Đồ án: Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh và quản lý qua webserver

Tìm hiểu đồ án thiết kế thi công hệ thống phân loại sản phẩm tự động. Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh và quản lý, giám sát toàn bộ quy trình qua webserver.

• Tác giả: Lương Đức Anh
• Người hướng dẫn: Ths. Phạm Quốc Phương
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết kế - thi công hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh và quản lý hệ thống qua WebServer
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Phân loại Trái cây Tự động

Hệ thống phân loại trái cây tự động là một giải pháp hiện đại kết hợp công nghệ xử lý ảnh và tự động hóa công nghiệp để phân biệt trái cây tươi và trái cây hư. Hệ thống này được thiết kế với năng suất cao, đạt bình quân 240 hộp/giờ, với mục tiêu sai số chỉ 3%. Công nghệ này ứng dụng các camera thông minh và thuật toán nhận dạng hình ảnh để phân tích đặc điểm bề mặt, màu sắc và chất lượng của từng quả trái. Hệ thống không chỉ thực hiện phân loại mà còn tự động đóng gói sản phẩm theo tiêu chuẩn (3 trái/hộp), giảm thiểu can thiệp thủ công và nâng cao hiệu suất sản xuất.

1.1. Khái niệm và Ứng dụng Xử lý Ảnh

Xử lý ảnh là công nghệ cho phép máy tính phân析 và nhận dạng các đối tượng trong hình ảnh. Trong hệ thống phân loại trái cây, camera quang học chụp ảnh sản phẩm và gửi dữ liệu tới bộ xử lý. Các thuật toán nhận dạng hình ảnh sẽ phân tích màu sắc, kích thước, độ mịn bề mặt để xác định chất lượng. Kỹ thuật này cho phép tự động phát hiện các khiếm khuyết trên trái cây với độ chính xác cao hơn con mắt người.

1.2. Lợi ích của Tự động hóa trong Phân loại

Tự động hóa hệ thống phân loại sản phẩm mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Nó giảm đáng kể sai sót do con người gây ra, tăng tốc độ xử lý sản phẩm và tiết kiệm chi phí lao động. Hệ thống hoạt động liên tục với độ ổn định cao, đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra nhất quán. Ngoài ra, việc quản lý qua WebServer cho phép giám sát từ xa, phân tích dữ liệu sản xuất và tối ưu hóa quy trình.

II. Thành phần Kỹ thuật của Hệ thống

Hệ thống phân loại trái cây tự động bao gồm nhiều thành phần kỹ thuật được tích hợp chặt chẽ. Phần cứng chính gồm PLC (Programmable Logic Controller) điều khiển toàn bộ quy trình, camera hình ảnh để xử lý ảnh nhận dạng, băng tải động vận chuyển sản phẩm, xi lanh khí nén thực hiện phân loại và SCADA giám sát hệ thống. Phần mềm bao gồm chương trình điều khiển PLC Mitsubishi và LabVIEW để xử lý và phân tích hình ảnh. Tất cả các thành phần này được kết nối với WebServer để quản lý và giám sát hệ thống từ xa.

2.1. Hệ thống Quang học và Xử lý Ảnh

Camera quang học là trái tim của hệ thống xử lý ảnh. Camera chất lượng cao được lắp đặt chiếu sáng tối ưu để chụp hình ảnh rõ nét của từng quả trái. Hình ảnh được truyền tới module xử lý ảnh chạy thuật toán nhận dạng. Phần mềm LabVIEW thực hiện xử lý ảnh, phân tích màu sắc, kích thước, độ dư thừa để phân loại sản phẩm theo tiêu chuẩn.

2.2. Thiết bị Điều khiển và Thực thi

PLC Mitsubishi là bộ điều khiển trung tâm nhận lệnh từ hệ thống xử lý ảnh. Dựa vào kết quả phân loại, PLC gửi tín hiệu tới contactor điều khiển động cơ và van pneumatic để điều khiển xi lanh. Xi lanh khí nén thực hiện hành động đẩy sản phẩm vào hộp tương ứng. Toàn bộ quy trình được điều khiển theo logic Grafcet để đảm bảo trình tự thực hiện đúng.

