Đồ Án tốt nghiệp thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã qr code sử dụng plc s7 1200

Đồ án tốt nghiệp phân loại sản phẩm bằng mã qr sử dụng plc S7 1200 Xã hội ngày nay càng phát triển, nhu cầu về vật chất và tinh thần của con người ngày càng tăng lên, vì thế bài toán về cung cấp luôn được các nhà sản xuất tìm cách giải quyết. Tự động hóa trong dây chuyền sản xuất là một phương án cấp thiết, nó đòi hỏi sự nhanh chóng, chính xác, tăng năng xuất, giảm thiểu sức lao động của con người. Quá trình sản xuất được tự động hóa cao giúp năng suất được nâng cao và giảm chi phí tăng tính cạnh tranh cho các doanh nghiệp. Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa sử dụng càng nhiều thiết bị hiện đại dể điều khiển tự động các quá trình sản xuất, gia công,… .Điều này dẫn tới việc hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt, cho phép tự động hóa ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loạt trên cơ sở sử dụng các máy tự động, robot công nghiệp,… .Trong đó có một khâu quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng hành hóa bán ra là hệ thống phân loại sản phẩm. Đồ án “ Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm bằng quét mã QR code sử dụng PLC S7-1200 ” được nghiên cứu nhằm củng cố kiến thức, đồng thời giúp cho sinh viên chúng em thấy được mối liên hệ giữa những kiến thức đã học ở trường với những kiến thức thực tiễn bên ngoài, để sau này khi ra trường làm việc có thêm những kinh nghiệm quý giá trong công việc. Đề tài trên có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực như vận chuyển, kiểm tra hàng hóa và phân loại sản phẩm hỗ trợ tối ưu cho con người trong cuộc sống hiện đại ngày nay.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM BẰNG QUÉT QR CODE

Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm bằng quét mã QR code

Hiện nay, công nghệ mã vạch là một trong những phương pháp nhận dạng và thu thập dữ liệu tự động rất phổ biến Công nghệ này hoạt động dựa trên nguyên tắc là gán cho hàng hóa cần quản lý một dãy số theo quy ước (hoặc gồm dãy chữ và số), sau đó thể hiện quy ước này dưới dạng các số và mã vạch để thiết bị đầu đọc mã vạch có thể đọc hiểu được Trong quản lý sản phẩm hàng hoá, người ta gọi dãy số hoặc dãy vạch quy ước là mã số, mã vạch của hàng hoá Giải pháp mã vạch đã và đang được ứng dụng vào rất nhiều ở các ngành nghề khác nhau do có độ chính xác cao, các thao tác thực hiện nhanh chóng, giúp tiết kiệm chi phí nhân sự, có hiệu suất ổn định Với ứng dụng phân loại hàng hóa và quản lý kho thì QR Code được dùng để phân loại sản phẩm vô cùng tiện lợi, đồng thời sử dụng ứng dụng mã vạch để kiểm soát lượng hàng hóa còn tồn đọng trong kho Khi đó, người sử dụng có thể đưa ra những quyết định trong việc nhập, xuất hàng hóa một cách hợp lý, giảm chi phí tồn kho hữu ích Hoặc có thể ứng dụng công nghệ mã vạch trong việc phân biệt hàng thật, hàng giả trên thực tế thông qua việc thể kiểm tra nhanh chóng nguồn gốc của sản phẩm Từ đó, có thể nhận diện, phát hiện và theo dõi hàng hóa được nhập về có phải là hàng thật từ nhà sản xuất uy tín hay không Với rất nhiều ưu điểm về hiệu suất công việc, độ chính xác cao, thông tin nhanh chóng và nhiều lợi ích khác, công nghệ này được dự đoán là đang và sẽ rất phát triển trong tương lai gần Các hệ thống đã được công bố hoặc thương mại hóa hiện nay về chủ đề này hầu như không trùng lặp với nghiên cứu của nhóm tác giả Trong nghiên cứu này nhóm tác giả có mục tiêu thiết kế một hệ thống phân loại sản phẩm tự động theo mã vạch kết hợp với lập trình trên nền tảng Visual Studio nhằm ứng dụng trong các cơ sở kinh doanh sản phẩm hàng hóa như tại các công ty xuất nhập khẩu, các siêu thị, cửa hàng bách hóa Hình ảnh sản phẩm (có mã vạch) cần được phân loại sẽ đượcWebcam của hệ thống thu/ghi lại và gửi/truyền tới chương trình VisualStudio Tiếp theo, hệ thống sẽ thực hiện phân tích thông tin mã vạch để đưa ra tín hiệu xuống PLC Sau đó PLC sẽ xử lí và đưa ra lệnh điều khiển tới bộ phận cánh tay robot để gắp sản phẩm theo các quy định đã được thiết lập với các yêu cầu phân loại sản phẩm hàng hóa Sản phẩm được thiết kế và xây dựng có giá thành rẻ, có thể lắp đặt và sửa chữa dễ dàng, có tính ứng dụng thực tế cao.

