Đồ án: Thiết kế thi công mô hình phân loại sản phẩm và xử lý ảnh dùng PLC

Tài liệu đồ án thiết kế mô hình phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200. Báo cáo chi tiết nguyên lý, sơ đồ và phần mềm.

• Tác giả: Trần Đại Phú
• Người hướng dẫn: Th. Huỳnh Phát Huy
• Trường học: Trường Đại học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Mô hình phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh và PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Mô Hình Phân Loại Sản Phẩm Bằng Xử Lý Ảnh

Mô hình phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh là một giải pháp tự động hóa tiên tiến trong ngành công nghiệp hiện đại. Hệ thống này kết hợp công nghệ xử lý hình ảnh với thiết bị điều khiển tự động (PLC) để nhận diện và phân loại sản phẩm một cách nhanh chóng và chính xác. Ứng dụng của mô hình này rất đa dạng, từ kiểm tra chất lượng sản phẩm, phát hiện lỗi, cho đến sắp xếp và phân loại theo tiêu chí cụ thể. Công nghệ xử lý ảnh cho phép hệ thống phân tích các đặc điểm trực quan của sản phẩm như màu sắc, kích thước, hình dạng và các khiếm khuyết bề mặt. Việc tích hợp PLC S7-1200 giúp tự động hóa quá trình quyết định và điều khiển các thiết bị thực thi như xy lanh khí nén, động cơ bước, đảm bảo hiệu suất hoạt động cao nhất.

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Hệ Thống

Hệ thống phân loại sản phẩm hoạt động theo quy trình: sản phẩm đi qua vị trí quét được camera capture, dữ liệu hình ảnh được gửi về PLC S7-1200 để xử lý, so sánh với các tiêu chí đã lập trình sẵn. Dựa vào kết quả phân tích xử lý ảnh, PLC sẽ phát đi các tín hiệu điều khiển đến các thiết bị thực thi như động cơ bước, xy lanh khí nén để đẩy sản phẩm vào ngăn tương ứng. Quá trình này lặp lại liên tục, cho phép hệ thống phân loại sản phẩm với tốc độ cao.

1.2. Lợi Ích Và Ứng Dụng Thực Tế

Mô hình này mang lại nhiều lợi ích vượt trội: tăng hiệu suất sản xuất, giảm sai sót do con người, tiết kiệm chi phí nhân công. Xử lý ảnh kết hợp PLC được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, điện tử, dệt may, sản xuất linh kiện máy móc. Hệ thống có khả năng phân loại hàng chục sản phẩm mỗi phút với độ chính xác cao, đáp ứng nhu cầu sản xuất hiện đại.

II. Công Nghệ PLC S7 1200 Trong Hệ Thống Tự Động Hóa

PLC S7-1200 là bộ điều khiển lập trình của hãng Siemens, được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng vừa và nhỏ yêu cầu độ tin cậy cao. Đây là lựa chọn tối ưu cho mô hình phân loại sản phẩm vì khả năng xử lý dữ liệu nhanh, hỗ trợ nhiều loại module mở rộng, và giao diện lập trình thân thiện. PLC S7-1200 cung cấp các chức năng như điều khiển tín hiệu vào/ra, xử lý dữ liệu phức tạp, kết nối mạng để trao đổi thông tin với các thiết bị khác. Các CPU của S7-1200 như CPU 1211C, 1212C, 1214C, 1215C có hiệu năng khác nhau, cho phép lựa chọn phù hợp với độ phức tạp của ứng dụng. Khả năng tích hợp module tín hiệu (SM), module giao tiếp (CM) giúp PLC S7-1200 trở thành giải pháp hoàn chỉnh cho các hệ thống phân loại tự động.

2.1. Cấu Trúc Và Thành Phần Chính

PLC S7-1200 bao gồm CPU xử lý trung tâm, module nguồn (Power Module), các module tín hiệu vào/ra, module giao tiếp, và thẻ nhớ MMC. CPU đóng vai trò xử lý logic chương trình, module nguồn cung cấp điện cho hệ thống, module tín hiệu chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến, module giao tiếp giúp kết nối với máy tính hoặc thiết bị khác. Cấu trúc mô-đun cho phép mở rộng hệ thống PLC linh hoạt theo nhu cầu ứng dụng.

