thiết kế thi công mô hình phân loại sản phẩm theo mã qr và đóng thùng

Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu về hệ thống, các phương pháp dán thùng carton - Tìm hiểu về công nghệ và cách thức quét, đọc mã QR - Thiết kế, thi công phần cơ khí, phần điện - Lập trình

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của công nghệ và khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp đang liên tục đổi mới để nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm Một trong những yếu tố quan trọng trong chuỗi sản xuất hiện đại là việc quản lý và đóng gói sản phẩm Đặc biệt, công nghệ quét mã QR và đóng thùng tự động đang trở thành xu hướng phổ biến nhờ khả năng tăng cường tính chính xác, tốc độ và hiệu suất trong quy trình sản xuất

Việc sử dụng mã QR giúp quá trình quản lý trở nên dễ dàng và minh bạch hơn Công nghệ quét mã QR không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu sai sót trong việc nhập liệu và quản lý dữ liệu, đảm bảo rằng mỗi sản phẩm đều được kiểm tra và ghi nhận thông tin một cách chính xác

Kết hợp công nghệ quét mã QR với hệ thống đóng thùng tự động mang lại nhiều lợi ích to lớn Hệ thống này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình đóng gói mà còn đảm bảo rằng sản phẩm được bảo quản và vận chuyển an toàn, đồng thời giảm thiểu sự can thiệp của con người, qua đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Trong môi trường cạnh tranh khốc liệt ngày nay, việc áp dụng các giải pháp tự động hóa như vậy không chỉ là xu hướng mà còn là nhu cầu tất yếu để các doanh nghiệp tồn tại và phát triển Nhận thấy tầm quan trọng của việc ứng dụng công nghệ tiên tiến trong sản xuất, nhóm thực hiện đã quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế, thi công mô hình phân loại sản phẩm theo mã QR và đóng thùng.” Đề tài này nhằm mục đích nghiên cứu và ứng dụng công nghệ hiện đại để xây dựng một hệ thống tự động hóa hiệu quả, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của sản xuất hiện đại

Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm thực hiện sẽ tập trung vào việc nghiên cứu các công nghệ quét mã QR hiện đại, tích hợp với hệ thống cơ khí và điện tử để tạo ra một quy trình tự động Hệ thống sẽ bao gồm các bước từ quét mã QR, kiểm tra mã sản phẩm, cho sản phẩm vào thùng giấy đã được chế tạo sẵn, và cuối cùng là dán kín miệng thùng bằng băng keo một cách tự động Nhóm thực hiện tin rằng, với hệ thống này, quá trình đóng gói sản phẩm sẽ trở nên nhanh chóng, hiệu quả, đồng thời đảm bảo độ chính xác và tính thẩm mỹ cao

Tuy nhiên vì trình độ và khả năng có hạn nên trong đồ án tốt nghiệp này không tránh khỏi những sai sót, những hạn chế nhất định Nhóm thực hiện rất mong quý thầy cô đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện.

Mục tiêu

Đề tài "Thiết kế, thi công mô hình phân loại sản phẩm theo mã QR và đóng thùng." nhằm mục đích tối ưu hóa quy trình đóng gói và vận chuyển hàng hóa trong các doanh nghiệp sản xuất Việc đóng gói giúp sản phẩm bảo quản được tốt hơn, việc kiểm tra và vận chuyển cũng dễ dàng hơn

- Thiết kế, thi công hoàn thành phần cứng mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo mã QR và đóng thùng

- Năng suất của hệ thống:

• Khâu phân loại sản phẩm: 400 sản phẩm/h

• Khâu đóng gói sản phẩm: 200 thùng/h

• Cơ cấu gắp sản phẩm: 500 sản phẩm/h

- Băng keo dán thùng không có quá nhiều vết nhăn, bọt khí.

Nội dung nghiên cứu

• Phần mềm GX Works2, Visual Studio

Thiết kế, thi công phần cứng, lập trình điều khiển trên phần mềm GX Works2, lập trình giao tiếp giữa PLC và PC trên phần mềm Visual Studio

• Tìm kiếm, tham khảo các nguồn tài liệu liên quan về lập trình PLC Mitsubishi, giao tiếp giữa PLC và PC, tiến hành lập trình thực hành trên PLC FX1S-30MT trong mô hình

• Quan sát các hệ thống trong thực tế, tham khảo các mô hình đã được thực hiện trong và ngoài nước, hỏi đáp thắc mắc trên các diễn đàn

3 Đề tài bao gồm 6 chương:

Giới thiệu tổng quan về đề tài “Thiết kế, thi công mô hình phân loại sản phẩm theo mã QR và đóng thùng”

• Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Giới thiệu về hệ thống đóng thùng, công nghệ quét mã QR, chuẩn giao tiếp truyền thông RS422…

• Chương 3: Tính toán và thiết kế

Thiết kế phần cơ khí, thiết kế phần điện, lựa chọn thiết bị…

• Chương 4: Thi công hệ thống

Thi công phần cơ khí, thi công phần điện, lập trình phần mềm điều khiển, giao diện quan sát, hoàn thiện hệ thống

• Chương 5: Kết quả thực hiện

Kết quả thu được, đưa ra nhận xét, đánh giá

• Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Rút ra kết luận, đưa ra định hướng phát triển cho đề tài.

Giới hạn đề tài

- Hệ thống hoạt động với đối tượng sản phẩm, hộp được nhóm thực hiện chuẩn bị trước

- Hệ thống cần có máy tính để thực hiện giao tiếp với PLC

- Nhóm thực hiện chỉ xây dựng mô hình nhỏ gọn, không làm thành mô hình sản xuất

- Hệ thống không nhận diện được sản phẩm không có mã QR

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu về công nghệ quét mã QR

2.1.1 Tổng quan về công nghệ quét mã QR

Mã QR là một loại mã vạch ma trận (hay mã vạch hai chiều) được phát triển bởi công ty Denso Wave (Nhật Bản) vào năm 1994 Tên gọi "QR" xuất phát từ "Quick Response" trong tiếng Anh, có nghĩa là đáp ứng nhanh hay xử lí nhanh, bởi người tạo ra nó muốn mã được giải mã với tốc độ cao

Hình 2.1: Cấu tạo mã QR

Hình 2.1 thể hiện các thành phần cấu tạo của mã QR, trong đó:

- Finder pattern: Ba hình vuông lớn ở ba góc giúp xác định vị trí và hướng của mã

- Alignment Pattern: Các hình vuông nhỏ hơn giúp đảm bảo mã QR được quét chính xác dù có biến dạng

- Timing Pattern: Các đường kẻ xen kẽ giúp định vị các ô trong mã

- Format Information: Chứa thông tin về mức độ sửa lỗi và mẫu mặt nạ sử dụng Ứng dụng của Mã QR

- Marketing và Quảng cáo: Mã QR giúp dễ dàng chuyển đổi từ nội dung vật lý sang kỹ thuật số, ví dụ như quảng cáo trên tờ rơi, biển quảng cáo, bao bì sản phẩm

- Thanh toán di động: Mã QR được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thanh toán di động như WeChat Pay, Alipay, MoMo tại Việt Nam

- Theo dõi sản phẩm và Quản lý kho: Giúp theo dõi và quản lý hàng hóa trong các kho hàng và chuỗi cung ứng

- Chia sẻ thông tin nhanh chóng: Mã QR cho phép chia sẻ thông tin liên lạc, liên kết trang web, văn bản, hoặc địa chỉ email một cách nhanh chóng và thuận tiện

2.1.2 Thiết bị quét mã QR

- Điện Thoại Thông Minh/máy tính bảng: là thiết bị phổ biến nhất để quét mã QR Hầu hết các điện thoại/máy tính bảng hiện đại đều có sẵn ứng dụng quét mã QR hoặc có thể tải từ cửa hàng ứng dụng Camera của điện thoại sẽ quét mã và ứng dụng sẽ giải mã để hiển thị thông tin hoặc điều hướng đến một trang web

- Máy Quét Mã Vạch Chuyên Dụng: thường được sử dụng trong cửa hàng bán lẻ, nhà kho, và môi trường công nghiệp, với các loại như:

• Máy quét cầm tay: Nhỏ gọn, dễ sử dụng

• Máy quét để bàn: Cố định, thường dùng tại quầy thu ngân

• Máy quét tích hợp: Tích hợp vào hệ thống POS và thiết bị kiểm kho

- Máy Tính Cá Nhân và Laptop: quét mã QR bằng webcam kết hợp với phần mềm quét mã QR như QR Code Desktop Reader & Generator hoặc Barcode Scanner v.v

