Hệ thống phân loại cà chua dựa theo màu sắc sử dụng PLC s7 1200

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o -Tp HCM, ngày 03 tháng 07 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Khánh Hưng MSSV: 14141143 Hồng Như Ý MSSV: 14141380 Chun ngành: Cơng nghệ kỹ thuật điện - điện tử truyền thông Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học quy Mã hệ: Khóa: 2014 Lớp: 14141DT1C 14141DT1C I TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG PHÂN LOẠI CÀ CHUA THEO MÀU SẮC SỬ DỤNG PLC S7 - 1200 II NHIỆM VỤ Nội dung thực hiện:  Nội dung 1: Tìm hiểu module TCS3200, PLC S7 – 1200, Arduino UNO R3  Nội dung 2: Nhận biết màu sắc cà chua  Nội dung 3: Thiết kế khối nhận biết màu sắc  Nội dung 4: Thiết kế mơ hình tồn hệ thống  Nội dung 5: Thi công hệ thống điện  Nội dung 6: Viết chương trình điều khiển cho hệ thống  Nội dung 7: Thiết kế giao diện giám sát SCADA  Nội dung 8: Đánh giá kết thực III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/04/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2018 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ThS Nguyễn Tấn Đời BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH i TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o -Tp HCM, ngày 03 tháng 07 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Trần Khánh Hưng Lớp:14141DT1C Họ tên sinh viên 2: Hoàng Như Ý Lớp: 14141DT1C MSSV: 14141143 MSSV: 14141380 Tên đề tài: Hệ thống phân loại cà chua theo màu sắc sử dụng PLC S7 - 1200 Tuần/ngày Tuần (0208/04/2018) Tuần (0915/04/2018) Tuần (1622/04/2018) Tuần (23/4 29 /04/2018) Tuần 5,6 (30/4 13/05/2018) Tuần 7,8,9,10 (14/5 10/06/2018) Tuần 11,12 (11 24/06/2018) Tuần 13 (25/6 1/07/2018) 02/07/2018 Nội dung Xác nhận GVHD Nhận đồ án, tìm hiểu đề tài Tìm hiểu nội dung hướng làm đề tài việc điều khiển hệ thống PLC Tìm hiểu PLC S7 - 1200 Tiến hành thiết kế phần cứng cho khối cảm biến màu sắc Tiến hành thiết kế phần cứng cho tồn hệ thống Tiến hành lập trình cho hệ thống Thiết kế giao diện giám sát SCADA Viết báo cáo, kiểm tra phần cứng Hoàn thành nhiệm vụ đồ án GV HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) ii LỜI CAM ĐOAN Đề tài tự thực dựa vào số tài liệu không chép từ tài liệu hay cơng trình có trước Nếu có lận chúng tơi xin chịu trách nhiệm nội dung đồ án Người thực Trần Khánh Hưng Hoàng Như Ý iii LỜI CẢM ƠN  Lời em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung, thầy khoa Điện – Điện Tử nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương mơn chun ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Em xin gửi lời tri ân biết ơn sâu sắc đến ThS Nguyễn Tấn Đời người tận tình hướng dẫn, bảo em suốt trình làm khoá luận Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập hồn thành khố luận tốt nghiệp Sinh viên thực đồ án Trần Khánh Hưng Hoàng Như Ý iv MỤC LỤC Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp i Lịch trình thực đồ án tốt nghiệp ii Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Mục lục v Liệt kê hình vẽ viii Liệt kê bảng x Tóm tắt xi Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu 1.3 Nội dung