HD4 nguyễn anh tú nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo QR code

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,… Tro

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ - -

CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN

PHẨM THEO QR CODE

Giáo viên hướng dẫn: T.S NGUYỂN ANH TÚ Sinh viên thực hiện : TRẦN TUẤN ANH 2018606322

VŨ MINH HIẾU 2018606356 LƯU THANH HÒA 2018606135

Hà Nội - 2022

LỜI NÓI 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 theo 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 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 lượng, 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 Nguyễn Anh Tú

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

Trần Tuấn Anh

Vũ Minh Hiếu Lưu Thanh Hòa

MỤC LỤC

MỤC LỤC 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

CỤM TỪ VIẾT TẮT 11

ĐẠI LƯỢNG TOÁN HỌC 12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 13

1.1 Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm 13

1.1.1 Lịch sử nghiên cứu 13

1.1.2 Một số hệ thống phân loại sản phẩm điển hình 15

1.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 18

1.3 Phương pháp nghiên cứu 18

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 20

2.1 Phương pháp nhận diện QR code 20

2.1.1 Tổng quan về QR code 20

2.1.2 Phương pháp nhận dạng QR code 22

2.1.3 Kết nối giao diện C# với PLC 22

2.2 Giải pháp điều khiển hệ thống 24

2.2.1 Tổng quan về bộ điều khiển PLC 24

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 25

2.2.3 Các cơ sở lý thuyết liên quan 30

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG 33

3.1 Thiết kế tổng thể hệ thống phân loại 33

3.1.1 Quy trình công nghệ 33

3.1.2 Sơ đồ khối hệ thống 33

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí 35

3.2.3 Tính toán thông số băng tải 35

3.2.4 Tính chọn động cơ băng tải 37

3.2.5 Tính chọn xylanh khí nén 40

3.3 Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển 45

3.3.1 Bộ điều khiển trung tâm 45

3.3.2 Module TB-6600 Driver điều khiển động cơ bước 49

3.3.3 Cảm biến quang điện 52

3.3.4 Lựa chọn máy nén khí 52

3.3.5 Nguồn xung DC 24V-10A 54

3.3.6 Thiết bị đóng cắt nguồn điện 54

3.3.7 Webcam quét QR 55

3.4 Xây dựng phần mềm giám sát hệ thống 55

3.5 Chế tạo, thử nghiệm và đánh giá hệ thống 56

3.5.1 Lắp ráp 56

3.5.2 Kết quả thử nghiệm 57

3.5.3 Đánh giá 58

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 61

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Máy phân loại sản phẩm theo kích thước [6] 15

Hình 1.2: Máy phân loại sản phẩm theo khối lượng [6] 16

Hình 1.3: Máy phân loại sản phẩm theo màu sắc [6] 16

Hình 1.4: Máy phân loại sản phẩm theo hình ảnh sử dụng camera [6] 17

Hình 1.5: Kiểm tra mã vạch sản phẩm nước ngọt sau đóng gói [6] 17

Hình 2.1: Cấu tạo QR code 20

Hình 2.2: Quy trình tạo và quét QR code 22

Hình 2.3: Cách sắp xếp nội dung mã nhị phân 22

Hình 2.4: Giao diện Microsoft Visual Studio 23

Hình 2.5: Sơ đồ khối vận hành của PLC 25

Hình 2.6: Sơ đồ khối PLC 27

Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc hoạt động của bộ điều khiển PLC 29

