Đề tài thiết kế hệ thống điều khiển giám sát và phân loại sản phẩm theo mã qr code bằng camera cognex

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NĂM 2022 Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÃ QR CODE BẰNG CAMERA COGNEX GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: THẦY NGUYỄN THANH LỊCH Nhóm sinh viên thực hiện: NGUYỄN QUANG TÙNG LƯU ĐỨC THIỆN LÊ ĐÌNH KIÊN LÊ THÀNH LONG Hà Nội 06/2021 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Đối tượng nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Nghiên cứu tổng quan hệ thống phân loại sản phẩm camera công nghiệp 1.6.1 Ưu nhược điểm camera công nghiệp 1.6.2 Các ứng dụng camera công nghiệp .10 1.6.2.a Hệ thống kiểm tra số lượng hộp 10 1.6.2.b Giải pháp kiểm tra ngoại quan phát lỗi, phân loại sản phẩm sử dụng camera công nghiệp .10 CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HĨA 12 2.1 Thiết bị đóng cắt (Aptomat) 12 2.2 Bộ chuyển đổi nguồn 24VDC 14 2.3 CPU PLC S7-1200 15 2.3.1 Các module tính đặc biệt (các ứng dụng đặc biệt): 16 2.3.2 Yêu cầu CPU: 16 2.3.3 Vị trí I/O: .16 2.3.4 Yêu cầu truyền thông: .16 2.3.5 Yêu cầu phần lập trình: 16 2.4 Động Step .18 2.4.1 Tính momen động theo tải: 18 2.4.2 Công suất động tính theo cơng thức sau: 19 2.5 Driver Step 20 2.6 Cảm biến quang E3F-DS30C4 .22 2.7 Cảm biến từ AIRTAC CS1-F 24 2.8 Relay trung gian chân (Relay Omron MY2-J 24V) .26 2.9 Van điện từ khí nén AIRTAC 4V210-08 .27 2.10 Xylanh khí nén CDJ2D16-50B 30 2.11 Camera Cognex 31 2.12 Nút ấn 33 2.13 Đèn báo 33 2.14 Cầu đấu TB-1512 34 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐỒ GÁ 35 3.1 Đồ gá step 36 3.2 Đồ gá xi lanh .37 3.3 Đồ gá Camera 38 3.4 Máng đựng sản phẩm .38 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 39 4.1 Trình tự vận hành 39 4.1.1 Khởi động hệ thống: Bấm Start tủ điện hệ thống khởi động 39 4.1.2 Chọn chế độ: 39 4.2 Lưu đồ thuật toán 40 4.3 Thiết kế sơ đồ điện - điều khiển 44 4.4 Danh sách đầu vào IN/OUT 52 4.5 Giám sát HMI 52 4.5.1 Thực lập trình HMI 53 4.5.2 Thiết kế hình: Sử dụng phần mềm GP-Pro EX 55 4.6 Lập trình cho Camera Cognex .56 4.7 Giám sát SCARA .59 4.8 Mơ hình thực tế 61 PHỤ LỤC: 62 5.1 Chương trình điều khiển Step Motor 64 5.2 Chương trình điều khiển van khí nén 67 5.3 Chương trình điều khiển Camera 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử MỤC LỤC ẢNH Hình 1.1 Hệ thống kiểm tra sản phẩm lỗi camera công nghiệp Hình 1.2 Hệ thống kiểm tra số lượng hộp 10 Hình 1.3 Hệ thống kiểm tra sản phẩm lỗi 11 Hình 2.1 Aptomat Vanlock 2P 16A 13 Hình 2.2 Aptomat Vanlock 1P 16A 13 Hình 2.3 Bộ nguồn tổ ong 15 Hình 2.4 Cấu trúc bên PLC 17 Hình 2.5 PLC S7-1200 1212C DC/DC/DC 18 Hình 2.6 Động Step 19 Hình Driver Step TB6600 20 Hình 2.8 Sơ đồ đấu nối Driver-Step_PLC 21 Hình Cấu tạo cảm biến quang 22 Hình 2.10 Cảm biến quang 23 Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động cảm biến từ 24 Hình 2.12 Cấu tạo cảm biến từ 24 Hình 13 Cấu tạo cảm biến từ AIRTAC CS1–F 24 Hình 14 Cảm biến từ AIRTAC 25 Hình 2.15 Relay trung gian Omron 