Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống kiểm tra sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh LabVIEW

Đồ án tốt nghiệp chi tiết về hệ thống kiểm tra sản phẩm bằng xử lý ảnh trong LabVIEW, giúp nhận diện lỗi số lượng, logo và phân loại tự động.

• Tác giả: Thiều Quang Nghĩa
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Văn Phong
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Kiểm Tra Sản Phẩm Ứng Dụng Xử Lý Ảnh Trong Labview
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Kiểm tra Sản phẩm bằng Xử lý Ảnh trong LabVIEW

Xử lý ảnh trong LabVIEW đã trở thành một giải pháp hiệu quả cho các nhà máy và doanh nghiệp với sản lượng sản phẩm lớn. Đồ án này tập trung vào thiết kế hệ thống kiểm tra sản phẩm tự động, nhằm giảm chi phí lao động và tăng năng suất sản xuất. Trước đây, việc phân loại và phát hiện lỗi sản phẩm được thực hiện chủ yếu dựa vào con người, điều này đòi hỏi sự tập trung cao và lặp đi lặp lại, khó đảm bảo tính chính xác. Công nghệ xử lý ảnh với độ chính xác tương đối cao, phạm vi nhận dạng rộng và tốc độ xử lý nhanh đã mở ra những cơ hội mới trong tự động hóa kiểm tra chất lượng sản phẩm.

1.1. Tầm quan trọng của Tự động hóa Kiểm tra Sản phẩm

Hệ thống kiểm tra tự động giúp giảm chi phí lao động đáng kể và nâng cao hiệu suất công việc. Các dây chuyền sản xuất hiện đại đòi hỏi phát hiện lỗi sản phẩm nhanh chóng và chính xác. Xử lý ảnh LabVIEW cung cấp khả năng nhận diện tự động với độ tin cậy cao, giúp doanh nghiệp nâng cao chất lượng sản phẩm và năng suất sản xuất.

1.2. Ứng dụng Công nghệ Xử lý Ảnh trong Sản xuất

Công nghệ xử lý ảnh đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất hiện đại. Với LabVIEW, các kỹ sư có thể xây dựng các ứng dụng kiểm tra chất lượng sản phẩm mạnh mẽ. Nhận diện sản phẩm theo lỗi số lượng, Logo và mã vạch là những ứng dụng phổ biến, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

II. Các Thành phần Chính của Hệ Thống Kiểm tra Sản phẩm

Hệ thống kiểm tra sản phẩm sử dụng xử lý ảnh trong LabVIEW bao gồm nhiều thành phần quan trọng. Đầu tiên là camera quang học (Logitech C270 HD) dùng để thu ảnh sản phẩm với độ phân giải cao. Tiếp theo là phần mềm LabVIEW thực hiện xử lý ảnh và nhận diện sản phẩm. Cuối cùng là bộ điều khiển PLC điều khiển cơ cấu chấp hành trên mô hình. Các thành phần này hoạt động phối hợp để kiểm tra lỗi sản phẩm như số lượng, Logo và mã vạch, đảm bảo chất lượng sản phẩm trước khi xuất xưởng.

2.1. Camera và Thiết bị Quang học trong LabVIEW

Camera Logitech C270 được sử dụng để chụp ảnh sản phẩm với chất lượng HD. Hệ thống camera này được kết nối trực tiếp với máy tính chạy LabVIEW, cho phép xử lý ảnh thời gian thực. Các chuẩn chiếu sáng phù hợp giúp đảm bảo hình ảnh sắc nét và rõ ràng, tạo điều kiện tốt cho nhận diện sản phẩm.

2.2. Phần mềm LabVIEW và Xử lý Ảnh

LabVIEW là nền tảng mạnh mẽ cho xử lý ảnh và nhận diện sản phẩm. Phần mềm này cung cấp các module xử lý ảnh chuyên biệt để phát hiện lỗi sản phẩm, nhận diện Logo, số lượng và mã vạch. Các thuật toán xử lý ảnh trong LabVIEW giúp tăng độ chính xác và tốc độ nhận diện tự động.

2.3. Điều khiển PLC và Cơ cấu Chấp hành

Bộ điều khiển PLC nhận tín hiệu từ LabVIEW sau khi xử lý ảnh hoàn tất. PLC điều khiển cơ cấu chấp hành để phân loại sản phẩm đạt yêu cầu và loại bỏ sản phẩm lỗi. Sự tích hợp giữa phần mềm và phần cứng tạo nên một hệ thống kiểm tra sản phẩm hoàn chỉnh.

III. Quy trình Xử lý Ảnh để Nhận diện Sản phẩm

Quy trình xử lý ảnh trong LabVIEW tuân theo các bước cụ thể để nhận diện sản phẩm chính xác. Bước đầu tiên là thu ảnh sản phẩm thông qua camera. Tiếp theo là tiền xử lý ảnh bao gồm điều chỉnh độ sáng, tương phản và loại bỏ nhiễu. Bước thứ ba là phân đoạn ảnh để tách riêng sản phẩm với nền. Bước thứ tư là trích xuất đặc trưng từ ảnh sản phẩm. Cuối cùng là phân loại sản phẩm theo các tiêu chí như lỗi số lượng, Logo, mã vạch. Mỗi bước được tối ưu hóa để đạt độ chính xác cao nhất trong kiểm tra chất lượng sản phẩm.

3.1. Tiền xử lý và Tăng cường Ảnh

Tiền xử lý ảnh là bước quan trọng trong xử lý ảnh LabVIEW. Các kỹ thuật như điều chỉnh độ sáng, tương phản và lọc nhiễu giúp cải thiện chất lượng ảnh. Tăng cường ảnh giúp làm nổi bật các đặc trưng của sản phẩm, hỗ trợ nhận diện sản phẩm chính xác hơn.

3.2. Phân đoạn Ảnh và Trích xuất Đặc trưng

Phân đoạn ảnh tách sản phẩm khỏi nền để xử lý ảnh tập trung. Sau đó, trích xuất đặc trưng giúp xác định các yếu tố quan trọng như Logo, mã vạch và số lượng sản phẩm. Các đặc trưng này được so sánh với dữ liệu mẫu để phát hiện lỗi sản phẩm.

3.3. Phân loại Sản phẩm và Phát hiện Lỗi

Phân loại sản phẩm là bước cuối cùng trong xử lý ảnh. Hệ thống kiểm tra so sánh các đặc trưng trích xuất với tiêu chuẩn để phát hiện lỗi. Các sản phẩm không đạt yêu cầu sẽ được đánh dấu để loại bỏ, đảm bảo chất lượng hàng hóa.

IV. Lợi ích và Ứng dụng Thực tế của Hệ Thống

Đồ án kiểm tra sản phẩm bằng xử lý ảnh mang lại nhiều lợi ích thực tế cho các doanh nghiệp sản xuất. Xử lý ảnh trong LabVIEW giúp tăng độ chính xác phát hiện lỗi sản phẩm lên 95% trở lên, vượt xa khả năng của con người. Hệ thống kiểm tra tự động giảm chi phí lao động khoảng 60-70% so với phương pháp thủ công. Tốc độ xử lý nhanh (dưới 1 giây/sản phẩm) cho phép kiểm tra hàng nghìn sản phẩm mỗi ngày. Nhận diện sản phẩm theo lỗi số lượng, Logo, mã vạch giúp doanh nghiệp cải thiện chất lượng và hiệu suất sản xuất. Các ứng dụng này đã được triển khai thành công trong các ngành sản xuất như thực phẩm, điện tử, dệt may.

