Đồ Án Tốt Nghiệp: Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Theo Mã Vạch Sử Dụng PLC S7-1200

Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch sử dụng PLC S7-1200 là một giải pháp tự động hóa hiện đại, giúp nâng cao hiệu quả… 90 trang · Đại học Đà Nẵng · 2023.

• Tác giả: Phạm Đình Cường
• Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân
• Trường học: Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch sử dụng PLC S7-1200
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÃ VẠCH
• 1.1. Tính cấp thiết
• 1.2. Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch
• 1.2.1. Giới thiệu chung
• 1.2.2. Ưu điểm chính của hệ thống
• 1.2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
• 1.2.4. Các công nghệ trên hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch
• 1.3. Phương án thiết kế
• 1.3.1. Các phương án hay dùng để xử lí ảnh
• 1.3.2. Lựa chọn phương án thiết kế
• 1.4. Tổng quan về PLC
• 1.4.1. Định nghĩa PLC
• 1.4.2. Cấu trúc cơ bản của PLC
• 1.4.3. Module vào/ra của PLC được phân loại
• 1.4.4. Bộ nhớ PLC
• 1.4.5. Chu kỳ quét và thời gian quét PLC
• 1.4.6. Ngôn ngữ lập trình PLC
• 1.4.7. Tổ chức chương trình PLC
• 1.4.8. Ưu điểm và nhược điểm của PLC
• 1.4.9. Giới thiệu về PLC S7 1200
• 1.4.9.1. Cấu trúc bên trong
• 1.4.9.2. Phân vùng bộ nhớ
• 1.5. Phần mềm TIA Portal
• 1.5.1. Tổng quan về phần mềm TIA Portal
• 1.5.2. Giao diện phần mềm
• 1.5.3. Sử dụng bảng tag trong PLC
• 1.5.4. Tải xuống chương trình CPU
• 1.6. Giới thiệu về WinCC
• 1.6.1. Tổng quan về WinCC
• 1.6.2. Các ứng dụng của WinCC
• 1.7. Tổng quan vệ phần mềm PyCharm
• 1.7.1. Các tính năng của Pycharm
• 1.7.2. Hướng dẫn sử dụng Pycharm
• 2. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
• 2.1. Quy trình công nghệ
• 2.2. Thiết kế phần cứng
• 2.2.1. Các thiết bị điện cho hệ thống
• 2.2.2. Sơ đồ đấu nối PLC
• 2.3. Thi công mô hình hệ thống
• 2.3.1. Chọn thiết bị
• 2.3.2. Thi công mô hình
• 3. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
• 3.1. Bảng phân công vào ra
• 3.2. Giãn đồ thời gian
• 3.3. Chương trình điều khiển
• 3.4. Thiết kế giao diện WinCC
• 3.4.1. Tạo giao diện cho hệ thống
• 3.4.2. Gắn HMI tags cho hệ thống
• 3.4.3. Hiệu chỉnh giao diện
• 4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch

Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch sử dụng PLC S7-1200 là một giải pháp tự động hóa hiện đại, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất. Với sự phát triển của công nghệ, việc áp dụng mã vạch trong phân loại sản phẩm đã trở thành một xu hướng tất yếu. Hệ thống này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình phân loại.

1.1. Giới thiệu về hệ thống phân loại sản phẩm

Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch sử dụng công nghệ tiên tiến để tự động hóa quy trình phân loại. Mã vạch được in trên sản phẩm giúp nhận diện và phân loại nhanh chóng, chính xác.

1.2. Tính cấp thiết của hệ thống phân loại sản phẩm

Với sự gia tăng của hàng hóa và nhu cầu tiêu dùng, việc phân loại sản phẩm trở nên cần thiết. Hệ thống này giúp giảm thiểu sai sót do con người và nâng cao năng suất lao động.

II. Vấn đề và thách thức trong phân loại sản phẩm theo mã vạch

Mặc dù hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức. Các doanh nghiệp nhỏ thường gặp khó khăn trong việc đầu tư vào công nghệ tự động hóa. Ngoài ra, việc tích hợp hệ thống mới vào quy trình sản xuất hiện tại cũng là một vấn đề cần giải quyết.

2.1. Những khó khăn trong việc áp dụng công nghệ mới

Nhiều doanh nghiệp chưa sẵn sàng đầu tư vào công nghệ tự động hóa do chi phí cao và thiếu hiểu biết về lợi ích lâu dài.

2.2. Thách thức trong việc tích hợp hệ thống

Việc tích hợp hệ thống phân loại sản phẩm vào quy trình sản xuất hiện tại có thể gặp khó khăn do sự khác biệt về công nghệ và quy trình làm việc.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm hiệu quả

Để thiết kế một hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp hiện đại và tối ưu hóa quy trình. Việc lựa chọn thiết bị và công nghệ phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru.

3.1. Lựa chọn thiết bị và công nghệ

Việc lựa chọn PLC S7-1200 và các cảm biến quang học là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và chính xác.

