Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC s7 200

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC s7 200

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 1

LỜI MỞ ĐẦU

Robot và công nghệ cao là những khái niệm của sản xuất tự động hoá

hiện đại Một đặc điểm quan trọng của robot công nghiệp là chúng cho phép dễ

dàng kết hợp những việc phụ và chính của một quá trình sản xuất thành một

dây chuyền tự động So với các phương tiện tự động hoá khác, các dây chuyền

tự động dùng robot có nhiều ưu điểm hơn như dễ dàng thay đổi chương trình

làm việc, có khả năng tạo ra dây chuyền tự động từ các máy vạn năng, và có

thể tự động hoá toàn phần

Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ Nó là một

ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát

triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt

là máy tính chuyên dụng riêng cho nó

Tự động hóa là một nhu cầu không thể thiếu trong quá trình sản xuất

ngày nay Việc ứng dụng tay máy scara và xử lí ảnh vào tự động hóa dây

chuyền sản xuất mà cụ thể hơn ở đây là dây chuyền phân loại sản phẩm trên

băng chuyền giúp cho việc sản xuất trở nên linh hoạt hơn, hiệu quả hơn Với

nhu cầu tìm hiểu về hệ thống tự động trong sản xuất và với kiến thức của sinh

viên năm thứ 3 tại trường đại học chúng em chọn đề tài “PHÂN LOẠI SẢN

PHẨM VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP VẬT DÙNG PLC S7 200” để

nghiên cứu và tìm hiểu

Do yêu cầu về kiến thức về thiết kế, tính toán và điều khiển chính xác đối

với thiết kế phần cứng là rất cao nên nhóm chúng em không tránh khỏi những

thiếu sót Do đó, rất mong muốn được sự chỉ bảo thêm của các thầy, cô và đóng

góp của bạn bè để đồ án được hoàn thiện hơn

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 2

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm chúng em gặp nhiều khó khăn về

thiết kế phần cứng cũng như phần mềm lập trình Tuy nhiên nhờ sự giúp đỡ của

thầy cô khoa công nghệ điện tử nên nhóm đã hoàn thành đề tài tìm hiểu về xử lí

ảnh phân loại vật trên băng chuyền

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô

trong khoa điện tử, đặc biệt giảng viên hướng dẫn (thầy TRẦN VĂN HÙNG),

đã nhiệt tình chỉ dẫn chúng em trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài

Trường Đại Học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh Khoa Công Nghệ Điện Tử

Sinh viên Nguyễn Anh Dũng Trần Phương Hoàng Nguyễn Đình Nam

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 3

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI

Giảng viên hướng dẫn : Th.S Trần Văn Hùng

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 4

NHẬN XÉT ĐỀ TÀI CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Giảng viên hướng dẫn : Th.S Trần Văn Hùng