4.1. Tăng Cường Chất lượng và Độ Chính xác

Xử lý ảnh LabVIEW cung cấp độ chính xác cao trong kiểm tra chất lượng sản phẩm. Hệ thống nhận diện giúp phát hiện lỗi sản phẩm một cách nhất quán, loại trừ sai sót con người. Điều này nâng cao danh tiếng doanh nghiệp và sự hài lòng của khách hàng.

4.2. Tiết Kiệm Chi phí Lao động

Hệ thống kiểm tra tự động giảm đáng kể nhu cầu về nhân lực, từ đó tiết kiệm chi phí lao động. Thay vì thuê nhiều công nhân kiểm tra thủ công, doanh nghiệp chỉ cần một kỹ sư bảo trì hệ thống xử lý ảnh, giảm chi phí vận hành.

4.3. Nâng cao Năng suất Sản xuất

Tốc độ xử lý nhanh của LabVIEW cho phép kiểm tra nhiều sản phẩm trong thời gian ngắn. Quy trình kiểm tra tự động không bị ảnh hưởng bởi sức khỏe hay tâm trạng nhân viên, đảm bảo năng suất ổn định. Hệ thống kiểm tra sản phẩm giúp doanh nghiệp tăng sản lượng mà không tăng chi phí.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0, tự động hóa khâu kiểm soát chất lượng (Quality Control - QC) đóng vai trò sống còn trong việc tối ưu hóa năng suất và giảm thiểu chi phí vận hành. Theo các thống kê công nghiệp sản xuất, quy trình kiểm tra ngoại quan thủ công truyền thống phụ thuộc hoàn toàn vào thị giác con người thường phát sinh tỷ lệ sai sót từ 15% đến 25% sau các ca làm việc kéo dài trên 2 giờ do hiện tượng mỏi mắt và giảm tập trung. Điều này dẫn đến nguy cơ lọt sản phẩm lỗi ra thị trường, gây tổn hại nghiêm trọng đến uy tín thương hiệu và gia tăng chi phí thu hồi sản phẩm.

Hệ thống kiểm tra sản phẩm thủ công tồn tại các điểm nghẽn nghiêm trọng: tốc độ xử lý chậm (chỉ đạt 15–25 sản phẩm/phút), thiếu tính nhất quán trong tiêu chuẩn đánh giá, không có khả năng tự động lưu trữ dữ liệu thời gian thực (real-time data logging) để phục vụ truy xuất nguồn gốc (traceability), và chi phí nhân công tăng trung bình 10–15% mỗi năm.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống kiểm tra sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh trong LabVIEW" được thực hiện bởi sinh viên Thiều Quang Nghĩa và Nguyễn Văn Minh dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Văn Phong tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm giải quyết triệt để bài toán tự động hóa nhận dạng và phân loại lỗi sản phẩm ngoại quan.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                           MỤC TIÊU DỰ ÁN                                |
+-------------------------------------------------------------------------+
| 1. Thiết kế cơ cấu cơ khí băng tải và buồng chụp ảnh chuẩn quang học.   |
| 2. Xây dựng thuật toán xử lý ảnh trên LabVIEW kiểm tra 3 dạng lỗi:     |
|    - Lỗi thiếu số lượng sản phẩm trong khay (Quantity Matching).       |
|    - Lỗi sai quy cách nhãn hiệu/Logo (Pattern Matching).               |
|    - Lỗi sai mã định danh Barcode (1D Barcode Decoding).               |
| 3. Thiết lập truyền thông công nghiệp Modbus TCP/IP giữa PC & PLC.      |
| 4. Lập trình PLC Siemens S7-1200 điều khiển phân loại điện - khí nén.   |
| 5. Tích hợp giám sát thời gian thực qua giao diện LabVIEW & Webserver.  |
+-------------------------------------------------------------------------+

Giải pháp tiếp cận kết hợp sức mạnh tính toán xử lý ảnh linh hoạt trên máy tính thông qua phần mềm National Instruments LabVIEW và tính ổn định, độ tin cậy thời gian thực cấp công nghiệp (Hard Real-Time) của PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C). Hệ thống cho phép kiểm tra tốc độ cao với độ trễ phân loại cực thấp, đảm bảo tính liên tục của dây chuyền.

Hệ thống đặt mục tiêu đạt năng suất kiểm tra $\ge 40$ sản phẩm/phút, độ chính xác nhận diện tổng thể $\ge 98%$, thời gian phản hồi truyền thông $< 30\text{ ms}$, và lưu trữ báo cáo tự động 100% dữ liệu ca sản xuất.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế mô hình phân loại tự động 3 trạm loại bỏ lỗi độc lập bằng cơ cấu khí nén, sử dụng 2 camera Logitech C270 HD (720p) tích hợp trong buồng tối tiêu chuẩn, kiểm tra 3 nhóm chỉ tiêu chất lượng điển hình trong ngành đóng gói linh kiện và thực phẩm.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Khâu kiểm tra ngoại quan sản phẩm hiện nay trên thị trường được triển khai qua nhiều phương thức khác nhau, từ thủ công đến các hệ thống thị giác máy tính chuyên dụng.

Tiêu chí đánh giá	Kiểm tra thủ công bằng mắt	Cảm biến quang/tiệm cận rời	Smart Camera chuyên dụng (Cognex/Keyence)	Hệ thống tích hợp LabVIEW + PLC S7-1200 (Đề tài)
Độ chính xác	75% – 85% (bị suy giảm theo thời gian)	90% (chỉ phát hiện hiện diện đơn giản)	99.5% – 99.9%	98.0% – 99.2%
Tốc độ kiểm tra	Chậm (15 – 25 SP/phút)	Rất nhanh (> 120 SP/phút)	Cực nhanh (> 200 SP/phút)	Nhanh (40 – 60 SP/phút)
Độ linh hoạt	Cao nhưng không đồng nhất	Cực kỳ thấp (cố định cơ khí)	Rất cao (cấu hình phần mềm)	Rất cao (tùy biến thuật toán LabVIEW)
Chi phí đầu tư	Thấp ban đầu, chi phí OPEX cao	Rất thấp	Rất cao ($8,000 – $25,000)	Tối ưu (< $800 quy mô mô hình)
Khả năng giám sát SCADA	Không có	Hạn chế qua I/O PLC	Có sẵn qua giao thức hãng	Tích hợp Webserver nhúng + LabVIEW GUI

Yêu cầu người dùng đối với hệ thống được lượng hóa và phân loại theo mô hình MoSCoW:

• Must have (Bắt buộc): Chụp và xử lý ảnh ổn định; phát hiện chính xác 3 dạng lỗi (thiếu linh kiện, sai barcode, sai logo); phân loại sản phẩm bằng xi lanh khí nén; truyền thông Modbus TCP/IP thông suốt giữa PC và PLC.
• Should have (Nên có): Giao diện giám sát trực quan trên PC; hiển thị trạng thái I/O và thống kê số lượng Good/Defect theo thời gian thực; nút dừng khẩn cấp E-Stop vật lý an toàn.
• Could have (Có thể mở rộng): Giám sát từ xa qua Webserver nhúng trên nền tảng trình duyệt web không cần cài đặt thêm phần mềm; xuất báo cáo định dạng Text/Excel tự động.
• Won't have (Chưa thực hiện trong giai đoạn này): Phân loại đa hướng bằng cánh tay robot Delta/SCARA; nhận diện các vết nứt tế vi dưới 0.05 mm.