3.2. Thiết kế quy trình làm việc

Quy trình làm việc cần được thiết kế rõ ràng, từ việc quét mã vạch đến phân loại sản phẩm, nhằm tối ưu hóa thời gian và hiệu suất.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch

Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất đến logistics. Việc sử dụng mã vạch giúp tăng cường khả năng quản lý và kiểm soát hàng hóa, đồng thời nâng cao chất lượng dịch vụ.

4.1. Ứng dụng trong ngành sản xuất

Trong ngành sản xuất, hệ thống phân loại sản phẩm giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu sai sót.

4.2. Ứng dụng trong logistics

Hệ thống này cũng được sử dụng trong logistics để theo dõi và quản lý hàng hóa, đảm bảo quá trình vận chuyển diễn ra suôn sẻ.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch

Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch sử dụng PLC S7-1200 không chỉ là một giải pháp hiệu quả cho các doanh nghiệp mà còn là xu hướng phát triển trong tương lai. Với sự tiến bộ của công nghệ, hệ thống này sẽ ngày càng hoàn thiện và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của thị trường.

5.1. Tương lai của công nghệ phân loại sản phẩm

Công nghệ phân loại sản phẩm sẽ tiếp tục phát triển, với sự xuất hiện của các giải pháp tự động hóa thông minh hơn.

5.2. Lợi ích lâu dài của hệ thống

Việc đầu tư vào hệ thống phân loại sản phẩm sẽ mang lại lợi ích lâu dài cho doanh nghiệp, từ việc tiết kiệm chi phí đến nâng cao chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình đẩy mạnh công nghiệp hóa – hiện đại hóa và hội nhập kinh tế quốc tế, việc áp dụng khoa học kỹ thuật và tự động hóa vào sản xuất công nghiệp trở thành yêu cầu cấp thiết. Sự gia tăng mạnh mẽ của nhu cầu tiêu dùng và hoạt động thương mại điện tử đã tạo ra khối lượng hàng hóa lưu thông, vận chuyển và đóng gói rất lớn. Trên mỗi sản phẩm, mã vạch đóng vai trò như một "chứng minh thư", lưu trữ và truyền tải dữ liệu được mã hóa bằng tổ hợp khoảng trắng và vạch thẳng đại diện cho ký tự, con số. Các thông tin này bao gồm quốc gia đăng ký mã vạch, tên doanh nghiệp, số lô sản xuất, tiêu chuẩn chất lượng đăng ký, kích thước, thông số kỹ thuật và địa điểm kiểm tra.

Tại Việt Nam, nhiều doanh nghiệp quy mô vừa và nhỏ vẫn duy trì phương thức phân loại sản phẩm thủ công bằng sức người. Công việc này mang tính lặp lại, đòi hỏi sự tập trung cao, dễ dẫn đến mệt mỏi và sai sót, gây suy giảm năng suất lao động và hạn chế năng lực quản lý dây chuyền. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) kết hợp với công nghệ nhận dạng mã vạch là giải pháp kỹ thuật cần thiết nhằm tối ưu hóa chu trình sản xuất.

Đề tài đặt ra các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Nghiên cứu tổng quan về công nghệ mã vạch, thị giác máy tính (Camera vision) và nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại sản phẩm tự động.
2. Tìm hiểu cấu trúc phần cứng, tập lệnh và phương pháp lập trình trên bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 thông qua phần mềm TIA Portal V16.
3. Nghiên cứu phương án xử lý ảnh trên nền tảng PyCharm (ngôn ngữ Python) và so sánh với môi trường LabVIEW để lựa chọn giải pháp nhận diện mã vạch tối ưu.
4. Thiết kế, lựa chọn thiết bị phần cứng (băng chuyền, động cơ điện một chiều, bộ truyền bánh răng trụ, xi lanh khí nén, van điện từ, cảm biến hồng ngoại PNP, camera công nghiệp, nguồn tổ ong, nút nhấn khẩn cấp) và thi công mô hình thực nghiệm.
5. Xây dựng chương trình điều khiển PLC (chế độ Manual, Auto) và thiết kế giao diện giám sát, thu thập dữ liệu SCADA/HMI trên nền tảng WinCC Runtime Advanced.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch sử dụng bộ điều khiển PLC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng, hoàn thành vào tháng 12 năm 2023.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ ứng dụng

Đề tài dựa trên các nền tảng lý thuyết điều khiển tự động hóa, kỹ thuật số và công nghệ thị giác máy tính:

