ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC DÙNG PLC VÀ HMI NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ThS Hoàng Nguyên Phước Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Nguyễn Đức Minh Tâm 1711020460 17DDCB1 Lương Ngọc Hưng 1711020465 17DDCB1 Lương Đức Huy 1711020440 17DDCB1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC DÙNG PLC VÀ HMI NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆ.
Trang 1ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC DÙNG PLC VÀ HMI
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS Hoàng Nguyên Phước
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH
Trang 2ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC DÙNG PLC VÀ HMI
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS Hoàng Nguyên Phước
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Qua bốn năm học tại trường em được sự giúp đỡ và dìu dắc tận tình của quí Thầy (cô) Đến nay khóa học đã kết thúc và chúng em cũng đã hoàn thành Đồ án Tốt Nghiệp
Đó chính là nhờ vào sự giúp đỡ của quí Thầy Cô, đặc biết là thầy Hoàng Nguyên Phước
đã hết lòng giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành Đồ Án Tốt Nghiệp sau hơn 3 tháng thực hiện
Không những thế, các quí Thầy Cô còn chỉ bảo và truyền đạt những kiến thức cũng như kinh nghiệp trong quá trình làm việc với nhau
Do thời gian và điều kiện còn khó khăn do ảnh hưởng của dịch COVID – 19 nên Đồ
án không thể tránh nhiều thiếu sót, mong quí Thầy Cô và các bạn góp ý để Đồ Án của chúng em được hoàn chình hơn
Em xin chân thành bảy tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại học Công Nghệ TPHCM và toàn thể quí Thầy Cô giảng dạy trong Viện Kỹ Thuật Hutech
Trang 4MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU 2
1.1.Tính cấp thiết của đề tài 2
1.2. Đối tượng nghiên cứu 2
1.3. Mục đích nghiên cứu 2
1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu 3
1.5. Phương pháp nghiên cứu 3
1.6. Kết quả đạt được của đề tài 3
1.7. Kết cấu của đề tài: Gồm 6 chương 4
CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 5
2.1. Tổng quan về dây chuyền phân loại sản phẩm hiện nay 5
2.2 Hệ thống phân loại GeoSort 8
CHƯƠNG 3 : PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 9
3.1. Đề xuất phương án 9
3.2. Lựa chọn phương án thiết kế 9
3.2.1 Cảm biến màu sắc TCS3200 9
3.2.2 PLC S7-1200 10
3.2.3 Arduino UNO R3 11
CHƯƠNG 4 : QUY TRÌNH THIẾT KẾ 12
4.1. Mục tiêu 12
4.2. Giới thiệu mô hình 12
Trang 54.3. Phương án điều khiển 13
4.4. Giới thiệu linh kiện 14
4.4.1 Nguồn adapter 24V 10A 14
4.4.2 Động cơ giảm tốc JGB37-520 DC 14
4.4.3 Cảm biến hồng ngoại 15
4.4.4 Cảm biến màu sắc TCS3200 17
4.4.5 Arduino UNO R3 20
4.4.6 PLC Siemens S7 – 1200 CPU – 1212C 22
4.4.7 Xilanh khí nén 27
4.5. Tính toán và thiết kế 29
4.5.1 Thiết kế phần cứng 29
4.5.1.1 Khối xử lý màu sắc 30
4.5.1.2 Khối cảm biến 30
4.5.1.3 Khối xử lý trung tâm 32
4.5.1.4 Khối nguồn 33
4.5.1.5 Khối băng truyền 34
4.5.1.6 Khối hệ thống điều khiển khí nén 36
4.5.2 Lưu đồ giải thuật 40
4.5.3 Mạng truyền thông Modbus 41
4.5.4 Sơ đồ tổng thể và nguyên lí hoạt động 42
4.5.4.1 Sơ đồ tổng thể 42
4.5.4.2 Nguyên lí hoạt động 42
4.5.5 Thiết kế mô hình 43
4.5.5.1 Sơ đồ đấu dây 43
Trang 64.5.6 Thiết kế cơ khí 44
4.5.6.1 Hệ thống băng tải 44
4.5.6.2 Hệ thống xử lí màu sắc 44
4.5.6.3 Tủ điện 45
4.6. Giới thiệu các công cụ lập trình 45
4.6.1 Arduino IDE 45
4.6.2 Tia Portal V15.1 50
4.6.2.1 Giới thiệu chung 50
4.6.2.2 Làm việc với phần mềm TIA Portal 51
4.6.2.3 Làm việc với 1 trạm PLC 57
4.6.2.4 Kỹ thuật lập trình 59
CHƯƠNG 5 : THI CÔNG MÔ HÌNH 62
5.1. Thi công mô hình 62
5.1.1 Bản vẽ tổng thể 62
5.1.2 Thiết bị thi công mô hình: 63
5.2. Mô phỏng WinCC 65
5.3. Mô phỏng trên FACTORY I/O 69
5.4. Mã QR video mô phỏng mô hình 69
CHƯƠNG 6 : ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ KẾT LUẬN 70
6.1. Ưu điểm và khuyết điểm của giải pháp; 70
6.2. Đánh giá 70
6.3. Hướng phát triển cho tương lai 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO 72
PHỤ LỤC PHẦN MỀM 73
