Nội dung chính của đồ án bao gồm: Thiết kế và gia công dây chuyền sản xuất; Tìm hiểu, mô phỏng và ứng dụng các phương pháp lập trình tự động hóa và xử lý ảnh; Lắp đặt động cơ, thiết bị c
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Ngày nay, quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa đã góp phần rất nhiều trong việc nâng cao, phát triển đất nước và cải thiện cuộc sống của người dân Vì vậy việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào trong đời sống ngày càng được phổ biến rộng rãi hơn và mang lại hiệu quả trong hầu hết các lĩnh vực quan trọng như giáo dục, y tế, nông nghiệp, công nghiệp, sản xuất, tự động hóa,…
Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đặt ra những yêu cầu khắt khe cho sản xuất nông nghiệp Việt Nam, thúc đẩy ứng dụng khoa học - công nghệ vào lĩnh vực này Việc ứng dụng khoa học - công nghệ không chỉ giải quyết những khó khăn hiện tại mà còn là giải pháp tối ưu để nâng cao năng suất, chất lượng và sức cạnh tranh của sản phẩm nông nghiệp.
Máy móc hiện đại ngày nay giúp tự động hóa nhiều khâu trong sản xuất, chế biến, tạo nên hệ thống sản xuất linh hoạt, có khả năng tự động hóa cao nhờ ứng dụng máy CNC hay robot Trong hệ thống này, khâu phân loại sản phẩm đóng vai trò quan trọng, tác động trực tiếp đến chất lượng đầu ra.
Hệ thống phân loại sản phẩm được tạo ra nhằm phân chia sản phẩm ra các nhóm có cùng thuộc tính với nhau để thực hiện đóng gói hoặc loại bỏ các sản phẩm hư hỏng
Trong bối cảnh nông nghiệp hiện đại, tự động hóa đóng vai trò quan trọng, đặc biệt trong lĩnh vực trồng trái cây Vào mùa thu hoạch, phân loại trái cây thủ công đòi hỏi nhiều công sức, nhân lực và thời gian Giải pháp tự động hóa phân loại giải quyết vấn đề này hiệu quả Để ứng dụng vào thực tiễn, chúng tôi đã nghiên cứu và chế tạo một mô hình phân loại trái cây theo màu sắc và kích thước dưới sự hướng dẫn của TS Võ Xuân Tiến.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học: Vận dụng được các kiến thức chuyên ngành về thiết kế, chế tạo máy, hiểu rõ về cách vận hành và tiếp thu được thêm kiến thức lập trình trong hoạt động dây chuyền sản xuất
- Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài mang tính thực tế và học thuật, giúp nâng cao kiến thức và tính ứng dụng, đồng thời tổng hợp được nhiều tập cơ sở dữ liệu nhằm phục vụ cho quá trình học tập và nghiên cứu sau này.
Mục tiêu nghiên cứu đề tài
- Thiết kế và thi công hoàn thiện phần cứng hệ thống của mô hình, đảm bảo độ bền chắc, gọn nhẹ và thẩm mĩ
- Hệ thống có khả năng phân loại trái cây dựa theo màu sắc và kích thước
- Hệ thống hoạt động ổn định, vận hành dễ dàng, đảm bảo an toàn kĩ thuật
- Hiệu suất làm việc tốt, độ chính xác cao
- Thiết kế, lập trình phần mềm cho hệ thống để có thể giám sát, điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống qua máy tính.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Công nghệ tự động hóa trong dây chuyền sản xuất
- Xử lý ảnh và thuật toán
- Nghiên cứu và phát triển các thiết bị cảm biến có độ nhận diện chính xác cao
- Quy trình sản xuất nông nghiệp
- Công nghệ thông tin trong lưu trữ, xử lý và quản lý dữ liệu
- Nghiên cứu và phát triển hệ thống phân loại hiệu quả
- Thử nghiệm, đánh giá khả năng của hệ thống trong điều kiện thực tế
- Tối ưu hóa công nghệ vào trong quy trình sản xuất nông nghiệp
- Đánh giá, so sánh hiệu suất và độ chính xác của các loại cảm biến khác nhau
- Ứng dụng trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa thuật toán, giúp nhận diện chính xác màu sắc và kích thước của trái cây một cách nhanh chóng
- Tích hợp công nghệ thông tin và xử lý ảnh để quản lý và phân tích dữ liệu
- Điều chỉnh và tối ưu hóa cho nhiều loại trái cây khác nhau
- Kiến thức cơ bản về lập trình PLC, xử lý ảnh, thiết kế điện và cơ khí
- Xây dựng đề tài dựa trên việc phát triển những đồ án môn học thực hiện trước đó
- Đánh giá nhu cầu thực tiễn của hệ thống trên khu vực địa bàn cũng như cả nước
- Tìm hiểu những hệ thống tượng tự trên thế giới thông qua Internet để có cái nhìn tổng quan hơn về nguyên lý hoạt động
- Tham khảo nhiều tài liệu trong và ngoài nước của các cá nhân, tập thể đã từng nghiên cứu về những hệ thống có tính năng tương tự
- Đánh giá chi phí đề tài cũng như năng lực tài chính để cho ra một mô hình hệ thống phù hợp và đảm bảo nhất
1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
- Chương 3: Thiết kế và tính toán
- Chương 4: Thi công mô hình, hệ thống
- Chương 5: Kết quả thực hiện
- Chương 6.: Kết luận và hướng phát triển
1.7 Tình hình trong và ngoài nước
Hiện nay, các doanh nghiệp và tổ chức nghiên cứu trong nước đang đầu tư và phát triển các công nghệ phân loại trái cây tiên tiến Các hệ thống phân loại trái cây tự động được áp dụng rộng rãi ở các nông trại và cơ sở chế biến, góp phần tăng năng suất và chất lượng sản phẩm phân phối trong nước và xuất khẩu
Ngoài nước, Châu Âu là khu vực dẫn đầu trong ứng dụng công nghệ tự động hóa và trí tuệ nhân tạo vào hệ thống phân loại trái cây Các công nghệ này giúp tối ưu hóa sản xuất, giảm phụ thuộc vào lao động thủ công và nâng cao chất lượng trái cây.
1.8 Một số công nghệ phân loại trái cây
Hình 1.1: Máy phân loại trái cây iQS Performance Plus [41]
Máy được trang bị hệ thống camera cải tiến thông minh, giúp quan sát và nhận diện chi tiết hình ảnh trái cây Nhờ đó, máy có thể tự động lưu lại các thông số của từng quả để phân loại chính xác theo từng nhóm chất lượng Ngoài ra, máy còn có khả năng nhận biết và phân biệt các khuyết điểm trên bề mặt trái cây, cũng như màu sắc và kích thước Nhờ vậy, đầu ra của máy luôn đạt chất lượng cao.
Hình 1.2: Máy thu hoạch và phân loại cà chua [42]
Ngoài những hệ thống phân loại theo màu sắc và kích thước bằng dây chuyền, thì cũng có những loại máy sử dụng hệ thống phân loại kết hợp với việc thu hoạch Điển hình là máy thu hoạch cà chua kết hợp hệ thống phân loại theo màu sắc, cà chua được thu hoạch và đưa tới khu vực phân loại Những trái cà chua đạt yêu cầu được đưa đi chế biến thành phẩm, còn những trái chưa đạt sẽ được khu vực xử lý khác
1.9 Giới hạn Đề tài mang tính nghiên cứu, thực nghiệm về hệ thống phân loại tự động hóa trong quá trình sản xuất, lập trình thuật toán xử lý ảnh, điều khiển khí nén và thiết kế cơ khí Trong đề tài này, để đảm bảo tính nhất quán đối với mô hình, nhóm chúng em đã giới hạn các thông số như: màu sắc, kích thước của trái cây; số lượng phân vùng phân loại được; tốc độ băng tải Đồng thời, các yêu cầu khác về cơ cấu cơ khí cũng nằm ngoài phạm vi nghiên cứu đề tài.
Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
- Chương 3: Thiết kế và tính toán
- Chương 4: Thi công mô hình, hệ thống
- Chương 5: Kết quả thực hiện
- Chương 6.: Kết luận và hướng phát triển
Tình hình trong và ngoài nước
Hiện nay, các doanh nghiệp và tổ chức nghiên cứu trong nước đang đầu tư và phát triển các công nghệ phân loại trái cây tiên tiến Các hệ thống phân loại trái cây tự động được áp dụng rộng rãi ở các nông trại và cơ sở chế biến, góp phần tăng năng suất và chất lượng sản phẩm phân phối trong nước và xuất khẩu
Ngoài nước, các quốc gia Châu Âu có ngành nông nghiệp phát triển lớn mạnh đang dẫn đầu trong việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ tự động hóa, trí tuệ nhân tạo vào hệ thống phân loại trái cây nhằm tối ưu hóa quá trình sản xuất, giảm sự phụ thuộc vào lao động thủ công và tăng cường chất lượng sản phẩm
Một số công nghệ phân loại trái cây
Hình 1.1: Máy phân loại trái cây iQS Performance Plus [41]
Hệ thống camera thông minh được tích hợp trên máy có khả năng quan sát và nhận diện chi tiết các hình ảnh của trái cây Nhờ đó, máy có thể tự động lưu lại những thông số cụ thể của từng quả, từ đó phân loại trái cây chính xác theo những nhóm chất lượng khác nhau Không chỉ vậy, máy còn có thể nhận biết và phân biệt các khuyết điểm, màu sắc và kích thước của trái cây, nhờ vậy tối ưu hóa chất lượng sản phẩm đầu ra.