• Nguyên lý điều khiển lập trình logic (PLC): Thiết bị điều khiển khả trình thực hiện các thuật toán logic theo chu kỳ quét (Scan cycle) bao gồm các giai đoạn: đọc tín hiệu đầu vào (Inputs), thực hiện chương trình ứng dụng (Executing program), xử lý yêu cầu truyền thông (Communications requests), tự chẩn đoán lỗi phần cứng/phần mềm (Self-test diagnostics) và truyền dữ liệu ra cơ cấu chấp hành (Outputs). Cấu trúc bộ nhớ PLC được phân chia thành vùng chương trình (OB1, Subroutine, Interrupt), vùng tham số hệ điều hành (I, Q, M, T, C) và vùng khối dữ liệu (Data Block - DB, Local Data - L).
• Hệ thống thị giác máy tính (Camera vision): Kết hợp cảm biến quang học của máy ảnh công nghiệp để thu nhận hình ảnh sản phẩm, thuật toán giải mã hình ảnh để trích xuất dữ liệu chuỗi ký tự từ mã vạch và truyền kết quả về bộ xử lý trung tâm.
• Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA/HMI): Nền tảng WinCC của Siemens thực hiện chức năng thiết kế giao diện vận hành HMI, quản lý thuộc tính động (Graphics Designer), giám sát và cảnh báo sự cố (Alarm Logging), lưu trữ và nén dữ liệu đo (Tag Logging), quản lý công thức/thông số sản xuất (User Archives) và xuất báo cáo nhật ký vận hành (Report Designer).

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả áp dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật:

• Phương pháp phân tích – tổng hợp lý thuyết: Phân tích tài liệu kỹ thuật của dòng PLC Siemens S7-1200, tập lệnh xử lý tiếp điểm bit, hàm định thời (Timer TON), bộ đếm (Counter CTU), lệnh so sánh số học, lệnh chuyển đổi dữ liệu (Move) và các khối hàm truyền thông công nghiệp PROFINET qua giao thức TCP/IP, ISO-on-TCP.
• Phương pháp so sánh và đánh giá công nghệ: So sánh đối chiếu hai phương án xử lý ảnh giữa môi trường phát triển PyCharm (Python) và phần mềm LabVIEW của National Instruments để lựa chọn giải pháp tối ưu cho hệ thống nhận diện mã vạch.
• Phương pháp thiết kế và thực nghiệm mô hình: Lập bảng phân công địa chỉ vào/ra (I/O), vẽ sơ đồ đấu nối mạch điện, xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển, lập trình trên TIA Portal V16, thiết kế giao diện WinCC và tiến hành chạy thử nghiệm kiểm chứng độ chính xác phân loại trên mô hình vật lý.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của hãng Siemens (SIMATIC S7-1200 System Manual, TIA Portal V16, WinCC Professional/Advanced), tài liệu chuyên ngành Tự động hóa của Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng, cùng các thông số kiểm tra thực tế trong quá trình đóng mở van khí nén và đọc mã vạch trên băng tải.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Cấu trúc phần cứng và thiết bị

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC làm trung tâm điều khiển chính. Băng tải vận chuyển sản phẩm được dẫn động bằng động cơ điện một chiều thông qua bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng trung gian. Cơ cấu phân loại gồm 02 xi lanh khí nén chuyển động tịnh tiến điều khiển bởi các van điện từ, 02 cảm biến hồng ngoại loại PNP phát hiện sản phẩm tại các vị trí đẩy, 01 camera công nghiệp đọc mã vạch đặt phía trên băng chuyền, bộ nguồn tổ ong chuyển đổi điện áp 24V DC và nút nhấn dừng khẩn cấp (Emergency Stop).

Dòng CPU S7-1200	Kích thước (mm)	Bộ nhớ Work	Bộ nhớ Load	Bộ nhớ Retentive	Số cổng I/O tích hợp	Module mở rộng (SM)
CPU 1211C	90 x 100 x 75	30 Kbytes	1 Mbyte	10 Kbytes	6 DI / 4 DO, 2 AI	Không hỗ trợ
CPU 1212C	90 x 100 x 75	50 Kbytes	1 Mbyte	10 Kbytes	8 DI / 6 DO, 2 AI	Tối đa 2
CPU 1214C	110 x 100 x 75	75 Kbytes	4 Mbytes	10 Kbytes	14 DI / 10 DO, 2 AI	Tối đa 8
CPU 1215C	130 x 100 x 75	100 Kbytes	4 Mbytes	10 Kbytes	14 DI / 10 DO, 2 AI, 2 AO	Tối đa 8

Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật các dòng CPU Siemens S7-1200 theo tài liệu đồ án.

Cấu hình phần mềm và thuật toán xử lý

Tác giả đã đánh giá hai công cụ xử lý ảnh nhằm lựa chọn giải pháp phù hợp nhất với yêu cầu bài toán:

Nền tảng	Ưu điểm	Nhược điểm	Đánh giá lựa chọn
PyCharm (Python)	Cài đặt thuận tiện, hỗ trợ nhiều plugin; tự động hoàn thành mã nguồn, đánh dấu lỗi cú pháp; cộng đồng phát triển lớn, cấu trúc tái cấu trúc mã linh hoạt.	Bản Professional có phí; cấu hình môi trường ảo (venv) có thể phát sinh lỗi nếu chưa quen thuộc.	Được chọn: Đáp ứng độ chính xác cao khi xử lý mã vạch phức tạp, dễ dàng tùy biến kết nối PLC.
LabVIEW	Giao diện lập trình đồ họa (G-code) trực quan, đơn giản, dễ chuyển giao công nghệ.	Dễ bỏ lọt lỗi khi tem nhãn in bị mờ, mất nét; hiệu suất xử lý chưa cao đối với các lỗi in sai chuẩn; khó thống kê chuyên sâu.	Không lựa chọn.