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 5

Mục Lục

PHẦN A: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 8

I Lý do chọn đề tài 8

II Mục đích nghiên cứu 8

III Giới hạn đề tài 8

IV Tiêu chuẩn đề tài 9

PHẦN B: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN CỨNG 10

1 Động cơ DC 10

1.1 Cấu tạo 10

1.2 Nguyên tắc hoạt động 11

1.3 Các phương pháp điều khiển 11

2.Động Cơ Bước 12

3 Khí nén 19

3.1 Van khí nén 19

3.2 Xi lanh khí nén 20

CHƯƠNG II : LÝ THUYẾT PLC S7-200 21

1 Tổng quan về PLC 21

1.1 Khái niệm chung 21

1.2 Thế hệ PLC S7 200 21

2 Cấu hình phần cứng PLC 22

2.1 Bộ xử lý 23

2.2 Bộ nguồn 23

2.3 Thiết bị lập trình 23

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 6

2.4 Bộ nhớ 23

2.5 Giao diện vào/ra 23

3 Bộ nhớ PLC S7 200 24

3.1 Vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng 24

3.2 Địa chỉ một vài vùng nhớ khác 24

4 Vòng quét chương trình 24

5 Cấu trúc chương trình 25

6 Các loại PLC S7_200 (Siemens) 26

7 Bộ điều rộng xung (PWM, PTO) 27

7.1 Điều rộng xung 50% (PTO): 27

7.2 Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM): 29

Chương III : Matlab và công cụ xử lý ảnh 30

1.Sơ lược về Matlab 30

2.Xử lý ảnh trong matlab 31

2.1 Các bước cơ bản trong trong xử lý ảnh 31

2.2 Các khái niệm cơ bản: 32

2.3 Giới thiệu ảnh số 33

2.4 Ảnh màu 34

3 Thu nhận ảnh 36

4.Phương pháp xử lí ảnh trong đề tài 41

5 Phương pháp nhận dạng trong đề tài 45

6 Opc toolbox của Matlab 48

6.1 Các khái niệm cơ bản 48

6.2 Nhóm lệnh kết nối trong opc toolbox 49

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 7

PHẦN C: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 50

CHƯƠNG I: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 53

1 Mạch công suất động cơ DC: 53

2 Mạch công suất động cơ bước: 55

3 Relay đóng mở van khí 57

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 58

1 Lập trình PLC với phần mềm Step 7 Microwin 58

1.1 Lưu đồ giải thuật trước khi có vật 59

1.2 Lưu đồ thuật giải khi có vật 61

1.3 Lưu đồ thuật giải sau khi đã xác định được vật 62

PHẦN D: KẾT LUẬN 71

I.NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 71

II.NHỮNG KẾT QUẢ CHƯA ĐẠT ĐƯỢC 71

III HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 71

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 73

I.GIỚI THIỆU PHẦN MỀM VÀ CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH 73

1 PHẦN MỀM LÂP TRÌNH STEP 7 MICROWIN 73

2 S7200- PC ACCESS 76

3 Các bước thực hiện với OPC Toolbox 78

4 Tạo GUI trong Matlab 81

II.CODE MATLAB 82

III.CODE PLC 82

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 8

PHẦN A: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

I Lý do chọn đề tài

Ngày nay việc sử dụng thuật toán xử lý ảnh đƣợc sử dụng ngày càng rộng rãi,

với nhiều mục đích khác nhau Dùng cho các hệ thống bảo mật nhƣ khóa bằng

vân tay, giọng nói, giác mạc mắt đến các thiết bị an ninh, truy tìm tội phạm

trong đó có phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh trên băng chuyền trong các dây

chuyền sản xuất công nghiệp

Xuất phát từ yêu cầu thực tế trên chúng em tiến hành tìm hiểu và nghiên

cứu đề tài : “PHÂN LOẠI SẢN PHẨM VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP

VẬT DÙNG PLC S7-200”

II Mục đích nghiên cứu

Đề tài này giúp sinh viên ngành tự động chúng em sử dụng những kiến thức đã

-Rèn luyện kỹ năng nghiên cứu, tìm hiểu tài liệu

III Giới hạn đề tài

Nhằm xác định cụ thể hơn cho miền hình ảnh nhận dạng của đồ án và việc

phân tích bài toán đƣợc sâu hơn, giới hạn bài toán nhận dạng hình khối trong

đồ án này nhƣ sau:

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 9

-Nhận dạng các hình khối riêng lẻ không lồng nhau

-Hình ảnh không quá đặc biệt, ví dụ nhƣ hình tam giác không quá tù

-Ảnh có định dạng BMP

-Mức độ xoay của ảnh không quá cao

IV Tiêu chuẩn đề tài

Đề tài chủ yếu đƣợc thiết kế với mục đích chính là mô hình thí nghiệm thu nhỏ

về hệ thống phân loại sản phẩm trên băng chuyền và dùng tay máy scara gắp

vật trong công nghiệp Với kết cấu phần cứng đơn giản và thuật toán xử lí

không quá phức tạp, còn hạn chế nhiều mặt nên mô hình không thể đƣợc ứng

dụng thực tế để sản xuất mà chi mang tính chất mô hình để nghiên cứu

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 10

PHẦN B: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN CỨNG

1 Động cơ DC

1.1 Cấu tạo

Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều Động

cơ điện DC ứng dụng rộng rãi trong đời sống cũng như công nghiệp bởi lý do

dễ điều khiển, hiệu suất cao, “momen” lớn Trong công nghiệp, động cơ điện

một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu “momen” mở máy lớn hoặc yêu

cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng

Hình 1: Động cơ DC

Một động cơ DC có 6 phần cơ bản:

1 Phần ứng hay Rotor (Armature)

2 Cổ góp (Commutat)

3 Nam châm tạo từ trường hay Stator (field magnet)

4 Chổi than (Brushes)

5 Trục motor (Axle)

6 Bộ phận cung cấp dòng điện DC

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 11

1.2 Nguyên tắc hoạt động

Hình dưới mô tả nguyên tắc hoạt động của động cơ DC Dòng điện chạy

qua khung dây sinh ra từ trường Theo nguyên tắc bàn tay trái lực từ làm cho

khung dây quay một góc 900 Khi roto quay được một góc 900 thì lực từ không

còn tác dụng là “momen” quay nữa, nhưng do quán tính làm cho roto quay

thêm một góc nhỏ nữa Roto liên tục và đúng chiều là do bộ cổ góp điện sẽ làm

chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ

Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra

nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp Nhờ vậy dòng điện và lực quay được

liên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của Roto

Hình 2: Nguyên lý hoạt động của đông cơ DC

1.3 Các phương pháp điều khiển

Có nhiều cácnh để điều khiển tốc độ động cơ DC như bằng phương

pháp thay đổi điện áp, thay đổi từ thông hoặc phương pháp điều chỉnh độ rộng

xung (PWM) Trong cánh tay máy thì chúng em chọn phương pháp điều khiển

bằng cách thay đổi độ rộng xung Chọn phương pháp này vì chúng dễ thực

hiện, mạch cấu tạo đơn giản

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 12

Hình 3: Điều khiển động cơ bằng PWM

avg

V a V b V

a b

Khi tỷ lệ thời gian "on" trên thời gian "off" thay đổi sẽ làm thay đổi điện

áp trung bình (VAVG) Tỷ lệ phần trăm thời gian "on" trong một chu kỳ chuyển

mạch nhân với điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áp trung bình đặt vào động cơ

