Ứng dụng PLC điều khiển robot delta phân loại sản phẩm theo màu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIẸN CÔNG NGHIỆP ỪNG DỤNGPLC ĐIỀU KHIỂN ROBOT DELTA PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU GVHD: TRẦN VI ĐÔ SVTH: PHÙNG HUỲNH MINH TUẤN TRẦN HẢO Ý SKL008113 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 1/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành Điện Công Nghiệp ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN ROBOT DELTA PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU Giáo viên hướng dẫn: TS TRẦN VI ĐÔ Sinh viên thực hiện: PHÙNG HUỲNH MINH TUẤN 16142488 TRẦN HẢO Ý TP HỒ CHÍ MINH 1/2021 TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP o0o NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Phùng Huỳnh Minh Tuấn Chuyên ngành: Hệ đào tạo: Khóa: I TÊN ĐỀ TÀI : ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN ROBOT DELTA PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU II NHIỆM VỤ Các nguyên liệu ban đầu: CPU PLC S7-1200 1212 DC/DC/DC, Module mở rộng SM 1222 RLY, Web camera 5MP, Hệ thống băng tải, Bộ sản phẩm mẫu với màu xanh lá, xanh lam, đỏ Các nội dung cần thực hiện: Thi công hệ robot delta, Thi công tủ điều khiển, Xây dựng chương trình điều khiển PLC, Xây dựng chương trình xử lý ảnh, Xây dựng ứng dụng điều khiển liên kết PLC xử lý ảnh III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/9 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:15/1 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trần Vi Đô CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN CƠNG NGHỆP TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC o0o BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Phùng Huỳnh Minh Tuấn Lớp: 169420A………………………………………………………………………… Họ tên sinh viên 2: Trần Hảo Ý Lớp: 169420A………………………………………………………………………… Tên đề tài: Ứng Dụng Plc Điều Khiển Robot Delta Phân Loại Sản Phẩm Theo Màu Tuần 1-2 4-5 7-8 9-11 12-14 15 16-17 TS Trần Vi Đô LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, chúng em xin cảm ơn quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt thầy cô khoa Điện- Điện tử Bộ môn Điện cơng nghiệp tận tình hết lịng truyền đạt kiến thức cho chúng em suốt quãng thời gian năm chúng em học tập trường Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Trần Vi Đơ Người thầy hết lịng giúp đỡ theo sát chúng em trình thực hoàn thành luận văn Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến bạn lớp 16420A Những người bạn học giúp đỡ lẫn suốt trình học tập luận văn cuối khóa Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô phản biện thầy cô hội động bảo vệ luận văn dành thời gian để nhận xét giúp đỡ chúng em trình bảo vệ luận văn Lời cuối, chúng em xin gửi lời chúc sức khỏe đến thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt thầy khoa ĐiệnĐiện tử môn Điện công nghiệp TP HCM, ngày … tháng … năm 2021 Sinh viên Phùng Huỳnh Minh Tuấn Trần Hảo Ý MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu Robot Delta 1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ đề tài 1.3 Phương án 1.4 Các bước tiến hành CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phương trình động lực học Robot Delta 2.1.1 Cấu tạo robot song song Delta 2.1.2 Động học thuận Robot 2.1.3 Động học nghịch Robot 2.2 Tổng quan công nghệ xử lý ảnh 11 2.2.1 Các khái niệm xử lí ảnh 11 2.2.2 Các vấn đề xử lý ảnh 13 2.2.3 Những vấn đề lý thuyết