III. Quy trình Hoạt động và Điều khiển Hệ thống

Quy trình hoạt động của hệ thống phân loại trái cây tự động bắt đầu khi sản phẩm được đưa lên băng tải chính. Khi trái cây đi qua vùng quang học xử lý ảnh, camera chụp ảnh và gửi tới module xử lý ảnh để phân析. Thuật toán nhận dạng xác định trái cây tươi hay trái cây hư dựa trên đặc trưng hình ảnh. PLC nhận kết quả phân loại và điều khiển xi lanh pneumatic đẩy sản phẩm vào ngăn tương ứng. Hệ thống có ba chế độ hoạt động: chạy thử nghiệm, chạy tự động và chạy sự cố. SCADA giám sát toàn bộ quy trình và WebServer cho phép quản lý từ xa.

3.1. Chu kỳ Phân loại và Xử lý Ảnh

Mỗi chu kỳ phân loại kéo dài vài giây. Sản phẩm từ băng tải vận chuyển chuyển qua vùng có camera và đèn chiếu sáng. Camera xử lý ảnh chụp ảnh sản phẩm theo nhiều góc độ. Hình ảnh được gửi tới bộ xử lý ảnh chạy thuật toán machine learning hoặc rule-based để phân loại. Kết quả phân loại trả về PLC với độ tin cậy cao (sai số dưới 3%).

3.2. Hệ thống Điều khiển Tự động Logic

Hệ thống sử dụng logic Grafcet và Gemma để quản lý các trạng thái hoạt động. Grafcet định nghĩa trình tự thực hiện các công đoạn: vận chuyển → chụp ảnh → phân loại → phân loại → đóng gói. Gemma quản lý các chế độ: chạy tự động, chạy thủ công, dừng khẩn cấp. Safety logic đảm bảo an toàn toán hệ thống, tự động dừng nếu phát hiện sự cố.

IV. Quản lý Hệ thống qua WebServer và SCADA

WebServer và SCADA là các công cụ quản lý trung tâm của hệ thống phân loại trái cây. SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) thu thập dữ liệu từ PLC, camera và các cảm biến, hiển thị lên giao diện giám sát. Người điều hành có thể theo dõi số lượng sản phẩm phân loại, tỷ lệ sai sót, trạng thái thiết bị. WebServer cho phép truy cập hệ thống từ xa qua mạng, giúp quản lý và phân tích dữ liệu sản xuất. Dữ liệu được lưu trữ để phân析xu hướng, tối ưu hóa năng suất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Hệ thống cũng hỗ trợ báo cáo tự động và cảnh báo sự cố kịp thời.

4.1. Giao diện SCADA và Giám sát

Giao diện SCADA hiển thị thông tin chi tiết về hoạt động hệ thống. Màn hình hiển thị trạng thái băng tải, số lượng sản phẩm phân loại, tỷ lệ trái cây tươi/hư, tỷ lệ sai sót. Người giám sát có thể điều khiển các chế độ hoạt động, thay đổi tham số xử lý ảnh ngay từ giao diện. Dữ liệu được cập nhật real-time, cho phép phát hiện sự cố nhanh chóng.