Như vậy với điện áp nguồn cung cấp là 100V, và tỷ lệ thời gian ON là 25% thì

điện áp trung bình là 25V VAV thay đổi từ VL đến VH tùy theo các độ rộng Ton

và Toff

2.Động Cơ Bước

2.1 Lợi ích của động cơ bước:

Không chổi than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao

năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò ) có thể gây nguy hiểm

Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động cơ

ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn Động cơ bước là thiết bị làm

việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả vị trí

nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor

Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có

thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị

trí như các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 13

Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới

chất lượng điều khiển Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ

thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được) Khi momen

tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay

2.2 Phân loại động cơ bước:

Động cơ bước cơ bản được chia làm 3 loại:

Động cơ bước nam châm vĩnh cữu:

Hình 4: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước đơn cực

STEP loại đơn cực bao gồm 2 cuộn dây, mỗi cuộn được nối ra ngoài ở giữa

cuộn, vì vậy thông thường trên thực tế đây là loại động cơ 5 hoặc 6 dây ra,

STEP loại này được điều khiển bẳng cách cho đầu dây chung nối lên nguồn và

từng đầu dây còn lại lần lượt được nối mass

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 14

Động cơ bước lưỡng cực:

Hình 5: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước lưỡng cực

Động cơ loại lưỡng cực (Bipolar), thường có 4 đầu ra Về cấu tạo đơn giản hơn

nhưng khó cho điều khiển vì phải đảo chiều dòng điện qua cuộn dây a,b

Động cơ bước nhiều pha:

Hình 6: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước nhiều pha

Một loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu ít thông dụng hơn đó là động cơ

bước có tất cả các cuộn dây được nối tiếp với nhau thành vòng kín và giữa mỗi

cặp dây có một điểm giữa gọi là động cơ bước nhiều pha hay đa cực Kiểu

thông dụng nhất là kiểu 5 pha

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 15

Động cơ bước kiểu từ trở:

Hình 7: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước từ trở

Thông thường có ba hoặc bốn cuộn dây đấu chung một đầu Đầu chung được

nối với nguồn dương, các đầu còn lại lần lượt cho thông với đất để quay rotor

Trên hình vẽ, rotor có 4 răng và stator có 6 cực Mỗi cuộn dây sẽ được quấn

trên hai cực đối nhau Vì vậy, giả sử, khi cấp điện cho cực 1 (stator), rotor sẽ

quay cực gần nhất (X) để răng thẳng với cực 1 Cắt điện cuộn số 1, tiếp tục cấp

điện cho cuộn 2, rotor sẽ quay răng tiếp sau (Y) cho thẳng với cực 2 Cứ như

vậy điều khiển quay rotor

Động cơ bước lai:

Hình 8: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước lai

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 16

STEP lai là loại kết hộp giữa STEP từ thông thay đổi và loại nam châm vĩnh

cửu rotor cho động cơ STEP lai có nhiều răng , giống như loại từ thông thay

đổi, chứa lõi từ hóa tròn đồng tâm xoay quanh trục của nó Răng của rotor tạo

đường dẫn giúp định hướng cho từ thông ưu tiên vào trong lỗ không khí STEP

lai được lái giống như STEP đơn cực và lưỡng cực

2.3 Phương pháp điều khiển:

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 17

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 18

Bảng 3: Điều khiển fullstep động cơ lưỡng cực:

Hình 11: Giản đồ xung fullstep động cơ bước lưỡng cực

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 19

3 Khí nén

3.1 Van khí nén

Van khí nén dùng trong tay máy có nhiệm vụ thay đổi dòng khí vào xi

lanh của tay kẹp Van sử dụng là van đảo chiều Có nhiều loại van đảo chiều

nhƣ: van 2/2, van 3/2, van 4/2, van 5/2, 4/3, van 5/3 Tuy nhiên do cơ cấu xi

lanh tay kẹp đơn giản nên chúng em dùng van đảo chiều 5/2 Trong loại van

này thì cửa P là cửa cung cấp năng lƣợng, cửa A lắp vào bên trái của cơ cấu

chấp hành, cửa B lắp vào bên phải của cơ cấu chấp hành Cửa T và cửa R là

cửa xả năng lƣợng Khi con trƣợc van di chuyển qua cửa phải, cửa P thông với

cửa A, cửa B thông với cửa T Khi con trƣợc di chuyển qua cửa trái, cửa P

thông với cửa B, cửa A thông với cửa R

Hình 12 : Cấu tạo van đảo chiều 5/2

Hình 13: Van đảo chiều trong thực tế

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 20

3.2 Xi lanh khí nén

Xi lanh dùng trong tay kẹp là loại xi lanh 2 chiều Cấu tạo của xi lanh 2 chiều

được thể hiện như hình dưới:

Hình 14: Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của xi lanh hai chiều

Nguyên tắc hoạt động của xi lanh 2 chiều:

- Không cho khí vào xi lanh thì pitton có thể ở vị trí bất kỳ

- Khí vào 1 ra 2: pitton bị đẩy ra

- Khí vào 2 ra 1: pitton bị đẩy vào

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 21

Hình 15 : Xi lanh 2 chiều trong thực tế

CHƯƠNG II : LÝ THUYẾT PLC S7-200

1 Tổng quan về PLC

1.1 Khái niệm chung

Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC là dạng thiết bị điều khiển đặc

biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ các lệnh và

thực hiện các chức năng, chẳng hạn cho phép tính logic, lập chuỗi, định giờ,

đếm, và các thuật toán để điều khiển máy và các quá trình công nghệ, thay cho

việc thể hiện thuật toán đó bằng các mạch số

Về cơ bản chức năng của bộ điều khiển logic PLC cũng giống như chức

năng của bộ điều khiển thiết kế trên cơ sở các rơle công tắc tơ hoặc trên cơ sở

các khối điện tử đó là:

+ Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến

+ Liên kết, ghép nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiện

đóng mở các mạch phù hợp với công nghệ,

+ Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các

thông tin thu thập được,

+ Phân phát các lệnh điều khiển đến các địa chỉ thích hợp

Riêng đối với máy công cụ và người máy công nghiệp thì bộ PLC có thể

liên kết với bộ điều khiển số NC hoặc CNC hình thành bộ điều khiển thích

nghi Trong hệ thống của các trung tâm gia công, mọi quy trình công nghệ đều

được bộ PLC điều khiển tập trung

1.2 Thế hệ PLC S7 200

S7-200 là PLC thuộc họ Micro Automation của hãng SIEMENS, có thể điều

khiển hàng loạt các ứng dụng khác nhau trong tự động hoá Với cấu trúc nhỏ

gọn, có khả năng mở rộng, giá rẻ và một tập lệnh SIMATIC mạnh, PLC

S7-200 là một lời giải hoàn hảo cho các bài toán tự động vừa và nhỏ

PLC S7-200 cho phép tự động hoá tối đa với chi phí tối thiểu

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 22

- Cài đặt, lập trình và vận hành rất đơn giản

- Các CPU có thể sử dụng trong mạng, hệ thống phân tán hoặc sử dụng đơn

lẻ

- Có khả năng tích hợp trên quy mô lớn

- Ứng dụng cho những điều khiển đơn giảnvà phức tạp

- Truyền thông mạnh (PPI, Profibus-DP, AS-i)

2 Cấu hình phần cứng PLC

Bộ PLC thông dụng có 5 bộ phận cơ bản gồm: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn,

giao diện vào/ra và thiết bị lập trình

Bộ nhớ chương trình

Khối Vi Xử Lý trung

tâm+ Hệ Điều Hành

Timer

Bộ đếmBit cờ

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 23

2.1 Bộ xử lý

Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý Bộ

xử lý biên dịch các tín hiệu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo

chương trình được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng

tín hiệu hoạt động đến các thiết bị ra

2.2 Bộ nguồn

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp cho bộ vi xử

lý (thường là 5V) và cho các mạch điện đầu ra hoặc các module còn lại (thường

là 24V)

2.3 Thiết bị lập trình

Thiết bị lập trình được sử dụng để lập các chương trình điều khiển cần thiết sau

đó được chuyển cho PLC Thiết bị lập trình có thể là thiết bị lập trình chuyên

dụng, có thể là thiết bị lập trình cầm tay gọn nhẹ, có thể là phần mềm được cài

đặt trên máy tính cá nhân

2.4 Bộ nhớ

Bộ nhớ là nơi lưu giữ chương trình sử dụng cho các hoạt động điều khiển Bộ

nhớ cũng có thể được chế tạo thành module cho phép dễ dàng thích nghi với

các chức năng điều khiển có kích cỡ khác nhau, khi cần mở rộng có thể cắm

thêm

2.5 Giao diện vào/ra

Giao diện vào là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền

thông tin đến các thiết bị bên ngoài Tín hiệu vào có thể từ các công tắc, các bộ

cảm biến nhiệt độ, các tế bào quang điện Tín hiệu ra có thể cung cấp cho các

cuộn dây công tắc tơ, các rơle, các van điện từ, các động cơ nhỏ Tín hiệu

vào/ra có thể là tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 24

3 Bộ nhớ PLC S7 200

3.1 Vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng

- OB1 (Organisation block): vùng nhớ chứa chương trình chính, PLC luôn quét

các lệnh trong vùng nhớ này

- Subroutine (chương trình con): vùng nhớ chứa chương trình con, chương

trình con được thực hiện khi được gọi bởi chương trình chính

- Interrup (chương trình ngắt): vùng nhớ chứa chương trình ngắt, chương trình

này sẽ thực hiện khi có một ngắt xảy ra, như: ngắt Timer, ngắt của HSC…

3.2 Địa chỉ một vài vùng nhớ khác

- Vùng nhớ I ( Process image input): I0.0 – I15.7 (128 đầu vào)