nghiên cứu .1 1.4 Giới hạn 1.5 Bố cục Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT .4 2.1 Tổng quan hệ thống phân loại cà chua 2.2 Nguyên tắc phân loại cà chua 2.2.1 Phân loại theo kích thước 2.2.2 Phân loại theo màu sắc 2.2.3 Phân loại theo khối lượng 2.3 Tổng quan PLC PLC S7-1200 2.3.1 Tổng quan PLC .4 2.3.2 Giới thiệu PLC S7- 1200 2.4 Giới thiệu chung Arduino 13 2.4.1 Giới thiệu chung vào Arduino 13 2.4.2 Giới thiệu chung Arduino Uno R3 .14 2.5 Hệ thống điều khiển điện khí- nén 16 2.5.1 Những đặc điểm .16 2.5.2 Cấu trúc hệ thống khí nén 17 2.6 Giới thiệu cảm biến màu sắc TCS3200 19 v 2.6.1 Tổng quan 19 2.6.2 Đặc điểm 19 2.6.3 Nguyên lý hoạt động cảm biến mầu linh kiện điện tử TCS3200 .20 2.6.4 Arduino giao tiếp với cảm biến màu sắc TCS3200 22 2.7 Giới thiệu cảm biến vật cản hồng ngoại .22 2.7.1 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F- DS30C4 22 2.7.2 Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK .24 2.8 Một số linh kiện khác 26 2.8.1 Động DC .26 2.8.2 Led đơn 27 2.8.3 Nút nhấn 27 2.8.4 Nút dừng khẩn cấp 28 2.8.5 MCB 28 2.8.6 Opto PC817 .28 Chương TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 30 3.1 Mơ hình hệ thống .30 3.1.1 Giới thiệu hệ thống .30 3.1.2 Chức phần .30 3.2 Tính toán thiết kế hệ thống 30 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .30 3.2.2 Tính tốn thiết kế khối 31 3.2.3 Sơ đồ kết nối PLC với toàn hệ thống 44 Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 45 4.1 Giới thiệu 45 4.2 Thi công hệ thống 45 4.2.1 Thi công bo mạch 45 4.2.2 Lắp đặt kiểm tra 49 4.2.3 Thi cơng mơ hình 51 4.3 Lập trình hệ thống 52 4.3.1 Lưu đồ giải thuật .53 4.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển (Arduino Uno R3) 54 4.3.3 Phần mềm lập trình cho PLC 56 Chương KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ .63 vi 5.1 Kết .63 5.1.1 Kết nghiên cứu: 63 5.1.2 Kết thi công 63 5.2 Nhận xét- đánh giá 65 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 66 6.1 Kết luận 66 6.2 Hướng phát triển 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC 69 vii LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình Tổng quan PCL S7- 1200 Hình 2 Bảng tín hiệu PLC S7- 1200 12 Hình Các Module tín hiệu PLC S7- 1200 12 Hình Các module truyền thông PLC S7- 1200 13 Hình ARDUINO UNO R3 14 Hình Cấu trúc hệ thống điều khiển khí nén 18 Hình Hệ thống điện - khí nén 18 Hình Cảm biến màu sắc TCS 3200 19 Hình Cấu tạo cảm biến TCS3200 .20 Hình 10 Mơ tả tổng quan cảm biến vật cản hồng ngoại 23 Hình 11 Sơ đồ kết nối cảm biến vật cản hổng ngoại 23 Hình 12 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F- DS30C4 24 Hình 13 Cảm biến vật cản hồng ngoại E18- D80NK .25 Hình 14 Động DC 12V 26 Hình 15 Led đơn 27 Hình 16 Nút nhấn 27 Hình 17 Nút dừng khẩn cấp 28 Hình 18 MCB .28 Hình 19 Sơ đồ chân PC817 .29 Hình Mơ hình chung hệ thống 30 Hình Sơ đồ khối hệ thống 31 Hình 3 Kết nối cảm biến E18-D30NK với Arduino Uno R3 .32 Hình Sơ đồ kết nối cảm biến màu TCS3200 33 Hình Sơ đồ kết nối Arduino 34 Hình Mô tả tổng quan cảm biến vật cản hồng ngoại 35 Hình Sơ đồ nối dây cảm biến vật cản