Cấu tạo của hệ thống phân loại sản phẩm bằng quét mã QR code

Mã QR Code: Là mã vạch 2 chiều chứa thông tin sản phẩm (Tên, mã sản phẩm, ngày sản xuất, hạn sử dụng, địa chỉ sản xuất,thành phần, giá cả,

Thiết bị đọc mã: Phầm mềm giám sát Visual Studio có chức năng nhận hình ảnh từ webcame sau đó tiến hành giải mã QR code và đưa ra dữ liệu cho PLC.

Thiết bị điều khiển: PLC nhận tín hiệu của phần mềm giám sát đưa xuống để đưa ra tín hiệu cho cánh tay robot phân loại vào đúng vị trí đã được lập trình sẵn.

Cánh tay robot: Gắp sản phẩm và đưa đến đúng vị trí đã được lập trình dựa vào tín hiệu của PLC.

Quá trình trong hệ thống phân loại sản phẩm bằng quét mã QR code

Thiết kế QR Code: QR Code được thiết kế và in trên sản phẩm hoặc bao bì sản phẩm.

Quét mã QR Code: Camera quét mã và gửi về cho phần mềm giám sát. Giải mã QR Code: Phần mềm giám sát giải mã QR Code từ camera gửi về và gửi tín hiệu xuống PLC.

Xử lí tín hiệu nhận được từ phần mềm giám sát: PLC nhận tín hiệu từ phần mềm giám sát gửi về sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển xuống cho cánh tay.

Phân loại sản phẩm: Dựa theo thông tin nhận được từ PLC cánh tay robot thực hiện gắp sản phầm đến đúng vị trí đã lập trình. Đếm số lượng sản phẩm: Mỗi sản phẩm đến từng vị trí sẽ được đếm và hiển thị số lượng trên phần mềm giám sát.

Ứng dụng của hệ thống phân loại sản phẩm bằng quét mã QR code

Giúp người dùng kiểm tra thông tin sản phẩm: Người dùng có thể quét

QR code để kiểm tra thông tin sản phẩm đảm bảo sản phẩm đúng và an toàn. Giúp người dùng quản lí sản phẩm về các kho hàng: Hệ thống giúp quản lí một cách chính xác, nhanh chóng, đảm bảo việc nhập/xuất kho được thực hiện đúng sản phẩm và số lượng.

Giúp người dùng quản lí chuỗi cung ứng: Hệ thống giúp quản lí chuỗi cung ứng một cách chính xác và minh bạch hơn, đảm bảo sản phẩm được vận chuyển đúng địa điểm và thời gian

Giúp ngăn chặn hàng giả: Hệ thống giúp ngăn chặn hàng giả bảo vệ quyền lợi của người dùng.

So sánh với các hệ thống cùng chức năng

 Dễ sử dụng: Chỉ cần quét mã để thu thập thông tin, không cần phải nhập mã số hay thông tin khác

 Tính năng đa dạng: Hệ thống có thể tích hợp nhiều tính năng khác nhau như: kiểm tra chất lượng, quản lí kho hàng, quản lí chuỗi cung ứng, ngăn chặn hàng giả.

 Tính minh bạch: Hệ thống có tính minh bạch hơn so với hệ thống khác, đảm bảo có đầy đủ thông tin về sản phẩm cũng như trong quản lí sản phẩm.

 Tính tiện lợi: Hệ thống có thể dùng trên nhiều thiết bị khác nhau như: điện thoại, máy tính bảng, laptop, …

 Yêu cầu kết nối: Để truy cập thông tin cũng như là truyền dữ liệu

 Yêu cầu thiết bị có khả năng quét, đọc và giải mã QR code: Hệ thống cần phải sử dụng thiết bị có tính năng quét, đọc và giải mã

 Yêu cầu phải có hệ thống quản lí sản phẩm: Để phân loại sản phẩm thì cần phải có hệ thống quản lí sản phẩm đầy đủ và chính xác.

QR code

QR Code (mã QR) là viết tắt của Quick response code (Tạm dịch: Mã phản hồi nhanh), hoặc có thể gọi là Mã vạch ma trận (Matrix-barcode) hay

Mã vạch 2 chiều (2D) Đây là một dạng thông tin được mã hóa để hiển thị sao cho máy có thể đọc được.

QR Code xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1994, được tạo ra bởi Denso Wave (công ty con của Toyota) QR Code bao gồm những chấm đen và ô vuông mẫu trên nền trắng, có thể chứa những thông tin như URL, thời gian, địa điểm của sự kiện, mô tả, giới thiệu một sản phẩm nào đó,

QR Code cho phép quét và đọc mã nhanh hơn bằng các thiết bị như máy đọc mã vạch hoặc điện thoại có camera với ứng dụng cho phép quét mã, vô cùng tiện lợi cho người dùng.

