Giới thiệu dự án

Trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0, tự động hóa và thị giác máy tính (Computer Vision) đóng vai trò then chốt trong việc tái cấu trúc chuỗi cung ứng và chế biến nông sản thực phẩm. Theo các khảo sát nông nghiệp hiện đại, quy trình phân loại thủ công sau thu hoạch tiêu tốn hơn 30% tổng chi phí nhân công và gây ra tỷ lệ hao hụt, dập nát từ 15% đến 25% do thao tác phân loại chủ quan, không đồng đều. Để giải quyết triệt để vấn đề này, đề tài "Hệ thống phân loại cà chua tự động" được nghiên cứu và phát triển bởi nhóm tác giả thuộc Bộ môn Tự động Điều khiển, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

                  +-----------------------------------+
                  |      HỆ THỐNG PHÂN LOẠI CÀ CHUA   |
                  +-----------------+-----------------+
                                    |
        +---------------------------+---------------------------+
        |                                                       |
+-------v---------------+                       +---------------v-------+
|  THỊ GIÁC MÁY TÍNH   |                       |    ĐIỀU KHIỂN & SCADA |
| - Lọc Gaussian        |                       | - PLC S7-1200 1214C   |
| - Không gian màu HSV  |                       | - S7.Net qua TCP/IP   |
| - Phân ngưỡng Otsu    |                       | - SCADA C# WinForms   |
| - Contour & Pixel Size|                       | - Web Server AWP      |
+-----------------------+                       +-----------------------+

Vấn đề thực tiễn và thách thức kỹ thuật

Phương pháp phân loại nông sản truyền thống dựa trên sức người tồn tại nhiều hạn chế:

  • Năng suất thấp và phụ thuộc vào cảm tính: Mắt người dễ bị mỏi sau thời gian dài làm việc, dẫn đến việc đánh giá độ chín và kích thước quả thiếu nhất quán.
  • Tốc độ xử lý chậm: Không đáp ứng được các dây chuyền đóng gói công nghiệp công suất cao.
  • Thiếu khả năng giám sát tập trung: Dữ liệu phân loại không được số hóa, gây khó khăn cho việc quản trị chất lượng và truy xuất nguồn gốc.

Mục tiêu của dự án

  1. Nghiên cứu và xây dựng thuật toán xử lý ảnh công nghiệp nhằm nhận diện, phân loại quả cà chua theo 2 tiêu chí đồng thời: kích thước (diện tích pixel) và độ chín (tỷ lệ sắc tố đỏ trong không gian màu HSV).
  2. Thiết kế và lập trình hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC kết hợp cơ cấu chấp hành khí nén.
  3. Xây dựng phần mềm giám sát SCADA trên nền tảng C# WinForms kết nối trực tiếp với PLC qua giao thức S7.Net (ISO-on-TCP).
  4. Tích hợp Web Server công nghiệp sử dụng ngôn ngữ AWP (Automation Web Programming) cho phép giám sát và điều khiển từ xa qua trình duyệt.
  5. Thiết kế hệ quản trị cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server 2019 để lưu trữ lịch sử vận hành, thống kê sản lượng và xuất báo cáo tự động.

Phạm vi và giới hạn đề tài

  • Phạm vi: Hệ thống tập trung xử lý phân loại từng quả cà chua đơn lẻ trên băng tải PVC, phân cấp thành Quả loại 1 (kích thước chuẩn, chín đạt yêu cầu), Quả loại 2 (kích thước chuẩn, độ chín trung bình) và Quả loại (không đạt kích thước chuẩn hoặc hư hỏng).
  • Giới hạn: Nghiên cứu thực hiện đánh giá mô hình phân loại đơn luồng (single-item processing), dữ liệu hình ảnh được thu nhận trong điều kiện buồng quét có kiểm soát nguồn sáng.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí Phân loại thủ công Cảm biến quang đơn điểm Hệ thống Thị giác máy tính & PLC (Đề tài)
Độ chính xác 70% - 80% (giảm dần theo ca) 60% (chỉ đo được kích thước thô) > 95% (ổn định liên tục)
Tốc độ xử lý 10 - 20 quả/phút/người 40 - 50 quả/phút 60 - 120 quả/phút
Tiêu chí đánh giá Cảm tính, dễ nhầm lẫn Chỉ kích thước hoặc màu đơn sắc Kích thước pixel + Phổ màu HSV + Độ chín %
Số hóa dữ liệu Ghi chép sổ sách thủ công Không có Tự động lưu SQL Server, xuất Excel/PDF
Khả năng điều khiển từ xa Không Không Tích hợp Web Server AWP trên PLC

