thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng sử dụng plc s7 1200

Tên đề tài: “THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO HÌNH Đề tài nghiên cứu tập trung vào sử dụng ngôn ngữ lập trình Python để xử lý ảnh, tín hiệu được gửi tới PLC S7 – 1200 thông qua

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Tên đề tài: “THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO HÌNH

Đề tài nghiên cứu tập trung vào sử dụng ngôn ngữ lập trình Python để xử lý ảnh, tín hiệu được gửi tới PLC S7 – 1200 thông qua cổng Ethernet, quy trình điều khiển tuần tự mà từ đó viết chương trình phân loại sản phẩm dựa theo hình dạng và giám sát hệ thống qua Wincc

Báo cáo về đề tài gồm có 5 phần chính:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng

Tìm hiểu về hệ thống phân loại sản phẩm Tìm hiểu về nguyên lí hoạt động của hệ thống Các phương án thiết kế: xử lý ảnh dùng matlab, labview, MVS20 và Kit raspberry pi4B

Lựa chọn phương án thiết kế

Chương 2: Giới thiệu về Raspberry và ngôn ngữ lập trình python

Raspberry pi4B: Đây được coi là một máy tính thu nhỏ với kích thước nhỏ rẻ tiền nhưng lại trang bị đầy đủ các tính năng như 1 chiếc máy tính, và raspberry chạy bằng phần mềm lunux

Ngôn ngữ lập trình python: Ngôn ngữ này được coi như là đơn giản nhất và dễ hiểu nhất trong các loại ngôn ngữ khác và nó chạy được trên hầu hết các loại phần mềm kể cả lunux, nên ngôn ngữ này được dùng để viết cho raspberry pi4B

Thư viện xử lý ảnh OpenCV: Thư viện này dùng để xử lý ảnh với các hàm và lệnh rất rõ ràng và dễ hiểu và được tích hợp sẵn trong python

Tìm hiểu về xử lý ảnh - Đọc ảnh

- Lọc màu - Vẽ điểm - Xác định cạnh và đỉnh của ảnh

Chương 3: Giới thiệu về PLC S7-1200 và phần mềm TIA Portal

PLC S7-1200: Là viết tắt của Programmable Logic Control là một bộ xử lý trung tâm của các tín hiệu analog và digital và PLC được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp bởi sự linh hoạt và đa dụng của nó

Phần mềm TIA Portal: Đây là phần mềm dành riêng cho PLC của hãng Siemens nó hỗ trợ hầu như toàn vẹn các tính năng như hiệu chỉnh, thư viện, mô phỏng,… và rất thân thiện với người dùng vì rất dễ hiểu

Chương 4: Thiết kế hệ thống phân loại theo hình dạng

Quy trình công nghệ: Sử dụng kết hợp Kit Raspberry Pi 4B để xử lý ảnh và PLC S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC để lập trình và điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng(mô hình hệ thống phân loại theo những hình dạng tròn, vuông, tam giác, và hình chữ nhật) Mô hình hệ thống dùng công tắc switch để chuyển đổi giữa 2 chế độ AUTO và MANUAL

Thiết kế phần cứng hệ thống: Tìm hiểu về sơ đồ khối, tính toán và lựa chọn thiết bị sao cho phù hợp với hệ thống, xây dựng một mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống

Chương 5: Chương trình điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng

Hệ thống có 2 chương trình :

Chương trình xử lý ảnh bằng python : - Khi ảnh được đưa từ camera qua raspberry thì bắt đầu xử lý ảnh, sau khi

đọc ảnh, cắt ảnh, chuyển ảnh và vẽ viền thì raspberry sẽ kiểm tra điều kiện và sau đó xuất tín hiệu ra cho PLC phân loại, cụ thể là xuất 10,20,30,40 lần lượt cho hình tròn, hình vuông, hình tam giác và hình chữ nhật Chương trình phân loại sản phẩm bằng PLC S7-1200: chương trình hoạt động ở 2 chế độ Auto và Manual:

- Ở chế độ Auto: khi nhấn START thì hệ thống hoạt động, khi nhận tín hiệu từ raspberry thì tiến hành phân loại theo tín hiệu đó, khi muốn dừng hệ thống thì nhấn nút STOP và hệ thống tiếp tục hoạt động khi nhấn nút START

- Ở chế độ Manual: chế độ này để kiểm tra các lỗi cũng như là bảo trì cho

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: ThS Phan Thị Thanh Vân

Sinh viên thực hiện: Trần Viết trường Mã SV: 1911505510244

Trần Đình Thi Mã SV: 1911505510143

1 Tên đề tài: “THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO HÌNH DẠNG SỬ

DỤNG PLC S7-1200” 2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- PLC S7-1200, động cơ, cảm biến, xilanh, các van, khí nén, các nút nhấn,… - Trần Văn Hiếu, “Tự Động Hóa PLC S7 – 1200 Với TIA Portal”, năm 2019, nhà xuất bản khoa học - kỹ thuật

3 Nội dung chính của đồ án:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng Chương 2: Giới thiệu về Raspberry và ngôn ngữ lập trình python Chương 3: Giới thiệu về PLC S7-1200 và phần mềm TIA Portal Chương 4: Thiết kế hệ thống phân loại theo hình dạng

Chương 5: Chương trình điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Đà Nẵng, ngày 28 tháng 08 năm 2023

ThS Phan Thị Thanh Vân

Công nghệ hiện nay đang phát triển theo một chiều hướng rất mạnh, với thời đại 4.0 thì công nghệ đang chiếm lợi thế rất lớn trong đời sống hiện nay đặc biệt là công nghệ tự động hóa

Ngành Tự động hóa là một trong những ngành quan trọng và mang tính quyết định cho sự phát triển của một quốc gia Từ những thiết bị thô sơ lạc hậu trong những ngày đầu, đến nay ngành Tự động hóa ở Việt Nam đã có những bước tiến, bước phát triển vượt bậc với các hệ thống cơ sở hạ tầng, công nghệ hiện đại Tự động hóa được xem như là huyết mạch của nền kinh tế, phát triển Tự động hóa sẽ là tiền đề cho các ngành kinh tế khác phát triển

Ngày nay, hệ thống điều khiển, giám sát tự động không còn quá xa lạ với chúng ta Nó được ra đời từ rất sớm nhằm đáp ứng nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống của con người Vì vậy, điều khiển tự động đã trở thành một ngành khoa học kỹ thuật chuyên nghiên cứu và ứng dụng tự động hóa vào thực tiễn lao động và sản xuất của con người Sau khoảng thời gian học tập và rèn luyện, được nhận những kiến thức chuyên ngành của thầy và cô khoa Điện – Điện tử, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà

Nẵng, nhóm chúng em đã tiến hành thực hiện đồ án “Thiết kế hệ thống phân loại sản

phẩm theo hình dạng sử dụng PLC S7-1200”

Đồ án ứng dụng những kiến thức được nhận trên trường lớp cùng với việc tìm hiểu thông qua Internet để giải quyết vấn đề đặt ra cũng như đánh giá cơ sở lý thuyết đến giải quyết thực tiễn Từ đó là cơ sở nền, vững chắc thêm kiến thức suốt 4,5 năm đại học

Để thực hiện tốt được đề tài thì nhóm chúng em chân thành cảm ơn các thầy cô

của “Trường đại học sư phạm kỹ thuật – Đại học đà nẵng” đặc biệt là cô ThS Phan Thị

Thanh Vân giảng viên trực tiếp hướng dẫn đề tài để chúng em hoàn thành tốt đề tài này

Trong quá trình thực hiện đồ án mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng vẫn sẽ không thể tránh thiếu sót, mong sự đóng góp ý của thầy/cô

Chúng em xin chân thành cảm ơn cô!

Tên đề tài: “THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO HÌNH

Sinh viên thực hiện

Trần Viết Trường Trần Đình Thi

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Nhận xét của người phản biện

Tóm tắt đồ án

Nhiệm vụ của đồ án tốt nghiệp

Lời nói đầu i

Lời cam đoan ii

1.1 Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm 3

1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 3

1.3 Các phương pháp nhận dạng hình dạng sản phẩm 4

1.3.1 Các đặc điểm cơ bản của sản phẩm 4

1.3.2 Phương pháp nhận dạng thông qua dấu hiệu nhận biết 4

1.4 Các công nghệ trên dây chuyền của hệ thống 6

1.5 Phương án thiết kế 8

1.5.1 Các phương án hay dùng để xử lí ảnh 8

1.5.2 Các dòng PLC hay dùng để điều khiển 10

1.5.3 Lựa chọn phương án thiết kế 10

Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ RASPBERRY VÀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH PYTHON 11

2.1 Tổng quan về Raspberry 11

2.2.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Python 12

2.2.2 Đặc điểm nổi bật của Python 12

2.3 Giới thiệu thư viện Open CV 13

2.3.1 Giới thiệu OpenCV 13

3.3 Giới thiệu về phần mềm TIA Portal 35

3.3.1 Tổng quan về phần mềm TIA Portal 35

4.3.3 Sơ đồ đấu nối PLC 54

4.4 Thi công mô hình hệ thống 54

5.1 Bảng phân công đầu vào, đầu ra 57

5.2 Giản đồ thời gian 58

5.3 Lưu đồ thuật toán 59

5.3.1 Chương trình chính 59

5.3.2 Chương trình Manual 60

5.3.3 Chương trình Auto 61

5.4 Giới thiệu về giao diện hệ thống điều khiển và giám sát 63

5.5 Thiết kế giao diện 64

5.5.1 Tạo giao diện cho hệ thống 64

5.5.2 Gắn HMI tags cho hệ thống 66

5.5.3 Hiệu chỉnh giao diện 67

5.6 Đọc và ghi dữ liệu 68

kết luận 69

tài liệu tham khảo 70

phụ lục

Hình 2.6 Lọc màu ảnh trên Raspberry 17

Hình 2.7 Ảnh nhị phân trên Raspberry 18

Hình 3.10 Sử dụng Tag trong TIA Portal 37

Hình 3.11 Giao diện chương trình chính TIA Portal 38

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí thiết bị 42

Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống 42

Hình 4.3 MCB Schneider EZ9F34320 20A 4.5kA 3P 43

Hình 4.14 Cảm biến hồng ngoại E3F – DS30P1 PNP 53

Hình 4.15 Sơ đồ đấu nối PLC 54

Hình 4.16 Công tác chuẩn bị 55

Hình 4.17 Hoàn thiện mô hình 55

Hình 4.18 Phát thảo tủ điện 56

Hình 4.19 Mặt trước tủ điện 56

Hình 4.20 Hoàn thiện tủ điện 57

Hình 5.1 Giản đồ thời gian chương trình chính 58

Hình 5.2 Giản đồ thời gian chế độ Manual 58

Hình 5.3 Giản đồ thời gian chế độ Auto 59

Hình 5.4 Chương trình chính 59

Hình 5.5 Chương trình Manual 60

Hình 5.6 Chương trình Auto 61

Hình 5.7 Chương trình xử lý ảnh 62

Hình 5.8 Kết nối PLC với WinCC RT Advanced 64

Hình 5.9 Chọn Screen để tạo HMI 64

Hình 5.10 Add new screen để tạo giao diện 64

Hình 5.12 Khối Basic objects 65

Hình 5.13 Khối Elements 65

Hình 5.14 Khối Controls 66

Hình 5.15 Gắn Tags HMI cho hệ thống 67

Hình 5.16 Thanh hiệu chỉnh Properties 67

Hình 5.17 Thanh hiệu chỉnh Animations 67

Hình 5.18 Thanh hiệu chỉnh Events 67

Hình 5.19 Giao diện giám sát WinCC của hệ thống 68

Bảng 3.1 Một số PLC thông dụng 21

Bảng 3.2 Sơ đồ khối PLC 22

Bảng 3.3 Bảng phân loại CPU 25

Bảng 4.1 Bảng thông số kĩ thuật của PLC S7-1200 45

Bảng 5.1 Bảng phân công vào ra 57

Đ Đúng

Scada Supervisory Control And Data Acquisition

WinCC Windows Control Center

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin… do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng Xuất phát từ những đợt đi thực tập tốt nghiệp tại nhà máy, các khu công nghiệp và tham quan các doanh nghiệp sản xuất, chúng em đã được thấy nhiều khâu được tự động hóa trong quá trình sản xuất Một trong những khâu tự động trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là số lượng sản phẩm sản xuất ra được các băng tải vận chuyển và sử dụng hệ thống nâng gắp phân loại sản phẩm Tuy nhiên đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hoàn toàn chưa được áp dụng trong những khâu phân loại, đóng bao bì mà vẫn còn sử dụng nhân công, chính vì vậy nhiều khi cho ra năng suất thấp chưa đạt hiệu quả Từ những điều đã được nhìn thấy trong thực tế cuộc sống và những kiến thức mà em đã học được ở trường muốn tạo ra hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời vẫn đảm bảo được độ chính xác cao Nên chúng em đã quyết định

“thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng”

Tính cấp thiết của đề tài

Đối với các hoạt động thủ công của thương tá nói chung và các hoạt động phân loại sản phẩm thủ công nói riêng thì vẫn còn tốn khá nhiều công sức của nhân công Những ngành nghề phân loại sản phẩm độc hại như phân loại rác thải hoặc phân loại các sản phẩm hóa học độc hại thì công nhân tham gia hoạt động phân loại rất nguy hiểm đến sức khỏe, cũng như ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng của sản phẩm Đặc biệt khi làm việc với băng tải thì xảy ra rất nhiều các yếu tố gây nguy hiểm đến tính mạng của con người nên vì thế việc tự động hóa các công đoạn gần như là cấp thiết cho hệ thống Phân loại sản phẩm là một bài toán đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống hiện nay Dùng sức người, công việc này đòi hỏi sự tập trung cao và có tính lặp lại Hơn nữa, nhân công cũng là con người nên họ sẽ làm việc tùy theo tâm trạng, cảm xúc và sức khỏe nên các công nhân khó đảm bảo sự chính xác trong công việc Chưa kể đến có những phân loại dựa trên các chi tiết kĩ thuật rất nhỏ mà mắt thường khó có thể nhận ra Điều đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất, nhưng đối với máy móc thì làm việc 24/24 và kiểm tra các chi tiết rất nhỏ là quá đơn

giản Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời là một sự phát triển tất yếu nhầm đáp ứng nhu cầu cấp bách này

Mục tiêu của đề tài

✓ Áp dụng công nghệ xử lí ảnh trong công nghiệp ✓ Giám sát hệ thống qua Wincc

✓ Ứng dụng kiến thức đã học để lập trình điều khiển cho hệ thống

Phạm vi ứng dụng

✓ Hệ thống được ứng dụng xử lí ảnh để phân loại theo hình dạng nên có thể được ứng dụng cho các nhà máy sản xuất mô hình học tập cho trẻ như các khối vuông, tròn, tam giác, hình chữ nhật

✓ Hệ thống phân loại các hình vuông, tròn, tam giác và hình chữ nhật nên có thể áp dụng cho các nhà máy sản xuất bánh như bánh quy hoặc các loại bánh yêu cầu nhìu hình dạng

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

THEO HÌNH DẠNG

1.1 Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm

Ngày nay, nước ta đang thực chính sách “Công nghiệp hoá – hiện đại hoá đất nước” Nền Công nghiệp đang hướng tới Công nghiệp 4.0, là sự kết hợp các công nghệ lại với nhau, làm mờ ranh giới giữa vật lý, kỹ thuật số và sinh học Với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật, các bộ điều khiển đang có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống xã hội, đặc biệt là trong tự động hoá và điều khiển Từ đó mà việc đưa tự động hóa vào sản xuất như diễn ra một điều tất yếu

Việc ứng dụng tự động hóa là xu thế chung trong công nghiệp hệ nay, hòa chung vào trong quá trình tự động hóa sản xuất, khâu phân loại sản phẩm trong các dây chuyền công nghiệp là một ví dụ điển hình Trước kia, việc phân loại chủ yếu là dựa vào sức người, công việc này đòi hỏi sự tập trung cao và có tính lặp lại nên các công nhân khó đảm bảo sự chính xác trong công việc Chưa kể đến có những phân loại dựa trên các chi tiết kĩ thuật rất nhỏ mà mắt thường khó có thể nhận ra Điều đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất Ứng dụng băng chuyền và các kĩ thuật phân loại sản phẩm hoàn toàn tự động sẽ giảm chi phí lao động, nâng cao năng suất và hiệu quả rất nhiều so với phân loại bằng thủ công

1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng vuông, tròn, tam giác và chữ nhật Hệ thống hoạt động như sau:

Khi khởi động hệ thống thì điện sẽ được cấp cho toàn bộ hệ thống Dựa trên ngôn ngữ Python với thư viện chính là OpenCV và được thực hiện trên Kit Raspberry Pi 4B và PLC S7 - 1200 Tại đây sử dụng các đặc điểm riêng biệt của từng hình dạng để đi nhận dạng rồi sau đó phân loại từng sản phẩm Hệ thống gồm camera, Raspberry, PLC Camera sẽ chụp ảnh sản phẩm cần phân loại rồi sau đó gửi đến Rasppberry để xử lý ảnh, sau khi xử lý được ảnh thì Rasppberry sẽ gửi đến PLC để điều khiển và phân loại sản phẩm Kết quả thực hiện là nhận dạng được những sản phẩm có hình dạng (hình tròn, hình vuông, hình tam giác và hình chữ nhật) cùng với việc đếm được sản phẩm theo hình dạng của từng sản phẩm, hiển thị trên màn hình giám sát Wincc

1.3 Các phương pháp nhận dạng hình dạng sản phẩm

1.3.1 Các đặc điểm cơ bản của sản phẩm

Trong cuộc sống hiện nay, nhu cầu về kiểu dáng sản phẩm ngày càng được chứ trọng, để đáp ứng nhu cầu thiết yếu đó nên trên thị trường ra nhiều sản phẩm có hình dạng và kiểu dáng đa dạng Ở đề tài này, để gần với thực tế, nhóm chọn sản phẩm có hình dạng phổ biến Chủ yếu là các hình dạng ở ngoài cuộc sống (hình tròn, hình vuông, hình tam giác và hình chữ nhật)

Đặc điểm cơ bản của sản phẩm có hình dạng phổ biến: - Đặc điểm nhận dạng hình chữ nhật: Có 4 đỉnh, 4 cạnh, 4 góc vuông,2 cạnh

kề không bằng nhau và 2 cạnh đối diện đều bằng nhau - Đặc điểm nhận dạng hình vuông : Có 4 đỉnh, 4 cạnh, 4 góc vuông, 2 cạnh

đối diện đều bằng nhau, 2 cạnh kề bằng nhau - Đặc điểm nhận dạng hình tròn: Một hình tròn là một vùng trên mặt phẳng

nằm "bên trong" đường tròn Bán kính tính từ tâm đến đường tròn Đặc điểm nhận dạng: Bán kính đều bằng nhau