Cấu tạo: Gồm nhiều hình vuông màu đen với nền trắng được sắp xếpTrong một lưới hình vuông, trong đó một số ô dùng để cảm biến hình ảnh định vị (3 ô vuông lớn ở 3 góc), còn lại chứa thông tin định dạng, phiên bản, dữ liệu và mã sửa lỗi (ECC – phương pháp phát hiện và sửa lỗi xảy ra khi truyền dữ liệu).

Hình 1.1: Cấu tạo của mã Qrcode

 Hoa văn định vị (Finder pattern): Các hoa văn định vị nằm ở 3 góc của mã

QR Mục đích của chúng là biểu thị hướng cho mã, giúp camera có thể xác định được phạm vi mã cũng như đọc thông tin ngay trong trường hợp mã bị biến dạng.

 Thông tin định dạng (Format Information): Các mẫu định dạng có chức năng sửa lỗi, quyết định mức độ sửa lỗi của mã QR Để giúp cho việc cân bằng giữa các ô đen và trắng trên mã, chức năng Mask được thiết lập Dựa vào 8 loại nguyên tắc, các thông tin lưu trên mã QR vẫn đảm bảo sự toàn vẹn cũng như màu sắc của các ô đen trắng để bảo đảm sự cân bằng.

 Vùng dữ liệu (Data): Chứa những dữ liệu thực tế.

 Mô-đun (Module): Các ô đen mã QR chứa các đoạn mã nhị phân và mang giá trị là 1, các ô trắng có giá trị là 0 Tập hợp các ô chính là các thông tin lưu trữ vào mã QR.

 Ký hiệu căn chỉnh (Alignment pattern): Giúp định hướng mã QR, có thể giải mã từ mọi góc độ Ngay cả khi mã đang ngược hoặc ở một góc khác, máy vẫn có thể đọc được mã một cách dễ dàng.

 Mẫu thời gian (Timing pattern): Khi sử dụng mẫu này, máy quét có thể biết được độ lớn của ma trận dữ liệu.

 Thông tin phiên bản (Version pattern): Chỉ định phiên bản của mã QR, được xác định bởi số lượng mô-đun Hiện tại, có tất cả 40 phiên bản từ 1 đến 40 Phiên bản 1 gồm 21 mô-đun, mỗi phiên bản tiếp theo sẽ tăng thêm

4 mô- đun cho đến khi đạt đến phiên bản 40 với tổng số 177 mô-đun Càng nhiều mô- đun bên trong mã QR, nó sẽ có nhiều dung lượng lưu trữ hơn. Đối với mục đích tiếp thị, thường dũng mã QR với phiên bản từ 1 đến 7.

 Vùng yên tĩnh (Quiet zone): Đây là không gian trống xung quanh mã, cho phép bộ đọc mã phân biệt mã QR với môi trường xung quanh. Đặc điểm:

 Cùng là mã vạch nhưng QR Code lại là phiên bản cải tiến của mã vạch truyền thống Mã vạch truyền thống là một dãy các vạch được xếp liền kề nhau, chỉ chứa được tối đa 20 ký tự số, trong khi đó thì mã QR có khả năng chứa tối đa 7.089 ký tự số và 4.296 ký tự chữ số Điều này cho phép lượng thông tin truyền tải sẽ nhiều hơn, hỗ trợ tốt hơn cho người dùng, đặc biệt là những doanh nghiệp kinh doanh muốn gửi thông điệp đến khách hàng của mình Không chỉ thế, nếu so về kích thước thì QR Code chiếm ít không gian hơn rất nhiều so với mã vạch truyền thống Nếu in trên sản phẩm hoặc danh thiếp thì sẽ nhỏ gọn và tăng tính thẩm mỹ hơn.

 Một mã QR có thể chứa đựng một địa chỉ web (URL), các thông tin liên hệ của cá nhân hoặc doanh nghiệp như sản phẩm, địa chỉ email, số điện thoại, địa chỉ nhà, tin nhắn SMS,…Cũng tùy thuộc vào thiết bị đọc mã QR mà khi quét nó sẽ dẫn tới một trang web, gọi đến một số điện thoại, xem một tin nhắn,…

1.6.2 Ứng dụng của mã QR code trong đời sống

Thanh toán bằng QR code: Thanh toán bằng mã QR ngày càng được ưa chuộng và phổ biến Người mua hàng có thể dễ dàng thanh toán bằng cách quét mã QR ở quầy thanh toán hoặc để nhân viên bán hàng quét mã trên điện thoại của mình Ở Trung Quốc và Hàn Quốc, QR code phổ biến đến mức dù ở bất kỳ đâu, nhà hàng cao cấp hay cửa hàng ven đường, họ đều sử dụng mã

QR thay vì giao dịch bằng tiền mặt.