Ma trận ưu tiên yêu cầu hệ thống (MoSCoW)

  • Must have (Bắt buộc): Nhận diện chính xác độ chín và diện tích quả; điều khiển xy lanh khí nén gạt đúng vị trí thùng; giao diện SCADA hiển thị thời gian thực.
  • Should have (Nên có): Web server giám sát từ xa; lưu trữ cơ sở dữ liệu SQL Server; cảnh báo lỗi kẹt hàng bằng đèn Alarm.
  • Could have (Có thể mở rộng): Xuất báo cáo thống kê đa định dạng (Excel, PDF); truy vấn lịch sử sản lượng theo khoảng ngày.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Phân loại chùm nhiều quả dính liền; ứng dụng mạng nơ-ron tích chập (CNN) trên thiết bị biên.

Thiết kế hệ thống

+-------------------------------------------------------------------------+
|                           HỆ THỐNG GIÁM SÁT                             |
|  +-----------------------------------+  +----------------------------+  |
|  |     SCADA C# WinForms (Visual     |  |   Web Server AWP (HTML5,   |  |
|  |     Studio 2019 + SQL Server)     |  |   CSS3, JavaScript)        |  |
|  +-----------------+-----------------+  +--------------+-------------+  |
+--------------------|-----------------------------------|----------------+
                     | S7.Net (TCP/IP Port 102)          | HTTP (Port 80)
+--------------------v-----------------------------------v----------------+
|                        BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM                          |
|             Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (TIA Portal V16)         |
+--------------------+-----------------------------------+----------------+
                     | DI/DQ (24VDC)                     | USB / IP Stream
+--------------------v-------------------+  +------------v----------------+
|          CƠ CẤU CHẤP HÀNH & SENSOR     |  |      MODULE THU NHẬN ẢNH    |
| - Băng tải PVC (Động cơ DC 24V)        |  | - Camera độ phân giải cao   |
| - Cảm biến hồng ngoại Omron E3F2-DS30C4|  | - Buồng tối chuẩn hóa sáng  |
| - Xy lanh 2 trục SMC CXSM10            |  | - Module xử lý ảnh OpenCV/C#|
| - Van điện từ SMC SY3140-5LZD (5/2)    |  |                             |
| - Relay bán dẫn Fotek SSR-25DD         |  |                             |
+----------------------------------------+  +-----------------------------+

Cấu trúc phần cứng chi tiết

  1. Khối điều khiển trung tâm: PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (Mã đặt hàng: 6ES7214-1AG40-0XB0), tích hợp 14 ngõ vào số (DI 24VDC), 10 ngõ ra số (DQ bán dẫn 24VDC), bộ nhớ làm việc 100 KB, bộ nhớ nạp 4 MB.
  2. Khối nguồn: Nguồn Siemens LOGO! Power 24VDC - 2.5A cấp cho ngõ vào PLC; Nguồn tổ ong 24VDC - 10A (250W) cấp cho động cơ băng tải và van khí nén.
  3. Khối cảm biến & chấp hành:
    • 03 Cảm biến hồng ngoại Omron E3F2-DS30C4 (NPN, khoảng cách phát hiện 0 - 30 cm) xác định vị trí quả tại buồng chụp ảnh và trước các vị trí xy lanh.
    • 02 Xy lanh khí nén 2 trục SMC CXSM10 hành trình 100 mm, tốc độ 30 - 800 mm/s.
    • 02 Van điện từ SMC SY3140-5LZD 5 cửa 2 vị trí (5/2), điện áp 24VDC, áp suất định mức 0.7 MPa.
    • 03 Relay trung gian Omron MY2N và Relay bán dẫn Fotek SSR-25DD.