Thách thức kỹ thuật lớn nhất nằm ở việc loại bỏ nhiễu quang học từ môi trường bên ngoài và xử lý trễ mạng khi truyền nhận dữ liệu giữa tầng xử lý hình ảnh (High-level Image Processing) và tầng điều khiển thời gian thực (Low-level Real-time Control). Giải pháp khắc phục là thiết kế buồng chụp khép kín với hệ thống đèn LED chuyên dụng 12VDC và tối ưu hóa chu kỳ đọc/ghi thanh ghi Modbus TCP xuống dưới 15 ms.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc hệ thống được chia thành 4 tầng chức năng chính: Tầng thu nhận hình ảnh & cảm biến, Tầng xử lý thị giác máy tính (LabVIEW), Tầng điều khiển truyền động (PLC Siemens S7-1200), và Tầng cơ cấu chấp hành điện khí nén.

+----------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                    SƠ ĐỒ KIẾN TRÚC HỆ THỐNG                                        |
+----------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                                                                                    |
|    [ 2x Camera Logitech C270 HD ]           [ Cảm biến quang E3F-DS30C4 ]                          |
|                  |                                        |                                        |
|                  v (USB 2.0)                              v (Digital Input 24VDC)                  |
|    +--------------------------+             +----------------------------------+                   |
|    |    NI LabVIEW 2018/2019  |             |     Siemens S7-1200 (CPU 1214C)  |                   |
|    |  (Vision Development)    |             |       (TIA Portal V14 SP1)       |                   |
|    |                          |             |                                  |                   |
|    | - Grayscale Conversion   |             | - Ladder Logic Sequencing        |                   |
|    | - Template Matching      | Modbus TCP  | - MB_SERVER Communication Block  |                   |
|    | - 1D Barcode Decoding    |<----------->| - Integrated Webserver (HTTP)    |                   |
|    | - Pattern Score Analysis | (RJ45/LAN)  | - High-Speed Timer / Counter     |                   |
|    | - CSV Data Logging       |             |                                  |                   |
|    +--------------------------+             +----------------------------------+                   |
|                  |                                        |                                        |
|                  v                                        v (Digital Output 24VDC)                 |
|       [ Giao diện Front Panel ]             +----------------------------------+                   |
|       [ Báo cáo Excel / TXT   ]             |   Relay Omron MY2N & Solenoid    |                   |
|                                             +----------------------------------+                   |
|                                                           |                                        |
|                                                           v (Khí nén 4-6 bar)                      |
|                                             [ 3x Xi lanh gạt phân loại lỗi ]                       |
|                                             [ Động cơ băng tải DC 24V       ]                       |
|                                                                                                    |
+----------------------------------------------------------------------------------------------------+

Hệ thống phần cứng và phần mềm sử dụng các công nghệ tiêu chuẩn công nghiệp:

• Phần mềm: NI LabVIEW Version 2018/2019 (tích hợp Vision Development Module và NI-IMAQdx driver); Siemens TIA Portal V14 SP1 (Step 7 Professional) hỗ trợ ngôn ngữ LAD/FBD/SCL.
• Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY (Mã hiệu: 6ES7 214-1BG40-0XB0) với 14 ngõ vào số 24VDC, 10 ngõ ra Relay, bộ nhớ làm việc 100 KB, tích hợp cổng truyền thông PROFINET Industrial Ethernet.
• Cảm biến & Thu nhận ảnh: 2 Camera Logitech C270 HD (độ phân giải 1280x720 pixels, tốc độ khung hình 30 fps); Cảm biến quang hồng ngoại E3F-DS30C4 (khoảng cách phát hiện điều chỉnh 5–30 cm, ngõ ra NPN cực thu hở NO).
• Cơ cấu chấp hành: Động cơ giảm tốc 24VDC (tốc độ 2500–3000 RPM, dòng 0.27A); 3 van điện từ khí nén 5/2 (cuộn hút 24VDC); 3 xi lanh khí nén tròn tác động kép dẫn động tay gạt; hệ thống rơ le trung gian Omron MY2N 24VDC/220VAC.

Giao thức truyền thông Modbus TCP/IP được thiết lập qua mạng Industrial Ethernet chuẩn cáp CAT6 với sơ đồ phân bổ vùng nhớ (Modbus Register Map) như sau:

Địa chỉ Modbus	Tên biến PLC (TIA Portal)	Kiểu dữ liệu	Chiều dữ liệu	Chức năng chi tiết
40001 (HR1)	LabVIEW_Control_Word	Word	LabVIEW $\rightarrow$ PLC	Lệnh điều khiển hệ thống (Bit 0: Start, Bit 1: Stop, Bit 2: Reset).
40002 (HR2)	Defect_Type_Result	Int	LabVIEW $\rightarrow$ PLC	Kết quả phân loại (0: Đạt OK, 1: Thiếu số lượng, 2: Sai Barcode, 3: Sai Logo).
40003 (HR3)	Inspection_Trigger	Bool	PLC $\rightarrow$ LabVIEW	Cờ báo sản phẩm đã vào buồng chụp, sẵn sàng kích hoạt xử lý ảnh.
40004 (HR4)	Total_Count_Good	Word	PLC $\rightarrow$ LabVIEW	Số lượng sản phẩm đạt chuẩn tích lũy.
40005 (HR5)	Total_Count_Defect	Word	PLC $\rightarrow$ LabVIEW	Tổng số lượng sản phẩm lỗi tích lũy đã gạt vào khay hồi lưu.

Về mặt an toàn điện và hiệu năng: Toàn bộ mạch điều khiển tín hiệu số ngõ vào/ra được cách ly quang thông qua rơ le trung gian MY2N, nút dừng khẩn cấp Idec AVW401R ngắt trực tiếp nguồn mạch động lực 24VDC cấp cho van khí nén và động cơ băng tải. Chu kỳ quét của CPU 1214C duy trì ở mức $1.2\text{ ms} - 2.5\text{ ms}$, đảm bảo không bỏ sót bất kỳ xung tín hiệu kích hoạt nào từ cảm biến tốc độ cao.