26 Hình 2.16 Sơ đồ chân Relay trung gian Omron 26 Hình 2.17 Van điện từ AIRTAC 28 Hình 2.18 Cấu tạo van điện từ 28 Hình 2.19 Xylanh khí nén 30 Hình 2.20 Camera Cognex 31 Hình 22 Sơ đồ đấu nối Camera với máy tính 32 Hình 21 Sơ đồ đấu nối camera với máy tính 32 Hình 23 Nút nhân 33 Hình 24 Đèn báo 33 Hình 25 Cầu đấu 34 Hình 3.1 Solid Edge 35 Hình 3.2 Máy in 3D 35 Hình 3.3 Đồ gá mặt bích Motor Step 36 Hình 3.4 Đồ gá chân Step 36 Hình 3.5 Đồ gá chân cột xylanh 37 Hình 3.6 Đồ gá kẹp xylanh 37 Hình 3.7 Đồ gá Camera 38 Hình 3.8 Đồ gá máng đựng sản phẩm 38 Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán hàm Main 40 Hình 4.2 Lưu đồ thuật tốn hàm Control Valve 41 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử Hình 4.3 Lưu đồ thuật tốn hàm Control Step 42 Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán hàm Control Camera 43 Hình 4.5 Mạch nguồn tổng 44 Hình 4.6 Mạch nguồn tín hiệu Camera 45 Hình 4.7 Mạch điện van điệu từ 46 Hình 4.8 Mạch nguồn tín hiệu HMI Proface 47 Hình 4.9 Mạch điện cảm biến quang cảm biến từ 48 Hình 4.10 Mạch động lực tín hiệu Driver-Step Motor 49 Hình 4.11 Mạch tín hiệu IN/OUT PLC 50 Hình 4.12 Tủ điện mơ eplan 51 Hình 4.13 Danh sách đầu vào 52 Hình 4.14 Nhập địa PLC 53 Hình 4.15 Cài đặt kết nối HMI 53 Hình 4.16 HMI HOME SCREEN 55 Hình 4.17 STEP PARAMETER 55 Hình 4.18 VALVE PARAMETER 56 Hình 4.19 Quét mã QR 57 Hình 4.20 Nhận diện mã QR 57 Hình 4.21 Dữ liệu đầu vào 58 Hình 4.22 Dữ liệu đầu 58 Hình 4.23 Cài đặt đại PLC Camera TIA 59 Hình 4.24 Màn hình khởi động 59 Hình 4.25 Phân loại sản phẩm 60 Hình 4.26 Phân loại sản phẩm sai 60 Hình 4.27 Mơ hình thực tế 61 Hình 4.28 Mơ hình tủ điện thực tế 61 Hình 5.1 Danh sách khối lệnh 62 Hình 5.2 Khởi động hệ thống 62 Hình 5.3 Gọi chương trình 63 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay, sản phẩm, hàng hóa doanh nghiệp ln phải tn thủ quy chuẩn khắt khe cạnh tranh lẫn thị trường Nên doanh nghiệp ưu tiên việc sử dụng hiệu nguồn lực để sản xuất sản phẩm đáp ứng nhu cầu họ quy chuẩn hàng hóa Giải pháp camera kiểm tra phân loại sản phẩm hệ thống tích hợp camera, chiếu sáng Cùng với thuật tốn kiểm tra nhằm thay người số cơng đoạn Mục đích để kiểm tra, phân loại đánh giá sản phẩm sản phẩm đạt tiêu chuẩn hay sản phẩm bị lỗi dựa theo thông số Các thông số lập trình, quy định sẵn theo quy chuẩn định Từ giải pháp camera kiểm tra phân loại sản phẩm giải pháp tối ưu giúp doanh nghiệp tuân thủ quy chuẩn Đồng thời tăng suất chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất Giải pháp camera kiểm tra phân loại sản phẩm áp dụng phạm vi rộng Đặc biệt ứng dụng vào ngành công nghiệp điện tử bao gồm thiết bị điện tử, linh kiện điện tử Ngồi cịn ứng dụng ngành khác y tế, dược phẩm sản xuất nói chung Bằng kiến thức tìm hiểu tảng kiến thức học, nhóm em định tiến hành nghiên cứu đề tài: “Thiết kế điều khiển giám sát hệ thống phân loại sản phẩm mã vạch QR code dùng camera công nghiệp” 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Do thực tiễn việc nhà máy khu cơng nghiệp xử dụng thiết bị tự động