ĐỒ ÁN thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo mã QR

Đồ án tốt nghiệp I MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH IV DANH MỤC BẢNG BIỂU VII Lời mở đầu VIII Lời cảm ơn IX Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI MÃ QRCODE 1 1 1 Lịch sử nghiên cứu 1 1 2 Các vấn đề đặt ra 3 1 3 Đối tượng nghiên cứu 3 1 4 Phương pháp thực hiện 4 1 5 Dự kiến kết quả đạt được 4 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 2 1 Bài toán công nghệ trạm phân loại sản phẩm bằng mã QR code 5 2 1 1 Quy trình công nghệ 5 2 1 2 Qr code là gì ? 5 2 1 3 Bài toán công nghệ đặt ra của trạm phân loại sản phẩm.

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH IV DANH MỤC BẢNG BIỂU VII Lời mở đầu VIII Lời cảm ơn IX Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI MÃ

QRCODE…… 1

1.1 Lịch sử nghiên cứu 1

1.2 Các vấn đề đặt ra 3

1.3 Đối tượng nghiên cứu 3

1.4 Phương pháp thực hiện 4

1.5 Dự kiến kết quả đạt được 4

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Bài toán công nghệ trạm phân loại sản phẩm bằng mã QR code 5

2.1.1 Quy trình công nghệ 5

2.1.2 Qr code là gì ? 5

2.1.3 Bài toán công nghệ đặt ra của trạm phân loại sản phẩm sử dụng QR code… 8

2.1.4 Phương pháp tạo và nhận dạng QR code 8

2.1.5 Giới thiệu về phần mềm Visual Studio 10

2.1.6 Kết nối giao diện C# với PLC 12

2.1.7 Tạo giao diện nhận dang và tạo mã Qrcode 13

2.2 Các thành phần của hệ thống phân loại 19

2.2.1 Cơ cấu băng tải 19

2.2.2 Nguồn cấp điện 21

2.2.3 Động cơ DC 23

2.2.4 Cơ cấu tay gắp sản phẩm 24

2.2.5 Cảm biến tiện cận 27

2.3 Hệ thống điều khiển của hệ thống phân loại 28

2.3.1 Bộ điều khiển khả trình PLC 28

2.3.2 Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 33

2.4 Phần mềm điều khiển giám sát hệ thống phân loại 36

2.4.1 Chức năng của Wincc 36

2.4.2 Các đặc điểm chính của Wincc 38

2.4.3 Cấu hình giao diện Wincc 39

Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI MÃ QRCODE 41

3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí 41

3.1.1 Tổng quan về hệ thống 41

3.1.2 Tính tay gắp khí nén 42

3.1.3 Tính toán thông số băng tải 47

3.1.4 Tính chọn động cơ băng tải 48

3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển 51

3.2.1 Lựa chọn bộ điều khiển trung tâm 51

3.2.2 Sơ đồ khối 54

3.3 Thiết kế hệ thống điện – điện tử 54

3.3.1 Nguồn cấp điện DC 24V-10A 54

3.3.2 Lựa chọn cảm biến 55

3.3.3 Lựa chọn camera 56

3.3.4 Nút nhấn 57

3.3.5 Lựa chọn van điện từ 58

3.3.6 Sơ đồ đấu nối hệ thống 59

3.3.7 Xây dựng chương trình giám sát trên wincc 60

3.3.8 Lắp ráp, chế tạo, thi công thiết kế 63

3.3.9 Lưu đồ thuật toán 69

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 72

4.1 Kết quả thực nghiệm 72

4.1.1 Kết luận 72

4.1.2 Kết quả đạt được 72

4.2 Đánh giá két quả thu được 72

4.3 Hướng phát triển trong tương lai 73

Tài liệu tham khảo 74

PHỤ LỤC 75

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Mô tả mã QR code 6

Hình 2.2: Mã vạch truyền thống và mã QR code 7

Hình 2.3: Thư viện đọc video từ webcam 9

Hình 2.4: Thư viện giải mã Qr code 10

Hình 2.5: Phần mềm visual studio 10

Hình 2.6: Kết nối giao diện C# với PLC 13

Hình 2.7: Giao diện trang chủ Visual Studio 13

Hình 2.8: Những phương thức thiết kế trong Visual Studio 14

Hình 2.9: Màn hình khởi tạo của WinForm 14

Hình 2.10: Thanh công cụ thiết kế Tool Box 15

Hình 2.11: Đưa phần tử vào biểu mẫu 15

Hình 2.12: Công cụ điều chỉnh phần tử thiết kế 16

Hình 2.13: Hàm điều khiển của phần tử 16

Hình 2.14: Các câu lệnh để cài đặt Aforge.Net 17

Hình 2.15: Nhập câu lệnh vào chương trình 17

Hình 2.16: Khởi tạo giao diện tạo mã Qrcode 17

Hình 2.17: Mã hóa sản phẩm 18

Hình 2.18: Scan QR code mã hóa về định dạng văn bản 19

Hình 2.19: Cấu tạo của băng tải 20

Hình 2.20: Băng tải cao su 20

Hình 2.21: Băng tải xích 21

Hình 2.22: Băng tải rulo 21

Hình 2.23: Cấu tạo nguồn switching 22

Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lý nguồn switching 23

Hình 2.25: Động cơ DC 23

Hình 2.26: Tay gắp khí nén Festo 25

Hình 2.27: Tay gắp khí nén 25

Hình 2.28: Robot công nghiệp của ABB 26

Hình 2.29:Robot công nghiệp của KUKA 26

Hình 2.30: Sơ đồ nguyên lý của cảm biến tiệm cận 27

Hình 2.31: Cấu trúc của PLC 29

Hình 2.32: Sơ đồ khối PLC 32

Hình 2.33: Sơ đồ cấu trúc hoạt động của bộ điều khiển PLC 33

Hình 2.34: PLC S7-1200 34

Hình 2.35: Ví dụ về phần mềm wincc 38

Hình 2.36: Khai báo địa chỉ IP cho PLC 39

Hình 2.37: Khai báo của sổ Wincc advanced 40

Hình 2.38: Connect và nối dây với máy tính 40

