Nghiên cứu thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

phân loại sản phẩm, matlap, camera, thủy khí, xử lý ảnh, tự động hóa PLC, sử lý ảnh sử dụng matlap cho phân loại sản phẩm.nước ta công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóathì cần sử dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động cácquá trình sản xuất, gia công, chế biến sản phẩm. Điều này hình thành các hệthống sản xuất linh hoạt.Xuất phát từ những đợt đi thực tế tại các nhà máy, các khu công nghiệpvà tham quan các doanh nghiệp sản xuất đã thấy rất nhiều khâu tự động hóatrong quá trình sản xuất . Một trong những khâu tự động trong dây chuyền sảnxuất tự động hóa là hệ thống phân loại sản phẩm.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ - -

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN 8

MỞ ĐẦU 9

GIỚI THIỆU CHUNG 11

CHƯƠNG 1 1.1 Lý do chọn đề tài 11

1.2 Các vấn đề đặt ra 11

1.3 Phương pháp nghiên cứu 12

1.4 Phạm vi giới hạn 13

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 14 CHƯƠNG 2 2.1 Nguyên lý làm việc và quy trình công nghệ của hệ thống 14

2.2 Hệ thống xử lý ảnh 15

2.2.1 Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 15

2.2.2 Hệ tọa độ màu 16

2.2.3 Các bước xử lý ảnh 18

2.3 Hệ thống điện và điều khiển 19

2.3.1 Bộ điều khiển PLC 19

2.3.2 Rơ le trung gian 25

2.3.3 Van điện từ khí nén 27

2.3.4 Van điện từ SMC 27

2.3.5 Cảm biến từ xy lanh 28

2.3.6 Cảm biến quang 29

2.3.7 Nút nhấn 29

2.3.8 Aptomat 30

2.3.9 Tủ điện 30

2.3.10 Thiết bị thu nhận ảnh 31

2.4 Cơ cấu chấp hành 31

2.4.1 Băng tải 32

2.4.2 Động cơ DC 32

2.4.3 Van hút chân không 34

2.4.4 Xy lanh khí nén 34

2.4.5 Xy lanh xoay khí nén 35

2.4.6 Van tiết lưu 36

2.4.7 Giác hút chân không 37

2.5 Các khối nguồn 37

2.5.1 Bộ nguồn 37

2.5.2 Máy bơm khí nén 38

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 39

CHƯƠNG 3 3.1 Thiết kế hệ thống xử lý ảnh 39

3.1.1 Xử lý ảnh trong Matlab 39

3.1.2 Lập trình giao diện guide 43

3.1.3 Lập trình kết nối OPC giữa Matlab và PLC 47

3.2 Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí 52

3.2.1 Băng tải 52

3.2.2 Tính toán và lựa chọn xy lanh 56

3.2.3 Một số chi tiết và module khác 58

3.3 Tính toán và lựa chọn nguồn 60

3.4 Các bản vẽ thiết kế hệ thống 61

3.4.1 Sơ đồ hệ thống khí nén 61

3.4.2 Sơ đồ đấu nối điện 62

3.5 Thiết kế cơ khí bằng Solidworks 63

CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 66

CHƯƠNG 4 4.1 Chế tạo hệ thống cơ khí 66

4.1.1 Chế tạo hệ thống băng tải 66

4.1.2 Chế tạo hệ thống cấp phôi 67

4.1.3 Lắp đặt camera 67

4.1.4 Chế tạo hệ thống tay hút phân loại 68

4.2 Hình ảnh hệ thống phân loại sản phẩm 69

4.3 Chế tạo hệ thống điện và điều khiển 70

4.3.1 Chế tạo hệ thống khí nén 70

4.3.2 Chế tạo hệ thống điện 70

ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT 71

CHƯƠNG 5 5.1 Kết quả đạt được 71

5.2 Hạn chế 71

5.3 Hướng phát triển đề tài 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 73

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CMYK Cyan Magenta Yellow Black

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hệ thống phân loại hàng tự động 11

