tính toán thiết kế mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc kết hợp vi điều khiển adruino và plc fx3u 24mr

Nhằm ứng dụng kiến thức đã học ở trường, sự hướng dẫn của giáo viên về thiết kế, lập trình và sự ứng dụng thực tế của chuyên ngành Kỹ thuật điện qua các môn học ở trường, nhóm em muốn th

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

-KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC KẾT HỢP VI ĐIỀU KHIỂN

ADRUINO VÀ PLC FX3U-24MR

Giảng viên hướng dẫn TỪ VIỆT BA

Hà Nội, Ngày 12 tháng 6 năm 2024

KHOA ĐIỆN Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc -)))0((( -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC KẾT HỢP VI ĐIỀU KHIỂN ADRUIMO VÀ PLC FX3U-24MR

Giảng viên hướng dẫn : Từ Việt Ba

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Quang Minh 202101120005

Đề tài: Tính toán, thiết kế mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc kết hợp

vi điều khiển Adruino và PLC FX3U-24MR.

Nội dung thực hiện: Lên ý tưởng và thiết kế mô hình phân loại sản phẩm theo màusắc kết hợp vi điều khiển và PLC thực hiện phân loại sản phẩm với các yêu cầu sau:Loại sản phẩm : Khối hộp chữ nhật

Màu sắc : Ba màu: Đỏ, Vàng, Xanh dương

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội, ngày tháng năm 2024GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PHỤ LỤC

Contents

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG VÀ LÝ THUYẾT CƠ SỞ 1

1.1 Tổng quan chung hệ thống 1

1.2 Các vấn đề đặt ra 2

1.3 Phương pháp nghiên cứu 3

1.3.1 Về mặt lý thuyết 3

1.3.2 Về mặt thực tiễn 3

1.4 Ý nghĩa của đề tài 3

1.5 Lý thuyết cơ sở 3

1.5.1 Công nghệ áp dụng 4

1.5.2 Giới thiệu kỹ thuật cảm biến 6

1.5.3 Giới thiệu các loại cảm biến 6

1.5.4 PLC và điều khiển logic 10

1.5.5 Vi điều khiển 11

CHƯƠNG 2 THỰC TRẠNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 16

2.1 Lý do trọn đề tài và Tính ứng dụng 16

2.1.1 Mục đích của đề tài 16

2.1.2 Ưu nhược điểm của phân loại màu sắc và ứng dụng thực tế trong công nghiệp 16

2.1.3 Ứng dụng thực tế trong công nghiệp 17

2.2 Giới thiệu về mô hình 17

2.3 Phân tích yêu cầu công nghệ 18

2.4 Phạm vi của đề tài 18

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN MÔ HÌNH ĐỀ TÀI 19

3.1 Cấu trúc đề tài 19

3.1.1 Thuyết minh công nghệ 19

3.1.2 Giải thích nguyên lý cơ bản của hệ thống 19

3.1.3 Cấu tạo tổng quan của hệ thống: 20

3.2 Vai trò chức năng từng khối 20

3.2.1 Giới thiệu về bộ điều khiển khả trình PLC 20

3.2.2 Bộ xử lý tín hiệu Adruino 27

3.2.3 Cảm biến màu sắc TCS3200 và Adruino 28

3.2.4 Khối truyền động 29

3.2.5 Hệ thống khí nén 32

3.3 Sơ đồ bố trí thiết bị và sơ đồ đi dây hệ thống 37

3.3.1 Giới thiệu về phần mềm vẽ 2D Autocad 37

3.3.2 Bản vẽ hệ thống 39

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN ĐỀ TÀI 41

4.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống 41

4.1.1 Lưu đồ thuật toán 41

4.1.2 Mô tả hoạt động của mô hình 41

4.2 Tính chọn băng tải và động cơ 42

4.3 Chương trình điều khiển hệ thống 43

4.3.1 Chương trình điều khiển hệ thống 43

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 57

5.1 Kết quả đã đạt được 57

5.2 Đánh giá hệ thống 60

5.2.1 Những phần đã làm được 60

5.2.2 Những phần hạn chế 60

5.2.3 Hướng phát triển đồ án 60

5.3 Kết luận 60

5.4 Tài liệu tham khảo 61

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Cảm biến nhiệt độ 8

Hình 2 cảm biến áp suất 9

Hình 3 Cảm biến trọng lượng 10

Hình 4 hình ảnh bảng mạch ứng dụng vi điều khiển 11

Hình 5 Hình ảnh cụm nhận diện màu sắc dùng adruino Uno 13

Hình 6 Cụm cảm biến TCS3200 dùng nhận diện tần số màu 14

Hình 7 Hình mảnh mạch phân loại theo màu sắc 18

Hình 8 Sơ đồ cấu trúc tổng quan của hệ thống 19

Hình 9 Sơ đồ mạng lưới điều khiển công nghiệp dùng PLC 22

Hình 10 Cấu tạo cơ bản của PLC 23

Hình 11 Bộ xử lý trung tâm của PLC 24

Hình 12 Vòng quét PLC 25

Hình 13 PLC Mitsubishi 26

Hình 14 Bộ điều khiển khả trình PLC FX3U 24MR 27

Hình 15 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều 30

Hình 16 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều 32

Hình 17 Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều 32

Hình 18 Hình ảnh thực tế van điện tử khí nén 33

Hình 19 Ký hiệu van đảo chiều 34

Hình 20 Xi lanh khí nén 35

Hình 21 Bản vẽ đấu nối tín hiệu 39

Hình 22 Bản vẽ đấu nối Adruino 40

Hình 23 Bản vẽ động lực 40

Hình 24 Lưu đồ thuật toán 41

Hình 25 Bảng địa chỉ vào ra 46

Hình 26 Chương trình reset 47

Hình 27 Chương trình gọi chế độ chạy chính 48

Hình 28 Chương trình nhận diện màu 48

Hình 29 Chương trình cấp phôi 49

Hình 30 Chương trình đẩy vật màu xanh dương 50

Hình 31 Chương trình đẩy vật màu đỏ 51

Hình 32 Chương trình loại vật màu vàng 52

Hình 33 Chương trình lập trình cảm biến màu sắc Adruino 53

Hình 34 Chương trình lập trình cảm biến màu sắc Adruino 54

Hình 35 Chương trình lập trình cảm biến màu sắc Adruino 54

Hình 36 Chương trình lập trình cảm biến màu sắc Adruino 55

Hình 37 Chương trình lập trình cảm biến màu sắc Adruino 55

Hình 38 Chương trình lập trình cảm biến màu sắc Adruino 56

Hình 39 Chương trình lập trình cảm biến màu sắc Adruino 56

Hình 40 Hỉnh ảnh mạch phân loại màu sắc sử dụng Adruino 57

Hình 41 Hình ảnh mạch phân loại màu sắc 58

Hình 42 Hình ảnh mô hình hoàn thành 80% 58

Hình 43 Hình ảnh mạch phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng Adruino 59

Hình 44 Hình ảnh cơ cấu xi lanh đẩy phôi phân loại về các trạm 59

LỜI CẢM ƠN

- Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ýkiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