Methodology

Quy trình phát triển dự án được thực hiện theo mô hình V-Model lai ghép kỹ thuật phát triển lặp (Iterative Prototyping):

+--------------------------------------------------------------------+
| Tuần 01 - 03: Nghiên cứu lý thuyết, tính toán công suất, lập sơ đồ.|
| Tuần 04 - 07: Gia công khung cơ khí, đóng tủ điện, lắp băng tải.   |
| Tuần 08 - 11: Lập trình LabVIEW Vision, TIA Portal, Modbus TCP/IP.  |
| Tuần 12 - 14: Hiệu chuẩn quang học, thử nghiệm phân loại thực tế.  |
| Tuần 15 - 16: Tinh chỉnh Webserver, tối ưu hóa hệ thống, viết báo cáo.|
+--------------------------------------------------------------------+

Quản trị rủi ro trong quá trình thiết kế và thi công được kiểm soát chặt chẽ:

Yếu tố rủi ro	Khả năng xảy ra	Mức độ tác động	Biện pháp phòng ngừa & Giảm thiểu
Nhiễu ánh sáng thay đổi ngoài xưởng	Cao	Nghiêm trọng	Thiết kế buồng chụp kín cách ly quang hoàn toàn, tích hợp nguồn LED tán xạ góc 45 độ ổn định.
Rung lắc cơ khí làm nhòe ảnh chụp	Trung bình	Cao	Lắp bộ đệm cao su giảm chấn cho giá đỡ camera; lập trình thuật toán dừng băng tải 0.3s tại điểm chụp.
Mất kết nối Modbus TCP đột ngột	Thấp	Nghiêm trọng	Lập trình khối Watchdog Timer trên PLC; nếu mất tín hiệu quá 500 ms, PLC tự động dừng băng tải và báo động.

Phương pháp đảm bảo chất lượng (QA) áp dụng quy trình kiểm thử đơn vị (Unit Test) độc lập cho từng module xử lý ảnh (VI) trong LabVIEW trước khi tích hợp vào vòng lặp điều khiển chính (Main State Machine) và kiểm thử liên động phần cứng (Hardware-in-the-Loop - HIL).

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình phát triển tập trung vào xây dựng các thuật toán xử lý ảnh trên LabVIEW và cấu trúc chương trình điều khiển thời gian thực trên TIA Portal V14.

1. Thuật toán chuyển đổi không gian màu và tiền xử lý (Grayscale Conversion): Để tăng tốc độ tính toán, ảnh màu RGB từ camera Logitech C270 được chuyển đổi sang ảnh mức xám (Grayscale 8-bit, giá trị từ 0 đến 255) theo công thức chuẩn: $$Y = 0.299 \cdot R + 0.587 \cdot G + 0.114 \cdot B$$ Bộ lọc trung vị (Median Filter 3x3) được áp dụng nhằm loại bỏ các điểm nhiễu muối tiêu (salt-and-pepper noise) phát sinh do cảm biến hình ảnh.

2. Thuật toán kiểm tra số lượng và nhận diện Logo (Template Matching): Phương pháp tương quan chéo chuẩn hóa (Normalized Cross-Correlation - NCC) được triển khai để so khớp vùng ảnh kiểm tra với ảnh mẫu (Template) đã học trong bộ nhớ: $$R(x,y) = \frac{\sum_{x',y'} \left[T(x',y') - \bar{T}\right] \cdot \left[I(x+x', y+y') - \bar{I}{x,y}\right]}{\sqrt{\sum{x',y'} \left[T(x',y') - \bar{T}\right]^2 \cdot \sum_{x',y'} \left[I(x+x', y+y') - \bar{I}_{x,y}\right]^2}}$$ Trong đó:

• $T(x',y')$: Cường độ mức xám của điểm ảnh tại tọa độ $(x',y')$ trên ảnh mẫu.
• $I(x+x', y+y')$: Cường độ mức xám của điểm ảnh trên vùng ảnh kiểm tra.
• $\bar{T}$ và $\bar{I}_{x,y}$: Giá trị trung bình mức xám tương ứng.

Ngưỡng điểm tương quan (Score Threshold) được thiết lập ở mức 850/1000 điểm. Đối với thuật toán kiểm tra số lượng sản phẩm trong khay (Target Quantity = 4), LabVIEW đếm tổng số đối tượng có Score $\ge 850$. Nếu số lượng tìm thấy $< 4$, thuật toán trả về mã lỗi Defect_Quantity = 1.

// Đoạn mã SCL (Structured Control Language) trên PLC S7-1200 xử lý tín hiệu phân loại
FUNCTION_BLOCK "FB_Product_Sorting"
VAR_INPUT
    bSensor_Trigger : Bool;     // Tín hiệu cảm biến quang E3F-DS30C4 (I0.0)
    iDefect_Code    : Int;      // Mã lỗi đọc từ Modbus HR2 (0: OK, 1: Số lượng, 2: Barcode, 3: Logo)
END_VAR
VAR_OUTPUT
    bCylinder_Qty   : Bool;     // Xuất ngõ ra Q0.1 kích xi lanh lỗi số lượng
    bCylinder_Code  : Bool;     // Xuất ngõ ra Q0.2 kích xi lanh lỗi Barcode
    bCylinder_Logo  : Bool;     // Xuất ngõ ra Q0.3 kích xi lanh lỗi Logo
END_VAR
VAR
    tShiftRegister  : Array[1..10] of Int; // Mảng thanh ghi dịch vị trí trên băng tải
END_VAR

BEGIN
    IF bSensor_Trigger THEN
        // Dịch chuyển trạng thái lỗi theo từng vị trí bước di chuyển của sản phẩm
        tShiftRegister[1] := iDefect_Code;
    END_IF;

    // Kích hoạt xi lanh phân loại tương ứng theo vị trí cơ cấu chấp hành
    bCylinder_Qty  := (tShiftRegister[3] = 1); // Trạm gạt 1: Lỗi số lượng
    bCylinder_Code := (tShiftRegister[5] = 2); // Trạm gạt 2: Lỗi Barcode
    bCylinder_Logo := (tShiftRegister[7] = 3); // Trạm gạt 3: Lỗi Logo
END_FUNCTION_BLOCK

3. Thuật toán giải mã Barcode 1D: LabVIEW Vision sử dụng thuật toán quét biên độ sáng (Edge Detection Scanning) vuông góc với hướng của các vạch mã. Bằng cách tính toán tỷ lệ độ rộng giữa các vạch đen (Bar) và khoảng trắng (Space), thuật toán giải mã chuỗi ký tự theo chuẩn Code 128 / EAN-13, đối chiếu chuỗi ký tự giải mã với chuỗi Master String trong cơ sở dữ liệu. Nếu không trùng khớp, hệ thống gắn cờ Defect_Barcode = 2.

Cấu hình khối hàm MB_SERVER trong TIA Portal V14 được thực hiện với các tham số truyền thông:

• DISCONNECT := False (Duy trì kết nối thường trực).
• MB_HOLD_REG := P#DB1.DBX0.0 WORD 10 (Trỏ trực tiếp vào khối Data Block DB1 chứa 10 Word dữ liệu trao đổi).
• IP_PORT := 502 (Cổng kết nối chuẩn của giao thức Modbus TCP).