Hình 2.8: Giao diện phần mềm TIA Portal 30

Hình 2.9: Giao diện phần mềm WinCC 32

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 33

Hình 3.2: Lực tác dụng lên băng tải 37

Hình 3.3: Động cơ bước AK-M142U 39

Hình 3.4: Xy lanh xoay CRBU2S40-90DZ 42

Hình 3.5: Thông số kỹ thuật xoay CRBU2S40-90DZ 43

Hình 3.6: Xylanh khí nén CXSL15-70 44

Hình 3.7: PLC S7-1200 47

Hình 3.8: Driver TB-6600 [7] 49

Hình 3.9: Sơ đồ nối dây 50

Hình 3.10: Cảm biến quang điện E3F-DS30C4 [8] 52

Hình 3.11: Máy bơm khí nén 24V 53

Hình 3.12: Nguồn xung DC 24V-10A [9] 54

Hình 3.13: Aptomat BKN -B C1 [10] 54

Hình 3.14: Webcam QR 55

Hình 3.15: Giao diện giám sát hệ thống trên WinCC 55

Hình 3.16: Giao diện trên Visual Studio 56

Hình 3.17: Băng chuyền 56

Hình 3.18: Mô hình khi hoàn thành 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Thông số động cơ bước AK-M142U 39

Bảng 3.2: Thông số kĩ thuật PLC S7-1200 45

Bảng 3.3: Cài đặt dòng cho động cơ bước 51

Bảng 3.4: Cài đặt vi bước cho Driver 51

Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật cảm biến tiện cần E3F 52

CỤM TỪ VIẾT TẮT

AC Alternating Current

API Application Program Interface

CNC Computer Numerical Controlled

CPU Central Processing Unit

DC Direct Current

ECC Error correction code

EEFROM Electriccal Erasable Programmable Read Only Memory EPROM Erasable Programmable Read Only Memory

ERP Enterprise Resource Planning

HMI Human Machine Interface

I/O Input/Output

IDE Integrated Development Environment

MES Manufacturing Excution System

OLE Object Linking and Embedding

OPC OLE for Process Control

PC Personal Computer

PID Proportional Integral Derivative Controller

PLC Programmable Logic Controller

RAM Random Access Memory

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

SMS Short Meѕѕaging Serᴠiᴄe

TIA Portal Total Intergrated Automation Portal

URL Uniform Resource Locator

WinCC Windows Control Center

ĐẠI LƯỢNG TOÁN HỌC

D𝐶 Chiều dài phần đáy sản phẩm

𝜇 Hệ số ma sát

µ Hệ số hiệu dụng của xylanh

b Chiều dày đai

D Đường kính của xylanh

𝜀 Độ dãn dài tối thiểu cho băng tải

𝜂 Hiệu suất truyền động động cơ

𝜔 Tốc độ góc của động cơ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN

PHẨM 1.1 Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm

1.1.1 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 khiển 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 dán 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 QR code 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…

1.1.2 Một số hệ thống phân loại sản phẩm điển hình

Hiện nay, tại các nhà máy, xí nghiệp ở nước ta và trên thế giới sử dụng nhiều mô hình phân loại sản phẩm khác nhau được thiết kế theo các dây chuyền Tùy theo các yêu cầu sản xuất trong thực tế người ta chia ra các hình thức phân loại sản phẩm như sau:

❖ Hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước

Thường được sử dụng các cảm biến quang, hồng ngoại, siêu âm, để so sánh kích thước của sản phẩm, sau đó đưa tín hiệu về bộ xử lý để thực hiện Kiểu phân loại này được sử dụng nhiều trong các nhà máy sản xuất chai lọ, nông sản, với ưu điểm lớn nhất là chi phí cảm biến thấp, lắp đặt đơn giản và

dễ dàng vận hành

Hình 1.1: Máy phân loại sản phẩm theo kích thước [6]

❖ Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng

Kiểu phân loại này sử dụng cảm biến trọng lượng để phân biệt sản phẩm nặng-nhẹ, đủ khối lượng yêu cầu, cách hoạt động của hệ thống gần giống như của hệ thống phân loại theo kích thước Thường gặp ở các nhà máy sản xuất dưới dạng đống gói bao bì cần khối lượng chính xác

Hình 1.2: Máy phân loại sản phẩm theo khối lượng [6]

❖ Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

Thường sử dụng các cảm biến màu, chủ yếu dùng trong ngành công nghiệp vải lụa, in sơn, hoa quả,

Hình 1.3: Máy phân loại sản phẩm theo màu sắc [6]