Quản lý người ra vào: Trong buổi sự kiện, hay hòa nhạc, liveshow hay trận đấu bóng đá, mã QR sẽ được in và dán trên vé Người tham gia sẽ đặt vé qua internet sau đó nhận được vé điện tử có chứa QR code Đến sự kiện chỉ cần quét mã ta có thể vào khán đài để tham gia Cũng tương tự ở sân bay và ga tàu, QR code được áp dụng theo hình thức cửa soát vé điện tử

Quản lý quy trình, quản lý kho trong ngành sản xuất: Đây là ứng dụng ít được biết đến và chỉ các nhà máy xí nghiệp sản xuất mới quan tâm Bên cạnh tác dụng quản lý số lượng hàng tồn kho, bằng việc gán cho mỗi sản phẩm một mã QR, ta có thể truy xuất nguồn gốc xuất xứ và quy trình sản xuất ra sản phẩm một cách dễ dàng.

Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày các nội dung cơ bản về hệ thống phân loại sản phẩm bằng quét mã QR code và mã QR code như: tổng quan về thống, cấu tạo của hệ thống, quá trình trong hệ thống, ứng dụng của hệ thống, khái niệm và ứng dụng của QR code Nội dung của chương này được sử dụng để làm cơ sở giúp hiểu rõ phần thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm bằng quét mã QR code sử dụng PLC S7-1200 được trình bày trong chương 2.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM BẰNG QUÉT MÃ QR CODE SỬ DỤNG PLC S7-1200

Phân tích yêu cầu công nghệ

Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm bằng quét mã QR code sử dụng PLC S7-1200 Hệ thống sử dụng PLC S7-1200 CPU 1214( DC/DC/RLY), băng tải, cảm biến quang, rơle trung gian, Switch TP-LINK TL-SG105, Webcam HD Full, cánh tay robot điều khiển Adruino UNO R3 kết hợp sử dụng giao diện WindowsForms qua PC.

Các sản phẩm phải có mã QR code được đính kèm trên mặt của sản phẩm để camera có thể đọc được mã QR code của các sản phẩm Sản phẩm với kích thước 4cmx4cm cùng 4 mã QR khác nhau, được bọc các lớp với các màu khác nhau : cam, đỏ, xanh lá , xanh dương để dễ dàng nhận dạng bằng mắt Các sản phẩm màu: Màu cam (sản phẩm lỗi), màu đỏ (sản phẩm 1), màu xanh lá (sản phẩm 2), màu xanh dương (sản phẩm 3) Hệ thống sử dụng PLC S7-1200 CPU 1214 DC/DC/RLY

Cánh tay robot để phân loại 3 sản phẩm đến 3 vị trị khác nhau, khi hệ thống hoạt động, băng tải sẽ đưa sản phẩm đến cuối băng tải và gặp vùng quét của cảm biến, băng tải dừng lại, lúc này camera sẽ quét mã QR code được gắn trên sản phẩm và truyền tín hiệu về PC, PC sẽ nhận dạng mã QR code và đếm sản phẩm Sau đó, PC sẽ gửi tín hiệu đến bộ điều khiển PLC thực hiện điều khiển cánh tay robot gắp sản phẩm sang các vị trí đã được định trước.

Thiết kế tủ điện để chứa bộ điều khiển PLC, các khí cụ điện, switch,máng cáp và các dây dẫn các dây dẫn phải được đấu nối gọn gàng đúng theo nguyên lý.

Sơ đồ khối của hệ thống phân loại sản phẩm bằng quét mã QR code sử dụng PLC S7-1200

2.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Sơ đồ khối nguyên lý của hệ thống phân loại sản phẩm bằng quét mã

QR code được thể hiện trong hình 2.1.

Hình 2.2: Sơ đồ khối của hệ thống

Chức năng của các khối:

Khối nguồn: Cung cấp nguồn đề toàn mạch hoạt động.

Cảm biến: Dùng để nhận biết sản phẩm sau đó gửi tín hiệu về PLC điều khiển cánh tay robot và băng tải hoạt động.

Camera: Dùng để quét mã QR được dán trên sản phẩm sau đó gửi mã sản phẩn về windowsforms trên PC

PC: Dùng để nhận mã sản phẩm từ camera sau đó gửi tín hiệu về PLC.Khối điều khiển: Bộ điều khiển logic khả trình S7-1200 nhận tín hiệu từ cảm biến và PC để điều khiển cánh tay robot và băng tải thực hiện chức năng phân loại sản phẩm theo mã QR code

Băng tải: Được sử dụng để vận chuyển sản phẩm từ đầu băng tải đến cuối băng tải thông qua khối cảm biến và hai nút nhấn START và STOP. Cánh tay robot: Thực hiện chức năng gắp và nhả sản phẩm theo sự điều khiển của PLC.

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống Đầu tiên, khối nguồn cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống, lúc này bộ điều khiển PLC được cấp nguồn điều khiển cho băng tải bắt đầu hoạt động. Đặt sản phẩm lên băng tải Khi sản phẩm đi đến cuối băng tải gặp vùng quét của cảm biến, băng tải dừng lại ngay tại vị trí đó, camera sẽ quét mã QR code và gửi tín hiệu về PC để nhận dạng mã QR code và đếm sản phẩm Sau đó,

PC gửi tín hiệu đến bộ điều khiển PLC Lúc này bộ điều khiển PLC S7-1200 thực hiện chức năng điều khiển cánh tay robot phân loại sản phẩm đến các vị trí đã được định trước Và chu trình được tiếp tục diễn ra đến khi người dùng dừng cấp nguồn cho hệ thống.