- Đặc điểm nhận dạng hình tam giác: có 3 đỉnh và 3 cạnh là hình tam giác

1.3.2 Phương pháp nhận dạng thông qua dấu hiệu nhận biết

Phương pháp nhận dạng hình ảnh là giai đoạn quan trọng của hệ thống xử lý ảnh Nhận dạng là quá trình phân loại các đối tượng được biểu diễn theo một mô hình nào đó Ảnh được chụp sẽ được phân tích thành các đặc trưng riêng biệt, với những đặc trưng đó ta đem đi nhận dạng

Như đã đề cập ở trên thì các hình dạng của sản phẩm sẽ có các đặc điểm riêng biệt Tuy nhiên, thì vẫn có một số đặc điểm giống nhau, đặc điểm khác nhau, cùng với đó có thêm một số đặc điểm bị dư thừa trong việc so sánh với các sản phẩm khác Chính vì vậy, ở đề tài này, ta cần chọn lọc ra từng đặc điểm riêng biệt của từng hình mà các hình khác không có và loại bỏ các đặc điểm không cần thiết Như vậy, để nhận dạng được hình dạng của sản phẩm cần xác định các đặc điểm đặc trưng riêng biệt của từng hình dạng Ở đây chỉ có 4 hình dạng sản phẩm (hình chữ nhật, hình vuông, hình tròn, hình tam giác) cần phân loại, chính vì vậy sẽ có một số đặc điểm hình dạng không cần xét tới

- Sản phẩm hình chữ nhật: Hình chữ nhật là hình có 4 đỉnh, 4 cạnh, 4 góc vuông, 2 cạnh đối diện bằng nhau, Từ đặc điểm đó ta đi so sánh với 3 hình còn lại và phân tích thấy: Đặc điểm thứ nhất có 4 đỉnh, nhưng sản phẩm hình vuông cũng có 4 đỉnh Vì vậy ta có đặc điểm thứ hai để so

với hình vuông thì chúng bằng nhau Như vậy, đặc điểm nhận dạng sản phẩm hình chữ nhật, gồm 4 đỉnh và 2 cạnh kề không bằng nhau

Hình 1.1 Đặc điểm hình chữ nhật - Sản phẩm hình vuông:

Đặc điểm nhận dạng: Có 4 đỉnh, 4 cạnh, 4 góc vuông, 2 cạnh đối diện đều bằng nhau, 2 cạnh kề bằng nhau,… Từ đặc điểm đó ta đi so sánh với 3 hình còn lại và phân tích thấy: Đặc điểm thứ nhất có 4 đỉnh, nhưng sản phẩm hình chữ nhật cũng có 4 đỉnh như đã đề cập ở trên Chính vì vậy ta có đặc điểm thứ hai để so sánh sự khác biệt với hình chữ nhật, đó là 2 cạnh bằng nhau Như vậy, đặc điểm nhận dạng sản phẩm hình vuông, gồm 4 đỉnh và 2 cạnh kề bằng nhau

Hình 1.2 Đặc điểm hình vuông - Sản phẩm hình tam giác:

Đặc điểm nhận dạng: có 3 đỉnh và 3 cạnh là hình tam giác,… Từ đặc điểm đó ta đi so sánh với 3 hình còn lại và phân tích thấy: Chỉ có hình tam giác có 3 đỉnh, và đó chính là đặc điểm đặc trưng riêng biệt của tam giác

Hình 1.3 Đặc điểm hình tam giác - Sản phẩm hình tròn:

Đặc điểm nhận dạng: Bán kính đều bằng nhau,… Từ đặc điểm đó ta đi so sánh với 3 hình còn lại và phân tích thấy: bán kính tính từ tâm đến đường tròn bên ngoài tất cả chúng đều bằn nhau chính vì vậy đó là đặc điểm riêng biệt của hình tròn

Hình 1.4 Đặc điểm hình tròn

1.4 Các công nghệ trên dây chuyền của hệ thống

Công nghiệp phải ngày càng chính xác và nhanh chóng để đáp ứng được xu thế hiện đại hóa Các ngành công nghiệp đóng gói, dược phẩm cũng như trong lĩnh vực điện, điện tử là những ngành đòi hỏi sự chính xác trong kiểm tra đầu ra, và để thay thế con người trong việc kiểm tra thành phẩm với một tốc độ và sự chính xác cao, công nghệ xử lý ảnh ra đời và không ngừng phát triển để ngày càng hoàn thiện hơn

Một hệ thống xử lý ảnh bao gồm các thành phần sau: + Camera

+ Ống kính + Hệ thống chiếu sáng + Bộ xử lý

Hình 1.5 Hệ thống xử lý ảnh Tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà chúng ta sẽ có những hệ thống xử lý ảnh khác nhau Một số ví dụ cho thấy xử lý ảnh được ứng dụng trong công nghiệp:

+ Trong công nghiệp đóng gói, người ta sử dụng hệ thống xử lý ảnh để kiểm tra xem các sản phẩm đã được dán nhãn chưa hoặc kiểm tra nhãn hiệu bao bì có đúng với thành phần chuẩn bị được đóng gói không

+ Trong công nghiệp dược phẩm, áp dụng hệ thống xử lý ảnh để kiểm tra số lượng viên thuốc có trong vỉ thuốc

+ Trong lĩnh vực điện, điện tử xử lý ảnh dùng để phát hiện sự thiếu sót các mối hàn sau khi hàn các chân linh kiện vào board mạch

Hiện nay, camera sử dụng trong công nghiệp có nhiều loại như: area scan camera, line scan camera và network camera

+ Area scan camera: cung cấp chất lượng hình ảnh hàng đầu với tỷ lệ giá/hiệu suất nổi bật Được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ tự động hóa nhà máy và giám sát giao thông (ITS) đến hệ thống bán lẻ, dược phẩm

+ Line scan camera: thích hợp cho các ứng dụng cần cả tốc độ cao và chất lượng hình ảnh cao Loại camera này không theo dõi toàn bộ ảnh mà đánh giá ảnh chính xác theo từng dòng Thường được sử dụng trong quá trình kiểm tra chất lượng hàng hóa và quy trình phân loại

+ Network camera: thường được sử dụng để giám sát với chất lượng hình ảnh vượt trội và hiệu suất mạnh mẽ trong môi trường ánh sáng thấp

Một hệ thống xử lý ảnh tốt không chỉ cần camera tốt mà còn cần đến một ống kính chính xác cho ứng dụng Các tiêu chí căn cứ để lựa chọn được một ống kính chính xác là:

+ Kích thước cảm biến và vòng tròn ảnh

+ Độ phân giải và kích thước pixel + Tác động của tiêu cự và kích thước cảm biến + Khẩu độ và các điều kiện ánh sáng

- Ưu điểm: Phần mềm dễ sử dụng - Nhược điểm:

Độ chính xác không cao Việc truyền thông, giao tiếp với các phần mềm rất khó

+ Kết quả xử lý ảnh với tỷ lệ sai lệch nhỏ và có độ chính xác cao

- Nhược điểm: Khó khăn về kết hợp giữa phần mềm Labview với các phần

mềm khác

1.5.1.3 Phương pháp xử lí ảnh dùng phần mềm MVS20

MVS20 là một phần mền xử lí ảnh công ngiệp kiểm tra lỗi bề mặt cho các linh kiện điện tử được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy của nhật bản, hàn quốc, triều tiên và Việt Nam

- Ưu điểm:

+ Hỗ trợ đa dạng camera công nghiệp, lấy hình đơn giản + Có thể lấy mẫu dễ dàng, không giới hạn số lượng mẫu/ 1 bề mặt sản

phẩm + Tốc độ kiểm tra lên tới 30 sản phẩm/ giây (tùy ứng dụng) + Giao diện phần mềm MVS20 hỗ trợ tới 04 ngôn ngữ là tiếng việt, tiếng

anh, tiếng hàn và tiếng Nhật + Hỗ trợ truyền thông Modbus RTU, TCP

- Nhược điểm:

+ Chỉ có thể kiểm tra lỗi bề mặt của sản phẩm + Yêu cầu các sản phẩm phải giống nhau để kiểm tra lỗi sai tại các vùng

được chọn

1.5.1.4 Phương pháp xử lí ảnh dùng KIT Raspberry Pi

Raspberry Pi là một dòng sản phẩm vi xử lí đơn giản, nhỏ gọn và chi phí thấp nó được coi như một máy tính thu nhỏ được thiết kế để giúp đỡ đơn giản hóa việc học lập trình và phát triển các ứng dụng điện tử, các hệ thống nhúng,…

- Ưu điểm:

+ Có giá cả phải chăng + Độ chính xác cao + Kích thước nhỏ gọn dễ dàng lắp đặt trong các không gian hẹp + Tiêu thụ điện năng thấp thích hợp cho các dự án hoạt động liên tục + Dễ dàng mở rộng

+ Linh hoạt trên nhiều hệ điều hành linux, androi và window

1.5.2 Các dòng PLC hay dùng để điều khiển

1.5.2.1 PLC Mitsubishi

Mitsubishi là 1 hãng chuyển sản xuất các thiết bị điện tử, điện công nghiệp Tuy PLC của hãng xâm nhập thị trường việt nam chậm hơn nhưng chất lượng đã khẳng định vị thế và dần trở nên phổ biến

+ Phần mềm lập trình tương đối nặng nên cần máy tính cấu hình cao

1.5.3 Lựa chọn phương án thiết kế

Các phương án thiết kế nói trên là những phương án được sử dụng rất nhiều hiện nay Tuy nhiên, trong một hệ thống đòi hỏi độ chính xác cao, việc giao tiếp và truyền thống với các thiết bị khác phải đảm bảo tính ổn định và nhanh chóng Trong các nhà máy, xí nghiệp hiện nay thì việc sử dụng phương pháp xử lý ảnh thông qua Raspberry kết hợp với PLC đang dần thay thế các phương pháp khác Từ các ưu nhược điểm của các phương án trên và để thuận tiện cho yêu cầu của đề tài chi phí để làm đề tài thì nhóm em có chọn phương án thiết kế như sau :

✓ Sử dụng Raspberry Pi 4B và thư viện OpenCV để xử lý ảnh ✓ Sử dụng PLC Siemens S7 – 1200 để phân loại sản phẩm ✓ Sử dụng WinCC để giám sát quá trình hoạt động và hiện thị số lượng lên

màn hình

Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ RASPBERRY VÀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH

PYTHON

2.1 Tổng quan về Raspberry

Raspberry Pi là cái máy tính giá 35USD kích cỡ như iPhone và chạy HĐH Linux Với mục tiêu chính của chương trình là giảng dạy máy tính cho trẻ em Được phát triển bởi Raspberry Pi Foundation – là tổ chức phi lợi nhuận với tiêu chí xây dựng hệ thống mà nhiều người có thể sử dụng được trong những công việc tùy biến khác nhau

Nhiệm vụ ban đầu của dự án Raspberry Pi là tạo ra máy tính rẻ tiền có khả năng lập trình cho những sinh viên , nhưng Pi đã được sự quan tầm từ nhiều đối tượng khác nhau Đặc tính của Raspberry Pi xây dựng xoay quanh bộ xử lí SoC Broadcom BCM2835 ( là chip xử lí mobile mạnh mẽ có kích thước nhỏ hay được dùng trong điện thoại di động ) bao gồm CPU , GPU , bộ xử lí âm thanh /video , và các tính năng khác … tất cả được tích hợp bên trong chip có điện năng thấp này

Raspberry Pi không thay thế hoàn toàn hệ thống để bàn hoặc máy xách tay Bạn không thể chạy Windows trên đó vì BCM2835 dựa trên cấu trúc ARM nên không hỗ trợ mã x86/x64 , nhưng vẫn có thể chạy bằng Linux với các tiện ích như lướt web , môi trường Desktop và các nhiệm vụ khác Tuy nhiên Raspberry Pi là một thiết bị đa năng đáng ngạc nhiên với nhiều phần cứng có giá thành rẻ nhưng rất hoàn hảo cho những hệ thống điện tử , những dự án DIY , thiết lập hệ thống tính toán rẻ tiền cho những bài học trải nghiệm lập trình …

Model B bao gồm những phần cứng và những cổng giao diện: - SoC 700MHz với 512MB RAM

- 1 cổng HDMI cho đầu ra âm thanh / video số - 1 cổng video RCA cho đầu ra video Analog - Jack Headphone Stereo 3.5mm cho đầu ra âm thanh Analog - 2 cổng USB

- 1 đầu đọc thẻ nhớ SD để tải hệ điều hành - 1 cổng Ethernet LAN

- 1 giao diện GPIO (General Purpose Input/Output) Về cơ bản Raspberry Pi có khá nhiều OS linux chạy được nhưng vẫn có sự thiếu vắng của Ubuntu (do CPU ARMv6)

