Đồ án tốt nghiệp: Phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng PLC S7-1200 - Nguyễn Quốc Nghĩa

Đồ án tốt nghiệp: Phân loại sản phẩm theo màu sắc với PLC S7-1200. Tìm hiểu giải pháp tự động hóa hiệu quả, ứng dụng trong sản xuất công nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Quốc Nghĩa
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Khánh Thoại
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kĩ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Phân Loại Sản Phẩm Theo Màu Sắc Sử Dụng PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN
• NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN
• TÓM TẮT
• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
• LỜI NÓI ĐẦU
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
• 2.2. NGUYÊN TẮC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
• 2.2.1. PHÂN LOẠI THEO KÍCH THƯỚC
• 2.2.2. PHÂN LOẠI THEO MÀU SẮC
• 2.2.3. PHÂN LOẠI THEO KHỐI LƯỢNG
• 2.3. TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PLC S7-1200
• 2.3.1. TỔNG QUAN VỀ PLC
• 2.3.1.1. GIỚI THIỆU
• 2.3.1.2. PLC LÀ GÌ
• 2.3.1.3. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG PLC
• 2.3.1.4. CẤU TRÚC BỘ NHỚ PLC
• 2.3.1.4.1. VÙNG CHỨA CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG
• 2.3.1.4.2. VÙNG CHỨA THAM SỐ CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH
• 2.3.1.4.3. VÙNG DỮ LIỆU
• 2.3.1.5. XỬ LÝ CHƯƠNG TRÌNH
• 2.3.1.6. CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH
• 2.3.2. GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200
• 2.4. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ARDUINO
• 2.4.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ARDUINO UNO R3
• 2.5. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN - KHÍ NÉN
• 2.5.1. NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN
• 2.5.2. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG KHÍ NÉN
• 2.6. GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN MÀU SẮC TCS3200
• 2.6.1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN MÀU CỦA LINH KIỆN ĐIỆN TỬ TCS3200
• 2.6.2. ARDUINO GIAO TIẾP VỚI CẢM BIẾN MÀU SẮC TCS3200
• 2.7. GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN VẬT CẢN HỒNG NGOẠI
• 2.7.1. CẢM BIẾN VẬT CẢN HỒNG NGOẠI E3F-DS30C1
• 2.8. MỘT SỐ LINH KIỆN KHÁC
• 2.8.1. ĐỘNG CƠ DC BĂNG TẢI
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHỌN THIẾT BỊ
• 3.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
• 3.1.1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG
• 3.1.2. CHỨC NĂNG TOÀN PHẦN
• 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.2.1. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
• 3.2.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CÁC KHỐI
• 3.3. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG
• 4. CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH PHẦN MỀM HỆ THỐNG
• 4.1. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CỦA CHƯƠNG TRÌNH
• 4.1.1. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH
• 4.1.2. LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHO KHỐI NHẬN BIẾT MÀU SẮC
• 4.1.3. BẢNG PHÂN CÔNG ĐẦU VÀO VÀ ĐẦU RA
• 4.1.4. GIẢN ĐỒ THỜI GIAN
• 4.2. PHẦN MỀM LẬP TRÌNH
• 4.2.1. PHẦN MỀM LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN (ARDUINO UNO R3)
• 4.2.2. PHẦN MỀM LẬP TRÌNH CHO PLC
• 4.3. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.3.1. NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ
• 4.3.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hướng dẫn tổng quan đồ án phân loại sản phẩm PLC S7 1200