- Vùng nhớ Q ( Process Image Output): Q0.0 – Q15.7(128 đầu ra)

- Vùng nhớ M: M0.0 – M31.7

- Vùng nhớ T (Timer): T0 – T255

- Vùng nhớ C ( Counter): C0 – C255

- Đầu vào tương tự: AIW0 – AIW62

- Đầu ra tương tự: AQW0 – AQW62

- Vùng nhớ V (Variable memory): VB0 – VB8191

- Vùng nhớ L (Local memory): LB0 – LB63

- Vùng nhớ SM (Special memory) : SM0.0 – SM549.7

SM0.0 – SM29.7 (Read-only) -Vùng nhớ bộ đếm tốc độ cao: HC0 – HC5

-Vùng nhớ thanh ghi tổng: AC0 – AC3

4 Vòng quét chương trình

PLC thực hiện chương trình theo chu kì lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng

quét (Scan) Thời gian thực hiện vòng quét của PLC phụ thuộc vào: kích thước

của chương trình, số lượng ngõ vào ra, số lượng thông tin truyền thông và tốc

độ xử lý của CPU

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 25

Hình 17 : Vòng quét chương trình

5 Cấu trúc chương trình

Chương trình trong S7-200 có thể được lập trình với 2 dạng cấu trúc khác nhau

a/ Lập trình tuyến tính: toàn bộ chương trình nằm trong một khối trong bộ nhớ

Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động

nhỏ,không phức tạp Khối được chọn phải là khối OB1, là khối mà PLC luôn

quét và thực hiện các lệnh trong đó thường xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh

cuối cùng và quay lại lệnh đầu tiên

b/ Lập trình có cấu trúc: Chương trình được chia thành những phần nhỏ và mỗi

phần thực thi những nhiệm vụ chuyên biệt riêng của nó, từng phần này nằm

trong những khối chương trình khác nhau Loại hình cấu trúc này phù hợp với

những bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ và phức tạp PLC S7 200 có 3 loại

khối cơ bản sau:

- Loại khối OB1 ( Organization Block) : Khối tổ chức và quản lí chương trình

điều khiển Khối này luôn luôn được thực thi,và luôn được quét trong mỗi chu

kì quét

- Loại khối SBR (Khối chương trình con): Khối chương trình với những chức

năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm ( chương trình con

có biến hình thức) Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối chương

trình con và các khối chương trình con này được phân biệt với nhau bằng tên

của chương trình con đó

- Loại khối INT ( Khối chương trình ngắt) : Là loại khối chương trình đặc biệt

có khả năng trao đổi 1 lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác

.Chương trình này sẽ được thực thi mỗi khi có sự kiện ngắt xảy ra

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 26

6 Các loại PLC S7_200 (Siemens)

Các loại PLC thông thường: CPU222, CPU224, CPU224XP ( có 2 cổng giao

tiếp), CPU226 ( có 2 cổng giao tiếp), CPU226XM

Thông thường S7_200 được phân ra 2 loại chính:

a/ Loại CPU 224 AC / DC / RLY cấp điện áp 220VAC :

Ngõ vào : tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC ( 15VDC – 30VDC)

Ngõ ra : Ngõ ra rơ le

-Ưu điểm của loại này là ngõ ra rơ le,do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp

điện áp ( có thể sử dụng ngõ ra 0V,24V,220V… )

-Nhược điểm của nó :do ngõ ra rơ le nên thời gian đáp ứng của rơle không

được nhanh cho ứng dụng điều rộng xung, hoặc Output tốc độ cao…

Hình 18 : Sơ đồ đấu dây CPU 224 AC / DC / RLY

b/ Loại CPU 224 DC / DC / DC cấp điện áp 24VDC :

Ngõ vào : tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC ( 15VDC – 30VDC)

Ngõ ra : Ngõ ra Transistor

-Ưu điểm của loại này là ngõ ra Transistor,do đó có thể sử dụng ngõ ra này để

điều rộng xung, hoặc Output tốc độ cao…)

-Nhược điểm của nó :do ngõ ra Transistor nên ngõ ra chỉ có một cấp điện áp

duy nhất là +24VDC,do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng có cấp điện