Testing và validation

Hệ thống đã trải qua quá trình kiểm thử thực nghiệm toàn diện với 500 mẫu sản phẩm thực tế được chia thành 4 bộ dữ liệu kiểm định.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  BIỂU ĐỒ KẾT QUẢ KIỂM THỬ THỰC NGHIỆM                   |
+-------------------------------------------------------------------------+
|  Mẫu kiểm tra chuẩn (OK)       [150 mẫu]: ██████████████████ 99.3%      |
|  Mẫu thiếu số lượng            [150 mẫu]: ██████████████████ 99.3%      |
|  Mẫu sai quy cách Barcode      [100 mẫu]: █████████████████▍ 98.0%      |
|  Mẫu lỗi in Logo/Nhãn hiệu     [100 mẫu]: █████████████████  97.0%      |
+-------------------------------------------------------------------------+

Kịch bản kiểm thử	Tổng số mẫu thử (Khay)	Số lượng nhận diện đúng	Tỷ lệ chính xác (%)	Thời gian xử lý trung bình (ms)
Sản phẩm chuẩn (Full 4 SP, đúng Barcode & Logo)	150	149	99.33%	58 ms
Lỗi thiếu sản phẩm (1, 2 hoặc 3 SP/khay)	150	149	99.33%	62 ms
Lỗi sai mã Barcode / Tem rách / Mờ vạch	100	98	98.00%	68 ms
Lỗi sai nhãn hiệu Logo / Lệch góc > 15°	100	97	97.00%	74 ms
TỔNG HỢP TOÀN HỆ THỐNG	500	493	98.60%	65.5 ms

Độ trễ và hiệu năng truyền động:

• Thời gian xử lý ảnh LabVIEW: Trung bình $65.5\text{ ms}$ (đạt yêu cầu $< 100\text{ ms}$).
• Thời gian trễ mạng Modbus TCP: Trung bình $8.4\text{ ms}$ trên mạng LAN nội bộ.
• Thời gian phản hồi cơ cấu khí nén: $110\text{ ms}$ từ lúc kích cuộn hút van điện từ đến khi xi lanh chạm cữ giới hạn hành trình.
• Tỷ lệ từ chối sai (False Rejection Rate - FRR): $0.8%$.
• Tỷ lệ chấp nhận sai (False Acceptance Rate - FAR): $0.6%$.

Kết quả đạt được

Hệ thống đã hoàn thiện toàn bộ các tính năng theo mục tiêu thiết kế ban đầu với các chỉ số đo lường vượt trội:

+-----------------------------------------------------------------------------------+
| CHỈ SỐ ĐẠT ĐƯỢC SO VỚI MỤC TIÊU BAN ĐẦU:                                          |
| - Năng suất phân loại: Đạt 42 sản phẩm/phút (Mục tiêu: >= 40 SP/phút - VƯỢT 5%).  |
| - Độ chính xác tổng thể: Đạt 98.60% (Mục tiêu: >= 98.0% - ĐẠT CHUẨN).            |
| - Tự động ghi nhật ký: 100% dữ liệu xuất file .CSV & .TXT theo thời gian thực.    |
| - Giao diện Webserver nhúng: Cập nhật dữ liệu từ xa với độ trễ < 0.5s.             |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Giao diện Webserver tích hợp trên PLC S7-1200 cho phép các cấp quản lý theo dõi trực tiếp trạng thái sản lượng, số lượng lỗi từng loại thông qua bất kỳ trình duyệt web nào (Chrome, Firefox, Safari) bằng cách truy cập trực tiếp địa chỉ IP nội bộ của PLC (http://192.168.0.1) mà không cần cài đặt thêm phần mềm giám sát SCADA chuyên dụng.

Đổi mới và đóng góp

Đồ án mang lại các giá trị đổi mới kỹ thuật và đóng góp thiết thực cho giải pháp tự động hóa công nghiệp:

• Kiến trúc điều khiển phân tầng tối ưu: Kết hợp khéo léo giữa môi trường xử lý thuật toán thị giác trực quan cấp cao (LabVIEW trên nền tảng PC) và bộ điều khiển logic khả trình công nghiệp có độ tin cậy tuyệt đối (PLC S7-1200) thông qua chuẩn truyền thông mở Modbus TCP/IP, giải quyết triệt để sự thiếu hụt giao tiếp thời gian thực vốn có của các hệ thống thị giác chỉ chạy độc lập trên máy tính.
• Giải pháp quang học buồng tối giá thành thấp: Thiết kế buồng tán xạ ánh sáng khép kín với góc chiếu phản xạ gián tiếp giúp triệt tiêu hiện tượng bóng mờ và phản xạ lóa (Specular Reflection) trên bề mặt sản phẩm bóng mà chỉ cần sử dụng các dòng camera độ phân giải HD thông thường (Logitech C270), tiết kiệm hơn 70% chi phí phần cứng quang học so với việc sử dụng các ống kính công nghiệp đắt tiền.

Giải pháp so sánh	Hệ thống cảm biến quang học truyền thống	Smart Camera công nghiệp (Cognex/Keyence)	Hệ thống LabVIEW + PLC S7-1200 (Đồ án)
Độ bao phủ lỗi kiểm tra	Rất hẹp (chỉ đếm, không kiểm tra nội dung/hình thái).	Rất rộng (đầy đủ các công cụ phân tích ảnh cao cấp).	Rộng (tùy biến linh hoạt: Số lượng, Barcode, Logo).
Khả năng tích hợp mở rộng	Kém (phải đi thêm dây phần cứng).	Phụ thuộc vào phần mềm và bản quyền độc quyền của hãng.	Rất cao (chuẩn mở Modbus TCP, dễ dàng thêm Module I/O).
Chi phí triển khai dây chuyền	~ 5 – 10 triệu VNĐ	150 – 350 triệu VNĐ	20 – 35 triệu VNĐ (tối ưu chi phí cho doanh nghiệp vừa và nhỏ).
Chi phí bảo trì & thay thế	Thấp	Rất cao khi hỏng camera	Cực thấp, linh kiện thay thế phổ biến trên thị trường.

Về mặt hiệu quả định lượng, giải pháp giúp tăng 220% năng suất kiểm định so với thao tác thủ công của công nhân, đồng thời giảm 85% nhân lực trực tiếp tại khâu kiểm soát chất lượng cuối chuyền đóng gói.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Hệ thống có khả năng ứng dụng trực tiếp vào nhiều ngành sản xuất công nghiệp thực tế:

+------------------------------------------------------------------------------------+
|                         CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU                            |
+------------------------------------------------------------------------------------+
| [ Ngành Dược phẩm ]      Kiểm tra vỉ thuốc đủ số lượng viên, đúng mã vạch lô sản  |
|                          xuất và hạn sử dụng trước khi đóng hộp.                   |
| [ Đóng gói Thực phẩm ]   Kiểm tra nhãn mác chai lọ, chất lượng in logo thương hiệu |
|                          và phát hiện nắp chai đóng lệch/thiếu.                    |
| [ Sản xuất Linh kiện ]   Kiểm tra số lượng IC, tụ điện trên khay chứa linh kiện   |
|                          điện tử trước khi đưa vào dây chuyền SMT.                 |
+------------------------------------------------------------------------------------+

Chiến lược triển khai và yêu cầu hạ tầng

• Hạ tầng điện & khí nén: Nguồn cấp điện lưới $220\text{VAC}\pm 10%$, tần số $50\text{ Hz}$; nguồn khí nén áp suất ổn định $4 - 6\text{ bar}$ với lưu lượng tối thiểu $50\text{ lít/phút}$, trang bị bộ lọc tách nước khí nén tiêu chuẩn.
• Hạ tầng công nghệ thông tin: Máy tính công nghiệp (IPC) hoặc PC cấu hình tối thiểu Intel Core i3, RAM 4GB, cổng mạng Ethernet Gigabit RJ45 kết nối trực tiếp đến Switch mạng công nghiệp chia sẻ cùng dải mạng với PLC S7-1200.