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, tự động hóa dây chuyền sản xuất đã trở thành một giải pháp tất yếu giúp doanh nghiệp nâng cao năng suất, giảm chi phí và tăng cường khả năng cạnh tranh. Một trong những khâu quan trọng nhất là phân loại sản phẩm, đòi hỏi độ chính xác và tốc độ cao. Đồ án Phân loại sản phẩm theo màu sắc PLC S7-1200 ra đời nhằm giải quyết bài toán này, ứng dụng công nghệ điều khiển logic khả trình để tự động hóa hoàn toàn quy trình nhận diện và phân tách sản phẩm dựa trên màu sắc. Hệ thống này sử dụng bộ điều khiển trung tâm là PLC S7-1200 của Siemens, một thiết bị mạnh mẽ, linh hoạt và được tin dùng trong công nghiệp. Thay vì các phương pháp thủ công dễ sai sót và tốn kém nhân công, mô hình này tích hợp các công nghệ tiên tiến như cảm biến quang học, vi điều khiển và cơ cấu chấp hành khí nén. Toàn bộ quy trình, từ việc phát hiện sản phẩm, nhận dạng màu sắc, xử lý tín hiệu đến việc điều khiển cơ cấu phân loại, đều được tự động hóa. Đồ án này không chỉ là một bài tập kỹ thuật mà còn là một minh chứng cho tiềm năng ứng dụng của tự động hóa trong việc tối ưu hóa các dây chuyền sản xuất thực tế. Nó thể hiện sự kết hợp hài hòa giữa lý thuyết điều khiển, kỹ thuật lập trình và thiết kế cơ khí, tạo ra một giải pháp hoàn chỉnh và hiệu quả cho bài toán phân loại sản phẩm theo màu sắc.

1.1. Tầm quan trọng của tự động hóa trong sản xuất hiện đại

Tự động hóa đóng vai trò then chốt trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0. Việc áp dụng các hệ thống tự động giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người, từ đó loại bỏ các sai sót chủ quan, tăng độ chính xác và đồng nhất của sản phẩm. Trong lĩnh vực sản xuất hàng loạt, việc phân loại thủ công không chỉ chậm mà còn đòi hỏi chi phí nhân công lớn. Một hệ thống phân loại tự động có thể hoạt động liên tục 24/7 với hiệu suất ổn định, giúp doanh nghiệp đáp ứng nhanh chóng các đơn hàng lớn và yêu cầu khắt khe của thị trường. Hơn nữa, theo tài liệu gốc, "quá trình sản xuất càng tự động hóa thì năng suất càng cao, giảm chi phí, tăng khả năng cạnh tranh của doanh nghiệp". Điều này khẳng định tự động hóa không chỉ là một cải tiến công nghệ mà còn là một chiến lược kinh doanh sống còn.

1.2. Mục tiêu và giới hạn của mô hình phân loại màu sắc

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và thi công thành công một mô hình có khả năng phân loại sản phẩm dựa trên ba màu cơ bản: Đỏ, Vàng, và Xanh. Hệ thống phải đảm bảo hoạt động ổn định, chính xác và dễ dàng vận hành. Cụ thể, mô hình cần tích hợp và lập trình thành công PLC S7-1200 để điều khiển toàn bộ quá trình, kết hợp với Arduino Uno R3 để xử lý tín hiệu từ cảm biến màu TCS3200. Tuy nhiên, đồ án cũng xác định rõ các giới hạn. Đây là một mô hình quy mô nhỏ, chủ yếu phục vụ mục đích nghiên cứu và chứng minh khái niệm. Tốc độ phân loại của hệ thống chưa được tối ưu hóa cho các dây chuyền công nghiệp tốc độ cao. Phạm vi phân loại chỉ giới hạn ở ba màu sắc đã định trước, và hệ thống chưa được trang bị các thuật toán xử lý hình ảnh phức tạp để nhận diện các màu sắc hoặc vật thể có hình dạng đa dạng hơn.

II. Phân tích nền tảng công nghệ hệ thống phân loại PLC S7 1200

Để xây dựng thành công một hệ thống Phân loại sản phẩm theo màu sắc PLC S7-1200, việc nắm vững cơ sở lý thuyết và công nghệ của từng thành phần là cực kỳ quan trọng. Nền tảng của hệ thống này là sự kết hợp của ba khối công nghệ chính: bộ điều khiển logic, hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành. Trung tâm điều khiển là PLC S7-1200, một thiết bị chuyên dụng cho các ứng dụng tự động hóa công nghiệp. Nó có khả năng kháng nhiễu tốt, cấu trúc module linh hoạt và hỗ trợ lập trình trên nền tảng TIA Portal mạnh mẽ. "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". Khối cảm biến, được ví như "giác quan" của hệ thống, bao gồm cảm biến màu TCS3200 để nhận diện màu sắc và cảm biến hồng ngoại để phát hiện vị trí sản phẩm. Cuối cùng, khối chấp hành sử dụng hệ thống điện - khí nén, bao gồm các xi lanh và van điện từ, để thực hiện hành động phân loại vật lý. Sự phối hợp nhịp nhàng giữa các khối công nghệ này, được điều khiển bởi chương trình logic trong PLC, tạo nên một dây chuyền phân loại sản phẩm tự động hoàn chỉnh và hiệu quả.