hóa thay cho người để phân loại sản phẩm Nên nhóm sinh viên thực nghiên cứu vấn đề đưa ý tưởng chế tạo mô hình phân loại sản phẩm QR code Là sinh viên Cơ Điện Tử muốn thử thách thân, tìm hiểu nhiều kiến thức chuyên ngành để trước trường phục vụ cho công việc sau Nghiên cứu để hiểu sử dụng thiết bị trường cách ghép nối với thiết bị điều khiển, hiểu sử dụng điều khiển PLC HMI cơng nghiệp, tìm hiểu lập trình giao diện Win CC, xây dựng cấu trúc điều khiển cho tốn phân loại sản phẩm cơng nghiệp Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử 1.3 Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu đề tài bao gồm: Thiết kế điều khiển giám sát hệ thống phân loại sản phẩm mã vạch QR code dùng camera cơng nghiệp Tính chọn thiết bị trường thiết bị điều khiển phù hợp với yêu cầu công nghệ phân loại sản phẩm Lập trình điều khiển giám sát HMI chuyên dụng Xây dựng phần mềm quản lý, giám sát điều khiển Win CC 1.4 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là: thiết bị điều khiển PLC S7-1200, camera cơng nghiệp conex hình giám sát HMI số thiết bị trường Bên cạnh dùng để ứng dụng thiết bị để nghiên cứu mơ hình phân loại sản phẩm mã QR code 1.5 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu: sử dụng tài liệu tham khảo PLC, camera cơng nghiệp hình giám sát, khí cụ điện Thực nghiệm: kết nối cổng mạng lan thiết bị điều khiển với máy tính, thiết kế tủ điện, cấu chuyển động Phương tiện: dụng cụ ngành khí Cơ Điện Tử máy hàn, máy khoan, máy tính,… để thực đề tài cần phải thiết kế mạch điện động lực điều khiển dùng Eplan Electric, thiết kế giao diện giám sát WinCC chương trình điều khiển Tia Portal V16, giao diện giám sát HMI GP-Pro EX Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử 1.6 Nghiên cứu tổng quan hệ thống phân loại sản phẩm camera công nghiệp Ngày nay, doanh nghiệp ln có xu hướng đại hóa, tự động hóa máy móc mong muốn tối ưu quy trình Để đáp ứng nhu cầu giải pháp sử dụng camera công nghiệp để kiểm tra tối ưu việc kiểm soát phân loại sản phẩm sử dụng Hình 1.1 Hệ thống kiểm tra sản phẩm lỗi camera công nghiệp Camera công nghiệp dần trở nên phổ biến, ứng dụng rộng rãi nhà máy sản xuất, hỗ trợ, thay nhân cơng q trình làm việc xử lý, phát sản phẩm lỗi cách nhanh chóng Các camera nhà máy, xí nghiệp dùng để giám sát giai đoạn sản xuất tự động với mục đích phục vụ, giám sát sản xuất, phân loại đo lường sản phẩm, kiểm tra sản phẩm tự động, điều hướng robot, quét mã vạch, mà không cần tiếp xúc Trong số tốn “Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát phân loại sản phẩm theo mã QR code Camera Cognex” đề tài đáng ta tìm hiểu Thiết kế mơ hình phân loại sản phẩm theo mã QR code có thời gian tốc độ xử lý hình ảnh phụ thuộc vào camera nên đề tài xây dựng dạng mơ hình khơng làm thành dây chuyền sản xuất Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử 1.6.1 Ưu nhược điểm camera công nghiệp *) Ưu điểm Độ bền cao: có vỏ ngồi chắn để bảo vệ cấu bên khỏi độ ẩm, bụi, khí độc hại yếu tố môi trường khác Các nhà sản xuất camera công nghiệp sử dụng vật liệu