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống phân loại Qrcode 41

Hình 3.2: Bản vẽ cơ khí hệ thống phân loại sản phẩm Qrcode 41

Hình 3.3: Tay gắp khí nén 43

Hình 3.4: Các lực tác động khi kẹp phôi 44

Hình 3.5: Tay kẹp khí nén MHZ2-16D 45

Hình 3.6: Xylanh Airtrac TN16x125s 46

Hình 3.7: Băng tải phân loại sản phẩm 47

Hình 3.8: Lực tác dụng lên băng tải 49

Hình 3.9:Động cơ DC giảm tốc có chổi than GA 25 51

Hình 3.10: PLC S7-1200 CPU 1212C AD/DC/RL 53

Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ thống 54

Hình 3.12: Nguồn cấp điện DC 24V-10A 55

Hình 3.13: Cảm biến tiệm cận E3F DS30C4 56

Hình 3.14: Webcam Dahua Z2+ 57

Hình 3.15: Nút nhấn nhả LA38-203 57

Hình 3.16: Van điện từ khí nén 5/2 58

Hình 3.17: Sơ đồ đấu nối PLC 59

Hình 3.18: Sơ đồ mạch khí nén 60

Hình 3.19: Thiết lập giao diện home trong Wincc 60

Hình 3.20: Mô phỏng giám sát hệ thống trên phần mềm wincc 61

Hình 3.21: Ấn nút start trên phần mềm giám sát 62

Hình 3.22: Cảm biến 1 nhận tín hiệu và sản phẩm được đưa tới vị trí tay gắp 62

Hình 3.23: Băng tải dừng và tay gắp thực hiện các thao tác gắp, nhả vật 63

Hình 3.24: Phần điện thực tế 64

Hình 3.25: Hệ thống băng tải vả cảm biến đầu băng tải 64

Hình 3.26: Lắp ráp hệ thống camera 65

Hình 3.27 : Bộ phận tay gắp sản phẩm 65

Hình 3.28: Hình ảnh hệ thống phân loại sản phẩm thực tế 66

Hình 3.29: : Lưu đồ thuật toán hệ thống 69

Hình 3.30: Lưu đồ dừng hệ thống 70

Hình 3.31: Lưu đồ tiến trình 1 70

Hình 3.32: Lưu đồ tiến trình 2 71

Hình 3.33: Lưu đồ tiến trình 3 71

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng thông số các dòng CPU S7-1200 35

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của tay kẹp khí nén MHZ2-16D 45

Bảng 3.2: Bảng thông số kỹ thuật xyloanh Airtrac TN16x125s 47

Bảng 3.3: Bảng thông số động cơ DC giảm tốc có chổi than GA 25 51

Bảng 3.4: Thông số PLC S7-1200 CPU 1212CAC/DC/RL 53

Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật nguồn cấp điện DC 24V-10A 55

Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật cảm biến tiệm cân E3F DS30C4 56

Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật webcam dahua Z2+ 57

Bảng 3.8: Thông số kỹ thuật van điện từ khí nén 59

Bảng 3.9: Bảng chi tiết các module hệ thống 66

Lời mở đầu

Xã hội ngày nay càng phát triển, nhu cầu về vật chất và tình thần của con người ngày càng tăng lên, vì thế bài toán về cung cấp luôn được các nhà sản xuất tìm cách giải quyết Tự động hóa trong dây chuyền sản xuất là một phương

án cấp thiết, nó đòi hỏi sự nhanh chóng, chính xác, tăng năng xuất, giảm thiểu sức lao động của con người Quá trình sản xuất được tự động hóa cao giúp năng suất được nâng cao và giảm chi phí tăng tính cạnh tranh cho các doanh nghiệp Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa sử dụng càng nhiều thiết bị hiện đại dể điều khiển tự động các quá trình sản xuất, gia công,… Điều này dẫn tới việc hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt, cho phép tự động hóa ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loạt trên cơ sở

sử dụng các máy tự động, robot công nghiệp,… Trong đó có một khâu quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng hành hóa bán ra là hệ thống phân loại sản phẩm

Đồ án “ Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm mã QR code ” được nghiên cứu nhằm củng cố kiến thức, đồng thời giúp cho sinh viên chúng

em thấy được mối liên hệ giữa những kiến thức đã học ở trường với những kiến thức thực tiễn bên ngoài, để sau này khi ra trường làm việc có thêm những kinh nghiệm quý giá trong công việc Đề tài trên có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực như vận chuyển, kiểm tra hàng hóa và phân loại sản phẩm hỗ trợ tối ưu cho con người trong cuộc sống hiện đại ngày nay

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong khoa đã nhiệt tình giúp đỡ chúng em về các kiến thức liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu của đề tài trong thời gian thực hiện đề tài, cũng như các kiến thức

mà các thầy cô đã truyền đạt cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường

Đề tài “ Nghiên cứu và thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm mã QR code ”

mà nhóm chúng em lựa chọn cho đồ án tốt nghiệp sẽ giúp ích cho việc thúc đẩy

sự phát triển của các ngành công nghiệp, năng cao sản lưởng , giảm hao phí Trong quá trình thực hiện bài báo cáo, nhóm em đã cố gắng hết sức để hoàn thành một cách tốt nhất Nhưng với lượng kiến thức và trải nghiệm còn hạn chế nên khó tránh khỏi những sai sót mong thầy cô đóng góp để đề tài của em được hoàn thiện hơn

Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn trân thành đến T.S Phan Đình Hiếu đã nhiệt tình quan sát, tận tình hướng dẫn chỉ bảo và chỉ ra những điều cần sửa đổi

bổ sung giúp đỡ để nhóm chúng em đạt được từng yêu cầu của đề tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày… tháng…năm 2022

Nhóm sinh viên thực hiện

Đỗ Thăng Long

Nguyễn Ngọc Long Nguyễn Đàm Lâm

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội, ngày…tháng…năm 2022

Chữ kí của GVHD

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hà Nội, ngày…tháng…năm 2022

Chữ kí của GVPB

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG

PHÂN LOẠI MÃ QRCODE

1.1 Lịch sử nghiên cứu

Ngày nay, việc tập trung hóa - tự động hóa công tác quản lí, giám sát và điều khiển các hệ thống tự động nhằm năng cao hiệu quả của quá trình sản xuất, tránh rủi ro, tiết kiệm được chi phí

Hệ thống phân loại sản phẩm được ứng dụng nhiều trong sản xuất tự động hàng hóa với số lượng lớn, giúp phân loại nhanh những sản phẩm đạt yêu cầu

và những sản phẩm bị lỗi (phế phẩm) cũng như phân loại thành những nhóm

có đặc điểm khác nhau phục vụ cho những công đoạn sản xuất sau này

Trong các nhà máy sản xuất hàng thực phẩm, nhà máy sản xuất gạch ốp lát cho ngành xây dựng hay sản xuất các chi tiết cơ khí, linh kiện điện tử…, dòng sản phẩm được tạo ra sau hàng loạt những qui trình công nghệ cần được kiểm tra để đảm bảo loại bỏ được những phế phẩm cùng với đó phân loại những sản phẩm đạt chất lượng thành những nhóm cùng loại khác khau, tạo điều khiện thuận lợi cho quá trình lưu kho để phân phối ra thị trường hay phục vụ tốt hơn cho những công đoạn sản xuất tiếp theo Hơn nữa, nó còn có thể tích hợp thêm chức năng dãn nhãn, đếm và quản lý sản phẩm , giúp nâng chất lượng của sản phẩm và nâng cao hiệu quả hoạt động của dây chuyền sản xuất

Từ những yêu cầu thực tế đó mà hệ thống tự động phân loại sản phẩm đã sớm được hình thành và phát triển, trở thành một khâu quan trọng trong một hệ thống sản xuất tự động, để thực hiện chức năng kiểm tra, phân loại đảm bảo sự vận hành liên tục của dòng phôi liệu trong quá trình sản xuất tự động Đạt được mục tiêu nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm, làm chủ giá thành và chất lượng sản phẩm, tăng khả năng linh hoạt phát triển sản phẩm, thay đổi mẫu mã đáp ứng nhu cầu thị trường

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện- điện tử và điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi

lĩnh vực khoa học, quản lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin Do

đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự nghiệp phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, PLC, vi mạch số… được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình

đã được thiết lập trước

Trong quá trình hoạt động ở các nhà xưởng, xí nghiệp hiện nay, việc tiết kiệm điện năng là nhu cầu rất cần thiết, bên cạnh đó ngành công nghiệp ngày càng phát triển các công ty xí nghiệp đã đưa tự động hóa và sản xuất để tiện ích cho việc quản lý dây chuyền và sản phẩm cho toàn bộ hệ thống một cách hợp

lý là yêu cầu thiết yếu, tiết kiệm được nhiều thời gian cũng như quản lý một cách dễ dàng

Hệ thống phân loại sản phẩm hoạt động trên nguyên lý sử dụng webcam để nhận dạng mã QR của sản phẩm trên băng tải và thông qua cơ cấu tay gắp phân loại sản phẩm sang các kho chứa khác nhau

Từ nguyên lý làm việc trên ta thấy muốn hệ thống hoạt động được cần những chuyển động cần thiết:

• Chuyển động của băng chuyền Để truyền chuyển động quay cho trục của băng chuyền ta dùng động cơ điện một chiều thông qua bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng trung gian

• Chuyển động tịnh tiến của các cơ cấu tay gắp khí nén

Những lợi ích mà hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho chúng ta là rất lớn, cụ thể như:

• Giảm sức lao động, tránh được sự nhàm chán trong công việc, cải thiện được điều kiện làm việc của con người, tạo cho con người tiếp cận với sự tiến

bộ của khoa học kỹ thuật và được làm việc trong môi trường ngày càng văn minh hơn

• Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm, cũng như thay đổi mẫu mã một cách nhanh chóng

• Giúp cho việc quản lý và giám sát trở nên rất đơn giản, bởi vì nó không những thay đổi điều kiện làm việc của công nhân mà còn có thể giảm số lượng công nhân đến mức tối đa…

1.2 Các vấn đề đặt ra

Mục tiêu đặt ra là thiết kế: Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng webcam để phát hiện mã QR code, có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, bảo trì, sửa chữa

Để thiết kế được chúng ta cần thiết kế cơ khí và điều khiển được động cơ và

hệ thống hoạt động tự động dựa vào lập trình và điều khiển của PLC Ngoài ra còn có các vấn đề khác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiết

Các vấn đề cần được giải quyết đó là:

• Vấn đề cơ khí: phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ, gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa

• Vấn đề nhận biết sản phẩm: Phân tích hình ảnh từ camera để xử lý số

liệu phân loại sản phẩm Qrcode

• Vấn đề điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động, dễ dàng vận hành

