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.
Nghiên cứu, chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh.
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.
Nghiên cứu, chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh.
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
Nghiên cứu, chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh.
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 toán 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, thơng 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 tốn 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 q trình cơng nghệ phức tạp hay toàn 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. Ngun lí hoạt động
PLC nhận thơng 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 đầu vào và đầu ra, PLC có thể giám sát và ghi lại dữ liệu thời gian chạy như năng suất máy hoặc nhiệt độ trong quá trình vận hành, tự động khởi động và dừng quá trình, tạo báo động nếu máy gặp trục trặc và hơn thế nữa. Bộ điều khiển logic khả trình là một giải pháp điều khiển linh hoạt và mạnh mẽ, có thể thích ứng với hầu hết mọi ứng dụng. [8]
Nghiên cứu, chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh.
Hình 3.9 Nguyên lý hoạt động của PLC
c. Ưu nhược điểm của PLC
Ưu điểm:
PLC dễ dàng tạo luồng ra và chương trình PLC dễ dàng thay đổi và sửa chữa.
Các tín hiệu đưa ra từ bộ PLC có độ tin cậy cao hơn so với các tín hiệu được cấp từ bộ điều khiển bằng rơle.
Phần mềm lập trình PLC dễ sử dụng
Khơng như máy tính, PLC có mục đích thực hiện nhanh các chức năng điều khiển, chứ khơng phải mang mục đích làm dụng cụ để thực hiện đa chức năng.
Thực hiện nối trực tiếp.
Dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống.
Tuổi thọ là bán- vĩnh cửu: vì đây là hệ chuyển mạch khơng tiếp điểm nên độ tin cậy cao, tuổi thọ lâu hơn so với rơle có tiếp điểm.
Nhược điểm:
Do chưa tiêu chuẩn hố nên mỗi cơng ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngơn ngữ lập trình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất tồn cục về hợp thức hoá.
Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá của một bộ PLC đắt hơn khi sử dụng bằng phương pháp rơle.
d. Ứng dụng của PLC
Bộ lập trình PLC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực, nhiều loại máy móc như: máy in, máy đóng gói, máy đánh sợi, máy se chỉ, máy chế biến thực phẩm, máy cắt tốc độ cao, hệ thống phân bổ giám sát trong dây chuyền sản xuất, bơm, xử lý nước thải, giám sát năng lượng, hệ thống điện, dây chuyền đóng gói.
Dùng trong cơng nghệ điều khiển cánh tay robot: ví dụ như gắp phôi từ băng tải bỏ qua bàn gia công của máy CNC, hay điều khiển robot đưa đổ vật liệu vào băng tải, hoặc thực hiện các việc đóng hộp, dán tem nhãn…
Ngồi ra, người ta cịn sử dụng PLC trong các ứng dụng giám sát các quá trình trong các nhà máy mạ, các dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử trong các nhà máy, dây chuyền kiểm tra chất lượng sản phẩm… bằng các cơng tắc hành trình hoặc các cảm biến.
3.4.2 Van khí nén a. Khái niệm a. Khái niệm
Trong lĩnh vực tự động cơ khí hóa, van khí nén dược sử dụng để tạo ra một dịng chảy tự động thơng qua việc đóng và mở van. Van khí nén (pneumatic valve) sử dụng khí nén làm cho nó mở hoặc đóng khi nén hoặc giải phóng. Cho dù nó mở hay đóng phụ thuộc vào thiết kế cơ khí của van cụ thể trong ứng dụng sử dụng nó.
b. Phân loại
Nghiên cứu, chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh.
Cấu tạo của van 3/2 tương đối giống 2/2 khi có thân van và coil điện. Thân van sẽ có 2 vị trí truyền động và 3 cửa: cửa cấp khí nén vào, cửa khí nén làm việc, cửa xả khí nén.