bền để sản xuất (kim loại, nhựa gia cố) Làm việc môi trường khắc nghiệt: làm việc phạm vi nhiệt độ từ 40 đến 70 độ C chí cao hơn, có khả chống xốc rung động học mạnh.g Độ xác ổn định cao: Máy ảnh có độ phân giải cao lên đến 150 triệu pixel Có thể xử lý hình ảnh với dạng khó tưởng tượng 15804x12008 23760x18012 Có thể ứng dụng rộng dãi ngành như: công nghiệp, hệ thống an ninh ngày, y học, Tiếc kiệm sức lao động người: hỗ trợ dần thay người việc phân loại sản phẩm lỗi chất lượng *) Nhược điểm Để trang bị camera cơng nghiệp chất lượng hình ảnh cao xử lý tốt chi phí cao tùy thuộc vào tính số lượng quan sát Việc cài đặt camera bảo trì quan sát địi hỏi người sử dụng phải có nhiều kiến thức tốn chi phí bảo dưỡng Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử 1.6.2 Các ứng dụng camera công nghiệp 1.6.2.a Hệ thống kiểm tra số lượng hộp Hình 1.2 Hệ thống kiểm tra số lượng hộp Chất lượng yếu tố then chốt cho việc chăm sóc khách hàng thành cơng trì danh tiếng xuất sắc ngành nghề Trong q trình đóng gói, cơng nghệ tầm nhìn giúp đảm bảo sản phẩm đóng hộp xác chất lượng sản phẩm, chìa khóa cho đảm bảo chất lượng cao số lượng hiệu Hệ thống sử dụng công nghệ laser khơng bị ảnh hưởng nhiều ánh sáng bên ngồi Chúng xác định biên dạng, bề mặt sản phẩm bóng tối 1.6.2.b Giải pháp kiểm tra ngoại quan phát lỗi, phân loại sản phẩm sử dụng camera công nghiệp Trong hoạt động sản xuất hàng ngày, bạn gặp nhiều tốn như: Trên bao bì nhà sản xuất có in Logo, nhiên đơi bị mờ nét Nhà sản xuất muốn loại bỏ ra, khơng muốn sản phẩm bị lỗi đến tay người tiêu dùng Trên bao bì nhà sản xuất có in QR code, nhà sản xuất muốn đọc tự động kiểm tra thơng tin code với đơn hàng chưa, tổng hợp số lượng Nhưng có 10 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử Hình 4.231 Cài TIA Hình VIIICàiđặt đặtđại đạichỉ chỉPLC PLCvàvàCamera Camera TIA 4.7 Giám sát SCARA Hình 4.24 Màn hình khởi động 59 Trường ĐH Giao Thơng Vận Tải Bộ mơn Cơ điện tử Hình 4.25 Phân loại sản phẩm Hình 4.26 Phân loại sản phẩm sai 60 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử 4.8 Mơ hình thực tế Hình 4.27 Mơ hình thực tế Hình 4.28 Mơ hình tủ điện thực tế 61 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử PHỤ LỤC: *) Các chương trình: Hình 5.1 Danh sách khối lệnh Hình 5.2 Khởi động hệ thống 62 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ mơn Cơ điện tử Hình 5.3 Gọi chương trình 63 Trường ĐH Giao Thơng Vận Tải Bộ mơn Cơ điện tử 5.1 Chương trình điều khiển Step Motor 64 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử 65 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử 66 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ mơn Cơ điện tử 5.2 Chương trình điều khiển van khí nén 67 Trường ĐH Giao Thơng Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử 68 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử 69 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử 5.3 Chương trình điều khiển Camera 70 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT QUẢ Đề tài khảo sát, nghiên cứu sử dụng thiết bị trường cách ghép nối với thiết bị điều khiển, hiểu sử dụng điều khiển PLC, HMI camera cơng nghiệp, tìm hiểu lập trình giao diện Win CC, xây dựng cấu trúc điều khiển cho tốn phân loại sản phẩm cơng nghiệp Đề tài thiết kế chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm QR code Hệ thống theo dõi điều khiển HMI phát lỗi từ thiết bị khác Chính suất chất lượng phân loại sản phẩm cải thiện NHẬN XÉT Trong q trình thi cơng chúng em gặp nhiều khó khăn chọn linh kiện hướng thiết kế, với cách điều khiển thiết bị tự động hóa PLC HMI camera sau tìm hiểu vấn đề giải Khó khăn lập trình phần mềm vấn đề làm tốn thời gian trình tìm hiểu Sau thời gian nghiên cứu thi cơng đề tài kịp tiến độ Hệ thống hoạt động ổn định hạn chế đưa thệ thống vào quy mô lớn ĐÁNH GIÁ Hệ thống hoạt động ổn định, giúp người dùng giám sát thông số mà cảm biến thu thập đưa lên hình giám sát HMI Mơ hình tạo giải pháp tốt cho cơng ty công nghiệp với quy mô sản xuất lớn Tiết kiệm thời gian, nhân công, phân loại sản phẩm lỗi từ nâng cao chất lượng sản phẩm HƯỚNG PHÁT TRIỂN Đề tài đáp ứng yêu cầu đặt để sản phẩm hồn thiện cần thời gian nghiên cứu cải tiến hơn.Về chức năng, thiết bị nghiên cứu dừng lại chức đọc mã QR code hiệu chưa cao xí nghiệp có nhiều sản phẩm chưa nhiều Một số chức cần cải thiện thêm: - Phát triển mơ hình quy mơ lớn 71 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải - Bộ mơn Cơ điện tử Có thể dùng thiết bị sevor động pha để nâng cao q trình sản xuất - Hồn thiện mơ hình với tối ưu kinh tế KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu hoàn thành đề tài nhờ giúp đỡ Thầy Nguyễn Thanh Lịch, chúng em học hỏi tìm hiểu thêm nhiều kiến thức hoàn thành đề tài “Thiết kế điều khiển giám soát hệ thống phân loại sản phẩm mã vạch Qr code dung camera cơng nghiệp” Vì đề tài hướng công ty sản xuất lớn khu công nghiệp để phân loại sản phẩm hạn chế sản phẩm chất lượng Trong trình thực đề tài, em tìm hiểu thêm PLC, HMI, camera công nghiệp kết hợp cảm biến với camera để đọc giá trị Tuy nhiều thời gian để cảm biến hoạt động ổn định sau cảm biến thiết bị ngoại vi làm việc ổn định học nhiều học trình hoàn thành Mặc dù sản phẩm hoàn thành chúng em nhận thấy sản phẩm nhiều thiếu sót, cần cải tiến chỉnh sửa Em xin chân thành cảm ơn 72 Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Bộ môn Cơ điện tử TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ThS Uông Quang Tuyến, Tài liệu giảng mơn Tin học cơng nghiệp [2] Nguyễn Dỗn Phước, Phan Xuân Minh, Tự động hoá với Siamtic S7-200, NXB Nông Nghiệp, 1997 [3] PGS.TS Thái Duy Thức, TS Phan Minh Tạo, Thiết kế truyền động điện tự động, NXB Giao thơng vận tải Hà Nội, 2000 [4] Tìm kiếm tài liệu PLC s7 1200 https://plcvietnam.com.vn/ [5] Tìm kiếm tài liệu camera congnex https://support.cognex.com/en/downloads/dataman [6] Tham khảo ứng dụng camera http://tudonghoa.com/giai-phap-kiem-tra-ngoaiquan-phat-hien-loi-phan-loai-san-pham-su-dung-camera-cong-nghiep-tudonghoa51044/pr.html [7] Tham khảo cấu trúc mạng https://khs247.com/cau-truc-mang 73