Hình 1.2: Máy thu hoạch và phân loại cà chua [42]
Ngoài những hệ thống phân loại theo màu sắc và kích thước bằng dây chuyền, thì cũng có những loại máy sử dụng hệ thống phân loại kết hợp với việc thu hoạch Điển hình là máy thu hoạch cà chua kết hợp hệ thống phân loại theo màu sắc, cà chua được thu hoạch và đưa tới khu vực phân loại Những trái cà chua đạt yêu cầu được đưa đi chế biến thành phẩm, còn những trái chưa đạt sẽ được khu vực xử lý khác
1.9 Giới hạn Đề tài mang tính nghiên cứu, thực nghiệm về hệ thống phân loại tự động hóa trong quá trình sản xuất, lập trình thuật toán xử lý ảnh, điều khiển khí nén và thiết kế cơ khí Trong đề tài này, để đảm bảo tính nhất quán đối với mô hình, nhóm chúng em đã giới hạn các thông số như: màu sắc, kích thước của trái cây; số lượng phân vùng phân loại được; tốc độ băng tải Đồng thời, các yêu cầu khác về cơ cấu cơ khí cũng nằm ngoài phạm vi nghiên cứu đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về PLC S7-1200
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hay qua các hoạt động có độ trễ như thời gian định thời hoặc các sự kiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch relay trong thực tế PLC hoạt động theo cách quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic Một PLC cơ bản cần phải có 3 bộ phận chính đó là: 1 chương trình RAM bên trong, 1 bộ vi xử lý có cổng giao tiếp và module vào/ra RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng Đối với một bộ PLC hoàn chỉnh thì cần phải kèm thêm một đơn vị lập trình bằng tay hoặc máy tính Các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình
Kết hợp nhiều thành phần quan trọng như bộ vi xử lý, nguồn, mạch đầu vào và đầu ra trong một thiết kế nhỏ gọn, CPU đã tạo nên một PLC mạnh mẽ Sau khi người dùng nạp chương trình, CPU sẽ lưu trữ mạch logic cần thiết để giám sát và điều khiển các thiết bị của ứng dụng CPU liên tục theo dõi ngõ vào và điều chỉnh ngõ ra dựa trên logic của chương trình người dùng Các hoạt động này có thể bao gồm các phép toán logic Boolean, đếm, định thời, tính toán phức tạp và giao tiếp với các thiết bị thông minh.
Hình 2.2: Bộ vi xử lý [12]
2.1.2 Chức năng và nguyên lý hoạt động
PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơle) trong thực tế PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:
• Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
• Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa
• Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp
• Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
• Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các Module mở rộng
Bộ điều khiển PLC có nhiều loại khác nhau và được phân biệt với nhau qua các thành phần sau:
• Các chức năng đặc biệt
• Loại xử lý chương trình
Với các bộ điều khiển lớn thì các thành phần trên được lắp thành các module riêng Đối với các bộ điều khiển nhỏ, chúng được tích hợp trong bộ điều khiển Các bộ điều khiển nhỏ này có số lượng ngõ vào/ra cho trước cố định
Bộ điều khiển được cung cấp tín hiệu bởi các tín hiệu từ các cảm biến ở ngõ vào của nó Tín hiệu này được xử lý tiếp tục thông qua chương trình điều khiển đặt trong bộ nhớ chương trình Kết quả xử lý được đưa ra ngõ ra để đến đối tượng điều khiển hay khâu điều khiển ở dạng tín hiệu
Khi CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện đóng hay ngắt các đầu ra theo từng lệnh trong chương trình Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi và toàn bộ các hoạt động đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:
• Address bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ tới các module khác nhau
• Data bus: Bus dùng để truyền dữ liệu
• Control bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bên cạnh đó CPU được cung cấp một xung clock có tần số từ 1,8 Mhz Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống [2]
S7-1200 được ra đời vào năm 2009, dùng để thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có nhiều tính năng nổi trổi hơn
S7-1200 được thiết kế nhỏ gon, chi phí thấp, và có một tập lệnh mạnh giúp có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng so với S7-200
S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ Ethernet và TCP/IP [17]
2.2.1 Các thành phần của PLC S7-1200
• 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như điều khiển AC, RELAY hoặc DC phạm vi mở rộng
• 2 mạch tương tự và số mở rộng ngõ vào/ra trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản phẩm
• 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau bao gồm module SM và SB
• 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP
Mô-đun nguồn PS 1207 đảm bảo ổn định dòng điện áp đầu vào 115/230 VAC và điện áp điểm-đến-điểm (PTP) Các mô-đun CPU khác nhau về hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh và dung lượng bộ nhớ chương trình.
Hình 2.3: Cấu tạo của bộ điều khiển Siemens CPU S7-1200 [17]
2.2.2 Các dòng chính của PLC S7-1200
• S7-1200 có 5 dòng là CPU 1211C, CPU 1212C và CPU 1214C, CPU 1215C, CPU 1217C
• PLC S7-1200 CPU 1211C với bộ nhớ 50KB work memory (Lưu ý: không mở rộng được module I/O)
• PLC S7-1200 CPU 1212C với bộ nhớ 75KB work memory
• PLC S7-1200 CPU 1214C với bộ nhớ 100KB work memory
• PLC S7-1200 CPU 1215C với bộ nhớ 125KB work memory
• PLC S7-1200 CPU 1217C với bộ nhớ 150KB work memory
Tùy vào ứng dụng điều khiển hệ thống để có thể chọn các model phù hợp [17]
Hình 2.4: Đặc tính kỹ thuật của CPU S7-1200 Siemens [17]
PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài để mở rộng chức năng của CPU Ngoài ra, có thể đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ giao thức truyền thông khác
Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số và quy định của nhà sản xuất [16]
S7-1200 có các loại module mở rộng sau:
Signal Board được kết nối trực tiếp với mặt trước của CPU Chúng thường được sử dụng khi không gian bị hạn chế hoặc nếu chỉ cần thêm một số lượng nhỏ đầu vào/đầu ra
• Mỗi CPU S7-1200 có thể mở rộng I/O bởi một Signal Board
• Sử dụng Signal Board không làm tăng không gian lắp đặt cần thiết cho bộ điều khiển
• I/O có thể mở rộng bao gồm: DI, DO, AI, AO hoặc hỗn hợp
Digital Module cung cấp tùy chọn để mở rộng và sử dụng thêm các DI, DO ngoài các đầu vào / đầu ra số tích hợp hiện có
• Có thể sử dụng Digital Module với tất cả các CPU SIMATIC S7-1200 ngoại trừ CPU 1211C
• Có sẵn các mô-đun với 8, 16 và 32 kênh đầu vào / đầu ra
• Cấu hình với TIA Portal cực kỳ đơn giản
Analog Module cung cấp tùy chọn để mở rộng và sử dụng thêm các AI, AO ngoài các đầu vào / đầu ra tương tự tích hợp hiện có Có thể sử dụng Analog Module với tất cả các CPU SIMATIC S7-1200 ngoại trừ CPU 1211C
Hình 2.6: Failsafe Digital Module [16]
11 Failsafe Digital Module cung cấp DI, DO tương ứng với các mô-đun tiêu chuẩn về kích thước của chúng Chức năng an toàn của chúng được chứng nhận theo EN 61508 Chúng được thiết kế để sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến an toàn lên tới SIL 3 theo
EN 62061 và PL e theo ISO 13849 Ứng dụng của module:
Module mở rộng I/O S7-1200 hiện được ứng dụng rộng rãi trong:
• Dây chuyền sản xuất thực phẩm
• Dây chuyền xử lý nước thải
• Máy móc ngành dược phẩm
• Dây chuyền nhà máy bia, rượu, nước giải khát
• Máy móc ngành in ấn, bao bì, ngành nhựa [16]
The programming software for S7-1200 is Step7 Basic Step7 Basic supports three programming languages: FBD (Function Block Diagram), LAD (Ladder Diagram), and SCL (Structured Control Language) This software is integrated into TIA Portal 11 by Siemens.
