Ứng dụng xử lý ảnh phân loại sản phẩm theo mã vạch

Nghiên cứu, thiết kế và thi công hoàn chỉnh được hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch điều khiển bằng PLC.. Bên cạnh các hình thức phân loại trên, phân loại sản phẩm theo mã vạch cũn

GVHD: THS LÊ THỊ HỒNG LAM SVTH: ĐOÀN TRUNG HÀ NGUYỄN THÀNH NGUYÊN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

GVHD: ThS LÊ THỊ HỒNG LAM ĐOÀN TRUNG HÀ 18151170 NGUYỄN THÀNH NGUYÊN 18151210

i

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên Sinh Viên 1: Đoàn Trung Hà MSSV: 18151170

Họ và tên Sinh Viên 2: Nguyễn Thành Nguyên MSSV: 18151210 Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Thị Hồng Lam SĐT: 0909287087

1 Tên đề tài: Ứng dụng xử lý ảnh phân loại sản phẩm theo mã vạch

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

3 Nội dung thực hiện đề tài:

− Thiết kế phần cứng hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch

− Lập trình điều khiển quét mã vạch bằng công nghệ xử lý ảnh

− Viết chương trình PLC điều khiển và giám sát hệ thống phân loại

− Áp dụng chương trình điều khiển và đọc mã vạch vào mô hình thực cho việc phân loại sản phẩm theo từng loại

4 Sản phẩm:

− Mô hình phân loại bưu kiện theo mã code

− Chương trình điều khiển dùng ngôn ngữ PLC và Python

− Giao diện điều khiển và giám sát trên Tkinter và WinCC

− Quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp

Tp Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 07 năm 2022

Khoa ĐT – ĐH SPKT TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh Viên 1: Đoàn Trung Hà MSSV: 18151170

Họ và tên Sinh Viên 2: Nguyễn Thành Nguyên MSSV: 18151210 Ngành: CNKT Điều Khiển và Tự Động Hóa

Tên đề tài:

ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÃ VẠCH

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Lê Thị Hồng Lam

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

Nội dung và khối lượng công việc phù hợp với đồ án tốt nghiệp

Nghiên cứu, thiết kế và thi công hoàn chỉnh được hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch điều khiển bằng PLC Bao gồm thiết kế thi công cơ khí, lập trình PLC điều khiển, hệ thống điều khiển và giám sát trên giao diện Tkinter và Scada

2 Ưu điểm:

Nhóm sinh viên chăm chỉ tích cực nghiên cứu

Mô hình đã thi công xong và chạy được theo yêu cầu đề ra

3 Khuyết điểm:

Tốc độ băng tải hơi chậm, không thay đổi được tốc dộ động cơ

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

Cho phép bảo vệ

5 Đánh giá loại:

Tốt

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 08 năm 2022

Giảng viên hướng dẫn

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

iii

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tuần 1 – Tuần 2 Lựa chọn đề tài và tìm hiểu những thiết bị, linh kiện cần

có trong mô hình

Tuần 3 – Tuần 4 Mua thiết bị và tìm hiều về phần mềm lập trình

Tuần 5 – Tuần 6 Tiến hành lắp ráp các thiết bị

Tuần 7 – Tuần 8 Đấu nối thiết bị với nhau và tiến hành lập trình điều khiển Tuần 9 – Tuần 10 Viết chương trình PLC và đổ xuống PLC thực

Tuần 11 – Tuần 12 Chạy thử chương trình và sửa lỗi

Tuần 13 – Tuần 14 Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát

Tuần 15 – Tuần 16 Hoàn tất mô hình và viết báo cáo

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh

em đã được các thầy cô giáo giảng dạy tận tình, truyền đạt cho em những kiến thức rất bổ ích để cho em có được những vốn kiến thức rất quan trong cho chuyên ngành của em sau này Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác

Em xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu nhà trường, quý thầy cô và ThS Lê Thị Hồng Lam đã tận tâm giảng dạy cho em để giúp em hoàn thành tốt khóa học Em xin kính chúc quý thầy cô ngày càng khỏe mạnh để phấn đấu đạt thành tích cao trong công tác giảng dạy Chúc trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh sẽ mãi

là niềm tin, nền tảng vững chắc cho nhiều thế hệ sinh viên với bước đường học tập Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một học viên nên bài báo cáo này không thể tránh được những thiếu sót Em rất mong nhận được

sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các quý thầy cô để em có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này

Em xin chân thành cảm ơn!

v

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH SÁCH HÌNH ẢNH viii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU xi

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu 3

1.3 Phương pháp nghiên cứu 3

1.4 Nội dung nghiên cứu 4

1.5 Giới hạn đề tài 5

1.6 Ý nghĩa thực tiễn 5

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Lý thuyết về mã vạch 6

2.1.1 Khái niệm về mã vạch 6

2.1.2 Quy ước đọc mã vạch 7

2.1.3 Cách nhận diện mã vạch 7

2.2 Tổng quan về Xử lý ảnh 8

2.2.1 Thu nhận ảnh (Image Acquisition) 9

2.2.2 Tiền xử lý (Image processing) 9

2.2.3 Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh 9

2.2.4 Biểu diễn ảnh (Image Representation) 9

2.2.5 Nhận dạng và nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation) 10

2.2.6 Cơ sơ tri thức (Knowledge Base) 10

2.2.7 Mô tả 10

2.3 Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm 11

2.3.1 Giới thiệu về hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch 11

2.3.2 Một vài hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch hiện có 11

2.4 Cơ sở lý thuyết về phần cứng 12

2.4.1 PLC 12

2.4.1.1 Giới thiệu chung về PLC 12

2.4.1.2 Giới thiệu về PLC Siemens S7 – 1200 13

2.4.1.3 Ưu, nhược điểm của PLC 14

2.4.1.4 Ứng dụng của PLC trong thực tế 15

2.4.2 Động cơ điện 15

2.4.3 Cảm biến 16

2.4.3.1 Giới thiệu chung về cảm biến 16

2.4.3.2 Cấu tạo chung của các loại cảm biến 17

2.4.3.3 Phân loại cảm biến 17

2.4.3.4 Vai trò của cảm biến trong công nghiệp 18

2.4.3.5 Ứng dụng của cảm biến trong thực tế 18

2.4.4 Xy lanh khí nén 19

2.4.4.1 Giới thiệu chung 19

2.4.4.2 Cấu tạo 19

2.4.4.3 Nguyên lý hoạt động 20

2.4.4.4 Phân loại 21

2.4.4.5 Ứng dụng của xy lanh khí nén trong thực tế 22

2.4.5 Van điện từ khí nén 23

2.4.5.1 Giới thiệu van điện từ khí nén 23

2.4.5.2 Cấu tạo 24

2.4.5.3 Phân loại 24

2.4.5.4 Ứng dụng 25

2.4.6 Relay trung gian 25

2.4.6.1 Giới thiệu về relay 25

2.4.6.2 Cấu tạo của relay 26

2.4.6.3 Nguyên lý hoạt động của relay 26

2.4.6.4 Phân loại relay 27

2.4.6.5 Ứng dụng của relay trong thực tế 28

2.4.7 Băng tải 28

2.4.7.1 Giới thiệu về băng tải 28

2.4.7.2 Cấu tạo băng tải 28

2.4.7.3 Nguyên lý hoạt động của băng tải 29

2.4.7.4 Phân loại băng tải 30

2.4.8 Camera 33

2.4.8.1 Giới thiệu về camera 33

2.4.8.2 Phân loại camera 33

2.4.8.3 Ứng dụng camera 35

2.4.9 Nguồn tổ ong 37

2.4.9.1 Giới thiệu nguồn tổ ong 37

2.4.9.2 Cấu tạo nguồn tổ ong 38

vii

2.4.9.3 Nguyên lý hoạt động nguồn tổ ong 39

2.4.9.4 Ứng dụng nguồn tổ ong 39

2.5 Cơ sở lý thuyết về phần mềm lập trình 39

2.6 Mạng truyền thông công nghiệp 40

Chương 3 THI CÔNG PHẦN CỨNG 42

3.1 Yêu cầu thiết kế 42

3.2 Lựa chọn thiết bị trong hệ thống 42

3.2.1 Lựa chọn PLC 42

3.2.2 Lựa chọn relay 43

3.2.1 Lựa chọn cảm biến 44

3.2.2 Lựa chọn động cơ 46

3.2.3 Lựa chọn băng tải 47

3.2.4 Lựa chọn van điện từ khí nén 47

3.2.5 Lựa chọn xy lanh 48

3.2.6 Lựa chọn nút nhấn, switch 49

3.2.7 Lựa chọn bộ nguồn 50

3.2.8 Lựa chọn camera 51

3.3 Lưu đồ giải thuật 52

3.4 Sơ đồ đấu dây 53

3.5 Mô hình hệ thống 54

Chương 4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 55

4.1 Thiết kế giao diện điều khiển 55

4.2 Tạo giao diện giám sát trên WinCC 56

Chương 5 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 57

5.1 Kết quả lý thuyết 57

5.2 Kết quả thực nghiệm 57

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 60

6.1 Kết luận 60

6.1.1 Kết quả đạt được 60

6.1.2 Hạn chế 60

6.1.3 Khó khăn gặp phải 61

6.1.4 Kinh nghiệm và kiến thức đạt được 61

6.2 Hướng phát triển đề tài 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Dây chuyền đọc mã vạch phân loại sản phẩm 2

Hình 1.2 Phân loại cà chua theo màu sắc 2

Hình 1.3 Phân loại hàng hóa theo kích thước 3

Hình 2.1 Ví dụ về mã vạch 7

Hình 2.2 Dây chuyền phân loại bưu kiện 12

Hình 2.3 Dây chuyền phân loại hành lý tại sân bay 12

Hình 2.4 PLC hãng Siemens 13

Hình 2.5 PLC hãng Mitsubishi 13

Hình 2.6 PLC hãng Omron 13

Hình 2.7 PLC Siemens S7-1200 14

Hình 2.8 Động cơ điện 3 pha 16

Hình 2.9 Động cơ điện 1 pha 16

Hình 2.10 Động cơ DC servo giảm tốc Jgb37 16

Hình 2.11 Động cơ bước 16

Hình 2.12 Cảm biến tiệm cận hồng ngoại E18-D80NK 17

Hình 2.13 Cảm biến điện dung 17

Hình 2.14 Cảm biến đo khoảng cách 17

Hình 2.15 Cảm biến áp suất model ST18 17

Hình 2.16 Cấu tạo xy lanh khí nén 20

Hình 2.17 Xy lanh khí nén tác động đơn 21

Hình 2.18 Ký hiệu điện của xy lanh tác động đơn 21

Hình 2.19 Xy lanh khí nén tác động kép 21

Hình 2.20 Ký hiệu điện của xy lanh tác động kép 21

Hình 2.21 Xy lanh 3 vị trí 21

Hình 2.22 Xy lanh xoay SMC MSQB-50A 22

Hình 2.23 Xy lanh kẹp HFK 22

Hình 2.24 Van điện từ khí nén AIRTAC 4V210 – 08 24

Hình 2.25 Cấu tạo của relay trung gian 26

Hình 2.26 Relay trung gian 12VDC 27

Hình 2.27 Relay trung gian 24VDC 27

ix

Hình 2.28 Relay 14 chân dẹp 220VAC 27

Hình 2.29 Relay trung gian 8 chân lớn 27

Hình 2.30 Băng tải cao su 30

Hình 2.31 Băng tải xích nhựa 31

Hình 2.32 Băng tải con lăn 31

Hình 2.33 Băng tải đứng 32

Hình 2.34 Băng tải PVC 32

Hình 2.35 Băng tải xoắn ốc 33

Hình 2.36 Camera cầu 34

Hình 2.37 Camera thân 34

Hình 2.38 Camera hồng ngoại 34

Hình 2.39 Camera công nghiệp 35

Hình 2.40 Kiểm tra ngoại quan phát hiện sản phẩm lỗi 35

Hình 2.41 Kiểm tra kích thước sản phẩm 36

Hình 2.42 Kiểm tra ký tự quang học 36

Hình 2.43 Kiểm tra mã vạch 37

Hình 2.44 Nguồn tổ ong 12V, 10A 38

Hình 2.45 Cấu tạo nguồn tổ ong 39

Hình 2.46 Ngôn ngữ lập trình Python 40

Hình 2.47 Ví dụ về mạng truyền thông công nghiệp 41

Hình 3.1 PLC Siemens S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC 42

Hình 3.2 Relay kiếng 8 chân 44

Hình 3.3 Đế relay kiếng 8 chân PYF08A 44

Hình 3.4 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 45

Hình 3.5 Động cơ giảm tốc DC GA25 – 370 46

Hình 3.6 Dây belt băng tải PVC đường kính 5x60cm 47

Hình 3.7 Cụm 3 van điện từ khí nén 5/2 2 đầu coil 24VDC 48

Hình 3.8 Xy lanh khí nén 48

Hình 3.9 Nút nhấn ON 49

Hình 3.10 Nút nhấn OFF 49

Hình 3.11 Nút nhấn dừng khẩn cấp (E.TOP) 50

Hình 3.13 Bộ nguồn tổ ong Omron S8FS-C05024 2.2A 24V 50W 50

Hình 3.14 Webcam Logitech C925e 51

Hình 3.15 Lưu đồ giải thuật 52

Hình 3.16 Sơ đồ đấu dây 53

Hình 3.17 Mô hình hệ thống 54

Hình 3.18 Khâu phân loại sản phẩm 54

Hình 3.19 Tủ điện điều khiển 54

Hình 4.1 Giao diện đăng nhập điều khiển hệ thống trên Tkinter 55

Hình 4.2 Giao diện điều khiển và giám sát hệ thống trên Tkinter 55

Hình 4.3 Giao diện chính của hệ thống trên WinCC 56

Hình 4.4 Giao diện điều khiển và giám sát hệ thống trên WinCC 56

Hình 5.1 Kết quả camera đọc mã vạch loại 1 57

Hình 5.2 Kết quả camera đọc mã vạch loại 2 57

Hình 5.3 Kết quả camera đọc mã vạch loại 3 58

Hình 5.4 Giao diện WinCC phân loại sản phẩm 58

Hình 5.5 Xy lanh đẩy sản phẩm phân loại trên WinCC 59

xi

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Yêu cầu thiết kế hệ thống 42

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của relay 44

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật động cơ 46

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật van điện từ khí nén 48

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật xy lanh 49

Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật nút nhấn ON OFF 49

Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật nút nhấn dừng khẩn cấp 50

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Trong thời buổi hiện đại hóa, công nghiệp hóa nền công nghiệp 4.0 đang ngày càng phát triển, máy móc đang dần dần thay thế con người trong hầu hết các hoạt động đời sống và sản xuất Ưu điểm vượt trội mà máy móc đem lại là khả năng làm việc với hiệu suất cao, liên tục, có thể rút ngắn được thời gian, nhân công trong hoạt động công nghiệp cũng như trong các ngành khác Dựa trên những ưu điểm đó mà hệ thống phân loại sản phẩm ra đời, đáp ứng nhu cầu cho các doanh nghiệp sản xuất sản phẩm với số lượng lớn và cần phân loại để dễ dàng cho khâu đóng gói đưa ra thị trường Có rất nhiều phương pháp để phân loại sản phẩm như: phân loại theo hình dáng, kích thước, màu sắc, khối lượng, mã QR code, … Tùy theo từng loại sản phẩm

mà các nhà máy sẽ lựa chọn một hệ thống phân loại thích hợp nhằm tối ưu hóa năng suất sản xuất Bên cạnh các hình thức phân loại trên, phân loại sản phẩm theo mã vạch cũng được ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất nhờ vào tính tiện dụng và độ hiệu quả mà hệ thống phân loại này mang lại Bởi lẽ bất kỳ một sản phẩm nào được tạo ra đều có một mã vạch khác nhau được dán trên vỏ nhằm định danh nguồn gốc, xuất xứ cũng như giá thành của sản phẩm đó Vì vậy việc phân loại theo

mã vạch giúp con người giám sát, quản lý dữ liệu hàng hóa một cách dễ dàng thông qua việc quét, lấy mã bằng camera và gửi về máy tính Đó là lý do nhóm lựa chọn đề tài phân loại sản phẩm theo mã vạch để nghiên cứu và phát triển Nhóm đã lựa chọn phương pháp xử lý ảnh dùng ngôn ngữ lập trình Python để lấy dữ liệu mã vạch từ camera đặt trên băng tải đưa vào máy tính và xử lý Để hoàn tất việc phân loại, nhóm

sử dụng PLC thuộc hãng Siemens để nhận và xử lý tín hiệu điều khiển các xy lanh tác động đẩy sản phẩm ra khỏi băng chuyền

Hình 1.1 Dây chuyền đọc mã vạch phân loại sản phẩm

Nhóm đã tham khảo nhiều hệ thống phân loại sản phẩm khác như phân loại theo màu sắc, kích thước Tuy nhiên để phù hợp với yêu cầu đánh giá chất lượng của chỉ một loại sản phẩm thì áp dụng hai phương pháp phân loại nêu trên là không khả thi

Để đánh giá một sản phẩm thuộc loại 1, loại 2 hay loại 3, … thì cách tốt nhất là quy định mã vạch cho từng loại sản phẩm đó Sau khi camera đọc được dữ liệu từng mã vạch và đưa về máy tính xử lý thì sẽ biết được chính xác mỗi sản phẩm đi qua băng chuyền thuộc loại nào trong số những loại sản phẩm được quy định ban đầu Sau đây

là hai dây chuyền phân loại sản phẩm theo màu sắc và theo kích thước mà nhóm đã tham khảo:

Hình 1.2 Phân loại cà chua theo màu sắc

Hình 1.3 Phân loại hàng hóa theo kích thước

− Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống, đánh giá tổng quan mô hình thông qua việc tham khảo các mô hình đã có

− Kết nối và vận hành hệ thống phân loại được đúng theo yêu cầu đề ra: phân loại sản phẩm theo loại 1, loại 2 và loại 3

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong đề tài này là một hệ thống bao gồm phần cứng cơ khí, thiết bị điều khiển (PLC, relay) và thuật toán điều khiển Xây dựng hệ thống điều khiển tự động hoàn chỉnh

− Phương pháp tham khảo tài liệu:

+ Kế thừa và phát triển các công trình nghiên cứu trước đó về cơ sở lý thuyết của các phần mềm lập trình và thi công cơ khí

+ Kế thừa các mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn

− Nghiên cứu lý thuyết:

+ Nghiên cứu nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống phân loại sản phẩm theo

mã vạch

+ Tìm hiểu cách thức hoạt động của cảm biến quang, cơ cấu đẩy rút của xy lanh khí nén

+ Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Python và cách thức lấy dữ liệu mã vạch từ camera và đưa vào máy tính xử lý

+ Phương pháp thực nghiệm:

+ Thiết kế mô hình cơ khí

+ Thiết kế tủ điện điều khiển, chương trình điều khiển, giao diện điều khiển và giám sát

+ Chạy thử nghiệm trên phần mềm TIA Portal và hiệu chỉnh hệ thống

+ Tiến hành chạy chương trình nhiều lần, phát hiện lỗi và hoàn thiện hệ thống

1.4 Nội dung nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng xử lý ảnh phân loại sản phẩm theo mã vạch” được chia làm 6 chương, phạm vi mỗi chương được trình bày như sau:

• Chương 1: Tổng quan đề tài

Giới thiệu tổng quát về đề tài, cách đặt vấn đề, chỉ ra được lý do chọn đề tài Nêu rõ mục tiêu, phương pháp nghiên cứu, nội dung, phạm vi giới hạn của đề tài, đồng thời chỉ ra được ý nghĩa thực tiễn mà đề tài mang lại

• Chương 2: Cơ sở lí thuyết

Cung cấp tổng quan về tài liệu, các nghiên cứu lí thuyết hiện có liên quan đến

đề tài đã được thảo luận và xem xét Mô tả về phương pháp xử lý ảnh trong việc đọc

mã vạch cũng như lý thuyết về mã vạch và đưa ra định hướng trong đề tài này Giới thiệu tổng quan PLC, tổng quan hệ thống và sơ lược về quy trình hoạt động

• Chương 3: Thiết kế phần cứng

Nêu rõ các thiết bị phần cứng sử dụng trong đề tài kèm theo các thông số liên quan: thông số kỹ thuật, ứng dụng từng thiết bị Trình bày cách kết nối các thiết bị phần cứng trong hệ thống

• Chương 4: Thiết kế phần mềm

Thiết kế sơ đồ khối mô tả hoạt động của hệ thống, chương trình điều khiển, giao diện điều khiển và giám sát hệ thống

• Chương 5: Kết quả thực hiện

Trình bày các kết quả đạt được sau khi hoàn thiện đề tài

• Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Nêu ra kết luận qua đó đưa ra hướng phát triển mở rộng đề tài trong tương lai

1.5 Giới hạn đề tài

Với mục tiêu thiết kế và thi công hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch nhưng do điều kiện về kinh tế nên đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi sau:

− Mô hình hóa hệ thống phân loại sản phẩm phục vụ cho đồ án và nghiên cứu

− Thu thập dữ liệu điều khiển và giám sát hệ thống thông qua máy tính xách tay

− Sử dụng ngôn ngữ lập trình sẵn có là Python để điều khiển

Từ những điều kiện trên, nhóm đã hoàn thiện mô hình phân loại sản phẩm có thể mô phỏng được hoạt động của khâu phân loại trong dây chuyền thực tế của nhà máy

1.6 Ý nghĩa thực tiễn

Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch mang lại một cái nhìn tổng quan về một khâu trong dây chuyền phân loại sản phẩm trong thực tế, giúp ta hình dung được cách thức hoạt động của một dây chuyền sản xuất Qua đó mô hình có thể được sử dụng để nghiên cứu, học tập và giảng dạy, đồng thời ta có thể cải tiến mô hình với chi phí thấp trước khi cải tiến thực tế

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lý thuyết về mã vạch

2.1.1 Khái niệm về mã vạch

Mã vạch (tiếng Anh có nghĩa là Barcode) là một dạng hình ảnh ký hiệu dùng để

mã hóa những thông tin liên quan đến đối tượng cần được định danh (hàng hóa thực phẩm: bánh kẹo, nước giải khát, các đồ dùng gia dụng, …) Có thể gọi mã vạch là hình ảnh ký hiệu 1D bởi chúng được tạo thành từ các sọc thẳng đứng màu đen được đặt song song và xen kẽ lẫn nhau với những khoảng cách không đều, bên dưới những đường kẻ sọc là 1 dãy các ký tự có thể là số hoặc chữ số Mục đích của việc tạo ra mã vạch nhằm lưu trữ và truyền tải thông tin, dữ liệu của sản phẩm hàng hóa được mã hóa Mã vạch được coi như là một “chứng minh thư” của hàng hóa bởi mọi thông tin

về sản phẩm sẽ được hiện ra theo từng mã vạch sản phẩm như: quốc gia đăng ký mã vạch, tên doanh nghiệp, lô sản xuất hàng hóa, tiêu chuẩn chất lượng đăng ký, kích thước hay thông số sản phẩm, nơi kiểm tra … Nếu dùng mắt thường để nhìn vào các loại mã vạch thì rất khó có thể biết được nó là gì và dữ liệu được mã hóa bên trong ra sao Tuy nhiên chính những sự thay đổi trong độ rộng của vạch và khoảng trắng sẽ là biểu thị thông tin số hay chữ số dưới dạng mà máy có thể đọc được

Từ những dữ kiện nêu trên có thể thấy mã vạch sản phẩm bao gồm 2 thành phần chính:

− Mã vạch: Tổ hợp những khoảng trắng, vạch trắng được sắp xếp đúng quy luật, thông số, chỉ có thể đọc được bằng những thiết bị hỗ trợ chuyên dụng như máy quét

Hình 2.1 Ví dụ về mã vạch

2.1.2 Quy ước đọc mã vạch

Một số loại mã vạch phổ biến trên thị trường là UPC, EAN, Code 39, Interleaved

2 of 5, Code 128 và Codabar Trong đó chuẩn mã vạch EAN (European Article Number) của tổ chức mã số vật phẩm quốc tế được áp dụng cho hầu hết hàng hóa Việt Nam trên thị trường hiện nay

Quy ước đọc mã vạch EAN như sau: mã gồm 13 con số sẽ được chia làm 4 nhóm theo thứ tự

− Nhóm 1: 3 chữ số đầu – Mã quốc gia sản xuất hàng hóa

− Nhóm 2: 6 chữ số tiếp theo – Mã số doanh nghiệp sản xuất do tổ chức GS1 Việt Nam cấp

− Nhóm 3: 3 chữ số tiếp theo – Mã sản phẩm do doanh nghiệp tự cấp

− Nhóm 4: Chữ số cuối cùng (chữ số thứ 13) – Số về kiểm tra

2.1.3 Cách nhận diện mã vạch

Để đọc được mã vạch ta cần máy quét mã vạch Loại máy này phải sử dụng loại đầu lọc quang học chuyên dụng với chùm tia sáng hoặc tia laser Để máy nhận diện chính xác nhất, rõ ràng nhất thì màu sắc của mã vạch cần được in vừa phải, kí hiệu không bị biến dạng hay mất nét, môi trường quét mã vạch cần có ánh sáng vừa đủ Sau khi quét, máy đọc sẽ giải mã vạch đó bằng phần mềm dưới dạng Firmware

Mã vạch được xem là hợp lệ nếu máy quét có thể hoàn toàn đọc được mã vạch trên sản phẩm này Cuối cùng, mọi thông tin, dữ liệu sau đó sẽ được chuyển vào máy tính hay những thiết bị hỗ trợ cần thông tin về sản phẩm chứa mã vạch này

Bằng cách khác để đọc được mã vạch, ta chỉ cần một camera thông thường hay thậm chí sử dụng ngay cả camera của điện thoại thông minh (Smart Phone) để quét

mã với điều kiện camera đã được lập trình xử lý ảnh bằng phần mềm chuyên dụng

2.2 Tổng quan về Xử lý ảnh

Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ Nó là một ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt là máy tính chuyên dụng riêng cho nó

Xử lý ảnh là kỹ thuật áp dụng trong việc tăng cường và xử lý các ảnh thu nhận

từ các thiết bị như camera, webcam Do đó, xử lý ảnh đã được ứng dụng và phát triển trong rất nhiều lĩnh vực quan trọng như:

• Trong lĩnh vực quân sự: xử lý và nhận dạng ảnh quân sự

• Trong lĩnh vực giao tiếp người máy: nhận dạng ảnh, xử lý âm thanh, đồ họa

• Trong lĩnh vực an, bảo mật: nhận diện khuôn mặt người, nhận diện vân tay, mẫu mắt,

• Trong lĩnh vực giải trí: trò chơi điện tử

• Trong lĩnh vực y tế: Xử lý ảnh y sinh, chụp X quang, MRI,

Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính: nâng cao chất lượng

và phân tích ảnh Ứng dụng đầu tiên được biết đến là nâng cao chất lượng ảnh báo được truyền từ Luân đôn đến New York từ những năm 1920 Vấn đề nâng cao chất lượng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng và độ phân giải của ảnh Việc nâng cao chất lượng ảnh được phát triển vào khoảng những năm 1955 Điều này có thể giải thích được vì sau thế chiến thứ hai, máy tính phát triển nhanh tạo điều kiện cho quá trình xử lý ảnh số được thuận lợi hơn Năm 1964, máy tính đã có khả năng xử lý và nâng cao chất lượng ảnh từ mặt trăng và vệ tinh Ranger 7 của Mỹ bao gồm: làm nổi đường biên, lưu ảnh Từ năm 1964 đến nay, các phương tiện xử lý, nâng cao chất lượng, nhận dạng ảnh phát triển không ngừng Các phương pháp tri thức nhân tạo như mạng nơron nhân tạo, các thuậttoán xử lý hiện đại và cải tiến, các công cụ nén ảnh ngày càng được áp dụng rộng rãi và thu được nhiều kết quả khả quan hơn Sau đây, ta sẽ xét các bước cần thiết trong quá trình xử lý ảnh Đầu tiên, ảnh tự nhiên từ thế giới bên ngoài được thu nhận qua các thiết bị thu (như Camera, máy chụp ảnh) Trước đây, ảnh thu qua Camera là các ảnh tương tự (loại Camera ống kiểu

CCIR) Gần đây với sự phát triển của công nghệ, ảnh màu hoặc đen trắng được lấy

ra từ Camera, sau đó nó được chuyển trực tiếp thành ảnh số tạo thuận lợi cho xử lý tiếp theo Mặt khác ảnh có thể được quét từ vệ tinh chụp trực tiếp bằng máy quét ảnh

Hình 2.1 Các bước cơ bản trong xử lý ảnh

Sơ đồ này bao gồm các thành phần sau:

2.2.1 Thu nhận ảnh (Image Acquisition)

Ảnh có thể nhận qua camera màu hoặc trắng đen Thường ảnh nhận qua camera

là ảnh tương tự (loại camera ống chuẩn CCIR với tần số 1/25, mỗi ảnh 25 dòng), cũng

có loại camera đã số hóa (như loại CCD – Change Coupled Device) là loại photodiot tạo cường độ sáng tại mỗi điểm ảnh Camera thường dùng là loại quét dòng, ảnh tạo

ra có dạng hai chiều Chất lượng ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường (ánh sáng, phong cảnh)

2.2.2 Tiền xử lý (Image processing)

Sau bộ thu nhận, ảnh có thể nhiễu độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền

xử lý để nâng cao chất lượng Chức năng chính của bộ tiền xử lý là lọc nhiễu, nâng

độ tương phản để làm ảnh rõ hơn, nét hơn

2.2.3 Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh

Phân vùng ảnh là tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần để biểu diễn phân tích, nhận dạng ảnh Ví dụ: để nhận dạng chữ (hoặc mã vạch) trên phong bì thư cho mục đích phân loại bưu phẩm, cần chia các câu chữ về địa chỉ hoặc tên người thành các từ, các chữ, các số (hoặc các vạch) riêng biệt để nhận dạng Đây là phần phức tạp khó khăn nhất trong xử lý ảnh và cũng dễ gây lỗi, làm mất độ chính xác của ảnh Kết quả nhận dạng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào công đoạn này

2.2.4 Biểu diễn ảnh (Image Representation)

Đây là phần sau phân đoạn chứa các điểm ảnh của vùng ảnh (ảnh đã phân đoạn) cộng với mã liên kết ở các vùng lân cận Việc biến đổi các số liệu này thành dạng thích hợp là cần thiết cho xử lý tiếp theo bằng máy tính Việc chọn các tính chất để

thể hiện ảnh gọi là trích chọn đặc trưng (Feature Extration) gắn với việc tách các đặc tính của ảnh dưới dạng các thông tin định lượng hoặc làm cơ sở để phân biệt lớp đối tượng này với đối tượng khác trong phạm vi ảnh nhận được Ví dụ: trong nhận dạng

ký tự trên phong bì thư, chúng ta miêu tả các đặc trưng của từng ký tự giúp phận biệt

ký tự này với ký tự khác

2.2.5 Nhận dạng và nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation)

Nhận dạng ảnh là quá trình xác định ảnh Quá trình này thường thu được bằng cách so sánh với mẫu chuẩn đã được học (hoặc lưu) từ trước Nội suy là phán đoán theo ý nghĩa trên cơ sở nhận dạng Ví dụ: một loạt chữ số và nét gạch ngang trên phong bì thư có thể nội suy thành mã điện thoại Có nhiều cách phân loại ảnh khác nhau về ảnh Theo lý thuyết về nhận dạng, các mô hình toán học về ảnh được phân theo hai loại nhận dạng ảnh cơ bản:

• Nhận dạng theo tham số

• Nhận dạng theo cấu trúc

Một số đối tượng nhận dạng khá phổ biến hiện nay được áp dụng trong khoa học và công nghệ là: nhận dạng ký tự (chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện tử), nhận dạng văn bản (Text), nhận dạng vân tay, nhận dạng mã vạch, nhận dạng mặt người,…

2.2.6 Cơ sơ tri thức (Knowledge Base)

Như đã nói ở trên, ảnh là một đối tượng khá phức tạp về đường nét, độ sáng tối, dung lượng điểm ảnh, môi trường để thu ảnh phong phú kéo theo nhiễu Trong nhiều khâu xử lý và phân tích ảnh ngoài việc đơn giản hóa các phương pháp toán học đảm bảo tiện lợi cho xử lý, người ta mong muốn bắt chước quy trình tiếp nhận và xử lý ảnh theo cách của con người Trong các bước xử lý đó, nhiều khâu hiện nay đã xử lý theo các phương pháp trí tuệ con người Vì vậy, ở đây các cơ sở tri thức được phát huy

2.2.7 Mô tả

Ảnh sau khi số hóa sẽ lưu vào bộ nhớ, hoặc truyền sang các khâu tiếp theo để phân tích Nếu lưu trữ ảnh trực tiếp từ các ảnh thô, đòi hỏi dung lượng bộ nhớ cực lớn và không hiệu quả theo quan điểm ứng dụng và công nghệ Thông thường, các ảnh được gọi là các đặc trưng ảnh như: biên ảnh, vùng ảnh

2.3 Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm

Trong thời đại công nghiệp phát triển mạnh mẽ hiện nay, sản xuất hàng loạt đang được chú trọng và đẩy mạnh hơn bao giờ hết bởi nhu cầu thị yếu ngày càng tăng Hiện nay trong hầu hết các nhà máy có rất nhiều dây chuyền sản xuất được thiết

kế và đưa vào sử dụng Để đạt được mục tiêu phân chia sản phẩm về đúng loại, đúng mẫu mã, kích thước, trọng lượng, … thì dây chuyền phân loại sản phẩm được ra đời

Có rất nhiều dây chuyền phân loại sản phẩm hiện có như: phân loại sản phẩm theo kích thước, theo màu sắc, theo hình dạng, theo cân nặng, theo mã vạch…

2.3.1 Giới thiệu về hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch

Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch được sử dụng rất phổ biến hiện nay trong các dây chuyền sản xuất Bằng cách quét mã vạch nhờ camera mà hệ thống có thể biết được sản phẩm thuộc loại nào dựa vào mã vạch đã được quy định trước đó bởi người vận hành Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch được xem như là một công cụ hỗ trợ phân loại nhanh và chính xác, hạn chế khả năng xảy ra lỗi hơn so với con người, tối ưu hóa được số lượng nhân công

Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch hoạt động dựa trên nền tảng dùng

xử lý ảnh quét mã vạch có sẵn được dán trên mỗi sản phẩm Mã vạch được gửi vào máy tính và xử lý sau đó được đưa vào PLC, PLC có nhiệm vụ xử lý và phát ra các tín hiệu để điều khiển xy lanh đẩy sản phẩm vào thùng chứa tương ứng Những sản phẩm không nằm trong số các sản phẩm cần được phân loại thì sẽ được đưa đến cuối băng tải và rớt vào thùng chứa sản phẩm lỗi Hệ thống này được lặp đi lặp lại liên tục cùng với dây chuyền đóng gói, dán nhãn, lưu kho tạo nên một dây chuyền sản xuất hoàn chỉnh của nhà máy

2.3.2 Một vài hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch hiện có

Sau đây là các dây chuyền phân loại sản phẩm theo mã vạch được ứng dụng thực tế:

Hình 2.2 Dây chuyền phân loại bưu kiện

Hình 2.3 Dây chuyền phân loại hành lý tại sân bay

2.4 Cơ sở lý thuyết về phần cứng

Phần cứng của hệ thống bao gồm: các thiết bị điều khiển (PLC, relay), thiết bị truyền động, động cơ, băng tải, xy lanh khí nén, camera, cảm biến

2.4.1 PLC

2.4.1.1 Giới thiệu chung về PLC

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị cho phép lập trình thực hiện các thuật toán điều khiển logic Bộ lập trình PLC nhận tác động các sự kiện bên ngoài thông qua ngõ vào (input) và thực hiện hoạt động thông qua ngõ ra (output) PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi bất kỳ từ ngõ vào, dựa theo logic chương trình ngõ ra tương ứng sẽ thay đổi Ngôn ngữ lập trình PLC phổ biến hiện nay là Ladder, Step Ladder Tuy nhiên, mỗi hãng sản xuất sẽ có các ngôn ngữ lập trình riêng Các hãng sản xuất PLC phổ biến hiện nay gồm: Siemens, Mitsubishi, Rockwell, INVT, Delta…

Hình 2.4 PLC hãng Siemens

2.4.1.2 Giới thiệu về PLC Siemens S7 – 1200

− 1200 ra đời năm 2009 dùng để thay thế dần cho 200 So với

S7-200 thì S7-1S7-200 có những tính năng nổi trội hơn

− S7-1200 được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200

− S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP

− S7-1200 có 5 dòng là CPU 1211C, CPU 1212C và CPU 1214C, CPU 1215C, CPU 1217C

− Hỗ trợ các chuẩn mạng truyền thông công nghiệp, tạo sự kết nối và trao đổi

dữ liệu giữa các thiết bị trong và ngoài nhà máy đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp 4.0

− Nhược điểm:

− Giá thành cao: Chi phí sản phẩm cao hơn so với chi phí mạch relay thông thường Tuy nhiên, hiện nay thị trường VN đã có mặt rất nhiều hãng PLC của Đức, Nhật Bản, Mỹ, Trung Quốc… dẫn đến giá thành cạnh tranh hơn so với trước

− Chi phí phần mềm lập trình: Chi phí mua licence phần mềm lập trình tùy thuộc vào hãng sản xuất Hiện nay có 2 dạng: hãng sản xuất cho phép sử dụng miễn phí và hãng sản xuất yêu cầu mua licence

− Yêu cầu người sử dụng có kiến thức về lập trình PLC: Để thiết bị PLC đáp ứng tốt trong điều khiển, người sử dụng cần có kiến thức căn bản về lập trình PLC

2.4.1.4 Ứng dụng của PLC trong thực tế

Trong nghành công nghiệp hiện đại, bộ lập trình PLC đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là công nghiệp sản xuất Với nhiều ưu điểm vượt trội về giá thành lẫn hiệu suất, PLC được ứng dụng rộng rãi, phổ biến trong các tủ bảng điện tự động hóa của các hệ thống như: cấp nước, nhà máy xử lý nước thải, sản xuất chế biến, đóng gói, giám sát dây chuyền sản xuất, công nghiệp nặng

Ngoài ra, Bộ lập trình PLC còn được dùng trong các ứng dụng giám sát quá trình trong nhà máy mạ, các dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử trong các nhà máy, dây chuyền kiểm tra chất lượng sản phẩm… bằng các công tắc hành trình hoặc các cảm biến

cơ xoay chiều 3 pha, động cơ 3 pha không đồng bộ

Động cơ điện được ứng dụng hầu hết trong mọi lĩnh vực như sản xuất, chế biến Các động cơ điện thường gặp trong gia đình như tủ lạnh, quạt điện, máy giặt, máy bơm nước … Nhiều nơi động cơ điện được dùng trong các phương tiện vận chuyển, đầu kéo, đặc biệt trong đầu máy xe lửa… Sau đây là một số động cơ thường gặp trong đời sống:

Hình 2.8 Động cơ điện 3 pha Hình 2.9 Động cơ điện 1 pha

Hình 2.10 Động cơ DC servo giảm

2.4.3 Cảm biến

2.4.3.1 Giới thiệu chung về cảm biến

Cảm biến là thiết bị điện tử có nhiệm vụ cảm nhận những trạng thái, quá trình vật lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó Thông tin sau khi thu thập được xử

lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hoặc dùng trong các hệ thống công nghiệp sản xuất phục vụ trong việc truyền và xử lý thông tin hay trong điều khiển các quá trình khác.Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện như: nhiệt độ, áp suất, … tác động lên cảm biến cho ta một đại lượng đặc trưng mang tính chất điện như: điện tích, điện áp, dòng điện, … chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo

Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu dò, có thể có kèm các mạch điện hỗ trợ và nhiều khi trọn bộ đó lại được gọi luôn là "cảm biến" Sau đây là ví dụ một vài cảm biến hiện hành phổ biến:

Hình 2.12 Cảm biến tiệm cận

ST18

2.4.3.2 Cấu tạo chung của các loại cảm biến

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các loại cảm biến phục vụ các mục đích khác nhau nhưng chung quy lại chúng đều được làm từ các sensor phần tử điện thay đổi tính chất theo sự biến đổi của môi trường (đầu dò)

Cấu tạo gồm các phần tử mạch điện tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh được đóng gói nhỏ gọn Các tín hiệu phát ra được quy chuẩn theo mức điện áp và dòng điện thông dụng nhất phù hợp với các bộ điều khiển

2.4.3.3 Phân loại cảm biến

− Trên thực tế có vô vàn những loại cảm biến khác nhau và chúng ta có thể chia các cảm biến thành hai nhóm chính:

• Cảm biến vật lí: có thể kể đến một vài ví dụ dễ hình dung như sóng điện

từ, ánh sáng, hồng ngoại, tia X, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, từ trường, gia tốc,…

• Cảm biến hóa học: thường thấy như độ ẩm, độ PH, ion, khói, …

− Ngoài ra ta cũng có một số hình thức phân chia khác như chia thành cảm biến chủ động và bị động:

• Cảm biến chủ động: không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích trên bề mặt

• Cảm biến bị động: sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược

− Ta cũng có thể phân loại cảm biến theo nguyên lí hoạt động:

• Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn

• Cảm biến cảm ứng: cảm biến biến áp vi phân, cảm biến cảm ứng điện từ, cảm biến dòng xoáy, cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến điện dung,

• Cảm biến điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện, …

• Và một số cảm biến nổi bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang nhấp nháy, cảm biến điện hóa đầu dò ion và độ pH, cảm biến nhiệt độ, …

2.4.3.4 Vai trò của cảm biến trong công nghiệp

Với các bài toán điều khiển hệ thống tự động hóa nói chung và điều khiển quá trình nói riêng thì cảm biến có vai trò vô cùng quan trọng:

− Cảm biến giúp "cảm nhận" các tín hiệu điều khiển đầu vào

− Cảm biến giúp đo đạc các giá trị, số liệu của hệ thống

− Cảm biến giới hạn cảm nhận với đại lượng vật lý cần đo

2.4.3.5 Ứng dụng của cảm biến trong thực tế

Cảm biến là một sàn phẩm công nghệ tiên tiến được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội cũng như trong kinh doanh sản xuất Tùy thuộc vào từng loại cảm biến mà chúng có những ứng dụng khác nhau như: dùng để đo nhiệt độ, đo áp suất, đo khoảng cách, phát hiện vật thể, đếm số lượng sản phẩm, … Trong ngành điện công nghiệp thì thiết bị cảm biến chủ yếu để ngắt dòng điện khi quá tải, nóng hoặc bị

ẩm để bảo vệ thiết bị điện an toàn Sử dụng cảm biến ở trường hợp nào cũng đều đem lại lợi ích thiết thực cho người sử dụng, người vận hành như: tiết kiệm được chi phí, bảo vệ thiết bị điện an toàn, nâng cao năng suất cho nhà máy

2.4.4 Xy lanh khí nén

2.4.4.1 Giới thiệu chung

Là một thiết bị trong hệ thống khí nén, đóng vai trò quan trọng trong mọi hệ thống Chúng có chức năng chuyển hóa năng lượng khí nén thành động năng để thực hiện tác động lực đóng, mở, kéo, đẩy, ép…tùy thuộc vào từng công việc thực tế Ngoài tên gọi là xy lanh khí nén thì còn có thể gọi với nhiều tên khác nhau như: Ben khí, ben hơi Là thiết bị cơ học nhưng có kết hợp với sự chuyển động của khí nén tạo thành sự chuyển động, thường gặp trong các hệ thống phân loại sản phẩm, dán dãn tự động, dập nắp lon và các dây chuyền khác tích hợp các cơ cấu dập/đẩy

So sánh với xy lanh thủy lực trong cùng một dạng hệ thống như nhau thì xy lanh khí nén được ưa chuộng hơn vì nó sạch sẽ, êm ái khi vận hành và không tốn nhiều diện tích cho việc chứa dầu

2.4.4.2 Cấu tạo

Xy lanh khí nén được cấu tạo từ nhiều bộ phận như: thân xy lanh/nòng (Barrel), trục xy lanh/ty (Piston rod), piston, cửa cấp khí vào và ra (Cap-end port & Rod-end port), phớt chắn bụi, nắp bịt đầu trên, nắp bịt đầu dưới và thanh giằng (Tie rod) Tất

cả các chi tiết, cửa khí, lỗ ren hay lỗ vít đều được nhà sản xuất gia công một cách chi tiết và tỉ mỉ theo tiêu chuẩn Châu Âu để đem lại một cây xy lanh tốt nhất cho người dùng

Thông thường người ta thường sử dụng nhôm, thép hay inox để chế tạo ra một cây xy lanh Bởi vậy, xy lanh có độ bền cao, rất cứng cáp, ít bị ăn mòn, hạn chế bị oxi hóa

Hình 2.16 Cấu tạo xy lanh khí nén

2.4.4.3 Nguyên lý hoạt động

Lắp đặt xy lanh vào đúng vị trí trong hệ thống và tiến hành kích hoạt, khí nén được đưa vào bên trong xy lanh thông qua ống dẫn và cửa cấp khí vào Lượng khí nén tăng dần lên và sẽ lấp đầy không gian bên trong thân xy lanh Tùy thuộc vào từng loại mà các xy lanh có cơ cấu hoạt động khác nhau như sau:

− Đối với xy lanh tác động đơn: áp suất được tạo ra bởi khí nén sẽ tạo ra lực đẩy piston theo một hướng (thường là ra) và đầu bên kia có một lò xo bị khí nén đẩy

ép lại sau đó trở về vị trí ban đầu (trục xy lanh thụt vào bên trong) Loại xy lanh tác động đơn này có phần không gian bên trong bị hạn chế do có lò xo nén chiếm Tiếp đến khí nén sẽ đi qua cửa khí ra và xả ra môi trường bên ngoài, kết thúc một chu kỳ hoạt động của xy lanh Do những yếu tố trên, các xy lanh tác động đơn chỉ được khuyến nghị cho các hệ thống có yêu cầu chiều dài hành trình không quá 100mm

− Đối với xy lanh tác động kép: loại xy lanh này có hai cổng để cấp khí nén vào, một cổng dùng để đẩy piston ra ngoài và một cổng rút piston về Nhờ đó mà cả hai hướng: đi ra và đi vào của piston đều phát sinh lực đẩy thay vì chỉ một hướng so với loại tác động đơn Hai cổng cấp/xả khí của xy lanh hoạt động liên tục và luân phiên nhau, cổng này nạp tương ứng với cổng còn lại xả Chính vì vậy, xy lanh khí nén tác động kép còn được gọi với các tên khác là xy lanh hai chiều Chiều dài hành trình cho thiết kế này không bị giới hạn, tuy nhiên, thanh piston dễ bị xô lệch và bị uốn hơn

Để có thể điều chỉnh tốc độ hoặc đảo chiều hoạt động của xy lanh, người vận hành có thể điều khiển lượng khí nén và chiều cấp/xả khí nén thông qua các van gạt

tay hoặc van điện từ Muốn cho xy lanh dừng hoạt động thì người điều khiển chỉ cần ngừng cung cấp khí

Đặc biệt tùy vào cách thức chuyển động mà ta còn có các dạng như: xy lanh xoay và xy lanh kẹp:

− Xy lanh xoay:

Hình 2.22 Xy lanh xoay SMC MSQB-50A

Biến năng lượng khí nén thành chuyển động xoay, xy lanh xoay có thể xoay được nhiều góc khác nhau phù hợp với từng loại hệ thống Các ứng dụng thường gặp

là xoay 1 cơ cấu để di chyển vật giữa hai băng chuyền

− Xy lanh kẹp:

Hình 2.23 Xy lanh kẹp HFK

Xy lanh kẹp có loại kẹp 2 chấu, kẹp góc, kẹp 3 chấu đồng tâm Được dùng trong các hệ thống di chuyển vật nhưng không phải theo phương ngang như xy lanh tịnh tiến mà thường kết hợp với xy lanh xoay hay xy lanh tịnh tiến để gắp vật qua lại giữa các hệ thống băng tải hay ở các độ cao khác nhau

2.4.4.5 Ứng dụng của xy lanh khí nén trong thực tế

Hiện nay xy lanh khí nén được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp cũng như trong đời sống, chẳng hạn như:

− Ứng dụng trên cửa thông minh: có thể kể đến một số loại cửa thông minh như: cửa tự động tại các siêu thị, cửa trên các loại xe buýt, … Có thể nói, trong hầu hết các

hệ thống liên quan đến tự động hóa thì đều có xy lanh khí nén

− Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp: xy lanh khí nén đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của dây chuyền sản xuất với những cánh tay robot thông minh được tự động hóa hoàn toàn Việc gắp thả sản phẩm, di chuyên cánh tay robot đến một vị trí nhất định, dập nắp, đẩy sản phẩm, … đều được xy lanh khí nén thực hiện

− Ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng: các loại máy móc vận chuyển hay mang vác vật nặng như: máy cẩu, máy xúc, máy ủi, …

− Ứng dụng trong sản xuất chế tạo máy móc tự động hóa, chế tạo ô tô, …

− Bên cạnh đó xy lanh khí nén còn một số ứng dụng trong các lĩnh vực khác như: giao thông, khai thác khoáng sản, lắp ráp, chế biến, công nghiệp gỗ, chế tạo robot, …

2.4.5 Van điện từ khí nén

2.4.5.1 Giới thiệu van điện từ khí nén

Van điện từ khí nén là loại van dùng để điều tiết đóng mở lưu lượng các dòng lưu chất khí nén, cấp hay ngắt khí nén cho cơ cấu chấp hành Chính vì vậy, đây là loại thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống khí nén, song còn tùy vào vị trí, mục đích sử dụng cụ thể mà ta có thể lựa chọn sản phẩm cho phù hợp: van điện từ khí nén 5/2, 3/2, 4/2 hay 2/2

Van điện từ khí nén có kích thước khá nhỏ gọn được phân thành nhiều loại van khí nén khác nhau Van được làm chủ yếu bằng chất liệu nhựa, gang, inox, thép, …

được nhập khẩu chính hãng từ các nước lớn SMC – Nhật Bản, TPC – Hàn Quốc,

Artiac – Đài Loan, JELPC – Trung Quốc, Mỹ

Hình 2.24 Van điện từ khí nén AIRTAC 4V210 – 08

2.4.5.2 Cấu tạo

− Thân van: Cơ cấu dùng để bảo vệ và kết nối các cơ cấu khác của van

− Cổng vào: Dòng chất vào bên trong van bắt đầu từ đây

− Cổng ra: Van điều khiển dòng chảy của chất lỏng từ cổng đầu vào đến cổng

ra Cổng ra cuối cùng được kết nối với hệ thống mục tiêu sử dụng khí nén Cửa van nằm ở bên trong cổng ra được nối trục van và lò xo Với van điện từ khí nén 5/2 (hoặc van điện từ 5/3) thì có 2 cổng ra được ký hiệu là A, B (hoặc 2 và 4)

− Cuộn coil: Còn được gọi là cuộn điện cho van điện từ cuộn coil hình trụ rỗng Bên ngoài cuộn dây được bao phủ bởi lớp vỏ thép và bên trong phần rỗng có một piston có thể chuyển động và được kiểm soát bởi lò xo

− Dây dẫn: Là phần kết cấu ngoài của van dùng để kết nối với nguồn cấp điện năng cho van hoạt động

− Nòng van: Hay còn gọi là thanh trượt (pit tông điều khiển) Khi nhận được tín hiệu tác động thanh trượt sẽ di chuyển qua lại và chốt van sẽ thay đổi vị trí giúp điều khiển hướng của dòng khí

− Cổng xả: Có tác dụng xả khí từ bên trong van ra môi trường bên ngoài Với van điện từ 5/2 và van điện từ 5/3, cổng xả được ký hiệu là cổng R, S (hoặc cổng 3, 5)

− Tín hiệu tác động: Đây là nơi tạo ra các tác động lên thanh trượt của van Giúp thanh trượt di chuyển qua lại Tín hiệu tác động có thể là solenoid, dòng khí nén… khi nhận được tín hiệu tác động sẽ đẩy tranh trượt di chuyển

2.4.5.3 Phân loại

❖ Phân loại theo cách tác động đến chiều dòng cơ chất ta có các loại van sau:

− Van 1 chiều: Là thiết bị điều khiển dòng cơ chất đi theo 1 chiều nhất định và ngăn dòng cơ chất chảy ngược lại khi máy nén ngừng hoạt động Van 1 chiều còn được gọi là van hồi lưu, check valve, van an toàn Trong hệ thống máy nén khí công nghiệp van 1 chiều thường phân chia thành các loại:

+ Van 1 chiều dạng trượt

+ Van 1 chiều dạng xoay

+ Van 1 chiều dạng bích

− Van khí nén đảo chiều: Là van dùng đóng/mở các ống dẫn để khởi động các

cơ cấu biến đổi năng lượng, dùng để đảo chiều chuyển động của cơ cấu chấp hành Van khí nén đảo chiều hay còn có tên gọi khác là van phân phối, van dẫn hướng, van điều khiển hướng…

❖ Phân loại theo số cổng ta có các loại van:

− Van điện từ 2 cổng: Dùng phổ biến cho hệ thống chất khí, dầu, nước

− Van điện từ 4 cổng: Dùng chủ yếu trong hệ thống thủy lực

− Van điện từ 3 cổng, 5 cổng: Hay thường gọi là van điện từ khí nén dùng chủ yếu trong lĩnh vực khí nén

Ngoài ra còn phân loại theo đối tượng sử dụng van: khí nén, gas, nước, hơi nước, … Phân loại theo điện áp: 24VDC, 110VAC, 220VAC, … và loại van thường đóng (NC) và thường mở (NO)

2.4.5.4 Ứng dụng

Van điện từ khí nén được sử dụng với mục đích chuyển hướng hay đảo chiều đóng mở nhằm cung cấp lượng khí nén giúp các hệ thống hoạt động một cách tự động

Van điện từ khí nén thường được ứng dụng để lắp đặt cho các hệ thống khí nén, các đầu khí nén, các máy hơi, bộ điều khiển khí nén của van bướm, van bi, … để sử dụng trong các khu công nghiệp, khu dân sinh, các hệ thống nhà máy chế biến sản xuất, hệ thống PCCC, …

2.4.6 Relay trung gian

2.4.6.1 Giới thiệu về relay

Relay trung gian là thiết bị điện tử có kích thước nhỏ, có chức năng tương tự với công tắc điện dân dụng dạng on/off hay còn được ví như nam châm điện được