2.1.3 Xử lý ảnh và giải mã mã QR

Xử lý ảnh là một lĩnh vực quan trọng trong khoa học máy tính và kỹ thuật, liên quan đến việc phân tích và thao tác các hình ảnh kỹ thuật số nhằm trích xuất thông tin cần thiết tùy vào yêu cầu của dự án hoặc người sử dụng Các ứng dụng của xử lý ảnh rất đa dạng, từ nhận diện khuôn mặt, xử lý y tế, đến thị giác máy tính trong tự động hóa

Quá trình xử lý ảnh bao gồm các bước sau:

Hình 2.2: Các bước cơ bản của xử lí ảnh [1]

Hình 2.2 thể hiện các bước của quá trình xử lý ảnh, bao gồm:

- Thu nhận ảnh: Quá trình lấy hình ảnh trực tiếp từ thiết bị như camera hoặc từ các video hiện có

- Tiền xử lý: Ảnh sau khi thu được cần đưa vào bộ tiền xử lý để nâng cao chất lượng Chức năng chính của bộ tiền xử lý là loại bỏ nhiễu và tăng cường độ tương phản để làm cho hình ảnh trở nên rõ ràng và sắc nét hơn Các kỹ thuật được sử dụng để cải thiện chất lượng hình ảnh bao gồm lọc nhiễu, điều chỉnh độ sáng, và cân bằng màu sắc

- Phân đoạn ảnh: Tách hình ảnh thành các vùng hoặc đối tượng có ý nghĩa để phân tích sâu hơn Tùy vào yêu cầu sử dụng phân đoạn ảnh sẽ tập trung vào vị trí đối tượng chính cần phân tích giúp tối ưu việc xử lý ảnh để cho ra kết quả chính xác nhất Đây là phần phức tạp và khó khăn nhất trong xử lý ảnh, dễ gây lỗi và làm giảm độ chính xác của hình ảnh

- Biểu diễn và mô tả: Hiển thị và mô tả các đối tượng đã được nhận dạng để sử dụng trong các ứng dụng cao cấp hơn như phân tích hình ảnh hoặc thị giác máy tính

- Nhận dạng và nội suy: Nhận diện hình ảnh là quy trình xác định một hình ảnh cụ thể Quy trình này thường được thực hiện bằng cách so sánh với các mẫu chuẩn đã được học hoặc lưu trữ trước đó Nhận diện các đối tượng hoặc mẫu trong hình ảnh dựa trên các đặc trưng đã trích xuất

- Cơ sở tri thức: Ảnh là một đối tượng khá phức tạp với nhiều yếu tố như đường nét, độ sáng tối, dung lượng điểm ảnh và môi trường thu ảnh đa dạng, dẫn đến

7 việc ảnh hưởng bởi nhiễu Trong nhiều giai đoạn của quá trình xử lý và phân tích ảnh, ngoài việc đơn giản hóa các phương pháp toán học để tiện lợi cho việc xử lý, người ta còn mong muốn mô phỏng quá trình tiếp nhận và xử lý hình ảnh tương tự như cách con người thực hiện Trong các bước xử lý này, nhiều giai đoạn hiện nay đã áp dụng các phương pháp trí tuệ nhân tạo Do đó, cơ sở tri thức đóng vai trò quan trọng trong việc này [1]

2.1.3.2 Các kỹ thuật chính trong xử lý ảnh

Chuyển đổi không gian màu (Color Space Conversion)

Chuyển đổi giữa các không gian màu khác nhau như RGB, HSV, YcbCr… để phù hợp với các ứng dụng cụ thể Các không gian màu khác nhau có thể nhấn mạnh các đặc tính khác nhau của hình ảnh

Lọc ảnh là quá trình loại bỏ hoặc giảm thiểu nhiễu trong hình ảnh Có nhiều loại lọc khác nhau:

• Lọc tuyến tính (Linear Filtering): Sử dụng các mặt nạ tuyến tính như lọc trung bình (mean filter), lọc Gaussian

• Lọc phi tuyến (Non-Linear Filtering): Sử dụng các mặt nạ phi tuyến như lọc trung vị (median filter)

Phát hiện cạnh là quá trình xác định các điểm trong hình ảnh nơi cường độ thay đổi đột ngột Các kỹ thuật phổ biến bao gồm:

Biến đổi Fourier được sử dụng để phân tích các tần số trong hình ảnh Biến đổi này giúp trong việc lọc và nén ảnh

Phân đoạn ảnh (Image Segmentation)

Phân đoạn ảnh chia hình ảnh thành các vùng hoặc đối tượng có ý nghĩa Các kỹ thuật phân đoạn bao gồm:

• Phân đoạn dựa trên ngưỡng (Thresholding)

• Phân đoạn theo vùng (Region-Based Segmentation)

• Phân đoạn bằng phương pháp phân cụm (Clustering-Based Segmentation)

Trích xuất các đặc trưng quan trọng để nhận dạng và phân loại, bao gồm:

• Các đặc trưng hình dạng (Shape Features)

• Các đặc trưng kết cấu (Texture Features)

• Các đặc trưng màu sắc (Color Features)

2.1.3.3 Giải mã mã QR Để có thể giải mã QR các thiết bị đọc sẽ tiến hành các bước sau:

- Xử lý ảnh đầu vào: Ảnh chứa mã QR được chụp và đưa vào xử lý Ảnh có thể được lọc để giảm nhiễu và cải thiện độ tương phản

- Phát hiện mã QR: Sử dụng các thuật toán như phát hiện cạnh và tìm kiếm hình vuông để xác định vị trí của mã QR trong hình ảnh

- Phân tích cấu trúc mã QR: Mã QR có cấu trúc đặc biệt với các mẫu phát hiện góc và mẫu đồng bộ Phân tích cấu trúc này giúp xác định chính xác vị trí và góc nghiêng của mã

- Biến đổi hình học: Sử dụng phép biến đổi hình để chuẩn hóa mã QR về dạng vuông và đúng kích thước

- Giải mã dữ liệu: Dữ liệu trong mã QR được mã hóa dưới dạng các ô đen và trắng Các ô này được đọc theo một trình tự được qui định sẵn để giải mã thông tin chứa trong đó Các thông tin này có thể bao gồm văn bản, URL, hoặc các loại dữ liệu khác

Hệ thống dán thùng carton

2.2.1 Giới thiệu về máy dán thùng carton

Máy dán thùng carton được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như thực phẩm, hàng hóa, giúp đóng gói các sản phẩm vào thùng carton để dễ dàng vận chuyển

Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại máy dán thùng carton với các mức độ tự động hóa khác nhau, được sản xuất bởi nhiều hãng nổi tiếng trên thế giới như: Wellpack–Taiwan, Siat Group – Italy, Mikyo-Japan, Chali-Taiwan.…

2.2.2 Một số loại máy dán thùng carton có mặt trên thị trường hiện nay

Hình 2.3: Máy dán thùng FXJ-6050

• Tốc độ băng tải: 20m/phút

• Kích thước thùng lớn nhất: RxC = 50x60cm

• Kích thước thùng nhỏ nhất: RxC = 15x12cm

• Chiều dài thùng carton: không giới hạn

• Chiều rộng băng dính: 36, 48, 50, 60mm

• Kích thước máy DxRxC: 1630x800x1330mm

• Kích thước thùng lớn nhất: 500 x 500 x - (mm)

• Kích thước thùng nhỏ nhất: 150 x 140 x 110 (mm)

• Bề rộng băng keo: 50mm – 75mm

• Tốc độ băng tải: 20m/phút

• Điều chỉnh độ cao của thùng bằng tay quay

Máy dán thùng MK-AS523S

Hình 2.5: Máy dán thùng MK-AS523S

• Tốc độ băng tải: 20m/phút

• Chiều rộng băng dán: 36,48,50,60 mm

• Công suất động cơ: 0,18KVA

Hình 2.6: Máy dán thùng S26 Range

• Kích thước carton lớn nhất: 650x700x…mm

• Kích thước carton nhỏ nhất: 170x130x200 mm

• Tốc độ băng tải: 20 m/phút

• Xuất xứ: Siat group – Italy

2.2.3 Cơ cấu gắp sản phẩm – cánh tay xylanh khí nén

Cánh tay gắp sản phẩm là cơ cấu tự động hóa được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp để thực hiện các nhiệm vụ như lắp ráp, di chuyển, và xử lý vật liệu

Cánh tay xylanh bao gồm các bộ phận chính sau:

• Xylanh: Bộ phận chính thực hiện chuyển động tịnh tiến hoặc quay Có hai loại chính là xylanh khí nén và xylanh thủy lực

• Van điều khiển: Điều khiển dòng khí hoặc chất lỏng vào và ra khỏi xylanh để tạo ra chuyển động

• Khung và giá đỡ: Cấu trúc hỗ trợ và cố định các xylanh

• Cơ cấu gắp: Bộ phận thực hiện nhiệm vụ cụ thể như gắp, kẹp hoặc xoay sản phẩm

• Cảm biến: Truyền dữ liệu vị trí về bộ điều khiển để đưa tín hiệu điều khiển phù hợp

Cơ cấu dán thùng bao gồm các phần chính sau:

• Khung định hình: khung có tác dụng cố định các chi tiết của hệ thống

• Băng tải: Băng tải giúp vận chuyển thùng carton đi qua các giai đoạn của quá trình dán thùng

• Cơ cấu đóng nắp thùng: tùy loại cách dán thùng mà cơ cấu này sẽ được thiết kế khác nhau nhưng vẫn chung mục đích là gấp các nắp thùng vào trong ngay ngắn để chuẩn bị cho quá trình dán băng keo

• Cơ cấu dán băng keo: cơ cấu này cung cấp băng keo cho quá trình dán đồng thời ép chặt keo vào bề mặt thùng carton làm nó trở nên chắc chắn hơn

• Cảm biến: xác định vị trí hiện tại của thùng để đảm bảo quá trình dán chính xác.