• Vấn đề an toàn: đảm bảo an toàn cho người sử dụng và sản phẩm không

bị hỏng

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu bao gồm:

- Hệ thống phân loại sản phẩm mã Qrcode

- Tay gắp robot điều khiển bằng khí nén

1.4 Phương pháp thực hiện

Bao gồm hai phương pháp thực hiện

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

- Nắm bắt các nội dung kiến thức liên quan từ các tài liệu qua sách vở, các diễn đàn, internet

- Tìm hiểu về các bài toàn, mô hình hóa giúp cho việc tính toán và chọn các trang bị điện và cơ khí cho phần thiết kế hệ thống

- Tìm hiểu các tài liệu, cơ sở lý thuyết về các loại động cơ, hệ thống cảm biến,…

- Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết, ứng dụng viết chương trình điều khiển hệ thống phân loại và tay gắp cơ khí cho bộ điều khiển PLC

• Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

- Thực hiện nghiên cứu, tìm hiểu, lấy ý tưởng về các hệ thống, đề tài đã

có, đã đi vào vận hành trong thực tế

- Sử dụng phần mềm TIA Portal (SIMATIC STEP 7 & WINCC) và Factory IO làm công cụ để mô phỏng hệ thống

- Sử dụng phần mềm Soliworks để thiết kế và mô phỏng hệ thống cơ khí

1.5 Dự kiến kết quả đạt được

- Xây dựng thành công mô hình cơ khí 3D hệ thống phân loại sản phẩm

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Bài toán công nghệ trạm phân loại sản phẩm bằng mã QR code 2.1.1 Quy trình công nghệ

- Giai đoạn 1: Cảm biến tiệm cận đầu băng tải phát hiện có sản phẩm, động

cơ khởi động, băng tải chạy

- Giai đoạn 2: Khi sản phẩm chạy đến cuối băng tải, cảm biến tiệm cận 2

sẽ phát hiện, động cơ tắt, băng tải dừng hoạt động

- Giai đoạn 3: Camera quét mã Qrcode đồng thời tay gắp robot hoạt động,

mã qrcode được nhận diện trên màn hình máy tính

- Giai đoạn 4: Tay gắp thực hiện gắp vật và nhả vật vào tới vị trí xác định trước Lúc này hệ thống hoạt động ở hai chế độ:

+ Manual: Người dùng lựa chọn vị trí trên màn hình, tay nhả vào vị trí đó + Auto: Tay gắp nhả vật vào vị trí đã được lập trình từ trước

2.1.2 Qr code là gì ?

- Khái niệm:

QR Code (mã QR) là viết tắt của Quick response code (Tạm dịch: Mã phản hồi nhanh), hoặc có thể gọi là Mã vạch ma trận (Matrix-barcode) hay Mã vạch

2 chiều (2D) Đây là một dạng thông tin được mã hóa để hiển thị sao cho máy

có thể đọc được QR Code xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1994, được tạo ra bởi Denso Wave (công ty con của Toyota) QR Code cho phép quét và đọc mã nhanh hơn bằng các thiết bị như máy đọc mã vạch hoặc điện thoại có camera với ứng dụng cho phép quét mã, vô cùng tiện lợi cho người dùng

- Cấu tạo: Gồm nhiều hình vuông màu đen với nền trắng được sắp xếp trong một lưới hình vuông, trong đó một số ô dùng để cảm biến hình ảnh định

vị (3 ô vuông lớn ở 3 góc), còn lại chứa thông tin định dạng, phiên bản, dữ liệu

và mã sửa lỗi (ECC – phương pháp phát hiện và sửa lỗi xảy ra khi truyền dữ liệu)

Hình 2.1: Mô tả mã QR code

Trong đó:

+ (1) Hoa văn định vị (Finder pattern): Các hoa văn định vị nằm ở 3 góc của

mã QR Mục đích của chúng là biểu thị hướng cho mã, giúp camera có thể xác định được phạm vi mã cũng như đọc thông tin ngay trong trường hợp mã bị biến dạng

+ (2) Thông tin định dạng (Format Information): Các mẫu định dạng có chức

năng sửa lỗi, quyết định mức độ sửa lỗi của mã QR Để giúp cho việc cân bằng giữa các ô đen và trắng trên mã, chức năng Mask được thiết lập Dựa vào 8 loại nguyên tắc, các thông tin lưu trên mã QR vẫn đảm bảo sự toàn vẹn cũng như màu sắc của các ô đen trắng để bảo đảm sự cân bằng

+ (3) Vùng dữ liệu (Data): Chứa những dữ liệu thực tế

+ (4) Mô-đun (Module): Các ô đen mã QR chứa các đoạn mã nhị phân và

mang giá trị là 1, các ô trắng có giá trị là 0 Tập hợp các ô chính là các thông tin lưu trữ vào mã QR

+ (5) Ký hiệu căn chỉnh (Alignment pattern): Giúp định hướng mã QR, có

thể giải mã từ mọi góc độ Ngay cả khi mã đang ngược hoặc ở một góc khác, máy vẫn có thể đọc được mã một cách dễ dàng

+ (6) Mẫu thời gian (Timing pattern): Khi sử dụng mẫu này, máy quét có thể

biết được độ lớn của ma trận dữ liệu

+ (7) Thông tin phiên bản (Version pattern): Chỉ định phiên bản của mã QR,

được xác định bởi số lượng mô-đun Hiện tại, có tất cả 40 phiên bản từ 1 đến

40 Phiên bản 1 gồm 21 đun, mỗi phiên bản tiếp theo sẽ tăng thêm 4 đun cho đến khi đạt đến phiên bản 40 với tổng số 177 mô-đun Càng nhiều mô-đun bên trong mã QR, nó sẽ có nhiều dung lượng lưu trữ hơn Đối với mục đích tiếp thị, thường dũng mã QR với phiên bản từ 1 đến 7

mô-+ (8) Vùng yên tĩnh (Quiet zone): Đây là không gian trống xung quanh mã,

cho phép bộ đọc mã phân biệt mã QR với môi trường xung quanh

- Đặc điểm:

Cùng là mã vạch nhưng QR Code lại là phiên bản cải tiến của mã vạch truyền thống Mã vạch truyền thống là một dãy các vạch được xếp liền kề nhau, chỉ chứa được tối đa 20 ký tự số, trong khi đó thì mã QR có khả năng chứa tối đa 7.089 ký tự số và 4.296 ký tự chữ số Điều này cho phép lượng thông tin truyền tải sẽ nhiều hơn, hỗ trợ tốt hơn cho người dùng, đặc biệt là những doanh nghiệp kinh doanh muốn gửi thông điệp đến khách hàng của mình Không chỉ thế, nếu

so về kích thước thì QR Code chiếm ít không gian hơn rất nhiều so với mã vạch truyền thống Nếu in trên sản phẩm hoặc danh thiếp thì sẽ nhỏ gọn và tăng tính thẩm mỹ hơn

Một mã QR có thể chứa đựng một địa chỉ web (URL), các thông tin liên hệ của cá nhân hoặc doanh nghiệp như sản phẩm, địa chỉ email, số điện thoại, địa chỉ nhà, tin nhắn SMS,…Cũng tùy thuộc vào thiết bị đọc mã QR mà khi quét

nó sẽ dẫn tới một trang web, gọi đến một số điện thoại, xem một tin nhắn,…

Hình 2.2: Mã vạch truyền thống và mã QR code

2.1.3 Bài toán công nghệ đặt ra của trạm phân loại sản phẩm sử dụng

QR code

Bài toán đặt ra một số yêu cầu vận hành cơ bản mô phỏng hệ thống làm việc trong thực tế Khi nhấn start băng tải vận hành đưa các sản phẩm vào khu vực phân loại Tại khu vực phân loại bố trí webcam để nhận dạng mã QR code trên sản phẩm Ở chế độ manual người dùng thao tác điều khiển cơ cấu tay máy thông qua nút nhấn trên giao diện wincc Ở chế độ auto, khi nhận dạng được

mã QR trên sản phẩm chương trình nhận dạng tự động gửi tín hiệu phân loại đến PLC để điều khiển cơ cấu phân loại Các trạng thái vận hành của hệ thống được giám sát trên giao diện Wincc Khi nhấn stop hệ thống dừng hoạt động

2.1.4 Phương pháp tạo và nhận dạng QR code

❖ Tạo mã Qrcode

Bước 1: Tạo chuỗi nhị phân: Tạo chuỗi nhị phân bao gồm dữ liệu và thông

tin về chế độ mã hóa, cũng như độ dài dữ liệu Bước này bao gồm:

- Mã hóa bộ chỉ chế độ

- Mã hóa độ dài của dữ liệu

- Má hóa dữ liệu

- Hoàn thành các bit

- Giới hạn các chuỗi thành các chuỗi con 8 bit

Bước 2: Tạo bộ sửa lỗi: Trong mã Qrcode chứa bộ mã sửa lỗi

Reed-Solomon Các khối dữ liệu dự phòng đảm bảo rằng mã Qrcode vẫn được đọc cho dù có một phần không nhận diện được Bước này bao gồm:

- Tìm ra có bao nhiêu mã sửa lỗi cần được tạo

- Tạo một thông điệp đa thức

- Tạo một bộ đa thức

Bước 3: Chọn mẫu mặt nạ tốt nhất: Sử dụng mô hình mặt nạ cho phép tạo ra

8 mã QR khác nhau và sau đó chọn một trong số đó để dễ dàng nhất cho đọc

Qr khi quét Bước này bao gồm:

- Tạo mã QR

- Thêm thông tin Loại

- Thêm thông tin phiên bản

- Thêm dữ liệu bits

- Hoàn tất mã QR

❖ Quy trình phát hiện và đọc mã QR

Quy trình phát hiện và đọc mã Qr được thực hiện qua các bước sau:

- Phát hiện Position Detection Patterns (các mẫu phát hiện vị trí)

- Xác đinh phiên bản sử dụng

- Gỡ bỏ mặt nạ để lấy dữ liệu thô

- Đọc các cell data và các cell sửa lỗi để trích rút dữ liệu cần thiết

Hệ thống sử dụng webcam, kết nối với máy tính cá nhân qua cổng USB Việc nhận dạng mã QR được thực hiện thông qua giao diện winform C# Chương trình giao diện C# sẽ tham gia điều khiển PLC trong quá trình vận hành của hệ thống

Cách thư viện hỗ trợ trên ứng dụng C# bao gồm các thư viện sau:

• Thư viện đọc video từ webcam bao gồm: Aforge, Aforge.video, Aforge.video.DirectShow

Hình 2.3: Thư viện đọc video từ webcam

• Thư viện giải mã QR code: Zxing.net

Hình 2.4: Thư viện giải mã Qr code

• Ngoài ra, để hỗ trợ quá trình vận hành Chương trình cần thiết phải hỗ trợ tạo mã QR coder để thuận tiện cho quá trình sử dụng Do đó nhóm em sử dụng thư viện QR coder để hỗ trợ việc tạo mã QR với nội dung cần thiết trong quá trình sử dụng

