tin hiệu quả cho một hoặc nhiều người nhận (người đăng ký).

-      Các ưu điểm của MQTT:

+ Gọn nhẹ và hiệu quả: việc triển khai MQTT trên thiết bị IoT yêu cầu lượng tài nguyên tối thiểu nên thậm chí có thể sử dụng được trên các bộ vi điều khiển nhỏ. Ví dụ: một thông điệp kiểm soát MQTT tối thiểu có thể nhỏ đến hai byte dữ liệu. Tiêu đề thông điệp MQTT cũng nhỏ nên bạn có thể tối ưu hóa băng thông mạng.

+ Quy mô linh hoạt: việc triển khai MQTT yêu cầu một lượng mã tối thiểu tiêu thụ rất ít năng lượng trong các hoạt động. Giao thức này cũng có các tính năng tích hợp để hỗ trợ giao tiếp với một lượng lớn các thiết bị IoT. Do đó, ta có thể triển khai giao thức MQTT để kết nối với hàng triệu thiết bị này.

+ Độ tin cậy: nhiều thiết bị IoT kết nối qua mạng di động không đáng tin cậy với băng thông thấp và độ trễ cao. MQTT có các tính năng tích hợp giúp giảm thời gian thiết bị IoT cần để kết nối lại với đám mây. MQTT cũng xác định ba mức chất lượng dịch vụ khác nhau để đảm bảo độ tin cậy cho các trường hợp sử dụng IoT - nhiều nhất là một lần (QoS 0), ít nhất là một lần (QoS 1) và chỉ một lần (QoS 2).

+ Bảo mật: MQTT giúp các nhà phát triển dễ dàng mã hóa thông điệp và xác thực thiết bị và người dùng bằng các giao thức xác thực hiện đại, chẳng hạn như Oauth (sự ủy quyền thông qua bên thứ ba trong việc đăng nhập), TLS1.3 (giao tiếp an toàn giữa các trình duyệt web và máy chủ Server), Chứng chỉ do khách hàng quản lý, v.v.

+ Hỗ trợ tốt: một số ngôn ngữ như Python có hỗ trợ rộng rãi cho việc triển khai giao thức MQTT. Do đó, các nhà phát triển có thể nhanh chóng triển khai giao thức này mà ít cần phải viết mã trong bất kỳ loại ứng dụng nào.

-      Nguyên tắc MQTT: giao thức MQTT hoạt động trên nguyên tắc của mô hình xuất bản/đăng ký (publish/subscribe). Trong quá trình giao tiếp mạng truyền thống, máy khách (client) và máy chủ (broker) giao tiếp trực tiếp với nhau. Máy khách yêu cầu tài nguyên hoặc dữ liệu từ máy chủ, sau đó máy chủ xử lý và gửi lại một phản hồi. Tuy nhiên, MQTT sử dụng mẫu xuất bản/đăng ký để phân tách bên gửi thông điệp (publisher) khỏi bên nhận thông điệp (subscriber). Thay vào đó, một thành phần thứ ba được gọi là trình truyền tải thông điệp xử lý quá trình giao tiếp giữa nơi gửi thông điệp và nơi nhận thông điệp. Việc của trình truyền tải là lọc tất cả các thông điệp đến từ nơi gửi thông điệp và phân phối các thông điệp đó một cách chính xác đến nơi nhận thông điệp. Trình truyền tải phân tách nơi gửi thông điệp và nơi nhận thông điệp như sau:

+ Phân tách không gian: nơi gửi thông điệp và nơi nhận thông điệp không biết về vị trí của nhau trong mạng và không trao đổi các thông tin như địa chỉ IP và số cổng.

+ Phân tách thời gian: nơi gửi thông điệp và nơi nhận thông điệp không chạy hoặc có kết nối mạng tại cùng một thời điểm.

+ Phân tách quá trình đồng bộ: cả nơi gửi thông điệp và nơi nhận thông điệp có thể gửi hoặc nhận thông điệp mà không làm gián đoạn hoạt động của bên còn lại. Ví dụ: nơi nhận thông điệp không phải đợi nơi gửi thông điệp thực hiện gửi thông điệp.