Hình 2.7: Cấu hình giao tiếp của PLC S7-1200 [17]
- Cấu hình giao tiếp của PLC S7-1200 hỗ trợ kết nối Profibus và kết nối PTP (Point To Point)
• Các thiết bị lập trình
• Các bộ điều khiển SIMATIC khác
- Hỗ trợ các giao thức kết nối:
- Phương thức giao tiếp truyền thông giữa PC và PLC được sử dụng là Modbus TCP/IP (Modbus – TCP):
• Là giao thức Modbus thuộc lớp ứng dụng, phát triển dựa trên nền tảng Ethernet công nghiệp
• Các kết nối Master – Slave được thay thế bằng Client – Server Khi áp dụng mô hình này, Client sẽ gửi lệnh đọc hoặc ghi tới Server
• Thông tin dữ liệu được tóm gọn trong gói tin Ethernet TCP/IP
• Có khả năng tương thích hoàn toàn với nhiều cơ sở hạ tầng có kết nối Ethernet
• Khả năng mở rộng cao TCP/IP là một mô hình có khả năng định tuyến gói dữ liệu, xác định đường dẫn hiệu quả, đảm bảo việc truyền nhận dữ liệu chính xác và đến đúng địa điểm [43]
- Hệ thống băng tải, cân định lượng
- Điều khiển đèn chiếu sáng thông minh,…
- Điều khiển bơm cao áp, bơm ổn định áp suất
- Máy đóng gói, máy in, máy dệt, máy trộn-nghiền trạm trộn bê tông,…
2.3 Giới thiệu phần mềm TIA Portal
TIA Portal (Totally Intergrated Automation Portal) là phần mềm tích hợp các ứng dụng quản lý tự động hóa và vận hành điện trong hệ thống Đây là phần mềm tự động hóa tiên tiến cho phép thực hiện các tác vụ và điều khiển toàn bộ hệ thống trong cùng một môi trường/nền tảng.
Giới thiệu phần mềm TIA Portal
• Các thiết bị lập trình
• Các bộ điều khiển SIMATIC khác
- Hỗ trợ các giao thức kết nối:
- Phương thức giao tiếp truyền thông giữa PC và PLC được sử dụng là Modbus TCP/IP (Modbus – TCP):
• Là giao thức Modbus thuộc lớp ứng dụng, phát triển dựa trên nền tảng Ethernet công nghiệp
• Các kết nối Master – Slave được thay thế bằng Client – Server Khi áp dụng mô hình này, Client sẽ gửi lệnh đọc hoặc ghi tới Server
• Thông tin dữ liệu được tóm gọn trong gói tin Ethernet TCP/IP
• Có khả năng tương thích hoàn toàn với nhiều cơ sở hạ tầng có kết nối Ethernet
• Khả năng mở rộng cao TCP/IP là một mô hình có khả năng định tuyến gói dữ liệu, xác định đường dẫn hiệu quả, đảm bảo việc truyền nhận dữ liệu chính xác và đến đúng địa điểm [43]
- Hệ thống băng tải, cân định lượng
- Điều khiển đèn chiếu sáng thông minh,…
- Điều khiển bơm cao áp, bơm ổn định áp suất
- Máy đóng gói, máy in, máy dệt, máy trộn-nghiền trạm trộn bê tông,…
2.3 Giới thiệu phần mềm TIA Portal
TIA Portal là viết tắt của Totally Intergrated Automation Portal, là một phần mềm tổng hợp của nhiều phần mềm điều hành quản lý tự động hóa, vận hành điện của hệ thống Có thể hiểu, TIA Portal là phần mềm tự động hóa đầu tiên, có sử dụng chung 1 môi trường/nền tảng để thực hiện các tác vụ, điều khiển hệ thống [2]
TIA Portal - Tích hợp tự động toàn diện là phần mềm cơ sở cho tất cả các phần mềm khác phát triển: Lập trình, tích hợp cấu hình thiết bị trong dải sản phẩm Đặc điểm của TIA
13 Portal là cho phép các phần mềm chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu, tạo nên tính thống nhất toàn vẹn cho hệ thống ứng dụng quản lý, vận hành
TIA Portal tạo ra môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện các thao tác sau:
• Thiết kế giao diện kéo nhả theo tin dễ dàng, ngôn ngữ hỗ trợ đa dạng
• Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát
• Thực hiện Go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị trong project để xác minh lỗi hệ thống
• Tích hợp mô phỏng hệ thống
• Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens
2.3.2 Ưu, nhược điểm khi sử dụng TIA Portal
• Tích hợp tất cả các phầm mềm trong một nền tảng, chia sẻ cơ sở dữ liệu chung để dễ dàng quản lý, thống nhất cấu hình
• Giải pháp vận hành thiết bị nhanh chóng, hiệu quả, tìm kiếm khắc phục sự cố trong thời gian ngắn
• Tất cả các yếu tố: bộ lập trình PLC, màn hình HMI được lập trình và cấu hình trên TIA Portal cho phép các chuyên viên tiết kiệm thời gian thao tác, thiết lập truyền thông giữa các thiết bị
• Bộ lập trình PLC được thả vào màn hình HMI, kết nối được thiết lập mà không cần bất kỳ thao tác lập trình nào chỉ với một biến số
• Dung lượng bộ nhớ khổng lồ do tích hợp nhiều phần mềm, cơ sở dữ liệu lớn
• Yêu cầu kỹ thuật cao của người lập trình, quản lý
• Mất nhiều thời gian để làm quen sử dụng [33]
Hình 2.8: Giới thiệu về TIA Portal [33]
Hình 2.9: Giao diện bắt đầu của TIA Portal
Giao diện bắt đầu của TIA Portal gồm các công cụ:
• Open existing project: Mở dự án có sẵn hoặc đã tạo ra trước đó
• Create new project: Tạo dự án mới
• Migrate project: Chuyển đổi dữ liệu của dự án
• Project view: Chuyển sang giao diện làm việc của dự án
• Installed software: Xem các gói đã cài đặt vào phần mềm
Hình 2.10: Giao diện môi trường làm việc của TIA Portal
Một số công cụ trong môi trường làm việc của TIA Portal:
• Properties: Khu vực hiển thị thuộc tính của đối tượng
• Project tree: Slide hiển thị danh sách các thiết bị
• Tasks: Khu vực hiển thị các tác vụ hoặc các chức năng dùng cho lập trình, thiết kế giao diện
Hình 2.11: Các bước tạo project mới
16 Các bước tạo project trong TIA Portal:
• Bước 1: Chọn mục ‘Create new project’ để tạo dự án làm việc mới
• Bước 2: Đặt tên cho dự án ở mục ‘Project name’ (Lưu ý: Nên sử dụng tiếng Anh hoặc tiếng Việt không dấu để tránh bị lỗi)
• Bước 3: Chọn đường dẫn thư mục để lưu dự án ở mục ‘Path’
• Bước 4: Nhấn ‘Create’ để tạo dự án
• Bước 5: Ở mục ‘First steps’, chọn ‘Congfigure a device’ để lựa chọn tác vụ thêm thiết bị làm việc
Ngoài ra, ở mục Start ta có thể chọn các chức năng khác để thực hiện các công việc khác nhau:
• Write PLC program: Viết chương trình PLC
• Cofigure technology object: Cấu hình cho thiết bị công nghệ
• Cofigure an HMI screen: Cấu hình cho màn hình HMI
Hình 2.12: Cấu hình thêm phần cứng mới
• Bước 6: Chọn ‘Add new device’ để thêm thiết bị làm việc mới
• Bước 7: Chọn thiết bị PLC muốn sử dụng ở mục ‘Controllers’
• Bước 8: Ở thanh thiết bị, mở thư mục CPU dựa theo tên của PLC, lựa chọn ID theo mã đã in trên PLC đang được sử dụng Có thể lựa chọn các phiên bản phù hợp với thiết bị ở mục ‘Version’
• Bước 9: Nhấn ‘Add’ để thêm thiết bị vào giao diện lập trình
Chú thích: (a) Tên của PLC, (b) Mã chi tiết của PLC
Hình 2.14: Nhận diện PLC
Sau khi đã thêm thiết bị vào giao diện làm việc, chúng ta có thể bắt đầu tiến hành lập trình dữ liệu cho PLC Một số chức năng và khu vực thông dụng trong giao diện làm việc:
• Program blocks: Tệp chứa chương trình lập trình
• PLC tags: Lưu trữ trạng thái thiết bị, vùng nhớ hoặc biến của PLC
• Dowload chương trình đã viết xuống PLC hoặc Upload chương trình có trong PLC lên phần mềm
• Mô phỏng chạy thử bằng PLC SIMATIC
• Hardware Catalog: Khu vực thêm các module mở rộng cho phần cứng PLC.
Phương pháp xử lý ảnh
Hình 2.15: Một số chức năng thông dụng
2.4 Phương pháp xử lý ảnh
2.4.1 Lý thuyết về xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một lĩnh vực khoa học-kỹ thuật, tập trung vào việc cải thiện chất lượng hình ảnh thông qua các phương pháp như chỉnh sửa, phục hồi và phân tích Lĩnh vực này còn khá mới mẻ nhưng đang có tốc độ phát triển nhanh chóng, thúc đẩy sự ra đời của các trung tâm nghiên cứu và ứng dụng chuyên biệt, đặc biệt là các máy tính được thiết kế riêng cho xử lý ảnh.