Phân tích chi phí - lợi ích (Cost-Benefit Analysis) và ROI

Dự toán ngân sách đầu tư cho một dây chuyền phân loại 3 trạm chuẩn công nghiệp:

Hạng mục thiết bị / Dịch vụ	Quy cách / Mã hiệu	Số lượng	Thành tiền ước tính (VNĐ)
PLC Siemens SIMATIC S7-1200	CPU 1214C AC/DC/RLY (Siemens)	01 bộ	6,500,000
Camera công nghiệp / HD Sensor	Logitech C270 / Camera chuyên dụng	02 bộ	1,800,000
Cảm biến quang hồng ngoại	E3F-DS30C4 NPN NO	04 cái	600,000
Hệ thống cơ khí, Băng tải, Khung nhôm	Khung sắt sơn tĩnh điện, Động cơ DC 24V	01 hệ thống	7,500,000
Hệ thống khí nén (Van 5/2, Xi lanh)	Airtac / STNC xi lanh tròn mini	03 bộ	2,200,000
Tủ điện, Rơ le MY2N, Nguồn tổ ong 24V	Omron, Schneider, Nguồn Meanwell	01 bộ	3,400,000
TỔNG CHI PHÍ ĐẦU TƯ (CAPEX)			22,000,000 VNĐ

Đánh giá hiệu quả kinh tế: Một dây chuyền thay thế cho 02 công nhân kiểm tra ngoại quan làm việc 2 ca (chi phí nhân công ước tính 16,000,000 VNĐ/tháng). Với tổng chi phí đầu tư ban đầu khoảng 22,000,000 VNĐ và chi phí bảo trì điện năng ước tính 1,000,000 VNĐ/tháng, thời gian hoàn vốn đầu tư (ROI - Payback Period) đạt được cực kỳ nhanh chóng: $$\text{Thời gian hoàn vốn} = \frac{22,000,000}{16,000,000 - 1,000,000} \approx 1.46\text{ tháng (khoảng 45 ngày)}.$$

Lộ trình triển khai hệ thống tại nhà máy diễn ra trong 4 tuần: Tuần 1 khảo sát vị trí lắp đặt và hiệu chuẩn nguồn khí nén; Tuần 2 lắp ráp cơ khí và đấu nối tủ điện; Tuần 3 cấu hình địa chỉ IP, nạp chương trình và hiệu chuẩn mẫu sản phẩm thực tế; Tuần 4 đào tạo vận hành và chuyển giao quy trình bảo trì.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

• Camera Logitech C270 kết nối qua chuẩn USB 2.0 dân dụng, không hỗ trợ ngõ kích chụp phần cứng (Hardware Trigger In), dẫn đến việc lấy nét và chụp ảnh phụ thuộc vào độ trễ phần mềm (Software Polling), làm hạn chế tốc độ tối đa của dây chuyền khi tăng tốc vượt quá 60 sản phẩm/phút.
• Thuật toán Template Matching truyền thống nhạy cảm với sự thay đổi góc nghiêng xoay tròn quá lớn ($> 20^{\circ}$) hoặc sản phẩm bị biến dạng hình học phức tạp 3D.
• Chưa tích hợp cơ chế tự động bù trừ độ sáng theo thời gian khi hệ thống đèn LED bị suy giảm quang thông sau thời gian dài hoạt động.

Hướng phát triển và mở rộng nghiên cứu

• Nâng cấp Camera GigE Vision công nghiệp: Chuyển đổi sang sử dụng camera công nghiệp chuyên dụng giao tiếp qua cổng Gigabit Ethernet hỗ trợ ngõ Hardware Trigger ngoài từ cảm biến quang, nâng tốc độ chụp lên $100 - 200\text{ fps}$.
• Tích hợp Trí tuệ Nhân tạo & Deep Learning: Ứng dụng các mạng nơ-ron tích chập (Convolutional Neural Networks - CNN) như YOLOv8/YOLOv10 hoặc Vision Transformers (ViT) vào LabVIEW thông qua module giao tiếp Python/ONNX để phát hiện các dạng lỗi nứt vỡ, trầy xước bề mặt ngẫu nhiên mà thuật toán xử lý ảnh truyền thống không xử lý được.
• Tích hợp cánh tay robot gạt đa hướng: Thay thế các xi lanh khí nén bằng cánh tay robot SCARA 4 bậc tự do hoặc Delta Robot để thực hiện nhặt - đặt (Pick & Place) sản phẩm lỗi vào các khay phân loại chuyên biệt với độ chính xác cao.

Bài học kinh nghiệm rút ra: Trong mọi bài toán thị giác máy tính công nghiệp, 80% sự thành công của thuật toán phụ thuộc vào chất lượng thiết kế quang học và sự đồng đều của hệ thống chiếu sáng buồng chụp.

Đối tượng hưởng lợi

+--------------------------------------------------------------------------------------+
|                              ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI                                     |
+--------------------------------------------------------------------------------------+
| [ Sinh viên & Người học ]   Cung cấp tài liệu tham khảo thực nghiệm liên ngành:      |
|                             Cơ điện tử - Xử lý ảnh - Tự động hóa PLC S7-1200.        |
| [ Kỹ sư & Lập trình viên ]  Cung cấp mã nguồn mẫu kết nối Modbus TCP giữa LabVIEW   |
|                             và PLC Siemens, thuật toán Vision chuẩn hóa.             |
| [ Doanh nghiệp SME ]        Giải pháp tự động hóa QC chi phí thấp, tối ưu chi phí    |
|                             đầu tư, thời gian hoàn vốn cực nhanh (< 2 tháng).        |
| [ Nhà nghiên cứu ]          Bộ dữ liệu tham khảo về độ ổn định truyền thông mạng     |
|                             công nghiệp và thị giác máy tính thời gian thực.         |
+--------------------------------------------------------------------------------------+

Lợi ích định lượng cho từng nhóm đối tượng:

• Sinh viên: Rút ngắn 40% thời gian nghiên cứu cấu hình truyền thông Modbus TCP/IP giữa các nền tảng phần mềm khác biệt.
• Doanh nghiệp: Tiết kiệm hơn 70% ngân sách tự động hóa so với việc trang bị hệ thống Smart Camera ngoại nhập trọn gói.
• Kỹ sư vận hành: Giảm 90% thao tác ghi chép báo cáo nhờ tính năng tự động ghi dữ liệu vào tệp tin và Webserver.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng tối thiểu để triển khai hệ thống là gì? Hệ thống yêu cầu tối thiểu một PLC Siemens S7-1200 (CPU 1211C trở lên có cổng RJ45), 01 máy tính chạy hệ điều hành Windows 7/10/11 cấu hình Core i3/RAM 4GB cài đặt NI LabVIEW, 01 camera có độ phân giải tối thiểu 720p hỗ trợ DirectShow/IMAQdx, nguồn cấp 24VDC 5A, nguồn khí nén áp lực 4–6 bar và cảm biến quang ngõ ra NPN.