Trang 7MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Dây chuyển phân loại sản phẩm hiện nay (Nguồn Internet) 5
Hình 2.2: Phun phủ hỗn hợp cho trái cây (Nguồn Internet) 6
Hình 2.3: Hệ thống phân loại GeoSort (Nguồn Internet) 8
Hình 2.1: Dây chuyển phân loại sản phẩm hiện nay (Nguồn Internet) 5
Hình 2.2: Phun phủ hỗn hợp cho trái cây (Nguồn Internet) 6
Hình 2.3: Hệ thống phân loại GeoSort (Nguồn Internet) 8
Hình 3.1: Cảm biến TCS3200 (Nguồn Internet) 9
Hình 3.2: PLC S7-1200 (Nguồn Internet) 10
Hình 3.3: Arduino UNO R3 (Nguồn Internet) 11
Hình 4.1: Mô hình tổng thể 13
Hình 4.2: Nguồn adapter 24V 10A (Nguồn Internet) 14
Hình 4.3: Đông cơ giảm tốc JGB37 – 520 DC (Nguồn Internet) 15
Hình 4.4: Cảm biến hồng ngoại (Nguồn Internet) 16
Hình 4.5: Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK (Nguồn Internet) 16
Hình 4.6: Sơ đồ chân của cảm biến E18-D80NK (Nguồn Internet) 17
Hình 4.7: Cấu tạo cảm biến màu sắc TCS3200 (Nguồn Internet) 18
Hình 4.8: Cảm biến màu sắc TCS3200 (Nguồn Internet) 18
Hình 4.9: Arduino UNO R3 (Nguồn Internet) 20
Hình 4.10: PLC Siemens S7 – 1200 (Nguồn Internet) 23
Hình 4.11: Bảng tín hiệu của PLC S7 – 1200 (Nguồn Internet) 25
Hình 4.12: Module tín hiệu (Nguồn Internet) 26
Hình 4.13: Module truyền thông của PLC S7 – 1200 (Nguồn Internet) 26
Trang 8Hình 4.14: Cấu tạo xilanh khí nén (Nguồn Internet) 27
Hình 4.15: Xilanh (Nguồn Internet) 28
Hình 4.16: Van điện từ (Nguồn Internet) 28
Hình 4.17: Van điện từ 5/2 (Nguồn Internet) 28
Hình 4.18: Sơ đồ khối tổng thể 29
Hình 4.19: Sơ đồ kết nối TCS3200 với Arduino 30
Hình 4.20: Sơ đồ kết nối 31
Hình 4.21: PLC S7 – 1200 CPU 1212C (Nguồn Internet) 32
Hình 4.22: Sơ đồ đấu dây của khối trung tâm 33
Hình 4.23: Sơ đồ khối nguồn 33
Hình 4.24: Bộ nguồn 24V DC (Nguồn Internet) 34
Hình 4.25: Nguyên lí bộ nguồn 1 chiều (Nguồn Internet) 34
Hình 4.26: Băng tải 35
Hình 4.27: Động cơ JGB37-520 DC để kéo băng tải (Nguồn Internet) 36
Hình 4.28: Cấu trúc hệ thống khí nén (Nguồn Internet) 38
Hình 4.29: Hệ thống điện – khí nén (Nguồn Internet) 39
Hình 4.30: Sơ đồ đấu dây của xilanh 39
Hình 4.31: Lưu đồ giải thuật 40
Hình 4.32: Sơ đồ tổng thể của mô hình 42
Hình 4.33: Sơ đồ đấu dây của PLC 43
Hình 4.34: Sơ đồ đấu dây của Arduino 43
Hình 4.35: Hệ thống băng tải 44
Hình 4.36: Hệ thống xử lí màu sắc 44
Hình 4.37: Tủ điện 45
Hình 4.38: Giao diện chính của Arduino IDE 46
Hình 4.39: Vùng lệnh 47
Hình 4.40: Vùng viết chương trình 47
Hình 4.41: Vùng thông báo 48
Hình 4.42: Cài đặt thư viện bổ sung cho Arduino IDE 48
Trang 9Hình 4.43: Thư viện bổ sung 49
Hình 4.44: Nhấn Install để cài đặt 49
Hình 4.45: Cài đặt hoàn tất 50
Hình 4.46: Phần mềm TIA Portal 50
Hình 4.47: Biểu tượng của phần mềm Tia Portal 52
Hình 4.48: Màn hình chính của phần mềm Tia Portal 52
Hình 4.49: Tạo dự án mới trên Tia Portal 52
Hình 4.50: Chọn Configure a device 53
Hình 4.51: Chọn add new device 53
Hình 4.52: Chọn loại CPU PLC 54
Hình 4.53: Loại CPU PLC đã chọn 54
Hình 4.54: Bảng định địa chỉ 55
Hình 4.55: Tạo bảng tag mới 56
Hình 4.56: Tìm và thay thế PLC 56
Hình 4.57: Biểu tượng download chương trình trên CPU 57
Hình 4.58: Chọn cấu hình Type of the PG/PC interface 57
Hình 4.59: Chọn start all như hình và nhấn finish 58
Hình 4.60: Giám sát chương trình trên màn hình cách 1 58
Hình 4.61: Giám sát chương trình trên màn hình cách 2 58
Hình 4.62: Màn hình giám sát 59
Hình 4.63: Cấu trúc lập trình (Nguồn Internet) 59
Hình 5.1: Bản vẽ tổng thể của băng tải 62
Hình 5.2: Bản vẽ tủ điện 62
Hình 5.3: Nguồn adapter 24V 10A (Nguồn Internet) 63
Hình 5.4: Động cơ giảm tốc (Nguồn Internet) 63
Hình 5.5: Cảm biến hồng ngoại (Nguồn Internet) 63
Hình 5.6: Cảm biến màu sắc TCS3200 (Nguồn Internet) 64
Hình 5.7: Arduino UNO R3 (Nguồn Internet) 64
Trang 10Hình 5.8: PLC S7 – 1200 CPU 1212C (Nguồn Internet) 64
Hình 5.9: Xilanh khí nén (Nguồn Internet) 65
Hình 5.10: Van điện từ (Nguồn Internet) 65
Hình 5.11: Giao diện WinCC 65
Hình 5.12: Các màn hình trong WinCC 66
Hình 5.13: Thanh công cụ trong WinCC 66
Hình 5.14: Tab Properties 67
Hình 5.15: Tab Animation 67