Ngun lí: Khi dịng điện được đi vào van, coil điện sinh ra từ trường tạo lực để tác động đến thân van làm đảo chiều. Cửa khí 1 của van sẽ thơng với cửa số 2, cửa số 3 bị chặn lại và dịng khí đi qua cửa van số 1, lên cửa 2 và qua van. Khi ngắt điện, trong vòng 1-2s, van sẽ trở về trạng thái ban đầu.
Van 5/2
- Cấu tạo: 1 cửa đưa khí vào, 2 cửa khí xả, 2 cửa khí làm việc kết nối với 2 cửa khí xi lanh và 2 vị trí truyền động
Hình 3.10 Trước và sau khi cấp khí nén [9]
Ngun lí: Ở trạng thái bình thường có nghĩa khí nén khơng được đi qua van, các cửa 1 thơng cửa số 2, cửa số 3 đóng, cửa 4 thơng với cửa số 5.
Khi cấp nguồn điện 12v, 24v hoặc 110v, 220v thì lập tức cửa 1 thông với cửa số 4, cửa số 2 thông với cửa số 3, cửa số 5 bị đóng, khí sẽ đi qua van đến xi lanh.
Với loại van 5/2 một đầu điện, khi ta cấp điện thì van sẽ đảo chiều, ngưng cấp thì van sẽ về nguyên trạng thái ban đầu. Với loại van điện từ khí nén 5/2 có hai đầu điện thì khi ta cấp điện ở 1 đầu, ty xilanh sẽ đi ra. Nếu cấp điện ở đầu số 2, ty của xi lanh khí sẽ rút về nhanh chóng.
3.4.3 Bộ xử lý trung tâm
Lựa chọn PLC là tối ưu nhất với hệ thống cho việc lập trình điều khiển, giám sát hệ thống chính xác và hiệu quả. Bộ điều khiển PLC có rất nhiều hãng phải nói đến như dịng Mitsubishi, Rockwell, Siemens, … Đối với dịng siemens thì cũng có rất nhiều loại phải kể đến như S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200, S7-1500.
Với đề tài này, nhóm sử dụng 4 nút nhấn, 3 cảm biến quang, 5 relay tương ứng cho động cơ, đèn báo tín hiệu, van khí nén.
Nghiên cứu, chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh.
3.4.4 Nguồn cấp cho hệ thống
Các thiết bị trong hệ thống sử dụng nguồn 24VDC để hoạt động, tuy nhiên điện sử dụng là điện lưới 220VAC. Do PLC, động cơ giảm tốc, đèn tín hiệu sử dụng trong hệ thống đều là 24VDC nên nhóm sử dụng nguồn tổ ong 24VDC 5A cấp cho hệ thống hoạt động.
Hình 3.12 Nguồn tổ ong 24V 5A
Bảng 3. 1 Thông số kỹ thuật của PLC S7-1212C DC/DC/DC
Thông số kỹ thuật
Nguồn cấp 20.4-28.8VDC Số lượng ngõ vào 8 (DI) Số lượng ngõ ra 6 (DO) Số ngõ vào Analog Input 2 (AI) Giao tiếp truyền thông Ethernet Bộ nhớ dữ liệu 75 Kb
Bảng 3. 2 Thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong 24V 5A Thông số kỹ thuật Thông số kỹ thuật Nguồn cấp 110 - 220VAC Tần số 50-60 (Hz) Nguồn ra 24V Dịng ra 5A Cơng suất 120W
3.4.5 Động cơ băng tải
Trong mơ hình, vì sử dụng truyền động băng tải dây đai và không yêu cầu tải trọng lớn nên khơng cần động cơ có cơng suất lớn. Với yêu cầu khá đơn giản của băng tải như là :
- Băng tải chạy liên tục, có thể dừng khi cần.
- Khơng địi hỏi độ chính xác, tải trọng băng tải nhẹ. - Dễ điều khiển, giá thành rẻ.