Thiết kế cơ sở dữ liệu SQL Server 2019

Cơ sở dữ liệu UserDB được thiết kế theo chuẩn quan hệ với 4 bảng dữ liệu cốt lõi:

-- Bảng lưu trữ trạng thái cảnh báo hệ thống
CREATE TABLE ALARM (
    ID INT IDENTITY(1,1) PRIMARY KEY,
    Status NVARCHAR(50) NOT NULL, -- 'Working' hoặc 'Alarm'
    Timestamp DATETIME DEFAULT GETDATE()
);

-- Bảng lưu trữ sản lượng quả theo từng loại
CREATE TABLE DATA (
    ID INT IDENTITY(1,1) PRIMARY KEY,
    Type1_Count INT DEFAULT 0,    -- Cà chua Loại 1
    Type2_Count INT DEFAULT 0,    -- Cà chua Loại 2
    Reject_Count INT DEFAULT 0,   -- Cà chua lỗi/loại bỏ
    Total_Count INT DEFAULT 0,
    CreatedDate DATETIME DEFAULT GETDATE()
);

-- Bảng lưu trữ số lượng thùng đã đóng gói
CREATE TABLE BOX_DATA (
    BoxID INT IDENTITY(1,1) PRIMARY KEY,
    Box_Type1 INT DEFAULT 0,
    Box_Type2 INT DEFAULT 0,
    Timestamp DATETIME DEFAULT GETDATE()
);

-- Bảng phân quyền người dùng
CREATE TABLE Tbl_User (
    Username NVARCHAR(50) PRIMARY KEY,
    Password NVARCHAR(255) NOT NULL,
    Role NVARCHAR(20) NOT NULL -- 'Admin' hoặc 'Operator'
);

Lựa chọn giao thức truyền thông: S7.Net vs. OPC Server (KEPServerEX)

Tiêu chí kỹ thuật Thư viện S7.Net (Chọn) KEPServerEX V6 (OPC DA/UA)
Kiến trúc kết nối Trực tiếp Client - Server (ISO-on-TCP Port 102) Phải qua phần mềm trung gian OPC Server
Độ trễ truyền thông Rất thấp (< 15 ms) Trung bình (50 - 150 ms)
Chi phí bản quyền Mã nguồn mở (Miễn phí) Phải mua license thương mại
Mức độ phức tạp cấu hình Nhẹ, tích hợp trực tiếp file S7.dll vào C# Cài đặt phức tạp, cần cấu hình DCOM/Tags
Tải tài nguyên PC Tiêu thụ CPU và RAM không đáng kể Chiếm dụng RAM và tiến trình nền liên tục

Phương pháp nghiên cứu và phát triển (Methodology)

Dự án áp dụng mô hình phát triển kỹ thuật tuần tự theo cấu trúc Modular V-Model:

  • Giai đoạn 1 (Thuật toán): Thu thập mẫu dữ liệu ảnh cà chua ở các trạng thái chín khác nhau, xây dựng pipeline xử lý ảnh số.
  • Giai đoạn 2 (Lập trình điều khiển): Cấu hình phần cứng trên TIA Portal V16, xây dựng các khối hàm chuyên biệt (FC1: Manual_Mode, FC2: Auto_Mode, DB1: Data_Send, DB2: Data_Receive, DB3: Data_Set).
  • Giai đoạn 3 (Tích hợp SCADA & Web): Thiết kế WinForms C#, tạo kết nối S7.Net, lập trình giao diện Web nhúng AWP trên PLC.
  • Giai đoạn 4 (Kiểm thử & Tối ưu): Sử dụng phần mềm NetToPLCsim để đồng bộ hóa mạng LAN ảo giữa PLCSIM và ứng dụng SCADA, hiệu chỉnh ngưỡng pixel thực tế.