Lưu đồ thuật toán

2.3.1 Thuật toán chương trình chính điều khiển hệ thống

Lưu đồ thuật toán điều khiển chương trình chính điều khiển hệ thống thể hiện qua hình 2.2:

Hình 2.3: Lưu đồ thuật toán chương trình chính điều khiển hệ thống

2.3.2 Thuật toán điều khiển băng tải

Lưu đồ thuật toán điều khiển băng tải được thể hiện qua hình 2.3:

Hình 2.4: Lưu đồ thuật toán điều khiển băng tải

2.3.3 Thuật toán điều khiển cánh tay robot phân loại sản phẩm

Lưu đồ thuật toán điều khiển cánh tay robot phân loại sản phẩm được thể hiện qua hình 2.4:

Hình 2.5: Lưu đồ thuật toán điều khiển cánh tay robot phân loại sản phẩm

2.3.4 Thuật toán phân loại sản phẩm lỗi

Lưu đồ thuật toán phân loại sản phẩm lỗi được thể hiện qua hình 2.5:

Hình 2.6: Lưu đồ thuật toán phân loại sản phẩm lỗi

2.4 Chương trình điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm bằng quét mã

Chương trình điều khiển của hệ thống phân loại sản phẩm bằng quét mã

QR code được viết trên phầm mềm TIA Portal V17 và chương trình quét mã

QR code được viết trên phần mềm WindowsForms với ngôn ngữ lập trình C#, chương trình điều khiển cánh tay robot.

Phần nội dung chương trình điều khiển của hệ thống phân loại sản phẩm bằng quét mã QR code, chương trình quét mã QR code và chương trình điều khiển cánh tay robot được trình bày tại phần phụ lục.

Giao diện nhận diện mã vạch QR code

Giao diện quét mã vạch QR code và hiển thị sử dụng WindowsForms với ngôn ngữ lập trình C# Mục đích giao điện sẽ hiện nội dung của mã vạch

QR code, gửi tín hiệu xuống PLC S7-1200 bằng phần mềm TIA Portal V17 để phân loại sản phẩm sau đó cánh tay robot sẽ gắp và phân loại chính xác của từng sản phẩm về đúng vị trí Giao diện còn hiển thị số lượng sản phẩm của từng loại sản phẩm sau khi phân loại sản phẩm và thông báo đã kết nối được với PLC S7-1200 hay chưa [3].

Hình 2.7: Giao diện nhận diện mã QR code

Các thiết bị sử dụng trong mô hình

2.6.1 Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 a) Giới thiệu về PLC S7-1200

Bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7- 1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau.

Thành phần cơ bản của PLC S7-1200 [1]:

 Nguồn cấp: Nguồn điện đầu vào của PLC thường ở mức 220VAC hoặc 24VDC Nguồn điện áp này được truyền xuống bảng nối đa năng cung cấp năng lượng cho CPU và các mô-đun I / O, có dạng “cards” Các card này có thể nhanh chóng được thêm vào hoặc tháo ra khỏi vị trí của chúng.

 RAM, ROM: Là một bộ nhớ chương trình bên trong, ta có thể thêm bộ nhớ bên ngoài EPROM Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O. Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay.

 CPU: Là bộ xử lý trung tâm có công giao tiếp dùng cho việc kết nối với PLC.

 CPU chính là ‘bộ não’ của PLC, biến nó thành một máy tính bao gồm bộ vi xử lý và bộ nhớ.Ngay cả những PLC nhỏ, không mô-đun cũng chứa một

CPU Tín hiệu đầu vào đến từ các thẻ I / O và các chương trình logic đưa ra quyết định dựa trên các tín hiệu Nếu được yêu cầu, CPU sẽ ra lệnh cho đầu ra bật và tắt khi các tín hiệu và điều kiện thay đổi.

 Module đầu vào/ra (I / O): Module nhập (input module) được nối với những công tắc nguồn, nút ấn, những bộ sensor, … để điều khiển và tinh chỉnh từ chương trình bên ngoài Module xuất (output module) được nối với những tải ở ngõ ra như cuộn dây của relay, contactor, đèn tín hiệu, những bộ ghép quang. b) Ưu điểm, nhược điểm của PLC S7-1200

 Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn, thích hợp để lập trình cho nhiều ứng dụng khác nhau.

 Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản, sửa chữa và thay thế.

 Độ tin cậy cao, chuẩn hóa được thiết bị.

 Thực hiện được các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao.

 Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng chức năng khác.

 Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp.

 Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị khác.

 Sử dụng tốt trong các loại môi trường như nhiệt độ, độ ẩm cao, dòng điện dao động,…

 Giá thành phần cứng cao Vì đây là một thiết bị công nghệ cao, tự động hóa cao nên giá trị sẽ cao hơn nhiều so với các lại thiết bị rơ le ON/OFF thông thường Tuy nhiên hiện tại giá thành PLC đã giảm đáng kể như các dòng PLC Mitsubishi hoặc PLC Delta.