áp ra là 0VDC, trong trường hợp này buộc ta phải thông qua 1 rơle 24Vdc đệm

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 27

Hình 19 : Sơ đồ đấu dây CPU 224 DC / DC / DC

7 Bộ điều rộng xung (PWM, PTO)

CPU S7-200 có 2 ngõ ra xung tốc độ cao Q0.0, Q0.1, dùng cho việc điều

rộng xung tốc độ cao trong các ứng dụng điều khiển thiết bị bên ngoài như điều

khiển tốc độ động cơ, điều khiển nhiệt độ v.v

Có 2 cách điều rộng xung: điều rộng xung 50% (PTO) và điều rộng xung

theo tỉ lệ (PWM) Ở chế độ PWM, chu kì xung có thể ở miligiây hoặc micro

giây Chu kì ở tầm 50ms đến 65,535ms hoặc ở 2μs đến 65,535 μs Ở chế độ

PTO, chu kì ở tầm 50ms đến 65,535ms hoặc ở 2μs đến 65,535 μs và xung đếm

ở tầm từ 1 đến 4,294,967,295 xung

Để tạo chương trình điều rộng xung thì có thể được thực hiện thông qua

việc định dạng Wizard

7.1 Điều rộng xung 50% (PTO):

Để thực hiện việc phát xung tốc độ cao ở chế độ PTO trước hết ta phải

thực hiện các bước định dạng sau:

 Reset ngõ xung tốc độ cao ở chu kì đầu của chương trình

 Chọn loại ngõ ra phát xung tốc độ cao Q0.0 hay Q0.1

 Định dạng thời gian cơ sở ( Time base) dựa trên bảng sau:

Tham chiếu các byte điều khiển cho chế độ PTO

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 28

Result of executing the PLS instruction

PTO Segment Operatio

n

Time Base

Pulse Count

Cycle Time

ms/cycle Load

ms/cycle Load Load

ms/cycle

Bảng 4 : Một vài giá trị cho việc định dạng phát xung kiểu PTO

Các Byte cho việc định dạng : SMB67 ( ngõ ra Q0.0)

Ngoài ra: Q0.0 Q0.1

SMW68 SMW78 : Xác định thời gian 1 chu kì

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 29

7.2 Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM):

Để thực hiện việc phát xung tốc độ cao ở chế độ PWM trước hết ta phải

thực hiện các bước định dạng sau:

 Reset ngõ xung tốc độ cao ở chu kì đầu của chương trình

 Chọn loại ngõ ra phát xung tốc độ cao Q0.0 hay Q0.1

 Định dạng thời gian cơ sở ( Time base) dựa trên bảng sau:

Tham chiếu các byte điều khiển cho chế độ PWM

Bảng 5: Một vài giá trị cho việc định dạng phát xung kiểu PWM

Các Byte cho việc định dạng: SMB67 ( ngõ ra Q0.0)

Method

Time Base

Pulse Width

Cycle Time

16#D2 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load

16#DA Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 30

Chương III : Matlab và công cụ xử lý ảnh

1.Sơ lược về Matlab

Matlab là một ngôn ngữ lập trình bậc cao được sử dụng để giải các bài toán về kỹ thuật

Matlab tích hợp được việc tính toán, thể hiện kết quả, cho phép lập trình, giao

diện làm việc rất dễ dàng cho người sử dụng Dữ liệu cùng với thư viện được

lập trình sẵn cho phép người sử dụng có được những ứng dụng sau đây:

Sử dụng các hàm có sẵn trong thư viện, các phép tính toán học thông

thường

Cho phép lập trình tạo ra những ứng dụng mới

Cho phép mô phỏng các mô hình thực tế

Phân tích, khảo sát và hiển thị dữ liệu

Với phần mềm đồ họa cực mạnh

Cho phép phát triển, giao tiếp với một số phần mềm khác như C++,

Fortran

Trong đồ án này chúng em sử dụng 2 Toolbox là Image Acquisition Toolbox

và Image Processing Toolbox Image Acquisition Toolbox ứng dụng để đọc

ảnh từ Webcams, Image Processing Toolbox dùng cho việc xử lý ảnh lấy từ

Webcams để xác định nhận dạng vật theo hình dạng vuôn, tròn, tam giác

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 31

2.Xử lý ảnh trong matlab

2.1 Các bước cơ bản trong trong xử lý ảnh

Hình 20: Sơ đồ các bước cơ bản trong xử lí ảnh

Sơ đồ này bao gồm các thành phần sau:

a) Phần thu nhận ảnh (Image Acquisition)

Ảnh có thể nhận qua camera màu hoặc đen trắng Thường ảnh nhận qua

camera là ảnh tương tự ,cũng có loại camera đã số hoá.Camera thường dùng là

loại quét dòng ; ảnh tạo ra có dạng hai chiều Chất lượng một ảnh thu nhận

được phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường (ánh sáng, phong cảnh)

b) Tiền xử lý (Image Processing)