-      Các thành phần của MQTT:

+ Client (máy khách): một máy khách MQTT là bất kỳ thiết bị nào từ một máy chủ đến một bộ vi điều khiển có chạy một thư viện MQTT. Nếu máy khách gửi thông điệp (topic), nó hoạt động như một nơi gửi thông điệp và nếu nhận thông điệp, nó hoạt động như bên nhận. Về cơ bản, bất kỳ thiết bị nào giao tiếp bằng MQTT qua một mạng đều có thể được gọi là một thiết bị khách MQTT.

+ Trình truyền tải: trình truyền tải MQTT là hệ thống backend điều phối thông điệp giữa các máy khách khác nhau. Trách nhiệm của trình truyền tải bao gồm nhận và lọc thông điệp, xác định máy khách đã đăng ký nhận từng thông điệp và gửi thông điệp cho các máy khách đó. Trình trung chuyển cũng chịu trách nhiệm thực hiện các tác vụ khác như:

 o Ủy quyền và xác thực máy khách MQTT.

 o Chuyển thông điệp đến các hệ thống khác để phân tích thêm.

 o Xử lý các thông điệp bị bỏ lỡ và các phiên trên máy khách.

+ Kết nối: máy khách và máy chủ bắt đầu giao tiếp bằng một kết nối MQTT. Máy khách khởi tạo kết nối bằng cách gửi một thông điệp CONNECT (KẾT NỐI) đến trình truyền tải MQTT. Trình truyền tải xác nhận rằng kết nối đã được thiết lập bằng cách trả lời bằng một thông điệp CONNACK. Cả máy khách MQTT và trình truyền tải đều cần đến ngăn xếp TCP/IP để giao tiếp. Các máy khách không bao giờ kết nối với nhau mà chỉ kết nối với trình truyền tải.

-      Cách thức hoạt động của MQTT:

+ Bước 1:  Máy khách MQTT thiết lập kết nối với trình truyền tải MQTT.

+ Bước 2: Sau khi được kết nối, máy khách có thể xuất bản thông điệp, đăng ký nhận các thông điệp cụ thể hoặc thực hiện cả hai.

+ Bước 3: Khi trình truyền tải MQTT nhận được một thông điệp, trình truyền tải sẽ chuyển thông điệp đó đến những nơi nhận thông điệp quan tâm.

2.6.2  Ý nghĩa một số thuật ngữ quan trọng trong MQTT:

-      Topic (chủ đề): thuật ngữ “Topic” đề cập đến các từ khóa trình truyền tải MQTT sử dụng để lọc các thông điệp cho máy khách MQTT. Các chủ đề được tổ chức theo thứ bậc, tương tự như đường dẫn đến tệp hoặc thư mục. Ví dụ: hãy xem xét một hệ thống nhà ở thông minh hoạt động trong một ngôi nhà nhiều tầng có các thiết bị thông minh khác nhau ở mỗi tầng. Trong trường hợp đó, trình truyền tải MQTT có thể tổ chức các chủ đề như:

nhà của chúng ta/tầng trệt/phòng khách/ánh sáng

-      Publish (xuất bản): máy khách MQTT xuất bản các thông điệp có chứa chủ đề và dữ liệu dưới định dạng byte. Máy khách xác định định dạng dữ liệu như dữ liệu văn bản, dữ liệu nhị phân, tệp XML hoặc JSON. Ví dụ: một cái đèn trong hệ thống nhà ở thông minh có thể xuất bản thông điệp về chủ đề phòng khách/ánh sáng.

-      Subscribe (đăng ký): máy khách MQTT gửi một thông điệp SUBSCRIBE (ĐĂNG KÝ) đến trình truyền tải MQTT để nhận thông điệp về các chủ đề quan tâm. Thông điệp này chứa một mã định danh duy nhất và một danh sách đăng ký. Ví dụ: ứng dụng nhà ở thông minh trên điện thoại của bạn muốn hiển thị số lượng đèn đang bật trong nhà của bạn. Ứng dụng này sẽ đăng ký chủ đề ánh sáng và gia tăng bộ đếm trên tất cả các thông điệp về trạng thái bật.

2.6.3  Một số ứng dụng của MQTT

-      Facebook Messenger: Facebook đã sử dụng các khía cạnh của MQTT trong Facebook Messenger để trò chuyện trực tuyến . Tuy nhiên, không rõ MQTT được sử dụng bao nhiêu hoặc để làm gì.