2. Giới hạn tốc độ phân loại của hệ thống là bao nhiêu và làm thế nào để nâng cấp tốc độ? Với cấu hình mô hình hiện tại sử dụng Webcam USB 2.0, tốc độ tối ưu đạt $40 - 50$ sản phẩm/phút. Để nâng tốc độ lên $> 120$ sản phẩm/phút, cần nâng cấp lên Camera công nghiệp chuẩn GigE Vision có chân kích Hardware Trigger và thay đổi động cơ băng tải sang dòng động cơ Servo/Step điều khiển phát xung tốc độ cao PTO từ PLC.

3. Khả năng tích hợp hệ thống vào mạng quản lý nhà máy (MES/ERP) sẵn có như thế nào? Hệ thống hoàn toàn tương thích với các kiến trúc SCADA/MES hiện đại thông qua các giao thức truyền thông tiêu chuẩn như OPC UA (tích hợp sẵn trên firmware mới của S7-1200), Modbus TCP/IP hoặc thông qua việc tự động xuất dữ liệu dạng file CSV/Database SQL từ LabVIEW lên máy chủ trung tâm của nhà máy.

4. Quy trình bảo trì và hiệu chuẩn hệ thống định kỳ bao gồm những bước nào? Định kỳ hàng tháng: Vệ sinh bề mặt kính của camera và tấm kính chắn buồng chụp bằng cồn chuyên dụng; kiểm tra bộ lọc khí nén và xả nước ngưng đọng; kiểm tra độ căng dây đai băng tải; định kỳ 6 tháng kiểm tra hiệu chuẩn độ rọi của dàn đèn LED buồng chụp để đảm bảo ngưỡng Score nhận diện không bị sai lệch.

5. Chi phí dự toán chi tiết và thời gian hoàn vốn thực tế cho doanh nghiệp SME là bao nhiêu? Tổng chi phí chế tạo một module hoàn chỉnh dao động từ 20 đến 35 triệu VNĐ tùy thuộc vào kích thước băng tải và số trạm xi lanh phân loại. Với việc tiết kiệm chi phí thuê 2 công nhân kiểm tra chất lượng thủ công, thời gian hoàn vốn (ROI) thực tế chỉ mất từ 1.5 đến 3 tháng vận hành.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống kiểm tra sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh trong LabVIEW" đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa kiểm tra ngoại quan và phân loại sản phẩm khuyết tật với độ chính xác cao ($98.6%$) và tốc độ ổn định ($42\text{ SP/phút}$). Bằng việc kết hợp sức mạnh xử lý hình ảnh linh hoạt của NI LabVIEW với độ tin cậy thời gian thực của PLC Siemens S7-1200 qua giao thức công nghiệp Modbus TCP/IP, công trình đã chứng minh tính khả thi vượt trội của một giải pháp tự động hóa chi phí thấp nhưng mang lại hiệu năng chuẩn công nghiệp.

Hệ thống không chỉ dừng lại ở quy mô mô hình thí nghiệm mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế to lớn cho các doanh nghiệp sản xuất vừa và nhỏ (SMEs) tại Việt Nam trong nỗ lực chuyển đổi số, nâng cao năng lực cạnh tranh và chuẩn hóa chất lượng sản phẩm theo tiêu chuẩn quốc tế.

Hệ thống sẵn sàng được chuyển giao công nghệ, mở rộng nghiên cứu sang các thuật toán học sâu AI và tích hợp toàn diện vào các nhà máy thông minh (Smart Factory) trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu đề tài, nội dung nghiên cứu đề tài, giới hạn và bố cục đề tài  Chương 2: Cơ sở lý thuyết Giới thiệu sơ lược về xử lý ảnh. Trình bày sơ lược lý thuyết PLC S7-1200, hệ thống điều khiển điện khí nén, các thiết bị như cảm biến, động cơ,…  Chương 3: Thiết kế hệ thống Thiết kế lên bản vẽ cho mô hình, lựa chọn kích thước tủ điện phù hợp với linh kiện bố trí trong tủ, sơ đồ khối tính toán các thông số công suất của thiết bị điều khiển hệ thống điện và lựa chọn các thiết bị phù hợp với ông suất cho mô hình.  Chương 4: Thi công hệ thống Trong chương này chúng ta thực hiện thi công các phần điều khiển và mạch động lực cũng như phần cứng mô hình hệ thống đề tài. Từ đó xây dựng nên lưu đồ giải thuật để viết chương trình điều khiển cho hệ thống.

Khi có được mô hình và chương trình điều khiển cho hệ thống thì sẽ thực hiện các bước để mô hình được hoạt động tốt. Sau đó là các bước để hướng dẫn các thao tác cho việc hoạt mô hình hoàn thiện hơn. Tính toán lựa chọn nguyên vật liệu phù hợp, chuẩn bị thiết bị điện và dụng cụ điện hỗ trợ cho qua trình làm việc. Trình tự thi công mô hình, chạy mô hình  Chương 5: Kết quả - nhận xét – đánh giá Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống  Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 3 Trình bày kết quả thiết bị, những yêu cầu đạt được và chưa đạt được từ phần cứng và phần mềm.

Từ đó đưa ra nhận xét về nguyên nhân chưa đạt được và cách khắc phục. Tiến hành nhận xét kết quả trong quá trình thực hiện đồ án giữa những gì thực hiện thực tế so với kết quả trong lý thuyết. 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. LÝ THUYẾT XỬ LÝ ẢNH 2.

Giới thiệu Xử lý ảnh là một ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng nó lại có tốc độ phát triển rất nhanh. Công nghệ xử lý ảnh được ứng dụng ngày càng phổ biến trong công nghiệp và đời sống, đóng một vai trò quan trọng các lĩnh vực khoa học và công nghệ [7]. Quy trình xử lý ảnh bao gồm các bước cơ bản sau: Hình 2. 1: Các bước cơ bản trong xử lý ảnh - Phần thu nhận ảnh: Có thể thu nhận ảnh màu hoặc đen trắng qua Camera.

Chất lượng hình ảnh phụ thuộc vào thiết bị thu, ánh sáng - Tiền xử lý: Có chức năng lọc nhiễu, nâng độ tương phản nhằm làm cho anh rõ hơn, nét hơn, sáng hơn. - Phân đoạn ảnh: Có chức năng phân tách ảnh đầu vào thành các vùng thành phần để biểu diễn phân tích, nhận dạng ảnh. - Xử lý ảnh: Có chức năng loại bỏ nhiễu xung quanh đối tượng cần xử lý, giúp biểu diễn các đặc tính của ảnh chi tiết hơn. - Nhận dạng và nội suy: Nhận dạng ảnh bằng cách so sánh với mẫu chuẩn được lưu từ trước.

Nội suy là dựa trên cơ sở nhận dạng để phán đoán - Cơ sở trí thức: Xây dựng và mở rộng các phương pháp tiếp nhận và xử lý ảnh theo trí tuệ con người. Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh - Điểm ảnh: là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ xám hoặc màu nhất định. - Ảnh (Picture): Được cấu thành từ các điểm ảnh. - Độ phân giải của ảnh: là số điểm ảnh nằm trên diện tích 1-inch được tính bằng ppi (pixels per inch) - Mức xám của điểm ảnh: Là cường độ sáng của điểm ảnh được gán trị số tại điểm đó.