❖ Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình ảnh

Sự khác biệt trong hình thức này là dây chuyền không sử dụng các loại cảm biến, thay vào đó là được sử dụng các camera máy ảnh để chụp ảnh sản phẩm cần phân loại, sau đó đưa ảnh so sánh với ảnh gốc chuẩn để xác định sự sai khác, và phân biệt chủng loại sản phẩm Ưu điểm của phương pháp này là

độ chính xác khá cao nhưng hạn chế giá thành đắt, thường được sử dụng trong phân loại gạch men, nông sản, chi tiết ô tô,…

Hình 1.4: Máy phân loại sản phẩm theo hình ảnh sử dụng camera [6]

❖ Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch

Đây là kiểu phân loại hiện đại, được sử dụng máy đọc mã vạch như QR code, mã UPC, mã EAN,… chủ yếu sử dụng để phân loại sản phẩm là linh kiện máy móc, nhãn hàng sau đóng gói, bao bì sản phẩm,…

Hình 1.5: Kiểm tra mã vạch sản phẩm nước ngọt sau đóng gói [6]

1.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

❖ Đối tượng nghiên cứu:

- Hệ thống phân loại sản phẩm theo QR code

- Tay gắp khí nén

Áp dụng các kiến thức chuyên ngành đã học về cảm biến, tự động hóa, vẽ

kỹ thuật kết hợp với thực tiễn để nghiên cứu thiết kế hệ thống với các chức năng được thực hiện hoàn toàn tự

Hệ thống có thể vận hành ở 2 chế độ tự động và thủ công Điều khiển dễ dàng thông qua các nút nhấn và có sự giám sát quy trình trên thiết bị truyền thông cho nhận như máy tính hoặc màn hình hiển thị HMI

Hệ thống hoạt động ổn định trong thời gian dài và đảm bảo an toàn bằng một cơ chế cảnh báo khi có lỗi xảy ra Lập trình và mô phỏng được hoạt động của hệ thống, tính toán các kết cấu cơ khí và điều khiển trên các phần mềm mô phỏng chuyên dụng và vẽ 3D

1.3 Phương pháp nghiên cứu

❖ 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 Solidworks để thiết kế và mô phỏng hệ thống cơ khí

❖ Dự kiến kết quả đạt được

Mục tiêu đặt ra là thiết kế: Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng webcam

để phát hiện QR code, có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, bảo trì, sửa chữa

Để thiết kế được nhóm tác giả 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 theo QR code

- 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

❖ Kết quả mong muốn cuối cùng:

- Xây dựng thành công mô hình cơ khí 3D hệ thống phân loại sản phẩm theo QR code bằng phần mềm Solidworks

- Xây dựng được chương trình điều khiển cho hệ thống hoạt động ổn định theo dự kiến đề ra

- Lắp ráp, hoàn thiện mô hình sản phẩm, vận hành đúng so với thực nghiệm

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI

SẢN PHẨM 2.1 Phương pháp nhận diện QR code

2.1.1 Tổng quan về QR code

- QR là viết tắt của Quick Response hay còn gọi là mã vạch ma trận barcode), là dạng mã vạch hai chiều (2D) có thể được đọc bởi một máy đọc mã vạch hay điện thoại thông minh có chức năng chụp ảnh với ứng dụng chuyên biệt để quét mã vạch

(matrix Đặc điểm của QR code:

+ Một QR code 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

QR code mà khi quét nó sẽ dẫn tới một trang web, gọi đến một số điện thoại, xem một tin nhắn,…

+ Có thể nhập tối đa 7.089 chữ số hoặc 4.296 ký tự, bao gồm cả dấu câu

và ký tự đặc biệt trong một mã Ngoài các số và ký tự, từ và cụm từ cũng có thể được mã hóa Khi có thêm dữ liệu được thêm vào QR code, kích thước mã sẽ tăng lên và cấu trúc mã cũng trở nên phức tạp hơn

Hình 2.1: Cấu tạo QR code

- Cấu tạo của QR code: 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)