sử dụng đề tài 15 2.3 Giới thiệu phần cứng 19 2.3.1 PLC S7-1200 (1212C DC/DC/DC) 19 2.3.2 Sơ đồ kết nối PLC S7-1200 20 2.3.3 Module mở rộng SM 1222, DQ 8xRelay/2A (6ES7222-1HF32-0XB0) 21 2.3.4 Động bước 23 2.3.5 Driver Điều Khiển Động Cơ Microstep TB6600 24 2.3.6 Công tắc hành trình 25 2.3.7 Encoder 26 2.4 Phần mềm điều khiển Robot 26 2.4.1 Thư Viện EmguCV 27 2.4.2 Phần mềm TIA Portal V15 27 2.4.3 OPC SQL 38 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 40 3.1 Thuật toán điều khiển cho PLC 40 3.1.1 Chương trình điều khiển robot delta 40 3.1.2 Chương trình tính tốn tốc độ động băng tải 42 3.2 Chương trình điều khiển cho ứng dụng Winform 43 3.2.1 Giao diện điều khiển 43 3.2.2 Chương trình nhận diện màu xác định tọa độ 44 3.2.3 Điều khiển robot tự động gắp vật: 47 3.2.4 Sắp xếp vật theo thứ tự băng tải 47 3.2.5 Phương pháp chuyển đổi tọa độ khung hình sang tọa độ hệ Robot 48 3.3 Kết nối PC-PLC-SQL 49 CHƯƠNG 4: THI CƠNG MƠ HÌNH 51 4.1 Thi công phần cứng 51 4.1.1 Chuẩn bị phần cứng 51 4.1.2 Thi công robot delta tủ điều khiển 52 4.2 Thi công phần mềm 57 CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 59 5.1 Kết 59 5.1.1 Kết xử lý ảnh 59 5.1.2 Kết robot gắp vật 59 5.2 Nhận xét 60 5.2.1 Những kiến thức nguyên cứu 60 5.2.2 Những hạng mục đạt 61 5.2.3 Những hạn chế 61 5.2.4 Hướng phát triển 61 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Robot Delta cơng đoạn đóng gói sản phẩm nhà máy Vinamilk Hình 1.2 Robot Delta cơng nghiệp Hình 1.3 Robot Delta sử dụng để nâng kính giúp bác sĩ phẫu thuật Hình 1.4 Sáng kiến SV ứng dụng robot Delta diệt cỏ loại sâu Hình 2.1 Cấu tạo Robot Delta Hình 2.2 Mơ hình động học robot delta Hình 2.3 Mơ hình động học robot delta Hình 2.4 Tọa độ điểm J1′, J2′, J3′ mặt phẳng Oxy Hình 2.5 Mơ hình động học robot delta với thông số cho trước Hình 2.6 Minh họa động học cánh tay đòn Hình 2.7 Mặt phẳng YZ Hình 2.8 Quy đổi tọa độ 10 Hình 2.9 Biểu diễn ảnh dạng ma trận 11 Hình 2.10 Ảnh pixel bit 12 Hình 2.11 Ảnh mức xám 12 Hình 2.12 Ảnh theo mã màu RGB 13 Hình 2.13 Ảnh theo mã màu RGB 13 Hình 2.14 Ảnh màu ảnh đa mức xám 13 Hình 2.15 Chuyển ảnh ma trân điểm 14 Hình 2.16 Minh họa tìm đường biên lọc Laplacian, Sobel 15 Hình 2.17 Dải màu HSV 15 Hình 2.18 Mô tả phép giãn ảnh 16 Hình 2.19 Mơ tả phép tốn co 16 Hình 2.20 Hình minh họa phép co dãn ảnh 17 Hình 2.21 Kết tìm Contours 17 Hình 2.22 Mơ tả thuật tốn Approximation 19 Hình 2.23 Hình ảnh PLC 1212C DC/DC/DC 20 Hình 2.24 Sơ đồ chân PLC 20 Hình 2.25 Hình loại module mở rộng S7-1200 22 Hình 2.26 Datasheet module SM 1222 22 Hình 2.27 Động bước 23 Hình 2.28 Hình minh hoạt thứ tự cấp điện cuộn dây bước quay 24 Hình 2.29 Driver điều khiển động bước TB6600 24 Hình 2.30 Cơng tắc hành trình KW11 25 Hình 2.31 Cấu tạo Encoder 26 Hình 2.32 So sánh tốc độ thư viện xử lý ảnh 27 Hình 2.33 Cho phép phát xung 28 Hình 2.34 Lựa chọn chế độ phát xung PTO 28 Hình 2.35 Xung điều khiển di chuyển hướng 29 Hình 2.36 Gán biến xuất xung 29 Hình 2.37 Cấu trúc điều khiển sử dụng technology object 30 Hình 2.38 Điều khiển cấu sử dụng Technology Object 30 Hình 2.39 Add new Technology object 31 Hình 2.40 Thiết lập phát xung cho Technology object 31 Hình 2.41 Thiết lập động lực phần mềm 31 Hình 2.42 Chức Jerk Limit vơi khả làm mịn Ví dụ: Ta có khung ảnh thu từ camera có thước 640x480 (pixel) Xét độ dài tia O1x1 = 640 (pixel), tia O1y1 = 480 (pixel) Ta thực đo ngồi mơ hình thực tế xác định tia O1x1 = a (cm) Giả sử: a đo 10 cm Vậy tính tốn ta cm = 32 pixel Ta thực việc chuyển đổi từ hệ trục tọa độ O1x1y1 sang hệ trục tọa độ O2x2y2 Ta xét tọa độ O2 ứng với hệ trục O1x1y1 có tọa độ (xO; yO) đơn vị pixel giả sử tọa độ A ứng với hệ trục O1x1y1 (xA, yA) đơn vị pixel Như nói O2 gốc Robot, nên muốn Robot di chuyển đến điểm A ta phải tính tọa độ vecto O2 Mà từ hệ trục tọa độ ta nhận thấy tia O1y1 tia O2y2 phương khác hướng, tia O2x2 tia O1x1 phương hướng Nên vector O2 có tọa độ (Px, Py), tương ứng với Px = xO – xA (pixel); Py = -yO + yA (pixel) Ở Px Py tọa độ vị trí phương trình động học nghịch cánh tay máy Px, Py chuyển sang tọa độ mặt phẳng thực tế có giá trị Px = (xO - xA)/32 (cm), Py = (-yO +yA)/32 (cm) Vì đề tài thực xử lý ảnh 2D nên cần xác định tọa độ Px, Py Còn Pz ta cho số cố định Như có thơng số Px, Py, Pz ta xác định giá trị góc xoay θ1, θ2, θ3 từ Robot di chuyển đến vị trí mà ta mong muốn 3.3 Kết nối PC-PLC-SQL Hình 3.18 Sơ đồ kết nối PC-PLC-SQL thông qua OPC KepServer C# kết nối với PLC lưu thông tin kết vào sở liệu SQLserver thông qua phần mềm OPC KEPServer sau: 49 - Sau cài đặt chương trình Kepware V6, ta tiến hành cài đặt cấu hình để Kepware kết nối tới PLC S7-1200 thông qua Ethernet TCP/IP - Tiếp theo ta tạo Group Tag với địa tương ứng với địa nhớ PLC để truy cập vào liệu ta mong muốn PLC - Vì Kepware có sẵn thư viện Driver (.dll) tất PLC nay, nên dễ dàng tự động kết nối tới liệu PLC mà người dùng không cần thao tác nhiều - Trong chương trình C# ta thêm vào thư viện OPCAutomation.dll, thư viện cung cấp miễn phí OPC Foundation - Ta tiến hành khai báo biến OPCItem C# để link tới tag KEPServer mà ta tạo trước - Với lệnh đơn giản Read Write ta dễ dàng đọc hay ghi liệu xuống PLC - Sau sử dụng tính datalogger để lưu liệu số lượng sản phẩm vào sở liệu tạo sẵn 50 CHƯƠNG 4: THI CƠNG MƠ HÌNH 4.1 Thi công phần cứng 4.1.1 Chuẩn bị phần cứng Bảng 4.1 Danh sách ngun liệu mơ hình STT Tên linh kiện PLC S7-1200 (1212 DC/DC/DC) SM-1222 RLY Băng tải Nguồn tổ ong Adapter Bơm chân không Nút hút châm không Bộ in 3D robot Delta + carbon mắt trâu Stepmotor 10 Driver động TB6600 11 Công tắc hành trình KW11 12 CB LS 40 13 Rotary encoder 400 4.1.2 Thi công robot delta tủ điều khiển a Robot Delta Các thành phần Robot Delta in 3D với thông số sau: - Khoảng từ tâm đế robot tới trục trục động f = 75mm - Khoảng cách từ trục động đến cánh tay đòn rf = 80 mm - Độ dài cánh tay đòn re = 235 mm - Khoảng từ tâm giác hút đến cánh tay địn e = 20 mm Hình 4.1 Hình ảnh thiết kế 3D sử dụng phần mềm Fusion 360 Hình 4.2 Các linh kiện Robot Delta sau in 3D 52 b Khung đặt robot Phần khung lắp ghép nhơm định hình độ dài 50cm để cố định robot Hình 4.3 Ráp khung Robot c Động điều khiển Robot Do xung đầu PLC S7-1200 có điện áp 24V nên ta thêm vào điện trở 2k4Ω để giúp giảm áp xuống 5V cấp xung chân PUL+ chân DIR+ driver TB6600 Hình 4.4 Sơ đồ đấu nối PLC điều khiển động 53 Hình 4.5 Mơ hình sử dụng Stepmotor driver TB6600 Hình 4.6 Vị trí lắp đặt cơng tắc hành trình d Bơm băng tải Hình 4.7 Sơ đồ kết nối module SM-1222 với băng tải bơm 54 Hình 4.8 Bơm động băng tải e Encoder Hình 4.9 Sơ đồ kết nối encoder với PLC Hình 4.10 Hình ảnh Encoder mơ hình f Tủ điều khiển 55 Hình 4.11 Tủ điều khiển Robot Delta, băng tải bơm sử dụng nguồn 24V 12V Các thành phần tủ điều khiển: - Nguồn tổ ong 24VDC - Adapter 12VDC - Driver TB6600 cho động - PLC 1212C DC/DC/DC signal boad 1222 8DO Relay - động hút