Hình 5.16: Tab Event 68
Hình 5.17: Mô phỏng trên WinCC 68
Hình 5.18: Mô phỏng trên Factory I/O 69
Hình 5.19: Mã QR mô phỏng 69
MỤC LỤC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 4.1: Bảng sơ đồ chân của cảm biến màu sắc TCS3200 19
Bảng 4.2: Bảng lựa chọn 4 loại photphodiode 19
Bảng 4.3: Bảng mở rộng tần số đầu ra 19
Bảng 4.4: Thông số của mạch Arduino UNO R3 21
Bảng 4.5: Bảng phân loại chức năng các dòng S7 – 1200 23
Bảng 4.6: Các module hỗ trợ PLC S7 – 1200 25
Trang 11LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay trong công nghiệp hiện đại hoá đất nước, yêu cầu ứng dụng tự động hoá ngày càng cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất (yêu cầu điều khiển tự động, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ)
Mặt khác nhờ công nghệ thông tin, công nghệ điện tử đã phát triển nhanh chóng làm xuất hiện một loại thiết bị điều khiển lập trình PLC Để thực hiện công việc một cách khoa học nhằm đạt được số lượng sản phẩm lớn, nhanh mà lại tiện lợi về kinh tế Các Công ty, xí nghiệp sản xuất thường sử dụng công nghệ lập trình PLC sử dụng các loại phần mềm tự động
Dây chuyền sản xuất tự động PLC giảm sức lao động của công nhân mà sản xuất lại đạt hiệu quả cao đáp ứng kịp thời cho đời sống xã hội Qua bài tập của đồ án môn học chúng em sẽ giới thiệu về lập trình PLC và ứng dụng nó vào sản xuất phân loại sản phẩm theo màu sắc
Trên đây là “mô hình băng tải phân loại sản phẩm theo màu sắc” do Thạc sĩ Hoàng Nguyên Phước hướng dẫn chúng em thực hiện Đề tài gồm những nội dung sau:
- Chương 1: Giới thiệu
- Chương 2: Tổng quan giải pháp
- Chương 3: Phương pháp giải quyết
- Chương 4: Quy trình thiết kế
- Chương 5: Thi công mô hình
- Chương 6: Đánh giá kết quả, kết luận
Trong quá trình thực hiện chương trình còn gặp nhiều khó khăn đó là tài liệu tham khảo cho vấn đề này đang rất ít, và hạn hẹp, nó liên quan đến nhiều vấn đề như phần cơ trong dây chuyền Mặc dù rất cố gắng nhưng khả năng, thời gian có hạn và kinh nghiệm chưa nhiều nên không thể tránh khỏi những sai sót rất mong sự đóng góp ý kiến bổ sung của các thầy cô giáo để đồ án này được hoàn thiện hơn
Trang 12CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU
1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử
mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp tự động hóa… Do đó chúng ta cần phải nắm bắt và vận dụng điều khiển tự động một cách hiệu quả trong sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng
Xuất phát từ những lần tham quan các doanh nghiệp có dây chuyền sản xuất, chúng
em đã được thấy nhiều khâu tự động hóa trong quá trình sản xuất Một trong những khâu sản xuất tự đông hóa đó là khâu phân loại nông sản thực phẩm sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens
Sau khi tìm hiểu, nghiên cứu về các đề tài và công trình trước đây, nhóm quyết định
chọn đề tài: “HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC SỬ DỤNG PLC S7 -1200”
Đã có khá nhiều đề tài thực hiện việc mô hình phân loại nông sản như phân loại theo chiều cao, phân loại theo khối lượng theo kích thước Nhưng với những nông sản có khối lượng và kích thước nhỏ và màu sắc thay đổi theo tính chất của nông sản thì các mô hình phân loại kia không phù hợp Vì vậy chúng ta cần một hướng xử lý phù hợp hơn cho hệ thống phân loại này đó là phân loại dựa trên màu sắc
1.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đói tượng nghiên cứu của đồ án là áp dụng kiến thức đã học vào việc gia công và lập trình mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc, giúp hạn chế tổn hao và khắc phục những sai sót về các mô hình phân loại sản phẩm ở các doanh nghiệp
Trang 13hệ thống Hơn thế nữa, đối với những công việc đòi hỏi sự tập trung cao và có tính tuần hoàn, nên các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc Điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này
Vì vậy, nhóm sẽ tìm hiểu và nghiên cứu các biện pháp đã và đang có trên thị trường Sau đó đánh giá điểm mạnh và điểm yếu của sản phẩm để có thể đưa ra giải pháp hoàn thiện cho việc phân loại sản phẩm