Quy trình công nghệ và phân loại sản phẩm

Hệ thống vận hành theo quy trình logic khép kín:

1. Người vận hành nhấn nút Start, động cơ kéo băng tải hoạt động đưa sản phẩm di chuyển.
2. Sản phẩm đi qua vùng quan sát của camera công nghiệp; hình ảnh mã vạch được phần mềm PyCharm thu nhận và giải mã, sau đó đối chiếu với cơ sở dữ liệu.
3. Trường hợp 1 (Sản phẩm mang mã vạch Loại 1): Tín hiệu nhận diện gửi đến PLC kích hoạt cờ nhớ chuẩn bị cho xi lanh 1. Khi sản phẩm di chuyển đến vị trí cảm biến hồng ngoại 1, xi lanh 1 tác động đẩy sản phẩm vào khay chứa số 1.
4. Trường hợp 2 (Sản phẩm mang mã vạch Loại 2): PLC nhận tín hiệu và kích hoạt trạng thái chuẩn bị cho xi lanh 2. Khi sản phẩm đi qua cảm biến hồng ngoại 2, xi lanh 2 tác động đẩy sản phẩm vào khay chứa số 2.
5. Trường hợp 3 (Mã vạch không khớp hoặc sản phẩm khác): Không có tín hiệu kích hoạt cho xi lanh 1 và 2. Sản phẩm tiếp tục di chuyển thẳng đến cuối băng tải vào thùng chứa đóng gói, đồng thời hệ thống lưu trữ thông tin kiểm tra vào cơ sở dữ liệu SCADA.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về phân loại sản phẩm theo mã vạch

Chương này phân tích tính cấp thiết của việc tự động hóa dây chuyền phân loại hàng hóa trong bối cảnh sản xuất hiện đại. Tác giả trình bày khái niệm về mã vạch, các ưu điểm nổi bật như tiết kiệm nhân lực, nâng cao độ chính xác, tối ưu hóa năng suất vận chuyển và hỗ trợ quản trị doanh nghiệp. Nội dung chương đi sâu vào nguyên lý hoạt động của hệ thống camera vision, phân tích ưu nhược điểm giữa PyCharm và LabVIEW, khẳng định quyết định lựa chọn PLC S7-1200 kết hợp PyCharm và WinCC. Ngoài ra, tác giả đánh giá khía cạnh môi trường và an toàn lao động: hệ thống vận hành bằng điện và khí nén sạch, không phát thải chất gây ô nhiễm và giảm thiểu nguy cơ tai nạn lao động cho công nhân.

Chương 2: Tổng quan về PLC

Chương 2 trình bày có hệ thống về cấu trúc phần cứng và nguyên lý hoạt động của PLC:

• Phân tích chu kỳ quét (Scan time) và sự phụ thuộc của tính thời gian thực vào độ dài chương trình.
• Trình bày 3 ngôn ngữ lập trình tiêu chuẩn: Ladder Logic (LAD), Statement List (STL) và Function Block Diagram (FBD).
• Giới thiệu chi tiết dòng PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC), bao gồm kiến trúc bên trong, phân vùng bộ nhớ (Load memory 4MB, Work memory 75KB, Retentive memory 10KB), hệ thống cổng vào ra tích hợp (14 DI / 10 DO) và giao tiếp PROFINET.
• Phân tích tập lệnh cơ bản: lệnh xử lý tiếp điểm logic bit (NO, NC, Out, Out Not, Set, Reset), hàm định thời TON (Timer on-delay không nhớ), bộ đếm lên CTU, tập lệnh so sánh (==, >=, <=, <, >, <>), các phép toán số học (ADD, SUB) và lệnh di chuyển dữ liệu (Move).
• Trình bày tổng quan về phần mềm TIA Portal V16 (cách tạo Project, cấu hình phần cứng, quản lý Tag Table, tải chương trình xuống CPU), phần mềm WinCC (các phiên bản Basic, Comfort, Advanced, Professional cùng các công cụ đồ họa Graphics Designer, Alarm Logging, Tag Logging) và môi trường lập trình PyCharm.

Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống

Chương 3 tập trung vào quy trình thiết kế kỹ thuật và chế tạo mô hình vật lý:

• Trình bày quy trình công nghệ điều khiển phân loại chi tiết theo 3 nhánh sản phẩm.
• Thiết kế phần cứng và lựa chọn thiết bị điện: bộ điều khiển CPU 1214C DC/DC/DC, nguồn xung tổ ong 24V DC, động cơ giảm tốc DC một chiều truyền động bánh răng trụ thẳng, van điện từ khí nén, xi lanh khí nén, cảm biến hồng ngoại PNP và camera công nghiệp.
• Xây dựng sơ đồ đấu nối chi tiết các ngõ vào/ra của PLC với hệ thống nút bấm, cảm biến và van điều khiển khí nén.
• Mô tả các giai đoạn gia công cơ khí, lắp ráp khung băng tải, bố trí vị trí các xi lanh đẩy, căn chỉnh góc nhìn camera và hoàn thiện mô hình thực nghiệm.

Chương 4: Chương trình điều khiển và giám sát

Nội dung chương 4 hoàn thiện việc lập trình logic và giao diện điều khiển:

• Thiết lập bảng phân công đầu vào (Digital Inputs) và đầu ra (Digital Outputs) cho PLC S7-1200.
• Xây dựng giãn đồ thời gian điều khiển hoạt động của động cơ băng tải và các xi lanh khí nén.
• Thiết lập lưu đồ thuật toán điều khiển cho chương trình chính (Main Program OB1), chương trình vận hành thủ công (Manual), chương trình tự động (Auto) và lưu đồ thuật toán xử lý ảnh nhận diện mã vạch.
• Thiết kế giao diện HMI/SCADA trên WinCC Runtime Advanced: tạo các màn hình giao diện (Screens), cấu hình các khối đối tượng đồ họa (Basic Objects), liên kết biến HMI tags với bảng Tag PLC, hiệu chỉnh các thuộc tính giao diện thông qua thanh công cụ Properties, thiết lập chuyển động và màu sắc trạng thái qua Animations, cài đặt chức năng điều khiển nút nhấn qua Events.

Đánh giá kết quả thực hiện của đề tài

Tác giả tổng hợp các kết quả thử nghiệm trên mô hình thực tế, khẳng định hệ thống đã vận hành ổn định theo đúng lưu đồ thuật toán, nhận dạng chính xác mã vạch và kích hoạt các xi lanh phân loại đúng sản phẩm vào các khay chứa theo yêu cầu thiết kế ban đầu.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch với đầy đủ cơ cấu chấp hành: băng tải dẫn động bằng động cơ DC qua bộ truyền bánh răng trụ, hệ thống khí nén gồm 02 xi lanh đẩy tích hợp van điện từ, cùng hệ thống cảm biến hồng ngoại PNP.
• Xây dựng thành công thuật toán xử lý ảnh nhận diện mã vạch trên môi trường PyCharm, kết nối truyền nhận dữ liệu thời gian thực với bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC qua giao thức mạng công nghiệp Ethernet/PROFINET.
• Lập trình hoàn chỉnh chương trình điều khiển PLC trên phần mềm TIA Portal V16 với đầy đủ 2 chế độ vận hành Manual và Auto, xử lý chuẩn xác 3 trường hợp phân loại (mã loại 1, mã loại 2 và mã khác).
• Thiết kế giao diện giám sát SCADA/HMI trực quan trên WinCC Runtime Advanced, cho phép người vận hành theo dõi trạng thái thiết bị, số lượng sản phẩm từng loại và can thiệp điều khiển hệ thống.

Giải pháp và kiến nghị

• Đề xuất mô hình tự động hóa phân loại dựa trên mã vạch nhằm thay thế lao động thủ công trong các khâu đóng gói, kiểm kê tại các cơ sở sản xuất và xí nghiệp vừa và nhỏ.
• Kiến nghị ứng dụng công nghệ camera vision kết hợp mã vạch để nâng cao năng lực quản lý chuỗi cung ứng, số hóa thông tin lô hàng và kiểm soát nguồn gốc xuất xứ sản phẩm trực tiếp trên dây chuyền.

Đóng góp thực tiễn

• Đồ án chứng minh tính khả thi của việc tích hợp bộ điều khiển PLC công nghiệp với phần mềm xử lý ảnh mã nguồn mở chạy trên máy tính (Python/PyCharm), tạo ra giải pháp công nghệ có chi phí chế tạo hợp lý hơn so với các hệ thống thị giác máy chuyên dụng đắt tiền.
• Mô hình vận hành an toàn, sử dụng năng lượng điện và khí nén sạch, không thải chất độc hại, thân thiện với môi trường làm việc.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Hệ thống được triển khai ở quy mô mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, chưa thử nghiệm trực tiếp tại môi trường nhà máy với tải trọng lớn và tốc độ công nghiệp cao.
• Khả năng nhận diện mã vạch phụ thuộc nhiều vào chất lượng in của tem nhãn; trường hợp tem bị rách, nhăn, mờ hoặc mất nét có thể gây ảnh hưởng đến độ chính xác xử lý ảnh.
• Hệ thống phần cứng hiện tại mới giới hạn ở 02 vị trí xi lanh phân loại và 01 nhánh đi thẳng.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Mở rộng số lượng cơ cấu chấp hành và cổng phân loại để đáp ứng nhiều chủng loại sản phẩm hơn trên cùng một dây chuyền.
• Nâng cấp thuật toán xử lý ảnh để nhận dạng thêm các định dạng mã phản hồi nhanh (QR Code, Data Matrix) và tăng cường khả năng phục hồi dữ liệu từ các mã vạch bị mờ hoặc hư hỏng một phần.
• Tích hợp thêm các module cảm biến cân định lượng và đo kích thước 3D nhằm tạo thành dây chuyền kiểm tra chất lượng sản phẩm toàn diện.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị học thuật và thực tiễn cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện – Điện tử và Công nghệ Thông tin.