2.1.5 Giới thiệu về phần mềm Visual Studio

Hình 2.5: Phần mềm visual studio

Microsoft Visual Studio là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) từ Microsoft Microsoft Visual Studio còn được gọi là "Trình soạn thảo mã nhiều người sử dụng nhất thế giới ", được dùng để lập trình C++ và C# là chính Nó được sử dụng để phát triển chương trình máy tính cho Microsoft Windows, cũng như các trang web, các ứng dụng web và các dịch vụ web Visual Studio

sử dụng nền tảng phát triển phần mềm của Microsoft như Windows API,

Windows Forms, Windows Presentation Foundation, Windows Store và Microsoft Silverlight

Visual Studio bao gồm một trình soạn thảo mã hỗ trợ IntelliSense cũng như cải tiến mã nguồn Trình gỡ lỗi tích hợp hoạt động cả về trình gỡ lỗi mức độ

mã nguồn và gỡ lỗi mức độ máy Công cụ tích hợp khác bao gồm một mẫu thiết

kế các hình thức xây dựng giao diện ứng dụng, thiết kế web, thiết kế lớp và thiết kế giản đồ cơ sở dữ liệu Nó chấp nhận các plug-in nâng cao các chức năng ở hầu hết các cấp bao gồm thêm hỗ trợ cho các hệ thống quản lý phiên bản (như Subversion) và bổ sung thêm bộ công cụ mới như biên tập và thiết kế trực quan cho các miền ngôn ngữ cụ thể hoặc bộ công cụ dành cho các khía cạnh khác trong quy trình phát triển phần mềm

Visual Studio hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau và cho phép trình biên tập mã và gỡ lỗi để hỗ trợ (mức độ khác nhau) hầu như mọi ngôn ngữ lập trình Các ngôn ngữ tích hợp gồm có C, C++ và C++/CLI (thông qua Visual C++), VB.NET (thông qua Visual Basic.NET), C# (thông qua Visual C#)

❖ Các tính năng

- Biên tập mã: Giống như bất kỳ IDE khác, nó bao gồm một trình soạn thảo mã hỗ trợ tô sáng cú pháp và hoàn thiện mã bằng cách sử dụng IntelliSense không chỉ cho các biến, hàm và các phương pháp mà còn các cấu trúc ngôn ngữ như vòng điều khiển hoặc truy vấn IntelliSense được hỗ trợ kèm theo cho các ngôn ngữ như XML, Cascading Style Sheets và JavaScript khi phát triển các trang web và các ứng dụng web Các đề xuất tự động hoàn chỉnh được xuất hiện trong một hộp danh sách phủ lên trên đỉnh của trình biên tập mã Trong Visual Studio 2008 trở đi, nó có thể được tạm thời bán trong suốt để xem mã che khuất bởi nó Các trình biên tập mã được sử dụng cho tất cả các ngôn ngữ được hỗ trợ

- Trình gỡ lỗi: Visual Studio có một trình gỡ lỗi hoạt động vừa là một trình

gỡ lỗi cấp mã nguồn và là một trình gỡ lỗi cấp máy Nó hoạt động với cả hai

mã quản lý cũng như ngôn ngữ máy và có thể được sử dụng để gỡ lỗi các ứng dụng được viết bằng các ngôn ngữ được hỗ trợ bởi Visual Studio Ngoài ra, nó cũng có thể đính kèm theo quy trình hoạt động và theo dõi và gỡ lỗi những quy trình Nếu mã nguồn cho quá trình hoạt động có sẵn, nó sẽ hiển thị các mã như

nó đang được chạy Nếu mã nguồn không có sẵn, nó có thể hiển thị các tháo

gỡ Các Visual Studio debugger cũng có thể tạo bãi bộ nhớ cũng như tải chúng sau để gỡ lỗi Các chương trình đa luồng cao cấp cũng được hỗ trợ Trình gỡ lỗi có thể được cấu hình sẽ được đưa ra khi một ứng dụng đang chạy ngoài Visual Studio bị treo môi trường

- Thiết kế:

+) Windows Forms Designer: được sử dụng để xây dựng GUI sử dụng Windows Forms; bố trí có thể được xây dựng bằng các nút điều khiển bên trong hoặc khóa chúng vào bên cạnh mẫu

+) WPF Designer: có tên mã là Cider,[31] được giới thiệu trong Visual Studio 2008 Giống như Windows Forms Designer, hỗ trợ kéo và thả ẩn dụ Sử dụng tương tác người-máy nhắm mục tiêu theo Windows Presentation Foundation

+) Web designer/development: Visual Studio cũng bao gồm một trình soạn thảo và thiết kế trang web cho phép các trang web được thiết kế bằng cách kéo

và thả các đối tượng Nó được sử dụng để phát triển các ứng dụng ASP.NET

và hỗ trợ HTML, CSS và JavaScript

+) Data designer: Thiết kế dữ liệu có thể được sử dụng để chỉnh sửa đồ họa giản đồ cơ sở dữ liệu bao gồm các bảng, khóa chính, khóa ngoại và các rằng buộc Nó cũng có thể được sử dụng để thiết kế các truy vấn từ các giao diện đồ họa

2.1.6 Kết nối giao diện C# với PLC

Việc kết nối giao diện C# với PLC là cần thiết khi nhận được kết quả nhận dạng mã QR chương trình sẽ gửi tín hiệu để điều khiển các cơ cấu của mô hình

qua PLC S7.NET là thư viện hỗ trợ kết nối các thiết bị máy cá nhân chạy nền tảng window với các bộ điều khiển của Siemens Thư viện hỗ trợ người dùng các thao tác đầy đủ bao gồm đọc dữ liệu, ghi dữ liệu từ các vùng nhớ trên PLC, tương thích với tất cả các bộ lập trình S7-1500, S7-1200, S7-200, S7-300

