b. Khối xử lí ảnh [6]
Hình 2.7 Khối Vision Assistant xử lí ảnh
Xử lí ảnh: Trong thư viện này cung cấp rất nhiều khối chức năng thực hiện cho xử lí ảnh điển hình là khối Vision Assistant, khối cung cấp công cụ cho việc phân tích hình học các vật, biểu đồ màu sắc, các bộ lọc, xử lí màu sắc, các bộ phân tích ảnh, các hàm toán học giúp việc nhân chia cộng trừ các tham số trong ảnh, làm mịn ảnh cũng như lựa chọn vùng ảnh cần phân tích. Ngồi ra cịn có rất nhiều các cơng cụ khác khi tải trên thư viện của người sử dụng trên khắp thế giới như là dynamic microscopy in brain research, image averaging with LabVIEW, and quicktime for LabVIEW.
Pattern matching (đối chiếu mẫu): là một công cụ xử lý ảnh xác định vùng của ảnh xám khớp với ảnh mẫu. Pattern matching đối chiếu được với mẫu dù trong điều kiện thiếu sáng, mờ, nhiễu, mẫu di chuyển hoặc bị xoay. Pattern matching là một trong những hàm xử lí quan trọng trong xử lí ảnh bởi vì ứng dụng đa dạng của phương thức này:
Căn chỉnh xác định vị trí và hướng của vật thể bằng cách xác định điểm chuẩn.
Đo lường: đo chiều dài, đường kính, góc và các kích thước khác
Kiểm tra, phát hiện khuyết điểm ví dụ như thiếu sót thành phần, bộ phận hoặc những bản in không thể đọc
Cung cấp thơng tin về số lượng và vị trí của mẫu ở trong ảnh.
Ví dụ ứng dụng trong mạch in: kiểm tra và căn chỉnh vị trí chip trên bo mạch điện tử. Ứng dụng trong đo đạc xác định sau đó tính tốn, đo khoảng cách giữa các vật thể. Nếu phép đo ở trong khoảng đặt trước thì vật thể được nhận là đạt yêu cầu, nếu ở ngồi khoảng thì loại. Pattern matching là một trong những bước đầu tiên trong ứng dụng thị giác máy, nó nên hoạt động tốt dưới nhiều điều kiện. Trong ứng dụng thị giác máy tự động, hình ảnh hiển thị của vật liệu hoặc thành phần khi kiểm tra có thể thay đổi vì nhiều yếu tố như hướng của vật, thay đổi mức phóng đại, điều kiện ánh sáng. Pattern matching luôn giữ được khả năng nhận diện dù những ảnh hưởng của những điều kiện trên.
Mẫu vật xoay và xử lí đa điểm: Pattern matching có thể xác định được mẫu cho dù vật thể bị xoay hoặc phóng to, nhỏ trong ảnh.
Vật mẫu trong ảnh
Vị trí của vật trong ảnh
Hướng của mẫu
Nhiều mẫu vật trong ảnh (nếu có)
Trong mơi trường thiếu ánh sáng: Pattern matching có thể nhận dạng được mẫu trong ảnh ở điều kiện ánh sáng luôn thay đổi trong suốt q trình xử lí.
Tình trạng mờ và nhiễu: Pattern matching có thể nhận diện mẫu trong những trường hợp bị mờ hoặc nhiễu do độ focus của camera hoặc độ sâu của vùng hoạt động.
Các kĩ thuật pattern matching:
+ Cross Correlation (tương quan chéo): Chuẩn hóa tương quan chéo là cách phổ biến nhất để tìm mẫu trên ảnh. Vì ngun lí cơ bản của tương quan dựa trên một loạt nhiều phép nhân, biến xử lí tương quan là thời gian hoạt động. Những cơng nghệ như MMX (multimedia Extensions) cho phép làm đồng thời nhiều phép nhân và giảm tổng thời gian xử lí. Có thể tăng tốc độ nhận diện bằng cách giảm kích thước ảnh và tối giản vùng nhận diện. Tuy nhiên, phép chuẩn hóa tương quan chéo khơng đáp ứng tốc độ yêu cầu của nhiều ứng dụng.
+ Pyramidal matching (khớp kim tự tháp): có thể giảm cải thiện thời gian tính tốn bằng cách giảm kích thước ảnh và mẫu vật. Kĩ thuật như vậy gọi là pyramidal matching. Trong kĩ thuật này cả ảnh và mẫu đều được chia ra lấy mẫu ở độ phân giải miền khơng gian nhỏ hơn. Ảnh có thể bị giảm kích thước bằng ¼ ban đầu. Việc đối chiếu được thực hiện trong lần giảm kích thước đầu tiên. Khi đối chiếu hoàn tất chỉ vùng với độ trùng khớp cao mới được cho là vùng khớp với ảnh gốc.
+ Scale-invariant matching (đối chiếu tỉ lệ bất biến): với cách thức này phải lặp lại q trình điều chỉnh kích thước ảnh sau đó dùng phương pháp tương quan ảnh. Việc này sẽ tạo ra một lượng lớn phép tính vào q trình xử lí. Nếu có một dấu hiệu về sự xoay chuyển ảnh có thể đơn giản xoay ảnh và dùng tương quan. Tuy nhiên nếu việc xoay ảnh chưa xác định rõ thì việc tìm mẫu khớp thật u cầu phải xoay tồn bộ ảnh.
Các phương pháp mới chẳng hạn những cái được sử dụng trong IMAQ vision đã cố gắng kết hợp kĩ thuật hiểu ảnh để diễn giải thơng tin mẫu sau đó dùng thơng tin này để tìm mẫu trong ảnh. Hiểu ảnh đề cập đến kĩ thuật xử lí ảnh mà xuất ra thơng tin về đặc tính của ảnh mẫu. Các kĩ thuật bao gồm:
Mơ hình hình học của ảnh
Hiệu quả mẫu hình khơng đồng nhất
Trích xuất thơng tin mẫu ảnh khơng phụ thuộc vào góc xoay hay tỉ lệ ảnh Các kĩ thuật trên giảm lượng thông tin cần để mô tả đầy đủ ảnh hoặc mẫu vật, qua đó tăng tốc độ tìm kiếm xử lí. Đồng thời trích xuất thông tin cần thiết từ mẫu và loại bỏ nhiễu và thông tin không cần thiết sẽ cho ra những tìm kiếm chính xác.
Một kĩ thuật pattern matching dùng mẫu không đồng nhất. Khi mà phần lớn ảnh chứa những thơng tin khơng hữu ích, nếu dùng tất cả các thơng tin đó để xử lí sẽ mất thời gian và giảm độ chính xác. Cải thiện tốc độ và độ chính xác bằng cách tách ra một vài điểm để biểu thị cho ảnh cần xử lí.
Một số phương pháp nhận dạng ảnh trong đồ án này sử dụng như:
Color matching (đối chiếu màu): phương pháp này định lượng màu và xem có bao nhiêu màu trong một ảnh và dùng thơng tin đó để kiểm tra ảnh khác có bao gồm màu đó với tỉ lệ tương ứng. Ứng dụng phương pháp này cho việc kiểm tra màu, kiểm tra ví trí vật thể có màu tương ứng và một số ứng dụng khác yêu cầu so sánh màu của ảnh.
Color location (vị trí màu): dùng để xác định vị trí vùng màu trong ảnh. Các ứng dụng: kiểm tra lỗi như thiếu sót thành phần của một chi tiết hoặc lỗi sai trên bản vẽ, phân loại dựa vào các tiêu chí như màu, hình dạng, kích thước, nhận diện vật thể sau đó gắn tên nhãn.
2.3 Truyền thông OPC 2.3.1 Khái niệm 2.3.1 Khái niệm
OPC là 1 chuẩn giao tiếp dữ liệu giữa các phần mềm, theo cơ chế client-sever, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để đảm bảo tính linh hoạt và tương thích giữa các thành phần (có xuất xứ từ nhiều nhà sản xuất khác nhau). Một trong những phiên bản mới nhất của OPC là OPC UA (kiến trúc hợp nhất) là giao thức đa nền tảng cho giao tiếp giữa máy với máy như tiếng Anh và mặt khác phiên bản cũ hơn của OPC là OPC DA (truy cập dữ liệu) khơng tương thích với đa nền tảng. Do mục đích của hệ thống cần truy cập dữ liệu từ client nên với đề tài này nhóm sử dụng OPC DA làm phương thức truyền thông từ Client đến máy chủ (KepServer).
Giao thức OPC DA (giao thức truy cập dữ liệu) là giao thức cơ bản nhất của OPC. OPC DA giải quyết các vấn đề về sự phù hợp dữ liệu giữa các nền tảng khác nhau và giảm chi phí phát triển và bảo trì phần mềm. Cách biểu thị dữ liệu cho DA được hoạt động bằng cách đầu tiên giá trị tức thời là chính dữ liệu cùng với tên đi kèm và thơng tin khác đi kèm với nó, sau đó cung cấp chính xác giá trị được đọc, thơng tin liên quan đến tính hợp lệ của dữ liệu [7]
2.3.2 Ngun lí hoạt động
Đặc tả OPC mơ tả giao diện giữa máy khách và máy chủ, máy chủ và máy chủ, bao gồm quyền truy cập dữ liệu thời gian thực, giám sát các báo động và sự kiện, truy cập dữ liệu lịch sử và các ứng dụng khác.