-      IECC Scalable: DeltaRail phiên bản mới nhất của hệ thống kiểm soát hiệu IECC của họ đã sử dụng MQTT cho thông tin liên lạc trong các phần khác nhau của hệ thống và các thành phần khác của hệ thống báo hiệu. Nó cung cấp khung truyền thông cơ bản cho một hệ thống tuân thủ các tiêu chuẩn CENELEC cho các thông tin liên lạc quan trọng về an toàn.

-      Amazon Web Services đã công bố Amazon IoT dựa trên MQTT vào năm 2015.

-      Các tổ chức không gian địa lý SensorThings API đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn có một phần mở rộng MQTT trong tiêu chuẩn như một giao thức thông báo bổ sung ràng buộc. Nó đã được chứng minh trong một thí điểm IoT của Bộ An ninh Nội địa Hoa Kỳ.

-      Các dịch vụ của Cơ sở hạ tầng thượng nguồn OpenStack được kết nối bằng một bus tin nhắn hợp nhất MQTT với Mosquitto là broker MQTT.

-      Adafruit đưa ra một MQTT miễn phí Cloud Service cho thí nghiệm IOT và người học gọi Adafruit IO trong năm 2015.

-      Microsoft Azure IoT Hub sử dụng MQTT làm giao thức chính cho các tin nhắn từ xa.

-      XIM, Inc. đã ra mắt ứng dụng khách MQTT có tên MQTT Buddy vào năm 2017. Đây là ứng dụng MQTT dành cho Android và iOS , nhưng không phải là F-Droid , người dùng có sẵn bằng tiếng Anh, tiếng Nga và tiếng Trung Quốc.

-      Node-RED hỗ trợ các nút MQTT kể từ phiên bản 0.14, để định cấu hình đúng các kết nối TLS.

-      Nền tảng tự động hóa phần mềm nguồn mở Home Assistant được bật MQTT và cung cấp bốn tùy chọn cho các broker MQTT.

…

2.6.4  Giới thiệu về Broker HiveMQ            

-     

Hình 2. 17: HiveMQ

HiveMQ được thành lập vào năm 2012, có trụ sở chính tại Landshut, Đức, trong vùng lân cận của Munich, là thành viên của Hội đồng kỹ thuật OASIS MQTT và MQTT-SN TC.

-      Hoạt động kết nối cộng đồng: “There is a strong connection between HiveMQ and the MQTT community. To help MQTT become more and more successful, we are proud and active members of several key organizations.” –  “Một kết nối mạnh mẽ giữa HiveMQ và cộng đồng MQTT. Để giúp MQTT ngày càng thành công hơn, chúng tôi tự hào và là thành viên tích cực của một số tổ chức quan trọng.”

-     
Với hơn 130 khách hàng, bao gồm nhiều công ty trong danh sách Fortune 500 , dựa vào sản phẩm của HiveMQ sử dụng trong quá trình sản xuất cho các trường hợp quan trọng như ô tô, hậu cần, Công nghiệp 4.0 và các sản phẩm IoT.

-     

Hình 2. 18: Tổng quan HiveMQ

HiveMQ đi kèm với tài liệu phong phú và cung cấp hỗ trợ kỹ thuật từ nhóm phát triển, HiveMQ có một cộng đồng người dùng rộng lớn, cho phép chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm với nhau.

-      HiveMQ được thiết kế để mở rộng linh hoạt và xử lý hàng triệu kết nối cùng một lúc, cho phép mở rộng dễ dàng khi có nhu cầu cần tăng cường khả năng chịu tải.

-      HiveMQ cung cấp các tính năng bảo mật mạnh mẽ như xác thực và ủy quyền, mã hóa dữ liệu, kiểm soát truy cập, và giám sát bảo mật để đảm bảo an toàn và bảo vệ dữ liệu trong quá trình truyền tải.

-      Ngoài ra broker HiveMQ còn cho phép kết nối miễn phí với hàng chục thiết bị với 25 Client.

2.7   Node Red

- 

Hình 2. 19: Node-Red

  Node RED là một công cụ lập trình dùng để kết nối các thiết bị phần cứng, API và các dịch vụ trực tuyến với nhau. Về cơ bản, đây là một công cụ trực quan được thiết kế cho IoT (Internet of Things), nhưng cũng có thể được sử dụng cho các ứng dụng khác nhằm liên kết nhanh các luồng (flow) dịch vụ khác nhau.

