Địa chỉ
Input Chức năng trong mơ hình Địa chỉ
Output Chức năng trong mơ hình I0.0 Nút Switch chuyển 2 chế độ Q0.0 Đèn Auto.
I0.1 Nút Start Q0.1 Đèn Manual.
I0.2 Nút Stop. Q0.2 Đèn E - Stop.
I0.3 Nút E-stop. Q0.3 Băng tải.
I0.4 Cảm biến vật loại 1. Q0.4 Xy lanh 1. I0.5 Cảm biến vật loại 2. Q0.5 Xy lanh 2. I0.6 Cảm biến vật loại 3. Q0.6 Xy lanh 3. I1.0 Nút nhất băng tải.
I1.1 Nút nhấn xy lanh 1. I1.2 Nút nhấn xy lanh 2. I1.3 Nút nhấn xy lanh 3.
5.2 Giản đồ thời gian
Hình 5. 1: Giản đồ thời gian chương trình chính
Tên đề tài: Ứng dụng xử lý ảnh để phân loai sản phẩm theo hình dạng, điều khiển và giám sát qua WinCC
67 SVTH: Bùi Anh Dũng
Phạm Lê Bảo Hoàng
Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân
Ở chương trình chính này, khi cấp nguồn mặc định đèn Manual sẽ sáng nên nó sẽ ở mức 1, chạy chương trình ở chế độ Manual. Khi ta bật nút Switch (Mode) thì đèn Auto sáng, đèn Manual sẽ tắt, chạy chương trình ở chế độ Auto tương ứng hiện thị mức 1 và mức 0 trên giãn đồ.Trường hợp gặp sự cố, nhấn nút E – Stop, thì đèn E – Stop sáng nhấp nháy chu kì 1s. Dừng tồn bộ hệ thống
Hình 5. 2: Giản đồ thời gian chế độ Manual
Ở chế độ Manual, đèn Manual sáng. Nhóm chọn nút nhấn là loại nút nhấn nhả nên sẽ lập trình khác so với nút nhấn giữ. Khi nhấn nút băng tải (mức 1) băng tải hoạt động (mức 1) ta nhấn thêm 1 lần nữa thì băng tải sẽ dừng (mức 0). Tương tự như 3 xilanh còn lại
Tên đề tài: Ứng dụng xử lý ảnh để phân loai sản phẩm theo hình dạng, điều khiển và giám sát qua WinCC
68 SVTH: Bùi Anh Dũng
Phạm Lê Bảo Hoàng
Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân Hình 5. 3: Giản đồ thời gian chế độ Auto
Ở chế độ Auto, đèn Auto sáng (mức 1). Nhấn nút Start thì bằng tải hoạt động (mức 1). Nhấn nút Stop thì băng tải dừng (mức 0). Khi PLC nhận được tín hiệu loại 1, cảm biến 1 phát hiện vật, đồng thời xilanh sẽ tác động (mức 1). Sau 2s thì xilanh 1 thu về (mức 0). Tương tự như loại 2, loại 4. Đối với sản phẩm loại 4 thì sau khi xử lý ảnh, nó sẽ chạy thẳng xuống thùng chứa sản phẩm.
5.3 Lưu đồ thuật tốn
Chương trình chính của hệ thống :
Hình 5. 4: Chương trình chính của hệ thống
Tên đề tài: Ứng dụng xử lý ảnh để phân loai sản phẩm theo hình dạng, điều khiển và giám sát qua WinCC
69 SVTH: Bùi Anh Dũng
Phạm Lê Bảo Hoàng
Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân
Mơ tả thuật tốn chương trình chính: Bắt đầu. Kiểm tra nút E – Stop, nếu E – Stop = 1 là Đúng thì đèn E – Stop sáng, dừng toàn bộ hệ thống. Nếu nút E – Stop là Sai (có nghĩa là khơng tác động) thì tiến hành kiểm tra nút chọn chế độ Auto. Nếu Auto = 1 là Đúng thì chạy chương trình auto, cịn nếu Sai thì mặc định đó là chương trình Manual. Mơ hình sẽ hoạt động một cách tuần hoàn.
Chế độ bằng tay (Manual) :
Hình 5. 5: Chế độ Manual
Mơ tả thuật tốn chương trình ở chế độ Manual: Kiểm tra nút nhấn chạy thiết bị bằng tay, nếu Đúng thì chạy thiết bị, nếu sai thì tiến hành kiểm tra nút dừng thiết bị. Nếu nút nhấn dừng thiết bị là Đúng thì dừng thiết bị, nếu Sai thì quay về vị trí ban đầu.