 Một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình Mỗi hãng có thiết kế riêng vì thế chúng sẽ có sự khác biệt trong khâu lập trình hệ thống Một số hãng sẽ kèm theo phần mềm, tuy nhiên cũng sẽ có một số hãng bán kèm để chúng ta sử dụng.

 Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn cao Hầu hết những người sử dụng được PLC phải được đào tạo rất bài bản Họ phải được trang bị các kiến thức liên quan đến từng loại PLC của từng hãng khác nhau Bởi vì mỗi hãng sẽ có phần mềm lập trình riêng nên để đào tạo thì cần một khoảng thời gian để có thể đảm nhiệm được công việc này Nếu chuyên môn không cao sẽ dẫn dên lập trình sai, gây hư hỏng và tổn thất trang thiết bị và xảy ra các sự cố đáng tiếc. c) Nguyên lý hoạt động của PLC S7-1200

Bộ điều khiển trung tâm CPU thực hiện điều khiển toàn bộ hoạt động của bộ PLC Tốc độ xử lý của CPU quyết định đến tốc độ điều khiển của PLC Chương trình được lưu trữ trên RAM Pin dự phòng được tích hợp trên PLC giúp chương trình không bị mất khi có sự cố về điện CPU thực hiện quét chương trình và thực hiện các lệnh theo thứ tự [1] d) PLC S7-1200 DC/DC/RLY

Hình 2.9: PLC S7-1200 DC/DC/RLY

SIMATIC S7-1200, CPU 1214C, compact CPU, DC/DC/relay, onboardI/O: 14 DI 24 VDC; 10 DO relay 2A; 2 AI 0-10V DC, Power supply: DC

20.4-28.8V DC, Program/data memory 100 KB (6ES7214-1HG40-0XB0).

Bảng 2.1: Bảng thông số của PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/RELAY

Mã sản phẩm 6ES7214-1HG40-0XB0

SIMATIC S7-1200, CPU 1214C, compact CPU, DC/DC/relay, onboard I/O: 14 DI 24 V DC; 10 DO relay 2 A; 2 AI 0-10 V DC, Power supply: DC 20.4- 28.8V DC, Program/data memory 100 KB

Hãng sản xuất Siemens AG

Xuất xứ China e) Ứng dụng của PLC S7 – 1200

 Điều khiển đèn chiếu sáng

 Điều khiển bơm cao áp

2.6.2 Truyền thông PLC với thiết bị ngoại vi

PLC hiện nay được tích hợp nhiều chuẩn truyền thông khác nhau tùy theo yêu cầu của mỗi ứng dụng Có 2 cách để phân loại truyền thông như sau [2]:

 Một là phân loại theo kiểu kết nối vật lý bao gồm 3 chuẩn phổ biến như: RS232, RS422/RS485, Ethernet Trong đó thì RS232 và

RS422/RS485 hiện nay đang phổ biến hơn ở các dòng plc cũ, các dòng mới hiện nay đa số đều được tích hợp chuẩn ethernet.

 Hai là phân loại theo kiểu chuẩn truyền thông Một số chuẩn truyền thông phổ biến như Modbus, Profinet, CClink, Mechatrolink, Can- open, Ethercat. Để lựa chọn được chuẩn truyền thông dự kiến dùng cho dự án của mình các bạn phải tính toán thời gian truyền thông giữa hai thiết bị tối thiểu đáp ứng được cho chương trình sau đó đưa ra các lựa chọn về chuẩn kết nối cũng như truyền thông Chuẩn truyền thông hiện nay tương đối phổ biến và được tích hợp nhiều trong PLC, HMI, biến tần, bộ đếm là Modbus, các bạn nên tìm hiểu thêm về chuẩn này để thuận tiện cho việc truyền thông trên PLC [2]. a) Giao tiếp dùng RS232

Vấn đề giao tiếp giữa PC và vi điều khiển rất quan trọng trong các ứng dụng điều khiển, đo lường Ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính Nó là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều nhất là 2 thiết bị, chiều dài kết nối lớn nhất cho phép để đảm bảo dữ liệu là 12.5 đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s đôi khi là tốc độ 115kbit/s với một số thiết bị đặc biệt Ý nghĩa của chuẩn truyền thông nối tiếp nghĩa là trong một thời điểm chỉ có một bit được gửi đi dọc theo đường truyền.

Có hai phiên bản RS232 được lưu hành trong thời gian tương đối dài là RS232B và RS232C Nhưng cho đến nay thì phiên bản RS232B cũ thì ít được dùng còn RS232C hiện vẫn được dùng và tồn tại thường được gọi là tên ngẵn gọn là chuẩn RS232. b) Giao tiếp dùng RS485

RS485 hay được biết đến với tên gọi đầy đủ là chuẩn giao tiếp RS485 hay cáp RS485, đây là phương thức giao tiếp kết nối với máy tính và các thiết bị khác RS485 không chỉ đơn thuần là giao diện đơn lẻ mà nó chính là tổ hợp truyền thông có khả năng tạo ra các mạng đơn giản của nhiều thiết bị Chuẩn giao tiếp RS485 có thể kết nối max lên đến 32 thiết bị trên một cặp dây đơn và một hệ thống dây nối đất ở khoảng cách lên đến 1200m.