Hệ thống điều khiển PLC

PLC là một thiết bị máy tính công nghiệp với độ tin cậy cao, được thiết kế để vận hành liên tục và ổn định trong những môi trường công nghiệp khắc nghiệt PLC có thể giám sát trạng thái của ngõ vào và đưa ra các quyết định điều khiển đầu ra dựa trên chương trình đã được lập trình sẵn PLC cũng được trang bị các module để giao tiếp với

16 thiết bị ngoại vi thông qua các chuẩn như RS-232, RS-485, Ethernet/IP, Modbus, Profibus, Profinet… để tạo nên các hệ thống lớn và phức tạp hơn

PLC bao gồm các thành phần chính sau:

• Bộ vi xử lý: Là thành phần chính của PLC, chịu trách nhiệm thực hiện các chương trình điều khiển

• Bộ nhớ: Lưu trữ chương trình điều khiển và dữ liệu tạm thời Bộ nhớ có thể bao gồm RAM (Random Access Memory) để lưu trữ tạm thời và ROM (Read-Only Memory) để lưu trữ dữ liệu cố định

• Các cổng vào/ra (I/O Ports): Cho phép PLC kết nối với các thiết bị ngoại vi như cảm biến, công tắc, và các cơ cấu chấp hành (actuators) I/O có thể là số (digital) hoặc tương tự (analog)

• Nguồn điện: Cung cấp nguồn điện cho PLC hoạt động

• Các module mở rộng: Cho phép mở rộng số lượng I/O và các chức năng khác của PLC

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của PLC

PLC hoạt động theo chu kỳ lặp bao gồm các bước sau:

1 Đọc đầu vào: PLC nhận và đọc trạng thái từ tất cả các thiết bị đầu vào như cảm biến và công tắc, sau đó lưu trữ thông tin này trong bộ nhớ

2 Thực hiện chương trình: PLC thực hiện chương trình điều khiển đã được lập trình sẵn, xử lý các tín hiệu đầu vào và quyết định trạng thái của các đầu ra

3 Cập nhật đầu ra: PLC điều chỉnh trạng thái của các thiết bị đầu ra như relay, motor và van dựa trên kết quả thực thi từ chương trình điều khiển

4 Tự kiểm trước: PLC thực hiện các kiểm tra nội bộ để đảm bảo hoạt động bình thường và phát hiện lỗi

2.3.3 Ngôn ngữ lập trình PLC

Có nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau được sử dụng để lập trình PLC, bao gồm:

• Ladder Logic (LD): Ngôn ngữ phổ biến nhất, dễ hiểu và dễ học, tương tự như sơ đồ relay

• Functional Block Diagram (FBD): Sử dụng các khối chức năng để biểu diễn các hàm điều khiển

• Instruction List (IL): Ngôn ngữ cấp thấp, giống như ngôn ngữ assembly

• Structured Text (ST): Ngôn ngữ lập trình cao cấp, tương tự như Pascal hoặc C

• Sequential Function Chart (SFC): Sử dụng các bước và chuyển đổi để biểu diễn quy trình điều khiển tuần tự

PLC được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm:

• Tự động hóa sản xuất: Điều khiển các dây chuyền sản xuất tự động, robot, máy móc công nghiệp

• Hệ thống xử lý nước: Kiểm soát các quá trình lọc nước, xử lý nước thải

• Ngành thực phẩm và đồ uống: Điều khiển các quy trình sản xuất và đóng gói

• Hệ thống HVAC: Quản lý và điều khiển hệ thống sưởi, thông gió, và điều hòa không khí

• Năng lượng và điện lực: Điều khiển các nhà máy điện, trạm biến áp, hệ thống phân phối điện

2.3.5 Giao thức truyền thông giữa PC với PLC

Giao thức truyền thông giữa PC và PLC đóng vai trò quan trọng trong hệ thống tự động hóa công nghiệp, cho phép truyền tải dữ liệu và lệnh điều khiển giữa máy tính và PLC Việc này giúp giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu từ các thiết bị công nghiệp một cách hiệu quả

2.3.5.2 Các loại giao thức truyền thông phổ biến

Có nhiều giao thức truyền thông khác nhau được sử dụng để kết nối PC với PLC, bao gồm các giao thức tiêu chuẩn và các giao thức độc quyền của nhà sản xuất PLC Dưới đây là các giao thức phổ biến hiện nay:

Chi tiết về một số giao thức phổ biến

Modbus là một giao thức truyền thông mở và tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp, được phát triển bởi Modicon (hiện là một phần của Schneider Electric) Modbus có các phiên bản phổ biến như:

• Modbus RTU (Remote Terminal Unit): Sử dụng giao diện nối tiếp RS-232 hoặc RS-485 Dữ liệu được truyền theo định dạng nhị phân, giúp đảm bảo tốc độ và độ tin cậy cao

• Modbus ASCII: Dữ liệu được truyền theo định dạng ASCII, dễ dàng đọc hiểu nhưng chậm hơn so với RTU

• Modbus TCP/IP: Sử dụng giao thức TCP/IP trên nền Ethernet, cho phép kết nối mạng LAN hoặc WAN

Cấu trúc gói tin Modbus:

• Địa chỉ: Xác định thiết bị đích

• Mã chức năng: Xác định loại hành động cần thực hiện (đọc, ghi, )

• Dữ liệu: Chứa thông tin cần thiết cho hành động

• CRC (Cyclic Redundancy Check): Đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu

Ethernet/IP là một giao thức mạng công nghiệp sử dụng giao thức Ethernet để trao đổi thông tin giữa các thiết bị Ethernet/IP dựa trên bộ giao thức TCP/IP và sử dụng giao thức CIP (Common Industrial Protocol) để truyền dữ liệu Ưu điểm:

• Tốc độ cao: Nhờ sử dụng Ethernet, Ethernet/IP cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao và độ trễ thấp

• Khả năng mở rộng: Dễ dàng mở rộng mạng với các thiết bị mới

• Tính tương thích: Hỗ trợ nhiều thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau

Profibus và Profinet là các giao thức truyền thông được phát triển bởi Siemens và Profibus International

• Profibus: Sử dụng giao diện nối tiếp và chủ yếu được sử dụng trong các hệ thống điều khiển quá trình và tự động hóa

• Profinet: Sử dụng giao thức Ethernet và cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao, phù hợp cho các ứng dụng thời gian thực

2.5.3.3 Các thành phần trong hệ thống truyền thông PC - PLC

PC đóng vai trò như một giao diện người-máy (HMI - Human-Machine Interface), nơi người dùng có thể giám sát và điều khiển hệ thống tự động hóa PC có thể sử dụng các phần mềm SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) hoặc phần mềm lập trình PLC để thiết lập và quản lý các kết nối truyền thông

PLC là thiết bị điều khiển logic có thể lập trình, thực hiện các chương trình điều khiển và quản lý các tín hiệu đầu vào/ra từ các thiết bị công nghiệp PLC thường được kết nối với các cảm biến, công tắc, và các cơ cấu chấp hành để thực hiện các chức năng điều khiển tự động

2.5.3.4 Quá trình thiết lập kết nối truyền thông

Dựa trên yêu cầu cụ thể của hệ thống và thiết bị sử dụng, lựa chọn giao thức truyền thông phù hợp (Modbus, Ethernet/IP, v.v.)