Chế độ tự động (Auto) :
Tên đề tài: Ứng dụng xử lý ảnh để phân loai sản phẩm theo hình dạng, điều khiển và giám sát qua WinCC
70 SVTH: Bùi Anh Dũng
Phạm Lê Bảo Hoàng
Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân Hình 5. 6: Chế độ Auto
Mơ tả thuật tốn chương trình ở chế độ Auto: Kiểm tra nút nhấn Start, nếu Đúng thì kiểm tra nút Stop, nếu sai thì quay trở về vị trí ban đầu. Nếu nút nhấn Stop là Đúng thì dừng băng tải, nếu Sai thì băng tải hoạt động, chạy chương trình xử lý ảnh. Sau đó kiểm tra tín hiệu sản phẩm hình Trịn, nếu Đúng thì xilanh 1 tác động, nếu sai kiểm tra
Tên đề tài: Ứng dụng xử lý ảnh để phân loai sản phẩm theo hình dạng, điều khiển và giám sát qua WinCC
71 SVTH: Bùi Anh Dũng
Phạm Lê Bảo Hoàng
Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân
tín hiệu sản phẩm hình Vng. Xilanh 1 tác động sau 2s, nếu Đúng thì xilanh 1 thu lại, tăng bộ đếm sản phẩm lên 1 đơn vị, hiện thị lên màn hình, nếu Sai thì ngược lại. Nếu sản phẩm hình Vng là Đúng thì xilanh 2 tác động, nếu sai kiểm tra tín hiệu sản phẩm hình Tam giác. Xilanh 2 tác động sau 2s, nếu Đúng thì xilanh 2 thu lại, tăng bộ đếm sản phẩm lên 1 đơn vị, hiện thị lên màn hình, nếu Sai thì ngược lại. Nếu sản phẩm hình Tam giác là Đúng thì xilanh 3 tác động, nếu sai kiểm tra tín hiệu sản phẩm hình Chữ nhật. Xilanh 3 tác động sau 2s, nếu Đúng thì xilanh 3 thu lại, tăng bộ đếm sản phẩm lên 1 đơn vị, hiện thị lên màn hình, nếu Sai thì ngược lại. Nếu sản phẩm hình Chữ nhật là Đúng thì tăng bộ đếm sản phẩm lên 1 đơn vị, hiện thị lên màn hình, nếu Sai thì quay trở về kiểm tra tín hiệu sản phẩm.
Lưu đồ xử lý ảnh :
Hình 5. 7: Xử lý ảnh
Tên đề tài: Ứng dụng xử lý ảnh để phân loai sản phẩm theo hình dạng, điều khiển và giám sát qua WinCC
72 SVTH: Bùi Anh Dũng
Phạm Lê Bảo Hoàng
Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân
Mơ tả thuật tốn chương trình xử lý ảnh: Raspberry sẽ đọc ảnh từ camera sau đó cắt khung ảnh để loại bớt những ảnh không cần thiết để xử lý. Tiếp đến sẽ chuyển khung ảnh về màu xám cùng một màu pixel, để việc biến đổi ảnh màu xám về ảnh nhị phân (ảnh trắng đen) không bị nhiễu và xác định được ảnh màu trắng là ảnh cần xử lý. Sau khi biến đổi ảnh xong sẽ tìm điểm ảnh, là việc lưu trữ điểm ảnh trên ảnh màu trắng để xử lý ảnh, đồng thời vẽ viền lên ảnh để nhận diện được cạnh của ảnh. Những phần chính là tiền xử lý ảnh, là cơng đoạn xử lý ảnh cần thiết để lọc nhiễu và xác định được ảnh cần xử lý. Tiếp đến, kiểm tra sản phẩm có đi vịng trong vùng điều kiện xử lý, nếu đã vào trong vùng điều kiện xử lý ảnh thì sẽ bắt đầu xác định cạnh của ảnh, nếu không trong vùng điều kiện xử lý ảnh thì sẽ chưa xử lý ảnh . Từ đó, xác định số cạnh nếu số cạnh là 4 hoặc 5 hoặc 6 thì sẽ tính tốn vùng ảnh. Sau khi tính tốn xong đầu tiên sẽ kiểm tra điều kiện tam giác trước, nếu kết quả thoả điều khiện vùng ảnh bé hơn 0.7 sẽ xuất tín hiệu là tam giác, nếu khơng thì sẽ tiếp tục xét đến hình vng, nếu thoả điều khiện lớn hơn 0,7 và hiệu 2 cạnh bé hơn 65 và lớn hơn -35 thì xuất tín hiệu hình vng và nếu khơng thoả các điều kiện trên thì xuất tín hiệu hình chữ nhật. Tiếp đến, kiểm tra cạnh của ảnh là 3 thì sẽ xuất ra hình tam giác. Và cuối cùng, nếu số cạnh của ảnh lớn hơn 8 và bé hơn 16 xuất tín hiệu chữ nhật, nếu khơng thoả bất cứ đều kiện nào thì sẽ khơng xử lý và quay trở lại kiểm tra cạnh của ảnh.