- Em gửi lời cảm ơn trân thành đến giảng viên Từ Việt Ba – trường Cao Đẳng Cơ

Điện Hà Nội người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm khóa luận

- Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Cao Đẳng Cơ Điện

Hà Nội nói chung, các thầy cô trong bộ môn nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương, mô-đun cũng như bộ môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở

lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

- Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, thầy cô và bạn bè đã luôn tạo điều kiện , quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trinh học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

-Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm hạn chế của một sinh viên, khóa luận này không thể tránh được những thiếu xót Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này

LỜI CAM ĐOAN

- Đồ án /khóa luận là do chính sinh viên Nguyễn Quang Minh của lớp điện tử công nghiệp thực hiện

- Đồ án /khóa luận do chính cán bộ giảng viên Từ Việt Ba hướng dẫn sinh viên thực hiện trong suốt quá trong thực hiện

- Số liệu thu thập, trích dẫn và kết quả phân tích viết trong đồ án/khóa luận 100% là trung thực

- Nội dung nghiên cứu chính của đồ án/khóa luận không trùng lặp với bất kỳ đồ án/khóa luận đã được công bố

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, trong công cuộc xây dựng đất nước trở thành một nước công nghiệp phát triển, cuộc sống ngày càng hiện đại, yêu cầu ứng dụng tự động hoá ngày càng cao vào đời sống sinh hoạt, sản xuất Mặt khác, với phát triển như vũ bão của công nghệ thôngtin, công nghệ điện tử đã làm xuất hiện một loại thiết bị, thiết bị này đã đáp ứng được yêu cầu nói trên, đó là thiết bị điều khiển khả trình “ PLC ” Ngày nay với sự tự động hóa ngày càng cao, các nhà máy hầu hết đều áp dụng những tiến bộ khoa học tân tiến nhất để cho ra những sảm phẩm chất lượng cao mà giá thành phù hợp với người tiêu dùng

Những thiết bị ứng dụng trong công nghiệp cũng như tiêu dùng ngày nay thì việc điều khiển vị trí và tốc độ của các loại động cơ và các thiết bị khí nén đã và đang được sử dụng một cách rộng rãi, được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa Việc hiểu và ứng dụng động cơ này sẽ giúp ích rất nhiều cho mọi người Để góp phần nhỏ vào việc này, nhóm em đã thực hiện đề tài “Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng

sự kết hợp của PLC và vi điều khiển” được điều khiển bằng bộ điều khiển khả trình PLC, thông qua đề tài này nhóm em sẽ có những điều kiện tốt nhất để học hỏi, tích lũykinh nghiệm quý báu, bổ sung vào hành trang của mình trên con đường đã chọn.Nhận thức tầm quan trọng đó chúng em đã làm việc nghiêm túc vận dụng những kiến thức sẵn có của bản thân, những đóng góp ý kiến của bạn bè và đặc biệt là sự hướng dẫn của Thầy giáo, Từ Việt Ba và một số Thầy Cô giảng dạy trong Chuyên ngành Kỹ thuật điện của TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN HÀ NỘI để hoàn thành đồ án này Trong quá trình thực hiện đề tài này dù đã có nhiều cố gắng tuy nhiên không tránh khỏi những sai sót, mong quý Thầy Cô góp ý để chúng em hoàn thiện đề tài

CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG VÀ LÝ THUYẾT CƠ SỞ

2.1 Tổng quan chung hệ thống

Dây chuyển tự động hóa ngày càng thể hiện vai trò của mình trong các quá trình chế tạo, sản xuất, lắp ráp, đóng gói và kiểm tra sản phẩm trong các nhà máy hiện đại Tự động hóa sản xuất hiểu đơn giản là công nghệ trong đó một hoặc nhiều công đoạn được thực hiện nhờ sự có mặt của các cơ cấu, máy móc tự động và sự xuất hiện cũng như can thiệp tối thiểu của con người

Do đó trong hoàn cảnh nước ta hiện nay, nhu cầu đối với các loại dây truyền đóng gói

là rất lớn và đa dạng, tuy nhiên lâu nay thị trường này vốn thuộc về các nhà sản xuất nước ngoài với rất nhiều ưu thế về công nghệ và kinh nghiệm, việc sản xuất máy móc trong nước thường không đáp ứng tốt về mặt chất lượng và năng suất dù vẫn có ưu thế

về giá thành

Đối với khâu phân loại sản phẩm theo màu sắc, việc dụng máy móc thay cho con người làm thủ công là một điều tất yếu vì đây là khâu tốn nhiều sức lực lao động và

có thể dùng máy móc tự động hóa để thay thế cho con người

Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc được ứng dụng qua nhiều năm và đã trở thành một bộ phận quan trọng trong tổ chức sản xuất với quy mô lớn nhỏ khác nhau trong nhiều lĩnh vực của công nghiệp

Phân loại sản phẩm là một đề tài không còn mới lạ Ngày nay, hầu hết các quy trình công nghiệp trong các nhà máy, xí nghiệp hẩu hết đều phải ứng dụng hệ thống kiểm tra và phân loại sản phẩm vào quy trình sản xuất nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra cũng như đảm bảo năng suất, hiệu suất của hệ thống

Nhằm ứng dụng kiến thức đã học ở trường, sự hướng dẫn của giáo viên về thiết

kế, lập trình và sự ứng dụng thực tế của chuyên ngành Kỹ thuật điện qua các môn học

ở trường, nhóm em muốn thiết kế được một hệ thống bao hàm tất cả các điều trên vào một đề tài cụ thể liên quan đến nó

Hình 1 Hình mảnh mạch phân loại theo màu sắc.

- Dễ kiểm tra, sửa trữa, thay thế

- Dễ dàng thao tác cho người sử dụng

Biện pháp đề ra:

- Thiết kế cơ cấu vững chắc, vật liệu bền giảm rung lắc

- Phân loại sản phẩm theo màu sắc chính xác

- Thiết kế tính năng an toàn cho người sử dụng

- Dùng các thiết bị phổ biến dễ dàng cho người bảo trì và thay thế

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Về mặt lý thuyết

- Nghiên cứu tài liệu sách, tài liệu các diễn đàn trên mạng xã hội

- Nghiên cứu các bài toán, mô hình hóa giúp cho việc tính toán và chọn cơ khí, trang

bị điện

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của động cơ, xy lanh khí, cảm biến,

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, ứng dụng của chương trình điều khiển PLC

2.3.2 Về mặt thực tiễn

- Nghiên cứu mô hình thực tế có sẵn

- Tìm hiểu qua các mô hình trên mạng xã hội và các diễn đàn

- Sử dụng phần mềm AUTO CAD để thiết kế bản vẽ điện, đường đi của dây điện

- Sử dụng phần mềm của GX Works 2 để lập trình PLC

- Sử dụng phần mềm Arduino để lập trình cho mạch Arduino Uno

2.4 Ý nghĩa của đề tài

- Về mặt khoa học, đề tài là một tài liệu nghiên cứu tổng hợp về khả năng ứng dụng điều khiển PLC cho dây chuyền tự động hóa

