Chức năng Mô tả
Bậc 1 của cánh tay
Bậc 1 xoay tại chỗ Góc xoay từ 0-180 độ Có cảm biến vị trí
Điều khiển bằng van khí nén 5/3 Bậc 2 của cánh tay
Bậc 2 tịnh tiến theo chiều ngang Hành trình 0-20cm
Có cảm biến vị trí
Điều khiển bằng van khí nén 5/3 Bậc 3 của cánh tay
Bậc 3 tịnh tiến theo chiều dọc Hành trình 0-5cm
Điều khiển bằng van khí nén 5/2 Băng tải
Băng tải chuyển động đều với vận tốc 1 – 10(cm/s) Có cảm biến dừng tại vị trí gắp
Có mạch điều khiển tốc độ
Hình 61. Cấu thành hệ thống khí nén
Hệ thống băng tải là bộ phận vô cùng quan trọng trong hệ thống dây chuyền sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp. Hệ thống băng tải nhờ những tính năng ưu việt đã có nhiều sự ứng dụng quan trọng sự phát triển của các doanh nghiệp sản xuất. Băng tải là thiết bị dùng để tối ưu hóa quy trình sản xuất của doanh nghiệp nhằm nâng cao tính cạnh tranh trên thương trường thơng qua việc tự động hóa các khâu sản xuất giúp giảm thiểu nhân công và gia tăng khối lượng thành phẩm. Các hệ thống băng tải được áp dụng rất rộng rãi trong trong việc vận chuyển vật liệu, hàng hóa tới những bộ phận được chỉ định sẵn. Đặc biệt như tải linh kiện điện tử, vật liệu, thủy sản, nông sản, đồ gia dụng... Sử dụng hệ thống băng tải trong sản xuất là phương án sống còn của doanh nghiệp hiện nay. Với khoản đầu tư không lớn nhưng năng suất lao động tăng lên kéo
67
theo giá thành sản phẩm giảm đáng kể do tiết kiệm được chi phí nhân cơng. Chất lượng sản phẩm cũng tăng lên nhờ tránh được sai sót của người lao động.
Hình 62. Băng tải trong nhà máy dùng để vận chuyển
Một hệ thống băng tải cơ bản được cấu thành từ những bộ phận sau:
Khung băng tải: có kết cấu bằng vật liệu nhẹ và linh hoạt trong lắp ráp. Thông thường được làm bằng thép sơn tĩnh điện, inox hoặc nhơm định hình.
Động cơ dùng để giảm tốc: Có cơng suất 0.2KW, 0.4KW, 0.75KW, 1.5KW, 2.2KW.
Bộ điều khiển băng tải: Thường gồm có biến tần, contactor, sensor, timer, PLC…
Dây băng tải: Thường sử dụng dây băng PVC hoặc dây PU dày 2-5 (mm)
Cơ cấu truyền động gồm có: Rulo chủ động kéo, cơ cấu chống lệch băng, con lăn đỡ dây…
Bàn thao tác trên băng tải thường bằng gỗ, hoặc inox trên mặt có dán lớp nhựa PVC chống trầy xước cho sản phẩm.
Ghế ngồi làm việc được thiết kế phù hợp có khả năng tháo lắp và di chuyển
68
Hệ thống đường khí nén và đường điện có ổ cắm để lấy điện cho các máy dùng trên băng tải.
Ngoài ra thường có thêm đường điện chiếu sáng hoặc hệ thống điều khiển khí nén để cơng nhân thao tác lắp ráp.
Băng tải là 1 sản phẩm của sự sáng tạo thiết bị công nghệ tiên tiến. Là sự cải tiến vượt trội của băng tải, là một trong những thiết bị máy móc ko thể thiếu đối cùng dây chuyền chế tạo, chế biến, lắp ráp của những nhà máy với quy mô lớn. Hệ thống băng tải là thiết bị cơng nghiệp có tính kinh tế cao. với khả năng đảm nhận đồng thời các nhiệm vụ: vận chuyển và vị trí thao tác sản xuất, chế biến, lắp ráp, đóng gói. Sử dụng băng tải để có thể tiết kiệm được nhân lực lao động, diện tích nhà xưởng, đồng thời góp phần tạo nên một mơi trường sử dụng năng động, khoa học và giải phóng sức lao động mang lại hiệu quả kinh tế cao.