Điểm danh một số Distributions Linux (nhúng) chạy trên Raspberry Pi như Raspbian, Pidora, openSUSE, OpenWRT, OpenELEC,…

Hình 2.1 Raspberry Pi

2.2 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Python

2.2.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Python

Python là một ngôn ngữ lập trình được sử dụng phổ biến ngày nay từ trong môi trường học đường cho tới các dự án lớn Ngôn ngữ phát triển nhiều loại ứng dụng, phần mềm khác nhau như các chương trình chạy trên desktop, server, lập trình các ứng dụng web Ngoài ra Python cũng là ngôn ngữ ưa thích trong xây dựng các chương trình trí tuệ nhân tạo trong đó bao gồm machine learning Ban đầu, Python được phát triển để chạy trên nền Unix, nhưng sau này, nó đã chạy trên mọi hệ điều hành từ MS-DOS đến Mac OS, OS/2, Windows, Linux và các hệ điều hành khác thuộc họ Unix

Python do Guido van Rossum tạo ra năm 1990 Python được phát triển trong một dự án mã mở, do tổ chức phi lợi nhuận Python Software Foundation quản lý Mặc dù sự phát triển của Python có sự đóng góp của rất nhiều cá nhân, nhưng Guido van Rossum hiện nay vẫn là tác giả chủ yếu của Python Ông giữ vai trò chủ chốt trong việc quyết định hướng phát triển của Python

2.2.2 Đặc điểm nổi bật của Python

Python là ngôn ngữ có hình thức đơn giản, cú pháp ngắn gọn, sử dụng một số lượng ít các từ khoá, do đó Python là một ngôn ngữ dễ học đối với người mới bắt đầu tìm hiểu Python là ngôn ngữ có mã lệnh (source code hay đơn giản là code) không mấy phức tạp Cả trường hợp bạn chưa biết gì về Python bạn cũng có thể suy đoán được ý nghĩa của từng dòng lệnh trong source code

Python có nhiều ứng dụng trên nhiều nền tảng, chương trình phần mềm viết bằng ngôn ngữ Python có thể được chạy trên nhiều nền tảng hệ điều hành khác nhau bao gồm Windows, Mac OSX và Linux

2.3 Giới thiệu thư viện Open CV

2.3.1 Giới thiệu OpenCV

OpenCV là tên viết tắt của open source computer vision library – có thể được hiểu là một thư viện nguồn mở cho máy tính Cụ thể hơn OpenCV là kho lưu trữ các mã nguồn mở được dùng để xử lý hình ảnh, phát triển các ứng dụng đồ họa trong thời gian thực

OpenCV cho phép cải thiện tốc độ của CPU khi thực hiện các hoạt động real time Nó còn cung cấp một số lượng lớn các mã xử lý phục vụ cho quy trình của thị giác máy tính hay các learning machine khác

Thư viện OpenCV được phát hành với giấy phép BDS Do đó các dịch vụ nó cung cấp là hoàn toàn miễn phí và được hạn chế tối đa các rào cản thông thường Cụ thể, bạn được phép sử dụng phần mềm này cho cả hoạt động thương mại lẫn phi thương mại OpenCV sở hữu giao diện thiên thiện với mọi loại ngôn ngữ lập trình, ví dụ như C++, C, Python hay Java… Ngoài ra, nó cũng dễ dàng tương thích với các hệ điều hành khác nhau, bao gồm từ Windows, Linux, Mac OS, iOS cho đến cả Android

Kể từ lần đầu xuất hiện từ năm 1999, giờ đây OpenCV đã sở hữu đội ngũ người dùng hùng hậu, con số ước tính có thể lên tới 47.000 người Tất cả là nhờ những ưu điểm vượt trội của OpenCV

Thư viện Ooencv được ứng dụng vào rất nhiều trường hợp khác nhau Như các phần mềm định vị, bản đồ nói chung, nhà cung cấp dữ liệu hình ảnh cho các app về Map, khởi tạo ra những hình ảnh 3 chiều phức tạp, tất cả những ứng dụng công nghệ như robot, xe tự lái, bảng cảm ứng thông minh…

Thư viện sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình phổ biến như: C#, Java và Python Và ở đây, ta sử dụng ngôn ngữ lập trình Python cho đề tài Với phần mềm không quá phức tạp mà thiên hướng gọn nhẹ thì ngôn ngữ Python sẽ là sự lựa chọn chính xác nhất Nhờ các câu lệnh ngắn gọn cùng thuộc tính đơn giản, Python giúp cho quá trình phát triển phần mềm OpenCV diễn ra dễ dàng hơn Sử dụng ngôn ngữ Python sẽ là biện pháp tốt nhất cho những người không mạnh mảng lập trình Điểm trừ của Python là vì có cấu tạo quá đơn giản nên một số tính năng cần sự phức tạp sẽ bị hạn chế

2.3.2 Đặc điểm OpenCV

OpenCV Là một thư viện mở nên sử dụng các thuật toán một cách miễn phí, cùng với việc chúng ta cũng có thể đóng góp thêm các thuật toán giúp Thư viện thêm ngày càng phát triển

- Các tính năng của thư viện OpenCV: - Đối với hình ảnh, chúng ta có thể đọc và lưu hay ghi chúng - Về Video cũng tương tự như hình ảnh cũng có đọc và ghi - Xử lý hình ảnh có thể lọc nhiễu cho ảnh, hay chuyển đổi ảnh - Thực hiện nhận dạng đặc điểm của hình dạng trong ảnh - Phát hiện các đối tượng xác định được xác định trước như khuôn mặt, mắt,

xe trong video hoặc hình ảnh - Phân tích video, ước lượng chuyển động của nó, trừ nền ra và theo dõi

các đối tượng trong video

2.4 Tổng quan về xử lý ảnh

2.4.1 Giới thiệu xử lý ảnh

Xử lý ảnh không còn là đề tài quá mới, nó được áp dụng từ trong các hoạt động thường ngày cho đến việc nâng cao sản xuất Nó không những giúp ích cho cá nhân hay gia đình, mà còn ứng dụng cả trong Chính trị, Y tế, Giáo dục,… Xử lý tín hiệu là một môn học trong kỹ thuật điện tử, viễn thông và trong toán học Liên quan đến nghiên cứu và xử lý tín hiệu kỹ thuật số và analog, giải quyết các vấn đề về lưu trữ, các thành phần bộ lọc, các hoạt động khác trên tín hiệu Các tín hiệu này bao gồm truyền dẫn tín hiệu, âm thanh hoặc giọng nói, hình ảnh, và các tín hiệu khác,…