Sau bộ thu nhận, ảnh có thể nhiễu độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền

xử lý để nâng cao chất lượng Chức năng chính của bộ tiền xử lý là lọc nhiễu,

nâng độ tương phản để làm ảnh rõ hơn, nét hơn

c) Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh

Phân vùng ảnh là tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần để biểu diễn

phân tích, nhận dạng ảnh

d) Biểu diễn ảnh (Image Representation)

Đầu ra ảnh sau phân đoạn chứa các điểm ảnh của vùng ảnh (ảnh đã phân đoạn)

cộng với mã liên kết với các vùng lận cận Việc biến đổi các số liệu này thành

dạng thích hợp là cần thiết cho xử lý tiếp theo bằng máy tính Việc chọn các

tính chất để thể hiện ảnh gọi là trích chọn đặc trưng (Feature Selection) gắn với

việc tách các đặc tính của ảnh dưới dạng các thông tin định lượng hoặc làm

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 32

cơ sở để phân biệt lớp đối tượng này với đối tượng khác trong phạm vi ảnh

nhận được

e) Nhận dạng và nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation)

Nhận dạng ảnh là quá trình xác định ảnh Quá trình này thường thu được

bằng cách so sánh với mẫu chuẩn đã được học (hoặc lưu) từ trước Nội suy là

phán đoán theo ý nghĩa trên cơ sở nhận dạng Có nhiều cách phân loai ảnh khác

nhau về ảnh Theo lý thuyết về nhận dạng, các mô hình toán học về ảnh được

phân theo hai loại nhận dạng ảnh cơ bản:

- Nhận dạng theo tham số

- Nhận dạng theo cấu trúc

Một số đối tượng nhận dạng khá phổ biến hiện nay đang được áp dụng trong

khoa học và công nghệ là: nhận dạng ký tự (chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện

tử), nhận dạng văn bản (Text), nhận dạng vân tay, nhận dạng mã vạch, nhận

dạng mặt người…

f) Cơ sở tri thức (Knowledge Base)

Như đã nói ở trên, ảnh là một đối tượng khá phức tạp về đường nét, độ sáng

tối, dung lượng điểm ảnh, môi trường để thu ảnh phong phú kéo theo nhiễu

Trong nhiều khâu xử lý và phân tích ảnh ngoài việc đơn giản hóa các phương

pháp toán học đảm bảo tiện lợi cho xử lý, người ta mong muốn bắt chước quy

trình tiếp nhận và xử lý ảnh theo cách của con người

2.2 Các khái niệm cơ bản:

 Điểm ảnh

Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ xám

hoặc màu nhất định Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được

chọn thích hợp sao cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức

xám (hoặc màu) của ảnh số gần như ảnh thật Mỗi phần tử trong ma trận được

gọi là một phần tử ảnh

 Độ phân giải ảnh

Độ phân giải (Resolution) của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định trên

một ảnh số được hiển thị

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 33

Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao cho mắt

người vẫn thấy được sự liên tục của ảnh

Ảnh số là tập hợp các điểm ảnh với mức xám phù hợp dùng để mô tả ảnh

gần với ảnh thật Ảnh là một sự vật đại diện cho con người,sinh vật hay sự vật

nào đó v.v… ảnh động như ta thấy trên truyền hình thực chất là tập hợp của rất

nhiều ảnh tĩnh liên tiếp.khi một ảnh được số hóa thì nó trở thành ảnh số và ảnh

số này lại là một tập hợp của rất nhiều phần tử ảnh được gọi là điểm ảnh hay là

“pixel”.mỗi điểm ảnh lại được biểu diễn dưới dạng một số hữu hạn các bit

chúng ta có thể chia ảnh ra làm ba loại khác nhau :

Ảnh đen trắng :mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi một bit

Ảnh Gray – scale :mỗi điểm ảnh được biểu diễn bằng các mức chói khác

nhau,thường thì ảnh này được biểu diễn bằng 256 mức chói hay là 8 bit cho

mỗi diểm ảnh

Ảnh màu : mỗi điểm ảnh chia ra thành tín hiệu chói và tín hiệu màu

Hình 21: Ảnh màu

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 34

2.4 Ảnh màu

*cơ sở về màu :

Như ta đã biết thì khi cho ánh sáng trắng đi qua lăng kính ta sẽ thu được

một dãy phổ màu bao gồm 6 màu rộng : tím , lam , lục , vàng , cam , đỏ Nếu

nhìn kỹ thì sẽ không có ranh giới rõ ràng giữa các màu mà màu này sẽ từ từ

chuyển sang màu kia.Mắt chúng ta nhìn thấy được là do ánh sáng phản xạ từ

vật thể

Tất cả các màu được tạo ra từ 3 màu cơ bản (màu sơ cấp) là : đỏ (R),lam

(B) và lục (G).Các màu cơ bản trộn lại với nhau theo một tỉ lệ nhất định để tạo

Các đặc trưng dùng để phân biệt một màu với màu khác là : độ sáng

(brightness) , sắc màu (hue) và độ bảo hòa màu (Saturation)