Kịch bản kết nối OPC cổ điển là một kết nối máy chủ-máy khách trên một máy tính, ngồi ra cũng có các tuỳ chọn khác:
Kết nối máy khách OPC với một số máy chủ OPC. Đây được gọi là tập hợp OPC.
Kết nối máy khách OPC với OPC server qua mạng. Điều này có thể được thực hiện với đường hầm OPC.
Kết nối máy chủ OPC với máy chủ OPC khác để chia sẻ dữ liệu. Điều này được gọi là bắc cầu OPC.
OPC DataHub được thiết kế dành riêng cho tất cả các tác vụ này. Một sự kết hợp giữa OPC server và máy khách OPC hỗ trợ nhiều kết nối. Do đó, nó có thể kết nối với nhiều máy chủ OPC cùng lúc để tổng hợp và bắc cầu OPC. Hai OPC DataHub có thể phản ánh dữ liệu qua mạng TCP để cung cấp đường hầm OPC [7]
2.3.3 Lợi ích khi sử dụng tiêu chuẩn OPC
Giảm tải cho thiết bị phần cứng.
Tăng khả năng mở rộng của hệ thống.
Do máy chủ OPC, các ứng dụng khách khơng cần biết gì về chi tiết giao thức phần cứng.
Mặc dù thiết bị không cần phục vụ nhiều khách hàng, nhưng tuổi thọ của thiết bị tăng lên.
Khả năng tương tác (Unix/Linux và Windows - cả hai nền tảng đều được OPC
2.4 Kết luận chương
Chương này sẽ trình bày nội dung về các hệ thống phân loại có trên thị trường, cơ sở lý thuyết về PLC, xử lý ảnh dùng labview, truyền thông OPC, giao diện giám sát trên wincc, HMI của Labview… Qua chương này chúng ta đã nắm được rõ về phần lý thuyết và tất cả những kiến thức liên quan đến phần mềm để có thể tiến hành lập trình cho hệ thống của chúng ta, cụ thể hơn đó là kiến thức về lập trình PLC.
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
3.1 Tính tốn và thiết kế phần cứng
Mơ hình hệ thống với các sản phẩm là các phơi cấp hình hộp chữ nhật có kích thước bằng nhau và khối hộp để đựng các phôi cấp. Mục tiêu của hệ thống là có thể phân loại các sản phẩm khối hộp có kích thước 50x50x55(mm), hình dạng bề mặt giống nhau, nhận diện được sản phẩm bị sai so với hình dạng chuẩn.
Hình 3.2 Phơi sai màu sắc dùng để phân loại
Hình 3.3 Khối hộp để đựng phơi
Hệ thống có thể phân loại sản phẩm khi sản phẩm đựng vào khối hộp có kích thước 66x60x62(mm), khối hộp có sản phẩm bị sai màu sắc, hoặc khối hộp bị sai mã barcode. Từ đó xác định được lỗi của sản phẩm đạt chuẩn hay bị lỗi và tiến hành phân loại.
Sản phẩm bị sai màu sắc là sản phẩm đựng trong hộp khác với màu đạt chuẩn, cụ thể là sản phẩm khác với màu đỏ, sản phẩm bị sai mã barcode là sản phẩm có mã barcode bị nhăn, sai mã vạch, khơng thể nhận diện. Từ đó việc phân loại sản phẩm được chia làm 3 loại: sản phẩm sai mã barcode, sản phẩm sai màu sắc và sản phẩm đạt chuẩn.
Hình 3. 5 Sản phẩm đạt chuẩn
Việc đảm bảo phân loại sản phẩm chính xác cần đảm bảo:
- Băng tải đạt tốc độ ổn định để đảm bảo ít rung lắc nhất có thể khi vận hành. - Sản phẩm là các hình hộp có kích thước chuẩn để bỏ vào hộp cho phù hợp.
- Việc phát hiện và kiểm tra barcode cần đảm bảo độ sáng tối ưu để camera
cho hình ảnh tốt nhất.
3.2 Thiết kế hệ thống 3.2.1 Quy trình cơng nghệ 3.2.1 Quy trình cơng nghệ
Yêu cầu công nghệ:
Sử dụng PLC S7 – 1200 để lập trình và điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lí ảnh.
Gồm 3 sản phẩm:
Sản phẩm đạt chuẩn: đúng mã Barcode và đúng màu sắc (màu đỏ)
Sản phẩm sai mã Barcode: đúng màu sắc (màu đỏ) và sai mã Barcode
Sản phẩm sai màu sắc: đúng mã Barcode và sai màu sắc (màu vàng) Quy trình hệ thống:
Hình 3.6 Quy trình cơng nghệ hệ thống 3.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống 3.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 3.7 Sơ đồ khối của hệ thống
- Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống - Nút nhấn, ngõ vào ra tác động:
+ Ngõ vào gồm nút nhấn để tác động vào hệ thống hoạt động, dừng, dừng khẩn cấp, cảm biến quang giúp phát hiện sản phẩm đến hành trình hay chưa. + Ngõ ra đèn bảo hiệu trạng thái hệ thống, van khí nén để điều khiển xilanh khí nén.
- Tín hiệu hình ảnh từ camera: truyền hình ảnh từ camera đến labview
- Khối xử lý Labview: thu nhận hình ảnh, xử lý ảnh màu sắc sản phẩm và quét barcode gửi tín hiệu về PLC.
- Khối xử lý PLC:
+ Thu nhận tín hiệu nút nhấn, cảm biến tác động vào ngõ ra động cơ, đèn, xilanh hệ thống
+ Thu nhận tín hiệu từ Labview để xác định sản phẩm thuộc loại nào. + Gửi tín hiệu về Labview và Wincc
- Giao diện giám sát Wincc: nhận tín hiệu từ PLC, hiển thị lên giao diện được thiết kế giám sát.
3.3 Bảng phân công đầu ra đầu vào
Tên Địa chỉ Start I0.0 Stop I0.1 E_Stop I0.2 CB 1 I0.3 CB 2 I0.4 CB 3 I0.5 Reset I0.6 Động cơ băng tải Q0.0
Xy lanh 1 Q0.1 Xy lanh 2 Q0.2 Đèn xanh Q0.3 Đèn đỏ Q0.4
3.4 Tổng quan phần cứng 3.4.1 PLC 3.4.1 PLC
PLC là từ viết tắt của “Programmable logic controller” được dịch sang tiếng việt là bộ điều khiển logic khả trình, hay được gọi là bộ điều khiển lập trình. PLC cho phép sử dụng linh hoạt các thuật tốn điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình để thực hiện các sự kiện theo một quy trình. Trong thực tế, chúng ta có thể hiểu PLC như một cụm các relay được tập hợp, thu nhỏ lại và được nâng cấp, thông minh hơn (smart relay). Ngơn ngữ lập trình PLC rất phong phú và đa dạng, tuy nhiên phổ biến nhất là ladder, state logic, C.
PLC được nhiều hãng chế tạo, và mỗi hãng có nhiều họ khác nhau, và có nhiều phiên bản trong mỗi họ, chúng khác nhau về tính năng và giá thành, phù hợp với bài toán đơn giản hay phức tạp. Ngồi ra cịn có các bộ ghép mở rộng cho phép ghép nhiều bộ PLC nhỏ để thực hiện các chức năng phức tạp, hay giao tiếp với máy tính tạo thành một mạng tích hợp, việc thực hiện theo dõi, kiểm tra, điều khiển một quá trình cơng nghệ phức tạp hay tồn bộ một phân xưởng sản xuất. [8]
a. Cấu tạo của PLC
Hình 3.8 Cấu tạo của PLC
Trái tim của hệ thống PLC là CPU (Central Processing Unit “Bộ xử lý trung tâm”). Nó được tạo thành từ một thành phần điều khiển và bộ xử lý. Bộ điều khiển CPU quản lý sự tương tác giữa các thành phần phần cứng
PLC khác nhau trong khi bộ xử lý CPU xử lý tất cả việc xử lý số và thực thi chương trình (ví dụ: ladder logic).
Luồng dữ liệu là từ các thiết bị đầu vào (input devices), qua bộ xử lý CPU (CPU processor) và sau đó đến các thiết bị đầu ra (output devices). Bộ xử lý CPU cũng trao đổi dữ liệu với chương trình và bộ nhớ dữ liệu (program & data memory). Khi tất cả dữ liệu được thu thập, chương trình được xử lý theo kiểu tuần hoàn. Dữ liệu kết quả xuất đến giao diện đầu ra để điều chỉnh và thực thi điều khiển các thiết bị đầu ra.
CPU cũng kiểm soát và trao đổi dữ liệu với giao diện truyền thông (communication interface) và các thiết bị khác.
Một hệ thống giải quyết (addressing system) được sử dụng để tổ chức dữ liệu được chia sẻ giữa các thành phần phần cứng khác nhau.
Một thiết bị đầu cuối lập trình (programming terminal) được sử dụng để viết chương trình PLC, tải chương trình vào bộ điều khiển và giám sát/điều khiển PLC và chương trình của nó.
Bộ nguồn (power supply) chịu trách nhiệm cung cấp và quản lý các yêu cầu năng lượng cho các thành phần phần cứng PLC khác nhau.
b. Nguyên lí hoạt động
PLC nhận thông tin từ các cảm biến được kết nối hoặc thiết bị đầu vào, xử lí dữ liệu và kích hoạt đầu ra dựa trên các tham số được lập trình sẵn. Tùy thuộc vào