Implementation và kết quả

Quy trình phát triển và thuật toán cốt lõi

Quy trình xử lý ảnh nhận dạng được thực hiện theo chuỗi thuật toán khép kín:

[Ảnh gốc RGB] --> [Bộ lọc Gauss 2D] --> [Chuyển đổi HSV] --> [Phân ngưỡng Otsu]
                                                                     |
[Trích xuất Loại quả] <-- [Tính diện tích & Tỷ lệ màu] <-- [Tìm Contours] <-- [Giãn nở & Co (Morphology)]

1. Bộ lọc không gian Gaussian (Làm mịn và khử nhiễu)

Để loại bỏ nhiễu hạt do ánh sáng môi trường mà vẫn bảo toàn các biên cạnh của quả cà chua, bộ lọc Gauss 2D với mặt nạ tích chập được áp dụng:

$$G(x, y) = \frac{1}{2\pi \sigma^2} e^{-\frac{x^2 + y^2}{2\sigma^2}}$$

Trong đó $x, y$ là khoảng cách từ điểm gốc đến tâm kernel, $\sigma$ là độ lệch chuẩn phân bố Gauss.

2. Chuyển đổi không gian màu RGB sang HSV

Không gian màu RGB rất nhạy cảm với sự thay đổi của cường độ sáng. Hệ thống chuyển đổi sang không gian HSV nhằm phân tách kênh màu sắc (Hue - $H$), độ bão hòa (Saturation - $S$) và độ sáng (Value - $V$):

$$H = \begin{cases} 0^\circ & \text{nếu } \Delta = 0 \ 60^\circ \times \left(\frac{G - B}{\Delta} \bmod 6\right) & \text{nếu } C_{max} = R \ 60^\circ \times \left(\frac{B - R}{\Delta} + 2\right) & \text{nếu } C_{max} = G \ 60^\circ \times \left(\frac{R - G}{\Delta} + 4\right) & \text{nếu } C_{max} = B \end{cases}$$

$$S = \begin{cases} 0 & \text{nếu } C_{max} = 0 \ \frac{\Delta}{C_{max}} & \text{nếu } C_{max} \neq 0 \end{cases}, \quad V = C_{max}$$

(với $C_{max} = \max(R, G, B)$, $C_{min} = \min(R, G, B)$, $\Delta = C_{max} - C_{min}$)

3. Phân ngưỡng nhị phân tự động Otsu

Thuật toán Otsu tự động tìm kiếm ngưỡng xám tối ưu $k^*$ bằng cách cực đại hóa phương sai giữa hai lớp nền ($C_1$) và đối tượng quả cà chua ($C_2$):

$$\sigma_B^2(k^*) = \max_{0 \le k < L-1} \left{ \frac{\left[m_G P_1(k) - m(k)\right]^2}{P_1(k)\left[1 - P_1(k)\right]} \right}$$

Trong đó $m_G$ là mức xám trung bình của toàn ảnh, $P_1(k)$ là xác suất tích lũy của lớp $C_1$, và $m(k)$ là giá trị trung bình mức xám tích lũy đến ngưỡng $k$.

4. Đoạn mã kết nối PLC và đồng bộ dữ liệu (C# WinForms & S7.Net)

using System;
using System.Windows.Forms;
using S7.Net;

namespace TomatoSortingSCADA
{
    public partial class MainForm : Form
    {
        private Plc plcInstance;

        public void InitializePLCConnection(string ipAddress, short rack = 0, short slot = 1)
        {
            try
            {
                // Khởi tạo đối tượng kết nối PLC S7-1200 qua ISO-on-TCP
                plcInstance = new Plc(CpuType.S71200, ipAddress, rack, slot);
                plcInstance.Open();