4.2. Quản lý Từ xa và Phân tích Dữ liệu

Thông qua WebServer, quản lý có thể truy cập hệ thống từ bất kỳ vị trí nào. Dashboard web cung cấp báo cáo chi tiết về năng suất hàng ngày/tuần/tháng, hiệu suất máy, chi phí vận hành. Machine learning có thể áp dụng để dự báo sự cố, tối ưu hóa quy trình phân loại. Dữ liệu lịch sử giúp cải thiện độ chính xác của xử lý ảnh qua thời gian.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, tình hình phát triển nông nghiệp và nông sản trong nước ta vẫn còn chậm và thủ công. Vấn đề sản xuất chưa đạt hiệu xuất cao và cần nhiều nhân công lao động trong khi tỉ lệ cầu trong xã hội lớn hơn tỉ lệ cung trong sản xuất nông nghiệp. Vì vậy nền nông nghiệp nước ta sẽ cần phải tăng nhiều hơn so với mức hiện tại để phục vụ cho người dân. Ngày nay, trong xu thế phát triển mạnh của khoa học kỹ thuật thế giới nói chung, cùng các ngành kỹ thuật mũi nhọn là công nghệ thông tin và tự động hóa nói riêng.

Những tiến bộ mới trong khoa học công nghệ đã và đang làm thay đổi hoàn toàn nền nông nghiệp hiện đại. Người nông dân hiện có quyền truy cập vào các công cụ, ứng dụng thông minh, qua đó giúp họ nâng cao sản xuất, đáp ứng nhu cầu về lương thực đang ngày càng tăng. Với những định hướng rõ ràng đó, nhiều thành tựu khoa học đã được áp dụng vào tất cả các lĩnh vực trong trồng trọt và chăn nuôi. Trong lĩnh vực trồng trọt cũng không nằm ngoài xu hướng đó nhất là trong bối cảnh nước ta đã gặp nhiều khó khăn về chất lượng nông sản và chi phí giá thành.

Bởi vì lẽ đó nếu không nhanh chóng áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật sẽ khiến cho đời sống nhân dân và nền kinh tế chậm phát triển. Trong đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế - thi công hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh và quản lý hệ thống qua WebServer” với sự gợi ý của thầy ThS. Phạm Quốc Phương, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài thiết kế một mô hình phân loại trái cây tươi - trái cây hư dưới sự quản lý của một hệ thống SCADA kết hợp WebServer nhằm đáp ứng các yêu cầu trong quản lý, vận hành nông trại. Đề tài được tập trung vào hướng chính là: Phân loại trái cây thông qua ứng dụng xử lý ảnh của LabView, đóng gói trái cây và thao tác điều khiển trên WebServer.

1 Chương 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1. Tính cấp thiết của đề tài: Ngày nay trong cuộc cách mạng công nghiệp hóa hiện đại hóa ở nước ta, việc áp dụng thiết bị hiện đại vào trong các ngành công nghiệp ngày càng nhiều để điều khiển tự động các quá trình sản xuất, gia công, chế biến sản phẩm. Điều này dẫn tới việc hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt, cho phép tự động hóa ở các mức độ khác nhau với sản xuất hàng loạt từ nhỏ đến vừa và cao trên cơ sở sử dụng các thiết bị như robot, xy lanh khí nén,… Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển của nền kinh tế thị trường, các ngành nông nghiệp về sản xuất và chế biến nông sản cũng đang phát triển mạnh mẽ khi áp dụng các khoa học công nghệ, các máy móc, thiết bị và các hệ thống tự động hóa vào công việc sản xuất. Trên cơ sở chiến lược phát triển mà nước ta đã đưa ra cho thấy được là nông sản của Việt Nam ngày càng khẳng định được vị thế ở thị trường trong nước và ngoài nước, đóng góp một phần không nhỏ vào nền kinh tế nước nhà.