Nguyên lý hoạt động của RS485 khá đơn giản, dữ liệu sẽ được truyền qua 2 dây khi xoắn lại với nhau, dây này được gọi là cáp xoắn Khi dây được xoắn lại sẽ tạo cho RS485 khả năng chống nhiễu cao và khả năng truyền tín hiệu đường dài tốt hơn.

Nội dung của chương 2 đã trình bày các nội dung để thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm bằng quét mã QR code như: Yêu cầu thiết kế, sơ đồ điều khiển, lưu đồ thuật toán, chương trình điều khiển, quét mã vạch QR và giao diện nhận mã QR code, các thiết bị sử dụng trong mô hình Sau khi hoàn thành nội dung chương này, tiến hành thực hiện mô hình thực nghiệm và kết quả của mô hình được trình bày trong chương 3.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Mô hình thực nghiệm

Hình 3.1 trình bày tổng quan về mô hình hệ thống phân loại sản phẩm bằng quét mã QR code sử dụng PLC S7-1200.

Hình 3.16: Mô hình phân loại sản phẩm bằng quét mã QR code sử dụng PLC

Các sản phẩm phải có mã QR code được đính kèm trên mặt của sản phẩm để camera có thể đọc được mã QR code của các sản phẩm Sản phẩm với kích thước 4cmx4cm cùng 4 mã QR khác nhau, được bọc các lớp với các màu khác nhau : cam, đỏ, xanh lá , xanh dương để dễ dàng nhận dạng bằng mắt Các sản phẩm màu: Màu cam (sản phẩm lỗi), màu đỏ (sản phẩm 1), màu xanh lá (sản phẩm 2), màu xanh dương (sản phẩm 3).

Kích thước của băng tải: dài 80cm, rộng 12cm.

 Chiều cao tối đa: 38cm

 Đường kính ổ bi xoay: 11,5cm

Thiết kế tủ điện có chiều dài 80cm, chiều rộng 50cm để chứa bộ điều khiển PLC, các khí cụ điện, switch, máng cáp và các dây dẫn các dây dẫn phải được đấu nối gọn gàng đúng theo nguyên lý

Giao diện quét mã QR code và đếm số lượng sản phẩm sau khi quét mã

QR code được thiết kế trên giao diện WindowsForms với các phần và chức năng được trình bày trong hình 3.2.

Hình 3.17: Giao diện quét mã QR code

Giao diện quét mã QR code bao gồm: Lựa chọn camera, nút ấnON/OFF, màn hình quét mã sản phẩm, kiểm tra kết nối với PLC, hiển thị mã sản phẩm, số lượng sản phẩm và reset số lượng sản phẩm.

Sơ đồ đấu dây

Hình 3.18: Sơ đồ đấu dây

Khi cấp điện, ta gạt aptomat cấp điện cho toàn mạch hoạt động đồng thời lúc này đèn báo nguồn trên cánh tủ sẽ sáng Để thử máy, ta gạt tay gạt AUTO-MAN sang vị trí 1 – vị trí MAN để thực hiện kiểm tra băng tải và cánh tay robot có hoạt động tốt hay không Ta nhấn nút START cả băng tải và cánh tay robot đều hoạt động, nếu băng tải hoặc cánh tay robot không hoạt động thì nhấn nút E-STOP bật đèn cảnh báo hệ thống đang bị lỗi Sau khi kiểm tra nhận thấy băng tải và cánh tay robot hoạt động bình thường thì người vận hành nhấn nút STOP kết thúc quá trình thử máy và bắt đầu quá trình vận hành phân loại sản phẩm. Để bắt đầu quá trình vận hành phân loại sản phẩm ta gạt tay gạt AUTO-MAN sang vị trí 2 – vị trí AUTO , ngay lúc này hai nút nhấn START vàSTOP sẽ bị vô hiệu hóa, hệ thống hoạt động dựa trên cảm biến Ngay khi sản phẩm đến cuối băng tải sẽ chạm cảm biến, cảm biến gửi tín hiệu về PLC làm cho băng dừng lại đồng thơi webcam sẽ quét mã QR code trên sản phẩm Sau đó sẽ gửi tín hiệu về PC, PC sau khi nhận được tín hiệu sẽ tiến hành xử lý và hiển thị mã sản phẩm lên màn hình để người vận hành có thể quan sát Sau đó, tín hiệu sẽ được gửi từ windownform trên PC đến PLC để PLC điều khiển cánh tay robot gắp từng sản phẩm khác nhau đến các vị trí đã được đặt trước thông qua truyền thông Modbus TCP/IP khi mà băng tải dừng lại đồng thời cánh tay robot thực hiện chức năng phân loại sản phẩm Khi đã hoàn thành việc phân loại sản phẩm, ta gạt tay gạt về vị trí 1 – MAN, ta tác động vào nút nhấn STOP, hệ thống dừng hoạt động, băng tải dừng ngay tại vị trí đó

Khi hệ thống xảy ra lỗi người vận hành tác động vào nút dừng khẩn E-STOP bật đèn cảnh báo hệ thống đang lỗi.