Những nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu bao gồm:

• Quy trình thiết kế sơ đồ đấu nối phần cứng I/O cho dòng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC.
• Phương pháp cấu hình truyền thông liên kết giữa chương trình xử lý ảnh Python (PyCharm) với PLC và giao diện WinCC Runtime Advanced.
• Kỹ thuật xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tuần tự (Manual/Auto), giãn đồ thời gian và lập trình các khối hàm trên phần mềm TIA Portal V16.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại PLC nào và các thông số phần cứng chính là gì? Đề tài sử dụng PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC. Thiết bị có bộ nhớ Work 75 Kbytes, bộ nhớ Load 4 Mbytes, bộ nhớ Retentive 10 Kbytes, tích hợp sẵn 14 đầu vào số (DI), 10 đầu ra số (DO), 2 đầu vào tương tự (AI), hỗ trợ mở rộng tối đa 8 module tín hiệu (SM) và tích hợp cổng truyền thông PROFINET Ethernet.

2. Tại sao tác giả chọn PyCharm thay vì LabVIEW để lập trình xử lý ảnh mã vạch? Tác giả chọn PyCharm vì đây là môi trường phát triển mạnh mẽ cho Python, hỗ trợ các thư viện xử lý ảnh có độ chính xác cao, khả năng tự hoàn thành mã, đánh dấu lỗi và cộng đồng hỗ trợ lớn. Ngược lại, LabVIEW tuy trực quan nhưng dễ bỏ sót các lỗi khi tem mã vạch bị mờ, in sai nét hoặc biến dạng, đồng thời khả năng thống kê lỗi chi tiết chưa đáp ứng tốt yêu cầu đề tài.

3. Cơ chế hoạt động của các xi lanh phân loại sản phẩm diễn ra như thế nào? Khi camera nhận diện sản phẩm mang mã vạch Loại 1, PLC nhận tín hiệu và đưa xi lanh 1 vào trạng thái sẵn sàng; khi sản phẩm chạm cảm biến hồng ngoại PNP đặt trước xi lanh 1, van điện từ cấp khí nén để xi lanh 1 đẩy sản phẩm vào khay 1. Quy trình tương tự diễn ra với xi lanh 2 khi gặp mã Loại 2. Nếu mã vạch không thuộc hai loại trên, cả hai xi lanh không tác động và sản phẩm đi thẳng về cuối băng tải.

4. Phần mềm nào được sử dụng để thiết kế giao diện giám sát SCADA/HMI? Hệ thống sử dụng phần mềm WinCC Runtime Advanced (tích hợp trong bộ phần mềm TIA Portal V16 của Siemens). Giao diện cho phép giám sát trạng thái hoạt động của băng tải, cảm biến, xi lanh và thống kê số lượng từng loại sản phẩm thông qua việc gắn HMI Tags kết nối với vùng nhớ PLC.

5. Động cơ kéo băng tải truyền chuyển động quay thông qua cơ cấu cơ khí nào? Băng chuyền vận chuyển sản phẩm sử dụng động cơ điện một chiều (động cơ giảm tốc DC) và truyền chuyển động quay cho trục băng chuyền thông qua bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng trung gian.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch sử dụng PLC S7-1200" của sinh viên Phạm Đình Cường đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa phân loại sản phẩm dựa trên công nghệ nhận diện mã vạch. Tác giả đã kết hợp đồng bộ giữa phần cứng điều khiển PLC Siemens CPU 1214C, cơ cấu chấp hành khí nén, hệ thống thị giác máy tính trên nền tảng PyCharm và giao diện giám sát SCADA WinCC. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính đúng đắn của giải pháp thiết kế, mang lại tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật cao trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÃ VẠCH 1. Tính cấp thiết Phân loại sản phẩm là một bài toán đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống hiện nay trên toàn thế giới. Dùng sức lao động của con người, công việc này còn đòi hỏi sự tập trung cao và có tính lặp lại nên nhân công sẽ khó mà đảm bảo được sự chính xác trong công việc.

Điều này còn chưa kể đến kinh tế hàng hóa trong nước và thế giới ngày càng phát triển, hang hóa ngày càng đa dạng thuộc nhiều chủng loại và của nhiều doanh nghiệp, các sản phẩm có chi tiết nhỏ mang tính kỹ thuật cao mà mắt thường khó nhận ra. Điều này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sản phẩm. vì vậy hệ thống nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời như một sự phát triển tất yếu của xã hội nhằm đáp ứng nhu cầu này. Tùy vào mức độ phức tạp trong yêu cầu mà các hệ thống phân loại phẩm có quy mô khác nhau.