Cấu hình PC và PLC

• PC: Cài đặt và cấu hình phần mềm giao diện

• PLC: Cài đặt và cấu hình các thông số truyền thông (địa chỉ, tốc độ truyền, )

2.5.3.5 Ưu điểm và hạn chế của các giao thức truyền thông Ưu điểm:

• Tính linh hoạt: Cho phép kết nối và trao đổi dữ liệu giữa nhiều thiết bị khác nhau

• Tốc độ và độ tin cậy cao: Đảm bảo truyền dữ liệu nhanh chóng và chính xác

• Khả năng mở rộng: Dễ dàng mở rộng hệ thống khi cần thiết

• Phức tạp trong cấu hình: Yêu cầu kiến thức chuyên môn để cấu hình và bảo trì

• Chi phí: Một số giao thức yêu cầu phần cứng và phần mềm đắt đỏ.

Đặc tính của thùng carton

Thùng carton là một sản phẩm không thể thiếu trong các ngành công nghiệp và đời sống hàng ngày nhờ tính tiện dụng và đa năng của nó Được làm từ giấy carton có cấu trúc chắc chắn và thiết kế linh hoạt, thùng carton không chỉ giúp bảo vệ hàng hóa khỏi va đập, hư hỏng mà còn dễ dàng tái chế, thân thiện với môi trường

Chất lượng và cấu trúc của mỗi tấm giấy carton được thiết kế đặc biệt để phù hợp với từng mục đích sử dụng Lớp giấy bề mặt của thùng carton có thể được làm từ giấy trắng, nâu hoặc vàng, tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng cụ thể

Có bốn loại sóng chính được sử dụng để tạo ra các rãnh và nếp uốn trên giấy carton Các loại sóng này bao gồm: sóng A, sóng B, sóng C và sóng E được mô tả như hình 2.7

Hình 2.7: Các loại sóng giấy

• Sóng A: Với độ cao sóng 4,7 mm, cho phép sóng A có khả năng phân tán lực tốt trên toàn bộ bề mặt giấy

• Sóng B: Với độ cao sóng 2,5 mm, loại sóng này giúp giấy carton chịu được lực xuyên thủng cao

• Sóng C: Với độ cao từ 3,5 đến 4,5 mm, sóng C mang lại khả năng phân tán lực tốt trên bề mặt, tuy nhiên, vẫn kém hơn so với sóng A

• Sóng E: Độ cao sóng 1,5 mm, mỏng, nhẹ, tiết kiệm chi phí dùng để chứa vật nhẹ Ngoài ra tùy vào nhu cầu sử dụng còn có thể kếp hợp các loại sóng với nhau

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Yêu cầu của hệ thống

- Hệ thống phải đọc được mã QR của từng sản phẩm để phân loại chính xác

- Cơ cấu gắp phải gắp được sản phẩm, phải bỏ được sản phẩm vào hộp Sản phẩm được bỏ vào hộp phải được xếp thành từng tầng ngay ngắn

- Băng keo phải dán ngay ngắn không được có quá nhiều nếp nhăn hay bọt khí bên trong

- Đảm bảo an toàn cho thiết bị và người vận hành

- Có thể dừng khẩn cấp khi hệ thống gặp sự cố

- Màng hình hiển thị thông tin rõ ràng dễ hiểu dễ quan sát.

Phân tích và lựa chọn phương án

Kích thước của thùng carton

Hình 3.1: Các kích thước của thùng carton cần đóng gói

Bảng 3 1: Thông số thùng carton cần đóng gói

Hình 3.1 và bảng 3.1 cho biết kích thước và khối lượng thùng carton cần đóng gói, bao gồm ba kích thước chiều dài a, chiều rộng b, chiều cao c và khối lượng của thùng

3.2.1.1 Phân tích phương án thiết kế

➢ Phương án 1: được mô tả qua hình 3.2

Hình 3.2: Phương án đóng thùng 1

Hình 3.2 mô tả cơ cấu của phương án một, trong đó:

7 – Con lăn ép băng keo

9 – Con lăn cố định băng keo

11, 12 – Con lăn căng băng keo

13 – Con lăn dán và ép keo

Nguyên lí hoạt động: Động cơ xoay kéo băng tải chạy, sản phẩm di chuyển bắt đầu qui trình đóng gói Khi thùng carton đi đến thanh chắn (4) nắp hộp thứ nhất bắt đầu gặp lại đồng thời xylanh xoay (3) được kích hoạt để đóng nắp phía đối điện nắp thứ nhất

Hai thanh thép (2) được bố trí thấp dần và hẹp dần làm cho 2 nắp còn lại có hộp trượt theo và dần đóng lại khi hộp tiến đến gần và được đóng kín hoàn toàn khi tiến đến quá trình tiếp theo

Khi tiếp tục di chuyển hộp sẽ chạm băng keo và đẩy con lăn (13) theo hướng mũi tên giúp băng keo dính vào thành hộp đồng thời kéo căng băng keo, con lăn (13) khi đã bị đẩy cao hơn chiều cao của thùng carton sẽ lăn trên thùng carton ép băng keo dính vào thùng carton cứ như vậy đến cuối thùng carton

Sau đó xylanh (6) được kích hoạt đẩy con lăn (7) lên, thùng carton tiếp tục được vận chuyển đi, xylanh (8) được tính toán thời gian khi thùng carton đến vị trí thích hợp sẽ tác động để cắt băng keo và cuối cùng thùng carton đi qua con lăn (7) với lực kéo của lo xo thành phía sau thùng carton được ép chặt Ưu điểm

- Dễ vận hành có thể vặn ốc để thay đổi cơ cấu để dán hộp có kích thước khác nhau

- Băng keo phía 2 bên thành của thùng carton được ép chặt

- Do sử dụng lò xo để ép nên thời gian lâu lò xo bị giãn sẽ ảnh hưởng đến việc dán thùng không còn như lúc đầu

- Xylanh xoay nếu tác động mạnh có thể kiến thùng bị rách không còn đẹp như ban đầu

➢ Phương án 2: được mô tả qua hình 3.3

Hình 3.3: Phương án đóng thùng 2

Nguyên lí hoạt động của phương án này tương tự như phương án 1 nhưng thay vì thùng carton đặt trên băng tải ở phương án này thùng carton được đặt trên các thanh trượt con lăn và dùng 2 băng tải 2 bên để di chuyển Ưu điểm

- Thùng được dán chặt do có 2 băng tải 2 bên ép chặt vào thành thùng

- Có thể đóng các thùng cao thấp và to nhỏ khác nhau nhờ việc di chuyển băng tải và nâng hạ thanh trượt con lăn

- Băng keo phía 2 bên thành của thùng carton được ép chặt

- Cơ cấu dùng 2 băng tải và thanh trượt dẫn đến việc tốn kém hơn

- Vì dùng lò xo để ép nên qua thời gian lò xo sẽ giãn ảnh hưởng đến việc dán thùng

- Xylanh xoay nếu tác động mạnh có thể kiến thùng bị rách không còn đẹp như ban đầu

➢ Phương án 3: được mô tả qua hình 3.4

Hình 3 4: Phương án đóng thùng 3

Nguyên lí hoạt động Ở phương án này thay vì sử dụng cơ cấu dán như phương án 1 và 2 ta sử dụng băng tải để dán và ép băng keo vào thùng carton Ưu điểm

- Hệ thống đơn giản dễ vận hành

- Có thể thay đổi khoảng cách băng tải để dán các thùng cao thấp khác nhau

- Hai thành của thùng không được ép chặt

- Nếu động cơ di chuyển không đồng bộ có thể dẫn đến vết nhăn băng keo trên nắp thùng

- Có hiện tượng trượt giữa băng tải và hai mặt bên của thùng, làm thùng bị trầy xước, giảm tuổi thọ băng tải

➢ Phương án 4: được mô tả qua như hình 3.5

Hình 3.5: Phương án đóng thùng 4

Phương án này kết hợp giữa việc dán thùng ở phương án 3 và di chuyển thùng ở phương án 2 từ đó có được ưu điểm của cả 2 phương pháp, nhưng điều này làm cho hệ thống trở nên phức tạp hơn Ưu điểm

- Dễ vận hành có thể vặn ốc để thay đổi khoảng cách băng tải để dán hộp có kích thước khác nhau

- Băng keo phía 2 bên thành của thùng carton được ép chặt nhờ 2 băng tải 2 bên

- Nếu động cơ di chuyển không đồng bộ có thể dẫn đến vết nhăn băng keo trên nắp thùng

- Băng tải và bề mặt của thùng có thể bị trượt làm thùng bị trầy xước, giảm tuổi thọ băng tải

Dựa trên các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống, nguyên lý hoạt động, cũng như các ưu và nhược điểm của từng phương án, nhóm thực hiện quyết định chọn phương án 1 để thiết kế mô hình Phương án này có kết cấu đơn giản và cho phép quan sát nguyên lý hoạt động cơ bản của máy dán thùng carton một cách rõ ràng