1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của việc nhận biết màu sắc
Các phương pháp tiến hành phân loại sản phẩm
Xây dựng sơ đồ giải thuật, sơ đối khối của hệ thống
Tìm hiểu về PLC Siemens S7 – 1200 và áp dụng vào hệ thống điều khiển
Chế tạo thành công mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc
Chạy thử và tìm ra những yếu điểm còn tồn đọng
Tìm ra định hướng phát triển hệ thống
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp phân tích lý thuyết
Phương pháp tổng hợp lý thuyết
Phương pháp hệ thống
Phương pháp mô hình hóa
1.6 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI
Mô hình phân loại được 3 màu sắc: Đỏ, xanh, vàng
Mô hình được giám sát qua màn hình HMI
Có thể điều khiển mô hình từ xa
Hệ thống có thể hoạt động liên tục 5 – 6h
Trang 141.7 KẾT CẤU CỦA ĐỀ TÀI: GỒM 6 CHƯƠNG
Chương 1: Giới thiệu
Giới thiệu về mô hình phân loại sản phẩm đang có ở doanh nghiệp Việt Nam Trình bày thực trạng về việc phân loại sản phẩm trong doanh nghiệp
Chương 2: Tổng quan giải pháp
Tìm hiểu và tổng hợp, so sánh được các kỹ thuật phân loại sử dụng màu sắc hiện có
Chương 3: Phương pháp giải quyết
- Lựa chọn phương pháp thực nghiệm cũng như thi công khả thi nhất
- Xác định được cấu hình, chức năng của hệ thống
Chương 4: Quy trình thiết kế
- Xây dựng ý tưởng thiết kế
- Giới thiệu linh kiện
- Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch và tính toán thiết kế
- Viết chương trình điều khiển hệ thống
Chương 5: Thi công
- Quy trình thi công mô hình
- Hoàn chỉnh hệ thống và demo thử nghiệm hoạt động
Chương 6: Đánh giá kết quả, kết luận
Kết quả và hướng phát triển của đề tài
Trang 15CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
2.1 TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM HIỆN NAY
Đối với trái cây sau khi thu hoạch trước khi phân phối ra thị trường thì luôn cần có công đoạn sơ chế, phân loại và đóng gói Hiện nay, nước ta dần có hướng xuất khẩu trái cây sang thị trường Để đáp ứng được nhu cầu xuất khẩu trái cây ngoài việc đạt những tiêu chuẩn chất lượng, kỹ thuật canh tác còn một khâu rất quan trọng đó là sơ chế, phân loại và đóng gói Với số lượng lớn trái cây thì sử dụng sức người trong từng công đoạn là điều không khả quan Dây chuyền thiết bị sơ chế, phân loại, đóng gói trái cây ra đời giúp
đỡ cho doanh nghiệp làm việc hiệu quả hơn
Hình 2.1: Dây chuyển phân loại sản phẩm hiện nay (Nguồn Internet)
Dây chuyền gồm các thiết bị cơ bản với quy trình hoạt động:
- Làm sạch sản phẩm đầu vào
Ở bước đầu tiên của dây chuyền thường có thêm phần thiết bị/ thùng chứa cung cấp trái cây đầu vào được thiết kế tiêu chuẩn phù hợp với các khay nhựa, có hệ thống thủy lực nâng hạ Phần rửa sạch sản phẩm: két chứa nước, bằng chuyền, chổi, con lăn để cọ,
Trang 16- Phân loại, tuyển chọn sơ bộ và loại sản phẩm kém chất lượng
Ở phần này thường có các thiết bị băng chuyền, thang vận chuyển, bàn phân loại, người lao động tuyển chọn, loại bỏ các trái cây hư hỏng, kém chất lượng ra khỏi dây chuyền
- Phun phủ hỗn hợp dung dịch bảo quản trái cây
Trái cây tươi sẽ được đi qua bộ phận phun dung dịch bảo quản, giữ tươi, giảm thiểu
sự phát triển của các vi sinh, egym, …chiều dày lớp phủ được tính bằng micron, và được phun ở áp lực cao
Tiếp tới trái cây đi qua các con lăn có lắp chổi lông, để xoa, chà sát chất phủ trên bề mặt, đảm bảo trái cây được phủ hỗ hợp dung dịch bảo quản được đồng đều (vật liệu của chổi lông này sẽ được chế tạo đặc biệt phù hợp với từng loại trái cây để đảm bảo không làm hư hỏng bề mặt trái cây, …)
Hình 2.2: Phun phủ hỗn hợp cho trái cây (Nguồn Internet)
Trang 17- Làm khô lớp dung dịch bảo quản
Trái cây khi được phủ dung dịch bảo quản được đi qua hệ thống sây khí nóng (mức nhiệt độ, thời gian sản phẩm đi qua được điều chỉnh, xác lập tùy thuộc vào loại dung dịch bảo quản, loại trái cây, …)
- Phân loại, kích thước, khối lượng trái cây
Trái cây sẽ được đưa tới hệ thống phân loại tự động theo khối lượng, kích thước, màu sắc, … (được điều khiển bởi 1 máy tính, có phần mềm thông minh) để trái cây được