Vì vậy chỉ cần sử dùng loại động cơ 1 chiều có cơng suất nhỏ, khoảng 20 – 40W, điện áp vào là 12 - 24 V.
Động cơ DC giảm tốc có cấu tạo bằng kim loại cho độ bền và độ ổn định cao, được sử dụng trong các mơ hình robot, xe, thuyền,..., hộp giảm tốc của động cơ có nhiều tỉ số truyền giúp bạn dễ dàng lựa chọn giữa lực kéo và tốc độ (lực kéo càng lớn thì tốc độ càng chậm và ngược lại), động cơ sử dụng nguyên liệu chất lượng cao (lõi dây đồng nguyên chất, lá thép 407, vịng tiếp xúc niken, nam châm từ tính mạnh,...) cho sức mạnh và độ bền vượt trội hơn các loại giá rẻ trên thị trường hiện nay (sử dụng lõi dây nhơm, nam châm từ tính yếu) , động cơ có thể làm viêc hàng giờ mà khơng lo nóng hoặc cháy.
Nghiên cứu, chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh. Hình 3.13 Motor giảm tốc LK0226
Bảng 3. 3 Thơng số kỹ thuật của động cơ giảm tốc
Thông số kỹ thuật Điện áp định mức: DC 24V Dịng khơng tải: 120mA
Tốc độ khơng tải: 60 vịng / phút Điện áp: 24V Tốc độ 60 vòng/phút Trọng lượng 245 gram
3.4.6 Xi lanh khí nén
Do sản phẩm nhẹ, khơng nặng và dạng hình hộp nên nhóm sử dụng xilanh khí nén TN10X40S dạng kép để đẩy sản phẩm dễ dàng hơn.
Hình 3.14 Xilanh khí nén TN10X40S
Bảng 3.4 Thơng số kỹ thuật của xilanh khí nén TN10X40S
Thơng số kỹ thuật
Phương pháp tác động Tác động kép Hành trình 40 mm
Độ dày 10 mm
Vận tốc tối đa 200 mm/s Áp suất tối đa 0.15 MPa
3.4.7 Cảm biến quang
Để nhận diện vị trí sản phẩm cũng như giúp các xilanh đẩy chính xác sản phẩm thì nhóm sử dụng cảm biến quang để nhận biết sản phẩm. Do PLC sử dụng ngõ vào sourcing (cấp dòng) và khoảng cách cần phát hiện từ cảm biến đến sản phẩm ngắn, nến nhóm lựa chọn cảm biến quang dạng NPN E3F-DS30C4.
Nghiên cứu, chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh.
Hình 3.15 Cảm biến quang NPN E3F-DS30C4
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của cảm biến quang NPN E3F-DS30C4
Thơng số kỹ thuật
Kích thước đường kính 18 mm Điện áp làm việc 6-36VDC
Loại NPN
Khoảng cách phát hiện 60-300 mm Điều chỉnh khoảng cách Biến trở
3.4.8 Van khí nén 5/2
Hệ thống dùng 2 xilanh khí nén nhẹ tối đa 0.15 MPa, nên nhóm sử dụng cụm van điện từ khí nén AIRTAC 4V210-08 với ngõ vào 24V.
Hình 3.16 Van điện từ khí nén AIRTAC 4V 210-08
Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật van điện từ khí nén AIRTAC 4V210-08
Thơng số kỹ thuật
Loại Van 5/2
Áp suất 0.15-0.8 MPa
Xuất xứ Đài Loan
3.4.9 Camera Webcam 1080P và Camera OPPO A73
Hệ thống sử dụng hai camera, một camera để thu nhận màu sắc sản phẩm, một camera để thu nhận barcode. Do đó để nhận diện màu sắc sản phẩm nhóm sử dụng camera Webcam 1080P, để nhận diện mã barcode nhóm sử dụng camera của điện thoại Oppo A73.
Nghiên cứu, chế tạo mơ hình phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh.