Đồ án: tốt nghiệp hệ thống phân loại cà chua dựa theo màu sắc sử dụng plc

Đồ án tốt nghiệp hệ thống phân loại cà chua dựa theo màu sắc sử dụng plc s7 1200 download tai tailieudep com đã chuyển đ phục vụ n

• Tác giả: Trần Khánh Hưng
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tấn Đời
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện - Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Hệ Thống Phân Loại Cà Chua Theo Màu Sắc Sử Dụng PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Phân Loại Cà Chua

Hệ thống phân loại cà chua là một giải pháp tự động hóa hiện đại trong lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao. Đồ án này tập trung vào việc phát triển hệ thống phân loại cà chua theo màu sắc sử dụng công nghệ PLC S7-1200 và cảm biến TCS3200 tiên tiến. Mục tiêu chính của dự án là xây dựng một giải pháp tự động hoàn toàn, giúp phân loại cà chua dựa trên các đặc tính màu sắc khác nhau. Hệ thống này không chỉ nâng cao hiệu suất sản xuất mà còn đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình phân loại. Bằng cách sử dụng các công nghệ điện tử hiện đại, dự án phân loại cà chua tự động có khả năng xử lý lượng lớn cà chua trong thời gian ngắn, giúp các nông dân và doanh nghiệp nông sản tối ưu hóa quy trình sản xuất và đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất.

1.1. Nguyên Tắc Phân Loại Cà Chua

Phân loại cà chua được thực hiện dựa trên ba tiêu chí chính: kích thước, màu sắc và khối lượng. Trong đó, phân loại theo màu sắc là phương pháp quan trọng nhất vì nó phản ánh mức độ chín của cà chua. Cảm biến màu TCS3200 có khả năng phát hiện sự khác biệt tinh tế giữa các độ sắc thái, từ xanh lục đến đỏ tươi. Hệ thống sử dụng điều khiển tự động bằng PLC để xử lý dữ liệu từ cảm biến và đưa ra quyết định phân loại nhanh chóng, chính xác.

1.2. Tầm Quan Trọng Trong Nông Nghiệp Hiện Đại

Hệ thống phân loại tự động đóng vai trò quan trọng trong nông nghiệp công nghệ cao, giúp giảm chi phí nhân công và tăng hiệu suất. PLC S7-1200 cung cấp khả năng điều khiển mạnh mẽ, cho phép hệ thống hoạt động liên tục với độ tin cậy cao. Công nghệ này không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn tạo ra giải pháp bền vững cho các trang trại cà chua quy mô lớn.

II. Thành Phần Kỹ Thuật Chính Của Hệ Thống

Đồ án hệ thống phân loại cà chua được xây dựng từ các thành phần kỹ thuật hiện đại và được lựa chọn một cách cẩn thận. PLC S7-1200 là bộ điều khiển trung tâm, quản lý toàn bộ quy trình phân loại và tương tác với các thiết bị ngoại vi. Cảm biến TCS3200 là linh kiện chính để nhận biết màu sắc cà chua, nó sử dụng công nghệ quang học hiện đại để phát hiện các sắc thái màu khác nhau. Arduino Uno R3 được sử dụng như một bộ xử lý phụ để giao tiếp giữa cảm biến và PLC. Hệ thống điều khiển khí nén cung cấp lực cơ học để thực hiện các hành động phân loại. Các cảm biến hồng ngoại được sử dụng để phát hiện vị trí cà chua trên đường truyền tải, đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và chính xác.

2.1. PLC S7 1200 Bộ Điều Khiển Chính

PLC S7-1200 là một bộ điều khiển lập trình được thiết kế cho các ứng dụng tự động hóa công nghiệp. Nó cung cấp hiệu suất xử lý cao, khả năng kết nối mạng mạnh mẽ và hỗ trợ nhiều module truyền thông. PLC này có thể lập trình thông qua phần mềm TIA Portal, cho phép các kỹ sư tạo ra các chương trình điều khiển phức tạp và tối ưu hóa. Với khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng, S7-1200 đảm bảo rằng quy trình phân loại cà chua được thực hiện mà không có độ trễ.

2.2. Cảm Biến Màu Sắc TCS3200

Cảm biến TCS3200 sử dụng công nghệ cảm biến quang học để phát hiện màu sắc của cà chua. Nó gồm một LED RGB và một photoresistor để đo cường độ ánh sáng phản xạ từ vật thể. Module này có khả năng phân biệt chính xác các sắc thái màu, từ xanh lục, vàng, cam cho đến đỏ. Dữ liệu từ cảm biến được gửi đến Arduino Uno R3, sau đó được xử lý và truyền đến PLC để quyết định phân loại.

III. Quy Trình Thiết Kế và Lập Trình Hệ Thống

Quá trình thiết kế hệ thống phân loại cà chua diễn ra trong 13 tuần, từ tháng 4 đến tháng 7 năm 2018. Ban đầu, các kỹ sư thực hiện nghiên cứu tài liệu về PLC S7-1200, cảm biến TCS3200 và Arduino Uno R3. Sau đó, họ tiến hành thiết kế phần cứng bao gồm sơ đồ khối hệ thống, thiết kế bo mạch điện tử và lắp đặt các cảm biến. Giai đoạn lập trình kéo dài 4 tuần, trong đó các lập trình viên phát triển code cho Arduino và PLC, tối ưu hóa thuật toán nhận biết màu. Cuối cùng, họ thiết kế giao diện giám sát SCADA để cho phép người dùng theo dõi và điều khiển hệ thống từ xa.

3.1. Giai Đoạn Thiết Kế Phần Cứng

Thiết kế phần cứng bắt đầu bằng việc xác định các yêu cầu kỹ thuật và lựa chọn các linh kiện phù hợp. Các kỹ sư vẽ sơ đồ khối hệ thống và sơ đồ kết nối để thể hiện mối quan hệ giữa các thành phần. Bo mạch điều khiển được thiết kế để tích hợp PLC, Arduino, các relay và các mô-đun khác. Quá trình thi công mô hình bao gồm lắp đặt các cảm biến hồng ngoại, cảm biến màu TCS3200 trên đường truyền tải cà chua, và kết nối toàn bộ hệ thống điều khiển khí nén.

3.2. Giai Đoạn Lập Trình và Kiểm Tra

Lập trình hệ thống được thực hiện trên hai nền tảng: Arduino IDE cho Arduino Uno R3 và TIA Portal cho PLC S7-1200. Chương trình Arduino xử lý dữ liệu từ cảm biến TCS3200 và gửi thông tin màu sắc đến PLC. Chương trình PLC chứa logic điều khiển chính, quyết định cách phân loại cà chua dựa trên dữ liệu màu sắc. Giao diện SCADA được thiết kế để hiển thị thông tin thời gian thực và cho phép người vận hành can thiệp vào quá trình khi cần thiết.

IV. Kết Quả và Ứng Dụng Thực Tiễn

Đồ án phân loại cà chua tự động đã được hoàn thành thành công vào ngày 3 tháng 7 năm 2018, sau quá trình nghiên cứu, thiết kế và triển khai kéo dài 13 tuần. Hệ thống đã được kiểm tra và xác minh khả năng phân loại cà chua theo màu sắc với độ chính xác cao. Các kết quả cho thấy rằng PLC S7-1200 có thể xử lý các lệnh phân loại nhanh chóng, cảm biến TCS3200 nhận biết màu sắc chính xác, và giao diện SCADA cung cấp trải nghiệm người dùng tốt. Hệ thống này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các trang trại cà chua, nhà máy chế biến nông sản, và các doanh nghiệp xuất khẩu nông sản. Nó giúp tăng hiệu suất công việc, giảm chi phí nhân công, và cải thiện chất lượng sản phẩm cuối cùng.

4.1. Kết Quả Đạt Được

Kết quả thực hiện cho thấy hệ thống phân loại cà chua hoạt động ổn định và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đặt ra. PLC S7-1200 thành công trong việc quản lý toàn bộ quy trình, cảm biến TCS3200 phân biệt chính xác các sắc thái màu cà chua ở các giai đoạn chín khác nhau. Giao diện SCADA cho phép theo dõi thời gian thực và điều khiển từ xa. Các bài kiểm tra cho thấy tỷ lệ phân loại chính xác đạt trên 95%, vượt quá mục tiêu ban đầu.

4.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Trong tương lai, hệ thống phân loại cà chua có thể được nâng cấp bằng cách tích hợp trí tuệ nhân tạo và machine learning để cải thiện độ chính xác phân loại. Có thể thêm cảm biến tinh tế hơn để phát hiện các khiếm khuyết bề mặt và chất lượng cà chua. Hệ thống này cũng có thể được mở rộng để phân loại các loại rau quả khác, tạo ra một giải pháp tự động hóa toàn diện cho nông nghiệp công nghệ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống. Chương 4: Thi Công Hệ Thống. Thi công hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình.

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. Trình bày những kết luận về hệ thống những phần làm rồi và chưa làm, đồng thời nếu ra hướng phát triển cho hện thống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ Chương 2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI CÀ CHUA Sau thu hoạch, trước khi đưa nông sản ra thị trường, cần phải trải qua nhiều khâu phân loại để loại bỏ sản phẩm chưa đạt yêu cầu. Riêng với hệ thống phân loại cà chua, cà chua sẽ được đưa vào hệ thống qua băng tải và đưa đến các khu phân loại theo nhiều nguyên tắc như kích thước quả, khối lượng quả và màu sắc… để chọn lọc những quả có chất lượng tốt nhất và phù hợp với nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng.2 NGUYÊN TẮC PHÂN LOẠI CÀ CHUA 2.1 Phân loại theo kích thước Cà chua sẽ được chọn lọc qua kích thước của quả, lúc này cà chua sau khi phân loại sẽ đạt được độ đồng đều nhất định; tăng sự đẹp mắt và thị hiếu người tiêu dùng. Tuy nhiên việc phân loại theo kích thước lại không đảm bảo được chất lượng của quả cà chua, không thể phân biệt được quả đã chín hay còn xanh.2 Phân loại theo màu sắc Khi cà chua được chọn lọc bằng màu sắc sẽ đảm bảo được chất lượng của cà chua giúp cho việc bảo quản được dễ dàng hơn, tính toán được thời gian bảo quản cho phù hợp.

Cũng như bất kỳ nguyên tắc phân loại khác, việc phân loại theo màu sắc không giúp ta chọn lọc được các quả đồng đều, đẹp mắt nhưng với với việc chất lượng luôn là yêu tố hàng đầu nên việc phân loại theo màu sắc là nguyên tắc quan trọng nhất trong phân loại cà chua.3 Phân loại theo khối lượng Tương tự như nguyên tắc phân loại theo kích thước việc phân loại theo khối lượng cũng cho ra kết quả là độ đồng đều của quả. Chỉ khác là nguyên tắc này phân loại dựa trên việc đo đạc về khối lượng của quả cà chua. Và việc này cũng không đảm bảo được chất lượng của quả sau phân loại.3 TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PLC S7-1200 2.1 Tổng quan về PLC a. Giới thiệu BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y 4 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ 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.

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 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… BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ  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:  Organisation block: Miền chứa chương trình tổ chức, chứa chương trình chính, các lệnh trong khối này luôn được quét.  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.  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 …  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 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ 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.

 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.  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.

 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.  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… 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. 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 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ 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 các khối chương trình con này được phân biệt với nhau bằng tên của chương trình con đó.

 Lập trình tuyến tính: toàn bộ chương trình nằm trong một khối bộ nhớ. Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động nhỏ.