Trong đó:

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

QR code 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 QR code 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 QR code 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 QR code 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 QR code

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

code, 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 mô-đun, mỗi phiên bản tiếp theo sẽ tăng thêm 4 mô-đun cho đến khi đạt đến phiên bản 40 với tổng số 177 mô-đun Càng nhiều mô-đun bên trong QR code, nó sẽ có nhiều dung lượng lưu trữ

hơn Đối với mục đích tiếp thị, thường dũng QR code với phiên bản từ 1 đến 7

+ (8) Vùng yên tĩnh (Quiet zone): Đây là không gian trống xung quanh mã, cho phép bộ đọc mã phân biệt QR code với môi trường xung quanh

2.1.2 Phương pháp nhận dạng QR code

Hình 2.2: Quy trình tạo và quét QR code

- Nội dung muốn tạo được mã hóa thành mã nhị phân rồi đưa vào QR code theo dạng ô vuông (đen là 1, trắng là 0)

- Nội dung được xếp từ dưới lên trên, từ phải sang trái

Hình 2.3: Cách sắp xếp nội dung mã nhị phân

2.1.3 Kết nối giao diện C# với PLC

- Ngôn ngữ lập trình C#

C# là một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng được phát triển bởi Microsoft, dựa trên C++ và Java Được giới chuyên môn nhận định là một ngôn ngữ lập trình đơn giản, hiện đại, hướng đến nhiều mục đích sử dụng Ngoài ra, tính mạnh mẽ, sự bền bỉ và năng suất của việc lập trình cũng là một điểm mạnh của ngôn ngữ này

Tạo QR code

Quét QR code

- Phần mềm Microsoft Visual Studio

Hình 2.4: Giao diện Microsoft Visual Studio

Đây là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) từ Microsoft 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 Trong luận văn, Visual Studio được sử dụng để lập trình để giao tiếp giữa Arduino, máy tính và PLC

Có rất nhiều ngôn ngữ để cho mọi người có thể lập trình trên môi trường này gồm có C, C++, C#, Visual Basic, Java và Python Ngoài ra cũng có rất nhiều ứng dụng mà mọi người có thể xây dựng ở đây như Windows Forms Designer, Web designer hoặc là Mapping designer Microsoft cung cấp phiên bản

“Express” đối với phiên bản Visual Studio từ 2013 trở về trước và

“Community” đối với bản Visual Studio từ 2015 trở về sau Đây là phiên bản miễn phí của Visual Studio và cũng là phiên bản được sử dụng trong luận văn này

- Thư viện S7.net

S7.net là trình điều khiển PLC và chỉ hoạt động với PLC thông qua Ethernet S7.net được viết hoàn toàn bằng C#, tương thích dòng PLC S7.Việc kết nối giao diện C# với PLC là cần thiết khi nhận được kết quả nhận dạng QR code 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

2.2 Giải pháp điều khiển hệ thống

2.2.1 Tổng quan về bộ điều khiển PLC

PLC là các chữ được viết tắt từ: Programmable Logic Controller Theo hiệp hội quốc gia về sản xuất điện Hoa kỳ thì PLC là một thiết bị điều khiển

mà được trang bị các chức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung

và tính toán cho phép điều khiển nhiều loại máy móc và các bộ xử lý Các chức năng đó được đặt trong bộ nhớ mà tạo lập sắp xếp theo chương trình Nói một cách ngắn gọn PLC là một máy tính công nghiệp để thực hiện một dãy quá trình Người ta đã đi đến tiêu chuẩn hoá các chức năng chính của PLC trong các hệ điều khiển là:

- Điều khiển chuyên gia giám sát:

+ Thay thế cho điều khiển rơ le

+ Thay thế cho các Panel điều khiển, mạch in

+ Điều khiển tự động, bán tự động bằng tay các máy và các quá trình + Có các khối điều khiển thông dụng (thời gian, bộ đếm)

- Điều khiển dãy:

+ Các phép toán số học

+ Cung cấp thông tin

+ Điều khiển liên tục các quá trình (nhiệt độ, áp suất )

+ Điều khiển PID

+ Điều khiển động cơ chấp hành

+ Điều khiển động cơ bước

- Điều khiển mềm dẻo:

+ Điều hành quá trình báo động

+ Phát hiện lỗi khi chạy chương trình

+ Ghép nối với máy tính (RS232/ RS242)

+ Ghép nối với máy in

+ Thực hiện mạng tự động hoá xí nghiệp

+ Mạng cục bộ

+ Mạng mở rộng

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

❖ Cấu tạo

Hệ thống PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản, gồm bộ xử lý, bộ nhớ,

bộ nguồn, giao diện nhập/ xuất (I/O), và thiết bị lập trình

Hình 2.5: Sơ đồ khối vận hành của PLC

- Bộ xử lý của PLC:

Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử

lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu động trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất

- Bộ nguồn:

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp DC (5V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện có trong các module giao diện nhập và xuất

- Bộ nhớ:

+ Bộ nhớ là nơi lưu chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển, dưới sự kiểm tra của bộ vi xử lý Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ:

+ Bộ nhớ chỉ để đọc ROM (Read Only Memory) cung cấp dung lượng lưu trữ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định được CPU sử dụng Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM (Ramden Accept Memory) dành cho chương trình của người dùng

+ Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM dành cho dữ liệu Đây là nơi lưu trữ thông tin theo trạng thái của các thiết bị nhập, xuất, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn các bộ đếm và các thiết bị nội vi khác

+ RAM dữ liệu đôi khi được xem là bảng dữ liệu hoặc bảng ghi

+ Một phần của bộ nhớ này, khối địa chỉ, dành cho các địa chỉ ngõ vào, ngõ ra, cùng với trạng thái của ngõ vào và ngõ ra đó Một phần dành cho dữ liệu được cài đặt trước, và một phần khác dành để lưu trữ các giá trị của bộ đếm, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn,…

+ Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được (EPROM) Là các ROM có thể được lập trình, sau đó các chương trình này được thường trú trong ROM + Người dùng có thể thay đổi chương trình và dữ liệu trong RAM Tất cả các PLC đều có một lượng RAM nhất định để lưu chương trình do người dùng cài đặt và dữ liệu chương trình Tuy nhiên để tránh mất mát chương trình khi nguồn công suất bị ngắt, PLC sử dụng ác quy để duy trì nội dung RAM trong một thời gian Sau khi được cài đặt vào RAM chương trình có thể được tải vào

vi mạch của bộ nhớ EPROM, thường là module có khoá nối với PLC, do đó chương trình trở thành vĩnh cửu Ngoài ra còn có các bộ đệm tạm thời lưu trữ các kênh nhập/xuất (I/O)

+ Dung lượng lưu trữ của bộ nhớ được xác định bằng số lượng từ nhị phân

có thể lưu trữ được Như vậy nếu dung lượng bộ nhớ là 256 từ, bộ nhớ có thể lưu trữ 256 8 = 2048 bit, nếu sử dụng các từ 8 bit và 256 16 = 4096 bit nếu sử dụng các từ 16 bit

- Thiếp bị lập trình:

Thiết bị lập trình được sử dụng để nhập chương trình vào bộ nhớ của bộ

xử lý Chương trình được viết trên thiết bị này sau đó được chuyển đến bộ nhớ của PLC

- Các phần nhập và xuất

+ Là nơi bộ xử lý nhận các thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài Tín hiệu nhập có thể đến từ các công tắc hoặc từ các bộ cảm biến… Các thiết bị xuất có thể đến các cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van solenoid…

+ Thiết bị Logic khả trình PLC là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển, thông qua một ngôn ngữ lập trình riêng thay cho việc phải thiết kế và thể hiện thuật toán đó bằng mạch số Như vậy với chương trình điều khiển của nó PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ trao đổi thông tin với môi trường bên ngoài (Với PLC khác, với các thiết bị, với máy tính cá nhân) Toàn bộ chương trình điều khiển được nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và được thực hiện theo chu kỳ vòng quét (SCAN)