2. Bộ logic khả trình PLC - Giao tiếp giữa máy tính và PLC qua Snap7
a. Giới thiệu
Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) khơng giống như các bộ điều khiển thơng thường chỉ có một thuật tốn điều khiển nhất định, PLC có khả năng thay đổi các thuật tốn điều khiển tùy chỉnh do người dùng viết thơng qua một ngơn ngữ lập trình. Do đó, nó cho phép thực hiện linh hoạt mọi vấn đề kiểm sốt. Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như Siemens (Đức), Omron (Nhật), Mitsubishi (Nhật), Delta (Đài Loan)… Ngôn ngữ lập trình phổ biến là LAD (Ladder logic - Hình thang), FBD (Function Block Diagram), STL (Statement List) và Ladder logic là những ngơn ngữ lập trình PLC phổ biến nhất. PLC dựa vào các tín hiệu đầu vào và các thuật toán điều khiển bên trong do người lập trình viết ra, nó sẽ đưa ra các tín hiệu đầu ra để điều khiển các thiết bị khác. Ngày nay, các hệ thống điều khiển hiện đại khơng thể thiếu PLC, nó được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực điện tự động hóa, phục vụ cho nhiều ngành cơng nghiệp và máy móc như: cấp thốt nước, xử lý nước thải, giám sát năng lượng, giám sát hệ thống điện, máy đóng gói, máy chế biến thực phẩm, băng tải dòng… Bộ S7 1200 cung cấp cho người dùng tối đa 8 module tín hiệu đa dạng và 1 mạch tín hiệu cho bộ vi xử lý. Nó có khả năng mở rộng, ngồi ra cịn có 3 module giao tiếp nhờ vào các giao tiếp truyền thơng.
69
Hình 63. Module mở rộng của PLC S7 1200
Hình 64. Các module hỗ trợ có thể tương thích với S7-1200
Phần mềm dùng để lập trình PLC S7-1200 là TIA Portal. TIA Portal là phần mềm cơ sở tích hợp tất cả các phần mềm lập trình cho hệ thống truyền động điện và tự động hóa. Phần mềm tích hợp các sản phẩm SIMATIC khác nhau trong một phần mềm ứng dụng; ví dụ, Simatic Step 7 V14 để lập trình bộ điều khiển Simatic. Simatic WinCC V14 để cấu hình màn hình HMI và chạy SCADA trên máy tính, tăng năng suất và hiệu quả.
70
Hình 65. Màn hình giao diện của Tia Portal b. Giao tiếp giữa máy tính và PLC qua Snap7
Snap7 là một bộ truyền thông Ethernet đa nền tảng, hỗ trợ hệ điều hành 32/64 bit, mã nguồn mở để giao tiếp nguyên bản với PLC Siemens S7. Các CPU mới 1200/1500, S7200 cũ, LOGO 0BA7 / 0BA8 và Ổ đĩa SINAMICS (cũng được hỗ trợ một phần). Mặc dù nó đã được thiết kế để khắc phục những hạn chế của máy chủ OPC khi truyền một lượng lớn dữ liệu tốc độ cao trong các cơ sở cơng nghiệp, nó có quy mô phù hợp với các bảng mạch nhỏ dựa trên Linux hoặc mips như Raspberry PI (1 và 2), BeagleBone Black, pcDuino, CubieBoard, UDOO và ARDUINO YUN. Cấu hình của Snap 7 gồm ba thành phần chuyên biệt: Máy khách, Máy chủ và Đối tác, cho phép bạn tích hợp các hệ thống dựa trên PC của mình vào một chuỗi tự động hóa cho PLC Siemens S7.
Trong mơ hình ứng dụng này, một máy tính PC sẽ đảm nhiệm chức năng xử lí ảnh sau đó sử dụng thư viện Python-Snap7 kết nối với PLC S7-1200 để điều khiển PLC làm các công việc tiếp theo. Python-snap7 là thư viện dành cho ngôn ngữ lập trình Python và thư viện đã được thử nghiệm với Python 3.6+, trên Windows, Linux và OsX nên xét về tính tương thích chéo và hoạt động lâu dài, hệ thống này có thể duy trì và tích hợp trong cả máy tính cơng nghiệp lẫn máy tính nhúng.
71
Hình 66. Thư viện Snap7 và các nền tảng hỗ trợ Snap 7
c. Cài đặt chương trình cho băng tải
PLC cũng giống như các bộ xử lí phổ biến khác là làm việc thông qua địa chỉ (địa chỉ của biến I/O, địa chỉ của các biến đệm). Với địa chỉ I/O, PLC sử dụng địa chỉ đầu vào từ I0.0 đến I0.2, địa chỉ đầu vào từ Q0.0 đến Q0.6. Ngoài ra cịn có bộ nhớ đệm ở phân vùng địa chỉ Mx.x để làm đệm giá trị cho đầu ra/vào. Các địa chỉ này được triển khai và tổng hợp trong tab PLC Tag như hình dưới đây.
Hình 67. PLC tag lưu địa chỉ của các biến
Với Snap7, PLC sử dụng vùng nhớ Data_block_1 (DB1) để chia sẻ quyền đọc/ghi cho các thiết bị trong cùng mạng Ethernet. Máy tính PC có thể điều khiển từng bậc của cánh tay máy, điều khiển đóng mở đầu gắp, điều khiển bật tắt băng tải. Các giá trị được chia sẻ để đọc/ghi được thể hiện trong hình dưới đây.