                if (plcInstance.IsConnected)
                {
                    lblPLCStatus.Text = "PLC Connected";
                    lblPLCStatus.ForeColor = System.Drawing.Color.Green;
                }
            }
            catch (Exception ex)
            {
                MessageBox.Show($"Lỗi kết nối PLC: {ex.Message}", "Lỗi Truyền Thông", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);
            }
        }

        public void SendSortingResult(bool isType1, bool isType2)
        {
            if (plcInstance != null && plcInstance.IsConnected)
            {
                // Ghi dữ liệu phân loại xuống DataBlock DB2 (Data_Receive)
                plcInstance.Write("DB2.DBX0.0", isType1); // Kích hoạt phân loại Loại 1
                plcInstance.Write("DB2.DBX0.1", isType2); // Kích hoạt phân loại Loại 2
            }
        }

        private void MainForm_FormClosing(object sender, FormClosingEventArgs e)
        {
            if (plcInstance != null && plcInstance.IsConnected)
            {
                plcInstance.Close();
            }
        }
    }
}

5. Cấu hình nhúng Web Server AWP trên PLC Siemens S7-1200

<!DOCTYPE html>
<html lang="vi">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>Hệ Thống Giám Sát Phân Loại Cà Chua Từ Xa</title>
    <!-- Cú pháp AWP khai báo biến đọc/ghi của CPU -->
    <!-- AWP_In_Variable Name='"Data_Send".Start' -->
    <!-- AWP_In_Variable Name='"Data_Send".Stop' -->
    <!-- AWP_In_Variable Name='"Data_Receive".Set_BoxQuantity' -->
</head>
<body>
    <h1>GIÁM SÁT HỆ THỐNG PHÂN LOẠI CÀ CHUA</h1>
    <div class="status-panel">
        <p>Trạng thái băng tải: <strong>:="Data_Send".MotorStatus:</strong></p>
        <p>Tổng số Cà chua Loại 1: <strong>:="Data_Send".Type1_Total:</strong> quả</p>
        <p>Tổng số Cà chua Loại 2: <strong>:="Data_Send".Type2_Total:</strong> quả</p>
        <p>Số thùng hoàn thành: <strong>:="Data_Send".Box_Completed:</strong> thùng</p>
    </div>
    <form method="post" action="">
        <input type="hidden" name='"Data_Send".Start' value="1">
        <button type="submit">START SYSTEM</button>
    </form>
</body>
</html>

Kiểm thử và đánh giá hiệu năng (Testing & Validation)

Hệ thống đã trải qua quá trình thực nghiệm toàn diện với bộ dữ liệu kiểm thử kích thước và độ chín:

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       KỊCH BẢN PHÂN LOẠI THỰC NGHIỆM                          |
+-----------------------------------+-------------------------------------------+
| 1. Cà chua chuẩn Loại 1:           | Diện tích: 25.000px - 150.000px           |
|                                   | Tỷ lệ đỏ: >= 75% -> Xy lanh 1 kích hoạt   |
+-----------------------------------+-------------------------------------------+
| 2. Cà chua chuẩn Loại 2:           | Diện tích: 25.000px - 150.000px           |
|                                   | Tỷ lệ đỏ: 40% - 74% -> Xy lanh 2 kích hoạt|
+-----------------------------------+-------------------------------------------+
| 3. Cà chua lỗi/loại bỏ:           | Diện tích: < 25.000px hoặc > 150.000px    |
|                                   | Trôi về cuối băng tải                     |
+-----------------------------------+-------------------------------------------+

Thông số kỹ thuật đo lường thực tế

  • Thời gian trễ thuật toán xử lý ảnh: $42 \text{ ms} \pm 5 \text{ ms}$ trên mỗi khung hình 1080p.
  • Thời gian phản hồi truyền thông S7.Net: $8 - 12 \text{ ms}$ (đảm bảo tính thời gian thực cho PLC).
  • Hành trình và thời gian đáp ứng xy lanh khí nén: Đạt $120 \text{ ms}$ cho chu kỳ duỗi - thu, hoàn toàn tương thích với tốc độ băng tải $0.15 \text{ m/s}$.
  • Cơ chế cảnh báo kẹt phôi/dừng dòng: Bộ đếm thời gian (Timer) tự động kích hoạt cảnh báo nhấp nháy đèn Alarm chu kỳ 1s nếu sau 20 giây không phát hiện sản phẩm tiếp theo đi qua buồng quét.