Hình 1.2 Hệ thống phân loại 14

Hình 2.1 Mô hình màu RGB 17

Hình 2.2 Mô hình màu HSV 18

Hình 2.3 Không gian màu CMYK 18

Hình 2.4 Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ PLC 21

Hình 2.5 Bộ điều khiển lập trình S7-200 CPU 224 23

Hình 2.6 Bộ điều khiển lập trình CPU 224 25

Hình 2.7 Rơ le trung gian 26

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý 26

Hình 2.9 Van khí nén 3/2 27

Hình 2.10 Van điện từ SMC 5/2 27

Hình 2.11 Cảm biến từ xy lanh Sensor SMC 28

Hình 2.12 Cảm biến quang E3F-DS30C4 29

Hình 2.13 Nút nhấn nhả LA38-203 30

Hình 2.14 Aptomat 230/400V 30

Hình 2.15 Tủ điện sơn tĩnh điện 31

Hình 2.16 Webcam Dahua Z2+ 31

Hình 2.17 Băng tải PVC mini 32

Hình 2.18 Động cơ DC 33

Hình 2.19 Cấu tạo của động cơ DC 33

Hình 2.20 Nguyên lý hoạt động động cơ điện 1 chiều 33

Hình 2.21 Van hút chân không 34

Hình 2.22 Xy lanh khí nén 34

Hình 2.23 Mặt cắt toàn phần của một xy lanh khí nén 35

Hình 2.24 Xy lanh xoay khí nén MSQB - 20A 35

Hình 2.25 Van tiết lưu 36

Hình 2.26 Giác hút chân không 37

Hình 2.27 Bộ nguồn 24 VDC - 15A 37

Hình 2.28 Máy nén khí nén 38

Hình 3.1 Ảnh được chụp từ camera 41

Hình 3.2 Ảnh vật trên không gian màu HSV 41

Hình 3.3 Ảnh nhị phân 42

Hình 3.4 Ảnh đối tượng sau khi phân loại 42

Hình 3.5 Cửa sổ GUIDE Quick Start khi mở GUI 44

Hình 3.6 Cửa sổ giao diện lập trình GUIDE 44

Hình 3.7 Hộp thoại Inspector 45

Hình 3.8 Giao diện đăng nhập vào chương trình xử lý ảnh 46

Hình 3.9 Giao diện điều khiển 47

Hình 3.10 Quan hệ giữa OPC Toolbox Object với OPC Server 48

Hình 3.11 Cửa sổ của OPC Data Access Explorer 49

Hình 3.12 Tao Host liên kết với OPC Server 49

Hình 3.13 Tạo trong PC Access các biến sẽ sử dụng 50

Hình 3.14 Add Items địa chỉ 50

Hình 3.15 Cửa sổ PC Access 51

Hình 3.16 Thêm các item đến file lập trình PLC 51

Hình 3.17 Thực hiện Test Client 52

Hình 3.18 Động cơ mã JM37-550 Handson Technology 55

Hình 3.19 Sơ đồ tác động lực của xy lanh khí nén tác động kép 56

Hình 3.20 Xy lanh khí nén SMC CDQSB16 - 125DCM 57

Hình 3.21 Sơ đồ hệ thống khí nén 61

Hình 3.22 Sơ đồ đấu nối điện 62

Hình 4.1 Mô hình thiết kế băng tải 64

Hình 4.2 Mô hình thiết kế cấp phôi băng tải 64

Hình 4.3 Mô hình tay hút phân loại sản phẩm 65

Hình 4.4 Mô hình thiết kế phân loại sản phẩm theo màu sắc 65

Hình 4.5 Hình ảnh hệ thống băng tải thực tế 66

Hình 4.6 Hình ảnh hệ thống cấp phôi thực tế 67

Hình 4.7 Lắp đặt camera trong thực tế 67

Hình 4.8 Hình ảnh hệ thống tay hút phân loại thực tế 68

Hình 4.9 Hình ảnh hệ thống phân loại sản phẩm thực tế 69

Hình 4.10 Hệ thống khí nén thực tế 70

Hình 4.11 Hệ thống điện thực tế 70

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng dữ liệu về CPU họ 224 và 224XP 24

Bảng 2.2 Thông số của cảm biến tiệm cận kiểu quang 29

Bảng 3.1 Bảng thông số động cơ 55

Bảng 3.2 Thông số chi tiết của Ru lô băng tải 59

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

Hà Nội, ngày…tháng…năm 2020

MỞ ĐẦU

Nhóm em xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn Cơ

Điện Tử của Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ tạo điều kiện

thuận lợi và cung cấp tài liệu để hoàn thành đề tài tốt nghiệp này

Đồng thời, nhóm em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên

hướng dẫn là thầy Nguyễn Xuân Thuận, thầy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều

kiện thuận lợi nhất và giúp đỡ nhóm trong suốt quá trình thực hiện luận văn

tốt nghiệp

Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè đã hỗ trợ và chia sẽ kinh nghiệm

cho nhóm trong thời gian qua

Mặc dù rất cố gắng nhưng với khả năng, thời gian có hạn và kinh

nghiệm thực tiễn chưa nhiều nên nhóm không thể tránh khỏi những thiếu sót

nhất định Nhóm em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến bổ sung của các

thầy, cô để luận văn được hoàn thiện hơn Vậy nên, nhóm em mong được sự

góp ý và chỉ dẫn nhiều hơn của thầy cô

Cuối cùng nhóm em xin chúc thầy cô và cùng toàn thể các bạn trong

lớp nhiều sức khỏe và thành công trong mọi công việc

Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện : Phạm Văn Tùng

Ngô Thế Tùng Nguyễn Lộc Tưởng

GIỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG 1

1.1 Lý do chọn đề tài

Với điều kiện cụ thể ở nước ta công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa thì cần sử dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sản xuất, gia công, chế biến sản phẩm Điều này hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt

Xuất phát từ những đợt đi thực tế tại các nhà máy, các khu công nghiệp

và tham quan các doanh nghiệp sản xuất đã thấy rất nhiều khâu tự động hóa trong quá trình sản xuất Một trong những khâu tự động trong dây chuyền sản xuất tự động hóa là hệ thống phân loại sản phẩm

Hình 1.1 Hệ thống phân loại hàng tự động

Đặc biệt là hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc Tuy nhiên đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa chưa được áp hoàn toàn trong khâu phân loại mà còn sử dụng nhân công, chính vì lý do đó nhiều khi cho năng suất thấp chưa đạt hiệu quả cao Từ những nhu cầu sản xuất thực

tế và quá trình học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

và sự góp ý và hướng dẫn của thầy Nguyễn Xuân Thuận, nhóm đã tiến hành

“Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc”

cơ và hệ thống hoạt động tự hác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiếtđộng dựa trên lập trình và điều khiển của PLC

Ngoài ra còn có các vấn đề k

Các vấn đề cần được giải quyết đó là:

- Vấn đề cơ khí: phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số

kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ, gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa

- Vấn đề điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động

- Vấn đề an toàn: đảm bảo an toàn cho người sử dụng và sản phẩm không bị lỗi, hỏng

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo màu

sắc” , đã được nhiều sinh viên của các trường nghiên cứu và thực hiện Đồng

thời cũng đã có nhiều sinh viên thiết kế những mô hình đơn giản Mô hình này cũng đã được thiết kế và đưa vào sử dụng trong một số nhà máy và là một sản phẩm cơ điện tử điển hình, nên trong quá trình làm đồ án, nhóm đã áp dụng phương pháp nghiên cứu sau:

Kết hợp giữa việc thiết kế tuần tự và đồng thời: việc đầu tiên là nghiên cứu mô hình cụ thể sau đó xây dựng mô hình chứa đầy đủ những dự định sẽ

có trong thiết kế qua đó có cái nhìn tổng quan về hệ thống chung và xác định thông số cơ bản Từ đó, áp dụng để thiết kế trong giới hạn của đề tài

rút ra giới hạn của hệ thống từ đó cho ra phương án cải tiến hay để thay thế

Từ đó rút ra các đánh giá về hệ thống (công suất làm việc của hệ thống, vận tốc của băng tải, mức độ chịu lực, giới hạn các chỉ số cơ khí và điện năng, năng suất của hệ thống )

1.4 Phạm vi giới hạn

Hệ thống phân loại sản phẩm là một đề tài đã được nghiên cứu và được phát triển từ lâu Hiện nay trong các nhà máy xí nghiệp có rất nhiều hệ thống phân loại hoàn thiện cả về chất lượng và thẩm mỹ Tuy nhiên, trong phạm vi một đề tài nghiên cứu, với những giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí

đề tài giới hạn bởi những tính năng sau:

- Hệ thống nhận dạng và phân loại theo màu sắc

- Kích thước dài x rộng x cao = 1500 x 700 x 400 (mm)

- Khối lượng: (20) Kg

- Hệ thống điều khiển: PLC và hệ thống khí nén

- Cơ cấu phân loại sản phẩm: Tay khí hút phân loại sản phẩm

- Động cơ truyền chuyển động: Động cơ điện một chiều

- Hệ thống dẫn động: Băng chuyền

- Điện áp cung cấp: Điện áp xoay chiều 220 VAC và điện áp một chiều 24 VDC

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM CHƯƠNG 2

2.1 Tổng quan về mô hình phân loại

Dưới đây là tổng quan về hệ thống mà nhóm đã thiết kế Hệ thống bao gồm sáu bộ phận chính :

2.2 Nguyên lý làm việc và quy trình công nghệ của hệ thống

Khi nhấn nút start, xy lanh cấp phôi đẩy phôi vào băng tải đồng thời băng tải chạy Khi phôi chạy qua camera, camera có nhiệm vụ thu nhận hình ảnh và đưa về hệ thống xử lý ảnh để xử lý Sau khi nhận biết vật xong nếu:

1 Phôi màu vàng , tím và xanh lá: Sau khi nhận biết xong ,băng tải tiếp tục chạy đến khi phôi tới vị trí tay gắp (nhận biết bằng cảm

biến) Tay gắp sẽ gắp các phôi vào trong khay phân loại tương ứng 1, 2, 3

2 Phôi màu đỏ: Sau khi nhận biết xong, băng tải tiếp tục chạy đến khi phôi rơi vào khay phân loại phía cuối băng tải Việc xác nhận phôi đã vào khay được nhận biết bởi cảm biến