Hình 2.6: Sơ đồ khối PLC

- Có rất nhiều loại PLC của các hãng khác nhau nhưng chúng đều có một nguyên lý chung như hình vẽ dưới đây

+ EEPROM (Electriccal Erasable Programmable Read Only Memory): là

bộ nhớ vĩnh cửu các chương trình có thể lập trình lại bằng thiết bị chuẩn CRT hoặc bằng tay

+ INPUT: Khối đầu vào

+ OUTPUT: Khối đầu ra

+ COM: Cổng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi (Máy tính, bộ lập trình) + CPU: Bộ vi sử lý trung tâm

- Như vậy PLC thực chất hoạt động như một máy tính cá nhân nghĩa là phải có bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ để lưu giữ chương trình điều khiển,

dữ liệu, có cổng vào ra để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài Bên cạnh đó PLC còn có các bộ Counter, Time để phục vụ bài toán điều khiển

❖ Nguyên lý hoạt động của PLC

Đầu tiên các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi (như các sensor, contact, …) được đưa vào CPU thông qua module đầu vào Sau khi nhận được tín hiệu đầu vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua module đầu ra xuất ra các thiết bị được điều khiển bên ngoài theo 1 chương trình đã được lập trình sẵn

Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc hoạt động của bộ điều khiển PLC

Một chu kỳ quét bao gồm đọc tín hiệu đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội, tự kiểm tra lỗi, gửi cập nhật tín hiệu đầu ra được gọi là 1 chu

kỳ quét hay 1 vòng quét (Scan Cycle)

Thường thì việc thực hiện một vòng quét xảy ra trong thời gian rất ngắn (từ 1ms-100ms) Thời gian thực hiện vòng quét này phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh của PLC, độ dài ngắn của chương trình, tốc độ giao tiếp giữa PLC và thiết

bị ngoại vi

2.2.3 Các cơ sở lý thuyết liên quan

❖ Phần mềm TIA Portal

Hình 2.8: Giao diện phần mềm TIA Portal TIA Portal (Total Intergrated Automation Portal) là tên một phần mềm dùng để lập trình cho thiết bị có tên là bộ điều khiển logic (Programmable Logic Controller) trong công nghiệp , không giống như các phần mềm lập trình trước, TIA Portal tích hợp hết các chức năng từ lập trình , giả lập CPU hay thiết kế cả giao diện người – máy Đây là phiên bản hoàn thiện nhất cho việc thiết kế trọn

bộ hệ thống điều khiển bằng PLC của Siemens

Ngoài lập trình cơ bản TIA Portal còn hỗ trợ một số tính năng nổi bật như:

- Hỗ trợ lập trình truyền thống trực tiếp trên phần mềm: Giao diện HMI,WinCC, truyền thông Profbus…với giao diện và tập lệnh sử dụng

- Dễ dàng thiếp lập cấu hình kết nối giữa các thiết bị trong mạng truyền thống

- Hỗ trợ mô phỏng một các trực quan các dòng PLC mới nhất của Siemens với PLCSIM

Có thể nói TIA Portal là phần mềm được Siemens phát triển nhằm thay thế các phần mềm chuyên dụng khác cho các dòng PLC

❖ Phần mềm WinCC

Phần mềm WinCC (WinCC viết tắt của từ Windows Control Center- hệ thống điều khiển trung tâm, Flexible- linh hoạt) là phần mềm chuyên dụng để thiết kế hệ SCADA và hệ thống HMI trong tự động hóa công nghiệp của hãng SIEMENS hiện đang được dùng phổ biến trên Thế giới và Việt Nam WinCC

là công cụ thay thế cho phần mềm ProTool sẽ không còn phát hành (bản cuối cùng là ProTool 6.0 SP3) WinCC hiện có mặt trong rất nhiều lĩnh vực như sản xuất xi măng, giấy, thép, dầu khí……

Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô như: việc tích hợp với những hệ thống cao cấp MES (Manufacturing Excution System -hệ thống quản lý việc thực hiện sản xuất) và ERP (Enterprise Resource Planning) WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới

đo lường, các bảng ghi báo cáo

+ WinCC cho phép người sử dụng có khả năng truy cập vào các hàm giao diện chương trình ứng dụng API (Application Program Interface) của hệ điều hành Ngoài ra, chúng ta còn có thể kết hợp WinCC và các công cụ phát triển riêng như: Visual C++ hay Visual Bacis để tạo ra hệ thống có tính đặc thù cao, tinh vi, gắn riêng với cấu hình cụ thể nào đó WinCC có thể tạo giao diện người-máy (HMI) dựa trên cơ sở giao tiếp giữa con người với các hệ thống máy, thiết

bị điều khiển (PLC, CNC…) thông qua các hình ảnh, sơ đồ, hình vẽ, hay các câu chữ mang tính trực quan Có thể giúp người vận hành theo dõi được quá trình làm việc, thay đổi các thông số, công thức hoặc quá trình hoạt động, hiển thị các giá trị hiện thời cũng như giao tiếp với quá trình công nghệ của hệ thống

tự động

Hình 2.9: Giao diện phần mềm WinCC

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ

HÌNH HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế tổng thể hệ thống phân loại

3.1.1 Quy trình công nghệ

- Bước 1: Kiểm tra hàng có ở băng chuyền

- Bước 2: Đưa hàng đến vị trí quét QR code

- Bước 3: Quét QR xác định xem hàng ở vị trí nào

- Bước 4: Cơ cấu tay gắp lấy hàng

- Bước 5: Vận chuyển hàng vào đúng vị trí phân loại

3.1.2 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống

Chức năng của khối:

- Lắp ráp, hoàn thiện mô hình sản phẩm, vận hành đúng so với thực nghiệm

- Khối Cảm biến ảnh: Dùng để quét QR code

- Khối giám sát: Gồm các thiết bị như màn hình HMI, máy tính,… có chức năng giám sát hoạt động của hệ thống

- Khối cảm biến: Gồm các thiết bị như những cảm biến quang,… có chức năng thu tín hiệu từ bên ngoài phát hiện vị trí vật

- Khối PLC: Có chức năng điều khiển toàn hệ thống

- Khối nguồn: Gồm các thiết bị như aptomat, bộ chuyển đổi nguồn, ổn áp,… có chức năng cấp nguồn cho toàn hệ thống

Khối cơ cấu chấp hành: Gồm các thiết bị như hệ truyền động(băng chuyền),tay gắp khí nén… có chức năng di chuyển và điều khiển các cơ cấu

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí

3.2.3 Tính toán thông số băng tải

❖ Các thông số đầu vào của băng tải

Hình 3.2: Sơ đồ vị trí các phần tử

- Chiều dài băng tải L = 350mm;

- Chiều dài hình học của đai: L G =800mm;

- Chiều dày đai b = 6mm;

- Thống số hình học của sản phẩm: phôi hình hộp chữ nhật cao từ 50mm, khối lượng 0,5kg;

50 Khối lượng con lăn: 𝑚𝑅 = 1(𝑘𝑔)

- Khoảng cách giữa cảm biến hồng ngoại và xylanh phân loại tương ứng

thiết kế) là ℎ ≈ 350𝑚𝑚, năng suất tối đa 8 sản phẩm/phút Trong 1 phút băng tải đi được một quãng đường:

𝑔 là gia tốc trong trường (đơn vị 𝑚 𝑠⁄ ) 2

- Lực kéo tối đa 𝐹1 = 𝐹𝑈 𝐶1 trong đó 𝐶1 là hệ số áp dụng cho các tang và con lăn, tra bảng hệ số này theo góc nối ta chọn C1 = 1,6