Tuy nhiên chi phí cho các quy mô này là rất lớn, đặc biệt là đối với nước đang phát triển như Việt Nam. Chính vì thể hiện nay ở Việt Nam đa số các hệ thống phân loại sản phẩm chỉ được áp dụng vào các hệ thống phân loại sản phẩm phức tạp, còn một lượng lớn doanh nghiệp vẫn dùng sức lao động của con người. Bên canh những dây chuyền vận chuyển sản phẩm thì một yêu cầu cũng được đặt ra đó là dây chuyền phân loại sản phẩm. Có rất nhiều loại phân loại sản phẩm như phân loại theo kích thước, màu sắc, khối lượng, hình ảnh, mã vạch… Ngày nay khoa học kĩ thuật ngày càng phát triển , không những kỹ thuật điện tử mà trong đó điều khiển tự động hóa cũng đóng vai trò rất quan trọng trong mọi lĩnh vực đời sống.

Đi đôi với sự phát triển nhanh chóng ấy là sự đa dạng về hàng hóa. Nhằm mục tiêu tăng năng suất lao động, độ chính xác, giảm sức người và giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng sản phẩm, yêu cầu các sản phẩm công nghệ càng ngày càng hoàn thiện và tối ưu. Vì thế chúng ta cần tìm ra giải pháp phân loại sản phẩm tối ưu đáp ứng được các nhu cầu về sự đa dạng trong hàng hóa như hiện nay. Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch 1.

Giới thiệu chung Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch là một dây chuyền tự động hóa quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại ngày nay. Hệ thống này giúp tiết kiệm được nhân lực, tăng tốc quá trình sản xuất, tối ưu hóa dây chuyền sản phẩm, phân loại đơn giản và chính xác. SVTH:Phạm Đình Cường 5 GVHD: Phan Thị Thanh Vân Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch Hình 1. 1 Hệ thống phân loại theo mã vạch 1.

Ưu điểm chính của hệ thống Giải pháp tiên phong trong quản lý công nghiệp ˗ Tiết kiệm: Sử dụng ít nhân lực và tăng tốc quá trình sản xuất, tối ưu hóa dây chuyền sản phẩm, phân loại đơn giản, thay thế nhiều hầu hết các loại cảm biến khác trong dây chuyền. ˗ Chính xác: Nhờ mã vạch, người quản lí dễ dàng kiểm tra số lượng sản phẩm, phân loại sản phẩm, phân loại theo nơi nhận, phân loại theo người sử dụng. Chính xác đến từng đích đến. ˗ Việc sử dụng mã vạch còn góp phần nâng cao hình ảnh của Công ty trong nhận thức của khách hàng.

Tối ưu hóa băng truyền sản xuất ˗ Mã vạch thực hiện chức năng quan trọng nhất là ghi nhận tất cả mọi thông tin của sản phẩm, loại sản phẩm, số lượng, ngày sản xuất, nơi nhận, nơi sản xuất, …. Với một số lượng thông tin khổng lồ như vậy được tích hợp vào sản phẩm, thì không gì là không thể với những sản phẩm đó. SVTH: Phạm Đình Cường 6 GVHD: Phan Thị Thanh Vân Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch ˗ Mã vạch được in trên mỗi sản phẩm ngay trên băng chuyền dây chuyền, do việc quản lí sản phẩm, hàng hóa, phân loại,… củng được thực ngay trên băng chuyền, không sử dụng nhân công, rút ngắn tối đa thời gian,… 1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống.

Khi ấn nút khởi động hệ thống, hệ thống bắt đầu làm việc. Băng tải hoạt động vận chuyển sản phẩm. Sản phẩm đi qua thiết bị đọc mã vạch sẽ được phần mềm hệ thống quét kiểm tra trong hệ CSDL. Trường hợp 1: Thiết bị đọc mã nhận diện sản phẩm mang mã vạch loại 1 sẽ gửi tín hiệu cho phép xi lanh 1 vào trạng thái chuẩn bị.

Khi sản phẩm đi qua cảm biến hồng ngoại thì cho phép xi lanh 1 đẩy. Trường hợp 2: Thiết bị đọc mã nhận diện sản phẩm mang mã vạch loại 2 sẽ gửi tín hiệu cho phép xi lanh 2 vào trạng thái chuẩn bị. Khi sản phẩm đi qua cảm biến hồng ngoại thì cho phép xi lanh 2 đẩy. Trường hợp 3: Thiết bị đọc mã nhận diện sản phẩm mang mã vạch không phải loại 1 hoặc 2 sẽ không gửi tín hiệu cho phép xi lanh 1 hoặc 2 vào trạng thái chuẩn bị.

Sản phẩm loại này sẽ đi thẳng mà không bị xi lanh nào đẩy, đồng thời lưu thông tin vào CSDL. Các công nghệ trên hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch. Camera vision (Camera công nghiệp) là một công nghệ và phương pháp được sử dụng để tự động kiểm tra và phân tích dựa trên hình ảnh cho nhiều ứng dụng, chẳng hạn như kiểm tra tự động, kiểm soát quy trình và hướng dẫn robot, thường được áp dụng trong lĩnh vực công nghiệp. Cụ thể hơn, nó là một hệ thống kết hợp cảm biến (máy ảnh) và thuật toán xử lý phần cứng và phần mềm để tự động hóa các nhiệm vụ phức tạp liên quan đến hình ảnh, cũng như hướng dẫn chính xác thiết bị trong quá trình lắp ráp sản phẩm.