3.2.2 Phương án thiết kế cơ cấu gắp sản phẩm

Vận chuyển các sản phẩm có mã QR hợp lệ từ khâu phân loại sản phẩm sang khâu đóng gói để tiến hành đóng gói sản phẩm

Kích thước và khối lượng sản phẩm

Hình 3.6: Các kích thước của sản phẩm Bảng 3.2: Thông số sản phẩm của hệ thống

Hình 3.6 và bảng 3.2 cho biết kích thước và khối lượng của sản phẩm mà cơ cấu phải gắp, bao gồm ba kích thước chiều dài a, chiều rộng b, chiều cao c và khối lượng của sản phẩm

3.2.2.1 Phân tích phương án thiết kế

➢ Phương án 1: Sử dụng cụm cánh tay khí nén

Hình 3.7: Phương án cơ cấu gắp sản phẩm 1

Hình 3.7 mô tả cơ cấu tay khí nén của phương án 1

Cơ cấu bao gồm bốn xylanh

- Ở chu trình đầu tiên, khi sản phẩm có mã QR hợp lệ được phân loại xong, xylanh

(2) duỗi ra, xylanh kẹp (4) tác động để gắp sản phẩm Sau đó, xylanh (2) thu về, xylanh (3) duỗi ra, xylanh kẹp (4) thả sản phẩm vào hộp Kết thúc chu trình, xylanh (2), (3) thu về, xylanh kẹp (4) ngừng tác động

- Ở chu trình thứ hai, khi sản phẩm có mã QR hợp lệ được phân loại xong, xylanh

(2) duỗi ra, xylanh kẹp (4) tác động để gắp sản phẩm Sau đó, xylanh (2) thu về, xylanh (1) duỗi ra, xylanh (3) duỗi ra, xylanh kẹp (4) thả sản phẩm vào hộp Kết thúc chu trình, xylanh (1), (2), (3) thu về, xylanh kẹp (4) ngừng tác động

Hai chu trình lập lại xen kẽ nhau đến khi số lượng sản phẩm đủ Ưu điểm:

Kết cấu đơn giản, dễ vận hành, chi phí thấp, độ hiệu quả ở mức khá

Giới hạn số sản phẩm ở mỗi tầng (một tầng chỉ có thể đặt hai sản phẩm)

➢ Phương án 2: Sử dụng cụm cánh tay khí nén kết hợp trục vitme

Hình 3.8: Phương án cơ cấu gắp sản phẩm 2

Hình 3.8 mô tả cơ cấu của phương án 2, gồm 3 xylanh tương tự phương án 1 và có thêm một trục vitme được điều khiển bởi động cơ step

Cơ cấu bao gồm ba xylanh với chức năng tương tự phương án 1 Tuy nhiên xylanh

(1) dùng thể sắp xếp vị trí sản phẩm của từng tần đã được thay thế Ba xylanh được bắt vào nhôm định hình và thông qua gối đỡ (7) được cố định với trục vitme (6) Động cơ step (8) dùng để xoay trục vitme, qua đó di chuyển vị trí của cụm ba xylanh

- Ở chu trình đầu tiên, khi sản phẩm có mã QR hợp lệ được phân loại xong, xylanh

(2) duỗi ra, xylanh kẹp (4) tác động để gắp sản phẩm Sau đó, xylanh (2) thu về, xylanh (3) duỗi ra, xylanh kẹp (4) thả sản phẩm vào hộp Kết thúc chu trình, xylanh (2), (3) thu về, xylanh kẹp (4) ngừng tác động

- Ở chu trình thứ hai, khi sản phẩm có mã QR hợp lệ được phân loại xong, xylanh

(2) duỗi ra, xylanh kẹp (4) tác động để gắp sản phẩm Sau đó, xylanh (2) thu về,

32 động cơ step (8) xoay một số bước nhất định, xylanh (3) duỗi ra, xylanh kẹp (4) thả sản phẩm vào hộp Kết thúc chu trình, xylanh (2), (3) thu về, xylanh kẹp (4) ngừng tác động

Thiết kế phần cứng

3.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm các khối được thể hiện như hình 3.9

Hình 3.9: Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 3.9 mô tả sơ đồ khối của hệ thống, bao gồm:

- Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống

- Khối cảm biến: phát hiện vật thể và truyền tín hiệu cho PLC

- PLC: bộ xử lý trung tâm của hệ thống

- Camera: thu thập hình ảnh và gửi thông tin cho PC

- PC: xử lý hình ảnh nhận từ camera, gửi thông tin cho PLC và hiển thị giao diện ra màn hình

- Cơ cấu chấp hành: nhận tín hiệu điều khiển từ PLC và thực hiện các tác vụ

3.3.2 Thiết kế trên phần mềm Solidworks

Khâu phân loại được thiết kế như hình 3.10

Hình 3.10: Thiết kế khâu phân loại

Hình 3.10 biểu diễn các chi tiết của khâu phân loại bao gồm:

- 1: Băng tải – Di chuyển sản phẩm

- 2: Động cơ – Điều khiển băng tải

- 3: Cơ cấu cố định camera – Giữ cố định camera để quét mã QR

- 4: Cảm biến tiệm cận – Phát hiện sản phẩm ở vị trí phân loại

- 5: Xylanh khí nén – Phân loại sản phẩm có mã QR không hợp lệ

Khâu đóng gói được thiết kế như hình 3.11

Hình 3.11: Thiết kế khâu đóng gói

Hình 3.11 mô tả khâu đóng gói, bao gồm:

- 1: Băng tải - Di chuyển thùng carton

- 2: Cơ cấu tay xylanh khí nén – Gắp sản phẩm vào thùng

- 3: Cảm biến tiệm cận – Phát hiện sản phẩm cần gắp

- 4: Cảm biến tiệm cận – Phát hiện thùng carton (gập nắp)

- 5: Xylanh tròn - Gập nắp thùng carton

- 6: Cơ cấu cố định băng keo - Cố định băng keo

- 7: Các con lăn – Thực hiện quá trình dán băng

- 8: Xylanh khí nén – Cắt băng

- 9: Xylanh khí nén – Đẩy con lăn dán thùng

- 10: Cảm biến tiệm cận – Phát hiện thùng carton (hạ con lăn dán thùng)

- 11: Cảm biến tiệm cận – Phát hiện thùng carton (cắt băng)

- 12: Động cơ – Điều khiển băng tải

Phần điện được thiết kế như hình 3.12

Hình 3.12: Thiết kế bảng điện

Hình 3.12 mô tả phần bảng điện, bao gồm:

- 1: Circuit Breaker (CB) – Đóng cắt nguồn điện cho hệ thống

- 2: PLC – Bộ xử lí trung tâm

- 3: Máng nhựa – Đường đi của dây dẫn

- 4: Cụm nút nhấn – Dùng để điều khiển hệ thống

- 5: Nguồn 24V – Cấp nguồn cho hệ thống

- 6: Relay trung gian - Dùng để đóng ngắt các thiết bị

- 7: Van khí nén - Điều khiển các xylanh trong hệ thống

Sơ đồ đi dây của phần điện được thể hiện qua các hình 3.13 và 3.14

Hình 3.13: Sơ đồ đi dây phần điện (1)

Hình 3.14: Sơ đồ đi dây phần điện (2)

Tổng thể phần thiết kế hệ thống được thể hiện qua hình 3.15

Hình 3.15: Tổng thể thiết kế hệ thống

Hình 3.15 thể hiện tổng thể phần thiết kế hệ thống, bao gồm khâu phân loại, khâu đóng gói và phần bảng điện

Vì là một hệ thống đơn giản không có những cơ chế phức tạp như điều khiển vị trí, góc xoay… nên nhóm chọn PLC FX1S-30MT của Mitsubishi với các ưu điểm sau:

- Giá thành rẻ: Một trong những yếu tố quan trọng khi lựa chọn PLC FX1S-30MT là giá thành phải chăng Với mức chi phí đầu tư ban đầu thấp, PLC FX1S-30MT mang lại hiệu quả kinh tế cao, phù hợp với các dự án có ngân sách hạn chế

- Dễ dàng lập trình và cấu hình: PLC FX1S-30MT được thiết kế với tính năng lập trình đơn giản, sử dụng phần mềm lập trình GX Words 2, giúp tiết kiệm thời gian và công sức trong quá trình phát triển và triển khai hệ thống

- Số lượng I/O phù hợp: Với 30 đầu vào/đầu ra số (I/O), FX1S-30MT đáp ứng đầy đủ nhu cầu sử dụng của hệ thống mà không cần đến module mở rộng

- Kích thước nhỏ gọn: PLC FX1S-30MT có kích thước nhỏ, thuận tiện cho việc lắp đặt trong các không gian hạn chế