- Đây là những nghiên cứu đầy đủ đầu tiên về việc xây dựng thiết bị phân loại sản phẩm theo màu sắc công nghệ cao trong lĩnh vực tự động hóa tạo điều kiện cho các cơ

sở sản xuất, chế biến, nâng cao hiệu quả sản xuất mang lại hiệu quả kinh tế cho doanh nghiệp và người lao động

- Về mặt thức tiễn, đề tài hướng tới đến việc thiết kế chế tạo dây chuyền phân loại sản phẩm màu sắc tự động để làm được sinh viên cần nghiên cứu nhiều nguồn tài liệu để hoàn thành để tài tạo ra một sản phẩm chất lượng tốt, giá cả hợp lý nhằm đáp ứng cho một số nhu cầu trong thực tế mà chưa cần đến các dây phức tạp và giá thành cao

2.5 Lý thuyết cơ sở

Bài toán phân loại sản phẩm theo màuc sắc là một bài toán đặt trong lĩnh vực tự động hóa Bài toán này thường liên quan đến thiết kế và triển khai một hệ thống dây chuyềnsản xuất để sản xuất các sản phẩm theo dây chuyền tự động

Hệ thống dây chuyền sản xuất tự động bao gồm các thành phần như: - Các thiết bị cảm biến để đo các thông số đầu vào của sản phẩm như kích thước, khối lượng, độ chính xác, độ bền

- Bộ xử lý và điều khiển để dễ dàng kiểm soát dây chuyền sản xuất

- Các thiết bị chuyển động như động cơ và băng tải để di chuyển sản phẩm đến các vị trí khác nhau trên dây chuyền và đưa sản phẩm vào các quy trình sản xuất khác nhau

- Các máy móc, thiết bị khác nhau để thực hiện các quy trình sản xuất, ví dụ như robot hàn, máy cắt, máy đóng gói

Bài toán đặt ra là làm sao để các thiết bị và quy trình này hoạt động liên tục và đầy đủ nhằm đảm bảo sản xuất ra sản phẩm chất lượng cao với năng suất cao Đồng thời, hệ thống cần được thiết kế sao cho tiết kiệm chi phí và tối ưu hóa hiệu suất sản xuất Ví

dụ, bằng cách giảm thiểu thời gian chờ đợi và tăng tốc độ sản xuất, câu hỏi đặt ra là làm sao để các thiết bị và quy trình hoạt động được ổn định và hiệu quả

Để giải quyết bài toán này, nhóm cần phải thiết kế mô hình dây chuyền sản xuất đúngvới yêu cầu của sản phẩm, cài đặt các thiết bị cảm biến và hệ thống điều khiển để giám sát các chỉ số đầu vào, sử dụng các thuật toán tối ưu hoá hiệu suất sản xuất và càiđặt hệ thống tương tác giữa các máy móc và thiết bị sản xuất trên dây chuyền Ngoài

ra, việc giám sát và bảo trì các thiết bị cũng rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống

2.5.1 Công nghệ áp dụng

Công nghệ áp dụng trong phân loại màu sắc rất đa dạng và hiện đại, bao gồm các phương pháp như hệ thống thị giác máy tính (computer vision), cảm biến màu, và trí tuệ nhân tạo (AI) Dưới đây là một số công nghệ phổ biến:

Hệ thống thị giác máy tính (Computer Vision) :

- Camera màu : Sử dụng camera với độ phân giải cao để chụp ảnh sản phẩm Hình ảnh sau đó được phân tích bằng phần mềm xử lý hình ảnh để xác định màu sắc

- Thuật toán xử lý ảnh : Các thuật toán xử lý ảnh như phân đoạn màu, phát hiện biên và trích xuất đặc trưng được sử dụng để phân loại và nhận diện màu sắc trong ảnh

Cảm biến màu (Color Sensors) :

- Cảm biến RGB : Sử dụng các cảm biến để đo lường cường độ ánh sáng đỏ, xanh

lá cây và xanh dương từ một đối tượng, sau đó tính toán để xác định màu sắc tổng thể

- Cảm biến quang phổ (Spectral Sensors) : Đo lường phổ ánh sáng phản xạ từ bề mặt đối tượng, cung cấp thông tin chi tiết hơn về màu sắc so với cảm biến RGB.Trí tuệ nhân tạo (AI) và Học máy (Machine Learning) :

- Mạng nơ-ron nhân tạo (Neural Networks) : Mô hình học sâu được đào tạo trên các tập dữ liệu lớn về hình ảnh màu sắc để nhận diện và phân loại màu một cách chínhxác

- Phân loại dựa trên học máy (Machine Learning Classification) : Sử dụng các thuật toán học máy để phân tích dữ liệu màu sắc và đưa ra quyết định phân loại

Phân tích quang phổ (Spectroscopy) :

- Phân tích quang phổ hấp thụ và phản xạ : Công nghệ này đo lường các dải quang phổ của ánh sáng phản xạ từ một đối tượng để xác định màu sắc và các đặc tính khác.Công nghệ LED và chiếu sáng :

- Nguồn sáng LED điều chỉnh được : Sử dụng các đèn LED có thể điều chỉnh để tạo ra các điều kiện ánh sáng khác nhau nhằm phân loại màu sắc một cách chính xác hơn

Các phần mềm và hệ thống quản lý màu sắc :

- Phần mềm quản lý màu sắc : Các phần mềm chuyên dụng như Adobe Photoshop, CorelDRAW và các hệ thống quản lý màu sắc công nghiệp giúp trong việc hiệu chỉnh

và đảm bảo độ chính xác của màu sắc

Những công nghệ này thường được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp (dệt may, sơn, thực phẩm), nông nghiệp, và cả trong các thiết bị điện tử tiêu dùng Chúng giúp tăng cường độ chính xác, hiệu quả và tự động hóa trong quá trình phân loại màu sắc

Trong mô hình phân loại màu sắc này, áp dụng cảm biến màu TCS3200 nhận diện màu theo loại RGB để nhận diện màu

2.5.2 Giới thiệu kỹ thuật cảm biến

Kỹ thuật cảm biến là một lĩnh vực quan trọng trong ngành kỹ thuật và công nghệ, nó tập trung vào việc phát triển các thiết bị có khả năng chuyển đổi các tín hiệu vật lý (như nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh, áp suất, độ rung, v.v.) thành tín hiệu điện tử có thể được đo lường, xử lý và sử dụng cho mục đích cụ thể

Cảm biến có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y tế, ô tô, công nghiệp, điện tử tiêu dùng, và nhiều lĩnh vực khác Các ứng dụng của kỹ thuật cảm biến ngày càng mở rộng và phát triển, từ việc giám sát môi trường, kiểm soát tự động, đến các thiết bị thông minh và Internet of Things (IoT)