5.4 Giới thiệu về giao diện hệ thống điều khiển và giám sát
Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Supervisor Control And Data Acquisition) là một hệ thống đang dần trở nên phổ biến trong các khu xí nghiệp, các nhà máy với dây chuyền sản xuất liên tục… với nhiệm vụ chính là giám sát và thu thập dữ liệu.
Hệ thống gồm phần cứng và phần mềm với những ứng dụng:
Thu thập, xử lý số liệu, dữ liệu và giám sát quá trình hoạt động ở thời gian thực.
Thông qua giao diện Người và Máy (HMI – Human Machine Interface), người giám sát có thể tác động trực tiếp ở đầu vào và đầu ra như các cảm biến, băng tải,…
Ghi lại sự kiện vào file nhật ký hoặc CSDL.
Giám sát hoạt động từ xa.
Ưu điểm của SCADA với một dây chuyền sản xuất:
Nâng cao chất lượng thành phẩm: giảm thiểu sai sót trong q trình vận hành sản xuất, khơng để sản phầm bị lỗi.
Nâng cao năng suất: có thể hoạt động liên tục, nhờ thu thập dữ liệu, từ đó có thể cải thiện năng suất hiện tại và nâng cao kỹ thuật
Tên đề tài: Ứng dụng xử lý ảnh để phân loai sản phẩm theo hình dạng, điều khiển và giám sát qua WinCC
73 SVTH: Bùi Anh Dũng
Phạm Lê Bảo Hoàng
Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân
Giảm bớt chi phí nhân sự và bảo trì: có thể giảm bớt nhân cơng và nhân sự ở khu vực giám sát và vận hành vì có thể giám sát và vận hành từ xa.
5.5 Thành phần chính của hệ thống SCADA
Gồm có 4 thành phần chính trong một hệ thống điều khiển và giám sát cơ bản: Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm (central host computer server).
Giao diện người – máy HMI (Human Machine Interface): là các thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống.
Trạm thu thập dữ liệu trung gian: là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…).
Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ.
Tồn bộ các thiết bị được kết nối thơng qua một hệ thống mạng cục bộ LAN. Hệ thống SCADA tại trung tâm sẽ kết nối với các RTU ở các trạm biến áp sử dụng giao thức truyền tin IEC 870-5-101 master. Đồng thời kết nối với Hệ thống SCADA /EMS của Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia bằng giao thức ICCP.
5.6 Thiết kế giao diện
5.6.1 Tạo giao diện cho hệ thống
Đầu tiên vào phần Device configuration để kết nối PLC với WinCC RT Advanced.
Hình 5. 6: Kết nối PLC với WinCC RT Advanced
Sau khi tạo kết nối mình tiếp tục vào thiết kết HMI. Chọn phần Screens:
Tên đề tài: Ứng dụng xử lý ảnh để phân loai sản phẩm theo hình dạng, điều khiển và giám sát qua WinCC
74 SVTH: Bùi Anh Dũng
Phạm Lê Bảo Hoàng
Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân Hình 5. 7: Chọn Screen để tạo HMI Sau đó nhấn Add new screen mình tạo chương trình mới:
Hình 5. 8: Add new screen để tạo giao diện Sau khi hồn thành mình sẽ có được giao diện như hình:
Hình 5. 9: Giao diện thiết lập WinCC
Ở Toolbox ở góc phải màn hình, ta sử dụng của Options để tạo ra giao diện mong muốn
Basic Objects : Gồm các hình khối là đối tượng cơ bản, dùng để cấu thành hình dạng đồ vật trong giao diện.
Tên đề tài: Ứng dụng xử lý ảnh để phân loai sản phẩm theo hình dạng, điều khiển và giám sát qua WinCC
75 SVTH: Bùi Anh Dũng
Phạm Lê Bảo Hoàng
Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân Hình 5. 10: Khối Basic objects
Elements : gồm các đối tượng cảm biến, cơ cấu chấp hành dùng để mô phỏng như động cơ, băng tải, …
Hình 5. 11: Khối Elements
Controls : gồm các biểu đồ hiện thị thơng thống.
Hình 5. 12: Khối Controls
5.6.2 Gắn HMI Tags cho hệ thống
Sau khi hoàn thành phần thiết kế tiếp tục với phần gắn Tag cho từng cơ cấu chấp hành, cảm biến trong mơ phỏng. Các Tag có nhiệm vụ đồng bộ hóa các dữ liệu giữa thiết bị PLC và các thành phần điều khiển trong WinCC.