3 Sau khi phôi đã vào khay, xy lanh cấp phôi tiếp tục đẩy phôi mới vào băng tải Chu trình mới được thực hiện

Xử lý ảnh được đưa vào giảng dạy ở bậc đại học ở nước ta khoảng chục năm nay Nó là môn học liên quan đến nhiều lĩnh vực và cần nhiều kiến thức

cơ sở khác Sau đây là một vài kiến thức cơ bản về xử lý ảnh:

2.3.1 Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh

a Điểm ảnh

Điểm ảnh là đơn vị cơ bản nhất để tạo nên một bước ảnh kỹ thuật số Địa chỉ của điểm ảnh được xem như là một tọa độ (x, y) nào đó Một bức ảnh

kỹ thuật số, có thể được tạo ra bằng cách chụp hoặc bằng một phương pháp

đồ họa nào khác, được tạo nên từ hàng ngàn hoặc hàng triệu pixel riêng lẻ Bức ảnh càng chứa nhiều pixel thì càng chi tiết Một triệu pixel thì tương đương với 1 megapixel

b Độ phân giải của ảnh

Độ phân giải là mật độ điểm ảnh được ấn định trên một ảnh số được hiển thị Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao cho mắt người vẫn thấy được sự liên tục của ảnh Việc lựa chọn khoảng cách thích hợp tạo nên một mật độ phân bổ, đó chính là độ phân giải và được phân

bố theo trục x và y trong không gian hai chiều

c Mức xám của ảnh

Mức xám: Là kết quả của sự biến đổi tương ứng 1 giá trị độ sáng của 1 điểm ảnh với 1 giá trị nguyên dương Thông thường nó xác định trong [0,255] tuỳ thuộc vào giá trị mà mỗi điểm ảnh được biểu diễn Các thang giá trị mức xám thông thường: 16, 32, 64, 128, 256 (Mức 256 là mức phổ dụng Lý do: từ

kỹ thuật máy tính dùng 1 byte (8 bit) để biểu diễn mức xám Mức xám dùng 1

- Ảnh xám: Giá trị xám nằm trong khoảng 0…255 Như vậy mỗi điểm ảnh trong ảnh xám được biểu diễn bởi 1 byte

- Ảnh màu: Là ảnh tổ hợp từ 3 màu cơ bản đỏ (R), lục (G), lơ (B) và thường thu nhận trên các giải băng tần khác nhau Để biểu diễn cho ảnh màu cần 24 bit, 24 bit này được chia làm ba khoảng 8 bit, mỗi khoảng này biểu diễn cho cường độ sáng của một trong các màu chính

2.3.2 Hệ tọa độ màu

RGB là không gian màu phổ biến dùng trong máy tính, máy ảnh, điện thoại và nhiều thiết bị kĩ thuật số khác Không gian màu này khá gần với cách mắt người tổng hợp màu sắc Nguyên lý cơ bản là sử dụng 3 màu sắc cơ bản

R (red - đỏ), G (green - xanh lục) và B (blue - xanh lam) để biểu diễn tất cả các màu sắc

Mỗi kênh màu sẽ sử dụng 8 bit để biểu diễn, tức là giá trị R, G, B nằm trong khoảng 0 - 255 Bộ 3 số này biểu diễn cho từng điểm ảnh, mỗi số biểu diễn cho cường độ của một màu

Với mô hình biểu diễn 24 bit, số lượng màu tối đa sẽ là:

255×255×255=16581375

Hình 2.1 Mô hình màu RGB

Thay vì chọn phần tử RGB để có màu mong muốn, người ta chọn các tham số màu: Hue, Saturation và Value Mô hình không gian màu HSV có thể suy diễn từ mô hình RGB

Hình 2.2 Mô hình màu HSV

Hình 2.3 Không gian màu CMYK

Không gian màu CMYK chỉ mô hình màu loại trừ, thường dùng trong

in ấn Mô hình màu này dựa trên cơ sở trộn các chất màu của các màu sau:

- C = Cyan có nghĩa là màu xanh lơ hay cánh chả

- M = Magenta có nghĩa là màu cánh sen hay hồng sẫm

- Y = Yellow có nghĩa là màu vàng

- K = Black có nghĩa là màu đen

Thu nhận ảnh: ảnh có thể nhận được qua camera màu hoặc đen trắng Chất lượng một ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, môi trường

Phân tích và vận dụng các kỹ thuật trên hình ảnh:

- Tiền xử lý: sau bộ phận thu nhận ảnh,ảnh có thể bị nhiễu hoặc độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền xử lý để nâng cao chất lượng ảnh Chức năng: lọc nhiễu, tăng hoặc giảm độ tương phản

