Hệ thống giám sát rửa và phân loại táo theo cân nặng và màu sắc ứng dụng xử lý ảnh

Phùng Sơn Thanh SVTH: Phạm Phước Tuấn Anh Lê Xuân Bắc Trương Văn Phông S K L 0 0 9 2 1 0 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HỆ THỐNG GIÁM SÁT RỬA VÀ PHÂN LOẠI TÁO T

TỔNG QUAN

G IỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Để tối ưu hóa quy trình sản xuất và đạt hiệu quả kinh tế, các công ty thường áp dụng hệ thống tự động hóa với phần mềm điều khiển Dây chuyền sản xuất tự động sử dụng PLC không chỉ giảm bớt sức lao động của công nhân mà còn nâng cao hiệu suất, đáp ứng nhanh chóng nhu cầu hàng hóa của thị trường.

Phân loại sản phẩm, trái cây và nông sản sau thu hoạch là một thách thức lớn trong thực tế hiện nay Công việc này thường dựa vào sức người, dẫn đến khó khăn trong việc đảm bảo độ chính xác do tính chất lặp lại Hơn nữa, một số phân loại yêu cầu nhận diện các chi tiết mà mắt thường khó phát hiện, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất Do đó, sự ra đời của hệ thống tự động phân loại sản phẩm là một bước tiến cần thiết để đáp ứng nhu cầu trong thời đại công nghiệp 4.0.

Hình 1.1 Hệ thống phân loại hàng hóa

Tùy thuộc vào mức độ phức tạp của yêu cầu phân loại, các hệ thống tự động có quy mô khác nhau, nhưng đều có chi phí cao, đặc biệt trong bối cảnh Việt Nam hiện nay Do đó, hầu hết các hệ thống phân loại tự động hiện nay chủ yếu được áp dụng cho những yêu cầu phân loại phức tạp, trong khi một số doanh nghiệp vẫn dựa vào sức lao động của con người trong các khâu sản xuất và đóng gói Nhóm em hy vọng thông qua việc lựa chọn đề tài này.

Hệ thống giám sát rửa và phân loại táo theo cân nặng và màu sắc sử dụng công nghệ xử lý ảnh, nhằm nâng cao hiệu quả phân loại sản phẩm Giải pháp này không chỉ góp phần quan trọng vào việc phát triển các hệ thống tự động hóa với chi phí hợp lý, mà còn hỗ trợ sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp Việt Nam trong tương lai.

M ỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Hệ thống giám sát rửa và phân loại táo theo cân nặng và màu sắc ứng dụng xử lý ảnh, với các mục tiêu như sau:

Mô hình được thiết kế và thi công hoàn chỉnh với phần cứng chắc chắn, đảm bảo hoạt động ổn định Quy trình bao gồm các bước rửa, sấy ráo nước và xử lý từng loại trái cây một cách hiệu quả.

 Tự động hóa hoàn toàn hệ thống rửa và phân loại táo

 Thu thập được cái dữ liệu từ hệ thống

 Giám sát hệ thống bằng HMI và trên App.

N ỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Đề tài: Hệ thống giám sát rửa và phân loại theo cân nặng và màu sắc ứng dụng xử lý ảnh có nội dung sau:

 Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống rửa trái cây, các giải pháp thiết kế cho khâu rửa

 Nội dung 2: Tổng quan về hệ thống sấy và phân loại sản phẩm, các giải pháp về thiết kế hệ thống băng chuyền

 Nội dung 3: Nghiên cứu thuật toán xử lý ảnh ứng dụng vào phân loại trái cây theo màu sắc

 Nội dung 4: Xử lý phân loại theo cân nặng

 Nội dung 5: Thiết kế, hoàn thành thi công và điều khiển mô hình, chạy thực nghiệm

 Nội dung 6: Đánh giá kết quả thực hiện.

G IỚI HẠN ĐỀ TÀI

Mô hình này mô phỏng hoạt động của hệ thống rửa, sấy và phân loại trong quy trình sản xuất, nhưng có giới hạn về số lượng, quy mô, công suất và mối tương quan với các khâu khác trong thực tế.

Khâu rửa sử dụng cơ cấu tịnh tiến bằng inox 304 để tạo bồn và khay đựng, mỗi khay có thể chứa từ 6-8 trái tùy kích cỡ, dẫn đến hạn chế về số lượng trong một mẻ Trong khi đó, thực tế sử dụng băng tải lớn bằng inox với chuyển động và áp lực nước từ nhiều vòi xả, giúp nâng cao công suất rửa.

 Phần sấy và phân loại đáp ứng đủ điều kiện tiêu chuẩn và quy mô còn nhỏ

Phương pháp điều khiển đã được thực nghiệm và hoàn thiện trên mô hình thực tế, do đó chỉ phù hợp với các yếu tố đáp ứng trên nền tảng phần cứng đã được thi công Sự sai lệch của phần cứng có thể dẫn đến một số sai số khó tránh khỏi.

B Ố CỤC

Nội dung đề tài gồm các phần sau:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

 Tổng quan về hệ thống rửa trái cây

 Tổng qua về hệ thống phân loại trái cây

 Phương pháp giám sát quá trình rửa, phân loại

Chương 3: Thiết Kế Phần Cứng

 Sơ đồ nối dây hệ thống

Chương 4: Thiết Kế Phần Mềm

 Thiết kế chương trình xử lý ảnh

 Thiết kế giao diện giám sát điều khiển SCADA

Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển

 Thiết kế chương trình PLC

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

T ỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RỬA TRÁI CÂY

2.1.1 Rửa trái cây tự động

Hệ thống sơ chế rau củ quả sạch đã trở thành một ngành công nghiệp mới nổi bật ở nước ngoài và các vùng phát triển trong những năm gần đây Với sự nâng cao đời sống và nhịp sống bận rộn, người tiêu dùng ngày càng nhận thức rõ hơn về trái cây sạch Quá trình xử lý tại nhà máy có khả năng loại bỏ vi khuẩn và vi sinh vật hiệu quả gấp nhiều lần so với việc rửa sơ qua tại nhà.

Hình 2.1 Hệ thống rửa trái cây tự động

2.1.2 Các phương pháp rửa trái cây

Trên thị trường hiện nay, máy đóng gói và đóng hộp được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm mức độ tự động, chức năng của máy và loại sản phẩm Một trong những công nghệ tiên tiến là rửa trái cây bằng sục khí ozone, giúp loại bỏ vi khuẩn và bảo quản sản phẩm tốt hơn.

Phương pháp làm sạch bằng bọt khí kết hợp với sục khí ozone diệt khuẩn sử dụng máy tạo bọt khí áp suất cao, giúp đẩy nguyên vật liệu trong trạng thái lăn và truyền động Nguyên liệu được làm sạch nhờ tác động của bọt khí và nước, cùng với áp lực từ vòi phun, tạo ra ma sát giúp loại bỏ bùn, tạp chất và bụi bẩn Vòi phun áp lực cao liên tục phun nước để triệt tiêu hoàn toàn các chất bẩn, giúp nguyên liệu được làm sạch mà vẫn duy trì sự nguyên vẹn, giảm thiểu hư hỏng cho các loại củ quả dễ hư hỏng.

Hình 2.2 Rửa trái cây bằng phương pháp xục khí ozon b Rửa trái cây bằng áp lực nước

Máy tạo vùng rửa 360 độ sử dụng cơ chế sục nước ở đái và thành buồng rửa kết hợp với vòi xịt trên cao, đảm bảo rửa sạch toàn bộ mọi bề mặt sản phẩm.

Hình 2.3 Rửa trái cây bằng áp lực nước

Máy rửa đen có năng suất cao và hoạt động hoàn toàn tự động, rất phù hợp cho các cơ sở chế biến thực phẩm, nhà máy và nhà hàng lớn Máy có khả năng rửa nhiều loại thực phẩm như salad, rau củ, trái cây, dược liệu và thủy hải sản, đảm bảo tất cả bề mặt sản phẩm tiếp xúc với nước, giúp rửa sạch đến 99% Với bồn rửa rộng, máy có thể xử lý hàng trăm kg mỗi mẻ, mang lại hiệu quả cao trong quá trình rửa.

T ỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI TRÁI CÂY

Hệ thống phân loại là giải pháp công nghiệp hiện đại, thay thế công việc phân loại sản phẩm do con người thực hiện Thay vì sử dụng phương pháp thủ công, hệ thống này áp dụng công nghệ tự động hóa để phân chia sản phẩm dựa trên các đặc tính mà người sử dụng đã quy định.

Hình 2.1 Tính năng của phân loại tự động hóa Ưu điểm:

Hệ thống phân loại tự động được thiết kế với các thiết bị khai thác dữ liệu từ sản phẩm, kết hợp với một hệ thống phân chia sản phẩm đến từng địa chỉ cụ thể Hệ thống này hoạt động dựa trên lập trình đã được cài đặt, đáp ứng nhu cầu của từng khách hàng và từng thời điểm cụ thể.

Tối ưu thiết kế công nghệ phân loại là rất quan trọng, tùy thuộc vào các tiêu chí như sản lượng, không gian lắp đặt và diện tích nhà xưởng của từng khách hàng Việc lựa chọn giữa một tầng hoặc hai tầng phân loại sẽ giúp tối ưu hóa giải pháp thiết kế và giảm chi phí.

Lợi ích lâu dài của việc áp dụng công nghệ là xu hướng tất yếu, giúp giải phóng sức lao động và nâng cao năng suất Điều này không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn nâng cao năng lực quản lý cho các trung tâm khai thác và phân phối trong mọi ngành nghề.

2.2.2 Các phương pháp phân loại trái cây a Phân loại trái cây theo màu sắc

Với sự lập trình từ ngôn ngữ Python và kit Raspberry Pi 3, công việc nhận biết và phân loại táo sẽ gồm các việc sau:

 Dùng thuật toán phát hiện màu (tìm màu trong khoảng cài đặt vùng màu cho trước) và tạo nhãn cho loại đó từ ảnh đã chụp

 Cập nhật ảnh mới liên tục

Máy phân loại sản phẩm theo màu sắc có thể phân loại các sản phẩm như ớt, cà chua, cà phê, nhựa màu, gạo, chè búp, các loại hạt, v.v

Hình 2.2.1 Phân loại táo theo màu sắc

Năng suất: 0.8-15 tấn/ giờ (tùy vào mỗi loại model)

Tỉ lệ phân loại chính xác đạt trên 99%, ứng dụng trong việc phân loại sản phẩm theo màu sắc cho các ngành nông nghiệp, thực phẩm, dầu, hóa chất, công nghiệp dược phẩm, linh kiện điện tử và thiết bị y tế Ngoài ra, còn có khả năng phân loại trái cây dựa trên khối lượng.

Hệ thống phân cỡ sản phẩm này ứng dụng đa dạng các loại và kiểu sản phẩm, hoạt động dựa trên nguyên tắc kiểm tra khối lượng trực tuyến, sau đó phân loại theo từng cỡ trọng lượng theo yêu cầu.

 Tốc độ: 110 – 200 sản phẩm/ phút

 Số lượng cỡ phân loại: 12 cỡ

Hình 2.2.2 Phân loại cảm them khối lượng

Hình 2.2.3 Phân loại cà chua theo khối lượng Ứng dụng phân loại sản phẩm theo khối lượng cho ngành thực phẩm, thủy hải sản, nông sản, v.v

P HƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT QUÁ TRÌNH RỬA , PHÂN LOẠI

2.3.1 Giám sát và điều khiển bằng màn hình HMI

HMI là giao diện giữa người và máy thông qua PLC, kết nối bằng cáp tín hiệu Khi người vận hành nhấn nút trên màn hình hoặc cài đặt thông số, yêu cầu sẽ được gửi đến PLC để điều khiển máy móc hoạt động.

Hình 2.3.1 Sự kết nối giữa HMI và các thiết bị khác Ưu điểm:

● Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin.

● Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ sung thông tin cần thiết.

● Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa.

● Tính “Mở”: có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại giao thức.

● Khả năng lưu trữ cao.

2.3.2 Giám sát và điều khiển bằng SCADA

SCADA (Hệ thống điều khiển và giám sát từ xa) là một kiến trúc hệ thống chuyên dụng cho việc thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát Hệ thống này sử dụng các thiết bị như máy tính, mạng truyền thông, phần mềm, đồ họa, cùng với các thiết bị ngoại vi như PLC và PID.

PLC (bộ điều khiển logic lập trình) và PID (bộ điều khiển rời rạc) là những thành phần quan trọng trong việc điều khiển và giám sát hoạt động của thiết bị tại nhà máy Hệ thống SCADA cho phép người vận hành thu thập dữ liệu và quản lý quy trình ở cấp độ giám sát, nhờ vào dữ liệu mạng và đồ họa Hệ thống hiện đại mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời đảm bảo độ chính xác cao trong quản lý quy trình.

Hình 2.3.2 Sự tương quan của SCADA và các thiết bị

Hệ thống SCADA có sự kết hợp của cả phần mềm và phần cứng mang lại nhiều tính năng hữu ích với các tổ chức, doanh nghiệp Đó là:

● Kiểm soát ở cấp độ giám sát các quy trình vận hành từ xa

● Theo dõi, thu thập, xem xét và xử lý dữ liệu tại khoảng thời gian thực tế

● Tương tác trực tiếp một cách dễ dàng với các thiết bị thông qua phần mềm

Hình 2.3.3 Tổng quan hệ thống Scada của 1 dự án

Cấu hình của hệ thống SCADA có thể bao gồm các cài đặt từ đơn giản đến phức tạp, với mục đích chính là kiểm soát, duy trì, xử lý và phân phối dữ liệu Hệ thống này giúp nâng cao chất lượng quyết định, đảm bảo tính chính xác và thông minh hơn Đặc biệt, thời gian truyền đạt nhanh chóng giúp giảm thiểu thời gian chờ, tối ưu hóa quy trình làm việc.

Y ÊU CẦU CÔNG NGHỆ

Xử lý ảnh là một lĩnh vực quan trọng trong thị giác máy, liên quan đến việc chuyển đổi ảnh ban đầu thành ảnh mới theo ý muốn của người sử dụng Quá trình này bao gồm phân tích, phân lớp, nâng cao chất lượng, phân đoạn, tách cạnh và gán nhãn cho các vùng trong ảnh Nhờ vào những ứng dụng đa dạng, xử lý ảnh đã phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực quan trọng.

 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

2.4.1 Không gian màu của ảnh a Không gian màu RGB

RGB là không gian màu cơ bản trong xử lý ảnh, thường được sử dụng để xử lý và lưu trữ dữ liệu ảnh số Không gian màu này tương tự với cách mà mắt người tổng hợp màu sắc, dựa trên ba màu cơ bản: R (đỏ), G (xanh lá) và B (xanh dương).

- xanh lục) và B (blue - xanh lam) để biểu diễn tất cả các màu sắc Mỗi điểm ảnh đều là sự pha trộn của 3 màu sắc này

Hình 2.4.1 Không gian màu RGB b Không gian màu HSV

Không gian màu HSV là công cụ quan trọng trong chỉnh sửa và phân tích ảnh, cũng như trong lĩnh vực thị giác máy tính Nó được mô tả bởi ba thông số chính: H (Hue) thể hiện màu sắc, S (Saturation) chỉ độ đậm đặc và sự bảo hòa, và V (Value) đại diện cho giá trị cường độ sáng Các hàm rgb2hsv và hsv2rgb cho phép chuyển đổi giữa các không gian màu RGB và HSV Thông thường, không gian màu này được hình dung dưới dạng hình trụ hoặc hình nón.

Hình 2.4.2 Không gian màu HSV

2.4.2 Những vấn đề trong xử lý ảnh a Điểm ảnh

Điểm ảnh là đơn vị cơ bản nhất trong một bức ảnh kỹ thuật số, với địa chỉ được xác định bằng tọa độ (x, y) Một bức ảnh kỹ thuật số được tạo ra từ hàng triệu pixel riêng lẻ, và số lượng pixel càng nhiều thì độ chi tiết của ảnh càng cao Một triệu pixel tương đương với 1 megapixel Ảnh số là tập hợp hữu hạn các điểm ảnh với mức xám phù hợp, giúp mô tả ảnh gần với thực tế Số lượng điểm ảnh quyết định độ phân giải của ảnh; độ phân giải càng cao thì các đặc điểm của bức ảnh càng rõ nét, làm cho ảnh trở nên thực và sắc nét hơn.

Mức xám của điểm ảnh thể hiện cường độ sáng và được gán một giá trị cụ thể Các mức ảnh xám phổ biến bao gồm 16, 32, 64, 128 và 256 Mức xám thường được sử dụng nhất là 256, tương ứng với việc sử dụng 1 byte để biểu diễn mức xám.

 Ảnh nhị phân: Là ảnh có 2 mức trắng và đen, chỉ có 2 giá trị 0 và 1 và chỉ sử dụng 1bit dữ liệu trên 1 điểm ảnh

 Ảnh đen trắng: Là ảnh có hai màu đen, trắng (không chứa màu khác) với mức xám ở các điểm ảnh có thể khác nhau

Ảnh màu là sự kết hợp của ba màu cơ bản, tạo nên một thế giới màu sắc sinh động Để mô tả mức màu, người ta thường sử dụng 3 byte, cho phép hiển thị khoảng 16,7 triệu mức màu khác nhau.

Lân cận điểm ảnh, được ví như hàng xóm của các điểm ảnh, bao gồm hai loại cơ bản: lân cận 4 và lân cận 8.

Hình 2.4.3 Quan hệ giữa các điểm ảnh e Chuyển đổi ảnh màu sang ảnh xám

Ảnh màu thường được thu về trước khi qua quá trình xử lý, chủ yếu được tạo ra từ các tổ hợp cường độ ánh sáng đỏ (RED), xanh lục (GREEN) và xanh lam (BLUE) Mỗi điểm ảnh được biểu thị bằng 24bit thông tin, với 8bit cho mỗi màu, cho phép tạo ra 256 giá trị cường độ cho mỗi màu Nhờ vào hệ thống này, khoảng 16,7 triệu màu rời rạc có thể được tái tạo.

Hình 2.4.4 Chuyển ảnh màu thành ảnh xám

Lược đồ xám là biểu đồ thể hiện tần suất xuất hiện của các mức xám trong ảnh, với trục tung đại diện cho mức xám và trục hoành là các pixel.

Hình 2.4.5 Lược đồ xám f Nhị phân hóa ảnh Đây là cách biến đổi các giá trị pixel của ảnh sang giá trị nhị phân (đơn giản nhất)

Nhị phân hóa ảnh là quá trình chuyển đổi giá trị pixel thành 0 hoặc 1, giúp đơn giản hóa việc xử lý ảnh nhưng có thể làm sai lệch cấu trúc do các đường viền khác biệt nhỏ Phương pháp này thường áp dụng cho các ảnh có ít chi tiết Để thực hiện nhị phân hóa, ta sử dụng ngưỡng xám trung bình: nếu giá trị lớn hơn ngưỡng, pixel sẽ được gán giá trị 1, ngược lại sẽ là 0, tương ứng với hai màu đen và trắng.

Hình 2.4.6 minh họa quá trình chuyển đổi ảnh mức xám sang ảnh nhị phân Để loại bỏ nhiễu trong ảnh thu nhận, cần áp dụng các kỹ thuật lọc Các toán tử không gian trong kỹ thuật tăng cường ảnh được phân loại theo chức năng, bao gồm làm trơn nhiễu và nổi biên Để tách nhiễu, người ta thường sử dụng bộ lọc tuyến tính hoặc phi tuyến, với nguyên lý cho phép tín hiệu có tần số nhất định đi qua Lọc thông thấp thường được sử dụng để làm mịn ảnh, trong khi lọc thông cao và lọc Laplace được áp dụng để làm nổi bật các cạnh trong ảnh.

Biên là một trong những vấn đề ta cần quan tâm trong xử lý ảnh Vì ở giai đoạn phân đoạn ảnh chủ yếu dựa vào biên

Phát hiện biên lý tưởng là khả năng nhận diện tất cả các đường biên trong các đối tượng Sự biến thiên giữa các điểm ảnh thường nhỏ, trong khi biến thiên độ sáng tại các điểm biên lại lớn Điều này rất quan trọng trong quá trình phân đoạn ảnh.

Phân đoạn ảnh là bước quan trọng trong xử lý ảnh, giúp phân tích ảnh thành các vùng có tính chất tương đồng Giai đoạn này dựa vào biên hoặc các vùng liên thông, với tiêu chuẩn xác định có thể là cùng mức xám, cùng màu hoặc cùng độ nhóm.

M Ô TẢ VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ CÁCH CHỌN CÁC THÔNG SỐ PID 16

Bộ điều khiển PID là một loại bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ, hoạt động theo cơ chế phản hồi vòng điều khiển và được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống công nghiệp Đây là loại bộ điều khiển phản hồi được sử dụng nhiều nhất hiện nay.

2.5.2 Ảnh hưởng của các thông số PID: a Khâu tỉ lệ (Kp):

Khâu tỉ lệ, hay còn gọi là độ lợi, ảnh hưởng đến giá trị đầu ra theo tỉ lệ với sai số hiện tại Tỉ lệ này có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số với hằng số Kp, được gọi là hệ số tỉ lệ Việc tăng hệ số khâu tỉ lệ sẽ giúp hệ thống giảm thời gian lên, tăng độ vọt lố, thay đổi nhỏ về thời gian xác lập và giảm sai số xác lập.

Phân phối của khâu tích phân tỷ lệ thuận với biên độ sai số và thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian giúp tích lũy bù đã được hiệu chỉnh Khi thay đổi Ki, thời gian giảm, độ vọt lố tăng, thời gian xác lập tăng và sai số xác lập bị loại bỏ.

Khâu vi phân giúp làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển, điều này rất quan trọng để đạt được điểm đặt mong muốn Nhờ vào việc sử dụng điều khiển vi phân, biên độ vọt lố do thành phần tích phân gây ra được giảm thiểu, đồng thời tăng cường độ ổn định cho bộ điều khiển hỗn hợp.

2.5.3 Cách chọn các thông số PID

Thiết kệ bộ điều khiển PID là thiết kế bộ điều khiển PID có hàm truyền là:

Có nhiều phương thức tính toán kệ số Kp, Ki, Kd:

 Thiết kế bộ điều khiển PID dùng biểu đồ bode

 Thiết kế bộ điều khiển PID dùng QDNS

 Phương pháp Zeigler-Nichols 1 và 2 Đối tượng của chúng ta là lò nhiệt vì thế ta chọn Phương pháp Zeigler-Nichols 1

Hãy thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ của lò sấy, dựa trên đặc tính quá độ của lò sấy được thu thập từ thực nghiệm.

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Y ÊU CẦU THIẾT KẾ

Yêu cầu thiết kế hệ thống:

 Hệ thống có khả năng rửa, làm sạch được trái cây

 Xử lý khô trái cây, mà không ảnh hưởngtới độ chín của trái

 Cân nặng đúng theo khối lượng của mỗi trái

 Loại bỏ các trái không đặt khối lượng, phân loại các trái theo màu sắc

 Lựa chọn cấu hình ra vào tập trung.

T ÍNH TOÁN THIẾT KẾ

3.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

3.2.2 Hoạt động của hệ thống

Khi bắt đầu quy trình, băng tải xử lý ảnh, quạt và đèn trong buồng camera sẽ hoạt động Người dùng có 15 giây để cho trái cây vào bồn rửa Sau 15 giây, xylanh bồn rửa sẽ đưa trái cây xuống và bơm sẽ phun rửa trong 20 giây trước khi dừng hoạt động, sau đó xylanh rửa sẽ kéo trái cây lên Tiếp theo, động cơ Step sẽ kéo khay đựng trái cây đến vị trí hất, xylanh hất sẽ hoạt động sau khi động cơ Step hoàn thành 6000 xung Cuối cùng, khay sẽ được đưa trở lại vị trí ban đầu, hoàn tất quy trình rửa.

Băng tải nhiệt hoạt động tự động khi hệ thống chuyển sang chế độ Auto Trong quá trình sấy, nhiệt độ được cảm biến PT100 ghi nhận và gửi về PLC, sau đó sử dụng các hàm toán PID để điều chỉnh nhiệt độ thông qua SSR theo yêu cầu của người dùng Khi trái cây được sấy đến cuối băng tải, cảm biến phát hiện vật sẽ dừng băng tải, và trọng lượng của trái cây sẽ được Loadcell gửi về PLC để so sánh với giá trị tiêu chuẩn mà người dùng đã đặt, nhằm phân loại trái cây đạt tiêu chuẩn và trái lỗi.

Trái cây không đạt đủ cân nặng sẽ được phát hiện và xử lý bằng xylanh loadcell Khi trái chạm vào cảm biến lỗi, xylanh sẽ hất trái lỗi vào thùng chứa trái lỗi, đồng thời kích hoạt băng tải nhiệt để tiếp tục chu trình xử lý.

Trái đạt chuẩn sẽ được đưa vào buồng camera qua băng tải xử lý PLC nhận tín hiệu từ Raspberry Pi để xác định màu sắc của trái (đỏ, xanh hoặc vàng) và xử lý tương ứng Khi trái chạm cảm biến Red, xylanh sẽ hoạt động để đẩy trái vào thùng, đồng thời băng tải nhiệt sẽ hoạt động trở lại để đưa trái khác vào cân Loadcell.

Dựa trên các phương pháp nghiên cứu và ý tưởng đã nêu, nhóm đã phát triển các phương án thiết kế trên phần mềm SolidWorks Sau khi hoàn thiện và chỉnh sửa bản vẽ, nhóm tiến hành thi công mô hình.

Hình 3.2.2 Mô hình của hệ thống

Hình 3.2.3 Mô hình khâu rửa của hệ thống

Hình 3.2.4 Mô hình buồng sấy khô của hệ thống

Hình 3.2.5 Mô hình xử lý phân loại trái cây của hệ thống

L ỰA CHỌN THIẾT BỊ

3.3.1 Lựa chọn khối điều khiển trung tâm và module

PLC FX3G là sự cải tiến từ dòng FX1N, kế thừa tất cả tính năng của dòng PLC FX và kết hợp với công nghệ tiên tiến của thế hệ FX3 Sản phẩm này mang đến sự ổn định và linh hoạt cao, phục vụ hiệu quả cho việc điều khiển hệ thống.

FX3G có số I/O linh hoạt: 14/24/40/60 I/O, cho phép mở rộng kết nối qua 2 bus bên trái và bên phải Điều này giúp kết nối thêm các khối chức năng đặc biệt như analog và truyền thông mạng, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc.

 Điện áp nguồn cung cấp: 100/240VAC

 Bộ nhớ chương trình: 32000 bước

 Kết nối truyền thông: hỗ trợ kết nối RS232, RS485, USB, Ethernet, CAN, CClink

 Bộ đếm tốc độ cao: max: 60 kHz

 Loại ngõ ra: relay, transistor

 Phát xung tốc độ cao: lên tới 3 chân 100kHZ

 Có thể mở rộng lên tới 128 I/O thông qua module hoặc 256 I/O thông qua mạng CC-Link

Gồm 2 module analog AX2N- 2DA và FX2N- 2AD để huyển đổi giá trị digital sang giá trị analogvà analog qua giá trị digital:

Là module analog output Có 2 kênh chuyển đổi giá trị digital sang giá trị analog AX2N-2DA có 2 kênh analog ngõ ra có thể lựa chọn độc lập

Hình 3.3.2 Module AX2N- 2DA Bảng 1 Thông số kỹ thuật AX2N- 2DA:

Thông số Ngõ ra kiểu điện áp Ngõ ra kiểu dòng điện

Dãi ngõ ra 0-10V, 1-5V 4-20mA Độ phân giải 12bit 12bit

Tốc độ chuyển đổi 4ms/1 kênh 4ms/1 kênh

Là module analog input- Có 2 kênh chuyển đổi giá trị analog (voltage input and current input) sang giá trị số 12 bits

Hình 3.3.3 Module FX2N- 2AD Bảng 2 Thông số kỹ thuật FX2N- 2AD:

Thông số Ngõ vào kiểu điện áp Ngõ vào kiểu dòng điện

Dãi ngõ vào 0-10V, 1-5V 4-20mA Độ phân giải 12bit 12bit

Tốc độ chuyển đổi 4ms/1 kênh 4ms/1 kênh

3.3.2 Động cơ bước và driver a Động cơ bước

Lựa chọn động cơ bước 17PM-K345-P2V cho bộ tính tuyến của khâu rửa giúp di chuyển khay đựng trái cây với độ chính xác và ổn định cao Động cơ này phù hợp với yêu cầu quay băng tải có tải trọng thấp, không cần độ chính xác quá cao, và hoạt động liên tục trong suốt quá trình Với khối lượng và kích thước nhỏ gọn, động cơ ít tỏa nhiệt, lý tưởng cho việc chạy liên tục.

Động cơ bước NEMA 17 với kích thước 42 x 42mm là loại động cơ phổ biến trong việc chế tạo máy in 3D và CNC mini, thường được kết hợp với puli GT2.

Hình 3.3.2 Động cơ bước nema17

 Đường kính trục 5mm Đầu trục vát phẳng, giúp puli/khớp nối không đỡ bị lỏng khi hoạt động

 Cường độ định mức 1.8A, mô men giữ 0.55 Nm, góc quay mỗi bước 1.8 °

 Dây nối dài 1m, đầu dây chuẩn XH2.54 Tương thích với đầu ra động cơ bước trên mạch RAMPS 1.5 hoặc CNC shield V3

 Công suất phù hợp cho máy in 3D và CNC mini b Driver TP6600

Lựa chọn Driver TP6600 cho động cơ bước là hợp lý vì nó cho phép điều chỉnh dòng điện phù hợp với từng loại động cơ bước khác nhau và có giá thành phải chăng.

 Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao

 Có tích hợp đo quá dòng quá áp

3.3.3 Động cơ ba pha và biến tần a Động cơ ba pha

Khi lựa chọn động cơ ba pha cho băng tải xử lý ảnh, cần lưu ý rằng động cơ này có momen lớn, đặc biệt khi kết hợp với bộ giảm tốc qua pully Hơn nữa, việc điều khiển động cơ qua biến tần cho phép tạo ra nhiều cấp tốc độ linh hoạt.

Hình 3.3.4 Động cơ 3pha 4IK25A- SW2

 Công suất: 25W tương đương 1/30HP

 Điện áp sử dụng 220 3pha

 Đường kính trục đầu ra 8MM b Biến tần Mitsubishi FR-F520J

Lựa chọn biến tần FR-F520J vì để điều khiển động cơ băng tải xử lý ảnh được nhiều cấp tốc độ để thuận tiện cho việc điều khiển

● Tần số ngõ ra: 0.5 - 120 Hz

● Công suất: 5.5KW tương đương 7.5HP

3.3.4 Xy lanh và Cụm van khí a Xy lanh

Khi lựa chọn xylanh cho cơ cấu nâng hạ khay đựng trái cây và tác động đẩy phân loại trái cây, xylanh là thiết bị cơ khí có độ chính xác cao và cấu tạo đơn giản Nó hoạt động dựa trên sức ép của dòng khí tác động lên piston, tạo ra chuyển động tịnh tiến với lực lớn tùy thuộc vào áp suất dòng khí.

Hình 3.3.8 Xylanh khí nén b Cụm van 5/2

Cụm van 5/2 là loại van công tắc điều khiển xy lanh tác động kép, có thể được điều khiển bằng cơ, khí nén hoặc điện Thiết kế của nó cho phép ghép lại thành một cụm, giúp việc lắp đặt và điều khiển trở nên dễ dàng hơn Van khí nén van điện từ 5/2 đảo chiều được điều khiển gián tiếp thông qua van phụ, thường được sử dụng để điều khiển đảo chiều của động cơ xi lanh đôi.

Hình 3.3.9 Cụm 7 van 5/23.3.5 Cảm biến a Cảm biến vật cản

Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK sử dụng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách đến vật cản, mang lại độ phản hồi nhanh và ít nhiễu nhờ vào việc sử dụng mắt nhận và phát tia hồng ngoại với tần số riêng biệt Ngoài ra, cảm biến cho phép điều chỉnh khoảng cách báo mong muốn thông qua biến trở.

Hình 3.3.10 Cảm biến hồng ngoại

Thông số kỹ thuật cảm biến E18-D80NK:

 Nguồn điện cung cấp: 5VDC

 Khoảng cách phát hiện: 3 ~ 80cm

 Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở

 Dòng kích ngõ ra: 300mA

Ngõ ra dạng PNP cực thu hở cho phép tùy chỉnh điện áp ngõ ra, với việc điều chỉnh trở treo, điện áp ngõ ra sẽ tương ứng với giá trị trở treo được thiết lập.

Các ứng dụng của cảm biến E18-D80NK: Xe dò tự động tránh vật cản, trong các dây chuyền sản xuất tự động b Cảm biến nhiệt độ PT100 và Transmitter

PT100 là thiết bị cảm ứng nhiệt độ sử dụng lớp bạch kim tích hợp dưới đầu que đo dài khoảng 200mm Lớp bạch kim này là phần quan trọng nhất của cảm biến, với khả năng chịu nhiệt cao Số lượng bạch kim tích hợp tăng lên khi môi trường có phạm vi nhiệt độ đo lớn hơn.

Thiết bị đo nhiệt độ PT100 với đầu ra 4-20mA hoặc 0-10V đang được ưa chuộng trong các nhà máy lớn, nơi yêu cầu độ chính xác cao để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng Những ưu điểm nổi bật của thiết bị này bao gồm độ chính xác gần như tuyệt đối, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất.

 Cảm biến nhiệt độ có thang đo thấp nhất -100 đến 650oC nhưng nó đo rất chính xác hơn các loại cảm biến khác, độ đo chính các lên tới 99.9%

 Cấu tạo platinum có chức năng chịu nhiệt cao

 Trên 650oC chắc chắn loại cảm biến này sẽ không đo được buộc phải dùng các loại sản phẩm cao cấp hơn

Module chuyển đổi nhiệt độ từ PT100 sang 4-20mA:

Module chuyển đổi tín hiệu trả về của cảm biến PT100 sang tín hiệu dòng điện, chống nhiễu tốt, thích hợp sử dụng với tính toán chính xác cao

Hình 3.3.12 Module chuyển đổi nhiệt độ

 Phạm vi nhiệt độ: 0 đến 150 ℃

3.3.6 Nguồn và Thiết bị đóng cắt bảo vệ a Nguồn điện cung cấp

 Điện áp đầu vào: AC 110-220V

 Điện áp đầu ra: 24VDC

 Dòng điện đầu ra: 10A (100% công suất)

 Điện áp đầu vào: AC 110-220V

 Điện áp đầu ra: 12VDC

 Dòng điện đầu ra: 30A (100% công suất)

 Điện áp đầu vào: AC 110-220V

 Điện áp đầu ra: 5VDC

 Dòng điện đầu ra: 5A (100% công suất)

Lựa chọn MCB NXB-63-2 pha-40A vì để đóng cắt nguồn 220 cấp nguồn cho hệ thống, đảm bảo độ an toàn, tránh rủi ro ít nhất có thể

Aptomat MCB NXB-63 sản xuất theo tiêu chuẩn: IEC 60898-1 với thông số kỹ thuật:

 Khả năng cắt ngắt mạch Icu=Ics: 6000A

 Điện áp chịu xung định mức: 4KV

 Bảo vệ chống quá tải, ngắn mạch c Relay 24VDC

Lựa chọn vì có những thiết bị cần những cấp điện áp khác nhau như 12v, 220v, mà nguồn điều khiển 24VDC nên cần cần relay để cách ly điện áp

 Số cặp tiếp điểm NO/NC: 2

 Điện áp cuộn coil: 24VDC

Máy bơm đôi tăng áp Sinleader mini 12V để bơm tạo áp lực nước rửa trái cây qua béc

Hình 3.3.20 Bơm đôi tăng áp Sinleader

Máy bơm đôi Sinleader (bơm kép, bơm 2 động cơ) tăng áp mini 12v sở hữu thông số nổi trội:

 Áp suất: 130 PSI - Lưu lượng: 10- 12 lít / phút

 Cường độ dòng điện: max 4-7A

 Dòng điện vào 12v (dùng được với bình ắc quy xe máy hoặc sử dụng đổi nguồn

3.3.8 Lựa chọn thiết bị gia nhiệt và bộ chuyển đổi (transmitter) a Thiết bị gia nhiệt Điện trở sấy khô áp dụng được trên nhiều lĩnh vực công nghiệp nhẹ như da giày, may mặc, sản xuất gạch men, gốm sứ, …cho đến các ngành công nghiệp luyện kim như than đá, kẽm, thép, …Các sản phẩm điện trở sấy đáp ứng các điều kiện trong sản xuất công nghiệp

Hình 3.3.21 Điện trở sấy khô

 Công suất: 800w Ưu điểm thanh điện sấy khô cánh tản:

 Nhiệt độ tối đa có thể sấy lên đến 1000 độ C

 Thời gian sấy nhanh, hiệu quả cao, ổn định thích hợp trong điều khiển nhiệt độ công nghiệp

 Hầu hết dây điện trở đốt nóng sử dụng nichrome 80/20 (80% niken, 20% crom) b Bộ chuyển đổi SSR- 40LA

Cần điều khiển nhiệt độ phù hợp trái cây vào buồng sấy để đảm bảo nhiệt độ ổn định, nên sử dụng bộ chuyển đổi SSR- 40LA

Hình 3.3.22 Bộ chuyển đổi SSR- 40LA

 Ngõ vào tuyến tính: 4-20mA

 Điện áp ngõ ra (Điện áp dẫn) 24-380 VAC

 Môi trường hoạt động -40 o C ~ +80oC

 Thời gian phản hồi 8.3ms (60hz) Ưu điểm:

 Không xảy ra hiện tượng tóe lửa như nhiều loại rơ le khác và không gây nhiễu, không gây ra tiếng ồn

 Độ bền và tuổi thọ cao cũng là một ưu điểm của rơ le bán dẫn

 Dòng điều khiển thấp mà có thể điều khiển được điện áp cao

 Khi làm việc ở công suất lớn thì Rơ le cần tản nhiệt

 Đòi hỏi người sử dụng có hiểu biết về điện tử chuyên sâu

 Nhiều khi gây méo tín hiệu

 Có thể dò điện và chết chập

3.3.9 Loadcell 1kg và Module Weight Transmitter

Loadcell là cảm biến đo lực, trọng lượng và mô-men xoắn, có khả năng chuyển đổi lực hoặc tải trọng thành tín hiệu điện Trong ứng dụng cân ô tô, loadcell là thiết bị thiết yếu để đo lường trọng lượng, giúp hiển thị kết quả cân ô tô điện tử dưới dạng con số.

Một loadcell có 2 bộ phận chính là strain gauges được dán vào tấm bề mặt của thân loadcell với thông số kỹ thuật:

Bảng 3 Thông số kỹ thuật loadcell 1kg

Rated Output (mV/V) 1.0 +- 0.15 Độ lệch tuyến tính (%) 0.05

Trở kháng cách li (MΩ) 50V 2000 Điện áp hoạt động 5V

Nhiệt độ hoạt động -20 ~ 65 độ C

Cảm biến nhôm được sử dụng để cân chính xác khối lượng từng trái táo thông qua cụm loadcell, bao gồm cảm biến loadcell tải trọng 1kg và mạch khuếch đại JY-S60/E10 Loadcell có ưu điểm là giá thành rẻ, độ chính xác cao và kết nối dễ dàng Mạch khuếch đại không chỉ cung cấp các chức năng cơ bản mà còn tích hợp nhiều tính năng, phản ứng nhanh, khả năng chống nhiễu và độ tin cậy cao.

Hình 3.3.24 Mạch khuếch đại JY -S60/E10

 Điện áp nguồn cấp: 24 VDC

 Io đầu ra:4-20mA Ứng dụng của loadcell:

S Ơ ĐỒ NỐI DÂY HỆ THỐNG

1) Sơ đồ nối dây Raspberry Pi với Relay5VDC

Hình 3.4.1 Sơ đồ nối dây Rasberry Pi

(2) Sơ đồ nối dây STEP và Loadcell với Driver

Hình 3.4.2 Sơ đồ nói dây Step và Loadcell

(3) Sơ đồ nối dây động cơ 3 pha và biến tần

Hình 3.4.3 Sơ đồ nối dây động cơ ba pha

(4) Sơ đồ nối dây của Module AX2N- 2AD và FX2N- 2DA

Hình 3.4.4 Sơ đồ nối dây Module Analog

(5) Sơ đồ nối dây Xylanh và quạt

Hình 3.4.5 Sơ đồ nối dây xylanh và quạt

(6) Sơ đồ nối dây Bơm

Hình 3.4.6 Sơ đồ nối dây Bơm và đèn báo

(7) Sơ đồ nối dây Thanh gia nhiệt và Đèn báo

Hình 3.4.7 Sơ đồ nối dây thanh gia nhiệt và đèn báo

(8) Sơ đồ nối dây cảm biến và màn hình HMI

Hình 3.4.9 Sơ đồ nối dây cảm biến và màn hình HMI

(9) Sơ đồ nối dây PLC và Nút nhấn, Relay

Hình 3.4.8 Sơ đồ nối dây PLC, nút nhấn, và Relay 24VDC

THIẾT KẾ PHẦN MỀM

Y ÊU CẦU THIẾT KẾ

Các yêu cầu thiết kế phần mềm như sau:

 Điều khiển được hoạt động của dây chuyền hệ thống sử dụng PLC

 Chương trình nhận biết trái cây bằng màu sắc ứng dụng xử lý ảnh sử dụng RaspberryPi, Python Language

 Thiết kế App Scada để giám sát điều, điều khiển xuất bản dữ liệu sử dụng ngôn ngữ C#, DatabaseSQL, OPC Server, KepwareEX

 Thiết kế màn hình HMI cho người dùng dễ thao tác, điều khiển giám sát hệ thống sử dụng HMI Samkool

 Nhận biết và thông báo sự cố của hệ thống báo trên HMI và App Scada

 Có thể kiểm tra số lượng sản phẩm, hoạt động của hệ thống

 Hệ thống có thể hoạt động ở 2 chế độ Auto và Manual

 Các phần mềm có thể phân quyền người dùng.

T HIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH PLC

4.2.1 Mô tả chức năng chương trình

Hệ thống có hai chế độ hoạt động là Auto và Manual, cho phép người dùng điều khiển thông qua các nút nhấn trên HMI và Scada Hệ thống có khả năng chuyển đổi giữa các trạng thái và cấp độ khác nhau Ngoài ra, nó còn được kết nối với Raspberry Pi để thực hiện việc phân loại sản phẩm.

Với việc sử dụng PLC Mitsubishi FX3G nên sử dụng môi trường lập trình GX Works2 của hãng và sử dụng ngôn ngữ Ladder

4.2.3 Lưu đồ giải thuật PLC

Khởi động hệ thống và kiểm tra nút khẩn cấp; nếu không nhấn, hãy bật ON để hệ thống hoạt động Cấu hình các thông số cần thiết như thời gian, cân nặng, và nhiệt độ qua HMI hoặc App Scada Cuối cùng, chọn chế độ hoạt động mong muốn: Auto hoặc Manual.

Khi chuyển sang chế độ Auto, băng tải sẽ tự động xử lý ảnh, quạt và đèn trong buồng camera sẽ hoạt động Quá trình rửa bắt đầu với 15 giây để bỏ trái cây vào, sau đó xylanh bồn rửa sẽ đưa trái cây xuống và bơm sẽ phun rửa trong 20 giây Khi bơm dừng, xylanh rửa sẽ kéo trái cây lên Tiếp theo, động cơ Step sẽ kéo thau đựng trái cây đến vị trí hất, và xylanh hất sẽ hoạt động sau khi động cơ Step hoàn thành 6000 xung Cuối cùng, khay sẽ được đưa trở lại vị trí ban đầu, hoàn tất quy trình rửa.

● Khâu sấy và phân loại theo cân nặng

Băng tải nhiệt hoạt động tự động khi hệ thống chuyển sang chế độ Auto Trong quá trình sấy, nhiệt độ được cảm biến PT100 ghi nhận và gửi về PLC, sau đó sử dụng các hàm toán PID để điều chỉnh nhiệt độ thông qua SSR theo yêu cầu của người dùng Khi trái cây được sấy đến cuối băng tải, cảm biến phát hiện vật sẽ dừng băng tải, và trọng lượng của trái cây sẽ được Loadcell gửi về PLC để so sánh với giá trị tiêu chuẩn do người dùng đặt, nhằm phân loại trái cây đạt tiêu chuẩn và trái lỗi.

Trái cây không đạt đủ cân nặng sẽ được phát hiện và xử lý bằng xylanh loadcell Khi trái chạm vào cảm biến lỗi, xylanh sẽ hất trái lỗi vào thùng chứa và kích hoạt băng tải nhiệt để tiếp tục chu trình xử lý.

● Xử lý trái đạt chuẩn

Trái đạt chuẩn sẽ được đưa vào buồng camera qua băng tải xử lý PLC nhận tín hiệu từ Raspberry Pi để xác định màu sắc trái cây là đỏ, xanh hoặc vàng Khi gặp cảm biến nhận diện, xylanh sẽ được kích hoạt để đẩy trái vào thùng Đồng thời, khi trái chạm cảm biến Red, băng tải nhiệt sẽ hoạt động trở lại để đưa trái khác vào cân Loadcell.

T HIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ ẢNH

 Phần mềm có khả năng nhận biết được các trái cây dựa vào màu sắc

 Thiết kế giao diện cho người dùng quan sát, dễ sử dụng

 Kết hợp với PLC thông qua các chân GPIO của Raspberry Pi

4.3.2 Môi trường lập trình xử lý ảnh

 Sử dụng ngôn ngữ Python để lập trình nhận diện màu sắc của trái cây

 Sử dụng các thư viện hỗ trợ như: OpenCV, Tkinter để tạo ra chương trình tốt

 Kết hợp với board Raspberry Pi 3 B+ để giao tiếp với PLC dùng thư viện Serial có sẵn của Python

4.3.3 Lưu đồ xử lý ảnh

Để xử lý ảnh, trước tiên cần khai báo thư viện cho cấu hình camera và GPIO giao tiếp với PLC Sau khi nhận ảnh từ camera, ảnh sẽ được chuyển đổi từ không gian màu BGR sang HSV Dựa vào các ngưỡng màu đã được thiết lập, chương trình sẽ dò tìm các contour với mặt nạ tương ứng Khi phát hiện ngưỡng màu đạt yêu cầu, Raspberry PI sẽ xuất tín hiệu GPIO để thông báo cho PLC.

4.3.4 Thiết kế giao diện và phần mềm xử lý ảnh

 Có màn hình Login giúp người dùng bảo mật phần mềm

 Hiển thị khung hình thực từng trái khi đi qua buồng camera

 Có khung hình Mark để người dùng nhận biết được vùng màu đã đặt được quét như thế nào

Hình 4.3.4 Màn hình giới thiệu xử lý ảnh

Hình 4.3 5 Màn hình quan sát quá trình phân loại trái

T HIẾT KẾ HMI

Yêu cầu thiết kế cho màn hình giám sát HMI như sau:

 Có màn hình Login để cho phép người dùng truy cập với mỗi quyền khác nhau

 Hiển thị thông báo khi có sự cố trong hệ thống

 Cho phép những người dùng có quyền cao có thể thay đổi số liệu hệ thống, giám sát, quan sát

 Phân quyền truy cập cho người dùng

 Chia cơ cấu thành nhiều khâu khác nhau để dễ giám sát

Với việc sử dụng màn hình HMI Samkool nên phần mềm hỗ trợ thiết cũng từ hãng này

Màn hình của hệ thống điều khiển và giám sát được phân thành 4 màn hình:

Màn 1: Ở màn hình Login này sẽ giúp bảo mật cho hệ thống, người dùng được cấp tài khoản và mật khẩu với các quyền riêng biệt để can thiệp vào hệ thống

Màn 2: Ở màn hình Home, người dùng có thể quan sát và điều khiển các hoạt động của hệ thống

Màn 3: Ở màn hình Setting, người dùng có thể cài đặt các thông số cần thiết để hệ thống hoạt động

Màn 4: Ở màn hình Alarm, những cảnh báo và lỗi hệ thống sẽ được hiển thị cụ thể theo ngày và giờ giúp người dùng dễ dàng nhận biết lỗi của hệ thống

Màn mở rộng Manual: Ở màn Home người dùng có thể chọn sang mode Manual thì màn hình này sẽ giúp người dùng can thiệp vào hệ thống bằng tay

Hình 4.4.2 Màn hình Login HMI

Hình 4.4.3 Màn hình trang chủ của HMI

Hình 4.4.4 Màn hình trang cài đặt của HMI

Hình 4.4.5 Màn hình cảnh báo Alarm HMI

Hình 4.4.6 Màn hình mở rộng chế độ Manual HMI

Từ hoạt động của hệ thống, bảng Alarm bao gồm các trạng thái như bảng 2

Hệ thống Error Kiểm tra quá trình phân loại xử lý ảnh

Cảnh báo nhiệt độ Warning Kiểm tra nhiệt độ lò sấy

Hệ thống cần phân quyền truy cập và giám sát như bảng 3 Khi người dùng thao tác trên màn hình HMI cần phải đăng nhập vào hệ thống

Giám sát X X Điều khiển thiết bị X X

Hình 4.4.7 Hình phân quyền màn hình HMI

T HIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN SCADA

Yêu cầu thiết kế cho màn hình giám sát SCADA như sau:

 Hệ thống có thể đăng nhập, đăng ký quản lý tài khoản bằng Admin

 Hiển thị các hoạt động của hệ thống, thông số của các thiết bị

 Cho phép những người dùng có quyền cao có thể thay đổi số liệu hệ thống, giám sát, quan sát

 Cho phép người dùng kiểm tra lại dữ liệu và xuất báo cáo

 Chia cơ cấu thành nhiều khâu khác nhau để dễ giám sát

 Hiển thị thông báo Alarm giúp người dùng nhận ra lỗi của hệ thống

Dựa trên các yêu cầu thiết kế và yêu cầu điều khiển nên môi trường thiết kế và App điều khiển cần thông qua nhiều môi trường trung gian:

 Sử dụng môi trường Visual Studio với ngôn ngữ lập trình C# để thiết kế giao diện

 Sử dụng Database SQL Server để lưu trữ dữ liệu

 Sử dụng môi trường OPC để cấu hình kết nối PLC với máy tính

 Sử dụng môi trường KepServerEx để cấu hình kết nối OPC với Visual C#

4.5.3 Cấu hình, thiết kế phần mềm

(1) Cấu hình MX OPC, Kepware Server kết nối PLC

 Ở phần này chúng ta cần phải tạo ra kết nối giữa Visual C# và PLC Mitsubishi FX3G để giám sát và điều khiển hệ thống

 Khai báo các tag cần giao tiếp với PLC thông qua OPC

 Tạo kết nối Runtime Kepware với App Scada sử dụng thư viện Interop.OPCAutomation

Hình 4.5.5 Cấu hình PLC kết nối dùng MX OPC

Hình 4.5.6 Khai báo các tag giao tiếp với PLC thông qua MX OPC

Hình 4.5.7 Khai báo các tag giao tiếp OPC với C# thông qua Kepware Server

(2) Cấu hình SQL Server lưu trữ dữ liệu

 Cấu hình tạo tài khoản đăng nhập vào cơ sở dữ liệu

 Database SQL giúp người dùng lưu trữ dữ liệu, quản lý thông tin, xuất báo cáo

 Kết nối với SQL thông qua thư viện System Data.SqlClient

Hình 4.5.8 Đăng nhập vào SQL Server

Hình 4.5.9 Tạo Database và các Table lưu trữ các dữ liệu tương ứng từ hệ thống

Hình 4.5.10 Cấu hình bảng cập nhật nhiệt độ

Hình 4.5.11 Cấu hình bảng cập nhật cân nặng

Hình 4.5.12 Cấu hình bảng cập nhật số lượng trái

Hình 4.5.13 Cấu hình bảng quản lý tài khoản

Hình 4.5.14 Cấu hình bảng cập nhật thông tin Alarm

(3) Thiết kế giao diện trên Visual Studio Code dùng ngôn ngữ C#

 Giao diện thân thiện dễ sử dụng

 Bảo mật bằng đăng nhập tài khoản, phần quyền cho từng tài khoản

 Có nơi đăng ký tài khoản với quyền thấp nhất

 Có khả năng giám sát các dữ liệu của quá khứ

 Có khả năng thông báo Alarm các lỗi của hệ thống

 Có thể thay đổi cấu hình các thông số để chạy hệ thống

 Có thể điều khiển được các hoạt động của hệ thống

 Có thể xuất báo cáo ra file PDF, Excel

Giao diện Login của Scada cho phép người dùng đăng nhập vào hệ thống nếu đã có tài khoản, đồng thời cung cấp tùy chọn SIGN UP để đăng ký tài khoản mới.

Người dùng có thể tự tạo tài khoản và mật khẩu theo ý muốn trong giao diện đăng ký tài khoản Scada Sau khi hoàn tất đăng ký, quyền hạn của người dùng này sẽ chỉ được giới hạn ở mức Monitor.

Hình 4.5.17 Màn hình Overview của hệ thống

Màn Overview cung cấp cái nhìn tổng quát về hệ thống, cho phép giám sát nhiệt độ, cân nặng, hoạt động của hệ thống, các thông số cài đặt sẵn, số trái và thông báo Alarm khi có sự cố xảy ra Ngoài ra, người dùng có thể điều khiển hệ thống dễ dàng thông qua các nút bấm trên màn hình.

Hình 4.5.18 Màn hình giám sát nhiệt độ lò của hệ thống

Giám sát nhiệt độ là một nhiệm vụ quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng trái cây Chúng tôi đã phát triển một trang web cho phép giám sát và điều khiển nhiệt độ hiệu quả Trang này cho phép người dùng điều chỉnh các thông số Kp, Td, Ti, giúp hệ thống phản ứng tốt hơn với sự thay đổi nhiệt độ.

Màn hình Setting của hệ thống cho phép người dùng có quyền cao điều chỉnh các thông số quan trọng như thời gian, nhiệt độ, cân nặng và số sản phẩm trên mỗi thùng.

Để giám sát dữ liệu hiệu quả, cần có một màn hình hiển thị với các biểu đồ như biểu đồ chart và biểu đồ tròn Hệ thống cho phép người dùng tìm kiếm và theo dõi dữ liệu theo ngày, bao gồm cả dữ liệu trong quá khứ và hiện tại.

Hình 4.5.21 Màn hình báo cáo

Để xuất báo cáo, người dùng có thể chọn giữa định dạng PDF hoặc Excel trên màn hình báo cáo Ngoài ra, có thể tùy chỉnh thời gian cho từng loại sản phẩm hoặc dữ liệu cần xuất.

Hình 4.5.22 Màn hình Alarm của hệ thống

Nếu chúng ta cần xem lịch sử của những lỗi xảy ra trong hệ thống thì chuyển qua màn hình Alarm để giám sát nó

Giám sát X X X Điều khiển thiết bị X X

Bảng 6 Bảng phân quyền Scada

Hình 4.5.23 Hiện thông tin User và quyền của User

Mỗi khi đăng nhập vào hệ thống thì thông tin và quyền của User đó sẽ được hiện lên

Chỉ Admin mới có quyền truy cập vào trang quản lý người dùng, nơi cho phép thay đổi thông tin như mật khẩu và vị trí Ngoài ra, Admin còn có thể xóa hoặc thêm người dùng mới.

Hình 4.5.25 Trang Setting với quyền Admin

Ngoài ra còn trang đổi Account cho người dùng dễ thao tác khi sử dụng App

Hình 4.5.26 Popup thay đổi Account

KẾT QUẢ

K ẾT QUẢ PHẦN CỨNG

Sau khi thi công mô hình hệ thống với các khẩu rửa, sấy khô nước, bàn cân, và băng tải phần loại sản phẩm, ta có mô hình sau:

 Khâu rửa trái cây gồm 1 béc xịt trực tiếp trên xuống khay đựng trái cây:

Hình 5.1.1 Hệ thống đang rửa trái cây

Khâu sấy khô trái cây sử dụng hai quạt thổi gió tản nhiệt kết hợp với nhiệt độ từ thành điện trở sấy khô, giúp làm khô trái cây hiệu quả.

Hình 5.1.3 Lò nhiệt hoạt động

Khâu phân loại trái cây bao gồm một bàn cân để xác định trọng lượng, băng tải với động cơ ba pha 220VAC kết hợp biến tần, cùng với camera để xử lý hình ảnh và phân loại sản phẩm.

Hình 5.1.4 Cân nặng và phân loại sản phẩm

Hình 5.1.5 Tổng quan cả hệ thống

 Tủ điện của hệ thống bao gồm màn hình HMI, các nút nhấn điều khiển và đèn báo hệ thống:

Hình 5.1.6 Tủ điện hệ thống được cấp điện

Bên trong tủ điện của hệ thống có các thành phần quan trọng như nguồn cấp cho thiết bị, cầu dao tổng (CB), module PLC, Kit Raspberry, biến tần, relay và các driver cho các thiết bị.

Hình 5.1.7 Bên trong tủ điện khi cấp điện

K ẾT QUẢ PHẦN MỀM

Để cài đặt thông số cho hệ thống, hãy đăng nhập ở chế độ ADMIN Sau khi đăng nhập thành công, bạn sẽ thấy chữ TRANG CHỦ và có thể vào phần SETTING để thực hiện cài đặt.

Hình 5.2.1 Màn hình HMI sau khi nạp code

Hình 5.2.2 Màn hình đăng nhập hệ thống trên HMI

Màn hình TRANG CHỦ cho ta theo dõi các thông số, trạng thái của hệ thống

Hình 5.2.3 Màn hình HMI ở chế độ TRANG CHỦ

Hình 5.2.4 Màn hình HMI ở chế độ SETTING

Tiến hành chạy thực nghiệm ở chế độ AUTO, quan sát hết quả ở màn hình giám sát

Hình 5.2.5 Chạy hệ thống ở chế độ AUTO

Hình 5.2.6 Màn hình giám sát kết quả khi chạy AUTO

Hình 5.2.7 Chạy hệ thống ở chế độ MAN

Hình 5.2.8 Màn hình điều khiển HMI ở chế độ MAN

Khi hệ thống gặp lỗi, đèn ERROR sẽ sáng màu vàng và hệ thống sẽ ngừng hoạt động Để khôi phục hoạt động bình thường, hãy tiến hành reset và nhấn nút on.

Hình 5.2.9 Hệ thống báo lỗi đèn alarm sáng

Hình 5.2.10 Hệ thống báo lỗi hiển thị trên HMI

Khi hệ thống được khởi động ở chế độ AUTO, nhóm đã nhấn nút HOME để đưa hệ thống về vị trí ban đầu Sau đó, chuyển nút gạt sang chế độ AUTO, hệ thống hoạt động ổn định theo chu trình và thông số đã cài đặt, lặp lại sau mỗi chu trình Sản phẩm được phân loại chính xác theo màu sắc và trọng lượng đã định Nhóm đã quan sát kết quả thực tế trên màn hình giám sát HMI và màn hình SCADA.

Nhóm quan sát biểu đồ nhiệt độ của lò nhiệt qua màn hình giám sát SCADA:

Hình 5.2.11 Màn hình SCADA hiển thị nhiệt độ PID

Bộ điều khiển PID với công thức: ( ) (1 1 )

Công thức tính độ vọt lố: (%) max xl 100% xl c c

Sai số xác lập: e xl SP PV = 45.5-45 = 0.5( o C)

Thời gian lên: T s r ( ) 90% T10%T(T: là chu kì lấy mẫu)

Kp Td Ti e xl POT(%) Tr(s)

Biểu đồ nhiệt độ cho thấy độ vọt lố không cao, thời gian đáp ứng chậm và giá trị e xl nhỏ Tuy nhiên, do điều chỉnh nhiệt độ theo thiết kế cơ khí, không thể để nhiệt độ đáp ứng quá nhanh mà cần có thời gian Nhóm đã sử dụng biến Lower để thiết lập giá trị khởi đầu cao, giúp nhiệt độ đáp ứng nhanh hơn, thường là Lower = 1000.

Nhóm quan sát hệ thống qua màn hình giám sát SCADA:

Trong chế độ MAN trên giao diện SCADA, khi nhấn ON, thiết bị đo sẽ hoạt động và đèn báo sáng xanh trên màn hình HMI Ngược lại, khi nhấn OFF, đèn sẽ tắt và thiết bị ngừng hoạt động Chế độ này cho phép nhóm kiểm tra hoạt động của từng thiết bị trong hệ thống khi có sự cố hoặc trong quá trình thử nghiệm thiết bị.

Hình 5.2.13 Màn hình điều khiển HMI ở chế độ MAN

Khi hoạt động ở chế độ AUTO, hệ thống tự động phân loại sản phẩm dựa trên kích thước và màu sắc thông qua bốn bước trong quy trình Chế độ MAN cho phép kiểm tra hiệu suất của từng thiết bị trong mô hình hệ thống.

Hình 5.2.14 Màn hình đăng nhập hệ thống trên SCADA

Hệ thống sẽ dừng hoạt động khi nút EMERGENCY được nhấn Khi nhấn nút ON, hệ thống sẽ không khởi động lại nếu nút EMERGENCY vẫn đang được giữ xuống.

Hình 5.2.15 Tổng sản phẩm đã hoàn thành

Màn hình giao diện điều khiển ổn định và mượt mà, đồng nhất với hoạt động của hệ thống, cho phép người dùng quan sát và điều khiển cả trên HMI và SCADA.

Giao diện điều khiển được bảo vệ bằng cơ chế đăng nhập, yêu cầu người dùng nhập đúng mật khẩu để truy cập vào các cài đặt tham số hệ thống.

Hình 5.2.16 Hệ thống báo lỗi trên màn hình SCADA

Hình 5.2.17 Xuất báo cáo file excel

Hình 5.2.18 Xuất file báo cáo PDF

5.2.3 Kết quả xử lý ảnh

Màn hình đăng nhập phần xử lý ảnh

Màn hình trang chủ sau khi đăng nhập hệ thống

Hình 5.2.2 Màn hình trang chủ

Hệ thống sẽ xuất hiên ra màn hình xử lý

Hình 5.2.20 Màn hình xử lý

Hệ thống xử lý ảnh nhận biết táo có màu xanh

Hình 5.2.21 Màn hình xử lý trái xanh

Hệ thống xử lý ảnh nhận biết táo có màu vàng

Hình 5.2.22 Màn hình xử lý trái vàng

Hệ thống xử lý ảnh nhận biết táo có màu đỏ

Hình 5.2.23 Màn hình xử lý trái vàng

K ẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Hình 5.3.1 Dữ liệu giá trị cân nặng sản phẩm

Hình 5.3.2 Dữ liệu loại trái cây

Hình 5.3.3 Dữ liệu nhiệt độ

Kết quả thực nghiệm nhận dạng màu sắc qua xử lý ảnh như sau:

Loại Đỏ Vàng Xanh Lỗi

Bảng 7 Bảng đánh giá khả năng nhận được màu sắc

Trái cây cần được phân loại theo đúng màu sắc quy định và trọng lượng chuẩn, đảm bảo không bị dập hay móp méo Mỗi thùng trái cây phải được đóng gói đúng số lượng đã cài đặt.

Trong quá trình chạy thực nghiệm, cho ta thấy:

 Khâu rửa 1 chu trình tầm mất 35s để ra được 1 mẻ sảm phẩm (6 quả/ mẻ)

 Khâu sấy, 1 chu trình mất 30s để xử lý hết mẻ

 Khâu xử lý ảnh mất 30s để xử lý hết mẻ

Vì vậy kết quả thực nghiệm nếu chạy xuyên suốt quá trình liên tục là 12 quả/phút

Quá trình thực hiện gặp lỗi như:

 Khâu phân loại sản phẩm, phần cứng mỏng manh nên khi xi lanh hoạt động khiển phần cứng duy chuyển nhẹ

 Nhiều lúc đẩy sản phẩm lệch ra máng

 Tại khâu sấy, băng tải bị dính nước thì hoạt động không được mượt mà

 Phần xử lý ảnh thường xảy ra trường hợp mất kết nối dẫn đến báo lỗi hệ thống, hệ thống ngừng hoạt động

 Nhìn chung các lỗi chủ yếu do nguyên nhân cơ khí.