2.2. Lập Trình Và Điều Khiển Với TIA Portal

TIA Portal V15 là phần mềm lập trình chính thức cho PLC S7-1200, hỗ trợ nhiều ngôn ngữ như STL, LAD, FBD, SCL. Giao diện trực quan giúp lập trình viên dễ dàng tạo chương trình điều khiển. Lập trình PLC S7-1200 cho hệ thống phân loại sản phẩm bao gồm: đọc tín hiệu từ cảm biến, xử lý logic quyết định dựa vào dữ liệu xử lý ảnh, phát lệnh điều khiển thiết bị thực thi theo thứ tự xác định.

III. Công Nghệ Xử Lý Ảnh Và Nhận Dạng Sản Phẩm

Xử lý ảnh (Image Processing) là quá trình phân tích, xử lý dữ liệu hình ảnh để trích xuất thông tin có ích. Trong mô hình phân loại sản phẩm, công nghệ này được sử dụng để phát hiện các đặc điểm như màu sắc, hình dạng, kích thước, khiếm khuyết của sản phẩm. Quy trình xử lý ảnh bao gồm: capture ảnh từ camera, tiền xử lý ảnh (hiệu chỉnh độ sáng, loại bỏ nhiễu), phân tích và trích xuất đặc trưng, so sánh với mẫu chuẩn, đưa ra kết luận phân loại. Các thuật toán nhận dạng hình ảnh hiện đại như machine learning, deep learning có thể được tích hợp để nâng cao độ chính xác. Việc kết hợp xử lý ảnh với PLC S7-1200 cho phép tự động hóa quy trình phân loại, giảm thiểu can thiệp con người, tăng hiệu suất sản xuất đáng kể.

3.1. Quy Trình Capture Và Xử Lý Dữ Liệu Hình Ảnh

Webcam hoặc camera công nghiệp capture ảnh sản phẩm khi nó đi qua vị trí quét. Dữ liệu ảnh được chuyển sang phần mềm LabVIEW hoặc công cụ xử lý ảnh để phân tích. Các bước xử lý bao gồm: chuyển đổi ảnh sang định dạng phù hợp, áp dụng các bộ lọc để cải thiện chất lượng, phân割chia vùng ảnh, phát hiện cạnh, trích xuất đặc trưng màu sắc, kích thước. Kết quả được mã hóa thành dữ liệu số để PLC S7-1200 xử lý.

3.2. So Sánh Với Chuẩn Và Phân Loại

Sau khi trích xuất đặc trưng từ ảnh sản phẩm, hệ thống so sánh với các tiêu chuẩn đã được cấu hình sẵn. Mô hình phân loại xác định sản phẩm thuộc loại nào dựa vào độ trùng khớp các đặc điểm. PLC S7-1200 nhận kết quả phân loại từ phần mềm xử lý ảnh, sau đó phát lệnh điều khiển các thiết bị thực thi đẩy sản phẩm vào ngăn phân loại tương ứng. Quá trình này diễn ra tự động, liên tục, đảm bảo độ chính xác cao.

IV. Thiết Kế Và Lắp Đặt Mô Hình Phân Loại Thực Tế

Thiết kế mô hình phân loại sản phẩm bao gồm nhiều thành phần cơ - điện - điện tử được tích hợp chặt chẽ. Các thiết bị chính gồm: cảm biến phát hiện vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 để phát hiện sản phẩm, webcam Full HD để capture ảnh, động cơ bước Step motor 42 (NEMA17) để điều khiển vị trí sản phẩm, mạch điều khiển TB6600 để điều khiển động cơ, xy lanh khí nén MAL16x50 để thực hiện hành động đẩy sản phẩm, máy khí nén cung cấp áp lực. PLC S7-1200 CPU 1212C là trung tâm điều khiển toàn bộ hệ thống. Các thành phần được lắp đặt trên khung cấu trúc, kết nối điện theo sơ đồ thiết kế, lập trình PLC qua TIA Portal, sử dụng LabVIEW để xử lý ảnh, sử dụng Kepserver EX để giao tiếp dữ liệu.

4.1. Danh Sách Thiết Bị Và Thành Phần Cần Thiết

Hệ thống phân loại sản phẩm cần các thiết bị: PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC (CPU xử lý), cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4 (phát hiện sản phẩm), webcam máy tính Full HD 720p (capture ảnh), động cơ bước NEMA17 (điều khiển chuyển động), mạch TB6600 (điều khiển động cơ), xy lanh khí nén MAL16x50 (thực thi đẩy), máy khí nén có bình chứa (cung cấp áp lực), các rơle, contactor, cầu dao (điều khiển điện), dây kết nối, phích cắm, thiết bị an toàn.