hổng ngoại 35 Hình Mạch công suất giao tiếp cảm biến E3F- DS30C4 với PLC 36 Hình Sơ đồ kết nối từ mạch công suất với ngõ vào PLC 36 Hình 10 Sơ đồ kết nối động với PLC 37 Hình 11: Cấu tạo cấu xi lanh khí nén 37 Hình 12 Xilanh khí nén 38 Hình 13: Van điện từ .39 Hình 14 Van điện từ 5/2 .39 Hình 15 Sơ đồ kết nối van điện từ 5/2 với PLC 40 Hình 16 PLC S7-1200 CPU 1214C .40 Hình 17 Sơ đồ ngõ vào, nguồn hoạt động PLC S7-1200 CPU 1214C 41 Hình 18 Adapter 9V-1A .42 Hình 19 Nguồn 12VDC .42 Hình 20 Nguồn 24VDC .43 Hình 21 Mạch giảm áp LM2596 43 Hình 22 Sơ đồ kết nối toàn hệ thống 44 Hình 23 Mạch động lực xilanh 44 viii Hình Thiết kế mạch in mạch công suất giao tiếp Arduino với PLC 45 Hình Mạch in mạch cơng suất giao tiếp Arduino với PLC 46 Hình Hình 3D mặt bố trí linh kiện .46 Hình 4 Hình 3D mặt bố trí linh kiện 47 Hình Thiết kế mạch in mạch công suất giao tiếp cảm biến E3FDS30C4 với PLC 48 Hình Mạch in mạch công suất giao tiếp cảm biến E3F- DS30C4 với PLC 48 Hình Hình 3D mặt bố trí linh kiện .49 Hình Hình 3D mặt bố trí linh kiện 49 Hình Mạch xử lý kết nối màu sắc điều khiển khối công suất 50 Hình 10 Mạch cơng suất giao tiếp cảm biến E3F-DS30C4 với PLC 50 Hình 11 Mặt trước tủ điện .50 Hình 12 Bên tủ điện 51 Hình 13 Vị trí đặt khối nguồn 51 Hình 14 Mặt trước sau hệ thống .52 Hình 15 Mặt bên hệ thống .52 Hình 16 Lưu đồ giải thuật chương trình hệ thống 53 Hình 17 Lưu đồ giải thuật khối xử lý màu sắc .54 Hình 18 Giao diện Arduino IDE 55 Hình 19 Chương trình viết 55 Hình 20 Biểu tượng TIA Portal V14 57 Hình 21 Giao diện bắt đầu chương trình .57 Hình 22 Giao diện tạo dự án 58 Hình 23 Giao diện bắt đầu dự án 58 Hình 24 Giao diện Devices & networks 59 Hình 25 Giao diện Add new device .59 Hình 26 Giao diện làm việc 60 Hình 27 Giao diện viết chương trình 60 Hình 28 Màn hình giao diện quản lý 61 Hình 29 Màn hình Manual 61 Hình 30 Giao diện điều khiển tự động hệ thống 62 Hình 31 Màn hình thơng số hệ thống 62 Hình 1: Mặt trước mặt sau mơ 64 Hình 2: Mặt bên mơ hình 64 Hình Giao diện giám sát điều khiển (tự động) .65 ix LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng Bảng phân loại chức dòng PLC S7- 1200 Bảng 2 Bảng module hỗ trợ PLC S7- 1200 11 Bảng Thông số Mạch Arduino UNO R3 .15 Bảng Bảng sơ đồ chân .20 Bảng Bảng lựa chọn loại photodiode .21 Bảng Bảng chọn mở rộng tần số đầu 21 Bảng Cách kết nối Arduino với module TCS3200 22 Bảng Cách kết nối Arduino với cảm biến E18- D80NK 25 Bảng Bảng liệt kê linh kiện sử dụng dòng 41 Bảng Danh sách linh kiện 47 Bảng Danh sách linh kiện 49 x CHƯƠNG THI CƠNG HỆ THỐNG Hình 22 Giao diện tạo dự án Bước 4: Click chọn configure a device Hình 23 Giao diện bắt đầu dự án BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 58 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG Bước 5: Click chọn add new device Hình 24 Giao diện Devices & networks Bước 6: Chọn loại CPU PLC, sau chọn add kích đúp vào Hình 25 Giao diện Add new device BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 59 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG Bước 7: Project Hình 26 Giao diện làm việc Bước 8: Viết chương