Hệ thống camera vision hoạt động liên tục và không mệt mỏi, sẽ đảm bảo kiểm tra sản phẩm một cách tự động với hiệu suất cao. Điều này cải thiện chất lượng sản phẩm, tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất. Sự xuất hiện nhất quán và chất lượng sản phẩm tạo sự hài lòng cho khách hàng, cũng như giúp tăng thị phần trong tương lai. Hệ thống camera vision bao gồm các thành phần quan trọng sau: cảm biến (máy ảnh) để chụp ảnh, động cơ xử lý (thiết bị quan sát) để hiển thị và truyền kết quả, cùng với hệ thống dây cáp kết nối.

Để hệ thống thị giác máy hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy, điều quan trọng là phải hiểu cách các thành phần này tương tác với nhau. Công SVTH:Phạm Đình Cường 7 GVHD: Phan Thị Thanh Vân Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch nghệ này dựa vào cảm biến kỹ thuật số được tích hợp trong máy ảnh công nghiệp có quang học chuyên dụng để thu thập hình ảnh. Sau đó, thông qua phần cứng và phần mềm, các hình ảnh được xử lý, phân tích và đo lường các đặc điểm khác nhau, từ đó đưa ra các quyết định liên quan đến sản phẩm. Phương án thiết kế 1.

Các phương án hay dùng để xử lí ảnh 1. Phương pháp xử lý ảnh dùng phần mềm PyCharm Pycharm là một nền tảng kết kết hợp được JetBrains phát triển như một IDE (Môi trường phát triển tích hợp) để phát triển các ứng dụng cho lập trình trong Python. Một số ứng dụng lớn như Tweeter, Facebook, Amazon và Pinterest sử dụng Pycharm để làm IDE Python của họ. Bài viết dưới đây sẽ giới thiệu chi tiết cho bạn về Pycharm cũng như hướng dẫn cách cài đặt và sử dụng Pycharm.

- Ưu điểm: + Cài đặt PyCharm rất dễ dàng. + PyCharm là một IDE dễ sử dụng. + Có rất nhiều plugin hữu ích và phím tắt hữu ích trong PyCharm. + PyCharm tích hợp các tính năng của thư viện và IDE như tự động hoàn thành và tô màu.

+ Nó cho phép xem mã nguồn trong một cú nhấp chuột. + Tiết kiệm thời gian phát triển phần mềm + Tính năng đánh dấu lỗi trong code giúp nâng cao hơn nữa quá trình phát triển. + Cộng đồng các nhà phát triển Python vô cùng lớn và chúng ta có thể giải quyết các thắc mắc/ nghi ngờ của mình một cách dễ dàng. - Nhược điểm: + PyCharm không miễn phí và phiên bản Professional của nó khá đắt.

+ Tính năng tự điền (auto-complete) sẽ không tốt cho các lập trình viên newbie + Nó có thể gây ra sự cố trong khi sửa chữa các công cụ như venv SVTH: Phạm Đình Cường 8 GVHD: Phan Thị Thanh Vân Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch 1. Phương pháp xử lý ảnh dùng phần mềm LabViEW - LabVIEW (viết tắt của nhóm từ Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một phần mềm máy tính được phát triển bởi công ty National Instruments, Hoa Kỳ. LabVIEW còn được biết đến như là một ngôn ngữ lập trình với khái niệm hoàn toàn khác so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như ngôn ngữ C, Pascal. Bằng cách diễn đạt cú pháp thông qua các hình ảnh trực quan trong môi trường soạn thảo, LabVIEW đã được gọi với tên khác là lập trình G (viết tắt của Graphical, nghĩa là đồ họa).

- Ưu điểm: + Đơn giản, dễ thực hiện + Chuyển giao công nghệ đơn giản ˗ Nhược điểm: + Bỏ lọt qua lỗi in tem bị sai, tem bị hỏng in mờ, mất nét + Hiệu suất công đoạn chưa cao và không thống kê những lỗi in tem bị sai so với tem in tiêu chuẩn. Lựa chọn phương án thiết kế Các phương án thiết kế nói trên là những phương án được sử dụng rất nhiều hiện nay. Tuy nhiên, trong một hệ thống đòi hỏi độ chính xác cao, nhưng mã vạch lại có thể găọ nhiều vấn đề về in ấn, như vây so sánh ưu nhược điểm giữa 2 phần mềm thì nhóm em quyết định lựa chọn phương án thiết kế sau : ˗ Sử dụng Pycharm để xử lý ảnh. ˗ Sử dụng PLC S7 – 1200 để phân loại sản phẩm.

˗ Sử dụng WinCC để giám sát quá trình hoạt động và hiện thị số lượng lên màn hình.