2.1. Vai trò của bộ điều khiển PLC S7 1200 trong hệ thống

PLC S7-1200, cụ thể là CPU 1214C DC/DC/DC, đóng vai trò là bộ não trung tâm, chịu trách nhiệm nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý thông tin và ra quyết định điều khiển các cơ cấu chấp hành. Nó nhận tín hiệu đầu vào từ khối xử lý màu (qua các relay) và từ các cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C1. Dựa trên chương trình đã được nạp sẵn thông qua phần mềm TIA Portal, PLC sẽ xác định màu sắc của sản phẩm và vị trí của nó trên băng tải. Từ đó, nó xuất tín hiệu đầu ra để kích hoạt các cuộn dây của van điện từ, điều khiển xi lanh khí nén đẩy sản phẩm vào đúng vị trí. Ưu điểm của PLC trong môi trường công nghiệp là độ tin cậy cao, khả năng làm việc bền bỉ và dễ dàng mở rộng, nâng cấp.

2.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến màu sắc TCS3200

Cảm biến màu TCS3200 là thành phần cốt lõi cho việc nhận dạng màu sắc. Cấu tạo của nó bao gồm một ma trận 8x8 các photodiode, trong đó 16 diode được trang bị bộ lọc màu đỏ (Red), 16 cho màu xanh lá (Green), 16 cho màu xanh dương (Blue) và 16 không có bộ lọc (Clear). Nguyên lý hoạt động dựa trên việc chiếu ánh sáng vào vật thể và đo cường độ ánh sáng phản xạ qua từng bộ lọc màu. Cường độ ánh sáng này được chuyển đổi thành một tín hiệu xung có tần số tương ứng. Bằng cách đo tần số xung của ba kênh màu R, G, B, vi điều khiển Arduino Uno R3 có thể xác định được màu sắc chính xác của vật thể. Arduino sau đó sẽ xử lý dữ liệu thô này và gửi một tín hiệu đơn giản (ví dụ: mức cao/thấp trên các chân đầu ra khác nhau) đến PLC, thông báo về màu sắc đã được phát hiện.

2.3. Cơ cấu chấp hành Hệ thống điều khiển điện khí nén

Sau khi PLC ra quyết định phân loại, hành động vật lý được thực hiện bởi hệ thống khí nén. Hệ thống này bao gồm các xi lanh khí nén MAL 16X100 và van điện từ 5/2. Khi PLC xuất tín hiệu điện áp 24VDC đến cuộn dây của van điện từ tương ứng, van sẽ thay đổi trạng thái, cho phép dòng khí nén đi vào xi lanh. Áp suất khí nén đẩy piston của xi lanh di chuyển, thực hiện động tác gạt sản phẩm ra khỏi băng tải. Tín hiệu từ PLC được truyền qua các rơ le trung gian để cách ly và bảo vệ các cổng ra của PLC. Sử dụng khí nén làm cơ cấu chấp hành có ưu điểm là tốc độ phản ứng nhanh, lực đẩy mạnh và cấu trúc đơn giản, rất phù hợp cho các ứng dụng gạt, đẩy trong dây chuyền sản xuất.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống phân loại màu sắc PLC S7 1200