Hình 2.16: Các giai đoạn trong xử lý ảnh [6] Đầu tiên, ảnh tự nhiên từ thế giới ngoài được thu nhận qua các thiết bị thu (Camera, máy chụp ảnh) Sau đó, qua Xử lý ảnh thì ảnh được chuyển trực tiếp thành ảnh số tạo thuận lợi cho xử lý tiếp theo Kết quả của xử lý ảnh có thể là: cho ra một ảnh tốt hơn theo mong muốn của người dùng; phân tích ảnh để thu được thông tin để phân loại ảnh và nhận biết ảnh; rút ra những nhận xét, kết luận…
19 Thu nhận ảnh: Ảnh có thể thu nhận qua máy ảnh màu hoặc trắng đen, máy quét ảnh, máy quay… Chất lượng một ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường (ánh sáng, phong cảnh) Sau đó, ảnh được chuyển đổi ADC (số hóa ảnh) Quá trình chuyển đổi ADC (Analog to Digital Converter) để thu nhận dạng số hóa của ảnh
Số hoá: Là quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu rời rạc (lấy mẫu) và số hoá bằng lượng hoá, trước khi chuyển sang giai đoạn xử lý, phân tích hay lưu trữ lại
Phân tích ảnh là quá trình gồm nhiều bước, trong đó bước đầu tiên là tăng cường chất lượng ảnh Ảnh có thể bị suy biến do nhiều nguyên nhân như thiết bị thu nhận ảnh, nguồn sáng hoặc nhiễu Do đó, cần tăng cường và khôi phục lại ảnh để làm nổi bật một số đặc điểm chính của ảnh hoặc đưa ảnh về trạng thái gần với trạng thái ban đầu (trước khi bị biến dạng) Sau đó, phát hiện các đặc điểm như biên, phân vùng ảnh và trích chọn các đặc điểm này.
Nhận dạng ảnh: Cuối cùng tuỳ theo mục đích của ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng, phân lớp hay các quyết định khác
2.4.2 Các khái niệm trong xử lý ảnh
Pixel (picture element): Phần tử ảnh trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và giá trị độ sáng Để có thể xử lý ảnh bằng máy tính cần thiết phải tiến hành số hoá Trong quá trình số hoá người ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lấy mẫu (rời rạc hoá về không gian) và lượng hoá thành phần giá trị, về nguyên tắc bằng mắt thường không thể phân biệt được hai điểm kề nhau Trong quá trình này, người ta sử dụng khái niệm Picture element mà ta quen gọi hay viết tắt là Pixel (phần tử ảnh) Vậy nên, ảnh là một tập hợp các pixel Như vây, một ảnh là tập hợp các điểm ảnh Khi được số hoá, nó thường được biểu diễn bởi bảng 2 chiều I (n, p): n dòng và p cột Ta nói ảnh nxp pixels Người ta thường kí hiệu I (x, y) để chỉ một pixel Một pixel có thể lưu trữ trên 1, 4, 8 hay 24 bit
Grey level (mức xám): Mức xám là kết quả sự mã hoá tương ứng cường độ một điểm ảnh với một giá trị số, kết quả của quá trình lượng hoá Cách mã hoá kinh điển thường dùng là 16, 32, 64 mức Mã 256 là phổ dụng nhất, mỗi pixel được mã hoá bởi 8 bit [5]
2.5 Giới thiệu về cảm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại, hay còn gọi là IR Sensor, có khả năng cảm nhận bức xạ nhiệt hồng ngoại trong môi trường xung quanh Khoảng cách phát hiện của cảm biến hồng ngoại có thể điều chỉnh thông qua biến trở tích hợp Bức xạ hồng ngoại được phát ra từ bất kỳ vật thể hay cơ thể nào có nhiệt độ từ 5 độ Kelvin trở lên.
Hình 2.17: Cảm biến hồng ngoại [25]
Vi mạch xử lý là hệ thống mạch điện phức tạp đảm nhận vai trò điều khiển các hoạt động trên thiết bị Nó có chức năng tiếp nhận tín hiệu đầu vào, xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu cảnh báo phù hợp.
• Thiết bị thu đầu vào: Là bộ phận thu nhận các thay đổi của đối tượng mà cảm biến hướng tới như áp suất, tia hồng ngoại, ánh sáng, sóng điện từ, sóng siêu âm,…
• Thiết bị đầu ra: Là bộ phận tiếp nhận và thể hiện thông tin sau khi tín hiệu đầu vào được phân tích
Cảm biến hồng ngoại gồm 2 loại là cảm biến chủ động và cảm biến thụ động, trong đó [19] :
• Cảm biến chủ động có bộ phận phát ra tia hồng ngoại, khi tia hồng ngoại này gặp vật cản nó sẽ phản xạ lại với đầu thu nó Nhờ máy phát và nhận phản xạ liên tục mà phát hiện vật cản nhanh và xác định chính xác được khoảng cách từ vật đó đến thiết bị
Cảm biến thụ động không phát ra tia hồng ngoại mà sử dụng bộ quét hồng ngoại để dò tìm trong khu vực xung quanh Nó liên tục quét các tia hồng ngoại và sẽ truyền tín hiệu khi phát hiện bất kỳ tia hồng ngoại nào trong phạm vi quét của nó.
Nguyên lý hoạt động: Thiết bị sử dụng mắt phát hồng ngoại để phát ra sóng ánh sáng có bước sóng hồng ngoại Ở mắt thu bình thường có nội trở rất lớn, khi mắt thu bị tia hồng ngoại chiếu vào thì nội trở của nó giảm đi, từ đó chế tạo thành cảm biến
Cảm biến hồng ngoại được ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau như đèn bật tắt tự động, cửa tự động, thiết bị chống trộm, remote điều khiển, các thiết bị nhìn đêm, kính thiên văn, máy dò vật rắn,…
2.6 Động cơ DC Động cơ DC (DC là viết tắt của từ Direct Current Motors) hay còn gọi là động cơ điện một chiều chính là động cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định Cũng có thể nói
Động cơ DC
Động cơ DC (DC là viết tắt của từ Direct Current Motors) hay còn gọi là động cơ điện một chiều chính là động cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định Cũng có thể nói
Động cơ DC là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp một chiều (DC), khác với nguồn điện xoay chiều (AC) Động cơ DC thường có đầu ra gồm hai dây: dây nguồn (VCC) và dây tiếp đất (GND).
Hình 2.18: Động cơ DC [14]
DC motor là một loại động cơ một chiều với động cơ quay liên tục Khi cung cấp năng lượng thì động cơ DC sẽ bắt đầu quay, chuyển từ điện năng thành cơ năng Hầu hết những động cơ DC cũng sẽ quay với cường độ RPM vô cùng cao (tức số vòng quay/phút) Tốc độ không tải của động cơ DC nếu như không giảm tốc thì có thể đạt từ 1000 RPM đến 40,000 RPM Đối với động cơ điện 1 chiều thì có loại không chổi than (tức là Brushless DC Motor- BLDC) và động cơ có thêm chổi than (Brush DC Motor- DC Motor) Do động cơ BLDC thực chất chính là động cơ điện 3 pha không đồng bộ do vậy chúng em chỉ xét động cơ điện
Động cơ điện một chiều (DC) gồm ba phần chính: rotor (phần ứng), stato (phần cảm) và phần cổ góp - chỉnh lưu Stator thường chứa các cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện, còn rotor quấn các cuộn dây điện nối với nguồn điện một chiều.
Bộ phận chỉnh lưu có nhiệm vụ là đổi chiều của dòng điện trong khi chuyển động quay của roto là liên tục Thông thường thì bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than để tiếp xúc với cổ góp.
Băng tải
2.7.1 Giới thiệu về băng tải
Băng tải là một thiết bị truyền tải sản phẩm, nguyên vật liệu, …giúp di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác với tốc độ nhanh, hiệu quả và chính xác Băng tải công nghiệp được thiết kế để chịu đựng khối lượng công việc lớn và hoạt động trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt, cũng như khả năng di chuyển theo hiều hướng khác nhau Các loại băng tải được cấu tạo bởi rất nhiều loại vật liệu và có sự đa dạng, phong phú về chủng loại Các thiết
Băng chuyền được ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất, vận chuyển cấu kiện nhẹ, than đá và xỉ lỏ ở xưởng luyện kim, nhiên liệu và hàng hóa ở trạm thủy điện, vật liệu hạt và sản phẩm trong kho bãi Trong công nghiệp nhẹ, thực phẩm và hóa chất, băng chuyền hỗ trợ vận chuyển sản phẩm qua các công đoạn, phân xưởng, đồng thời loại bỏ sản phẩm lỗi, hư hỏng.
Hình 2.19: Băng tải PVC
Băng tải sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội: cấu tạo đơn giản, bền bỉ, khả năng vận chuyển linh hoạt theo hướng ngang, nghiêng hoặc kết hợp Chi phí đầu tư thấp, tự động hóa dễ dàng, vận hành thuận tiện, dễ bảo dưỡng, ít gây tiếng ồn, năng suất cao và tiết kiệm năng lượng hơn các thiết bị cùng chức năng Bên cạnh đó, băng tải cũng có những hạn chế nhất định: phạm vi sử dụng hạn chế, độ dốc cho phép không cao, chỉ nên vận hành ở tốc độ trung bình để kéo dài tuổi thọ và không thể vận chuyển theo đường cong.