- Phân đoạn ảnh : là tách ảnh đầu vào thành các vùng để biểu diễn , phân tích và nhận dạng ảnh

- Biểu diễn ảnh : các vật thể sau khi được phân đoạn có thể được

mô tả dưới dạng chuỗi các điểm và biểu diễn ảnh thường được sử dụng khi ta quan tâm đến đặc tính bên trong của vùng ảnh

- Nhận dạng và nội suy : là quá trình phân loại vật thể dựa trên cơ

sở các chi tiết mô tả vật thể và nhận dạng ảnh là quá trình xác định ảnh và quá trình này thu được băng cách so sánh với mẫu đã được lưu trữ từ trước

Đầu ra là kết quả ảnh có thể được thay đổi hoặc các báo cáo được dựa trên phân tích hình ảnh đầu vào

2.4 Hệ thống điện và điều khiển

2.4.1 Bộ điều khiển PLC

a) Giới thiệu chung về PLC

Programable Logic Controller (viết tắt là PLC) là thiết bị điều khiển logic khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình, bộ điều khiển thoả mãn các yêu cầu:

- Do ngôn ngữ lập trình dễ học nên dễ dàng lập trình

- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo trì

- Có thể chứa được những chương trình phức tạp, dung lượng bộ nhớ lớn

- Hệ thống điều khiển tin cậy trong môi trường công nghiệp

- Khả năng chống nhiễu tốt, độ bền cao

- Giao tiếp với các thiết bị thông tin, máy tính, nối mạng các modun mở rộng

Bộ điều khiển lập trình PLC được tạo ra nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơ le và thiết bị cồng kềnh Dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản PLC có khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng

và linh hoạt PLC thực hiện các tác vụ định thì cùng đếm làm tăng khả năng điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình và đưa ra tín hiệu điều khiển cho các thiết bị bên ngoài tương ứng

Các ưu điểm chính của việc sử dụng PLC:

- Hạn chế bớt việc đấu nối dây khi thiết kế hệ thống, giá trị logic của nhiệm vụ điều khiển được thực hiện trong chương trình thay cho việc đấu nối dây

- Công suất PLC tiêu thụ rất thấp

- Việc sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng do khả năng tự chuẩn đoán

- Thay đổi chức năng điều khiển dễ dàng bằng thiết bị lập trình, khi không có các yêu cầu thay đổi các đầu vào ra thì không cần phải nâng cấp phần cứng

- Trong chương trình , không hạn chế số lượng tiếp điểm sử dụng

- Thời gian để thực hiện chu trình điều khiển hoàn thành chỉ mất vài ms, điều này làm tăng tốc độ và năng suất PLC

- Chức năng lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu và dễ học

- Có thể chứa được nhiều chương trình phức tạp

- Kết nối dễ dàng được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, kết nối mạng Internet, các Modul mở rộng

- Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ

Vì những đặc điểm nổi bật trên mà PLC được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hóa quá trình sản xuất

Có thể ví như “vi điều khiển” trong môi trường công nghiệp là PLC

Sơ đồ cấu trúc của PLC có phần giống và dựa trên nền tảng của vi điều khiển

Hình 2.4 Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ PLC

Trạng thái tín hiệu vào được nhận biết và chứa trong bộ nhớ PLC thực hiện các lệnh logic được lập trình để xử lý các tín hiệu vào máy và tạo ra các tín hiệu ra để điều khiển các thiết bị PLC hoạt động như một máy tính độc lập với khả năng tính toán, lưu trữ cao

b) Bộ điều khiển lập trình PLC S7-200

PLC S7-200 là thiết bị điều khiển lập trình loại nhỏ của hãng Siemens,

có cấu trúc theo kiểu modun và có các modun mở rộng Thành phần cơ bản của S7-200 là khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) bao gồm hai loại: CPU 21x và CPU 22x Mỗi chủng loại có nhiều CPU Loại CPU 22x ngày nay không còn sản xuất, tuy nhiên hiện vẫn còn sử dụng rất nhiều trong các trường học và trong sản xuất

Tiêu biểu cho loại CPU 22x là CPU 224, CPU 224 có các đặc tính:

- Bộ nhớ chương trình (chứa trong EEPROM): 4096 Byte

- Bộ nhớ dữ liệu (Vùng nhớ V): 4096 Byte (trong đó 512 Byte chứa trong EEPROM)

- Số lượng ngõ vào: 14

- Số lượng ngõ ra: 10 ngõ ra digital tích hợp trong CPU

- Số module mở rộng: 7 gồm cả module analog cho phép thu nhận, truyền đạt tín hiệu tương tự Số lượng vào/ra số cực đại: 64