Quá trình thiết kế một hệ thống Phân loại sản phẩm theo màu sắc PLC S7-1200 đòi hỏi một phương pháp luận chặt chẽ, đi từ tổng quan đến chi tiết. Giai đoạn đầu tiên là xây dựng sơ đồ khối chức năng, xác định rõ vai trò và mối liên kết giữa các thành phần chính: Khối nguồn, Khối cảm biến, Khối xử lý trung tâm, và Khối chấp hành. Dựa trên sơ đồ khối, việc lựa chọn thiết bị cụ thể được tiến hành. Tài liệu nghiên cứu cho thấy việc lựa chọn PLC S7-1200 CPU 1214C là phù hợp do có đủ số lượng ngõ vào/ra và hiệu năng mạnh mẽ. Cảm biến TCS3200 kết hợp Arduino Uno R3 được chọn để xử lý màu sắc nhờ chi phí hợp lý và cộng đồng hỗ trợ lớn. Sau khi chọn được phần cứng, bước tiếp theo là thiết kế sơ đồ nguyên lý đấu nối điện. Sơ đồ này chi tiết hóa cách kết nối dây giữa PLC, cảm biến, Arduino, rơ le, động cơ, và các van điện từ. Việc thiết kế phải đảm bảo an toàn, đúng kỹ thuật và tối ưu hóa đường đi của tín hiệu để tránh nhiễu. Toàn bộ quá trình thiết kế này là nền tảng vững chắc để chuyển sang giai đoạn lập trình và thi công mô hình phân loại sản phẩm.

3.1. Sơ đồ khối tổng thể và nguyên lý vận hành của mô hình

Sơ đồ khối của hệ thống được thiết kế theo một luồng xử lý logic. Sản phẩm được đặt lên băng tải và di chuyển. Cảm biến hồng ngoại thứ nhất phát hiện sản phẩm và báo cho PLC. Khi sản phẩm đi đến vị trí của cảm biến màu TCS3200, Arduino sẽ đọc và xử lý màu, sau đó gửi tín hiệu về các ngõ vào của PLC. PLC ghi nhớ màu sắc này. Khi sản phẩm tiếp tục di chuyển và được phát hiện bởi các cảm biến hồng ngoại đặt tại vị trí các xi lanh, PLC sẽ đối chiếu màu sắc đã ghi nhớ và kích hoạt xi lanh khí nén tương ứng để đẩy sản phẩm ra. Động cơ băng tải chạy liên tục cho đến khi có lệnh dừng. Nguyên lý vận hành này đảm bảo mỗi sản phẩm được nhận diện và phân loại một cách tuần tự và chính xác.

3.2. Lựa chọn và kết nối phần cứng PLC cảm biến Arduino

Việc lựa chọn phần cứng là yếu tố quyết định hiệu năng và chi phí của hệ thống. PLC S7-1200 CPU 1214C được chọn vì cung cấp 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, đủ cho nhu cầu của mô hình và có khả năng mở rộng trong tương lai. Arduino Uno R3 được chọn làm bộ xử lý phụ cho cảm biến màu vì khả năng đọc tần số xung hiệu quả và lập trình đơn giản. Cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C1 (loại NPN) được sử dụng để phát hiện vật cản với khoảng cách có thể điều chỉnh. Các van điện từ 5/2 một cuộn coil và rơ le trung gian 24VDC được chọn để điều khiển hệ thống khí nén. Các kết nối được thực hiện cẩn thận: ngõ ra của Arduino được nối với rơ le, tiếp điểm rơ le nối với ngõ vào PLC; ngõ ra PLC nối với rơ le khác để điều khiển van điện từ.

IV. Hướng dẫn lập trình PLC S7 1200 phân loại sản phẩm màu sắc

Lập trình là linh hồn của hệ thống Phân loại sản phẩm theo màu sắc PLC S7-1200, biến các thiết kế phần cứng thành một cỗ máy hoạt động thông minh. Quá trình lập trình được chia thành hai phần chính: lập trình cho vi điều khiển Arduino và lập trình cho PLC. Đối với Arduino, chương trình được viết bằng ngôn ngữ C/C++ trên phần mềm Arduino IDE. Nhiệm vụ của nó là đọc tần số từ ba kênh màu của cảm biến TCS3200, hiệu chỉnh và so sánh các giá trị này để xác định màu sắc (Đỏ, Vàng, Xanh), sau đó xuất tín hiệu tương ứng ra các chân digital. Phần quan trọng hơn là lập trình PLC S7-1200 trên phần mềm TIA Portal. Chương trình PLC được xây dựng dựa trên lưu đồ thuật toán đã thiết kế, sử dụng ngôn ngữ lập trình Ladder (LAD) hoặc Function Block Diagram (FBD). Logic chương trình phải xử lý các tín hiệu vào từ Arduino và cảm biến hồng ngoại, quản lý trạng thái hệ thống, điều khiển tuần tự động cơ băng tải và các xi lanh khí nén. Việc lập trình đòi hỏi sự chính xác cao trong việc sử dụng các timer, counter và các biến cờ (memory bit) để đảm bảo hệ thống phân loại sản phẩm vận hành đúng chu trình và không xảy ra xung đột.