2.4.2.2 Biến đổi ảnh

Nói một cách đơn giản thì biến đổi ảnh thành dạng ảnh khác: ảnh màu sang ảnh

Hình 2.2 dãy màu HSV

- Dãy màu RGB :

RGB là không gian màu phổ biến dùng trong máy tính, máy ảnh, điện thoại và nhiều thiết bị kĩ thuật số khác nhau Không gian màu này khá gần với cách mắt người tổng hợp màu sắc Nguyên lý cơ bản là sử dụng 3 màu sắc cơ bản R (red - đỏ), G (green - xanh lục) và B (blue - xanh lam) để biểu diễn tất cả các màu sắc

Thông thường, trong mô hình 24 bit mỗi kênh màu sẽ sử dụng 8bit để biểu diễn, tức là giá trị R, G, B nằm trong khoảng 0 - 255 Bộ 3 số này biểu diễn cho từng điểm ảnh, mỗi số biểu diễn cho cường độ của một màu Với mô hình màu 24bit thì số màu tối

đa có thể tạo ra là 255 x 255 x 255 = 16581375 màu

Hình 2.3 Dãy màu RGB

2.4.2.4 Các phần mềm hỗ trợ xử lý ảnh

Hiện nay xử lý ảnh được giảng dạy trường đại học và ứng dụng vào thực tế rất nhiều như các phần mềm chỉnh sửa hình ảnh hay nhận biết khuôn mặt Chính vì thế có rất nhiều công cụ để chúng ta lập trình ứng dụng vào thực tế, như phải kể đến Matlap, Labview, hay ngôn ngữ Python,…

Hình 2.4 Ảnh chưa cắt trên Raspberry

Hình 2.5 Ảnh đã cắt trên Raspberry

2.5.1.2 Lọc màu

Như đã nói ở phần trước, thì có 2 cách lọc màu đó là lọc màu theo dãy màu HSV và dãy màu RGB Tuy nhiên, với đề tài phân loại sản phẩm theo hình dạng này thì việc phân biệt màu không quá chú trọng.Vì vậy chúng ta chỉ cần đưa ảnh về màu xám theo dãy màu RGB là đơn giản nhất Và việc lọc màu ảnh về màu xám này là quá trình giúp ta biến đổi ảnh dễ dàng hơn với tùng pixel màu

Hình 2.6 Lọc màu ảnh trên Raspberry

2.5.1.3 Biến đổi ảnh

Ở bước này ta biến đổi ảnh về ảnh nhị phân (với mỗi điểm ảnh chỉ có 2 màu trắng và đen) với giá trị 0 là đen (tối nhất) và 255 là trắng ( sáng nhất) Tuy nhiên, việc biến

đổi này vẫn còn độ nhiễu của các điểm ảnh Do vậy, chúng ta phải chỉnh lại ngưỡng của ảnh nhị phân, để loại bỏ bớt những điểm ảnh không cần thiết trong khoảng giá trị là 0 đến 255 pixel và từ đó ta có thể dễ dàng tìm được tập hợp các điểm ảnh mà ta cần

Hình 2.7 Ảnh nhị phân trên Raspberry

2.5.1.4 Tìm điểm

Chúng ta đã biến đổi ảnh nhị phân trước đó nên giúp chúng ta xác định các điểm mà ta cần rõ ràng hơn Từ việc tìm điểm này, ta đã tách ra được 2 vùng điểm ảnh là vùng điểm không cần và vùng điểm cần nhận dạng ảnh trên bức ảnh nhị phân Với vùng không cần là vùng điểm ảnh với giá trị là 0 và vùng cần tìm là 255 Vậy là ta đã nhận dạng được tập hợp điểm cần tính toán để phát hiện hình dạng sản phẩm

đó ta sẽ phân biệt các hình thông qua tìm cạnh của ảnh Vấn đề là làm sao ta có thể xác định số cạnh của ảnh, với hình tam giác thì có 3 cạnh và hình tròn có nhiều số cạnh nhất là đơn giản Vậy làm như thế nào mới phân được đâu là hình vuông và hình chữ nhật trong khi nó có số cạnh đều là 4 Để nhận dạnh được hai hình đó là hình vuông và hình chữ nhật thì ta buộc phải tính toán vùng điểm ảnh của hai hình đó với vùng điểm ảnh hình chữ nhật là lớn nhất rồi đến hình vuông cuối cùng tam giác

2.5.2.1 Xác định cạnh

Để có thể xác định cạnh trên ảnh thì ta sẽ dùng phương pháp giảm điểm để tìm được khoảng cách xa nhất của hai điểm, là hai điểm đầu và điểm cuối trong tập hợp điểm ảnh, từ đó để tạo ra một đoạn thẳng trên ảnh như thế thì ta đã tìm ra một cạnh trên ảnh

Hình 2 1: Giảm điểm và tạo đoạn thẳng của lệnh ApproxPolyDP trong OpenCV

2.5.2.2 Tính toán ảnh

Việc tính toán này giúp ta phân biệt được là hình vuông và hình chữ nhật Tuy nhiên, với sản phẩm sẽ phân loại là loại khối dạng 3D, nên đôi khi ảnh sẽ nhận dạng số cạnh bị sai, phát sinh ra thêm cạnh như hình tam giác có 3 cạnh nhưng khi nhận dạng cạnh sẽ thêm 1 đến 2 cạnh, như thế thì tam giác sẽ có đến 4 đến 5 cạnh và hình chữ nhật với hình vuông cũng tương tự thế, thì việc nhận dạng và phân loại hình dạng sẽ bị phân loại nhầm Vì thế, việc tính toán ảnh này ngoài việc phân biệt được 2 hình là hình vuông và hình chữ nhât, còn giúp ta giúp ta nâng cao độ chính xác khi xử lý ảnh để phân loại sản phẩm chính xác nhất

Ở đề tài này, việc tính toán khá là đơn giản cho việc phân biệt hình vuông và hình chữ nhật Lấy hiệu của hai cạnh trên ảnh, với hình chữ nhật là lớn nhất đến hình vuông Với tam giác là nhỏ nhất nên ta sẽ tính vùng điểm trên ảnh để nhận dạng tam giác với vùng điểm trên ảnh bé hơn kết quả khi được tính toán ra sẽ là tam giác Hình tròn thì đơn giản nhất với số cạnh lớn hơn 8 cạnh sẽ là hình tròn

Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200 VÀ PHẦN MỀM TIA PORTAL

3.1 Tổng quan về PLC

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình từ đó thực hiện được các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình của PLC Từ những năm đầu của thế kỉ 20, PLC được sử dụng ngày càng rộng rãi và phổ biến trong công nghiệp của nước ta như là 1 giải pháp lý tưởng cho việc tự động hóa các quá trình sản xuất, nhằm tăng năng suất của một hệ thống, nhà máy Đi đôi với sự phát triển công nghệ máy tính vượt bậc theo từng ngày như hiện nay, bộ điều khiển lập trình đạt được những ưu thế cơ bản trong ứng dụng điều khiển công nghiệp

Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như PLC Mitsubishi, Siemens, Panasonic…

Ngôn ngữ lập trình của PLC được sử dụng phổ biến như: LAD (Ladder logic – thang logic), FBD (Function Block Diagram – Khối chức năng), STL (Statement List – Liệt kê lệnh) trong đó Ladder logic là ngôn ngữ lập trình PLC được nhiều kỹ thuật, lập trình viên dùng và ưu chuộng nhất

PLC được ứng dụng trong công nghiệp nhưng những dây chuyền hệ thống đóng gói sản phẩm, băng chuyền sản phẩm với quy mô nhỏ thì có thể sử dụng những PLC có ít in/out với chi phí kinh tế thấp nhưng vẫn được sử dụng cho những ứng dụng cơ bản Đối với những tác vụ, yêu cầu kĩ thuật phức tạp thì có thể sử dụng module khác nhau với lượng I/O, thêm module truyền thông, analog để phù hợp với yêu cầu đặt ra

Như vậy, PLC là 1 máy tính thu nhỏ nhưng với các tiêu chuẩn công nghiệp cao và khả năng lập trình logic mạnh PLC là đầu não quan trọng và linh hoạt trong điều khiển tự động hóa

3.1.1 Lịch sử phát triển của PLC

Trước khi có PLC thì việc điều khiển các cơ cấu máy móc thực hiện theo logic thì chỉ có thể sử dụng các Role trung gian, Timer, Counter…và cùng với đó, hệ thống càng phức tạp, càng nhiều quy trình thì có càng nhiều khí cụ điện như trên được dùng Việc đó gây ra nhiều vấn đề trong quá trình lắp đặt, sử dụng và bảo trì, vì thế PLC được phát minh và là bước tiến lớn trong hoạt động sản xuất thời bấy giờ

Năm 1968, Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable Logic Controller) hay còn có tên gọi là Modicon đã được Dick Morley và những kỹ sư của Công ty General Motor – Hoa Kỳ sáng chế

Các chỉ tiêu kỹ thuật được đưa ra nhằm đáp ứng các yêu cầu điều khiển như:

- Dễ lập trình và thay đổi chương trình theo hệ thống - Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sữa chữa - Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất

Tuy nhiên vì là bộ vi điều khiển với thế hệ đầu tiên cùng với những hạn chế về công nghệ những năm 70, bộ điều khiển lập trình còn khá đơn điệu và đặc biệt cồng kềnh, do đó khiến người vận hành và các kỹ sư gặp khó khăn trong việc vận chuyển, lắp đặt, vận hành và lập trình trên bộ điều khiển lập trình Vì vậy các nhà thiết kế - chế tạo từng bước một cải tiến hệ thống trở gọn nhẹ, dễ vận hành cũng như ưu việt hơn về nhiều mặt

Tiếp theo đó, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable Controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969 nhằm đơn giản hóa việc lập trình Sự phát triển này này đã tạo ra sự thuận lợi và phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình điều khiển thời bấy giờ

Ngày nay ,khi mà khoa học công nghệ của loài người đã phát triển,vi mạch điện tử và công nghệ thông tin phát triển vượt bậc , PLC không chỉ được thiết ngày càng nhỏ gọn từ những cỗ máy cồng kềnh và khó vận hành, cùng với đó chức năng cũng được bổ xung khá nhiều So sánh với những PLC đời đầu được sáng chế và phát minh những năm 1970, PLC thời nay đã có thêm các chức năng nâng cao hơn như truyền thông, PID, kết nối Internet, điều khiển Servo, động cơ Step, và đặc biệt có thể điều khiển và giám sát thông qua Webserver, cùng nhiều chức năng khác Cấu hình được nâng cao và phát triển như có mở rộng nhiều module hơn, tốc độ xử lý tăng lên phù hợp với những yêu cầu lập trình khác nhau

3.1.2 Các loại PLC thông dụng

Bảng 3.1 Một số PLC thông dụng Hãng Siemens S7 – 200: CPU 212, CPU 214, CPU 222, CPU 224…

S7 – 300: CPU 313, CPU 314, CPU 315… S7 – 400: CPU 412, CPU 413, CPU 414, CPU 416… S7 – 1200: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C… Hãng Omron Dòng CPM1A, CPM2A, CPM2C

Dòng CQM1, CP1E, CP1L, CP1H, CJ1/M Hãng Mitsubishi Dòng FX: FX1N,FX1S…

Dòng A PLC, Q PLC, L PLC

- Ladder Diagram (LD): giống mạch rơ le - Function Block diagram (FBD): giống mạch nguyên lý - Sequential Function charts (SFC): xuất xứ từ mạng Petri/Grafcet

3.1.4 Cấu trúc và phương thức thực hiện chương trình

3.1.4.1 Cấu trúc

Bảng 3.2 Sơ đồ khối PLC Bộ xử lý trung tâm (CPU): Bao gồm một hay nhiều bộ vi xử lý điều hành hoạt động của toàn hệ thống

Các kênh truyền (các BUS): bus dữ liệu (thường là 8 bit), đường dẫn các thông tin dữ liệu, mỗi dây truyền 1 bit dạng số nhị phân Bus địa chỉ (thường là 8 hoặc 16 bit), tải địa chỉ vị trí nhớ trong bộ nhớ Bus điều khiển, truyền tín hiệu điều khiển từ CPU đến các bộ phận Bus hệ thống, trao đổi thông tin giữa các cổng nhập xuất và thiết bị nhập xuất

Bộ nguồn: cung cấp nguồn một chiều (5V) ổn định cho CPU và các thành phần chức năng khác từ một nguồn xoay chiều (110, 220V…) hoặc nguồn một chiều (12, 24V…)