Trong quá trình phát triển các thiết bị cảm biến, các kỹ sư thường phải đối mặt với cácthách thức như chính xác, độ tin cậy, tiêu thụ năng lượng, kích thước, và chi phí Họ

sử dụng các công nghệ và nguyên lý vật lý khác nhau như cơ học, điện tử, quang học,

và vi điện tử để thiết kế và sản xuất các cảm biến phù hợp với yêu cầu cụ thể của ứng dụng

Tính đến hiện nay, các công nghệ cảm biến đang tiếp tục phát triển với sự tiến bộ trong vi mạch tích hợp, vật liệu mới, và các phương pháp sản xuất Điều này mở ra cơ hội mới để tạo ra các cảm biến thông minh, nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và có hiệu suất cao hơn

2.5.3 Giới thiệu các loại cảm biến

Cảm biến công nghiệp hay industrial sensor là một thiết bị điện tử có khả năng phát hiện và phản ứng với các đại lượng vật lý hoặc hóa học trong môi trường công nghiệp.Các đại lượng này có thể là nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, tốc độ, vị trí, v.v

Cảm biến công nghiệp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp để giám sát và điều khiển các quá trình sản xuất Chúng cũng được sử dụng trong các ứng dụng an toàn và bảo mật để phát hiện các sự kiện nguy hiểm hoặc không mong muốn

Dưới đây là một số loại cảm biến công nghiệp phổ biến:

Cảm biến nhiệt độ : Được sử dụng để đo nhiệt độ của một môi trường hoặc vật

phẩm Cảm biến nhiệt độ có thể dùng trong các quy trình sản xuất, lò nung, hệ thống làm lạnh, và các ứng dụng khác

Ưu điểm của cảm biến nhiệt độ:

- Độ chính xác cao

- Sự thay đổi thấp

- Phạm vi hoạt động rộng

- Phù hợp cho các ứng dụng chính xác

Hạn chế của cảm biến nhiệt độ:

- Các cảm biến nhiệt điện trở trong các ứng dụng công nghiệp hiếm khi được sử dụng

ở nhiệt độ cao hơn 660 °C Ở nhiệt độ trên 660 °C, trở kháng của cảm biến nhiệt điện trở dễ bị ô nhiễm bởi các tạp chất từ vỏ kim loại của nhiệt kế Đây là lý do tại sao các nhiệt kế tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm thay thế vỏ kim loại bằng cấu trúc thủy tinh Ở nhiệt độ rất thấp, chẳng hạn dưới −270 °C (3 K), do sự hiện diện rất ít phonon,trở kháng của cảm biến nhiệt điện trở chủ yếu được xác định bởi tạp chất và phản xạ biên và vì vậy gần như độc lập với nhiệt độ Kết quả là, độ nhạy của cảm biến nhiệt điện trở gần như bằng không và do đó không hữu ích

- So với các cảm biến nhiệt nhanh, các cảm biến nhiệt điện trở platinum có độ nhạy thấp hơn đối với các thay đổi nhiệt độ nhỏ và thời gian phản hồi chậm hơn Tuy nhiên,các cảm biến nhiệt điện trở có phạm vi nhiệt độ và độ ổn định nhỏ hơn so với các cảm biến nhiệt điện trở

Vai trò của cảm biến nhiệt độ trong các ứng dụng công nghiệp:

- Trong ngành sản xuất: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để giám sát và điều khiển nhiệt độ trong quá trình sản xuất của các ngành công nghiệp như thực phẩm, dược phẩm, và ô tô

- Trong hệ thống điều khiển tự động: dây cảm biến nhiệt độ là một phần không thể

thiếu của các hệ thống điều khiển tự động như hệ thống điều hòa không khí, lò nung,

và hệ thống làm lạnh

Hình 2 Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến áp suất : Dùng để đo áp suất của chất lỏng hoặc khí trong các hệ thống

công nghiệp như hệ thống dẫn dầu, hệ thống làm mát, hệ thống khí nén, và hệ thống điều hòa không khí

Ưu điểm của cảm biến áp xuất:

- Có độ chính xác cao hơn đồng hồ đo áp suất

- Có thể sử dụng trong các môi trường có nhiều rủi ro hoặc gây nguy hiểm cho người giám át

Hạn chế của cảm biến áp suất:

- Cách lắp đặt phúc tạp hơn do phải cấp nguồn cho cảm biến và xử lý tín hiệu đầu ra

- Giá thành cao hơn so với đồng hồ đo áp xuất

Vai trò của cảm biến áp suất trong công nghiệp:

- Cảm biến áp suất là giúp đo áp suất của nước, khí nén, hơi gas và các chất lỏng khác

- Cảm biến áp lực dùng để đo trực tiếp giá trị của hệ thống lò hơi Giá trị đo trên lò hơicần đảm bảo độ chính xác cao và đồng hồ cảm biến phải chịu được mức nhiệt độ cao

- Đo áp suất trong hệ thống máy nén khí nhằm giới hạn áp suất đầu ra, tránh trường hợp quá áp cao dẫn đến hư hỏng & cháy nổ

- Tại các trạm bơm nước, cảm biến áp suất dùng để giám sát áp suất đưa về PLC hoặc biến tần giúp điều khiển bơm nước

- Trên các xe cẩu thường có các ben thuỷ lực, việc lắp đặt cảm biến áp suất giúp giám sát áp suất trên các ben thuỷ lực này

- Các thùng chứa nước thường dùng cảm biến đo áp lực để đo mức áp lực trong các thùng này

- Ngoài ra, cảm biến áp suất còn ứng dụng trong các dây chuyền xử lý tự động, sản xuất linh kiện điện tử, linh kiện ô tô,…

Hình 3 cảm biến áp suất

Cảm biến mức : Thường được sử dụng để đo mức độ của chất lỏng hoặc chất rắn

trong các bể chứa, thùng chứa, hoặc hệ thống dẫn chất

Cảm biến độ dung : Được sử dụng để đo lượng rung của các máy móc hoặc thiết bị

để phát hiện sự cố hoặc dự đoán sự hỏng hóc

Cảm biến dòng điện : Được sử dụng để đo lượng dòng điện đi qua một mạch điện

hoặc dây dẫn, thường được sử dụng trong các ứng dụng kiểm soát tự động và giám sát

Vai trò của cảm biến dòng điện:

-Được sử dụng trong các cơ quanquanr lý cơ sở, hộ gia đình, các khu công nghiệp.-Giúp phát hiện các máy móc, thiết bị lỗi và ngăn ngừa hư hỏng

-Các cảm biến dòng điện có chi phí khá vừa phải

-Có khích thước và trọng lượng khá nhỏ gọn

-Một số loại cảm biến vòng kín hoạt động khá lý tưởng trong môi trường phức tạp

Cảm biến đo lực và trọng lượng : Dùng để đo lực hoặc trọng lượng trong các quy

trình sản xuất, máy móc, và thiết bị công nghiệp khác

Hình 4 Cảm biến trọng lượng

Cảm biến hóa học : Sử dụng để phát hiện và đo lượng các chất hóa học như khí, hơi,

hoặc chất lỏng trong môi trường công nghiệp, thường được sử dụng trong ngành hóa chất, chế biến thực phẩm, và giám sát môi trường