tự động chuyển tới các tuyến, lộ có kích thước, khối lượng, màu sắc, khác nhau, chuẩn
bị đóng gói
- Đóng gói
Trái cây sẽ được hệ thống dây chuyền tự động đóng gói theo các loại hộp thùng khác nhau: hộp nhưa, carton, tùy thuộc vào loại trái cây Hệ thống cũng có thể được lắp thêm các thiết bị dán nhãn thông tin sản phẩm hoặc người vận hành sử dụng máy cầm tay, và sản phẩm ở bước này có thể cần bổ sung các bao bì MAP để gia tăng, kiểm soát lượng O2, Co2, của sản phẩm – gia tăng thời gian bảo quản
- Làm mát sản phẩm
Trước khi chuyển sản phẩm tới kho lưu giữ hoặc chuyển tới kho trung gian có nhiệt
độ làm mát, trung gian trước khi chuyển vào kho lưu giữ hoặc đóng vào container chuẩn
bị xuất khẩu và đưa ra thị trường
Trang 182.2 HỆ THỐNG PHÂN LOẠI GEOSORT
Hình 2.3: Hệ thống phân loại GeoSort (Nguồn Internet)
Dòng máy phân loại rau củ quả sau thu hoạch Greefa do Công ty TNHH Finom cung ứng tại thị trường Việt Nam Tùy vào chủng loại rau củ quả, tiêu chí phân loại và công suất, dòng máy Greefa có nhiều sản phẩm khác nhau tương ứng đáp ứng đa dạng nhu cầu của nhà nông như GeoSort, CombiSort, SmartSort, EasySort, MultiSort và Qsort
Là giải pháp phân loại hiệu quả nhất đối với trái cây hình dáng tròn như táo Mỹ, kiwi, khoai tây hay các loại quả hạch (kích thước từ 40-120 mm, trọng lượng 20-500g), GeoSort đảm bảo phân loại chính xác thông qua các hệ thống đo lường do Greefa phát triển như chất lượng bên ngoài iQS hay chất lượng bên trong iFA Trong đó, các camera đặc biệt đo chất lượng bên ngoài bằng cách chụp nhiều hình ảnh mỗi giây, cung cấp phân tích chất lượng nhanh và đáng tin cậy Tương tự, chất lượng bên trong được đo lường bằng loạt hình ảnh hồng ngoại tốc độ cao - hoàn thành nhanh phân tích chất lượng tổng thể của Fruit GeoSort đạt tốc độ phân loại 8 sản phẩm mỗi giây ở mỗi làn (tối đa 10 làn)
Là dòng máy linh hoạt hơn GeoSort, có thể ứng dụng cho nhiều loại trái cây hơn như
bơ, cam, chanh, cà chua, măng cụt, ớt chuông, … Với kích thước không quá 120 mm và trọng lượng không vượt 500g Máy có từ 2-10 làn, đạt tốc độ phân loại 5 sản phẩm mỗi giây ở mỗi lần
Tuy nhiên hệ thống này không phù hợp với các hộ kinh doanh nhỏ do chi phí mua và lắp đặt cao, yêu cầu bảo trì thường xuyên Phần lớn người nông dân vẫn sẽ chọn phương pháp thủ công để tiết kiệm chi phí
Trang 19CHƯƠNG 3 : PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
3.1 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN
Để có thể phân loại màu sắc có thể thực hiện theo 2 phương án:
- Sử dụng Camera công nghiệp
- Sử dụng Cảm biến màu sắc
Ưu điểm
- Khả năng nhận diện và xử lý được nhiều màu sắc
- Có nhiều tính năng như: Giãm nhiễu, tăng độ tương phản, …
- Không có tính năng kiểm tra độ tương phản
3.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Để phù hợp với điều kiện kinh tế cũng như khả năng hoàn thiện hệ thống Nhóm quyết định sử dụng cảm biến màu sắc để nhận diện xử lý màu sắc trong hệ thống phân loại Ngoài ra còn sử dụng thêm PLC S7 – 1200 và Arduino UNO R3
3.2.1 Cảm biến màu sắc TCS3200
Hình 3.1: Cảm biến TCS3200 (Nguồn Internet) Cảm biến màu sắc TCS3200 có thể phân biệt được nhiều màu khác nhau, nó có thể phát hiện và phân biệt giữa các màu trắng, xanh dương, xanh lá cây, và màu đỏ Phù hợp
…
Trang 203.2.2 PLC S7-1200
LC S7 - 1200 là một dòng PLC mới của SIEMENS, là thiết bị tự động hóa đơn giản nhưng có độ chính xác cao Thiết bị PLC Siemens S7 – 1200 được thiết kế dạng module nhỏ gọn, linh hoạt, phù hợp cho một loạt các ứng dụng PLC S7 – 1200 của Siemens có
một giao diện truyền thông 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 toàn diện Với thiết kế theo dạng module, tính năng cao, dòng sản phẩm SIMATIC S7-1200 thích hợp với nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau, cấp độ từ nhỏ đến trung bình Đặc điểm nổi bật là PLC S7-1200 được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet
(Ethernet), sử dụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic cho việc lập trình PLC và các màn hình HMI Điều này giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi công hệ thống điều khiển được nhanh chóng, đơn giản Ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng như: Hệ thống băng tải, điều khiển đèn chiếu sáng, điều khiển bơm cao áp, máy đóng gói, …
Hình 3.2: PLC S7-1200 (Nguồn Internet)
Trang 213.2.3 Arduino UNO R3
Arduino UNO R3 là kit Arduino UNO thế hệ thứ 3, với khả năng lập trình cho các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh cho các loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C)
Hình 3.3: Arduino UNO R3 (Nguồn Internet)
Trang 22CHƯƠNG 4 : QUY TRÌNH THIẾT KẾ
4.2 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH
Sau khi qua quá trình nghiên cứu bằng các phương pháp phỏng vấn trực tiếp và khảo sát thực tế Nhóm tác giả đã thống nhất để hoàn thành và đưa ra kết quả cuối cùng là mô hình “phân loại sản phẩm theo màu sắc”
Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc dùng màn hình laptop để làm màn hình HMI giám sát toàn bộ hệ thống thông qua router WIFI
Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc gồm 4 phần chính:
1 Hệ thống xử lý: Sử dụng PLC Siemens S7 – 1200 CPU – 1212C làm khối xử lý
trung tâm
2 Hệ thống cảm biến màu sắc: Sử dụng Arduino UNO kết nối với cảm biến TCS3200
để xử lý tín hiệu màu sắc và đưa về khối xử lý trung tâm
3 Hệ thống phân loại: Sử dụng Xilanh và cảm biến vật cản để nhận tín hiệu từ cảm biến và phân loại theo đúng màu sắc
4 Hệ thống giám sát: Sử dụng laptop làm màn hình HMI để giám sát
Trang 23Hình 4.1: Mô hình tổng thể
4.3 PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN
Vi xử lý là bộ xử lý tín hiệu, có thể nhận tín hiệu vào, tính toán, xử lý, xuất tín hiệu
ra Vi xử lý ứng dụng để thực hiện các thuật toán điều khiển yêu cầu khối lượng tính toán lớn cho các đối tượng có đặc tính động học nhanh như điều khiển dòng điện, mô men, tốc
độ động cơ, điều khiển các mạch điện tử (tín hiệu hoặc công suất)
Ưu điểm:
Vi điều khiển có khả năng điều khiển linh hoạt theo mong muốn của người sử dụng dựa vào phần mềm được viết
Khả năng thay đổi mã có thể thực hiện được
Hệ thống đơn giản hơn nhiều, kích thước nhỏ Hơn nữa sẽ giảm được độ kém ổn định do nhiều linh kiện gây ra
Có thể thay đổi, thêm chức năng bằng cách thay đổi phần mềm Ngày nay VXL được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống của con người
Xuất phát từ yêu cầu điều khiển trong đề tài và ưu điểm của Vi xử lý mà chúng em
đã chọn PLC S7-1200 làm bộ điều khiển cho “Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc” của mình
Trang 244.4 GIỚI THIỆU LINH KIỆN
4.4.1 Nguồn adapter 24V 10A
Hình 4.2: Nguồn adapter 24V 10A (Nguồn Internet)
Tính năng:
o Nguồn sử dụng để chuyển đổi điện năng từ 220VAC sang 24VDC
o Nguồn Tổ Ong 24V 10A hay còn gọi là bộ nguồn một chiều được thiết
kế để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 220VAC thành nguồn một chiều 24VDC để cung cấp cho các thiết bị hoạt động
o Nguồn tổ ong được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện và dân dụng Trong công nghiệp chúng thường được sử dụng để cấp nguồn cho một số thiết bị của tủ điện
Thông số kỹ thuật:
o Điện áp đầu vào: 220VAC
o Điện áp đầu ra: 24VDC
Trang 25- Băng chuyền chạy liên tục, có thể dừng khi cần
- Không đòi hỏi độ chính xác cao, tải trọng băng chuyền nhẹ
- Dễ điều khiển, giá thành rẻ
- Vì vậy chỉ cần sử dụng động cơ một chiều có công suất nhỏ, nhóm quyết định chọn động cơ giảm tốc JGB37-520 DC
Cảm biến hồng ngoại sẽ hoạt động bằng cách sử dụng một cảm biến ánh sáng cụ thể
để phát hiện bước sóng ánh sáng chọn trong phổ hồng ngoại (IR) Bằng cách sử dụng đèn LED tạo ra ánh sáng có cùng bước sóng với cảm biến đang tìm kiếm Khi một vật ở gần cảm biến, ánh sáng từ đèn LED bật ra khỏi vật thể và đi vào cảm biến ánh sáng Điều này dẫn đến một bước nhảy lớn về cường độ, mà chúng ta đã biết có thể được phát hiện bằng cách sử dụng một ngưỡng
Trang 26Hình 4.4: Cảm biến hồng ngoại (Nguồn Internet)
Trong mô hình chúng em lựa chọn cảm biến hồng ngoại loại 3 dây để phát hiện vật thể vì những ưu điểm sau:
- Phát hiện vật thể nhưng không cần tiếp xúc với vật thể đó (Phát hiện từ xa)
- Phát hiện được từ khoảng cách xa
- Ít bị hao mòn, có tuổi thọ và độ chính xác, tính ổn định cao
- Phát hiện nhiều vật thể khác nhau
- Thời gian đáp ứng nhanh, có thể điều chỉnh độ nhạy theo ứng dụng
Hình 4.5: Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK (Nguồn Internet)
Trang 27 Sơ đồ chân của cảm biến hồng ngoại E18-D80NK
- Màu nâu: VCC, nguồn dương 5VDC
- Màu xanh dương: GND, nguồn âm 0VDC
- Màu đen: Chân tín hiệu ngõ ra cực thu hở NPN, cần phải có trở kéo để tạo thành mức cao
Hình 4.6: Sơ đồ chân của cảm biến hồng ngoại E18-D80NK (Nguồn Internet)
- Chuyển đổi từ cường độ ánh sáng sang tần số với độ phân giải cao
- Lập trình lựa chọn bộ lọc màu sắc khác nhau và dạng tần số xuất ra
- Điện năng tiêu thụ thấp Giao tiếp trực tiếp với vi điều khiển
Chức năng chân:
- S0, S1: Đầu vào chọn tỉ lệ tần số đầu ra
- S2, S3: Đầu vào chọn kiểu photodiode
- OE: Đầu vào cho phép xuất tần số ở chân OUT
- OUT: Đầu ra là tần số thay đổi phụ thuộc cường độ và màu sắc
Trang 28 Cấu tạo cảm biến màu sắc:
Hình 4.7: Cấu tạo cảm biến màu sắc TCS3200 (Nguồn Internet)
Khối đầu tiên là mảng ma trận 8x8 gồm các photodiode Bao gồm 16 photodiode có thể lọc màu sắc xanh dương (Blue), 16 photodiode có thể lọc màu đỏ (Red), 16 photodiode có thể lọc màu xanh lá (Green) và 16 photodiode trắng không lọc (Clear) Tất
cả photodiode cùng màu được kết nối song song với nhau, và được đặt xen kẽ nhau nhằm mục đích chống nhiễu
Bản chất của 4 loại photodiode trên như là các bộ lọc ánh sáng có mầu sắc khác nhau Có nghĩa nó chỉ tiếp nhận các ánh sáng có cùng màu với loại photodiode tương ứng
và không tiếp nhận các ánh sáng có màu sắc khác
Nguyên lí hoạt động của cảm biến màu sắc TCS3200
Ánh sáng trắng là hỗn hợp rất nhiều ánh sáng có bước sóng màu sắc khác nhau Khi
ta chiếu ánh sáng trắng vào một vật thể bất kì Tại bề mặt vật thể sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ và phản xạ ánh sáng Dựa trên nguyên lý sự phản xạ, hấp thụ ánh sáng trắng của vật thể và sự phối trộn màu sắc bởi 3 màu cơ bản Blue, Green, Red thì TCS3200 có cấu tạo
là 4 bộ lọc photodiode Blue, Green, Red và clear để nhận biết màu sắc vật thể
Hình 4.8: Cảm biến màu sắc TCS3200 (Nguồn Internet)
Trang 29Bảng 4.1: Bảng sơ đồ chân của cảm biến màu sắc TCS3200
Việc lựa chọn 4 loại photodiode này thông qua 2 chân đầu vào S2, S3:
Bảng 4.2: Bảng lựa chọn 4 loại photphodiode
Khối thứ 2 là bộ chuyển đổi dòng điện từ đầu ra khối thứ nhất thành tần số:
Trang 30Tần số đầu ra của linh kiện điện tử TCS3200 trong khoảng 2HZ~500KHZ Tần số đầu ra có dạng xung vuông với tần số khác nhau khi mà màu sắc khác nhau và cường độ sáng là khác nhau
Ta có thể lựa chọn tỉ lệ tần số đầu ra ở các mức khác nhau như bảng trên cho phù hợp với phần cứng đo tần số
4.4.5 Arduino UNO R3
Arduino là một hệ thống nhứng khép kín ới các thiết bị ngoại vi, bộ xử lý và bộ nhớ Ngày nay, phần lớn hệ thống nhúng được lập trình để ứng dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng, bao gồm cả máy móc, điện thoại, thiết bị ngoại vi, xe hơi, đồ dùng điện lạnh trong gia đình, … Do đó, còn có tên gọi khác là “Bộ điều khiển nhúng”
Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ra thường tới chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3)
Hình 4.9: Arduino UNO R3 (Nguồn Internet)
Trang 31o Arduino UNO Broad có 6 chân analog (A0 A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 210) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V 5V Với chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit
o Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp 12C/TWI với các thiết bị khác
Bảng 4.4: Thông số của mạch Arduino UNO R3
Trang 32- Phần mềm dùng để lập trình cho S7 – 1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ 3 ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA PORTAL của Siemens
Vậy để làm một dự án với S7 – 1200 chỉ cần cài TIA PORTAL vì phần mềm này đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI
Trang 33Hình 4.10: PLC Siemens S7 – 1200 (Nguồn Internet)
Chú thích:
1 Bộ phận kết nối nguồn
2 Các bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo ra được (phía sau các nắp che)
3 Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp
4 Bộ phận kết nối PROFINET (phía dưới CPU)
Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau
Bảng 4.5: Bảng phân loại chức năng các dòng S7 – 1200
Kiểu số
Kiểu tương tự
6 ngõ vào /4 ngõ ra
2 ngõ ra
Trang 34Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 ngõ ra (O)
Thời gian lưu giữ đồng hồ
thời gian thực Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 40 độ C
Trang 35 SB với 4 I/O kiếu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC)
SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự
Hình 4.11: Bảng tín hiệu của PLC S7 – 1200 (Nguồn Internet)
Chú thích:
1 Các LED trạng thái
Trang 363 Bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo ra
Các module truyền thông
Họ S7 – 1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng bổ sung vào hệ thống Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485
CPU hỗ trợ 3 module truyền thông
Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU (hay về phía bên phải của một
CM khác)
Hình 4.13: Module truyền thông của PLC S7 – 1200 (Nguồn Internet)
Trang 37Hình 4.14: Cấu tạo xilanh khí nén (Nguồn Internet)
Để thực hiện chức năng của mình, xi lanh khí nén truyền một lực bằng cách chuyển năng lượng tiềm năng của khí nén vào động năng Điều này đạt được bởi khí nén có khả năng nở rộng, không có đầu vào năng lượng bên ngoài, mà chính nó xảy ra do áp lực được thiết lập bởi khí nén đang ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển Sự giãn nở không khí này làm cho piston di chuyển theo hướng mong muốn
Một khi được kích hoạt, không khí nén vào trong ống ở một đầu của piston và do đó, truyền tải lực trên piston Do đó, piston sẽ di dời (di chuyển) bằng khí nén
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại xi lanh với kích thước và công dụng khác
nhau như xi lanh vuông, xi lanh tròn, xi lanh kẹp, xi lanh compact, xi lanh xoay, xi lanh
trượt… với yêu cầu của đề tài nhóm quyết định chọn xi lanh tròn để sử dụng
Trang 38Hình 4.15: Xilanh (Nguồn Internet)
Để xi lanh hoạt động được thì ta cần có van điện từ để điều khiển hành trình của pittong
Van điện từ còn được gọi với cái tên solenoid valve Đây là một thiết bị cơ điện, dùng
để kiểm soát dòng chảy chất khí hoặc lỏng dựa vào nguyên lí chặn đóng mở do lực tác động của cuộn dây điện từ
Hình 4.16: Van điện từ (Nguồn Internet)
Đối với van điện từ thì tùy vào loại xi lanh mà chúng ta có cách chọn cho phù hợp riêng với xi lanh mà nhóm chọn thì có các loại van 4/2, 5/2 hoặc 5/3 với một hoặc hai đầu cuộn dây Và nhóm chọn van 5/2 hai đầu cuộn dây để thực hiện điều khiển
Hình 4.17: Van điện từ 5/2 (Nguồn Internet)
LƯU Ý: Việc đẩy xi lanh hay thu xi lanh về sẽ tùy thuộc vào việc chúng ta kích cuộn
dây nào của van và việc chúng ta kết nối đường đi của dòng khí nén trên van với xi lanh
Trang 39 Chức năng của từng khối:
Khối xử lý màu sắc: Có chức năng xử lý tín hiệu từ cảm biến màu sắc
và gửi tín hiệu đến khối xử lý trung tâm
Khối cảm biến: bao gồm cảm biến màu sắc và cảm biến nhận biến vật
cản Có chức năng nhận biết màu sắc và nhận diện sản phẩm khi chạy qua trên băng tải
Khối băng truyền: có chức năng vận chuyển sản phẩm đến các khu xử
lí khác trong hệ thống
Khối hệ thống điều khiển khí nén: có chức năng chặn cà chua để đưa
cà chua được phân loại ra khỏi bang chuyền
Khối xử lý trung tâm: có chức năng nhận, xử lý thông tin và điều khiển
các khối khác trong hệ thống
Trang 404.5.1.1 Khối xử lý màu sắc
Nhận biết màu sắc sản phẩm
Sử dụng Sử dụng cảm biến màu sắc TCS3200 để nhận biết màu sắc của cà chua Trên thị trường có nhiều loại cảm biến màu khác nhau như TCS34725, TCS230, TCS3200…Chúng tôi chọn cảm biến màu TCS3200 để nhận biết màu cho cà chua
Như đã đề cập ở chương 2, sơ đồ nối dây giữa cảm biến màu TCS3200 với Arduino như sau:
Hình 4.19: Sơ đồ kết nối TCS3200 với Arduino