4.2. Sơ Đồ Lắp Đặt Và Chạy Thử Hệ Thống

Sơ đồ khối mô hình gồm: phần cảm biến & capture (phát hiện sản phẩm, chụp ảnh), phần xử lý (PLC & máy tính xử lý ảnh), phần thực thi (động cơ, xy lanh). Các component được kết nối theo sơ đồ điện chuẩn, lập trình PLC qua TIA Portal, cấu hình LabVIEW xử lý ảnh, chạy thử toàn hệ thống. Chạy thử mô hình bao gồm: kiểm tra cảm biến, kiểm tra capture ảnh, kiểm tra xử lý ảnh, kiểm tra phát lệnh điều khiển, kiểm tra chuyển động thiết bị thực thi, điều chỉnh tham số để tối ưu hoạt động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lý Do Lựa Chọn Đề Tài Với sự phát triển của công nghệ chuyển đổi số hiện nay, các dây chuyền máy móc tự động được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và sản xuất. Các doanh nghiệp hàng ngày luôn đề xuất đưa ra các ý tưởng giải pháp cải tiến công nghệ, hệ thống máy móc để tạo ra những sản phẩm bắt kịp xu thế thị trường, nâng cao chất lượng, giá cả cạnh tranh nhất khi đến tay người tiêu dùng. Đó chính là cơ sở để doanh nghiệp có thể nâng tầm sự uy tín, có vị thế canh tranh với các đối thủ cùng phân khúc trên thị trường. Sau khi được giáo viên hướng dẫn (GVHD) đưa ra các ví dụ mô hình ứng dụng thực tế trong nhà máy, nhóm đã ngày đêm suy nghĩ và lấy ý tưởng từ một công đoạn sản xuất: phân loại sản phẩm xử lý ảnh sử dụng PLC.2 Mục Tiêu Của Đề Tài - Khi hoàn thành được mô hình thực tế nhóm mong muốn có thể áp dụng được vào các nhà máy để cải tiến công đoạn, đề tài có thể là một giải pháp hữu ích góp phần tự động hóa dây chuyền sản xuất.

Giải pháp của nhóm đưa ra có thể áp dụng được rất nhiều ứng dụng khác nhau trong các nhà máy tùy vào mục đích sử dụng. - Nhóm có thể học hỏi được điểm mạnh và khắc phục những điểm yếu của nhau, cùng nhau hiểu được nguyên lý của hệ thống, mỗi thành viên đảm nhiệm công việc khác nhau nhưng khi hoàn thành, tất cả nhóm sẽ nắm bắt công việc lắp đặt và thiết kế mô hình, lập trình được PLC S7 – 1200. - Đồ án tốt nghiệp được Giảng viên hướng dẫn giao phó vừa là thách thức và là cơ hội để nhóm trau dồi các kỹ năng cần thiết để hoàn thiện bản thân hơn.2 PHẠM VI NGHIÊN CỨU - PLC S7 – 1200; - Lập trình TIA Portal V15.1; - Lập trình Labview 2020; - Các cảm biến phát hiện, Động cơ bước DC; 1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu các tài liệu về lập trình PLC S7 – 1200; - Tìm hiểu thông tin của các cảm biến, động cơ bước DC; - Tìm hiểu thực tế hiện trạng tại một số nhà máy; - Thiết kế mô hình, vận hành thử và đưa ra kết quả đạt được; 19 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ PLC S7 – 1200 2.1 TỔNG QUAN VỀ PLC S7 – 1200 2.1 PLC S7 – 1200 Lựa Chọn Cho Hệ Thống Vừa Và Nhỏ Bộ điều khiển PLC S7 – 1200 được sử dụng với sự linh động và khả năng mở rộng phù hợp cho các ứng dụng của hệ thống tự động hóa vừa và nhỏ, giống như mô hình mà nhóm thực hiện.

Thiết kế nhỏ gọn, cấu hình linh động, hỗ trợ mạnh mẽ về tập lệnh làm cho bộ điều khiển PLC S7 – 1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo trong việc điều khiển, cho lựa chọn phù hợp đối với nhiều ứng dụng khác nhau. CPU của PLC S7 – 1200 được kết hợp với một vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, tín hiệu vào/ra, thiết kế tích hợp cổng Profinet, các bộ đếm/phát xung tốc độ cao tích hợp trên thân, điều khiển vị trí motion control, và ngõ vào tương tự analog đã làm cho PLC S7 – 1200 trở thành một bộ điều khiển nhỏ gọn nhưng đầy mạnh mẽ. Sau khi tải Dowload chương trình xuống CPU nhưng vẫn lưu giữ những logic cần thiết để theo dõi và kiểm soát các thiết bị/thông tin trong ứng dụng của người lập trình. CPU giám sát ngõ vào và thay đổi ngõ ra theo logic trong chương trình người dùng bao gồm các phép toán logic của đại số Boolean, các bộ đếm, bộ định thì, các phép toán phức tạp và những giao tiếp truyền thông với những thiết bị thông minh khác.

̀ h 2-1: PLC S7 – 1200 Hin 20 Bộ điều khiển PLC S7 – 1200 được tính hợp sẵn một cổng Profinet để truyền thông mạng Profinet. Ngoài ra, PLC S7 – 1200 có thể truyền thông Profibus, GPRS, RS485 hoặc RS232…. Thông qua các module mở rộng. ̀ h 2-2 PLC S7 – 1200 Giải pháp tự động tối ưu cho ứng dụng vừa và nhỏ Hin ̀ h 2-3 Chi tiết các chức năng trên CPU S7 - 1200 Hin 21 2.2 Một Số CPU S7 – 1200 Thông Dụng Hiện nay, tất cả dòng PLC tiêu chuẩn có thể được mở rộng bởi các board tín hiệu và 3 module truyền thông.

Số lượng các I/O tích hợp cũng như các module mở rộng tùy thuộc sẽ khác nhau tùy vào từng loại CPU. Bảng 2-1: Thông tin về CPU 1211C và 1212C Đặc điểm CPU 1211C CPU 1212C Work 50 KB 75 KB Bộ nhớ chương Load 1 MB 2 MB trình Retentive 10 KB Digital 6 DI/4 DO 8 DI/6 DO I/O Tích hợp Analog 2 AI Input 1024 Byte Process image Output 1024 Byte Vùng nhớ M 4096 Byte Module mở rộng - 2 SB, BB, CB 1 Module truyền thông CM 3 Tổng cộng Lên tới 6 Bộ đếm tốc cao 1 MHz - HSC 100/80 KHz I0.7 Bộ phát xung Tổng cộng Lên tới 4 1 MHz - PTO/PWM 100 Mhz Q0.5 Thẻ nhớ Hỗ trợ Lữu trữ thời gian thực: 20 ngày/nhỏ nhất 12 ngày tại 40 độ C Tích hợp cổng Profinet 1 22 Tốc độ xử lý phép toán số thực 2.3 µs/lệnh Tốc độ xử lý phép toán Boolean 0.08 µs/lệnh Bảng 2-2: Thông tin về CPU 1214C và 1215C Đặc điểm CPU 1214C CPU 1215C Work 100 KB 125 KB Bộ nhớ chương Load 4 MB trình Retentive 10 KB Digital 14 DI/10 DO I/O Tích hợp Analog 2 AI 2 AI/2 AO Input 1024 Byte Process image Output 1024 Byte Vùng nhớ M 8192 Byte Module mở rộng 8 SB, BB, CB 1 Module truyền thông CM 3 Tổng cộng Lên tới 6 Bộ đếm tốc cao 1 MHz - HSC 100/80 KHz I0.5 Bộ phát xung Tổng cộng Lên tới 4 1 MHz - PTO/PWM 100 Mhz Q0.1 Thẻ nhớ Hỗ trợ Lữu trữ thời gian thực: 20 ngày/nhỏ nhất 12 ngày tại 40 độ C Tích hợp cổng Profinet 1 Tốc độ xử lý phép toán số thực 2.3 µs/lệnh 23 Tốc độ xử lý phép toán Boolean 0.3 Khối Hàm, Bộ Định Thì, Bộ Đếm PLC S7 – 1200 Bảng 2-3: Khối hàm, bộ định thì, bộ đếm của PLC S7 – 1200 Thành phần Miêu tả Kiểu OB, FB, FC, DB - 30 KB (CPU 1211C) - 50 KB (CPU 1212C) Kích thước Các - 64 KB (CPU 1214C, CPU1215C Block và CPU 1217C) Số lượng Lên tới 1024 Số lần gọi lồng các hàm (nesting) 16 bắt đầu từ Main 2 Block cùng lúc Giám sát Main Nhiều OB Main Khởi động Nhiều OB khởi động Ngắt thời gian 4 Ngắt chu kỳ 4 Ngắt phần cứng 50 Ngắt lỗi thời gian 1 Các Ngắt chuẩn đoán lỗi 1 khối Tháo/gắn Module 1 OB Lỗi rack hoặc station 1 Time of day Nhiều OB Time of day Status 1 Update 1 Profile 1 MC-Interpolator 1 24 MC-Servo 1 MC-PreServo 1 MC-PostServo 1 Bộ Kiểu IEC định Số lượng Phụ thuộc bộ nhớ thì Lưu trữ Lưu trong DB, 16 Byte Kiểu IEC Số lượng Phụ thuộc bộ nhớ Bộ Phụ thuộc vào cấu trúc DB đếm - Sint, USint: 3 byte Lưu trữ - Int, UInt: 6 byte - DInt, UDInt: 12 byte 2.2 MODULE PHẦN CỨNG PLC S7 – 1200 2.1 MODULE CPU Xử Lý Trung Tâm Module CPU xử lý trung tâm chứa vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thì, bộ đếm, cổng truyền thông Profinet…Module lưu trữ chương trình người dùng trong bộ nhớ. Ngoài ra, các module CPU có thể tích hợp một vài cổng vào/ra digital, analog. CPU S7 – 1200 hỗ trợ các giao thức truyền thông như: TCP/IP, ISO-on-TCP, S7 communication.