Cảm biến quang học : Dùng để đo lượng ánh sáng, màu sắc, hoặc các thông số quang

học khác trong các quy trình sản xuất, kiểm soát chất lượng, và ứng dụng khác

Cảm biến công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa quy trình sản xuất, giúp tăng hiệu suất, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm

2.5.4 PLC và điều khiển logic

Khái niệm về PLC và điều khiển logic

Điều khiển logic là một phần quan trọng của hệ thống tự động hóa, trong đó các quyếtđịnh được đưa ra dựa trên các tín hiệu logic đầu vào Hệ thống điều khiển logic

thường được sử dụng để điều khiển các quy trình hoặc thiết bị theo các điều kiện và quy tắc logic nhất định

Các tín hiệu logic đầu vào có thể là các giá trị nhị phân (0 hoặc 1), thường thể hiện trạng thái của các cảm biến hoặc thiết bị Các tín hiệu này được xử lý và đánh giá bởi các mạch logic hoặc phần mềm để ra quyết định điều khiển

Các phép toán logic cơ bản được sử dụng trong điều khiển logic bao gồm AND, OR, NOT, và các biến thể của chúng như XOR (phép loại trừ) Các phép toán này được áp dụng để xác định các điều kiện và hành động cụ thể dựa trên tín hiệu đầu vào

Ví dụ về điều khiển logic bao gồm các hệ thống như cửa tự động, thang máy, hệ thốngbơm nước tự động, và các hệ thống tự động hoá trong sản xuất công nghiệp Trong các hệ thống này, các quyết định về việc mở, đóng, hoặc điều chỉnh các thiết bị được thực hiện dựa trên các điều kiện logic, chẳng hạn như trạng thái của cảm biến hoặc thông tin từ người vận hành.

Ô tô và xe hơi : Hệ thống động cơ, hệ thống giải trí, hệ thống an toàn, hệ thống điều khiển động cơ và hộp số, cảm biến và hệ thống điều khiển lái.

Thiết bị y tế : Thiết bị y tế di động, máy đo huyết áp, máy đo nhịp tim, thiết bị chẩn đoán y khoa, và các thiết bị hỗ trợ sinh học

Công nghiệp và tự động hóa : Máy móc tự động, hệ thống kiểm soát và giám sát, hệ thống tự động hoá trong sản xuất và quản lý dây chuyền sản xuất

Điện tử thông minh và IoT (Internet of Things) : Thiết bị kết nối mạng, các cảm biến thông minh, hệ thống giám sát và điều khiển từ xa

Robot và thiết bị tự động hóa : Robot công nghiệp, robot dịch vụ, thiết bị tự động hóa trong gia đình và văn phòng

Công nghệ năng lượng và môi trường : Hệ thống điều khiển tự động trong sản xuất năng lượng tái tạo, hệ thống quản lý nước và khí, hệ thống quan trắc môi trường.Điện tử trong không gian và hàng không : Hệ thống điều khiển trong vệ tinh nhân tạo,

hệ thống điều khiển máy bay và phương tiện vũ trụ

Vi điều khiển cung cấp một nền tảng linh hoạt để thực hiện các chức năng điều khiển

và xử lý thông tin trong một loạt các ứng dụng khác nhau, từ các thiết bị cơ bản đến các hệ thống phức tạp

2.5.5.1 Giới thiệu Adruno Uno nhận diện màu sắc trong đề tài

Arduino Uno là một trong những bo mạch phổ biến nhất của dòng sản phẩm Arduino

Nó được thiết kế để dễ dàng sử dụng cho cả người mới bắt đầu và những người có kinh nghiệm trong lĩnh vực điện tử và lập trình Dưới đây là một số thông tin về cấu tạo và ứng dụng của Arduino Uno:

Hình 6 Hình ảnh cụm nhận diện màu sắc dùng adruino Uno

Cấu tạo của Arduino Uno:

Vi xử lý : Arduino Uno sử dụng vi xử lý ATmega328P của Microchip Technology (trước đây là Atmel) Đây là một vi xử lý AVR 8-bit có tốc độ clock lên đến 16 MHz

Bộ nhớ : Arduino Uno có 32 KB bộ nhớ Flash (trong đó khoảng 0.5 KB được dành cho bootloader), 2 KB RAM và 1 KB EEPROM

Các chân kết nối : Arduino Uno có 14 chân kỹ thuật số (trong đó 6 chân có thể được

sử dụng như đầu ra PWM), 6 chân đầu vào analog, một cổng USB, một cổng nạp chương trình, và một nút nhấn để reset

Các linh kiện hỗ trợ : Nó còn đi kèm với một bộ chuyển đổi nguồn và các linh kiện hỗtrợ khác để làm việc với các dự án điện tử

Ứng dụng của Arduino Uno:

Dự án điện tử nhúng : Arduino Uno thích hợp cho các dự án nhúng như thiết bị kiểm soát đèn, hệ thống giám sát môi trường, hoặc các thiết bị tự động hóa gia đình

Robotics : Nó có thể được sử dụng trong việc xây dựng các robot đơn giản hoặc phức tạp, từ robot cánh cụt cho đến robot tự hành

Các dự án IoT (Internet of Things) : Arduino Uno có thể được kết nối với các cảm biến và mạng Internet để tạo ra các thiết bị IoT như máy đo nhiệt độ, hệ thống quan trắc, hoặc các thiết bị điều khiển từ xa

Giáo dục và học tập : Arduino Uno là một công cụ hữu ích để học lập trình và điện tử cho học sinh, sinh viên và người học tự học.

Đồ chơi và dự án sáng tạo : Với sự đa dạng của các dự án có thể thực hiện, Arduino Uno có thể được sử dụng để tạo ra các đồ chơi điện tử và dự án sáng tạo khác

Arduino Uno là một nền tảng mạnh mẽ và linh hoạt cho việc phát triển các dự án điện

tử và lập trình Điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn phổ biến cho cả người mới bắt đầu và những người có kinh nghiệm trong lĩnh vực này

2.5.5.2 Nguyên lý nhận diện màu sắc bằng cảm biến TCS3200

Cảm biến TCS3200 là một cảm biến màu sắc có thể giúp hệ thống nhận diện màu sắc trong các ứng dụng như robot, máy in ấn, hoặc các thiết bị tự động hóa khác Nguyên

lý hoạt động của cảm biến này dựa trên việc sử dụng các diode phát sáng (LED) và các cảm biến quang điện để phát hiện màu sắc

Dưới đây là các nguyên lý cơ bản của cảm biến TCS3200:

Sử dụng LED phát sáng : Cảm biến TCS3200 có các LED phát sáng màu đỏ, xanh lá cây, xanh dương và không có màu (trắng) để chiếu sáng lên vật phẩm cần nhận diện.Phản xạ từ vật phẩm : Khi ánh sáng từ LED chiếu lên vật phẩm, vật phẩm sẽ phản xạ ánh sáng lại Màu sắc của vật phẩm sẽ ảnh hưởng đến mức độ phản xạ của ánh sáng