72
Hình 68. Data_block_1 lưu địa chỉ của các biến đọc ghi thơng quan Snap7
Chương trình đầu tiên chạy trên PLC là tập lệnh điều khiển I/O của PLC S7- 1200. Các đầu ra Q0.2 đến Q0.4 có trạng thái ngược so với trạng thái của van khí nén theo thơng số thiết kế của van khí nén, vì vậy trước khi tác động đến van khí nén cần đệm đầu ra vào các biến từ M0.2 đến M0.4 tương ứng. Đầu vào I0.2 tương ứng với cảm biến khoảng cách, khi có vật chạy đến vùng làm việc của tay gắp, sẽ có tín hiệu trả về DB1 và máy tính sẽ nhận được thơng tin sau đó chuẩn bị cho công việc tiếp theo.
Chương trình tiếp theo là lệnh điều khiển trục xoay đến vị trí mà máy tính PC đưa ra. Chương trình này sử dụng một hàm đếm kết nối với cảm biến trên thân của trục xoay. Mỗi khi trục xoay đên điểm đặt trước, cảm biến sẽ trả về trạng thái logic 1 và bộ đếm tăng lên một đơn vị. Chương trình sử dụng cho cả chiều quay từ 0-180 độ và ngược lại. Vị trí dừng có thể chọn bất kỳ trên thân trục xoay như vị trí khởi động, vị trí gắp và vị trí thả của đầu gắp.
Cùng với chương trình điều khiển trục xoay là chương trình chuyển lệnh từ Snap7 vào PLC. Trên PC chỉ có thể điều khiển Data_block_1 trong khi biến I/O biến đệm không thể tác động trực tiếp. Chương trình chuyển lệnh thực hiện chuyển tiếp lệnh từ địa chỉ Data_block_1 sang các biến I/O, biến đệm từ đó tác động đến các đầu vào, đầu ra của PLC.
Tương tự trục ngang theo phương X cũng sử dụng các khối tương tự với trục xoay nhưng khác về địa chỉ: điều khiển I/O, điều khiển trục xoay, chuyển lệnh điều khiển. Đối với trục Z, đầu gắp và băng truyền chỉ sử dụng chương trình điều khiển I/O, chuyển lệnh điều khiển. Các chương trình của trục xoay được thể hiện dưới đây.
73
Hình 69. Chương trình điều khiển I/O trên PLC
74
Hình 71. Chương trình nhận lệnh điều khiển trục xoay từ PC trên PLC
3. Khối nhận diện ảnh a. Tổng quan về xử lý ảnh a. Tổng quan về xử lý ảnh
Xử lý ảnh (XLA) là đối tượng nghiên cứu của lĩnh vực thị giác máy, là quá trình biến đổi từ một ảnh ban đầu sang một ảnh mới với các đặc tính và tuân theo ý muốn của người sử dụng. Xử lý ảnh có thể gồm q trình phân tích, phân lớp các đối tượng, làm tăng chất lượng, chuyển đổi kiểu ảnh cũng như xử lý dữ liệu bằng đồ hoạ. Xử lý ảnh số là một lĩnh vực của tin học ứng dụng, nó bao gồm các phương pháp và kỹ thuật biến đổi, để truyền tải hoặc mã hố các ảnh tự nhiên.
Mục đích của xử lý ảnh gồm:
• Biến đổi ảnh làm tăng chất lượng ảnh.
• Sử dụng nội dung ảnh sau xử lí cho một ứng dụng cụ thể.
b. Quy trình xử lý ảnh
Hình 72. Các giai đoạn chính trong q trình xử lý ảnh
a. Thu nhận ảnh: Ðây là công đoạn đầu tiên mang tính quyết định đối với quá
trình XLA. Ảnh đầu vào có thể là ảnh màu hoặc ảnh trắng đen, được trích xuất từ các thiết bị như camera, sensor và máy scanner, sau đó các tín hiệu này sẽ được số hóa. Việc lựa chọn các thiết bị thu nhận ảnh sẽ phụ thuộc vào đặc tính của các đối tượng cần xử lý. Các thông số quan trọng ở khâu thu nhận này là độ phân giải, chất lượng màu, dung lượng bộ nhớ và tốc độ thu nhận ảnh của các thiết bị. Trong đề tài này, tác giả sử dụng camera stereo ZED 2.