4.1. Xây dựng lưu đồ thuật toán cho chương trình điều khiển

Trước khi viết code, việc xây dựng lưu đồ thuật toán là bước không thể thiếu. Lưu đồ mô tả trực quan luồng hoạt động của hệ thống. Bắt đầu với khối khởi tạo, hệ thống chờ lệnh START. Khi được kích hoạt, băng tải bắt đầu chạy. Chương trình đi vào một vòng lặp chính: kiểm tra cảm biến phát hiện sản phẩm. Nếu có sản phẩm, đọc tín hiệu màu từ Arduino và lưu vào một biến tạm. Tiếp theo, chương trình liên tục kiểm tra các cảm biến vị trí phân loại. Khi sản phẩm đến đúng vị trí của màu đã xác định, chương trình sẽ kích hoạt xi lanh tương ứng trong một khoảng thời gian nhất định (sử dụng timer), sau đó reset trạng thái và chờ sản phẩm tiếp theo. Lưu đồ cũng bao gồm các nhánh xử lý cho nút STOP và dừng khẩn cấp, đảm bảo an toàn vận hành.

4.2. Lập trình cho Arduino Uno R3 xử lý tín hiệu màu

Chương trình trên Arduino Uno R3 có chức năng chính là chuyển đổi dữ liệu phức tạp từ cảm biến thành tín hiệu đơn giản cho PLC. Trong hàm setup(), các chân I/O được cấu hình (các chân S0-S3 của cảm biến là OUTPUT, chân nhận tần số là INPUT). Trong hàm loop(), chương trình lần lượt chọn kênh màu đỏ, xanh lá, xanh dương bằng cách gửi tín hiệu đến chân S2, S3. Với mỗi kênh, nó sử dụng hàm pulseIn() để đo độ rộng xung, từ đó tính ra tần số. Các giá trị tần số này sau đó được so sánh với các ngưỡng đã được hiệu chỉnh trước để xác định màu sắc. Ví dụ, nếu tần số kênh Đỏ thấp nhất, vật thể có màu đỏ. Khi đã xác định được màu, Arduino sẽ bật một chân đầu ra cụ thể (ví dụ: chân 5 cho màu Đỏ, chân 6 cho màu Vàng) để báo cho PLC S7-1200.

4.3. Lập trình cho PLC S7 1200 trên phần mềm TIA Portal

Lập trình trên TIA Portal cho PLC S7-1200 là trung tâm của logic điều khiển. Chương trình được tổ chức trong các khối OB (Organization Block), FC (Function), và DB (Data Block). Khối OB1 chứa chương trình chính, được quét liên tục. Logic cơ bản bao gồm: một network để khởi động/dừng băng tải dựa trên nút nhấn START/STOP. Các network khác sẽ theo dõi các ngõ vào tương ứng với tín hiệu màu từ Arduino. Khi một tín hiệu màu được kích hoạt (ví dụ I0.0 cho màu Đỏ), một bit nhớ (ví dụ M0.0) sẽ được SET. Đồng thời, chương trình theo dõi tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại tại vị trí xi lanh đỏ (ví dụ I0.3). Khi cả M0.0 và I0.3 cùng lên mức 1, ngõ ra điều khiển xi lanh đỏ (ví dụ Q0.0) sẽ được kích hoạt. Một bộ định thời (Timer) sẽ được sử dụng để giữ xi lanh đẩy ra trong một khoảng thời gian rồi tự động co về, và bit nhớ M0.0 sẽ được RESET.