-    Node-RED là mã nguồn mở và được phát triển bởi Emerging Technology Services của IBM và được tích hợp trong gói ứng dụng khởi động IoT Bluemix của IBM (Platform-as-a-Service hoặc PaaS). Node-RED cũng có thể được triển khai riêng bằng ứng dụng Node.js. Hiện tại, Node-RED là một dự án của JS Foundation.

-    Node-RED cho phép người dùng kết hợp các dịch vụ Web và phần cứng bằng cách thay thế các tác vụ mã hóa cấp thấp phổ biến (như một dịch vụ đơn giản giao tiếp với một cổng nối tiếp) và điều này có thể được thực hiện với giao diện kéo thả trực quan. Các thành phần khác nhau trong Node-RED được kết nối với nhau để tạo ra một luồng (flow). Hầu hết mã lệnh (code) cần thiết được tạo tự động.

-    Đây là phần mềm được nhóm chọn để tạo giao diện cũng như thiết lập để làm môi trường trung gian cho phép hệ thống giao tiếp với MQTT.

 

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG CƠ KHÍ

3.1   Kết quả kiểm tra các trạm phần cơ khí

3.1.1  Trạm kiểm tra 1

STT	TÊN CÁC THIẾT BỊ CẦN KIỂM TRA	TÌNH TRẠNG THIẾT BỊ
1	Kiểm tra bánh xe	Tốt
2	Kiểm tra khung bàn	Tốt
3	Kiểm tra các nhôm định hình	Cần mua ốc con tán chữ T cố định chặt vào với nhau
4	Kiểm tra gá của cần gạt	Tốt
5	Kiểm tra cần gạt	Tốt
6	Kiểm tra động cơ	Thay mới động cơ
7	Kiểm tra gá động cơ	Thiết kế, thay mới
8	Kiểm tra máng phân loại	Tốt
9	Kiểm tra gá của máng phân loại	Tốt
10	Kiểm tra dây đai	Tốt
11	Kiểm tra con lăn	Tốt
12	Kiểm tra thanh rail	Tốt
13	Kiểm tra cụm điều hòa	Tốt
14	Kiểm tra dây khí	Thay lại dây mới
15	Kiểm tra van tiết lưu	Tốt
16	Kiểm tra các terminal	Tốt
17	Kiểm tra van 5/2	Tốt
18	Kiểm tra cảm biến xylanh	Tốt
19	Kiểm tra gá cảm biến xylanh	Tốt
20	Kiểm tra rulo băng tải	Tốt
21	Kiểm tra thân nhôm, sườn băng tải	Tốt
22	Kiểm tra tấm trước bộ tăng đai	Tốt
23	Kiểm tra tấm sau bộ tăng đai	Tốt
24	Kiểm tra gá băng tải	Tốt
25	Kiểm tra gá PLC	Tốt

 

3.1.2  Trạm kiểm tra 2

STT	TÊN CÁC THIẾT BỊ CẦN KIỂM TRA	TÌNH TRẠNG THIẾT BỊ
1	Kiểm tra bánh xe	Tốt
2	Kiểm tra khung bàn	Tốt
3	Kiểm tra các nhôm định hình	Cần mua ốc con tán chữ T cố định chặt vào với nhau
4	Kiểm tra gá của cần gạt	Tốt
5	Kiểm tra cần gạt	Tốt
6	Kiểm tra động cơ	Thay mới động cơ
7	Kiểm tra gá động cơ	Thiết kế, thay mới
8	Kiểm tra máng phân loại	Tốt
9	Kiểm tra gá của máng phân loại	Tốt
10	Kiểm tra dây đai	Tốt
11	Kiểm tra con lăn	Tốt
12	Kiểm tra thanh rail	Tốt
13	Kiểm tra cụm điều hòa	Không thay đổi được áp suất
14	Kiểm tra dây khí	Thay lại dây mới
15	Kiểm tra van tiết lưu	Tốt
16	Kiểm tra các terminal	Tốt
17	Kiểm tra van 5/2	Tốt
18	Kiểm tra cảm biến xylanh	Tốt
19	Kiểm tra gá cảm biến xylanh	Tốt
20	Kiểm tra rulo băng tải	Tốt
21	Kiểm tra thân nhôm, sườn băng tải	Tốt
22	Kiểm tra tấm trước bộ tăng đai	Tốt
23	Kiểm tra tấm sau bộ tăng đai	Tốt
24	Kiểm tra gá băng tải	Tốt
25	Kiểm tra gá PLC	Tốt