Màu sắc có liên quan đến bước sóng ánh sáng Thông thường, sắc màu

chính là tên của màu Ví dụ: đỏ, cam, lục…

Độ sáng thể hiện về cường độ ánh sáng :mô tả nó sáng hay tối như thế nào

Độ bảo hòa màu : thể hiện độ thuần khiết của màu Khi độ bão hòa cao,

màu sẽ sạch và rực rỡ

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 35

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 36

Ảnh nhị phân

Ảnh nhị phân cũng được biểu diễn bằng ma trận hai chiều nhưng thuộc kiểu

logical, có nghĩa là mỗi điểm ảnh chỉ có thể nhận một trong hai giá trị 0(đen)

hoặc 1 (trắng)

Ảnh RGB

Ảnh RGB còn gọi là ảnh “truecolor” do tính trung thực của nó Ảnh này được

biểu diễn bởi một ma trận 3 chiều có kích thước m x n x 3, với m x n là kích

thước ảnh theo pixels Ma trận này định nghĩa các thành phần màu red, green,

blue cho mỗi điểm ảnh, các phần tử của nó có thể thuộc kiểu uint8, uint16,

hoặc double Ví dụ, điểm ảnh ở vị trí (10,5) sẽ có ba thành màu được xác định

bởi các giá trị (10,5,1), (10,5,2) và (10,5,3) Các file ảnh hiện nay thường sử

dụng 8 bit cho thành phần màu, nghĩa là mất 24bit cho mỗi điểm ảnh (khoảng

16 triệu màu)

3 Thu nhận ảnh

Image Acquisition Toolbox là tập hợp các hàm của MatLab có nhiệm vụ

thu thập ảnh số từ các thiết bị thu hình Cụ thể là:

• Thu thập hình ảnh từ các thiết bị thu hình khác nhau, từ loại chuyên

dụng đến loại rẻ tiền như WebCam (giao tiếp USB)

• Trình chiếu (preview) luồng dữ liệu video từ thiết bị thu hình

• Trích hình ảnh từ luồng dữ liệu video

• Thiết lập các hàm callback cho các sự kiện khác nhau

• Chuyển dữ liệu hình ảnh vào workspace của MatLab để xử lý ảnh tiếp

theo

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 37

 Đề sử dụng được Image Acquisition, bạn phải thực hiện các bước cơ

bản sau:

Bước 1: Cài đặt thiết bị thu ảnh (trong đồ án sử dụng webcams colorvis)

+ Gắn thiết bị thu hình vào máy tính

+ Cài đặt driver (trình điều khiển) cho thiết bị (được cho bởi nhà sản xuất)

+ Xem thử hình ảnh video hiện trên máy tính thông qua phần mềm của nhà

sản xuất

Không cần phải cấu hình matlab cho thiết bị thu hình

Bước 2: Lấy thông tin của thiết bị (tên thiết bị,ID) sử dụng hàm imaqhwinfo

chuẩn bị cho bước tiếp theo

Để lấy thông tin về thiết bị vào Command Window gõ hàm như sau:

- Tên của thiết bị là winvideo

„Winvideo‟: Các thiết bị dùng chuẩn Windows Driver Model (WDM) hoặc

Video for Windows (VFW) Bao gồm các loại USB WEBCAM và camera

IEEE 1394

* Chỉ định thiết bị: Tuỳ vào loại thiết bị (adaptor name), mỗi thiết bị cùng loại

gắn vào PC được đánh số ID, thiết bị thứ nhất có deviceID=1, thiết bị thứ 2 có

deviceID=2, v.v…

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 38

Để liệt kê xem loại winvideo có bao nhiêu thiết bị gắn vào máy, ta cũng

dùng lệnh imaqhwinfo với đối số là winvideo

DeviceID=1 được sử dụng mặc định khi ta không khai báo

Bước 4: Hiện Video thu được lên màng hình để giám sát (có thể bỏ qua bước

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 39

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 40

TriggerType = immediate

Acquisition Sources:

SelectedSourceName = input1

Source = [1x1 videosource]

+ Gọi hàm start để bắt đầu (ví dụ : Start(vid))

Cho dòng ảnh chạy để chụẩn bị thu ảnh cần thiết để xử lý.Cấu hình lại các

thuộc tính cần sử dụng

Các thuộc tính trigger thu nhận ảnh:

Immediate Trigger: MatLab tự động lấy dữ liệu chuyển vào bộ đệm

ngay sau lệnh start Nếu ta thiết lập là manual, MatLab chờ lệnh gọi trigger

(lệnh này phải đƣợc gọi sau khoảng thời gian khởi tạo)

 Manual Trigger: dữ liệu cần đƣợc tính toán chỉ khi trigger đƣợc khời

động

 Hardware Trigger

Hình 23: Sơ đồ thu nhận ảnh