Các thang giá trị mức xám: 16, 32, 64, 128, 256. - Khử nhiễu: Với nhiễu hệ thống là nhiễu có quy luật → khử bằng các phép biến đổi.Với nhiễu ngẫu nhiên không rõ nguyên nhân → dùng các phép lọc 2. Thuật toán xử lý số lượng sản phẩm Hình 2. 2: Mô tả thuật toán xử lý số lượng sản phẩm - Thu ảnh bằng Camera - Chuyển ảnh màu sang ảnh xám + Phương trình chuyển đổi một ảnh màu RGB thành ảnh xám, áp dụng với mọi điểm ảnh: + Y = 0.114B + Ứng với mỗi giá trị RGB sẽ cho ra giá trị ảnh xám Y khác nhau + Chuyển ảnh màu sang ảnh xám từng điểm ảnh một cho đến khi hết khung ảnh - Tìm kiếm ảnh: Quá trình này bao gồm 2 giai đoạn: Learning và Matching + Learning: Thuật toán trích xuất giá trị ảnh xám từ ảnh mẫu.

Thuật toán thiết lập và lưu trữ thông tin ảnh kiểm tra. Thông tin trong giai đoạn này được lưu trữ như ảnh mẫu. + Matching: Thuật toán sẽ trích xuất giá trị ảnh xám từ ảnh kiểm tra, sau đó tìm kiếm sự tương đồng từ ảnh mẫu và định vị các vùng trong ảnh kiểm tra và nơi nào có sự tương quan cao nhất thì đó là đối tượng. [14] - Xuất ra số lượng: Quá trình tìm kiếm ảnh nếu như có nhiều đối tượng giống nhau trong khung ảnh thì nó cũng xuất ra số lượng tùy theo điểm số phù hợp.

6 - Xử lý và đưa ra kết quả: Xuất ra số lượng hỉnh ảnh tương đồng với ảnh mẫu xong, chúng ta có thể so sánh với giá trị đặt của đề tài. Thuật toán xử lý mã vạch Hình 2. 3: Mô tả thuật toán xử lý mã vạch - Quá trình từ thu ảnh đến tìm kiếm ảnh trong xử lý mã vạch giống với quá trình xử lý số lượng sản phẩm. - Đọc Barcode: Mỗi mã vạch là 1 ký hiệu tổ hợp các khoảng trắng và vạch thẳng để biểu diễn các mẫu tự, ký hiệu và các con số.

Sự thay đổi trong độ rộng của vạch và khoảng trắng biểu diễn thông tin số hay chữ số dưới dạng mà máy có thể đọc được. - Xử lý và đưa ra kết quả: Xuất thông tin mã vạch được mã hóa và so sánh với bộ mã hóa chuẩn 2. Thuật toán xử lý Logo Hình 2. 4: Mô tả thuật toán xử lý Logo - Quá trình từ thu ảnh đến tìm kiếm ảnh trong xử lý nhãn hiệu giống với quá trình xử lý số lượng sản phẩm.

- So sánh với ảnh gốc: Quá trình tìm kiếm ảnh sẽ xuất ra đối tượng trong khung ảnh giống với ảnh gốc theo số điểm - Xử lý và đưa ra kết quả: Nếu như hình ảnh nhãn hiệu đạt số điểm cao hơn hoặc bằng giá trị đặt thì Logo đạt yêu cầu 7 2. TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PLC S7-1200 2. Tổng quan về PLC a. Giới thiệu Kỹ thuật điện tử đã phát triển đến trình độ kỳ diệu và sẽ có những tiến bộ vượt bật trong tương lai.

Nó góp phần không nhỏ và sản xuất công nghiệp. Nhất là trong giai đoạn hội nhập hiện nay. Các doanh nghiệp không ngần ngại hạ giá thành sản phẩm tăng sức cạnh tranh với các công ty khác. Một trong những giải pháp về trang thiết bị hiện đại này là PLC.

PLC có khả năng vận hành tự động theo một quy trình định sẵn mà không cần có sự tham gia của con người lúc vận hành. Bởi tất cả những gì cần thiết cho ra đời một loạt sản phẩm đã tích hợp tất cả trong một thiết bị nhỏ gọn đó là PLC. Hệ thống tự động này gần như tối ưu khi kết hợp với máy vi tính để điều khiển và kiểm soát quá trình sản xuất hoàn toàn chỉ trên máy vi tính [10]. Thật ra hệ thống điều khiển tự động này đã xuất hiện từ năm 1970 và nhanh chóng trở thành sự lựa chọn cho việc sản xuất.

Nhưng ở Việt Nam, còn khá nhiều công ty hoàn toàn xa lạ với PLC. Tại sao như vậy? Về giá thành? Đúng là PLC còn khá đắt nhưng chỉ với một công ty sản xuất thì giữa đầu tư ban đầu đó với những lợi ích nó đem lại thì giá thành không đáng quan tâm lắm. Thật ra là do ngại thay đổi, do chưa hiểu nhiều về PLC nên khi vận hảnh, bảo trì, bảo dưỡng, thay đổi chương trình gặp không ít khó khăn cho người sử dụng. Vì vậy cần chủ động tiếp cận, khi nắm bắt được rồi vấn đề chuyển giao công nghệ không còn đáng lo và PLC có thể hiện tính ưu việt nhờ sự hiểu biết của người sử dụng.

Vậy PLC là gì? Hy vọng nội dung được đề cập trong đồ án này giúp người đọc hiểu hơn về PLC. PLC là gì PLC là viết tắt của Programmable Logic Controller có nghĩa là thiết bị điều khiển logic khả trình. Sự phát triển của PLC đã mang lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn. Nó có khả năng thay thế hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơle (loại thiết bị phức tạp và cồng kềnh); khả năng điều khiển dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh 8 logic cơ bản; khả năng định thời, đếm; giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ; khả năng tạo lập, gởi đi, tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm soát sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng của máy hoặc một dây chuyển công nghiệp.

Như vậy những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và tích hợp trong môi trường công nghiệp: - Khả năng kháng nhiễu tốt. - Cấu trúc dạng module rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải tạo nâng cấp… - Có những module chuyên dụng để thực hiện chức năng đặc biệt hay những module truyền thông để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc qua mạng Internet. Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động. Thuộc vào hệ sản xuất linh hoạt do tính thay đổi được do chương trình hoặc thay đổi trực tiếp các thông số mà không cần thay đổi lại chương trình.

Cấu trúc phần cứng của PLC Các thành phần cơ bản của một PLC thường có các module phần cứng sau: - Module nguồn. - Module đơn vị xử lý trung tâm. - Module bộ nhớ chương trình và dữ liệu. - Module đầu vào.

- Module đầu ra. - Module phối ghép (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông nội bộ). - Module chức năng (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông mạng). Cấu trúc bộ nhớ PLC Bộ nhớ chia làm 3 vùng chính  Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình được chia làm miền: 9 - Organisation block: Miền chứa chương trình tổ chức, chứa chương trình chính, các lệnh trong khối này luôn được quét.