Đổi mới và đóng góp

  1. Kiến trúc điều khiển phân tầng mở: Thay vì sử dụng các cảm biến màu sắc truyền thống hoặc hệ thống nhúng đơn lẻ, dự án kết hợp thành công bộ não tính toán thị giác trên PC với độ tin cậy chuẩn công nghiệp của PLC S7-1200.
  2. Loại bỏ chi phí trung gian với S7.Net: Thay thế hoàn toàn phần mềm OPC Server thương mại đắt tiền bằng thư viện liên kết động S7.Net mã nguồn mở, giảm 80% độ trễ giao tiếp và tối ưu hóa tài nguyên phần mềm.
  3. Cơ chế giám sát kép (Hybrid Monitoring): Kết hợp đồng thời phần mềm SCADA tại chỗ viết bằng C# và giao diện Web nhúng AWP trên PLC, cho phép người quản lý giám sát qua smartphone/tablet mà không cần cài đặt thêm phần mềm client.
  4. Phân loại tích hợp đa tiêu chí: Đánh giá đồng thời cả đặc trưng hình học (Contours & diện tích pixel) và sắc ký sinh học (Hue-Saturation Histogram), nâng cao độ chính xác lên trên 95%, giảm thiểu 85% sai sót so với phương pháp phân loại thủ công.

Ứng dụng thực tế và triển khai

+------------------+      +-------------------+      +--------------------+
| TRANG TRẠI TRỒNG | ---> | DÂY CHUYỀN SCADA  | ---> | ĐÓNG GÓI & PHÂN    |
| CÀ CHUA QUY MÔ   |      | PHÂN LOẠI TỰ ĐỘNG |      | PHỐI SIÊU THỊ/XUẤT |
| CÔNG NGHỆ CAO    |      | (HỆ THỐNG ĐỀ TÀI) |      | KHẨU ĐÚNG CHUẨN    |
+------------------+      +-------------------+      +--------------------+

Kịch bản ứng dụng

  • Nhà máy chế biến tương cà / nước ép: Cần chọn lọc chính xác cà chua đạt độ chín tối đa (Loại 1) để tăng độ ngọt tự nhiên và màu sắc thành phẩm.
  • Hợp tác xã nông nghiệp công nghệ cao: Đóng gói cà chua theo quy cách chuẩn vào các thùng 10kg/20kg để cung cấp cho chuỗi siêu thị hoặc xuất khẩu, yêu cầu quả đồng đều về kích thước và màu sắc.

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Chi phí đầu tư phần cứng và thiết bị điều khiển ước tính khoảng 25 - 35 triệu VNĐ cho một dây chuyền đơn.
  • Giảm thiểu 2 - 3 nhân công trực tiếp trên mỗi ca làm việc. Thời gian hoàn vốn (ROI) ước tính chỉ từ 4 đến 6 tháng dựa trên việc cắt giảm chi phí tiền lương và hạn chế hao hụt nông sản.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế hiện tại

  • Hệ thống hoạt động tối ưu với chế độ cấp phôi đơn lẻ (từng quả di chuyển cách rời nhau trên băng tải); chưa xử lý được tình huống nhiều quả nằm đè lên nhau.
  • Độ chính xác của thị giác máy tính phụ thuộc vào độ ổn định của nguồn sáng trong buồng chụp.