Nông sản sau khi thu hoạch sẽ được phân thành nhiều loại với những tiêu chuẩn khác nhau về màu sắc, khối lượng,… Bằng các phương pháp phân loại truyền thống bằng tay thì người nông dân sẽ khó có thể phân biệt chính xác được các yêu cầu về tiêu chuẩn sản phẩm.1: Người nông dân đang phân loại cà chua (nguồn: Internet) 2 Sự phát triển mạnh mẽ về khoa học công nghệ, kỹ đã tạo ra các thuật toán về xử lý ảnh giúp nhận diện và phân loại các sản phẩm bằng cách đưa các thông số, hình ảnh của sản phẩm vào phần mềm. Bên cạnh đó, sự ra đời và được phổ biến rộng rãi của băng tải công nghiệp thì gần như hầu hết các dây chuyền sản xuất, phân loại đều không thể thiếu. Việc tối ưu hóa bằng các dây chuyền tự động hóa ở các khâu, áp dụng những công nghệ, sản phẩm của khoa học kỹ thuật vào các quy trình sản xuất nông sản nhằm giúp cho công việc phân loại giảm thiểu sự sai sót khi đòi hỏi tốc độ đáp ứng cao và ổn định của thiết bị, cho thời gian làm việc liên tục để đạt được hiệu suất cao. Mặt khác, giảm bớt sức lao động của con người, giảm giá thành, đáp ứng được tiêu chuẩn về an toàn vệ sinh thực phẩm.

Mặc dù việc phân loại sản phẩm đã xuất hiện từ khá lâu, tuy nhiên vẫn chưa có một hệ thống nào phục vụ riêng cho quá trình phân loại và đóng gói cà chua. Việc đánh giá chất lượng quả cà chua được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu và dựa hoàn toàn vào các đặc điểm như màu sắc, kích thước, khối lượng, bề mặt cà chua,…để đánh giá chất lượng bên ngoài. Còn về chất lượng bên trong đến nay vẫn chưa đánh được.2: Hệ thống phân loại cà chua còn nhiều công nhân tham gia phân loại (nguồn: Internet) 3 1. Mục đích nghiên cứu của đề tài: Đề tài nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại cà chua nhằm kiểm soát, đánh giá chất lượng về quả cà chua tươi (tiêu chuẩn GAP) trước khi đưa vào khâu đóng gói và xuất khẩu ra thị trường.

Rau củ quả được thu hoạch đúng độ chín, kích thước, hình dạng,…loại bỏ các quả bị héo, bị hỏng do sâu bọ,…Đề tài này sẽ ứng dụng công nghệ xử lý ảnh, các thuật toán về xử lý ảnh thông qua bộ Toolkit Vision Acquisition trong phần mềm LabView do National Instrusment cung cấp nhằm nhận dạng mẫu và đánh giá chất lượng của quả cà chua. Mục đích chính là thiết kế, chế tạo mô hình phân loại cà chua dựa trên công nghệ xử lý ảnh trên LabView để đáng giá chất lượng quả cà chua qua kiểm tra bề mặt có bị hỏng do sâu bệnh, bị héo,…độ chín dựa theo màu sắc của quả cà chua. Và đóng gói cà chua sau khi phân loại nhằm nâng cao năng suất. Ứng dụng kết quả nghiên cứu, thiết kế mô hình vào quá trình sản xuất nông sản ở các nông trại.

Nhiệm vụ nghiên cứu: Nhiệm vụ chính của đồ án này là: - Lập trình xử lý ảnh trên Labview - Phân loại liên tục số lượng cà chua được đưa vào băng tải. - Lập trình PLC. - Kết nối, quản lý, giám sát hệ thống thông qua Web Server, cho phép điều khiển và xem dữ liệu trực tiếp. Phạm vi giới hạn đề tài: Hệ thống phân loại sản phẩm và đóng gói là một đề tài đã được nghiên cứu và phát triển từ khá lâu trong các nhà máy.

Những hệ thống được hoàn thiện về chất lượng và thẩm mỹ. Và trong giới hạn của đề tài nghiên cứu, vẫn còn hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm thực tế, thời gian và kinh phí nên đề tài sẽ có những giới hạn sau: - Hệ thống điều khiển: PLC. - Phân loại xử lý ảnh LabView. 4 - Phân loại quả cà chua theo 3 loại màu.