Đồng thời, CPU tích hợp những tập lệnh hỗ trợ cho truyền thông như: USS, Modbus RTU, Freeport hoặc S7 communication, T-send/T-Receive…Cổng Profinet tích hợp cho phép CPU có thể kết nối với HMI, máy tính lập trình, các bộ I/O phân tán (ET 200SP, ET 200MP, …) hay những bộ điều khiển PLC khác qua Profinet. 25 ̀ h 2-4: Bộ I/O phân tán ET 200SP Hin ̀ h 2-5: Bộ I/O ET 200SP Hin 2.2 Module Nguồn – Power Module Module nguồn cung cấp nguồn hoạt động cho các module phần cứng kết nối với CPU, viết tắt là PM 1207 26 ̀ h 2-6: Module Nguồn PM 1207 Hin Module PM 1207 yêu cầu điện áp đầu vào 120/230 VAC và điện áp đầu ra là 24VDC/2.5A thiết kế riêng cho PLC S7 – 1200 và không cần khai báo trong cấu hình phần cứng.3 Module Tín Hiệu SM Module AI: Đọc tín hiệu tương tự với các loại tín hiệu khác nhau như dòng 4–20 mA (theo cách đấu 2 dây và 4 dây), đọc tín hiệu điện áp 0 – 10 VDC, tín hiệu RTD, TC,. ̀ h 2-7: Module AI SM 1231 Hin 27 - Module AI/AO: Cho phép đọc/ghi (xuất) tín hiệu tương tự. - Module AO: Ghi tín hiệu tương tự tới thiết bị ngoại vi.

- Module DI: Đọc tín hiệu số (ON/OFF). - Module DO: Ghi tín hiệu số tới thiết bị ngoại vi. - Module DI/DO: Cho phép đọc/ghi tín hiệu số.4 Module Xử Lý Truyền Thông Module xử lý truyền thông được gắn bên trái CPU và ký hiệu CM 124x hoặc CP 124x. Tối đa gắn được 3 module truyền thông.1 Module Xử lý Truyền Thông CM 124x ̀ h 2-8: Module CM 1241 Hin Module truyền thông CM 124x hỗ trợ các giao thức theo các tiêu chuẩn như: 28 - Truyền thông ASCII: Được sử dụng để giao tiếp với những hệ thống của bên thứ 3 (third – party) để truyền những giao thức đơn giản như kiểm tra các ký tự đầu/cuối, hoặc kiểm tra các thông số của khối dữ liệu.

- Truyền thông Modbus: Sử dụng truyền thông Modbus RTU. + Modbus Master: Có thể giao thức với PLC S7 là Master. + Modbus Slave: Có thể giao thức với PLC S7 là Slave. Không hỗ trợ trao đổi dữ liệu giữa slave với slave trong truyền thông.

- Truyền thông USS Drives: Cho phép kết nối USS với biến tần. Các biến tần có thể trao đổi dữ liệu theo chuẩn RS-485, cho phép điều khiển biến tần cũng như đọc/ghi các thông số. - Truyền thông PtP: Kết nối đa điểm sử dụng theo truyền thông nối tiếp. Truyền thông đa điểm được ứng dụng trong hệ thống tự động hóa SIMATIC S7 và những hệ thống tự động hóa khác sử dụng liên kết với máy in, điều khiển Robot, máy scan, bộ đọc mã vạch QR Code… - Truyền thông Profibus: Theo tiêu chuẩn Profibus DP hỗ trợ DPV1, có thể sử dụng hàm làm Master hoặc Slave tùy thuộc vào ứng dụng và Module sử dụng.

- Module hỗ trợ truyền thông AS – I Master.