 

3.1.3  Trạm vận chuyển 1

STT	TÊN CÁC THIẾT BỊ CẦN KIỂM TRA	TÌNH TRẠNG THIẾT BỊ
1	Kiểm tra bánh xe	Tốt
2	Kiểm tra khung bàn	Tốt
3	Kiểm tra các nhôm định hình	Cố định lại
4	Kiểm tra máng phân loại	Tốt
5	Kiểm tra gá của máng phân loại	Lỏng lẻo mua ốc gắn
6	Kiểm tra cụm điều hòa	Không thay đổi được áp suất
7	Kiểm tra dây khí	Thay lại dây mới
8	Kiểm tra các terminal	Tốt
9	Kiểm tra van 5/2	Tốt
10	Kiểm tra gá PLC	Tốt
11	Kiểm tra cánh tay gắp và di chuyển phôi	Bị kẹt do bụi bẩn bám vào
12	Kiểm gá đựng phôi khi cánh tay bắt đầu gắp	Lệch và méo
13	Kiểm tra thanh rail	Tốt
14	Pas chặn	Làm mới

3.1.4  Trạm vận chuyển 2

STT	TÊN CÁC THIẾT BỊ CẦN KIỂM TRA	TÌNH TRẠNG THIẾT BỊ
1	Kiểm tra bánh xe	Tốt
2	Kiểm tra khung bàn	Tốt
3	Kiểm tra các nhôm định hình	Tốt
4	Kiểm tra máng phân loại	Tốt
5	Kiểm tra gá của máng phân loại	Mua thêm ốc gắn
6	Kiểm tra cụm điều hòa	Không thay đổi được áp suất
7	Kiểm tra dây khí	Thay lại dây mới
8	Kiểm tra các terminal	Tốt
9	Kiểm tra van 5/2	Tốt
10	Kiểm tra gá PLC	Tốt
11	Kiểm tra cánh tay gắp và di chuyển phôi	Bị kẹt bụi bẩn
12	Kiểm tra thanh rail	Tốt
13	Kiểm gá đựng phôi khi cánh tay bắt đầu gắp	Lệch và méo
14	Pas chặn	Mua lại mới

 

3.2   Thiết kế, cải tiến, gia công một số kết cấu trạm kiểm tra

3.2.1  Nguyên lí hoạt động trạm kiểm tra

-      Khi nhấn nút START, nếu cảm biến phát hiện có sản phẩm ở đầu băng tải thì băng tải bắt đầu chạy.

-      Sản phẩm di chuyển đến cảm biến phát hiện vật thứ 2 (ở vị trí xy lanh chặn) thì băng tải dừng và đồng thời cảm biến nắp bắt đầu quét.

+ Sản phẩm có nắp: Cần gạt giữ nguyên trạng thái ban đầu ® Xy lanh chặn được tác động ®  Băng tải chạy ® Xy lanh chặn trở lại trạng thái ban đầu (sau vài giây) ® Sản phẩm được cần gạt chặn lại và trượt xuống máng ® Khi cảm biến ở vị trí cuối máng trượt được tác động thì hoàn thành 1 chu trình.

+ Sản phẩm không nắp: Cần gạt được tác động ® Xy lanh chặn được tác động ® Băng tải chạy ® Xy lanh chặn trở lại trạng thái ban đầu (sau vài giây) ® Sản phẩm được băng tải vận chuyển đến trạm tiếp theo ® Cần gạt trở lại trạng thái ban đầu (sau vài giây) ® Khi cảm biến ở vị trí cuối băng tải được tác động thì hoàn thành 1 chu trình.