Hình 2.6: Kết nối giao diện C# với PLC

2.1.7 Tạo giao diện nhận dang và tạo mã Qrcode

Cài đặt Visual Studio trên trang webhttps://visualstudio.microsoft.com/fr/

Hình 2.7: Giao diện trang chủ Visual Studio

- Để phục vụ cho việc thiết kế giao diện ta cài đặt “.NET desktop development”

Tại “.NET desktop development” ta có thể tạo giao diện rất đa dạng cho nhiều mục đích khác nhau như tạo giao diện quản lý, các thanh công cụ, game

cơ bản …

Hình 2.8: Những phương thức thiết kế trong Visual Studio

- Dưới đây là giao diện khi ta truy cập vào “Window Application Fom ” Visual Studio sẽ cho ta một biểu mẫu ban đầu ta có thể thao tác trên chúng

để tạo ra những giao diện mà mình muốn

Hình 2.9: Màn hình khởi tạo của WinForm

- Tại thanh công cụ tool box cho phép ta đưa những phần tử điều khiển để thiết kế biểu mẫu

Hình 2.10: Thanh công cụ thiết kế Tool Box

❖ Ví Dụ: ta thêm phần tử “button” vào biểu mẫu, phần tử này có chức năng là nút nhấn tác động

Hình 2.11: Đưa phần tử vào biểu mẫu

- Ta có kiểm soát và chỉnh sửa phần tử thông qua công cụ Properties

Hình 2.12: Công cụ điều chỉnh phần tử thiết kế

- Bên cạnh đó mỗi phần tử đều được ràng buộc với một hàm điều khiển được kiểm soát thông qua ngôn ngữ C# Tại đây ta có thể đặt biến trạng thái cho nút nhấn “button” và kiểm soát bằng cách viết chương trình cho chúng gọi

là hàm điều khiển

Hình 2.13: Hàm điều khiển của phần tử

- Đầu tiên, vào menu Tool => Library Packet Manager =>Packet Manager Console Sau khi, click vào sẽ mở cửa sổ dòng lệnh quản lý các thư viện qua Nuget, Bây giờ mình sẽ cài đặt AForge.NET với Zxing bằng các câu lệnh dưới đây:

Hình 2.14: Các câu lệnh để cài đặt Aforge.Net

- Đầu tiên import thư viện vào:

Hình 2.15: Nhập câu lệnh vào chương trình

Giao diện hoàn chỉnh khi thiết kế xong

- Giao diện gồm 2 phần:

+ Phần 1 khởi tạo mã QR code cho sản phẩm và xác định vị trí của sản phẩm

đó sau khi phân loại “ Tạo mã QR code”

Hình 2.16: Khởi tạo giao diện tạo mã Qrcode

❖ Ví Dụ: Ta đặt tên mã sảm phẩm là “ Đại Học Công Nghiệp” và lựa chọn vị trí là 1, Visual Studio thông qua thư viện Zxing.Net mã hóa dòng

chữ “ Đại Học Công Nghiệp” thành QR code tương ứng và xác định vị trí của sản phẩm

Hình 2.17: Mã hóa sản phẩm

+ Phần 2 giao diện vận hành của hệ thồng bao gồm một phần tử kết nối với Webcam thông qua thư viện Aforge.NET và một phần tử kết nối Visual Studio với PLC thông qua thư viện S7.NET Webcam sẽ quét hình ảnh QR code và

mã hóa chúng trở lại dưới dạng văn bản hiển thị ở phần tử “ Nội dung mã code” Ngay khi scan được QR code của sản phẩm sẽ gửi tín hiệu đến PLC để xử lý

và quyết định quy trình vận hành của tay máy khí nén

Hình 2.18: Scan QR code mã hóa về định dạng văn bản

2.2 Các thành phần của hệ thống phân loại

2.2.1 Cơ cấu băng tải

Băng tải (băng chuyền) là thiết bị chuyên dụng được dùng trong công nghiệp được cấu tạo từ hệ thống máy hoặc cơ có khả năng di chuyển một vật nặng có khối lượng lớn vận từ điểm này sang điểm khác cách nhau một khoảng cách nào đó hoặc vận chuyển theo phương nghiêng, ngang Trong sản xuất băng tải

có ý nghĩa rất quan trọng Nhờ sự xuất hiện của băng tải mà lượng vật liệu cũng như sản phẩm tong sản xuất được vận chuyển liên tục đảm bảo nhịp sản xuất, giúp giảm sức lao động và tiết kiệm chi phí nhân công

❖ Cấu tạo của băng tải bao gồm các thành phần chính như:

• Khung băng tải: thường được làm bằng một loại nhôm định hình, thép sơn tĩnh điện, hoặc inox…

• Dây băng tải

• Bộ điều khiển băng tải: PLC, biến tần, role, contactor…

• Con lăn đỡ/ con lăn bị động

• Con lăn kéo/ con lăn chủ động

• Động cơ giảm tốc: công suất từ 25W đến 2,2kW…

Hình 2.19: Cấu tạo của băng tải

❖ Nguyên lý hoạt động:

Động cơ được gắn vào một đầu của băng tải thông qua bộ truyền chuyển động hoặc bắt trực tiếp với con lăn dẫn động Khi động cơ quay sẽ truyền chuyển động cho con lăn dẫn động và nhờ ma sát của bề mặt băng tải với con lăn sẽ làm cho băng tải chuyển động theo chiều chuyển động của con lăn

❖ Một số dạng băng tải trong thực tế:

Băng tải cao su: Hệ thống băng tải cao su hình dưới là một hệ thống vận chuyển nguyên liệu mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất với các hệ thống cùng chức năng Hệ thống vận chuyển bằng băng tải cao su này có thể lắp đặt được