Hình 7 Cụm cảm biến TCS3200 dùng nhận diện tần số màu

Sử dụng cảm biến quang điện : Cảm biến TCS3200 có bốn cảm biến quang điện để đolường mức độ phản xạ từ vật phẩm ở các bước sóng màu đỏ, xanh lá cây, xanh dương

và không có màu Các cảm biến này sẽ tạo ra các tín hiệu điện tương ứng với mức độ phản xạ từ mỗi màu sắc

Xử lý tín hiệu : Các tín hiệu điện từ cảm biến quang điện sẽ được đưa vào một bộ xử

lý để xác định màu sắc của vật phẩm Bằng cách so sánh các tín hiệu từ các cảm biến quang điện, hệ thống có thể xác định màu sắc chính xác của vật phẩm

Tóm lại, cảm biến TCS3200 hoạt động bằng cách sử dụng ánh sáng từ các LED và cảm biến quang điện để phát hiện và nhận diện màu sắc của vật phẩm dựa trên mức độphản xạ của nó

CHƯƠNG 3 THỰC TRẠNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

3.1 Lý do trọn đề tài và Tính ứng dụng

3.1.1 Mục đích của đề tài.

Nghiên cứu ra các mô hình tự động hóa để làm giảm sức lao động của con người

và tăng năng suất cho các doanh nghiệp

Đề tài có tính ứng dụng tốt trong đời sống thực tế từ quy mô nhỏ, vừa và lớn Có thể phát triển thành các dây truyền lớn với chi phí thấp

Sử dụng PLC điều khiển các cơ cấu chấp hình và nhận tín hiệu đầu vào chính, Adruino thực hiện xử lý tín hiệu phân loại màu sắc gửi về PLC Sử dụng động cơ một chiều làm nguồn truyền động cho băng tải Mong sau khi thực hiện đề tài sẽ tạothành nền tảng để xây dựng và phát triển các dây truyền tự động trong các nhà máy trong nước và quốc tế nhằm đưa công nghệ của Việt Nam ra các đấu trường thế giới

để học hỏi và giao lưu thêm kinh nghiệm, kiến thức

3.1.2 Ưu nhược điểm của phân loại màu sắc và ứng dụng thực tế trong công nghiệp

Phân loại màu sắc là một quá trình quan trọng trong công nghiệp với nhiều lợi ích và ứng dụng thực tế Dưới đây là một số lợi ích chính và các ứng dụng thực tế của việc phân loại màu sắc trong công nghiệp:

Ưu điểm của phân loại màu sắc

Nâng cao chất lượng sản phẩm : Phân loại màu sắc giúp loại bỏ các sản phẩm có lỗi màu sắc, từ đó nâng cao chất lượng của sản phẩm cuối cùng

Tăng năng suất : Bằng cách tự động hóa quá trình phân loại màu sắc, công nghệ này giúp tăng cường năng suất và giảm thời gian cần thiết cho quá trình kiểm tra chất lượng

Tiết kiệm chi phí : Loại bỏ sản phẩm không đạt yêu cầu về màu sắc sớm trong quá trình sản xuất có thể giảm thiểu lãng phí vật liệu và tiết kiệm chi phí sản xuất

Đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn : Phân loại màu sắc giúp đảm bảo rằng sản phẩm đáp ứng các tiêu chuẩn về màu sắc được đặt ra bởi khách hàng hoặc các cơ quan quản lý

Cải thiện trải nghiệm khách hàng : Sản phẩm có màu sắc đồng nhất và hấp dẫn hơn sẽ cải thiện trải nghiệm của khách hàng và tạo ra ấn tượng tích cực về thương hiệu.

3.1.3 Ứng dụng thực tế trong công nghiệp

Sản xuất hàng tiêu dùng : Trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống, phân loại màu sắc được sử dụng để kiểm tra chất lượng của sản phẩm như trái cây, rau củ, rượu vang, nước uống, và thực phẩm chế biến

Sản xuất dược phẩm : Trong ngành dược phẩm, phân loại màu sắc giúp kiểm tra chất lượng của các loại thuốc và sản phẩm dược phẩm khác

Sản xuất ô tô và linh kiện điện tử : Trong sản xuất ô tô và các linh kiện điện tử, phân loại màu sắc được sử dụng để kiểm tra và đảm bảo chất lượng của các bộ phận và linhkiện

In ấn và đóng gói : Trong ngành in ấn và đóng gói, phân loại màu sắc giúp đảm bảo rằng màu sắc trên sản phẩm in và bao bì đáp ứng yêu cầu chất lượng

Sản xuất vật liệu xây dựng : Trong ngành sản xuất vật liệu xây dựng như sơn, gạch, và

gỗ, phân loại màu sắc được sử dụng để đảm bảo rằng các sản phẩm cuối cùng có màu sắc đồng nhất và hấp dẫn

Phân loại màu sắc không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn giúp tăng cường năng suất và tiết kiệm chi phí trong quá trình sản xuất Điều này làm cho nó trởthành một công cụ quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp

3.2 Giới thiệu về mô hình.

Phân loại sản phẩm là một đề tài không còn mới lạ Ngày nay, hầu hết các quy trình công nghiệp trong các nhà máy, xí nghiệp hẩu hết đều phải ứng dụng hệ thốngkiểm tra và phân loại sản phẩm vào quy trình sản xuất nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra cũng như đảm bảo năng suất, hiệu suất của hệ thống

Nhằm ứng dụng kiến thức đã học ở trường, sự hướng dẫn của giáo viên về thiết

kế, lập trình và sự ứng dụng thực tế của chuyên ngành Kỹ thuật điện qua các môn học ở trường, nhóm em muốn thiết kế được một hệ thống bao hàm tất cả các điều trên vào một đề tài cụ thể liên quan đến nó

Hình 8 Hình mảnh mạch phân loại theo màu sắc.

3.3 Phân tích yêu cầu công nghệ

Nội dung thực hiện: Lên ý tưởng và thiết kế mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc kết hợp vi điều khiển và PLC thực hiện phân loại sản phẩm với các yêu cầu sau:

Loại sản phẩm : Khối hộp chữ nhật

Màu sắc : Ba màu: Đỏ, Vàng, Xanh dương

Áp dụng các kiến thức đã học để xây dựng mô hình thực nghiệm, cụ thể:

- Tìm kiếm tài liệu qua sách vở, internet, hỏi người có chuyên môn

- Nghiên cứu đề tài và tính toán hệ thống dẫn động, tính chọn động cơ, cơ cấu phù hợp

- Tiến hành lắp mạch và text mô hình trực tiếp dưới sự góp ý của giáo viên hướng dẫn

CHƯƠNG 4 TỔNG QUAN MÔ HÌNH ĐỀ TÀI

4.1 Cấu trúc đề tài

Hình 9 Sơ đồ cấu trúc tổng quan của hệ thống .

Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng bộ điều khiển trung tâm là bộ điều khiển khả trình PLC Mitsubishi FX3U 24MR, với 11 đầu vào, 10 đầu ra dang role

Bộ điều khiển khả trình PLC thực hiện nhiệm vụ đóng cắt các cơ cấu theo chươngtrình được viết sẵn đã ghi trong bộ nhớ của PLC

Băng tải có nhiệm vụ vận chuyển sản phẩm đến các trạm dừng để đẩy sản phẩm vào ray tương ứng

Hệ thống cảm biến màu sắc thông qua Adruino đóng cắt role 5VDC và đưa tín hiệu vào đầu bào của bộ xử lý trung tâm PLC

Khi vật đi đến các trạm màu sẽ phản hồi vè xử lý đẩy theo đúng chương trình đã được lập trình sẵn

4.1.2 Giải thích nguyên lý cơ bản của hệ thống

Toàn bộ hệ thống được điều khiển bởi bộ điều khiển khả trình PLC FX3U-24MR thựchiện, với hệ thống tín hiệu điều khiển bởi người vận hành được nhập vào từ nút bấm chức năng trên bảng điều khiển và thực hiện chạy theo như người lập trình thiết lập sẵn lưu trong bộ điều khiển trung tâm

Các cảm biến tiệm cận vật cản có chức năng đánh báo hiệu hành trình của sản phẩm

và gửi về bộ điều khiển trung tâm, qua đó bộ điều khiển trung tâm PLC sẽ thực hiện điều khiển tương ứng các cơ cấu chấp hành phía sau theo như chương trình có sẵn.Động cơ điện 1 chiều có chức năng dẫn động cho băng tải đã được lắp bộ giảm tốc đảm bảo tốc độ ổn định không bị trượt, văng

Hệ thống khí nén bao gồm van khí nén, xi lanh khí nén, nhiệm vụ của xi lanh khí nén đóng vai trò giữ sản phẩm, đẩy sản phẩm vào vị trí lấy phôi và đẩy phân loại sản phẩm

ra từng vị trí Van khí nén có chức năng điều hướng dòng khí để điều khiển xi lanh dưới sự đóng cắt của role trung gian.Cấu tạo của hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

4.1.3 Cấu tạo tổng quan của hệ thống:

Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc có cấu tạo chung gồm những phần sau:

- Bộ điều khiển trung tâm sử dụng bộ điều khiển khả trình PLC

- Bộ phát hiện màu sắc sử dụng cảm biến màu sắc xử lý thông qua Adruino

- Hệ thống động cơ dẫn động cho băng tải

- Hệ thống xi lanh khí nén

- Hệ thống tín hiệu thông báo, đèn báo

- Hệ thống điều khiển, giao tiếp người và máy

- Hệ thống cảm biến tiếp nhận tín hiệu đầu vào

4.2 Vai trò chức năng từng khối

4.2.1 Giới thiệu về bộ điều khiển khả trình PLC

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị có thể lập trình được, được thiết kế chuyên dùng trong công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lý từ đơn giản đến phức tạp, tuỳ thuộc vào người điều khiển mà nó có thể thực hiện một loạt các chương trình và sự kiện, sự kiện này được kích hoạt bởi các tác nhân kích thích (hay còn gọi

là ngõ vào) tác động vào PLC hay còn gọi là bộ định thì (Timer) hay các sự kiện được đếm qua bộ đếm Khi một sự kiện được kích hoạt nó sẽ bật ON hay OFF hoặc phát ra một chuỗi xung ra, các thiết bị bên ngoài được gắn vào ngõ ra của PLC Như vậy, nếu

ta thay đổi các chương trình được cài đặt trong PLC là ta có thể thực hiện các chức năng khác nhau Hiện nay PLC đã được nhiều hãng khác nhau sản xuất như Siemens, Omron, Misubishi, Festo, Alan Bradley, Shneider, Hitachi…

4.2.1.1 Đặc điểm của hệ thống lập trình PLC

Nhu cầu về một bộ điều khiển để sử dụng linh hoạt và có giá thành thấp, đã thúc đẩy

sự phát triển những hệ thống điều khiển lập trình (Programmable Controller Systems)

Hệ thống sử dụng CPU và bộ nhớ để điều khiển máy móc hay quá trình hoạt

động.Trong bối cảnh đó bộ điều khiển lậptrình PLC (Programmable Logic Controller)được thiết kế nhằm thay thế phương pháp truyền thống dùng rơ le và thiết bị rời cồng kềnh, nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng, linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản

Ngoài ra, PLC còn có thể thực hiện những tác vụ khác như định thì, đếm,… Làm tăng khả năng điều khiển cho những hoạt động phức tạp, ngay cả với loại PLC nhỏ nhất.Hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả những trạng thái tín hiệu ngõ vào, được đưa về

từ quá trình điều khiển, thực hiện logic được tập trung trong chương trình và kích ra tín hiệu để điều khiển cho thiết bị bên ngoài tương ứng Với các mạch giao tiếp chuẩn

ở khối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp đến những cơ cấu tác động (actuators) có công suất nhỏ ở ngõ ra, và những mạch chuyển đổi tín hiệu

(trasducers) ở ngõ vào, mà không cần có các mạch giao tiếp hay rơ le trung gian Tuy nhiên, cần phải có mạch điện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển những thiết

bị có công suất lớn

Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống mà không cần có sự thay đổi về mặt kết nối dây, sự thay đổi chỉ là thay đổi chương trình điều khiển trong bộ nhớ thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng Hơn nữa, chúng còn có ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào hoạt động nhanh hơn so với những hệ thống các thiết bị rời

Về phần cứng PLC tương tự như máy tính “truyền thống”, và chúng có các đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển trong công nghiệp:

- Khả năng kháng nhiễu tốt

- Ngôn ngữ lập trình chuyên dùng : Ladder, STL….dễ hiểu và dễ sử dụng

- Thay đổi chương trình dễ dàng

Những đặc điểm trên làm cho PLC được sử dụng nhiều trong việc điều khiển các máy móc công nghiệp và trong quá trình điều khiển quá trình (process-control)

Một số ứng dụng cụ thể điều khiển bằng PLC thông dụng:

- Điều khiển khống chế nhiệt độ lò cao trong nhà máy gang thép

- Điều khiển khống chế nhiệt độ của nhà máy nhiệt điện

- Điều khiển nhà máy nước

- Điều khiển tay máy robot

- Điều khiển nhà máy cán thép

- Định lượng và điều khiển sản lượng cho băng tải

- Điều khiển quá trình sản xuất định mẻ cho nhà máy luyện kim

- Dây chuyền sản xuất đóng chai

- Dây chuyền sản xuất đóng gói sản phẩm dạng hạt…

- Sản xuất thực phẩm, sản xuất nước uống có gas, sản xuất sơn…

Hình 10 Sơ đồ mạng lưới điều khiển công nghiệp dùng PLC.

Hình 11 Cấu tạo cơ bản của PLC.