Hình 2.20: Cấu tạo chung của băng tải [8]
1/ Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật
2/ Trạm dẫn động, truyền động cho bộ phận kéo
3/ Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo
4/ Hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ, …) làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu tố làm việc
5/ Bộ phận đổi hướng cho bộ phận kéo Các thông số chủ yếu của băng tải chủ yếu là:
• Chiều dài và chiều cao vận chuyển
Bộ truyền
Bảng 2.1: So sánh bộ truyền xích và bộ truyền đai
Bộ truyền xích Bộ truyền đai Ưu điểm
Truyền tải không độ trượt Truyền lực có tính đàn hồi
Có thể truyền lực lớn Vận hành êm ái
Tỉ suất truyền không đổi Chi phí bảo dưỡng ít
Hoạt động được trong môi trường có độ ẩm và nhiệt độ cao
Không cần thiết bôi trơn nên không văng dầu nhớt
Vận tốc xích giới hạn Thêm tải trọng lên ổ trục do lực căng đai
Tiếng ồn lớn lúc hoạt động Bị trượt do sự dãn nở của dây đai
Cần bôi trơn nên dầu nhớt có thể văng trong quá trình vận hành
Tỷ lệ truyền ít chính xác hơn bộ truyền xích
Từ bảng so sánh trên, nhóm chúng em quyết định chọn bộ truyền đai vì chi phí thấp và đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm trong quá trình vận hành của máy
Hình 2.21: Bộ truyền đai [28]
Pulley, hay còn được gọi là puly, hiểu đơn giản hơn là ròng rọc, là bộ phận quan trọng được sử dụng để kết nối đai và truyền động moment giúp vận hành hệ thống Trong thực tế, nó là phần trục lăn ròng rọc, đảm nhận vai trò truyền moment lực chuyển động, giúp máy móc vận hành
Puly mang lại rất nhiều lợi ích và tiện dụng trong đời sống của con người Nó thường được dùng để di chuyển đồ vật từ nơi này đến nơi khác, được tích hợp vào thang máy, băng chuyền trong các nhà máy xí nghiệp, công ty, khách sạn, chung cư,…
Trên thị trường có rất nhiều loại puly, điều này khiến cho người tiêu dùng thường rất khó để phân biệt chúng với nhau
2.9 Van điện từ khí nén 5/2 và xylanh khí nén
Hình 2.22: Van điện tử 5/2 [29]
Van điện tử khí nén hay van đảo chiều là một cơ cấu có chức năng điều chỉnh hướng đi của khí nén qua van Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc đóng ngắt và điều chỉnh hướng đi của dòng khí, phục vụ cho việc điều khiển xy lanh và các cơ cấu chấp hành trong các hệ thống khí nén.
• Văn: 5/2 hoạt động khi cấp nguồn 220V hoặc 24VDC tùy loại Khi có điện, lõi có điện trong van sẽ sinh ra từ trường, lực này sẽ hút trục van chuyển động dọc trục và khiến cho các cửa van được mở ra để cho khí nén thông cửa Hoạt động này giúp cho van có thể thực điện đóng khí cho các thiết bị đầu ra
• Khi van nằm ở trạng thái đóng thì cửa số 1 sẽ được thông với cửa số 2 Trong khi đó thì cửa số 4 sẽ được thông với cửa số 5 Nhưng khi van được cấp khí nén khiến cho van nằm trong tình trạng được mở hoàn toàn thì sẽ có sự thay đổi bắt đầu từ cửa số 1 và số 4 Ở đây sẽ xảy ra hiện tượng đảo chiều và khiến cho cửa số 1 thông với cửa số 4 Trong khi đó thì cửa số 2 thông với cửa số 3 Riêng cửa số 5 sẽ bị chặn lại
- Xy lanh khí nén 10mm – hành trình 100mm:
Hình 2.23: Xy lanh khí nén [27]
Xy lanh khí nén hay còn gọi là ben khí nén, là thiết bị cơ được vận hành bằng khí nén
Cụ thể, xy lanh hoạt động bằng cách chuyển hóa năng lượng của khí nén thành động năng, làm cho piston của xy lanh chuyển động theo hướng mong muốn, thông qua đó truyền động đến thiết bị
Có thể chia xy lanh thành 2 loại cơ bản:
• Xy lanh tác động đơn: Đây là loại xy lanh sử dụng khí nén để dịch chuyển piston xy lanh dịch chuyển theo hướng nhất định
• Xy lanh tác động kép: Đây là loại xy lanh cho phép ứng dụng lực đẩy khí nén 2 hướng hành trình di chuyển, cơ cấu dẫn động có thanh đẩy ở hai đầu piston.
Nguồn và MCB
Hình 2.24: Nguồn tổ ong [30]
Bộ nguồn một chiều 24V 5A thường được biết đến với tên gọi là nguồn tổ ong, được chế tạo ra với mục đích chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 220VAC sang nguồn một chiều 12VDC để cung cấp năng lượng cho các thiết bị hoạt động Nguồn tổ ong được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện và gia đình Trong môi trường công nghiệp, chúng thường được sử dụng để cấp nguồn cho một số thiết bị trong tủ điện và các hệ thống khác,…
Nguyên lý hoạt động: Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện 5 sẽ hút phần ứng 4 xuống làm bật nhả móc 3, móc 5 được thả tự do, lò xo 1 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của Aptomat được mở ra, mạch điện bị ngắt.
Camera
Thiết bị ghi hình (camera) là thiết bị kỹ thuật số được sử dụng để quay và lưu trữ hình ảnh động hoặc tĩnh Camera truyền trực tiếp hình ảnh mà nó ghi được đến một nơi cụ thể, trên một số màn hình giới hạn hoặc một số website thông qua Internet
2.12 Giới thiệu phần mềm Visual Studio Code
Visual Studio Code (VS Code) là một trình soạn thảo mã nguồn mở, gọn nhẹ nhưng có khả năng vận hành mạnh mẽ trên ba nền tảng: Windows, Linux và MacOS được phát triển
27 bởi Microsoft Nó hỗ trợ JavaScript, Node.js và TypeScript, đồng thời cung cấp một hệ sinh thái mở rộng vô cùng phong phú cho nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau [26]
Hình 2.27: Giao diện Visual Studio Code
Có thể nói, VS Code là một sự kết hợp tuyệt vời giữa một trình soạn thảo mã nguồn với những công cụ phát triển mạnh mẽ như Git, Debug hay Syntax Highlighter
Python là một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng đa năng, cung cấp cấu trúc dữ liệu cấp cao hiệu quả và hệ thống thư viện phong phú Python được ứng dụng rộng rãi trong phát triển web, phần mềm, khoa học dữ liệu và học máy Cú pháp đơn giản, rõ ràng, cơ chế cấp phát bộ nhớ tự động và kiểu động của Python giúp người dùng, kể cả những người không chuyên, dễ tiếp cận hơn.
2.13.2 Tính năng chính của Python
• Ngôn ngữ lập trình nhập môn: Guido van Rossum, người sáng lập ra Python, đã tập trung vào việc tạo ra một ngôn ngữ đơn giản và dễ hiểu, giúp cấu trúc của Python trở nên rõ ràng và cho phép người viết mã lệnh với số lần gõ phím tối thiểu Ngày nay, Python được đánh giá là ngôn ngữ lý tưởng cho việc bắt đầu học lập trình
• Mã nguồn mở và hoàn toàn miễn phí: Python là một ngôn ngữ lập trình mã nguồn mở, cho phép sử dụng một cách miễn phí trên tất cả phần mềm, chương trình được viết Mã nguồn mở này được hỗ trợ bởi cộng đồng đông đảo, giúp mọi người giải đáp mọi thắc mắc và liên tục cập nhật và cải thiện
Python dễ dàng tương thích với đa dạng nền tảng bao gồm Windows, macOS và Linux Tính tương thích này cho phép các lập trình viên dễ dàng di chuyển mã giữa các nền tảng mà không gặp quá nhiều khó khăn.