Hướng phát triển trong tương lai

  • Ứng dụng mô hình mạng nơ-ron học sâu (Deep Learning) như YOLOv8 hoặc Segmentation Networks để phân loại quả ngay cả khi bị che khuất một phần hoặc phát hiện các khuyết tật vỏ phức tạp (vết nứt, sâu bệnh, thối cuống).
  • Nâng cấp cơ cấu chấp hành sang cánh tay robot Delta (Delta Robot Pick-and-Place) tốc độ cao để phân loại nhiều làn song song.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên và Học viên ngành Kỹ thuật: Nguồn tài liệu tham khảo thực tế về cách tích hợp thị giác máy tính với PLC Siemens, phương pháp lập trình SCADA C# và nhúng Web Server AWP.
  • Kỹ sư Tự động hóa & Lập trình viên SCADA: Mô hình mẫu về việc sử dụng thư viện S7.Net và cơ sở dữ liệu SQL Server trong các ứng dụng điều khiển công nghiệp.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ, Hợp tác xã Nông nghiệp: Giải pháp công nghệ chi phí thấp, tính khả thi cao để hiện đại hóa quy trình đóng gói nông sản sau thu hoạch.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng tối thiểu để triển khai hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu 01 PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC hoặc tương đương), nguồn cấp 24VDC, hệ thống khí nén áp suất tối thiểu 0.6 MPa, 01 PC cấu hình Intel Core i3 trở lên chạy Windows 10/11 với cổng mạng Ethernet RJ45, và 01 camera có độ phân giải tối thiểu Full HD 1080p.

2. Thư viện S7.Net có thể ghi/đọc dữ liệu lớn từ PLC mà không làm chậm chu kỳ quét (Scan Cycle) không?

Có. Thư viện S7.Net giao tiếp trực tiếp qua tầng giao vận ISO-on-TCP (Port 102) bằng các bản tin PDU kích thước tiêu chuẩn. Quá trình đọc/ghi diễn ra không đồng bộ (Asynchronous) trong luồng giao diện riêng biệt của C#, hoàn toàn không can thiệp hay làm gián đoạn chu kỳ quét thời gian thực của PLC.

3. Làm thế nào để điều chỉnh hệ thống khi thay đổi loại quả khác (như cam, chanh, xoài)?

Người vận hành chỉ cần truy cập vào Panel Setting Size-Color trên giao diện SCADA để cấu hình lại khoảng diện tích pixel (Min/Max Size) và định nghĩa dải màu trong không gian HSV tương ứng với độ chín của loại quả mới mà không cần nạp lại chương trình PLC.

4. Hệ thống xử lý như thế nào khi xảy ra sự cố mất kết nối mạng LAN giữa PC và PLC?

Khi mất kết nối truyền thông, khối hàm trong PLC phát hiện ngắt tín hiệu 'Heartbeat' sẽ tự động dừng động cơ băng tải và kích hoạt cờ cảnh báo Alarm trên đèn báo vật lý, đồng thời cơ sở dữ liệu SQL Server sẽ ghi nhận sự kiện lỗi để phục vụ công tác bảo trì.

5. Chi phí triển khai và bảo trì hệ thống có cao không?

Dự án được tối ưu hóa chi phí nhờ sử dụng hoàn toàn các giải pháp phần mềm không mất phí bản quyền định kỳ (C# WinForms, S7.Net, SQL Server Express, Web AWP nhúng sẵn trong PLC). Chi phí bảo trì chủ yếu tập trung vào việc vệ sinh định kỳ buồng chụp ảnh và kiểm tra độ kín của đường ống khí nén.

Kết luận

Đồ án "Hệ thống phân loại cà chua tự động" đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả vượt trội trong việc ứng dụng công nghệ thị giác máy tính kết hợp hệ thống điều khiển tự động hóa PLC S7-1200 vào sản xuất nông nghiệp. Bằng việc xây dựng thành công giải pháp đồng bộ từ tầng đo lường, xử lý ảnh (Gaussian, HSV, Otsu), tầng chấp hành cơ khí khí nén, đến tầng quản trị dữ liệu tập trung (SCADA C# và Web Server AWP), nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn to lớn trong việc nâng cao năng suất, chuẩn hóa chất lượng sản phẩm và thúc đẩy chuyển đổi số nông nghiệp thông minh.