- Độ tin cậy cao: Sản phẩm của Mitsubishi nổi tiếng với độ tin cậy và tính ổn định cao PLC FX1S-30MT cũng không ngoại lệ, đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục mà không gặp phải sự cố không mong muốn

- Hỗ trợ giao tiếp linh hoạt: FX1S-30MT hỗ trợ chuẩn giao tiếp RS-422, cho phép kết nối dễ dàng với các thiết bị ngoại vi khác

Hình 3.16: PLC FX1S-30MT của hãng Mitsubishi

Thông số kỹ thuật được thể hiện qua bảng 3.3

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật PLC FX1S-30MT Mitsubishi Điện áp nguồn cung cấp 220V

Bộ nhớ chương trình 2000 bước

Kết nối truyền thông RS422

Phương thức đấu nối Source

Do mô hình chỉ sử dụng các thiết bị có công suất nhỏ chỉ vài mili apme đến vài ampe Theo tiêu chuẩn IEC 60439-1 dòng điện từ 0-8A cần dùng dân dẩn có tiết diện 1mm 2

Cảm biến hồng ngoại : E3F-DS30C4

Dòng cảm biến quang E3F được thiết kế để hoạt động ổn định và đáng tin cậy trong môi trường công nghiệp Nó có khả năng chống nhiễu tốt từ ánh sáng bên ngoài và các yếu tố môi trường khác có khả năng chống bụi và nước tốt, làm cho nó thích hợp với các môi trường làm việc khắc nghiệt, nơi các yếu tố môi trường có thể ảnh hưởng đến gây ảnh hưởng đến cảm biến

Dòng cảm biến quang E3F có phạm vi đo từ 10cm, 30cm, 80cm, 2m, 7m Khoảng cách giữa khung nhôm định hình và băng tải ở mô hình vào khoảng 8cm, khoảng từ hộp sản phẩm đến rìa băng tải khoảng 2cm, vì vậy khoảng cách cảm biến cần sử dụng cho hệ thống là 10cm tuy nhiên để tránh sai sót khi sản phẩm đặt lệch vị trí, khoảng cách từ cảm biến đến sản phẩm vượt ra khoảng cách tối đa nên ta chọn cảm biến 30cm thay vì 10cm như tính toán.

• Nguồn điện cung cấp: 6-36VDC

• Khoảng cách phát hiện: 0-30cm , có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở

• Dòng kích ngõ ra: < 300mA

• Ngõ ra dạng NPN, NO

• Chất liệu sản phẩm: nhựa

• Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ

• Màu Nâu (Brown): chân nguồn dương VCC ấp nguồn từ 6~36VDC

• Màu Đen (Black): chân tín hiệu SIGNAL đầu ra cấu trúc cực thu hở Transistor NPN - Open Collector

• Xanh Dương (Blue): chân nguồn âm GND 0VDC Động cơ kéo băng tải Để chọn được động cơ ta cần biết được yêu cầu tốc độ chuyển động của băng tải là bao nhiêu cùng với cần bao nhiêu lực để có thể kéo băng tải chuyển động

Về tốc độ của băng tải: ở hệ thống này không yêu cầu băng tải chạy quá nhanh để đảm bảo thùng không bị lệch, các cơ cấu có đủ thời gian đáp ứng cũng như dễ dàng quan sát vì vậy vận tốc của băng tải là 5cm/s(±10%) là phù hợp

Từ vận tốc băng tải ta tính được vận tốc trục động cơ theo công thức:

Trong đó: V là vận tốc băng tải có giá trị 5cm/s(±10%)

D là đường kính roller gắn với trục động cơ bàng 30mm

Thế vào công thức (1) ta tính được vận tốc trục động cơ là từ 28,648 đến 35,014 vòng/phút

Các thông số liên quan đến lực tác động để tính momen lực cho động cơ bao gồm:

• Khối lượng tối đa của thùng carton sau khi xếp đầy sản phẩm: 3kg

• Lực kéo của lò xo khi thùng carton qua con lăn dán keo: 0,5kg

• Ma sát giữa belt với mặt phẳng bên dưới: 0,3

Từ đó ta có tổng lực tác động là:

F = ma + mg(sinα + àcosα) (2) = 0,5ã9,8 + 3ã9,8ã (sin90 + 0,3ãcos90) = 11,2N

Từ đú momen xoắn cần thiết của động cơ là 186,7ã1,5 = 280mN/m

Từ các thông số trên ta chọn động cơ có tốc độ từ 29 đến 35 vòng/phút và momen ≥ 280mN/m

Hình 3.18: Datasheet động cơ của hãng Tsukasa

Dựa vào datasheet ta chọn được động cơ TG-05J-SM(24v) với tỉ số truyền là 1: 120 của hãng Tsukasa

Việc chọn xylanh phụ thuộc vào khoảng cách giữa sản phẩm ở băng tải phân loại và thùng carton đặt ở băng tải dán thùng

Theo thiết kế bao gồm các xylanh: 1 xylanh gắp sản phẩm, 1 xylanh có hành trình 125mm sắp xếp 2 vị trí của sản phẩm vào thùng carton, 2 xylanh có hành trình 100mm đưa sản phẩm từ băng tải phân loại vào thùng

Các xylanh sử dụng bao gồm:

Vì dòng điện của PLC không đủ đáp ứng cho động cơ kéo băng tải hoạt động vì vậy cần dùng đến relay để cung cấp đủ đòng điện cho động cơ đồng thời cách li mạch điều khiển với tải

Trong luận văn này nhóm sử dụng relay Omron MY2N-J

Các thông số kỹ thuật được thể hiện qua bản 3.4

Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật Relay Omron MY2N-J Điện áp kích 24V

Vì không yêu cầu giữ trạng thái nên lựa chọn van Xingchen của Trung Quốc với giá thành rẻ và đáp ứng tốt nhiệm vụ điều khí cho xylanh

Hình 3.22: Van điện từ 5/2 của hãng Xingchen

Thông số kỹ thuật được thể hiện qua bảng 3.5

Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật van Xingchen Điện áp hoạt động 24V

Số vị trí 2 Áp suất hoạt động 0.15~0.8MPa Nhiệt độ hoạt động -20~70°C Kích thước cổng Vào=Ra=3/8", Xả=1/4"

Nguồn 24v cung cấp cho hệ thống bao gồm 2 động cơ kéo băng tải, 5 cảm biến hồng ngoại 8 van điện từ

Mặc dù trong quy trình hoạt động tất cả thiết bị không hoạt động đồng thời nhưng để tránh trường hợp nhiễu tín hiệu cảm biến nhóm sử dụng nguồn có dòng tối đa lớn để không bị thiếu áp trong quá trình hoạt động

Thông số kỹ thuật thể hiện qua bảng 3.6

Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật nguồn 24V

Công suất 250W Đầu vào 110VAC – 220VAC Đầu ra 3 cặp

Nút Nhấn Dừng Khẩn Cấp LAY37-11ZS 660V 10A 1NO 1NC 22mm

Hình 3.24: Nút Nhấn Dừng Khẩn Cấp LAY37-11ZS 660V 10A 1NO 1NC 22mm

Thông số kỹ thuật thể hiện qua bảng 3.7

Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật nút nhấn LAY37-11ZS 660V 10A 1NO 1NC 22mm Đường kính ren 22mm

Cấu hình tiếp điểm 1NO 1NC

Màu nút nhấn Đỏ Điện áp max 660V

Nút Nhấn Stop LA38-11BN 22mm 10A

Hình 3.25: Nút Nhấn Stop LA38-11BN 22mm 10A

Thông số kỹ thuật thể hiện qua bảng 3.8

Bảng 3.8: Thông số kỹ thuật Nút Nhấn Stop LA38-11BN 22mm 10A Đường kính ren 22mm

Cấu hình tiếp điểm 1NO 1NC

Màu nút nhấn Đỏ Điện áp max 440V

Nút Nhấn Start LA38-11BN 22mm 10A

Hình 3.26:Nút Nhấn Start LA38-11BN 22mm 10A

Thông số kỹ thuật thể hiện qua bảng 3.9

Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật Nút Nhấn Start LA38-11BN 22mm 10A Đường kính ren 22mm

Cấu hình tiếp điểm 1NO 1NC

Màu nút nhấn Xanh Điện áp max 440V

Thiết kế phần mền

Chương trình có 2 trạng thái hoạt động là 1 và 2 tương ứng với 2 qui trình phân loại và đóng gói sản phẩm

Hình 3.27: Lưu đồ giải thuật chương trình chính

Hai TTHD tương ứng với hai giai đoạn phân loại và đóng gói, trong đó:

- Giai đoạn phân loại: Reset các ngõ ra ở giai đoạn đóng gói, cho băng tải phân loại hoạt động, sau đó tiến hành quét mã QR Sau khi quét mã QR, thực hiện chương trình con phân loại

- Giai đoạn đóng gói: Reset các ngõ ra ở giai đoạn phân loại, cho băng tải đóng gói hoạt động, sau đó thực hiện chương trình con đóng thùng

Trong quá trình hoạt động, điều kiện kiểm tra nút Stop sẽ được kiểm tra liên tục để đảm bảo hệ thống sẽ được ngừng khi nhấn nút Stop Tương tự, giá trị của biến TTHD cũng sẽ được kiểm tra liên tục để đảm bảo hệ thống có thể hoạt động liên tục, luân phiên giữa khâu phân loại và khâu đóng gói

Chương trình con phân loại có lưu đồ như sau:

Hình 3.28: Lưu đồ giải thuật chương trình con phân loại

Chương trình con đóng hộp được thiết kế nhằm mục đích có thể phân loại sản phẩm nhanh chóng, loại bỏ các sản phẩm có mã QR không lệ, gắp các sản phẩm có mã QR hợp lệ cho vào thùng đóng gói Chương trình con kết thúc khi số lượng sản phẩm trong hộp đã đủ (ở đây, nhóm thực hiện quy định số lượng sản phẩm là 4)

Chương trình con đóng thùng có lưu đồ như sau:

Hình 3.29: Lưu đồ giải thuật chương trình con đóng gói

Chương trình con đóng hộp có lưu đồ đơn giản Khi các cảm biến tác động thì các van tương ứng sẽ tác động để thực hiện quá trình đóng thùng Chương trình con kết thúc khi van cắt băng đã tác động được 4 giây (đảm bảo cho quá trình đóng thùng đã hoàn tất, thùng sau khi đóng xong có đủ thời gian đi đến cuối băng tải)

- Giao diện trực quan, dễ sử dụng

- Có đủ các chức năng cơ bản để chạy chương trình

3.4.2.2 Các chức năng cơ bản

- Hiển thị ảnh từ camera quét QR

- Chọn được mã QR cần đóng gói

- Hiển thị mã QR quét được

- Thông tin phân loại của mã QR

- Chọn thông số kết nối giữa PC và PLC

- Các thông báo khi có lỗi, sự cố

Thiết kế 3 form bao gồm form trang chủ, form giám sát và form giới thiệu Form giám sát sẽ là form chính quét mã QR, form trang chủ được hiển thị khi chạy chương trình chứa các thông tin: tên đồ án, giảng viên hướng dẫn, sinh viên thực hiện… cuối cùng là form hướng dẫn, ghi các bước để sử dụng chương trình

Tạo 1 form cha chứa các form trên để 3 form có thể hiển thị đồng bộ và đẹp hơn Form cha được chia làm 3 vùng như hình 3.30

Hình 3.30: Ý tưởng thiết kế giao diện

- Vùng 1 hiện thị các nút nhấn để chuyển đổi qua lại giữa các form

- Vùng 2 là vùng chứa các form con

- Vùng 3 hiển thị tên form con đang được kích hoạt và các phím chức năng như ẩn cửa sổ, phòng to/thu nhỏ và thoát

THI CÔNG HỆ THỐNG

Thi công phần cứng

Sử dụng khung nhôm định hình để gắn từ băng tải lên, kết hợp với thanh ngang và giá đỡ để tạo ra một cơ cấu cố định, giúp camera duy trì ổn định và cải thiện khả năng đọc mã QR Khoảng cách giữa camera và băng tải được lựa chọn sao cho camera có thể lấy nét chính xác, không bị mờ, đảm bảo rằng quá trình đọc mã QR diễn ra một cách hiệu quả và không bị ảnh hưởng

4.1.2 Băng tải phân loại sản phẩm

Băng tải được thiết kế với độ dài phù hợp để gắn camera, cơ cấu phân loại và một đoạn trống để cánh tay xylanh hoạt động mà không gây ảnh hưởng đến các cơ cấu khác Cảm biến và xylanh phân loại được đặt sau camera 1 đoạn, khoảng cách từ bóng của camera chiếu xuống băng tải và xylanh không được quá gần để đảm bảo dữ liệu được xử lý kip thời, đồng thời cũng không được đặt quá xa tránh mất thời gian làm cho hiệu suất hoạt động của hệ thống thấp đi

Hình 4.1: Thi công băng tải phân loại

4.1.3 Cơ cấu gắp Đầu của xylanh 1 được kết nối trực tiếp với thân của xylanh 2 bằng ốc lục giác M4, xylanh 2, 3, 4 không thể kết nối trực tiếp với nhau nên cần sự hỗ trợ bên ngoài để kết nối 2 xylanh với nhau Mô hình sử dụng mica dày 5mm thay vì sử dụng CNC để gia công các tấm kim loại, bởi vì cơ cấu hoạt động không yêu cầu sự chịu đựng cao hơn của mica và mica có chi phí thấp hơn so với gia công CNC các tấm kim loại

Hình 4.2: Thi công cơ cấu gắp sản phẩm

Xylanh xoay được đặt ở vị trí ngoài cùng để nắp rộng phía ngoài của thùng carton được gấp lại trước hai nắp dài, đảm bảo quá trình gấp thùng diễn ra chính xác và không gặp lỗi thứ tự gấp nắp thùng Đồng thời thanh thép giữa đặt cách băng tải một khoảng cách cao hơn thùng carton để thùng đi qua không bị vướng lại Độ cao của hai đầu thanh thép ép nắp dài được điều chỉnh cẩn thận để đảm bảo nắp thùng được ép vào bên trong và thùng được đậy kín hoàn toàn

Băng keo được đặt trên cao và kéo căng thông qua 2 con lăn đồng thời ép sát thùng nhờ con lăn dán keo, cần chọn lò xo cho con lăn ép keo có độ cứng phù hợp để khi ép thùng không bị biến dạng

Xylanh cắt băng keo được định vị bằng cảm biến hồng ngoại, đảm bảo phần keo cuối không quá dài gây mất thẩm mỹ, cũng như làm giảm hiệu suất giữ của băng keo Con lăn cuối băng tải được kéo bởi lò xo ép vào phần đuôi của băng keo chặt vào mép thùng, tuy nhiên do đi cùng hướng theo phương ngang khi sản phẩm đến không thể tự đẩy con lăn lên Vì vậy, cần đến xylanh để giúp đẩy con lăn lên

Hình 4.3: Thi công cơ cấu dán thùng

Sau khi tiến hành lựa chọn các linh kiện, thiết bị, vẽ bản vẽ phần điện, nhóm tiến hành thi công phần bảng điện theo các bước sau:

• Bước 1: Tiến hành gắn cố định các linh kiện đã chọn, máng nhựa lên đế gỗ

• Bước 2: Bấm cos, đi dây điện

• Bước 3: Kiểm tra lại hoạt động của các thiết bị và hoàn thiện bảng điện.

Thi công phần mềm

Thiết kế form ngoài chứa các form con, thuận tiện cho việc thiết kế cũng như dễ dàng sử dụng

Form ngoài được thiết kế bao gồm:

• Logo khoa điện – điện tử

• Form con - Giám sát: giao diện hoạt động chính hiển thị camera quét mã QR thông tin sản phẩm…

• Form con - Giới thiệu: giới thiệu về hệ thống và cách sử dụng

• Các nút chức năng: ẩn cửa sổ, phóng to/thu nhỏ, đóng cửa sổ

• Khung nền lớn ở giữa là nơi hiển thị các form con

Hình 4.4: Giao diện ngoài của chương trình

Form này được thiết kế như màn hình chào, hiển thị thông tin như tên đồ án, sinh viên thực hiện, giảng viên hướng dẫn…

Hình 4.5: Thông tin giới thiệu trên trang chủ

4.2.1.3 Form con – giám sát Đây là màn hình làm việc chính của chương trình

Hình 4.6: Giao diện làm việc chính

Màn hình giám sát bao gồm:

• Chọn cổng COM của dây cáp kết nối PC với PLC

• Chọn tốc độ truyền tải dữ liệu giữa PC và PLC

• Nút nhấn kết nối với PLC khi các thông số đã được chọn

• Chọn camera liên kết với máy tính để hiện ra màng hình

• Khung chứa camera để quét mã QR

• Nút nhấn Start để bắt đầu hiển thị hình ảnh

Các thông tin của hệ thống

• Mã QR quét được từ camera

• Mã kho của mã QR vừa quét được

• Và cuối cùng là thông tin phân loại

Form này mô tả các bước để sử dụng hệ thống

Hình 4.7: Các bước sử dụng chương trình

4.2.2 Các thư viện cần có

Ngoài các thư viện của Visual Studio có sẵn, các thư viện cần cài đặt để hỗ trợ quét