3.2.2  Thiết kế, cải tiến, gia công một số kết cấu cơ khí

-     

Hình 3. 1: Gá động cơ

Thiết kế, gia công gá động cơ

 

-     

Hình 3. 2: Gá cảm biến nắp

Thiết kế, gia công gá cảm biến nắp

-     

Hình 3. 3: Gá cần gạt

Cải tiến gá cần gạt

 

-     

Hình 3. 4: Bas cụm băng tải

Gia công bas trong cụm băng tải

 

-     

Hình 3. 5: Cố định nhôm định hình

Cố định lại khung nhôm định hình

 

-     

Hình 3. 6: So sánh động cơ cũ và động cơ mới

So sánh động cơ cũ và mới

3.3   Thiết kế, cải tiến, điều chỉnh vị trí một số cơ cấu trên trạm vận chuyển

3.3.1  Nguyên lí hoạt động trạm vận chuyển

-      Khi nhần nút START, nếu cảm biến phát hiện có sản phẩm trên máng được tác động ® tay gắp di chuyển xuống để gắp sản phẩm và sau đó di chuyển lên.

-      Cảm biến trên tay gắp phân loại sản phẩm là màu đen hay màu đỏ:

+ Sản phẩm có màu đen: tay gắp di chuyển đến máng số một ® Tay gắp di chuyển xuống ® Nhả kẹp thả vào máng ® Sau đó tay gắp trượt lên và chạy về vị trí ban đầu, hoàn thành 1 chu trình.

+ Sản phẩm có màu đỏ: Tay gắp di chuyển đến máng số hai ® Tay gắp di chuyển xuống ® Nhả kẹp thả vào máng ® Sau đó tay gắp trượt lên và chạy về vị trí ban đầu, hoàn thành 1 chu trình.

3.3.2  Thiết kế, cải tiến, gia công, điều chỉnh vị trí một số cơ cấu

-      Có một vài chi tiết được cải tiến tiến, gia công tương tự như ở trạm kiểm tra:

Hình 3. 7: Cụm bas gá máng trượt

+ Cải tiến cụm bas gá máng trượt

+ Cố định lại khung nhôm định hình.

-      Điều chỉnh lại vị trí của một số cơ cấu để đồng bộ với trạm kiểm tra.

 

 

3.4   Quy trình tháo, lắp cụm động cơ

Quy trình tháo động cơ

Tháo các bulong cố định thanh nhôm trên băng tải

Tháo băng tải ra khỏi thanh tải

Tháo bulong trên gá cảng dài với gá động cơ

Tháo 2 con lăn trong cụm băng tải và dây băng tải

Tháo lỏng vít trí trong con lăn quay trục, tháo con lăn trục ra khỏi động cơ

Tháo chốt then và lấy động cơ ra khỏi gá

Tắt nguồn động cơ

Vặn bulong và cố định gá động cơ với gá cảng dài

Lắp cụm động cơ và dây băng tải lên thanh tải

Lắp lại các thanh nhôm trên băng tải

Kiểm tra tại băng tải và động cơ chắn chắn

Điều chỉnh độ căng băng tải

 

CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

4.1   Kết quả kiểm tra các trạm phần điện

4.1.1  Trạm kiểm tra 1

STT	Nội dung	Tình trạng
1	-Kiểm tra terminal (độ lỏng các óc vít, tiếp điểm). -Kiểm tra van 5/2 ( test cuộn soilenoid của cuộn van 5/2)	OK
2	-Kiểm tra 4 cảm biến BF5R-S1-N (Cảm biến sợi quang), loại, độ nhạy, độ ổn định, vị trí gá cảm biến, vùng hoạt động	Hư 2 đầu nhận tín hiệu (đứt dây tín hiệu)
3	-Cảm biến nhận biết có nắp hay không có nắp	Sai cảm biến
4	-Kiểm tra các máng đi đây, nắp máng đi dây	OK
5	-Kiểm tra tiếp điểm thường đóng thường mở của các nút nhấn	OK
6	-Kiểm tra CB, rờ le	OK
7	-Kiểm tra các tiếp điểm I/O của PLC	OK
8	-Hệ thống dây dẫn điện	Dây dẫn  điện cũ đứt nhiều

 