Kết quả thực nghiệm

Thực hiện đấu nối và thực hiện kiểm tra cánh tay phân loại sản phẩm theo từng mã QR code khác nhau Kết quả thực nghiệm như sau:

 Đầu tiên, kiểm tra kết nối giữa WindowsForms với PLC S7-1200 bằng cách click chuột vào nút connect trên giao diện WindowsForms như hình 3.4:

Hình 3.19: Kiểm tra kết nối giữa WindowsForms với PLC

 Cánh tay Robot ở vị trí ban đầu (vị trí gốc) khi được cấp nguồn như hình 3.5.

Hình 3.20: Vị trí ban đầu của cánh tay Robot khi chưa đặt sản phẩm

 Hệ thống thực hiện phân loại sản phẩm 1: Đặt sản phẩm mang mã QR code là sản phẩm 1 vào băng tải, khi sản phẩm 1 chạy đến cảm biến quang thì dừng lại Đồng thời Webcam thực hiện quét và truyền tín hiệu xuống máy tính được thể hiện qua hình 3.6.

Hình 3.21: Vị trí quét mã sản phẩm 1

Máy tính nhận tín hiệu quét từ Webcam Sau đó, máy tính gửi tín hiệu xuống PLC S7-1200 và PLC S7-1200 gửi tín hiệu xuống Arduino để điều khiển cánh tay Robot gắp sản phẩm 1 Đồng thời đếm số lượng sản phẩm 1.

Hình 3.22: Giao diện nhận mã sản phẩm 1 và đếm số lượng sản phẩm 1

Hình 3.23: Cánh tay Robot thực hiện gắp sản phẩm 1

Cánh tay Robot di chuyển sản phẩm tới vị trí đặt sản phẩm 1 được xác định trước đó và đặt sản phẩm 1 vào đúng vị trí như hình 3.9.

Hình 3.24: Cánh tay Robot đưa sản phẩm đến vị trí đặt sản phẩm 1

 Hệ thống thực hiện phân loại sản phẩm 2: Đặt sản phẩm mang mã QR code là sản phẩm 2 vào băng tải, khi sản phẩm 2 chạy đến cảm biến quang thì dừng lại Đồng thời Webcam thực hiện quét và truyền tín hiệu xuống máy tính được thể hiện qua hình 3.10.

 Cánh tay Robot thực hiện phân loại sản phẩm 3: Đặt sản phẩm mang mã QR code là sản phẩm 3 vào băng tải, khi sản phẩm 3 chạy đến cảm biến quang thì dừng lại Đồng thời Webcam thực hiện quét và truyền tín hiệu xuống máy tính được thể hiện qua hình 3.14.

 Hệ thống thực hiện phân loại sản phẩm lỗi: Đặt sản phẩm mang mã QR code là sản phẩm lỗi vào băng tải, khi sản phẩm lỗi chạy đến cảm biến quang thì dừng lại Đồng thời Webcam thực hiện quét và truyền tín hiệu xuống máy tính được thể hiện qua hình 3.18.

Hình 3.33: Vị trí quét mã sản phẩm lỗi

Máy tính nhận tín hiệu quét từ Webcam Sau đó, máy tính gửi tín hiệu xuống PLC S7-1200 và PLC S7-1200 gửi tín hiệu xuống băng tải và băng tải cho chạy sản phẩm lỗi xuống vị trí sản phẩm lỗi Đồng thời đếm số lượng sản phẩm lỗi.

Hình 3.34: Giao diện nhận mã sản phẩm và đếm số lượng sản phẩm lỗi

Hình 3.35: Vị trí đặt sản phẩm lỗi

Chương 3 đã trình bày mô hình thực nghiệm, sơ đồ đấu dây cũng như hoạt động phân loại sản phẩm bằng quét mã QR code sử dụng PLC S7-1200 của hệ thống Kết quả cho thấy hệ thống hoạt động đúng yêu cầu đề ra và áp dụng các nội dung được trình bày trong chương 1 và chương 2 Giao diện đơn giản, đáp ứng đầy đủ chức năng cơ bản của hệ thống Cánh tay Robot, băng tải, cảm biến và Webcam hoạt động ổn định, đúng nguyên lý đề ra, sản phẩm được quét và phân loại đúng vị trí Lưu đồ thuật toán, chương trình điều khiển chính xác, phù hợp.

Tiêu đề	Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Bằng Quét Mã QR Code Sử Dụng PLC S7 – 1200
Người hướng dẫn	TS. Phạm Văn Cường
Trường học	Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điện, Điện Tử
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	70
Dung lượng	12,19 MB