Suy ra: 𝐹1 = 𝐹𝑈 𝐶1 = 8,15.1,6 = 13,04 (𝑁) (3.10)

❖ Tính lực của băng tải

Độ dãn dài tối thiểu cho băng tải:

𝜀 ≈

𝐹𝑢

2 +2.𝐹22.𝑘1%.𝑏 (3.11)Trong đó: 𝐹2 = 𝐹1− 𝐹𝑈 = 13,04 − 8,15 = 4,89 (𝑁) (3.12)

- Lực trên nhánh 2: Cho góc ôm 𝛽 = 180° Suy ra:

𝐹𝑤2 = 𝐹1+ 𝐹2 = 13,04 + 4,89 = 17,93 (𝑁) (3.13)

- Lực trên nhánh 1:

𝐹𝑤1 = 𝐹2 𝑒𝜇.𝛽 = 4,89 𝑒𝜋.0,3 = 12,6 (𝑁) (3.14)

- Lực trên tang:

𝐹𝑤3 = √2 𝐹1sin (𝛽

2) = √2.13,04 sin (180

2 ) = 5,1 (𝑁) (3.15)

- Lực trên nhánh đang trong trạng thái nghỉ:

Ở trạng thái nghỉ, lực kéo được xác định ở mặt bên và mặt dưới bằng độ dãn dài khớp nối Lực F được tính theo công thức:

𝐹 = 𝜀[%] 𝑘1% 𝑏 = 0,23.5.6 = 6,9 (𝑁) (3.16)

Vì góc nối 𝛽 = 180° nên lực Fw trên cả băng tải là:

𝐹𝑤 = 2 𝐹 = 2.6,9 = 13,8 (𝑁) (3.5)

3.2.4 Tính chọn động cơ băng tải

Công suất động cơ truyền động băng tải tính theo công thức sau:

𝑃𝑐𝑡 =𝑃𝑡

Trong đó:

𝑃𝑐𝑡 là công suất trên trục động cơ

𝑃𝑡 là công suất tính toán trên trục máy công tác

𝜂 là hiệu suất truyền động hệ thống

Tính 𝑃𝑡

Vì trong quá trình vận chuyển phôi, tải trọng của băng tải không đổi

⇒ 𝑃𝑡 = 𝑃𝑙𝑣

Trong đó: 𝑃𝑙𝑣là công suất làm việc trên trục máy công tác

Băng tải làm việc theo nguyên lý truyền chuyển động dùng lực ma sát giữa băng tải và con lăn theo nguyên lý bộ truyền đại dẹt Xét tại thời điểm băng tải đang vận chuyển phôi có khối lượng lớn nhất, có sơ đồ tác động như sau:

Hình 3.2: Lực tác dụng lên băng tải

Trong đó:

𝑃𝑚𝑎𝑥: Trọng lượng của phôi lớn nhất trên băng tải

𝐹𝑐: Lực căng băng tải

⇒ 𝜂 = 0.99 × 0.95 = 0.9405 Thay số vào công thức 3.7 ta có:

Để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định, an toàn, tránh quá tải gây hỏng hóc, cần phải chọn công suất của động cơ 𝑃𝑑𝑐 ≥ 𝑃𝑐𝑡

Chọn tỉ số truyền của bộ truyền đại bánh răng là: k=1

Tốc độ góc của động cơ là:

𝜔 = 𝑣 × 𝑘

𝐷/2 =

46.630/2 = 3.1(𝑟𝑎𝑑/𝑠) Tốc độ quay của động cơ là:

𝑛 = 𝜔 × 60

2𝜋 =

3.1 × 602𝜋 = 29,6(𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡) Momen xoắn của trục tang được tính bằng công thức:

T = 9.55 × 𝑃

9.55 × 529,6 = 1.62(𝑚𝑁 𝑚)

Ta chọn động cơ bước AK-M142U

Hình 3.3: Động cơ bước AK-M142U Thông số sản phẩm :

Bảng 3.1: Thông số động cơ bước AK-M142U