V. Đánh giá kết quả và ứng dụng thực tiễn của mô hình PLC

Sau quá trình thiết kế và lập trình, mô hình Phân loại sản phẩm theo màu sắc PLC S7-1200 đã được thi công và vận hành thử nghiệm. Kết quả thực tế cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng đúng các mục tiêu đề ra. Các sản phẩm với ba màu Đỏ, Vàng, Xanh được đặt lên băng tải và được phân loại chính xác vào các vị trí tương ứng. Giao diện điều khiển đơn giản, cho phép người dùng khởi động, dừng hệ thống một cách dễ dàng. Tốc độ phản hồi của hệ thống khí nén nhanh, đảm bảo sản phẩm được gạt ra khỏi băng tải một cách dứt khoát. Mô hình này là một minh chứng rõ ràng về khả năng ứng dụng PLC S7-1200 trong các bài toán điều khiển tuần tự. Mặc dù còn một số hạn chế về tốc độ và quy mô, nhưng giải pháp công nghệ được trình bày trong đồ án có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Nó có thể được cải tiến và mở rộng để triển khai trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm, dược phẩm, linh kiện điện tử, hoặc bất kỳ ngành công nghiệp nào có yêu cầu phân loại sản phẩm tự động dựa trên các thuộc tính vật lý như màu sắc.

5.1. Ưu điểm và nhược điểm của giải pháp phân loại tự động

Ưu điểm nổi bật của mô hình là độ chính xác cao, loại bỏ hoàn toàn sai sót do con người. Hệ thống hoạt động tự động, giảm chi phí nhân công và tăng năng suất. Việc sử dụng các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn như PLC S7-1200 và hệ thống khí nén đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ cao. Cấu trúc module cũng giúp việc bảo trì và nâng cấp trở nên dễ dàng. Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình hiện tại là tốc độ phân loại còn phụ thuộc vào tốc độ băng tải và thời gian đáp ứng của xi lanh, chưa phù hợp với các dây chuyền siêu tốc. Chi phí đầu tư ban đầu cho các thiết bị như PLC và cơ cấu khí nén có thể cao hơn so với các giải pháp sử dụng vi điều khiển đơn thuần. Ngoài ra, hệ thống chỉ nhận diện được các màu cơ bản trong điều kiện ánh sáng ổn định.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp

Tiềm năng ứng dụng của hệ thống này rất rộng lớn. Trong ngành nông nghiệp, nó có thể dùng để phân loại trái cây, rau củ theo độ chín dựa trên màu sắc. Trong ngành thực phẩm, hệ thống có thể phân loại kẹo, bánh theo màu. Trong công nghiệp tái chế, nó giúp phân loại các mảnh nhựa theo màu để xử lý. Trong ngành dược phẩm, hệ thống có thể được dùng để kiểm tra và phân loại viên nén. Để áp dụng vào thực tế, mô hình cần được nâng cấp về tốc độ băng tải, sử dụng các loại cảm biến màu công nghiệp có tốc độ quét cao hơn và các xi lanh khí nén có thời gian đáp ứng nhanh hơn. Logic lập trình PLC S7-1200 cũng có thể được tối ưu hóa để xử lý nhiều sản phẩm cùng lúc trên băng tải.

VI. Tương lai của hệ thống phân loại màu sắc PLC và hướng đi mới

Đồ án Phân loại sản phẩm theo màu sắc PLC S7-1200 đã giải quyết thành công bài toán cơ bản, mở ra nhiều hướng phát triển và cải tiến trong tương lai. Công nghệ không ngừng phát triển, và các hệ thống tự động hóa cũng cần liên tục được nâng cấp để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của sản xuất. Hướng phát triển trước mắt là tối ưu hóa tốc độ và độ chính xác của hệ thống hiện tại. Xa hơn, việc tích hợp các công nghệ của Công nghiệp 4.0 như Trí tuệ nhân tạo (AI) và Thị giác máy tính (Computer Vision) sẽ là một bước đột phá. Thay vì dùng cảm biến màu đơn điểm, một hệ thống camera kết hợp với thuật toán AI có thể nhận diện hàng trăm màu sắc, hình dạng, và thậm chí cả các khuyết tật trên bề mặt sản phẩm. Dữ liệu từ hệ thống có thể được thu thập và phân tích để giám sát hiệu suất và dự đoán bảo trì. Tương lai của các hệ thống phân loại sản phẩm không chỉ dừng lại ở việc tự động hóa mà còn hướng tới sự thông minh hóa, linh hoạt và khả năng tự học hỏi để thích ứng với sự đa dạng của sản phẩm.