chân không 24VDC - CB LS C40 g Mơ hình hồn chỉnh Hình 4.12 Mơ hình thực tế 56 4.2 Thi cơng phần mềm Giao diện phần mềm điều khiển: Hình 4.13 Trang điều khiển kết nối Hình 4.14 Trang điều khiển chế độ Manual 57 Hình 4.15 Trang điều khiển Auto Hình 4.16 Trang điều khiển Setting 58 CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 5.1 Kết 5.1.1 Kết xử lý ảnh Hình ảnh thực tế sau áp dung lên mơ hình: Hình 5.1 Hình ảnh thực tế sau qua bước xử lý lọc màu Ảnh sau trải qua xử lý đóng khung ôm sát vật thể, xác định tâm đường biên giúp robot gắp xác vật thể 5.1.2 Kết robot gắp vật Hình 5.2 Robot gắp vật màu đỏ 59 Hình 5.3 Robot gắp vật màu xanh dương Hình 5.4 Robot gắp vật màu xanh Bảng 5.1 Bảng đánh giá thực nghiệm Sản phẩm Kết Độ xác (%) Tỷ lệ tìm màu sắc vật gắp vật 97.8% Sau 99 lần thực thí nghiệm với cách xếp ngẫu nhiên, hệ thống phân loại sản phẩm cho số liệu xác tương đối cao hệ thống hoạt động ổn định, không bị nhầm lẫn phân loại bỏ sót sản phẩm nhiều Tuy nhiên thực khoảng 33 lần sản phẩm điều kiện ánh sáng ổn định, có thay đổi ánh sáng lớn dẫn đến làm nhòe vật, vận hành lâu dẫn đến cấu khí khơng cịn đảm bảo lúc đầu dẫn đến sai số lớn Ngồi cịn nhiều nguyên nhân khác như: giới hạn khí robot, mật độ sản phẩm lớn khiến robot không đáp ứng đủ tốc độ để gắp hết vật, phạm vi camera hạn chế nên robot bị giới hạn tầm nhìn… 5.2 Nhận xét 5.2.1 Những kiến thức nguyên cứu - Nguyên cứu lý thuyết Robot Delta, phương trình động lực học - Nguyên cứu lý thuyết xử lý ảnh nhằm tách vật thể màu khỏi - Tìm hiểu cách xây dựng Application Winform C# để dễ dàng điều khiển hệ Robot Delta 60 - Nguyên cứu đông bước, cách điều khiển motion control PLC S71200 - Tìm hiểu cách liên kết biến Application Winform phần mềm TIA Portal V15 - Đọc xử lý giá trị encoder để tính tốn tốc độ động 5.2.2 Những hạng mục đạt - Xây dựng phương trình tính toán động lực nghịch đưa áp dụng vào Application để điều khiển Robot Delta - Áp dụng xử lý ảnh tìm tìm tọa độ vật real time qua camera sử dụng thư viện EmguCV C#.NET - Xây dựng liên kết Appllication PC PLC thông OPC KepserverEX V6 - Điều khiển lúc động bước PLC S7-1200 (1212C DC/DC/DC) sử dụng motion control phần mềm TIA Portal V15 - Vận hành Robot Delta để gắp, phân loại sản phẩm băng tải theo màu sắc, hình khối - Đọc tốc độ băng tải giúp tăng độ xác gắp vật thể - Lưu trữ liệu vào SQL 5.2.3 Những hạn chế - Phần cứng Robot tự thiết kế thi cơng nên cịn nhiều lỗi dẫn đến sai số q trình vận hành - Thuật tốn tự thiết kế nên chưa hoàn toàn tối ưu - Chương trình xử lý ảnh đáp ứng mơi trường ánh sáng ổn định Sự thay đổi ánh sáng làm ảnh hưởng đến độ xác tính tốn 5.2.4 Hướng phát triển - Tích hợp trí tuệ nhân tạo để Robot linh hoạt, phù hợp với nhiều điều kiện hoạt động - Năng cấp phần cứng (động cơ, camera, chất liệu khớp robot…) để hệ thống tối ưu độ xác, tốc độ, độ ổn định vận hành - Nâng cấp thuật toán xử lý ảnh mở rộng vùng nhận diện màu nhận diện kích thước, hình thái, màu sắc, QRcode… - Cập nhật sở liệu lên internet để theo dõi từ xa 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Robot Công Nghiệp (2009) - Ts Phạm Đăng Phước [2] S7-1200 Motion Control V4.0 in TIA Portal V15 - Siemens [3] Emgu CV Essentials – Shin Shi [4] ClientAce: Creating a Simple Windows Form Application - Kepware Technologies [5] Delta Robot kinematics Tutorial - hypertriangle.com/ [6] Ứng dụng C# lập trình hệ thống Scada – automationsystemvn.blogspot.com 62