- Động cơ truyền động: Động cơ điện một chiều. - Hệ thống dẫn động: Băng tải. - Cơ cấu phân loại: Xilanh khí nén. - Nguồn điện cung cấp: Điện áp xoay chiều 220V và điện áp một chiều 24V.

Chức năng hệ thống: Hệ thống phân loại và đóng gói cà chua bao gồm các chức năng: - Phân loại cà chua theo mức độ chín bằng màu sắc, dùng xử lý ảnh trên LabView. - Đóng gói cà chua theo số lượng được quy định sẵn của từng hộp. - Quản lý, giám sát hoạt động của hệ thống qua phần mềm. - Tự động hóa hầu hết các khâu trong hệ thống giúp giảm bớt sức lao động và giảm thiểu rủi ro khi làm việc.

Giới thiệu phần mềm hỗ trợ thiết kế, điều khiển: 1. Phần mềm GX Works 3: GX Works 3 là phần mềm lập trình và bảo trì của MELSOFT dành cho PLC Mitsubishi. GX Works 3 được nâng cấp từ GX Works 2 và được sử dụng để lập trình cho một số dòng PLC mới như FX5U, có thêm công cụ check lỗi Debug, độ bảo mật cao, hỗ trợ cấu hình truyền thông và điều khiển phát xung nhanh chóng. GX Works 3 Hỗ trợ các ngôn ngữ IEC 61131-3, có thể chọn bất kì ngôn ngữ nào trong số 5 ngôn ngữ: LAD, FB, SFC, ST, IL.3: Phần mềm GX Works 3 1.

Phần mềm LabView: LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một phần mềm máy tính được phát triển bởi công ty National Instruments. LabVIEW dùng trong hầu hết các phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật như tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử y sinh ở các nước đặc biệt là Mỹ, Hàn quốc, Nhật Bản. LabView được sử dụng rộng rãi trong khoa học – kỹ thuật – giáo dục nhằm nhanh chóng và dễ dàng tạo ra các ứng dụng giao tiếp máy tính, đo lường, mô phỏng hệ thống, kết nối thiết bị ngoại vi với máy tính theo thời gian thực. Lập trình đồ họa hoàn toàn giống như các ngôn ngữ khác, sự khác biệt là giao diện, cách thức tạo ra chương trình không còn là những dòng lệnh như trong Pascal, C mà là những biểu tượng, dây nối.4: Phần mềm LabVIEW 1.

Phần mềm NI OPC Server Configuration: Máy chủ OPC là một phần mềm hỗ trợ cho LabVIEW giúp chuyển đổi các giao thức công nghiệp độc quyền sang các giao thức OPC Classic và OPC Unified Archiecture (UA) mở. Việc chuyển đổi sang OPC này cho phép các ứng dụng LabVIEW giao tiếp với nhiều bộ điều khiển logic lập trình (PLC) khác nhau và các thiết bị của bên thứ ba thông qua OPC UA Client được bao gồm trong bộ công cụ LabVIEW OPC UA, cung cấp một nền tảng duy nhất để cung cấp các phép đo và điều khiển hiệu suất cao đến các hệ thống công nghiệp.5: Phần mềm NI OPC Servers 7 1. Phần mềm Solidwork: Hiện nay Solidworks được sử dụng khá phổ biến trên thế giới. Ở Việt Nam phần mềm này được sử dụng rất nhiều không chỉ trong lĩnh vực cơ khí mà nó còn được mở rộng ra các lĩnh vực khác như: Điện, khoa học ứng dụng, cơ mô phỏng, ngành kỹ thuật, công nghiệp.

kiến trúc, nội thất, xây dựng,… Những tính năng cơ bản trên phần mềm Solidwork:  Thiết kế mô hình 3D chi tiết.  Thiết kế lắp ghép các cụm chi tiết  Xuất bản vẽ dễ dàng.6: Phần mềm Solidwork 8 Chương 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2. Tìm hiểu đề tài, tham khảo các tài liệu, công trình, sản phẩm hiện tại: 2.