6.1. Tổng kết những kết quả nghiên cứu đã đạt được

Đồ án đã thành công trong việc nghiên cứu và ứng dụng PLC S7-1200 để xây dựng một mô hình phân loại sản phẩm tự động. Hệ thống đã kết hợp hiệu quả giữa bộ điều khiển PLC, vi điều khiển Arduino Uno R3, cảm biến màu và hệ thống khí nén. Các mục tiêu về thiết kế phần cứng, xây dựng thuật toán và lập trình điều khiển đều đã được hoàn thành. Mô hình thực tế đã chứng minh được tính đúng đắn của giải pháp lý thuyết, hoạt động ổn định và phân loại chính xác sản phẩm theo ba màu đã định. Đây là một nền tảng kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho việc phát triển các hệ thống tự động hóa phức tạp hơn trong tương lai.

6.2. Các hướng phát triển tiềm năng để tối ưu hóa hệ thống

Để nâng cao hiệu quả, có nhiều hướng phát triển có thể được xem xét. Thứ nhất, nâng cấp tốc độ băng tải và sử dụng động cơ servo để kiểm soát vị trí chính xác hơn. Thứ hai, thay thế cảm biến TCS3200 và Arduino bằng một cảm biến màu công nghiệp chuyên dụng có khả năng kết nối trực tiếp với PLC qua các chuẩn truyền thông như PROFINET. Thứ ba, tích hợp camera và thư viện xử lý ảnh (như OpenCV) để hệ thống có thể nhận diện nhiều màu sắc và hình dạng phức tạp. Thứ tư, thiết kế giao diện giám sát HMI (Human-Machine Interface) để theo dõi trạng thái hệ thống, đếm số lượng sản phẩm và cài đặt các tham số vận hành một cách trực quan. Cuối cùng, có thể nghiên cứu sử dụng các thuật toán học máy để hệ thống tự động hiệu chỉnh và nhận diện các màu mới mà không cần lập trình lại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan. Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án. ➢ Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống, các chuẩn truyền thông, giao thức.

➢ Chương 3: Thiết Kế Và Chọn Thiết Bị Thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lý của hệ thống. ➢ Chương 4: Lập trình phần mềm hệ thống. Viết chương trình và đưa ra lưu đồ thuật toán. 3 Sinh viên thực hiện:Nguyễn Quốc Nghĩa Người hướng dẫn:ThS.

Võ Khánh Thoại TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng PLC S7 -1200 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm Sau khi chế tạo, trước khi đưa sản phẩm ra thị trường, cần phải trải qua nhiều khâu phân loại để loại bỏ sản phẩm chưa đạt yêu cầu hoặc phân loại theo từng nhóm sản phẩm. Sản phẩm sẽ được đưa vào hệ thống qua băng tải và đưa đến các khu phân loại theo nhiều nguyên tắc như kích thước, khối lượng và màu sắc… Để chọn lọc những sản phẩm theo đúng yêu cầu và phù hợp với nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng.2 Nguyên tắc phân loại sản phẩm 2.1 Phân loại theo kích thước Là hệ thống phân loại tự động cho sản phẩm khác nhau về kích thước như trái cây,rau quả. Máy phân loại sản phẩm theo kích thước có độ chính xác cao, hoạt động ổn định, phù hợp cho nhiều loại sản phẩm.2 Phân loại theo màu sắc Là mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc có thể phân loại các sản phẩm như ớt, cà chua, nhựa màu, các loại hạt… Ứng dụng để phân loại sản phẩm theo màu sắc trong các ngành nông nghiệp, thực phẩm, dầu, hóa chất, công nghiệp dược phẩm, linh kiện điện tử, thiết bị y tế… 2.3 Phân loại theo khối lượng Là hệ thống phân cỡ sản phẩm ứng dụng đa dạng các loại/kiểu sản phẩm theo nguyên tắc kiểm tra khối lượng, sau đó phân ra từng cỡ trọng lượng theo yêu cầu. Ứng dụng phân loại sản phẩm theo khối lượng cho ngành thực phẩm, nông sản, trái cây… 2.3 Tổng quan về PLC và PLC S7-1200 2.1 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 4 Sinh viên thực hiện:Nguyễn Quốc Nghĩa Người hướng dẫn:ThS. Võ Khánh Thoại TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng PLC S7 -1200 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.[1] 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. [1] b) 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 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.