QR bao gồm: Thư viện Aforge hiển thị video từ camera, thư viện Zxing đọc mã QR code, thư viện CommunicationPLCMitsubishiFX thực hiện truyền nhận dữ liệu giữa PC và PLC

Nhúng thư viện thông qua Manage Nuget Packages Cửa sổ Browse nhập tên các thư viện, chọn phiên bản phù hợp và tiến hành cài đặt

Hình 4.8: Nhúng thư viện sử dụng vào chương trình

4.2.3 Kết nối camera, quét mã QR và truyền tải dữ liệu cho PLC

Tạo 1 biến có tên captureDevice thông qua câu lệnh ‘VideoCaptureDevice captureDevice;’

Quét qua 1 lượt các camera liên kết với máy tính để chọn ra video hiển thị lên màng hình giám sát bằng dòng lệnh foreach và thêm vào combo box

Hình 4.9: Lệnh hiển thị danh sách camera đang kết nối

Dùng lệnh captureDevice.Start(); để bắt đầu hiển thị ảnh từ camera lên màng hình

Hình 4.10: Lệnh hiển thị ảnh từ camera lên giao diện

Tạo 1 biến bitmap để lấy hình ảnh hiển thị từ camera, 1 biến reader để đọc mã QR, dùng hàm Decode() để đọc mã QR từ bitmap tạo ở trước và gán giá trị đọc được và biến result

Nếu đọc được mã QR tiến hành hiển thị lên textbox “txtqrcode”, mã kho dựa vào mã

QR vừa đọc được, ở đây mã kho được quy định là 3 chữ cái đầu của mã QR

Hình 4.11: Lệnh phân tích ảnh từ camera và quét QR

Khai báo biến ‘plc’ thông qua câu lệnh

63 Đây không phải là thư viện được cài thông qua Manage Nuget Packages mà được nhúng vào từ file dll, thư viện được phát triển bởi chủ kênh Youtube Cat Support và chia sẽ lên google drive cho mọi người sử dụng Để kết nối với PLC thông qua cáp USB to RS422, ta cần xác định được port gắn cáp, tốc độ truyền tải baudrate, databit, stopbit và cuối cùng là parity Đảm bảo các thông số giữa PC và PLC được đồng bộ hóa để tránh lỗi trong quá trình truyền nhận dữ liệu Cuối cùng dùng lệnh plc.connect() để kết nối với PLC

Hình 4.12: Lệnh kết nối PLC

Hàm try – catch để chương trình không bị gián đoạn mà hiển thị thông báo lỗi khi chọn sai thông tin kết nối

4.2.3.4 Gửi dữ liệu qua PLC

Dữ liệu được gửi qua được ghi vào các thanh ghi D0 đến D3

PLC sẽ so sánh dữ liệu được gửi qua với dữ liệu quy định được lập trình sẵn mà tiến hành phân loại sản phẩm

Từ đó tiến hành viết chương trình như sau:

• Tạo mảng số nguyên gồm 4 phần tử tên data

• Dựa vào mã kho đọc được phía trên chọn ra 1 số nguyên đại điện để ghi vào thanh ghi

• Dù ghi nhận trên 4 thanh ghi nhưng chỉ cần 1 số và 1 thanh ghi để thực hiện quá trình so sánh

• Chọn thanh ghi D1 và số 1 đại diện cho sản phẩm cần đóng thùng và số 2 đại diện cho các sản phẩm của kho khác

• Tiến hành gửi dữ liệu khi đọc được mã QR thông qua lệnh plc.Write(data[]);

Hình 4.13: Lệnh phân loại theo lựa chọn

KẾT QUẢ THỰC HIỆN

Kết quả thi công phần cơ khí

Sau quá trình tìm hiểu, thực hiện đề tài, nhóm thu được kết quả phần cơ khí như hình 5.1

Hình 5.1: Mô hình hoàn chỉnh

Nhận xét: Mặc dù vẫn còn sai số nhưng nhìn chung, các cơ cấu của phần cơ khí vẫn hoạt động bình thường theo yêu cầu, cơ cấu không bị kẹt

Kết quả thi công phần điện

Sau khi thi công, lắp ráp, nhóm thu được bản điện như hình 5.2

Nhận xét: Các linh kiện được bố trí chắc chắn, hoạt động ổn định, có các nút nhấn để vận hành các chức năng cơ bản mà nhóm thực hiện đặt ra

Kết quả giao diện giám sát

Sau khi thiết kế, thi công, giao diện được hoàn thành như hình 5.3

Hình 5.3: Giao diện giám sát

Nhận xét: Giao diện dễ nhìn, giúp người dùng giám sát được thông tin mã QR của sản phẩm, có màn hình hướng dẫn kết nối cho người dùng.

Thực nghiệm hoạt động của hệ thống

5.4.1 Thực nghiệm khâu phân loại và cơ cấu gắp sản phẩm

Quá trình thực nghiệm để thu thập kết quả bao gồm 10 sản phẩm có mã QR hợp lệ và 10 sản phẩm có mã QR không hợp lệ, thu được các kết quả được thể hiện như bảng 5.1

Bảng 5.1: Kết quả thực nghiệm khâu phân loại và cơ cấu gắp sản phẩm

Thời gian trung bình hoàn thành 1 sản phẩm không hợp lệ

Thời gian trung bình hoàn thành 1 sản phẩm hợp lệ

Số sản phẩm hợp lệ phân loại thành công

Số sản phẩm hợp lệ phân loại không thành công

Số sản phẩm gắp thành công

Từ kết quả thu được, ta có thời gian trung bình để hoàn thành quá trình phân loại bao gồm 10 sản phẩm hợp lệ và 10 sản phẩm không hợp lệ là:

Từ đó ta tính được số lượng sản phẩm trung bình hệ thống có thể phân loại được trong một giờ là:

𝑛 = 3600 129,67∙ 20 = 555,26 𝑠ả𝑛 𝑝ℎẩ𝑚 Với mục tiêu đặt ra dành cho khâu phân loại là 400 sản phẩm/h thì năng suất đạt yêu cầu

Kết quả quét QR thu được tương đối chính xác, hệ thống phân loại được sản phẩm hợp lệ và không hợp lệ

Kết quả thu được của cơ cấu gắp sản phẩm thu được còn thấp, chỉ gắp được khoảng 70% sản phẩm, cần phải nghiên cứu và cải thiện thêm

5.4.2 Thực nghiệm khâu đóng gói

Trong quá trình thực nghiệm khâu đóng gói, nhóm thực nghiệm tiến hành đóng gói

3 thùng, kết quả thu được bao gồm thời gian đóng gói mỗi thùng và chất lượng dán băng của mỗi thùng

Thời gian đóng gói mỗi thùng thu được được thể hiện ở bảng 5.2

Bảng 5.2:Kết quả thực nghiệm khâu đóng gói

Lần thực nghiệm thứ Thời gian

Ta có thời gian trung bình hoàn thành đóng gói 3 thùng là:

Từ đó ta tính được số lượng thùng đóng được trung bình trong một giờ là:

𝑛 60051,1 ∙ 3 = 211,35 𝑡ℎù𝑛𝑔 Với mục tiêu đặt ra dành cho khâu đóng gói là 200 thùng/h thì năng suất đạt yêu cầu Chất lượng dán băng của thùng thu được được thể hiện qua hình 5.4

Hình 5.4: Kết quả thùng carton thực nghiệm

Ta có thể thấy băng dán kín, ngay ngắn Tuy nhiên thỉnh thoảng băng vẫn chưa được dán chặt ở hai mép của thùng

5.4.3 Thực nghiệm cơ cấu gắp sản phẩm

Trong quá trình thực nghiệm cơ cấu gắp sản phẩm, nhóm tiến hành gắp 4 sản phẩm trong một lần thực nghiệm, thu được kết quả như bảng 5.3

Bảng 5.3: Kết quả thực nghiệm cơ cấu gắp sản phẩm

Lần thực nghiệm thứ Thời gian

Ta có thời gian trung bình hoàn thành gắp 4 sản phẩm là:

Từ đó ta tính được số lượng sản phẩm gắp được trung bình trong một giờ là:

𝑛 = 3600 26,08∙ 4 = 552,14 𝑠ả𝑛 𝑝ℎẩ𝑚 Với mục tiêu đặt ra dành cho cơ cấu gắp sản phẩm là 500 sản phẩm/h thì năng suất đạt yêu cầu

Sản phẩm được gắp bỏ vào hộp, tuy nhiên vẫn có trường hợp cơ cấu gắp trượt sản phẩm Đây là hạn chế mà nhóm cần cải thiện