Trong tab PC station [SIMATIC PC station] -> chọn HMI_RT_1 [Wincc RT Professional] -> chọn HMI tags. Trong HMI tags, gồm có:
Name: tên cho các thiết bị phần cứng.
Tag table: chọn bảng lưu cho từng tag.
Data type: chọn kiểu dữ liệu cho từng tag (bool, int, dword, read,…).
Connection: chọn đường liên kết giữa từng tag hmi với plc.
Tên đề tài: Ứng dụng xử lý ảnh để phân loai sản phẩm theo hình dạng, điều khiển và giám sát qua WinCC
76 SVTH: Bùi Anh Dũng
Phạm Lê Bảo Hoàng
Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân
PLC name: chọn PLC để tag HMI liên kết.
PLC Tags: chọn từng tag PLC liên kết với từng tag HMI
Address: chọn địa chỉ cho từng tag.
Access mode: chọn chế độ truy cập.
Logged/ Synchronization: chọn ghi nhật ký/ chọn đồng bộ hóa.
Source comment: nguồn bình luận.
Comment: mơ tả cho từng tag.
Hình 5. 13: Gắn Tags HMI cho hệ thống
5.6.3 Hiệu chỉnh giao diện
Để hiệu chỉnh cơ cấu mô phỏng, thông số cho cơ cấu phù hợp với từng chức năng của mô phỏng, kích vào cơ cấu cần hình chỉnh, gồm 3 tab mà ta có thể hiệu chỉnh:
Properties : hiệu chỉnh các thông số của cơ cấu như màu sắc, kích thước, tên của cơ cấu thơng qua Properties list.
Hình 5. 14: Thanh hiệu chỉnh Properties
Animations : hiệu chỉnh sự chuyển động của vật (movements), cơ cấu trong mô phỏng (display), thay đổi tag connections giữa HMI và PLC.
Tên đề tài: Ứng dụng xử lý ảnh để phân loai sản phẩm theo hình dạng, điều khiển và giám sát qua WinCC
77 SVTH: Bùi Anh Dũng
Phạm Lê Bảo Hoàng
Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân Hình 5. 15: Thanh hiệu chỉnh Animations
Events : dùng để điều khiển cơ cấu chấp hành thông qua các sự kiện như bật tắt, chuyển đổi chế độ,…
Hình 5. 16: Thanh hiệu chỉnh Events Sau khi hiệu chỉnh, ta được giao diện HMI như sau:
Hình 5. 17: Giao diện giám sát WinCC của hệ thống
Tên đề tài: Ứng dụng xử lý ảnh để phân loai sản phẩm theo hình dạng, điều khiển và giám sát qua WinCC
78 SVTH: Bùi Anh Dũng
Phạm Lê Bảo Hoàng
Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân
5.7 Giao tiếp và truyền thông Raspberry với PLC S7 1200
Để truyền thông giữa Raspberry Pi 4B với PLC S7 1200 thì với thư viện Snap7 trên Python có thể giúp ta việc đó. Để đọc dữ liệu và ghi dữ liệu PLC với Raspberry cần sử dụng thông qua kết nổi cổng Ethernet/IP.
Ngồi việc truyền thơng, thư viện Snap7 cịn giúp ta mã hoá các dữ liệu, cũng đồng thời kích mở các đầu ra đầu vào của PLC. Do vậy, thư viện Snap7 giúp ta có thể đọc và ghi dữ liệu lên các vùng nhớ có trong PLC.
Vì vậy, chỉ cần đọc và sử dụng thư viện Snap 7 thì ta đã có thể giáo tiếp 2 thiết bị PLC và Raspberry một cách dễ dàng, đây là phương án phù hợp và thuận tiện cho đề tài nghiên cứu. Ở đề tài này, chúng ta sử dụng thư viện Snap 7 để có thể truy cập vào các vùng nhớ của PLC để đọc và ghi dữ liệu lên nó. Cụ thể, thì chúng ta sẽ đọc và ghi lên vùng nhớ MD của PLC với kiểu dữ liệu là Dword (4byte) để kích mở các đầu ra của PLC để phân loại sạn phẩm theo tín hiệu mà ta mong muốn.
Sau đây là cách thức để giao tiếp và truyền thông trong đề tài này.
5.7.1 Mở quyền truy cập truyền nhận dữ liệu trên PLC S7 1200
Đây là bước đơn giản nhất cũng là bước quan trọng nhất để ta có thể giao tiếp và truyền thơng giữa 2 thiết bị đó là PLC S7 1200 và Raspberry.
Ta mở quyền truy cập truyền nhận dữ liệu như sau:
Đầu tiên, ta chọn Device configuration. Sau khi xuất hiện khối PLC, ta click đúp chuột vào PLC_1 sẽ hiện ra bảng như hình bên dưới.