[1] 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… - Dùng 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.

5 Sinh viên thực hiện:Nguyễn Quốc Nghĩa Người hướng dẫn:ThS. Võ Khánh Thoại TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng PLC S7 -1200 c) Cấu trúc phần cứng 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).

d) Cấu trúc bộ nhớ PLC Bộ nhớ được chia làm 3 vùng chính: • Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình được chia làm miền: - Organisation block: Miền chứa chương trình tổ chức, chứa chương trình chính, các lệnh trong khối này luôn được quét. [1] - Subroutine (Chương trình con): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và có biến hình thức để trao đổi dữ liệu, chương trình con này sẽ được thực hiện khi nó được gọi trong chương trình chính. [1] - Interrup (Chương trình ngắt): Miền chứa chương trình ngắt được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác. Chương trình này sẽ được thực hiện khi có sự kiện ngắt xảy ra.

Có rất nhiều sự kiện ngắt như: Ngắt thời gian, ngắt xung tốc độ cao … [1] • Vùng chứa tham số của hệ điều hành: chia thành miền khác nhau: - I (Process Image Input): Miền dữ liệu các cổng vào số, trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I. Thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của công vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I. [1] - Q (Process Image Output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số.

Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chúng tới bộ đệm Q. [1] 6 Sinh viên thực hiện:Nguyễn Quốc Nghĩa Người hướng dẫn:ThS. Võ Khánh Thoại TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng PLC S7 -1200 - M (Miền các biến cờ): Chương trình ứng dụng sử dụng những biến này dể lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập theo bit (M), byte (MB), từ (MW) hay từ kép (MW). [1] - T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu giữ giá trị thời gian đặt trước (PV- Preset Value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV- Current Value) cũng như giá trị Logic đầu ra của bộ thời gian.

[1] - C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt trước (PV- Preset Value), giá trị đếm tức thời (CV- Current Value) và giá trị logic đầu ra của bộ đệm. [1] • Vùng dữ liệu. Vùng dữ liệu là một vùng nhớ động. Nó có thể được truy cập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn (word) hay từ kép (double word) và được sử dụng làm miền lưu trữ dữ liệu cho các thuật toán, các hàm truyền thông, lập bảng, các hàm dịch chuyển, xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ…[1] e) Xử lý chương trình PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp.

Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng việc đọc dữ liệu từ các cổng vào cùng bộ đệm ảo, tiếp theo giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương trình thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh kết thúc. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông và kiểm tra lỗi, vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyền các nội dung của bộ đệm ảo đến cổng ra.

[1] f) Cấu trúc chương trình Chương trình trong S7-1200 được lưu trong bộ nhớ PLC ở vùng dành riêng cho chương trình và có thể được lập với 2 dạng cấu trúc khác nhau: • Lập trình có cấu trúc: Chương trình được chia thành những phần nhỏ và mỗi phần thực thi những nhiệm vụ riêng biệt của nó, từng phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau. Loại hình cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiểu nhiệm vụ và phức tạp. PLC S7-1200 có 3 loại khối cơ bản sau: - Loại khối Organization Block: Khối tổ chức và quản lí chương tình điều khiển. Khối này luôn được thực thi và luôn được quét trong mỗi chu kì quét.

- Loại khối chương trình con: Khối chương trình với những chức năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm (chương trình con có biến hình thức). Một chương trình ứng dụng có nhiểu khối chương trình con và 7 Sinh viên thực hiện:Nguyễn Quốc Nghĩa Người hướng dẫn:ThS. Võ Khánh Thoại TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.