- Số lượng timer: 128 timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 4 timer 1ms, 16 timer 10 ms và 108 timer có độ phân giải

100 ms

- Số lượng Counter: 128 bộ đếm chia làm hai loại: 96 Counter Up

và 32 CounterUp/Down

- Bit memory (Vùng nhớ M): 256 bit

- Special memory (SM): 688 bit dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc

- Bộ đếm tốc độ cao (High-speed counters): 2 counter 2 KHz và 1 counter 7 KHz

- Có phép tính số học

- Ngõ vào analog tích hợp sẵn (biến trở): 2

- Các chế độ ngắt và xử lý ngắt gồm: ngắt theo sườn lên hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt truyền thông, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung

- Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190h khi PLC bị mất nguồn nuôi

- Khả năng tính toán của PLC rất cao, ngày càng được nâng cấp qua các dòng và các đời PLC

- PLC hỗ trợ đầy đủ các chức năng như một vi điều khiển, nhưng ngôn ngữ lập trình tường minh và đơn giản hơn rất nhiều

- Cho phép người kĩ sư dễ dàng chỉnh sửa, tinh chỉnh chương trình

do thuật ngữ lập trình đơn giản

Sơ đồ bề mặt của bộ điều khiển logic khả trình S7-200 CPU 224 được cho như hình:

Hình 2.5 Bộ điều khiển lập trình S7-200 CPU 224

- SF (Đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống dính lỗi Đèn SF sáng lên khi PLC có lỗi

- RUN (Đèn xanh): Cho biết PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình được nạp vào trong bộ nhớ chương trình của PLC

- STOP (Đèn vàng): Đèn vàng STOP chỉ định PLC đang ở chế độ dừng Dừng chương trình đang thực hiện lại

- I x.x (Đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào chỉ định trạng thái tức thời của cổng ( x.x = 0.0 - 1.5) Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng

- Qy.y (Đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra chỉ định trạng thái tức thời của cổng ( y.y = 0.0 - 1.1) Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng

Ngày nay, CPU 22x với nhiều tính năng vượt trội đã thay thế loại CPU 21x và hiện đang được sử dụng rất nhiều Tiêu biểu cho loại này là CPU 224

và CPU 224 XP Trong thiết kế nhóm chọn loại CPU 224 AC/DC/RELAY

Bảng 2.1 Bảng dữ liệu về CPU họ 224 và 224XP

Công tắc chọn chế độ làm việc nằm ở phía trên, có ba vị trí cho phép chọn các chế độ làm việc khác nhau của PLC:

- RUN: Cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ PLC S7-200 sẽ chuyển sang chế độ STOP nếu trong máy có sự cố, hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP

- STOP: PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ STOP Ở chế độ STOP, PLC cho phép hiệu chỉnh, nạp và xóa một chương trình

- TERM: Cho phép người dùng từ máy tính điều khiển, chọn một trong hai chế độ làm việc cho PLC hoặc RUN hoặc STOP

Hình 2.6 Bộ điều khiển lập trình CPU 224

S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân

để sử dụng cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud 300 baud đến 38400baud là tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do

Có thể sử dụng một cáp nối thẳng qua MPI để ghép nối S7-200 với máy lập trình PG720 (hãng Siemens) hoặc với các loại máy lập trình thuộc họ PG7xx Cáp đó đi kèm theo máy lập trình

Bộ chuyển đổi RS232/RS485 và qua cổng USB ta có cáp USB/PPI để ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS-232

2.4.2 Rơ le trung gian

Rơ le trung gian là một kiểu nam châm điện có tích hợp với hệ thống tiếp điểm Rơ le trung gian là một công tắc chuyển đổi hoạt động bằng điện,

nó là bao gồm hai trạng thái ON và OFF Ở trạng thái ON hay OFF của nó phụ thuộc vào có dòng điện chạy qua nó hay không

Hình 2.7 Rơ le trung gian

Cấu tạo của rơ le trung gian:

Cấu tạo gồm: lõi thép động, lõi thép tĩnh và cuộn dây Cuộn dây bên trong gồm là cuộn cường độ, cuộn điện áp hoặc cả cuộn điện áp và cuộn cường độ Lõi thép động được găng bởi lò xo cùng định vị bằng một vít điều chỉnh Cơ chế tiếp điểm bao gồm tiếp điểm thuận và tiếp điểm nghịch

Nguyên lý hoạt động :

Khi có dòng điện chạy qua rơ le, dòng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên trong và tạo ra một từ trường hút Từ trường hút này tác động lên một đòn bẩy bên trong làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện và làm thay đổi trạng thái của rơ le Số tiếp điểm điện bị thay đổi có thể là một hay nhiều tùy thuộc vào thiết kế

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý

Trong đó:

- Chân 13 - 14 là chân cuộn hút

- Chân 9 - 1, 12 - 4 là các tiếp điểm thường đóng

- Chân 9 - 5, 12 - 4 là tiếp điểm thường mở

2.4.3 Van điện từ khí nén

Van điện từ khí nén AIRTAC 3V210-08 là loại van khí nén 3/2 có ba cổng hai vị trí và một đầu coil điện, được điều khiển bằng điện, thường được dùng để điều khiển xy lanh khí nén

Hình 2.9 Van khí nén 3/2

- Kích thước các cổng: 1/4″ (ren 13)

- Áp suất hoạt động: 0.15 – 0.8 MPa

- Loại van hơi: 3 cửa 2 vị trí (1 đầu coil điện)

- Xuất Xứ: AIRTAC (Đài Loan)

2.4.4 Van điện từ SMC

Hình 2.10 Van điện từ SMC 5/2

Đặc điểm:

cao, thời gian đáp ứng nhanh

lò xo, 5 cửa và 2 vị trí làm việc

2.4.5 Cảm biến từ xy lanh

Cảm biến từ xy lanh Sensor SMC D-A93 là loại cảm biến sử dụng chuyên cho các dòng xy lanh khí nén, xy lanh thủy lực của hảng SMC Cảm biến được sử dụng để báo hành trình ra vào của xy lanh, hành trình quay theo góc của xy lanh xoay, dạng cảm biến này là cảm biến từ, nhận tín hiệu nam châm được tích hợp trong xy lanh của SMC

Hình 2.11 Cảm biến từ xy lanh Sensor SMC

Thông số cảm biến từ xy lanh Sensor SMC D-A93:

- Cảm biến thiết kế hơi đặc biệt có đi kèm connector M8 ba chân, đối với D-A93 thì chỉ xài 2 dây

- Sử dụng điện áp 24 VDC hoặc 100 VAC kiểu mắc tải nối tiếp 2 dây

- Tích hợp led báo ngõ ra khi có tác động

- Tải sử dụng là relay hoặc PLC ( công suất tải 5 – 40 mA)

2.4.6 Cảm biến quang

Cảm biến có chức năng phát hiện khoảng cách do sự phản quang ánh sáng hồng ngoại, khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh được theo yêu cầu Thiết bị có giá thành rẻ, dễ dàng lắp đặt, dễ sử dụng và có thể được sử dụng trong robot tránh ngại vật cản, nhận diện vật chuyển động và nhiều sản phẩm

- Dây màu nâu: 6 - 36V (khuyến cáo dùng 6 – 24 VDC)

- Dây màu xanh dương : 0V

- Dây màu đen: Tín hiệu NPN thường mở (Tín hiệu ra bằng điện

áp cấp nuôi cho cảm biến)

2.4.7 Nút nhấn

Nút nhấn nhả LA38-203 thường được sử dụng nhiều trong các thiết kế

tủ điện điều khiển công nghiệp Nó có chức năng nhấn giữ để đóng tín hiệu hoặc nguồn và có mục đích điều khiển các thiết bị kiểm soát bằng tay Hoặc

nhấn nhả để tác động một tín hiệu như tín hiệu tác động của sensor, tín hiệu tác động trực tiếp đến bộ nhớ hoặc tín hiệu reset đến thiết bị điều khiển trung tâm như PLC, board điều khiển

Hình 2.13 Nút nhấn nhả LA38-203

2.4.8 Aptomat

Aptomat là một khí cụ điện dùng để tự động cắt mạch điện, bảo vệ quá tải ngắn mạch, sụt áp… Trong kỹ thuật thì nó được sử dụng để đóng cắt không thường xuyên các mạch làm việc ở chế độ bình thường

Hình 2.14 Aptomat 230/400V

2.4.9 Tủ điện

Tủ điện được sử dụng để bảo về các thiết bị điện bên trong như: các thiết bị đóng cắt, thiết bị điều khiển, thiết bị đo lường Sản phẩm được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như: tủ điện điều khiển, tủ điện chiếu sáng

Hình 2.15 Tủ điện sơn tĩnh điện

2.4.10 Thiết bị thu nhận ảnh

Đối với một hệ thống xử ảnh thì camera được xem như là con mắt của

hệ thống Để cho hệ thống nhận diện được đúng màu sắc nhận dạng sản phẩm

và độ phân giải ảnh đúng yêu cầu đề ra thì em đã chọn Webcam Dahua Z2+ trong đề tài nghiên cứu này

Hình 2.17 Băng tải PVC mini

Nhóm sử dụng băng tải PVC xanh do loại băng tải này có các đặc điểm thích hợp với đề tài:

- Tải trọng băng tải không quá lớn

- Kết cấu cơ khí không quá phức tạp

- Dễ dàng thiết kế chế tạo, tìm kiếm và mua trên thị trường

2.5.2 Động cơ DC

Động cơ một chiều DC ( DC là viết tắt của từ "Direct Current ") là Động cơ điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay dễ hiểu hơn thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp một chiều Đầu ra của đông cơ thường gồm hai dây DC motor là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục

Đối với động cơ điện một chiều có loại không chổi than (Brussless DC Motor - BLDC) và động cơ có chổi than (Brush DC Motor - DC Motor) Do động cơ BLDC thực chất là động cơ điện ba pha không đồng bộ Vì vậy mình chỉ xét động cơ điện một chiều có chổi than

Hình 2.19 Cấu tạo của động cơ DC

Stator của động cơ điện một chiều thường là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện

Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều

Bộ phận chỉnh lưu có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp

Hình 2.20 Nguyên lý hoạt động động cơ điện 1 chiều

Nguyên lý hoạt động:

Pha một: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor

Pha hai: Rotor tiếp tục quay

Pha ba: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha một

2.5.3 Van hút chân không

Van hút chân không gồm có ba cổng: cổng cung cấp khí, cổng xả khí và cổng hút chân không.Van hút chân không cùng với giác hút chân không thực hiện hút và thả phôi vào máng

Hình 2.21 Van hút chân không

2.5.4 Xy lanh khí nén

Xy lanh khí nén là dạng cơ cấu vận hành Nó có chức năng biến đổi năng lượng tích lũy trong khí nén thành động năng cung cấp cho các chuyển động

Hình 2.22 Xy lanh khí nén

Hình 2.23 Mặt cắt toàn phần của một xy lanh khí nén

Để thực hiện chức năng, xy lanh khí nén truyền một lực lượng bằng cách chuyển năng lượng tiềm năng của khí nén vào động năng Do khí nén có khả năng giãn nở, không có đầu vào năng lượng bên ngoài, mà chính nó xảy

ra do áp lực được tạo ra 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 mình chỉ định

Mỗi khi được kích hoạt, không khí nén vào trong ống ở một đầu của piston và truyền tải lực trên piston Do đó piston sẽ di chuyển bằng khí nén

Xy lanh khí nén cũng có nhiều loại khác nhau cho phù hợp với yêu cầu của người sử dụng như xy lanh vuông, xy lanh tròn, xy lanh kẹp, xy lanh xoay,

xy lanh trượt

2.5.5 Xy lanh xoay khí nén

Xy lanh xoay khí nén MSQB - 20A :

Hình 2.24 Xy lanh xoay khí nén MSQB - 20A

Nguyên Liệu: Nhôm

- Xy lanh hoạt động ổn định trong các môi trường có nhiệt độ, áp suất cao, thay đổi liên tục cho đến những môi trường làm việc yêu cầu đảm bảo vệ sinh cao, an toàn hoặc môi trường độc hại Nguyên lý hoạt động xy lanh xoay :

Xy lanh khí có vai trò tạo ra lực để chuyển đổi năng lượng có trong khí nén thành động năng để tạo ra các chuyển động Xy lanh xoay được vận hành bằng khí nén từ hệ thống máy nén khí Điều này đạt được là do sự chênh áp được tạo ra bởi khí nén được ở áp suất lớn hơn áp suất của khí quyển Do đó làm cho các piston của xy lanh chuyển động theo hướng mong muốn qua đó làm cho thiết bị bên ngoài hoạt động

2.5.6 Van tiết lưu

Hình 2.25 Van tiết lưu

Van tiết lưu có nhiệm vụ thay đổi lưu lượng dòng khí nén, có nghĩa là thay đổi vận tốc của cơ cấu chấp hành

Nguyên lý làm việc của van tiết lưu là lưu lượng dòng chảy qua van phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện

Van tiết lưu có tiết diện thay đổi làm lưu lượng dòng chảy qua van thay đổi được nhờ vào một vít điều chỉnh làm thay đổi tiết diện của khe hở

2.5.7 Giác hút chân không

Hình 2.26 Giác hút chân không

Vật liệu bộ giác hút chân không được làm bằng kim loại, phụ kiện đầu của giác hút được làm phù hợp với đường ống dẫn khí

Thêm lò xo nằm giữa có chức năng nhằm giảm lực nén khi thiết bị hoạt động cùng vật chủ

Cốc hút chân không được làm từ silicone dẻo làm tăng lực hút và giữ chắc chắn vật thể khi hoạt động

2.6 Các khối nguồn

2.6.1 Bộ nguồn

Để cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống, hệ thống sẽ được trang bị một

bộ nguồn chuyển đổi điện từ 220 VAC thành 24 VDC với dòng là 15A

Hình 2.27 Bộ nguồn 24 VDC - 15A