4.1.2  Trạm kiểm tra 2

STT	Nội dung	Tình trạng
1	-Kiểm tra terminal (độ lỏng các óc vít, tiếp điểm).	OK
2	-Kiểm tra van 5/2 ( test cuộn soilenoid của cuộn van 5/2)	OK
3	-Cảm biến nhận biết có nắp hay không có nắp	Sai cảm biến
4	-Kiểm tra 4 cảm biến BF5R-S1-N ( Cảm biến sợi quang), loại, độ nhạy, độ ổn định, vị trí gá cảm biến, vùng hoạt động	Hư 2 đầu nhận tín hiệu (đứt dây tín hiệu)
5	-Kiểm tra CB, rờ le, terminal trên kit  -Kiểm tra các tiếp điểm I/O của PLC	OK
7	-Kiểm tra các máng đi đây, nắp máng đi dây	OK
8	-Kiểm tra tiếp điểm thường đóng thường mở của các nút nhấn	OK
9	-Hệ thống dây dẫn điện	Dây dẫn  điện cũ đứt nhiều

 

4.1.3  Trạm vận chuyển 1

STT	Nội dung	Tình trạng
1	-Kiểm tra terminal (độ lỏng các óc vít, tiếp điểm).	OK
2	-Kiểm tra van 5/2 ( test cuộn soilenoid của cuộn van 5/2)	OK
3	-Kiểm tra CB, rờ le, terminal trên kit  -Kiểm tra các tiếp điểm I/O của PLC	OK
4	-Kiểm tra 2 cảm biến BF5R-S1-N( Cảm biến sợi quang) loại, độ nhạy, độ ổn định, vị trí gá cảm biến, vùng hoạt động	OK
5	-Kiểm tra các máng đi đây, nắp máng đi dây	OK
6	-Kiểm tra tiếp điểm thường đóng thường mở của các nút nhấn	OK
7	-Hệ thống dây dẫn điện	-Dây dẫn  điện cũ đứt nhiều
8	-Kiểm tra cảm biến nhận biết có phôi ở đầu kẹp (độ nhạy, độ ổn định, vị trí gá cảm biến, vùng hoạt động)	OK
9	-Kiểm tra cảm biến nhận biết có phôi ở giá để phôi	Cảm biến không nhận tín hiệu

 

4.1.4  Trạm vận chuyển 2

STT	Nội dung	Tình trạng
1	-Kiểm tra terminal (độ lỏng các óc vít, tiếp điểm).	OK
2	-Kiểm tra van 5/2 ( test cuộn soilenoid của cuộn van 5/2)	OK
3	-Kiểm tra CB, rờ le, terminal trên kit  -Kiểm tra các tiếp điểm I/O của PLC	OK
4	-Kiểm tra 2 cảm biến BF5R-S1-N (Cảm biến sợi quang) (loại, độ nhạy, độ ổn định, vị trí gá cảm biến, vùng hoạt động	OK
5	-Kiểm tra các máng đi đây, nắp máng đi dây	OK
6	-Kiểm tra tiếp điểm thường đóng thường mở của các nút nhấn	OK
7	-Hệ thống dây dẫn điện	-Dây dẫn  điện cũ đứt nhiều
8	-Kiểm tra cảm biến nhận biết có phôi ở đầu kẹp (độ nhạy, độ ổn định, vị trí gá cảm biến, vùng hoạt động)	Đứt dây
9	-Kiểm tra cảm biến nhận biết có phôi ở giá để phôi (độ nhạy, độ ổn định, vị trí gá cảm biến, vùng hoạt động)	Dây cảm biến bị lỏng

 

4.2Thiết lập Input, Output cho PLC

4.2.1  Trạm vận chuyển 1 và 2

-      Input

I0.0	Cảm biến phát hiện phôi
I0.1	Cảm biến xylanh ở vị trí đầu
I0.2	Cảm biến xylanh ở vị trí cuối
I0.3	Cảm biến xylanh ở vị trí giữa
I0.4	Cảm biến xylanh ở vị trí dưới
I0.5	Cảm biến xylanh ở vị trí trên
I0.6	Cảm biến phân loại phôi kim loại hoặc màu
I1.0	START
I1.1	STOP
I1.2	Man/Auto
I1.3	RESET

 

-      Output

Q0.0	Solenoid - tác động Xylanh về vị trí đầu
Q0.1	Solenoid - tác động Xylanh về vị trí cuối
Q0.2	Solenoid - tác động Xylanh đi xuống
Q0.3	Solenoid - tác động Xylanh kẹp

 