75
b. Tiền xử lý: Ở bước này, ảnh sẽ được cải thiện về độ tương phản, khử nhiễu, khử
bóng, khử độ lệch với mục đích làm cho chất lượng ảnh trở lên tốt hơn nữa, chuẩn bị cho các bước xử lý phức tạp hơn về sau trong quá trình XLA. Quá trình này thường được thực hiện bởi các bộ lọc.
c. Phân đoạn: Phân đoạn ảnh là bước then chốt trong XLA. Giai đoạn này phân
tích ảnh thành những thành phần có cùng tính chất bất kỳ dựa theo biên hay các vùng liên thông. Tiêu chuẩn để xác định các vùng liên thơng có thể là cùng màu, cùng độ xám. Mục đích của phân đoạn ảnh là để có một bản miêu tả tổng hợp về nhiều phần tử khác nhau cấu tạo nên ảnh thơ. Vì lượng thơng tin chứa trong ảnh rất lớn, trong khi đa số các ứng dụng chúng ta chỉ cần trích một vài đặc trưng nào đó, do vậy cần có một q trình để giảm lượng thơng tin khổng lồ đó. Q trình này bao gồm phân vùng ảnh và trích chọn đặc tính chủ yếu
d. Tách các đặc tinh: Kết quả của bước phân đoạn ảnh thường được cho dưới
dạng dữ liệu điểm ảnh thơ, trong đó hàm chứa biên của một vùng ảnh, hoặc tập hợp tất cả các điểm ảnh thuộc về chính vùng ảnh đó. Trong cả hai trường hợp, sự chuyển đổi dữ liệu thô này thành một dạng thích hợp hơn cho việc xử lý trong máy tính là rất cần thiết. Ðể chuyển đổi chúng, câu hỏi đầu tiên cần phải trả lời là nên biểu diễn một vùng ảnh dưới dạng biên hay dưới dạng một vùng hoàn chỉnh gồm tất cả những điểm ảnh thuộc về nó. Biểu diễn dạng biên cho một vùng phù hợp với những ứng dụng chỉ quan tâm chủ yếu đến các đặc trưng hình dạng bên ngồi của đối tượng, ví dụ như các góc cạnh và điểm uốn trên biên chẳng hạn. Biểu diễn dạng vùng lại thích hợp cho những ứng dụng khai thác các tính chất bên trong của đối tượng, ví dụ như cấu trúc xương của nó. Sự chọn lựa cách biểu diễn thích hợp cho một vùng ảnh chỉ mới là một phần trong việc chuyển dổi dữ liệu ảnh thô sang một dạng thích hợp hơn cho các xử lý về sau.
e. Nhận dạng và phân tích: Ðây là bước cuối cùng trong quá trình XLA. Nhận
dạng ảnh có thể được nhìn nhận một cách đơn giản là việc dán nhãn cho các đối tượng trong ảnh. Ví dụ đối với nhận dạng hình dáng sản phẩm, sau xử lý ảnh ta phân loại các đối tượng có trong ảnh thành ở hình dạng như thế nào và dán cho nó một nhãn nhất định. Chúng ta cũng có thể thấy rằng, khơng phải bất kỳ một ứng dụng XLA nào cũng bắt buộc phải tuân theo tất cả các bước xử lý đã nêu ở trên, ví dụ như các ứng dụng chỉnh sửa ảnh nghệ thuật chỉ dừng lại ở bước tiền xử lý. Tùy theo ngôn ngữ và phần mềm mà người lập trình lựa chọn thì cách tiếp cận với từng cơng đoạn sẽ có độ khó dễ khác nhau. Một cách tổng quát thì những chức năng xử lý bao gồm cả nhận dạng và giải thích thường chỉ có mặt trong hệ thống phân tích ảnh tự động hoặc bán tự động, được dùng để rút trích ra những thơng tin quan trọng từ ảnh, ví dụ như các ứng dụng nhận dạng ký tự quang học, nhận dạng chữ viết tay
76
c. Giải thích thuật tốn đo kích thước vật:
Hình 73. Lưu đồ thuật tốn đo kích thước vật (a) căn chỉnh sử dụng Chessboard (b) đo kích thước vật sau khi căn chỉnh
Thuật tốn Camera Calibration (Hay cịn gọi là Camera Resectioning) là thuật tốn ước tính các thơng số của ống kính và cảm biến máy ảnh bằng cách sử dụng đầu vào thực tế (ví dụ như Checkerboard) hỗ trợ xác định các ma trận chuyển đổi và ước lượng tham số. Các thơng số này có thể sử dụng trong việc sửa độ méo ống kính khiến ảnh khơng bị cong do lỗi phần cứng, đo kích thước của một vật thể theo đơn vị đo lường độ dài hoặc xác định vị trí của máy ảnh trong mơi trường. Thuật tốn này rất hay được sử dụng trong các ứng dụng thị giác máy và thị giác Robot để phát hiện và đo lường các đối tượng cũng như chế tạo Robot, hệ thống định vị và tái tạo lại hình