trình cho PLC: >>Program Blocks >> Main [OB1] Hình 27 Giao diện viết chương trình Như vậy, với tám bước làm việc lập trình cho PLC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 60 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG b Giao diện điều khiển Hình 28 Màn hình giao diện quản lý Hình 29 Màn hình Manual BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 61 CHƯƠNG THI CƠNG HỆ THỐNG Hình 30 Giao diện điều khiển tự động hệ thống Hình 31 Màn hình thơng số hệ thống BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 62 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ Chương KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ 5.1 KẾT QUẢ 5.1.1 Kết nghiên cứu: Trong vòng tháng làm đồ án, nhóm nghiên cứu đạt kết sau:  Nghiên cứu sâu Arduino UNO R3  Nghiên cứu sâu dòng PLC đặc biệt dòng S7 - 1200  Nghiên cứu sử dụng cảm biến màu sắc TCS3200 giao tiếp với Arduino  Nghiên cứu sử dụng cảm biến vật cản hồng ngoại E3F- DS30C4, E18D80NK giao tiếp với Arduino  Nghiên cứu số hệ thống phân loại cà chua, phân loại sản phẩm thực tế  Nghiên cứu thiết kế giao diện giám sát điều khiển Scada  Tìm hiểu biết sử dụng phần mềm phần mềm thiết kế mạch Altium, phần mềm lập trình vi điều khiển IDE phần mềm lập trình PLC – TIA Portal 5.1.2 Kết thi công Kết phần cứng Qua trình thiết kế phần cứng, chọn lựa linh kiện, nhóm tiến hành kiểm tra kết nối module, linh kiện với cho mơ hình phân loại cà chua theo màu sắc sử dụng PLC S7 -1200 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 63 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ Hình 1: Mặt trước mặt sau mơ Hình 2: Mặt bên mơ hình BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH 64 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ Kết giao diện giám sát điều khiển Hình Giao diện giám sát điều khiển (tự động) 5.2 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ Các nội dung đạt so với yêu cầu đặt ra:  Trong 100 lần thử có 86 lần hệ thống xử lý yêu cầu Suy hiệu suất hệ thống nằm khoảng 86% ± 3%  Tạo giao diện quản lý SCADA để giám sát hệ thống  Giao diện SCADA đơn giản, dễ sử dụng  Bộ phận đẩy cà chua đẩy xanh vàng nên ảnh hưởng đến chất lượng sau phân loại BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 65 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN Sau tháng thực đề tài với nhiều cố gắng nổ lực nhóm với tận tình hướng dẫn Thầy Nguyễn Tấn Đời, đồ án hoàn thành thời gian quy định theo yêu cầu đặt nhận biết phân loại cà chua Các nội dung mà nhóm thực thiết kế thi cơng mơ hình phân loại cà chưa theo màu sắc, dựa theo thông số đầu vào cảm biến nhận biết màu sắc Tuy nhiên nhóm chưa thể tạo hệ thống xác hồn tồn phần tính tốn thiết kế nhiều sai sót Nhìn chung đề tài hoàn thành mức Trong trình làm đồ án, sinh viên rút nhiều kinh nghiệm để tạo sản phẩm hoàn thiện như: đầu tư thời gian, linh kiện thị trường, hiểu biết linh kiện thiết kế board mạch, … Nhận xét đánh giá: Giao diện lý trực quan, dễ giám sát sử dụng thuận tiện việc giám sát điều khiển hệ thống Mơ hình phần cứng bố trí phù hợp, gọn gàng, dễ chỉnh sửa Độ sai số cảm biến mơ hình nằm phạm vi cho phép 3% Hiệu suất đạt nằm vào khoảng 86% ± 3% chưa đạt tối đa Vòng cuộn lấy cà chua dễ bị kẹt Kết nêu thực khoảng 90% so với mục tiêu đặt số lỗi nhỏ trình hoạt động hệ thống 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Một số hướng phát triển để hoàn thiện đề tài: - Kết nối Web Server giám sát thông số - Thiết kế giao diện Web để quản lý hệ thống từ xa - Mở rộng thêm khâu khác hệ thống như: khâu rửa, đóng thùng… - Sử dụng camera để nhận biết màu cà chua BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 66 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN - Mở rộng hệ thống để phân loại thêm nhiều nơng sản sản phẩm khác - Tăng hiệu suất tốc độ hệ thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Vi xử lý – Nguyễn Đình Phú, Trương Ngọc Anh [2] Giáo trình Kỹ thuật số - Nguyễn Việt Hùng, Hà A Thồi [3] S7-1200 Programmable controller - System Manual – SIEMENS [4] http://arduino.vn/ [5] https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/43368/SHARP/PC817.html [6] https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/454462/TAOS/TCS3200.html [7] http://hshop.vn/products/cam-bien-vat-can-hong-ngoai-e18-d80nk-4 [8] http://hshop.vn/products/cam-bien-vat-can-hong-ngoai-e3f-ds30c4-4 [9] http://linhkienvn.com/cam-bien-khoang-cach-e3fds30c4-530cm-p583814.html [10] https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/134372/ETC1/LM2596.html [11] http://thuykhicongnghiep.vn/van-dien-tu-la-gi-cau-tao-va-nguyen-ly-hoatdong-post114.html [12] https://medium.com/@thydng_95970/xi-lanh-khi-nen-la-gi-cau-tao-thong-sova-c%C3%A1ch-tinh-toan-cua-xi-lanh-e569003213d2 [13] https://www.hackster.io/mjrobot/arduino-color-detection-57e4ce BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 68 PHỤ LỤC Code Arduino IDE cho khối xử lý màu sắc: #define limit 90 #define threshhold 23 #define read_button digitalRead(3) const int s0 = 8; const int s1 = 9; const int s2 = 11; const int s3 = 12; const int out = 10; int redLed = 4; int yellowLed = 5; int greenLed = 6; unsigned long red = 0; unsigned long green = 0; int delta; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(s0, OUTPUT); pinMode(s1, OUTPUT); pinMode(s2, OUTPUT); pinMode(s3, OUTPUT); pinMode(out, INPUT); pinMode(3, INPUT); pinMode(redLed, OUTPUT); pinMode(greenLed, OUTPUT); pinMode(yellowLed, OUTPUT); digitalWrite(redLed, LOW); digitalWrite(greenLed, LOW); digitalWrite(yellowLed, LOW); BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 69 digitalWrite(s0, HIGH); digitalWrite(s1, HIGH); digitalWrite(s2, HIGH); digitalWrite(s3, LOW); } void Redphoto() { digitalWrite(s2, LOW); digitalWrite(s3, LOW); } void Greenphoto() { digitalWrite(s2, HIGH); digitalWrite(s3, HIGH); } void loop() { if(read_button == 0) { color(); Tomatoclassify(); red= 0; green =0; } } void Tomatoclassify() { Serial.print("R :"); Serial.print(red); Serial.print(" G : "); Serial.print(green); if( green threshhold ) { Serial.println(" - (Red Tomato)"); digitalWrite(redLed, HIGH); digitalWrite(greenLed, LOW); digitalWrite(yellowLed, LOW); } else if (delta>6&&delta