4.2.2  Trạm kiểm tra 1 và 2

-      Input

I0.0	Cảm biến phát hiện vật 1
I0.1	Cảm biến phát hiện vật 2
I0.2	Cảm biến thoát phôi 1
I0.3	Cảm biến thoát phôi 2
I0.4	Cảm biến hành trình xylanh 1
I0.5	Cảm biến hành trình xylanh 2
I0.6	Cảm biến nhận biết nắp
I1.0	START
I1.1	STOP
I1.1	Man/Auto
I1.2	RESET

 

-      Output

Q0.0	Solenoid xylanh chặn
Q0.1	Solenoid xylanh gạt
Q0.2	Băng tải

4.3 Đấu nối lại đầu DB25 theo sơ đồ chuẩn của bộ môn để đồng bộ các trạm

CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ khối hệ thống và hình thức truyền dữ liệu

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN

6.1   Kết quả

-  Sau quá trình sửa chữa, cải tiến 2 trạm vận chuyển và 2 trạm kiểm tra, nhóm chúng em đã khắc phục được những hạn chế từ trạm cũ, như:

+     Thiết kế, thay thế cụm động cơ vận hành cụm băng tải ổn định hơn.

+     Lắp đặt hệ thống hoàn chỉnh, cứng vững.

+     Thiết kế bản vẽ điện, đi lại dây điện cho trạm kiểm tra, vận chuyển.

+     Chọn cảm biến cho trạm kiểm tra để phân loại được phôi có nắp hoặc không nắp, thiết kế gá cảm biến, thay thế một số cảm biến bị hư ở các trạm.

+     Thay thế dây khí nén ở các trạm.

+     Lập trình vận hành các trạm.

+     Lập trình hoàn thiện hệ thống.

-  Ngoài ra giúp đồng bộ các trạm, dễ dàng lắp ghép thành một hệ thống gồm nhiều trạm để thuận tiện cho việc nghiên cứu, thực hành.

-  Song song với đó, chúng em đã thực hiện kết nối giao tiếp giữa PLC S7-1200 với broker HiveMQ giúp vận hành, giám sát các trạm từ xa bằng giao thức MQTT trong môi trường internet với giao diện trực quan bằng phần mềm Node-Red trên máy tính và phần mềm IoT MQTT Panel trên điện thoại thông minh. Có những hướng dẫn cụ thể để cho sinh viên có thể tham khảo, tiếp cận với IoT trong quá trình nghiên cứu, thực hành.

-  Do chỉnh sửa lại từ các trạm cũ, một số chi tiết, thiết bị còn sử dụng được nên nhóm chúng em đã tái sử dụng lại dẫn đến có một số chi tiết chưa đảm bảo về mặt thẩm mỹ và tính ổn định không được cao. Bên cạnh đó nhóm chúng em chỉ sử dụng dịch vụ kết nối với broker miễn phí nên mức độ bảo mật chưa được đảm bảo tốt và số lượng client cũng bị hạn chế. Việc tiếp cận với một công nghệ so với thế giới thì có thể nói không có gì gọi là mới nhưng với sự hiểu biết của sinh viên như chúng em thì khá mới mẻ nên có những vấn đề chúng em cũng chưa thực sự hiểu chuyên sâu vì thế có những vấn đề chưa được giải thích cặn kẽ trong phần báo cáo này.

6.2   Hướng phát triển

-  Nghiên cứu, phát triển giao diện điều khiển, giám sát trực quan hơn bằng SCADA với IoT.

-  Bổ sung khả năng báo cáo định kỳ của hệ thống cho người vận hành, giám sát.

-  Nâng cấp tính năng bảo mật cho hệ thống.

-  Đảm bảo môi trường kết nối internet ổn định hơn (thuê IP tĩnh, thuê quyền truy cập từ các broker MQTT uy tín…).

Một số nguồn tham khảo:

-  https://ngocautomation.com/tai-thu-vien-mqtt-cho-plc-s7-1200-va-s7-1500/

-  giaiphap.mctt.com.vn/so-sanh-mqtt-va-http-giao-thuc-nao-la-tot-nhat-cho-iot

-  https://itudong.com/full-tia-portal-phien-ban-moi-nhat-newest-version/

-  https://dientuviet.com/node-red-la-gi/

-  https://www.hivemq.com/public-mqtt-broker/

-  https://iot.eclipse.org/community/