Mỗi phần tử, hoặc thiết bị của một hệ thống điều khiển công nghiệp bất chấp kích thước của nó là nhỏ hay lớn đều có vai trò hết sức quan trọng trong quá trình điều khiển Chẳng hạn như nếu không có thiết bị cảm biến, bộ PLC sẽ không biết chính xáccái gì đang xảy ra trong quá trình

Trong hệ thống tự động hóa, bộ điều khiển PLC là phần tử trung tâm của cả hệ thống điều khiển Bằng việc thực hiện các chương trình đã được lưu trữ trong bộ nhớ, PLC còn liên tục theo dõi trạng thái của cả hệ thống thông qua các tín hiệu được đưa vào Dựa vào các thuật toán logic được thực hiện bên trong chương trình, PLC sẽ xác định những hoạt động nào cần thiết đưa ra cung cấp cho các thiết bị

Nếu muốn các hoạt động phức tạp cao cấp hơn, cần có nhiều bộ PLC kết nối với máy tính trung tâm

4.2.1.2 Cấu tạo chính của bộ lập trình PLC.

 Bộ xử lý trung tâm CPU:

Đơn vị xử lý trung tâm được xem như là não của bộ điều khiển PLC Thông thường, đơn vị xử lý trung tâm là một loại vi điều khiển, như vi điều khiển 8051 có 8 bit và ngày nay chúng lên đến 16 bit hay 32 bit

Đơn vị xử lý trung tâm chú trọng phần truyền thông giữa các bộ phận của bộ điều khiển PLC với nhau như việc lập trình, quản lý bộ nhớ, quan sát trạng thái ngõ vào và ngõ ra Đơn vị xử lý trung tâm thường thực hiện việc kiểm tra vùng nhớ của bộ điều

khiển PLC để bảo đảm rằng bộ nhớ không bị lỗi, không bị hỏng, nhờ đó mà các lỗi nếu có sẽ sớm được phát hiện

Hình 12 Bộ xử lý trung tâm của PLC.

 Nguyên lý vận hành của một đơn vị xử lý trung tâm CPU được mô tả như sau:

Các thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ chương trình được gọi lên tuần tự vì đã được điều khiển và kiểm soát bằng bộ đếm chương trình do đơn vị xử lý trung tâm khống chế Bộ xử lý liên kết các tín hiệu riêng lẻ lại với nhau và từ đó cho ra kết quả điều khiển tại ngõ ra Sự thao tác tuần tự của chương trình tạo nên một khoảng thời gian trễgọi là thời gian quét, vì tính tuần tự của nó nên ta có thể gọi là chu kỳ quét, chu kỳ quét này phụ thuộc vào của chương trình (số lượng ngõ vào, ngõ ra, và những thông tin yêu cầu khác) Chính đơn vị xử lý trung tâm quyết định thời gian quét, chức năng

Hình 13 Vòng quét PLC.

4.2.1.3 Bộ điều khiển logic lập trình PLC Mitsubishi.

PLC Mitsubishi là một trong các dòng PLC đang được dùng phổ biến nhất trên thế giới và Việt Nam, được sản xuất bởi tập đoàn Mitsubishi Electric (Nhật Bản)

Mitsubishi) có cấu trúc theo kiểu module và có các module mở rộng Các module này

sử dụng cho các ứng dụng lập trình khác nhau Ứng với mỗi loại CPU sẽ có số lượng đầu ra, đầu vào hoặc khả năng mở rộng của các module khác nhau

PLC mitsubishi đáp ứng cho các ứng dụng vừa và nhỏ, mục đích nhằm giảm chi phí đầu tư thiết bị Thực ra, PLC mitsubishi đáp ứng rất tốt các yêu cầu kỹ thuật về điều khiển

PLC mitsubishi có khả năng kết nối với các module mở rộng EM: vào ra số DI/DO, vào ra tương tự AI/AO, kết nối truyền thông, điều khiển động cơ bước, đo lường chính xác,

- Có thể kết nối với màn hình giao diện như: TD 200, TP070

- Có truyền thông điều khiển converter

- Có tập hợp lệnh mạnh, dễ sử dụng

- Miễn phí phần mềm lập trình

- Có thể kết nối nhà lập trình thứ 3 thông qua thư viện

- Có điều khiển ổn định vòng kín PID

- Mở rộng được thẻ nhớ, pin

- Có đồng hồ thời gian thực

- Timer xung 10ms T200-T249 trong đó T246-T249 có chốt

- Timer xung 1ms T250-T383 trong đó T350-T383 có chốt

- Bộ đếm 16Bit : C0-C199 trong đó C100-C199 có chốt

- Bộ đếm 32Bit : C200-C219 trong đó C220-C234 có chốt

- Bộ đếm tốc độ cao : C235-C255

- M8011 xung 10ms; M8012 xung 100ms; M8013 xung 1ms; M8014 xung 1 phút

- Hỗ trợ truyền thông RS485, Modbus RTU Phần mềm : GXWORK2

- Hỗ trợ kết nối HMI nhiều hãng : Siemens, Mitsubishi, Weinview, Kinco, Xinje, Delta, Coolmay Hỗ trợ sử dụng phần mềm GX-Developer, GxWork2

Hình 15 Bộ điều khiển khả trình PLC FX3U 24MR.

4.2.2 Bộ xử lý tín hiệu Adruino

Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P Với

Arduino chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau thông qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ.

Khi arduino chưa ra đời, để làm được một dự án điện tử nhỏ liên quan đến lập trình, biên dịch, chúng ta cần đến sự hỗ trợ của các thiết bị biên dịch khác để hỗ trợ Ví dụ như, dùng Vi điều khiển PIC hoặc IC vi điều khiển họ 8051 , chúng ta phải thiết kế chân nạp onboard, hoặc mua các thiết bị hỗ trợ nạp và biên dịch như mạch nạp 8051, mạch nạp PIC

Hiện nay Arduino được biết đến ở Việt Nam rất rộng rãi Từ học sinh trung học, đến sinh viên và người đi làm Những dự án nhỏ và lớn được thực hiện một cách rất nhanh, các mã nguồn mở được chia sẻ nhiều trên diễn dàn trong nước và nước ngoài Giúp ích rất nhiều cho những bạn theo đam mê nghiên cứu chế tạo những sản phẩm cóích cho xã hội

4.2.3 Cảm biến màu sắc TCS3200 và Adruino

Ứng dụng nhận biết màu sắc của các vật dựa vào cảm biến màu sắc TCS3200 và board UnoX

Các màu sắc trong tự nhiên được tạo ra bởi 3 màu cơ bản là màu đỏ, màu Vàng và xanh lam Ví dụ, màu vàng là sự kết hợp của màu xanh lá và màu đỏ

Mỗi màu sắc có 1 cường độ ánh sánh khác nhau, cảm biến màu sắc sẽ chuyển cường

độ ánh sáng này thành 1 khoảng giá trị tần số của 3 màu đỏ, xanh lá, xanh dương Chúng ta dựa các tần số này để phân loại màu sắc

4.2.4 Khối truyền động

4.2.4.1 Giới thiệu về động cơ điện 1 chiều

Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current Motors) là động cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động

cơ chạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp 1 chiều

Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều thường gồm những bộ phận chính như sau:

- Stator: là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện

- Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện

- Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp

- Cổ góp (commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện cho các cuộn dây trên rotor Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với số cuộn dây trên rotor