• Khả năng nhúng và mở rộng: Python có khả năng kết hợp cùng với các ngôn ngữ lập trình khác để xây dụng và phát triển các ứng dụng phức tạp
• Tự động chuyển đổi code: Khi dùng Python, người dùng hoàn toàn không cần phải lo về các vấn đề như quản lý bộ nhớ, dọn dẹp dữ liệu, … Python sẽ tự động chuyển code sang ngôn ngữ máy tính có thể hiểu
• Thư viện đa dạng: Nhờ vào số lượng thư viện khổng lồ của mình, Python hoàn toàn đáp ứng được mọi nhu cầu lập trình khác nhau
• Ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng: Dù được đơn giản hóa cho người mới học, nhưng Python vẫn giữ bản chất hướng đối tượng, giúp giải quyết các vấn đề trong lập trình một cách trực quan và dễ hiểu [15]
- NumPy: là một viện tính toán cơ bản của Python dùng trong ngành khoa học máy tính với một số chức năng nổi bật như:
• Hỗ trợ mảng nhiều chiều vô cùng mạnh mẽ
• Là công cụ để kết hợp với C/C++ hoặc là Fortran Code
• Hỗ trợ đại số tuyến tính, biến đổi Fourrier, khả năng sinh số ngẫu nhiên [18]
Hình 2.28: Ảnh cài thư viện Numpy thành công [18]
- Scipy: Là một thư viện Python miễn phí có mã nguồn mở, nó được sử dụng cho máy tính khoa học và máy tính kỹ thuật Scipy chứa các module để tối ưu hóa, đại số tuyến tính, tích hợp, nội suy, các chức năng đặc biệt, FFT, xử lý tín hiệu và hình ảnh, bộ giải ODE và các nhiệm vụ phổ biến khác trong khoa học và kỹ thuật
Hình 2.29: Ảnh cài thư viện Scipy thành công [18]
- OpenCV được bắt đầu từ Intel vào năm 1999 bởi Gary Bradsky và phiên bản đầu tiên phát hành vào năm 2000 OpenCV là viết tắt của Source Computer Vision Library OpenCV là thư viện nguồn mở hàng đầu và hỗ trợ nhiều thuật toán liên quan đến Computer Vision và Machine Learning, và ngày càng được mở rộng
Hiện tại, OpenCV hỗ trợ một loạt các ngôn ngữ lập trình như C++, Python, Java, …và có sẵn trên các nền tảng khác như Windows, Linux, OS X, Android, iOS,… Ngoài ra, các giao diện dựa trên CUDA và OpenCL cũng đang được tích cực phát triển để thực hiện các hoạt động GPU tốc độ cao
OpenCV – Python là Python của OpenCV Nó là sự kết hợp mạnh mẽ nhất của API OpenCV C++ và ngôn ngữ lập trình Python [10] Ứng dụng:
OpenCV được sử dụng cho nhiều mục đích và ứng dụng khác nhau như:
• Tìm kiếm phục hồi, xử lý hình ảnh/video
• Phân tích hình ảnh y học
• Nhận dạng khuôn mặt, cử chỉ, chữ viết,…
• Kiểm tra và giám sát tự động
• Chuyển động trong phim-cấu trúc 3D
• Robot và xe hơi tự hành [11]
Chức năng: Đọc hình ảnh:
Sử dụng hàm cv.imread() để đọc hình ảnh Hình ảnh nên nằm trong thư mục làm việc hoặc cung cấp một đường dẫn đầy đủ đến hình ảnh
Tham số thứ 2 là flag – hằng số chỉ định cách hình ảnh sẽ được đọc lên
• cv2.IMREAD_COLOR or 1: Tải một hình ảnh màu Bất kỳ tính trong suốt của ảnh sẽ bị bỏ qua Đây là flag mặc định
• cv2.IMREAD_GRAYSCALE or 0: Tải hình ảnh ở chế độ màu xám
• cv2.IMREAD_UNCHANGED or -1: Tải hình ảnh như vậy nhưng bao gồm thêm kênh alpha [10]
Ví dụ: import numpy as np import cv2
#Load an color image in grayscale img = cv2.imread('mess5.jpg',0)
Sử dụng hàm cv2.imshow() để hiển thị hình ảnh trên cửa sổ Cửa sổ sẽ tự động điều chỉnh để vừa với kích thước ảnh
Tham số đầu tiên là tên cửa sổ hiển thị hình ảnh, tên cửa sổ là một chuỗi Tham số thứ hai là hình ảnh người dùng muốn hiển thị Người dùng có thể tạo bao nhiêu cửa sổ theo mong muốn của họ, nhưng phải với các tên của sổ khác nhau cv2.imshow('image',img) cv2.waitKey(0) cv2.destroyAllWindows()
Hình ảnh hiển thị trên cửa sổ sẽ được nhìn thấy như thế này:
Hình 2.30: Hình ảnh hiện lên cửa sổ màn hình [10]
THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN
Yêu cầu thiết kế
Phần cứng của mô hình hệ thống phải đạt được những tiêu chí đề ra sau đây:
• Đảm bảo thực hiện được đầy đủ những chức năng đã đề ra được ở mục 1.2
• Mục tiêu đề tài, trực quan theo hướng thực tiễn
• Thiết kế cơ khí chắc chắn, hoạt động ổn định, thẩm mỹ, gọn nhẹ, dễ dàng tháo lắp khi có nhu cầu di chuyển
• Sử dụng vật liệu, công nghệ có sẵn trong nước
• Giảm thời gian phân loại trái cây trong quá trình sản xuất
• Độ bền cao, dễ dàng nâng cấp, lắp đặt, thay thế và bổ sung.
Thiết kế và tính toán hệ thống
Hình 3.1: Xylanh và hộc cấp phôi
Hình 3.2: Thiết kế khung sườn
Hình 3.3: Thiết kế băng tải và các thiết bị
Hình 3.4: Hốc đựng phôi phân loại
Chú thích: (a): 1 Van xylanh khí nén, 2 Dây belt băng tải, 3 Xylanh cấp phôi, 4 Cảm biến, 5 Xylanh đẩy phôi, 6 MCB, 7 Bảng điều khiển; (b): 8 Camera ,9 Động cơ
Hình 3.5: Tổng quan thiết kế mô hình
Sơ đồ khối của hệ thống
Sơ đồ 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống
• Khối Camera: Gồm có camera để thu thập hình ảnh của sản phẩm kết nối của PC
• Khối Computer: Nhận hình từ khối Camera và thực hiện xử lý ảnh Sử dụng máy tính (PC/laptop) để kết nối với camera qua rắc 3.5
• Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho PLC, nút nhấn, cảm biến, Relay,…
• Khối điều khiển: Gồm PLC điều khiển hoạt động của hệ thống Sử dụng PLC S7-
1200 CPU 1212C DC/DC/DC nhận dữ liệu từ PC qua cổng Ethenet
• Khối động lực: Gồm động cơ, xylanh nhận tín hiệu từ PLC và hoạt động
3.2.3 Tính toán và lựa chọn thiết bị
1 Tính toán thiết kế máy
Sơ đồ 3.1: Sơ đồ động của máy
2 Thiết kế mạch khí nén
Sơ đồ 3.2: Sơ đồ đấu dây mạch khí nén
Nguyên lý hoạt động: Khi có nguồn điện sẽ sinh ra lực từ trường Lực này sẽ hút trục van chuyển động dọc trục và khiến cho các cửa van được mở ra để cho khí nén thông cửa Hoạt động này giúp cho van có thể thực điện nhiệm vụ cấp hoặc đóng dòng khí nén cho thiết bị cần hoạt động
3 Sơ đồ đấu dây mạch động lực
Sơ đồ 3.3: Sơ đồ đấu dây mạch động lực
4 Sơ đồ đấu dây mô hình
Sơ đồ 3.4: Sơ đồ đấu dây mô hình
5 Chọn bộ điều khiển PLC S7-1200
Hình 3.6: : PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC [23]
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật PLC S7-1200 1212C DC/DC/DC
Mã sản phẩm 6ES7214-1AG31-0XB0
SIMATIC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC
DO 10 DO 24 V DC; 2 AI 0-10 V DC
38 Chú thích: (a) Sơ đồ dấu dây ngõ vào; (b) Sơ đồ đấu dây ngõ ra
Sơ đồ 3.6: Sơ đồ đấu dây PLC [24]
Hình 3.7: Hệ thống băng tải
Có nhiều loại băng tải: Băng tải đai, băng tải lá, băng tải thanh đẩy, băng tải con lăn Dựa theo yêu cầu của đề tài cấp phôi tự động nên lựa chọn thiết kế hệ thống băng tải đai vì lý do:
• Khi vận chuyển có độ ổn định cao
• Giá thành vật liệu thấp
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của băng tải PVC xanh trơn
Chất liệu PVC Độ dày 2 mm
Góc ôm puly nhỏ nhất 13 m
Khi thực hiện đề tài, nhóm chúng em đã lấy loại trái cây thử nghiệm là cà chua Sản lượng cần đạt được là 54kg/h, vậy mỗi phút cần phải phân loại là 54/60 = 0,9 kg
Trọng lượng của 1 trái cà chua là khoảng 150g, vậy số lượng trái cây cần phân loại trong 1 phút là 900g/150 = 6 (trái)
Để phân loại cà chua với tốc độ 6 trái/phút, ru lô cần quay với tốc độ 29 vòng/phút Tính toán dựa trên hành trình sơ bộ của cà chua là 425mm, chu vi ru lô 88mm, số vòng quay cần thiết để phân loại 1 trái là 4,83 vòng, từ đó suy ra số vòng quay cần thiết của ru lô để đáp ứng mục tiêu.
Chọn tỉ số truyền toàn bộ ut của hệ thống [7] : ut = uđ = 2
Từ ut và nlv ta có được số vòng quay sơ bộ của động cơ:
𝑛 𝑠𝑏 = 𝑛 𝑙𝑣 × 𝑢 𝑡 = 29 × 2 = 58 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡 (2.18) Dựa vào catalog, ta chọn động cơ nsb = 58,4 vòng/phút
Hình 3.8: Động cơ DC 24VD [22]
Hình 3.9: Kích thước và thông số của motor [21]
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật motor
Dài x rộng x cao 58,1 x 37 x 37 mm Đường kính mặt bích YL 37 mm
Xác định công suất, momen và số vòng quay các trục [7] :
Từ sơ đồ hệ dẫn động, ta có:
Bảng 3.4: Công suất, momen, số vòng quay qua các trục
Thông số Động cơ I II
Số vòng quay (vòng/phút) 58,4 58,4 29,2
Hình 3.10: Bộ truyền đai [28]
Từ bảng 2.4 – So sánh bộ truyền xích và bộ truyền đai, nhóm chúng em quyết định lựa chọn bộ truyền đai vì nó có giá thành thấp, dễ dàng lắp đặt và vệ sinh, đảm bảm an toàn vệ sinh thực phẩm trong quá trình vận hành của máy
Ta chọn đai răng đề phù hợp với thiết kế
Thông số đầu vào của bộ truyền đai [7] :
• Tỉ số truyền: 2 Đường kính bánh đai nhỏ chọn theo tiêu chuẩn d1 = 13mm
60000 = 0,04 𝑚/𝑠 Modun đàn hồi dựa theo công thức:
Chú thích: (a) Puly lớn dùng cho động cơ; (b) Puly nhỏ dùng cho băng tải
Hình 3.11: Puly lớn và puly nhỏ [39], [40]
Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật Puly lớn
Số răng 20 răng Đường kính ngoài 29,2 mm Đường kính vòng chia 30 mm
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật Puly nhỏ
Số răng 10 răng Đường kính ngoài 14,2 mm Đường kính vòng chia 15 mm
43 Khoảng cách trục a được chọn theo điều kiện: amin ≤ a ≤ amax [7]
Theo công thức, ta có:
Kiểm nghiệm đai về tuổi thọ:
Tính lại khoảng cách trục:
Hình 3.12: Đai răng 158-2GT-6 [38]
Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật đai răng
Hình dạng thắt lưng Vòng khép kín
Vật liệu thắt lưng Cao su và sợi PU mảnh tăng cường
Loại hình vành đai Cấu hình răng tròn, vành đai GT
Chiều cao răng 1,2 mm Độ dày 2,2 mm
Số đai z được tính theo công thức [7] :
P1: Công suất trên trục bánh chủ động = 0,0025 kW
Kđ: Hệ số tải trọng động, tra bảng 4.7 = 1.1
Ca: Hệ số kể đến ảnh hưởng của góc ôm α1, tra bảng 4.15 = 0.95
C1: Hệ số kể đến ảnh hưởng của chiều dài đai, tra bảng 4.16 = 0.95
Cu: Hệ số kể đến ảnh hưởng của tỉ số truyền, tra bảng 4.17 = 1.14
Cz: Hệ số kể đến ảnh hưởng của sự phân bố không đều tải trọng cho các dây đai, tra bảng 4.18 = 0.95 [7]
Số đai z là số nguyên nên z = 1
Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục [7] :
Lực căng trên 1 đai được xác định theo công thức sau:
Chọn vật liệu chế tạo là thép C45 thường hóa có:
• Giới hạn chảy σch = 340 Mpa
• Ứng suất cho phép [σ] = 65 Mpa, [τ] … 20 Mpa
Chọn sơ bộ đường kính trục [7] :
Chiều dài trục 1 = 195 mm, trục 2 = 170 mm
- Các thông số khi chọn ổ lăn:
• Trị số, chiều và đặc tính tác dụng của tải trọng
• Tần số quay của vòng ổ
• Tuổi thọ cần thiết tính bằng giờ hoặc số vòng quay
• Các yêu cầu cụ thể liên quan đến kết cấu máy, bộ phận máy và điều kiện sử dụng
- Chọn ổ lăn bao gồm các bước sau:
• Chọn cấp chính xác ổ lăn
Trong trường hợp cần thiết, cần kiểm tra khả năng quay nhanh của ổ
• Theo hướng tác dụng của tải trọng do ổ tiếp nhận, chia ra: ổ đỡ, ổ chặn, ổ đỡ- chặn, ổ chặn-đỡ
• Theo dạng con lăn: Ổ bi và ổ đũa
• Theo số dãy con lăn: Ổ lăn một dãy, 2 dãy và nhiều dãy
• Theo đặc điểm kết cấu: Ổ tự lựa và ổ không tự lựa, vòng trong lắp lên mặt trụ hoặc mặt côn, ….vv
• Do không yêu cầu cao về tải trọng nên ta chọn ổ bi đỡ 1 dãy Dựa vào kích thước trục, chọn được ổ bi với d= 6mm, D= 16mm
Hình 3.13: Ổ lăn chặn một chiều – loạt đường kính 0 [9]
Hình 3.15: Nút nhấn E-stop [35]
15 Công tắc xoay 2 vị trí
Hình 3.16: Công tắc xoay 2 vị trí [36]
• Sử dụng đèn báo gồm 3 màu: đỏ, vàng, xanh
• Đèn led, 24VDC, đường kính ren 22mm
• Công suất tiêu thụ < 20mA
Hình 3.18: Cảm biến hồng ngoại E3F-DS30P1 PNP [25]
Bảng 3.8: Thông số kỹ thuật cảm biến E3F-DS30P1 PNP
Loại dây 3 dây (Nâu, Xanh, Đen)
Loại đầu ra PNP N/O (Thường mở)
Khoảng cách phát hiện 10~30cm, có thể điều chỉnh
Phương pháp phát hiện Phản xạ khuếch tán Đối tượng phát hiện Bất kỳ đối tượng phản chiếu nào Điện áp làm việc 6~36VDC
Thời gian đáp ứng 2ms
Xanh 0V Đen Tín hiệu ngõ ra
Bảng 3.10: Sơ đồ đấu dây
Nâu VCC Đen Ngõ ra, dùng điện trở kéo lên(1-10K Ohm)
• Van điện từ khí nén 5/2
Hình 3.19: Van điện từ 5/2 [29]
Van 5/2 có 5 cổng làm việc:
+ 2, 4: cổng khí ra, dẫn khí khí đến cơ cấu chấp hình
• Xylanh khí nén 10mm, hành trình 100 mm:
Hình 3.20: Xylanh khí nén SMC CDJ2B10-100Z-B [27]
Chọn loại xylanh SMC CDJ2B10-100Z-B với đường kính trong xylanh 10mm, đường kính piston 4mm, hành trình 100mm
Diện tích làm việc của piston phía khoang piston [4] :
4 = 78 𝑚𝑚 2 (4.9) Diện tích làm việc của piston [4] :
4 = 65.973 𝑚𝑚 2 (4.10) Lực đẩy ra của xylanh [4] :
𝐹 1 = 𝜌 × 𝐴 1 = 0.6 × 78 = 46.8 𝑁 ≈ 4.7𝑘𝑔 (4.8) Lực lùi về của xylanh [4] :
Vì khối lượng phôi (0.25kg) nhỏ hơn rất nhiều so với lực kéo về của xylanh (4.7 kg) nên xylanh thỏa điều kiện gắp chi tiết phôi
Hình 3.21: Nguồn tổ ong [30]
Bảng 3.11: Thông số kỹ thuật nguồn tổ ong Điện áp đầu vào 100VAC~250VAC Điện áp đầu ra 24V 5A Điện áp điều chỉnh ±10%
Bảo vệ quá tải 105% - 150% công suất định mức, phục hồi tự động Bảo vệ quá áp 105% - 150% điện áp định mức
Hình 3.22: MCB VANLOCK PS45N C16 [31]
Hình 3.23: Camera full HD 1080 [32]
Bảng 3.12: Thông số kỹ thuật camera
Tỷ lệ khung hình 30FPS
Kiểm soát âm thanh 50Hz Độ phân giải 1020x1080P
Phạm vi lấy nét 80 cm
Microphone Micro tích hợp sẵn
3.2.4 Thống kê các thiết bị điện tử và khí cụ điện
Bảng 3.13: Danh sách các thiết bị điện tử và khí cụ điện
STT Tên thiết bị Số lượng
3 Cảm biến hồng ngoại PNP 2
10 Đèn báo 24V (Xanh, Đỏ, Vàng) 3
- Lưu đồ giải thuật trong xây dựng hệ thống:
Hình 3.24: Lưu đồ giải thuật của hệ thống
• Khi nhấn Start, băng tải bắt đầu chạy, xylanh cấp phôi đẩy Khi trái cây được băng chuyền đưa qua camera, nó sẽ chụp và gửi ảnh về chương trình xử lí ảnh, nó nhận diện màu sắc của loại trái đó (xanh, chín vừa, chín) Sau khi nhận diện, ảnh sẽ được mã hóa và gửi về cho PLC bằng các con số 3, 4, 5 tương ứng với quả chín, quả xanh, quả nhỏ; Nếu chín thì cảm biến chiến sẽ tác động xylanh chín đẩy trái chín vào hộc, tương tự với trái xanh, trái chín vừa sẽ đi về vào hộc đựng cuối băng tải
• Nếu F là sai không phải trái cây thì camera sẽ đợi nhận diện cho tới khi nào nhận diện được
- Lưu đồ giải thuật trong hành động xử lý ảnh:
Hình 3.25: Lưu đồ xử lý ảnh
• Giải thích phân loại theo kích thước:
Trái cây được chuyền đến camera nhận diện, bắt đầu chuyển ảnh RGB sang Gray (ảnh xám) để tìm đường viền bao quanh của trái cây, tìm bán kính đường tròn để giới hạn kích thước bằng một hình chữ nhật Trên màn hình giám sát có thanh trượt để giới hạn kích thước tùy chỉnh, nếu không tìm được thì nó sẽ đi theo nhánh Sai, quét lại để đợi khi nào có đường viền thì mới phân loại
• Giải thích phân loại theo màu sắc:
Màu sắc camera nhận diện vùng màu (xanh, đỏ, vàng) và tìm điểm màu, nếu màu đỏ thì nhận diện trái chín, màu xanh thì là trái xanh, màu vàng là trái chín vừa Quá trình này được viết code thực hiện trên phần mềm Visual Studio Code và chú thích từng hàm lệnh rõ trên phần phụ lục
- Truyền thông giữa chương trình xử lý ảnh và PLC:
Hình 3.26: Giao tiếp giữa chương trình xử lí ảnh và PLC
Biến MW6 gán giá trị cho chương trình xử lý ảnh, từ đó khi chương trình xử lí ảnh trả về các giá trị integer thì PLC vẫn có thể hiểu được do sử dụng vùng dữ liệu MW (memory word) có thể nhận và hiểu được ký tự 1 word = 2 byte = 16bit như là integer Các giá trị integer từ -2 15 đến 2 15 -1 nên các con số 1, 2, 3, 4, 5 PLC vẫn có thể hiểu được thông qua kiểu data MW
Hình 3.27: Vùng nhớ trung gian MW
THI CÔNG MÔ HÌNH, HỆ THỐNG
Thi công mô hình
58 (d) Chú thích: 1 MCB, 2.Cảm biến, 3 Xylanh đẩy phôi, 4 Bảng điều khiển, 5 Động cơ,
6 Van xylanh khí nén, 7 Xylanh cấp phôi, 8 Camera, 9 Dây belt băng tải
Hình 4.1: Mô hình thực tế
Chú thích: (1) PLC S7-1200 1212C, (2) Module mở rộng I/O, (3) Relay,
Hình 4.2: Các thiết bị lắp đặt trong mô hình
4.2.1 Phần mềm lập trình PLC Siemens TIA V16
Hình 4.3: Giao diện phần mềm lập trình PLC Siemens TIA V16
• (2) Thanh cuộn các thẻ tag, thiết bị, cấu hình tinh chỉnh project
• (3) Khu vực làm việc chính
• (4) Thẻ nhiệm vụ, chứa các mục làm việc quan trọng
• (6) Chuyển đổi tác vụ làm việc
4.2.2 Phần mềm Visual Studio Code lập trình xử lý ảnh
Hình 4.4: Giao diện phần mềm Visual Studio Code
60 Giới thiệu sơ lược giao diện phần mềm Visual Studio Code:
• Explorer: Khu vực quản lý file
• Search: Tìm kiếm dữ liệu, dòng lệnh,…
• Source control: Điều khiển, quản lý, lưu trữ tệp dữ liệu trên tài khoản Github
• Run and debug: Chạy chương trình và xử lý lỗi trong chương trình
• Extensions: Các gói lập trình chương trình mở rộng
• Testing: Chạy và kiểm tra đoạn code
4.2.3 Giao diện điều khiển và giám sát hệ thống
Chú thích: 1 Ảnh xử lý, 2 Ảnh nhị phân, 3 Thanh điều chỉnh kích thước, 4 Khu vực hiện thị số lượng, 5 Khu vực điều khiển
Hình 4.5: Giao diện điều khiển và giám sát
Trong giao diện điều khiển và giám sát hệ thống, ảnh được quét sẽ được hiển thị ở ô Ảnh xử lý (1), ảnh sẽ được mã hóa thành ảnh nhị phân và được hiển thị ở ô Ảnh nhị phân (2) Thanh kích thước W (3) được dùng để quét kích thước bao của trái cây khi băng tải chở qua camera Khu vực (4) hiển thị số lượng các loại trái đã được phân loại Để điều khiển hệ thống trên máy tính, người dùng có thể thao tác các nút nhấn ở Khu vực điều khiển (5)
Bảng 4.1: So sánh thiết kế mô hình trên Solidworks và mô hình thực tế
Mô hình trên Solidworks Mô hình thực tế
Hình 1.a: Hốc đựng trái cây và xyanh cấp trái
Hình 1.b: Hốc đựng trái cây và xylanh cấp trái
Hình 3.a: Hốc phân loại trái cây
Hình 3.b: Hốc phân loại trái cây
62 Hình 4.a: Tổng quan mô hình
Hình 4.b: Tổng quan mô hình
Hình 5.a: Tổng quan mô hình
Hình 5.b: Tổng quan mô hình
Hình 6.a: Tổng quan mô hình Hình 6.b: Tổng quan mô hình
Mô hình lắp ráp ngoài thực tế và mô hình thiết kế trong phần mềm có sự tương đồng đáng kể Tuy nhiên, chúng có một số khác biệt nhỏ Thứ nhất, vật liệu lắp ráp trong mô hình ngoài thực tế không trùng khớp với vật liệu đã chọn trong mô hình phần mềm Thứ hai, băng tải ngoài thực tế được trang bị thêm bản lề để ngăn trái cây bị lệch ra ngoài trong quá trình tải, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển đến khu vực phân loại Trong khi đó, mô hình trong phần mềm không có tính năng này.
KẾT QUẢ THỰC HIỆN
Tiêu chí phân loại quả
- Trường hợp 1: Không đặt kích thước (W)
Hệ thống sẽ chia thành “quả chín”, “quả xanh” và “quả chín vừa” với tiêu chuẩn dựa theo màu sắc quả lần lượt là đỏ, xanh, vàng đỏ
- Trường hợp 2: Đặt kích thước chuẩn (W)
Hệ thống sẽ đo kích thước, nếu đủ tiêu chuẩn kích thước đặt ra thì sẽ phân loại
“quả chín”, “quả xanh” và “quả chín vừa” Nếu không đủ tiêu chuẩn kích thước sẽ được đánh giá là “quả nhỏ”
Ta có thể thay đổi màu sắc các tiêu chí phân loại thông qua code Python và dữ liệu đầu vào Kết quả “quả nhỏ” và “quả chín vừa” được xếp chung một ngăn chứa.
Kết quả phân loại
5.2.1 Phân loại theo màu sắc
Bảng 5.1: Phân loại trái theo màu sắc
Phân loại theo màu sắc Kết quả
Kết luận: Hệ thống phân loại theo màu sắc tương đối ổn định Tuy nhiên, chất lượng hình ảnh kém sẽ cho ra kết quả không chính xác Chất lượng hình ảnh phụ thuộc vào môi trường làm việc của hệ thống và độ phân giải của camera đang sử dụng
5.2.2 Phân loại theo kích thước
Bảng 5.2: Phân loại trái theo kích thước
Phân loại theo kích thước
Kết luận: Hệ thống hoạt động tương đối ổn định Những trái được đánh giá “trái chín” hoặc “trái xanh” là những quả đạt kích thước theo yêu cầu Tuy nhiên, kích thước (W) vẫn còn chưa chính xác, phụ thuộc nhiều vào camera nhận diện
5.3 Đánh giá kết quả
Nhóm đã tiến hành thu thập số liệu phân loại theo màu sắc kích thước của cà chua đo được để kiểm tra độ lệch chuẩn giữa các lần đo kích thước qua xử lý ảnh Các kết quả của nhóm thu được trên cùng một mẫu của mỗi loại cà chua sau 30 lần chạy thử nghiệm như sau:
Hình 5.1: Thông số kích thước qua xử lý ảnh của cà chua chín Độ lệch chuẩn:
• Độ chính xác khi hệ thống phân loại màu sắc của cà chua đỏ là rất cao (96,67%)
• Độ lệch chuẩn các lần đo khi đo bằng hệ thống phân loại theo kích thước quả chín thông qua xử lý ảnh tương đối thấp (≈ 3)
Hình 5.2: Thông số kích thước qua xử lý ảnh của cà chua xanh Độ lệch chuẩn:
• Độ chính xác khi hệ thống phân loại màu sắc của cà chua xanh là khá cao (90%)
• Độ lệch chuẩn các lần đo khi đo bằng hệ thống phân loại theo kích thước quả xanh thông qua xử lý ảnh thấp ( ≈ 2,1)
- Cà chua nhỏ, chín vừa:
Hình 5.3: Thông số kích thước qua xử lý ảnh của cà chua nhỏ, chín vừa Độ lệch chuẩn:
• Độ chính xác khi hệ thống phân loại màu sắc của cà chua chín vừa còn hạn chế (80%)
• Độ lệch chuẩn các lần đo khi đo bằng hệ thống phân loại theo kích thước quả nhỏ thông qua xử lý ảnh thấp ( ≈ 1,3)
Sau khi thực nghiệm, lập bảng biểu, phân tích số liệu để so sánh độ lệch chuẩn của các lần đo qua xử lý ảnh, nhóm chúng em đưa ra các đánh giá như sau:
• Phân loại theo màu sắc: Nhìn chung, phần trăm sai quá trình hệ thống phân loại theo màu sắc khá lớn ( cà chua đỏ - 3,33%, cà chua xanh – 10%, cà chua nhỏ - 20%) Nguyên nhân xảy ra độ sai lệch này thường là do ánh sáng môi trường làm việc và chất lượng ảnh thu vào được của camera
Theo kết quả phân loại theo kích thước, độ lệch chuẩn chỉ ở mức tương đối thấp, chỉ khoảng 3, 2,1 và 1,3 Kết quả này thể hiện sự sai lệch không đáng kể về kích thước giữa các lần đo được từ chương trình xử lý ảnh Do vậy, có thể kết luận rằng các sai lệch kích thước này sẽ không ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng đầu ra sau khi phân loại.
• Hệ thống hoạt động tương đối ổn định Tuy vậy, vẫn có lỗi xuất hiện trong quá trình xử lý ảnh từ camera do tác động từ ánh sáng môi trường, thiết bị thu ảnh, nơi cấp phôi
• Năng suất trung bình của hệ thống từ 6 – 7 trái/phút.