ở mọi địa hình

Hình 2.20: Băng tải cao su

Băng tải xích: Băng tải xích chủ yếu được dùng để vận chuyển tải nặng, sử dụng trong các ngành công nghiệp đặc biệt là công nghiệp ôtô thường dùng những băng tải truyền xích để chuyền tải phụ tùng xe hơi qua các nhà máy sơn

Hình 2.21: Băng tải xích

Băng tải con lăn: Băng tải con lăn là hệ thống băng tải gồm những con lăn được bố trí trên các giá dựng đứng, sử dụng trong các kho chứa các hộp sản phẩm, hệ thống giá đỡ con lăn thuận tiện cho việc đặt dỡ các thùng hàng

Hình 2.22: Băng tải rulo

2.2.2 Nguồn cấp điện

Nguồn switching hay thường gọi là nguồn xung là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với biến áp xung Bộ nguồn DC Switching thường có nhiều mức đầu ra khác nhau như 6V, 12V, 24V, 36V… để cấp nguồn nuôi cho những thiết bị khác nhau

❖ Cấu tạo:

Hình 2.23: Cấu tạo nguồn switching

- Biến áp xung: Cũng cấu tạo gồm các cuộn dây quán trên một lõi từ giống như biến áp thông thường chỉ có điều biến áp này sử dụng lõi ferit còn biến áp thường sử dụng lỗi thép kỹ thuật điện Với cùng một kích thước thì biến áp xung cho công suất lớn hơn biến áp thường rất nhiều lần Ngoài ra biến áp xung hoạt động tốt ở dải tần cao còn biến áp thường chỉ hoạt động ở dải tần thấp

- Cầu chì: Bảo vệ mạch nguồn bị ngắn mạch

- Cuộn chống nhiễu, tụ lọc sơ cấp, diode chỉnh lưu: Có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều tích trữ trên tụ lọc sơ cấp để cung cấp năng lượng cho cuộn sơ cấp của máy biến áp xung

- Sò công suất: Đây là một linh kiện bán dẫn dùng như một công tắc chuyển mạch , đó có thể là transistor, mosfet, IC tích hợp, IGBT có nhiệm vụ đóng cắt điện từ chân (+) của tụ lọc sơ cấp vào cuộn dây sơ cấp của biến áp xung rồi cho xuống mass

- Tụ lọc nguồn thứ cấp: Dùng để tích trữ năng lượng điện từ cuộn thứ cấp của biến áp xung để cấp cho tải tiêu thụ Chúng ta biết rằng khi cuộn sơ cấp của biến áp được đóng cắt điện liên tục bằng sò công suất thì xuất hiện từ trường biến thiên dẫn đến cuộn thứ cấp của biến áp cũng xuất hiện một điện áp ra Điện

áp này được chỉnh lưu qua một vài diode rồi đưa ra tụ lọc (tụ điện) thứ cấp để san phẳng điện áp

- Ic quang và Ic 431: Có nhiệm vụ tạo ra một điện áp cố định để khống chế điện áp ra bên thứ cấp ổn định theo mong muốn Chúng sẽ làm nhiệm vụ

khống chế dao dộng đóng cắt điện vào cuộn sơ cấp của biến áp xung sao cho điện áp ra bên thứ cấp đạt yêu cầu

❖ Nguyên lý hoạt động:

- Khi công tắc điện mở, nguồn điện sẽ được đi qua nguồn tổ ong Khi đó, cuộn sơ cấp của biến áp được đóng/cắt điện liên tục bằng sò công suất và sẽ xuất hiện từ trường biến thiên

- Cuộn thứ cấp của biến áp cũng xuất hiện một điện áp ra Điện áp này được chỉnh lưu qua một vài diode rồi đưa ra tụ lọc nguồn thứ cấp để san phẳng điện áp

- Tiếp theo, các tụ IC quang và IC TL431 sẽ không chế dao động đóng/cắt điện vào cuộn sơ cấp của biến áp xung sao cho điện áp ra bên thứ cấp đạt yêu cầu

Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lý nguồn switching

2.2.3 Động cơ DC

❖ Cấu tạo:

Hình 2.25: Động cơ DC

- Stator: là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện

- Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện

- Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp

- Cổ góp (commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện cho các cuộn dây trên rotor Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với số cuộn dây trên rotor

❖ Nguyên lý hoạt động:

Stato của motor điện 1 chiều thường là 1 hoặc gồm nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, (có thể dùng bằng nam châm điện), còn rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện 1 chiều Đồng thời, bộ phận chỉnh lưu có nhiệm vụ là làm đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là chuyển động liên tục Bộ phận này sẽ gồm có 1 bộ cổ góp và 1 bộ chổi than được mắc tiếp xúc với cổ góp của động cơ

Khi trục quay của một động cơ điện 1 chiều được kéo bằng 1 lực tác động từ bên ngoài, động cơ sẽ hoạt động tương tự như 1 chiếc máy phát điện 1 chiều để nhằm tạo ra một sức điện động cảm ứng có tên là Electromotive force (EMF) Trong hoạt động, phần rotor quay sẽ phát ra 1 điện áp (hay còn gọi là sức phản điện động) có tên là counter EMF (CEMF) hoặc còn được gọi là sức điện động đối kháng

Sức điện động này hoạt động tương tự như sức điện động được phát ra khi động cơ được sử dụng với chức năng giống như 1 chiếc máy phát điện Lúc này, điện áp đặt trên động cơ sẽ gồm 2 thành phần chính là: sức phản điện động cùng với điện áp giáng tạo ra do điện trở ở bên trong của các cuộn dây phần ứng

2.2.4 Cơ cấu tay gắp sản phẩm

Phân loại một số dạng tay robot:

- Tay robot sử dụng thành phần điện

- Tay robot sử dụng cơ cấu khí nén

Tay robot khí nén

Ưu điểm: