BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ⸙∆⸙ BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá Đề tài Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Lỗi Ứng Dụng Xử Lý Ảnh Labview GVHD TS Vũ Văn Phong Nhóm SVTH Lại Hoàng Quảng 17151120 Nguyễn Việt Tiến 17150106 Tp Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2021 TÓM TẮT Trong đề tài này, nhóm đã tìm hiểu và nghiên cứu nhiều phương pháp phân loại sản phẩm lỗi, nhưng việc phân loại sản phẩm lỗi bằng xử.
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Ngày nay, sự phát triển của khoa học và công nghệ đã làm cho các ngành kỹ thuật điện tử trở nên thiết yếu trong cuộc sống Trong đó, điều khiển tự động là yếu tố quyết định trong tự động hóa, sản xuất công nghiệp và các lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý thông tin Trong sản xuất tự động, sản phẩm lỗi là điều khó tránh khỏi; kiểm tra bằng mắt thường tốn thời gian và hiệu quả thấp, trong khi kiểm tra bằng cảm biến có thể tốn kém và không chính xác Vì vậy, nhóm nghiên cứu quyết định áp dụng xử lý ảnh để phân loại sản phẩm lỗi.
Xử lý ảnh là một phân ngành khoa học đang phát triển mạnh mẽ, với ứng dụng gần như không giới hạn trong nhiều lĩnh vực Công nghệ tiên tiến mở ra cơ hội mới cho doanh nghiệp, đặc biệt trong sản xuất dây chuyền hàng loạt, nơi cần kiểm tra số lượng và chất lượng sản phẩm Phương pháp thủ công tuy tốn thời gian và nhân lực, nhưng lại có độ chính xác thấp Việc áp dụng công nghệ xử lý hình ảnh trong nhận diện và phát hiện sản phẩm lỗi giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong tự động hóa, thay thế các phương pháp truyền thống.
Nhóm quyết định chọn đề tài “Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh Labview” nhằm nâng cao hiệu quả phân loại sản phẩm lỗi thông qua công nghệ xử lý ảnh Mục tiêu là đạt được độ chính xác gần như tuyệt đối, đồng thời giảm thiểu thời gian và nhân lực cần thiết trong quá trình này.
Mục tiêu đề tài
- Thiết kế mô hình phần cứng hệ thống phân loại sản phẩm lỗi
- Thiết kế chương trình điều khiển Labview và PLC
- Cấu hình truyền thông giữa Labview và PLC
- Thiết kế giao diện HMI trên Labview và giao diện giám sát trên Webserver
- Hệ thống có khả năng phân loại được các sản phẩm bị thiếu số lượng, cũng như sai mã barcode.
Giới hạn đề tài
Mô hình này có khả năng phân loại khoảng 7 sản phẩm mỗi phút, với tốc độ băng tải được điều chỉnh để giảm thiểu rung lắc Hệ thống sử dụng camera để nhận diện sản phẩm một cách chính xác.
Hệ thống cần cấp phôi bằng tay, chưa tự động cấp phôi và cần người vận hành giám sát trong quá trình phân loại.
Hệ thống dừng lại ở mức mô hình, chưa ứng dụng sản phẩm thực tế.
Nội dung đề tài
Phần còn lại của đề tài có nội dung sau:
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
- Trình bày các yêu cầu, quy trình công nghệ liên quan đến đề tài.
Chương 3: Tính toán và thiết kế
- Xây dựng mô hình, quy trình hệ thống, thiết kế phù hợp, lựa chọn thiết bị.
Chương 4: Kết quả phần cứng và phần mềm
- Thi công hệ thống thực tế dựa trên kết quả của việc tính toán và thiết kế.
Chương 5: Kết quả chạy thực nghiệm
- Trình bày kết quả đạt được về mô hình thực tế
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
- Đưa ra những quan điểm về mô hình và việc cải tiến, mở rộng phát triển.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan hệ thống
2.1.1 Hệ thống phân loại sản phẩm
Hiện nay có hệ thống phân loại rất đa dạng, ứng dụng nhiều công nghệ khác nhau để phân loại:
Phân loại sản phẩm theo mã vạch hiện nay rất phổ biến, giúp phân loại các kiện hàng, bưu phẩm và sản phẩm đã được đóng gói trong thùng carton hoặc túi Hệ thống này sử dụng mã vạch barcode và mã QR để quản lý và theo dõi hàng hóa một cách hiệu quả.
- Ưu điểm: Hệ thống có thể dễ dàng sàng lọc và lựa chọn, gom sản phẩm vào các vị trí tập kết (hub) theo yêu cầu đặt ra như:
+ Với sản phẩm điện tử, công nghệ: phân theo cùng lô sản xuất, ngày sản xuất, model…
+ Với các bưu phẩm, đơn hàng chuyển phát nhanh: phân loại theo ngày lên đơn, cách thức đóng gói, địa điểm giao hàng, hàng chuyển nhanh-tiêu chuẩn…
+ Với các sản phẩm nông sản đóng gói: phân loại theo hạn sử dụng, số lô chế biến, cấp sản phẩm…
- Nhược điểm là cần sử dụng nhiều máy đọc mã trong khâu nhận dạng mới cho kết quả mong muốn.
Hình 2 1 Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch[1]
Phân loại theo khối lượng được thực hiện bằng cách sử dụng cảm biến tích hợp trên băng tải để đo khối lượng sản phẩm Sau đó, tín hiệu sẽ được gửi về bộ điều khiển để tiến hành phân loại chính xác.
- Ưu điểm: Ứng dụng nhiều trong các ngành thực phẩm, thủy hải sản, nông sản,
… - Nhược điểm của hệ thống là dễ bị nhiễu do tác động bên ngoài, tốn kém nhiều khi sử dụng cảm biến.
Hình 2 2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng [1]
Phân loại theo màu sắc, kích thước, hình dạng: có thể sử dụng cảm biến hoặc camera để xác định màu sắc, hình dạng, kích thước của vật
- Ưu điểm: Ứng dụng nhiều trong các ngành nông nghiệp, thực phẩm, dầu, hóa chất, công nghiệp dược phẩm, linh kiện điện tử, thiết bị y tế…
- Nhược điểm là khi đặt trong điều kiện ánh sáng không tốt thì khó ra kết quả chính xác.
Hình 2 3 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc[1]
Hệ thống phân loại xử lý ảnh hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ vào độ tin cậy cao Thay vì sử dụng các công cụ riêng biệt như đọc mã vạch hay mã QR, công nghệ phân loại này đáp ứng hầu hết các yêu cầu về nhận dạng Trong dây chuyền sản xuất, khâu đóng gói và kiểm tra là giai đoạn cuối cùng, do đó việc kiểm tra kỹ lưỡng cả về số lượng lẫn chất lượng là rất cần thiết.
Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi sử dụng công nghệ xử lý hình ảnh để nhận dạng và phân loại sản phẩm đạt chuẩn cũng như sản phẩm lỗi Hệ thống này bao gồm camera thu thập hình ảnh, sau đó tiến hành xử lý để phát hiện các lỗi Tín hiệu đầu ra từ bộ xử lý sẽ được gửi về bộ xử lý trung tâm để thực hiện các bước tiếp theo.
2.1.2 Các lỗi phân loại thường gặp trong thực tế [2].
Hình 2 4 Lỗi thành phần trong sản phẩm
Cần thực hiện kiểm tra số lượng thành phần trong gói và vị trí của chúng Một phép đo trọng lượng có thể xác định chính xác số lượng thành phần, nhưng cần thêm kiểm tra trực quan để phát hiện lỗi sắp xếp và xác định các biện pháp khắc phục nhằm loại bỏ nguyên nhân gốc rễ.
Hình 2 5 Các thành phần bị hỏng hoặc hư hại
Các thành phần bị hỏng hoặc hư hại, dù không gây nguy hiểm đến tính mạng, có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hình ảnh thương hiệu khi người tiêu dùng phát hiện.
Hình 2 6 Vật thể bị biến dạng
Sản phẩm hoặc thành phần bị biến dạng có thể gây ra gián đoạn nghiêm trọng trong quy trình sản xuất, dẫn đến hư hại thiết bị ở cuối dây chuyền.
Hình 2 7 Tính toàn vẹn của dấu niêm phong
Niêm phong đúng cách cho sản phẩm thực phẩm không chỉ đảm bảo chất lượng mà còn giúp ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn, từ đó kéo dài thời hạn sử dụng của sản phẩm.
Hình 2 8 Tính toàn vẹn của bao bì thành phẩm
Bao bì thành phẩm hư hỏng, không được đóng kín đúng cách hoặc không chính xác có thể gây thiệt hại cho thiết bị cuối dây chuyền sản xuất và tạo ra các vấn đề an toàn cho người tiêu dùng trong một số trường hợp nhất định.
Tổng quan về xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một lĩnh vực khoa học đang phát triển mạnh mẽ, bao gồm bốn lĩnh vực chính: nâng cao chất lượng ảnh, nhận dạng ảnh, nén ảnh và truy vấn ảnh Sự tiến bộ trong xử lý ảnh mang lại nhiều lợi ích cho cuộc sống con người, với ứng dụng rộng rãi trong các công nghệ như Photoshop, nén ảnh và video, nhận dạng biển số xe, khuôn mặt, chữ viết, cũng như trong xử lý ảnh thiên văn và y tế.
2.2.1 Khái niệm cơ bản về ảnh [3] Ảnh số là một tập hợp của nhiều điểm ảnh, hay còn gọi là pixel Mỗi điểm ảnh biểu diễn một màu sắc nhất định (hay độ sáng với ảnh đen trắng) tại một điểm duy nhất, có thể xem một điểm ảnh giống như một chấm nhỏ trong một tấm ảnh màu.
Ảnh đen trắng được tạo thành từ nhiều pixel, mỗi pixel biểu diễn một giá trị tương ứng với mức xám Các mức xám này trải dài từ đen đến trắng, thường gồm 256 mức khác nhau, tạo ra sự chuyển đổi mịn màng giữa các tông màu.
Ảnh màu được cấu thành từ nhiều pixel, mỗi pixel bao gồm ba giá trị tương ứng với các kênh màu đỏ (Red), xanh lá (Green) và xanh dương (Blue) trong không gian màu RGB Các kênh màu này là cơ sở để tạo ra nhiều màu sắc khác nhau thông qua quá trình pha trộn.
Ảnh nhị phân sử dụng một bit để biểu diễn mỗi pixel, cho phép chỉ hai trạng thái: đóng và mở, tương ứng với màu đen và trắng Vì đặc điểm này, ảnh nhị phân hiếm khi được áp dụng trong thực tế.
LabVIEW, viết tắt của Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench, là phần mềm được phát triển bởi National Instruments, Hoa Kỳ Nó nổi bật như một ngôn ngữ lập trình độc đáo, khác biệt hoàn toàn so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống.
C, Pascal Bằng cách diễn đạt cú pháp thông qua các hình ảnh trực quan trong môi trường soạn thảo, LabVIEW đã được gọi với tên khác là lập trình G (viết tắt của Graphical, nghĩa là đồ họa).[4]
LabVIEW là phần mềm phổ biến trong các phòng thí nghiệm và lĩnh vực khoa học kỹ thuật như tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh và điện tử y sinh Hiện nay, ngoài phiên bản cho hệ điều hành Windows và Linux, NI còn phát triển các module LabVIEW cho máy hỗ trợ cá nhân (PDA) Các chức năng chính của LabVIEW bao gồm khả năng lập trình đồ họa, thu thập và phân tích dữ liệu, cũng như điều khiển thiết bị ngoại vi.
Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài như cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc của động cơ,
Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua nhiều chuẩn giao tiếp thông qua các cổng giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Ethernet
Mô phỏng và xử lý các tín hiệu thu nhận được là bước quan trọng nhằm phục vụ cho các mục đích nghiên cứu hoặc các yêu cầu cụ thể của hệ thống mà lập trình viên mong muốn đạt được.
Xây dựng các giao diện người dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn nhiều so với các ngôn ngữ khác như Visual Basic, Matlab,
Cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển như PID, Logic mờ (Fuzzy Logic), một cách nhanh chóng thông qua các chức năng tích hợp sẵn trong LabVIEW.
Cho phép kết hợp với nhiều ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++,
2.2.3 Xử lí ảnh trên labview
2.2.3.1 Khối tiền xử lý ảnh
Hình 2 10 Khối IMAQ Create VI
IMAQ create VI: tạo vùng nhớ tạm thời cho ảnh.
Border size: xác định chiều rộng bằng pixel để tạo biên của ảnh
Image name: tên liên kết với ảnh đã tạo Mỗi ảnh được tạo phải có tên riêng
Trạng thái lỗi trước khi chạy VI được mô tả bằng cụm từ "no error", với trạng thái mặc định là không có lỗi Nếu có lỗi xảy ra trước khi chạy, mã lỗi sẽ được chuyển đến phần lỗi.
Image type: định dạng kiểu ảnh (ảnh xám, ảnh RGB,…)
New image: ảnh ngõ vào đã được xử lý qua các chức năng của khối.
Hình 2 11 Khối IMAQ ExtractSingleColorPlane VI
Color plane: chọn màu trong ảnh để trích xuất.
Image Src: là ảnh vào bao gồm ít nhất một màu trích xuất trong bức ảnh đó.
Image Dst: ảnh đến là ảnh đã được qua xử lý ở giai đoạn trước.
Image Dst out: nếu Image Dst được nối thì Image Dst Out tương đương với Image Dst,ngược lại thì Image Dst out sẽ lấy ảnh của Image Src
2.2.3.2 Khối thu nhận ảnh và xử lý ảnh
LabVIEW đã phát triển bộ công cụ Vision/ Vision and Motion với các công cụ thu thập và xử lý ảnh Bước đầu tiên trong ứng dụng hình ảnh là thu thập, với bốn phương pháp: Snap, Grab, Sequence và StillColor IMAQ Snap là phương pháp đơn giản nhất, phù hợp cho các ứng dụng thu thập chậm IMAQ Grab được sử dụng để hiển thị hình ảnh trực tiếp, trong khi IMAQ Sequence thích hợp khi biết số lượng ảnh cần thu thập mỗi giây StillColor được áp dụng cho các camera thông thường như NTSC hoặc PAL Sau khi thu thập, hình ảnh sẽ được xử lý để phục vụ các ứng dụng cụ thể, bao gồm nhận dạng mẫu, màu sắc, ký tự và tính toán khoảng cách, với khả năng xử lý ảnh đen trắng, ảnh xám 8 bit và ảnh màu.
Khối NI Vision Acquisition Express trong thư viện Vision/Vision Express toolbox cung cấp cách dễ dàng để thiết lập các tham số và đặc tính cho việc thu thập hình ảnh Các thuộc tính của khối này bao gồm: “Select Acquisition Source” để chọn camera thu thập hình ảnh, “Select Acquisition Type” cho phép lựa chọn chế độ hiển thị hình ảnh (bao gồm hiển thị một ảnh tại thời điểm ban đầu, hiển thị liên tục theo thời gian, hoặc hiển thị số ảnh nhất định), “Configure Acquisition Settings” để điều chỉnh các thông số như kích thước, độ sáng, độ tương phản, cân bằng trắng và độ nghiêng Cuối cùng, thuộc tính “Select Controls/Indicator” cho phép người dùng chọn cách thức điều khiển và hiển thị trong quá trình xử lý ảnh.
Hình 2 12 Khối Vision Acquisition thu thập ảnh b Khối xử lý ảnh [6]
Hình 2 13 Khối Vision Assistant xử lý ảnh
Thư viện xử lý ảnh cung cấp nhiều khối chức năng quan trọng như Vision Assistant, giúp phân tích hình học, biểu đồ màu sắc, và áp dụng các bộ lọc Các công cụ này hỗ trợ xử lý màu sắc, phân tích ảnh, cũng như thực hiện các phép toán như nhân, chia, cộng, trừ các tham số trong ảnh Bên cạnh đó, người dùng còn có thể tải thêm nhiều công cụ hữu ích từ cộng đồng toàn cầu, bao gồm dynamic microscopy trong nghiên cứu não, image averaging với LabVIEW, và quicktime cho LabVIEW.
Pattern matching (đối chiếu mẫu) là công cụ xử lý ảnh giúp xác định vùng ảnh xám tương thích với ảnh mẫu Phương pháp này có khả năng hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện thiếu sáng, mờ, nhiễu, và khi mẫu di chuyển hoặc bị xoay Với ứng dụng đa dạng, pattern matching đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực xử lý ảnh.
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 thông tin về số lượng và vị trí của mẫu ở trong ảnh
Pattern matching là một ứng dụng quan trọng trong kiểm tra và căn chỉnh vị trí chip trên bo mạch điện tử, giúp xác định và đo khoảng cách giữa các vật thể Nếu phép đo nằm trong khoảng cho phép, vật thể được công nhận đạt yêu cầu; ngược lại, nếu vượt ra ngoài khoảng, vật thể sẽ bị loại Trong lĩnh vực thị giác máy, pattern matching cần hoạt động hiệu quả dưới nhiều điều kiện khác nhau, bao gồm sự thay đổi về hướng, mức phóng đại và điều kiện ánh sáng Dù gặp phải những yếu tố này, khả năng nhận diện của pattern matching vẫn được duy trì, đảm bảo độ chính xác trong quá trình kiểm tra.
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.
Vị trí của vật trong ảnh
Nhiều mẫu vật trong ảnh (nếu có)
Trong môi trường thiếu ánh sáng: Pattern matching có thể nhận dạng được mẫu trong ảnh ở điều kiện ánh sáng luôn thay đổi trong suốt quá trình xử lí.
Truyền thông OPC
OPC là chuẩn giao tiếp dữ liệu giữa các phần mềm theo cơ chế client-server, phổ biến trong công nghiệp nhằm đảm bảo tính linh hoạt và tương thích giữa các thành phần từ nhiều nhà sản xuất khác nhau Phiên bản mới nhất, OPC UA, hỗ trợ giao tiếp đa nền tảng giữa các thiết bị, trong khi phiên bản cũ hơn, OPC DA, không tương thích với đa nền tảng Để đáp ứng nhu cầu truy cập dữ liệu từ client, nhóm nghiên cứu lựa chọn 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 trong hệ thống OPC, giúp giải quyết vấn đề tương thích dữ liệu giữa các nền tảng khác nhau và giảm chi phí phát triển cũng như bảo trì phần mềm Dữ liệu trong OPC DA được biểu thị thông qua giá trị tức thời, bao gồm tên dữ liệu và thông tin bổ sung, đồng thời cung cấp giá trị đọc chính xác cùng với thông tin liên quan đến tính hợp lệ của dữ liệu.
2.3.2 Nguyên lí hoạt động Đặc tả OPC mô 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, ngoài 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 phát triển đặc biệt để thực hiện các tác vụ kết nối và tổng hợp dữ liệu Nó kết hợp chức năng của máy chủ OPC và máy khách OPC, cho phép kết nối đồng thời với nhiều máy chủ OPC Điều này giúp tạo ra một cầu nối OPC hiệu quả Hơn nữa, hai OPC DataHub có khả năng phản ánh dữ liệu qua mạng TCP, cung cấp một đường hầm OPC đáng tin cậy.
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 không 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 đượcOPC hỗ trợ).
Giao diện giám sát trên webserver
HTML, hay còn gọi là ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản, là ngôn ngữ được sử dụng để tạo ra các trang web trên internet Được gọi là ngôn ngữ đánh dấu vì HTML sử dụng các thẻ để xác định và đánh dấu các thành phần khác nhau trên trang web.
Có bốn loại phần tử đánh dấu trong HTML:
Đánh dấu có cấu trúc miêu tả mục đích của phần văn bản
Đánh dấu trình bày miêu tả phần hiện hình trực quan của phần văn bản bất kể chức năng của nó là gì
Đánh dấu liên kết ngoài chứa phần liên kết từ trang này đến trang kia
Các phần tử thành phần điều khiển giúp tạo ra các đối tượng
CSS, hay Cascading Style Sheets, là ngôn ngữ dùng để tìm và định dạng các phần tử được tạo ra bởi HTML Nói một cách đơn giản, CSS là công cụ tạo phong cách cho trang web Trong khi HTML định dạng các phần tử như đoạn văn, tiêu đề và bảng, CSS cho phép chúng ta thêm các yếu tố thẩm mỹ như bố cục, màu sắc, kiểu chữ và cấu trúc cho các phần tử HTML.
2.4.3 Phương pháp truy xuất dữ liệu[10]
Hình 2 14 Cú pháp truy xuất dữ liệu
Lệnh AWP trong file HTML hoạt động như một chú thích và có thể được đặt ở bất kỳ vị trí nào trong tài liệu Tuy nhiên, để thuận tiện cho việc khai báo danh sách lệnh AWP, nên đặt lệnh này ở đầu file HTML.
Giải thích các cú pháp:
:=“” có chức năng hiển thị biến nhớ của bộ điều khiển
” ‘ > để có thể chỉnh sửa, gán giá trị của biến lên bộ xử lý với phương pháp “POST”
” ‘ Enum= “” > để gán văn bản theo giá trị thay đổi của biến.
Tổng quan phần cứng
PLC, hay bộ điều khiển logic khả trình, là thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Nó có thể được hiểu như một phiên bản thu nhỏ và thông minh hơn của các relay truyền thống Ngôn ngữ lập trình PLC rất đa dạng, với các loại phổ biến như ladder, state logic và C.
PLC được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau, mỗi hãng cung cấp nhiều dòng sản phẩm và phiên bản với tính năng và giá thành đa dạng, phù hợp cho các bài toán từ đơn giản đến phức tạp Ngoài ra, các bộ ghép mở rộng cho phép kết nối nhiều bộ PLC nhỏ, thực hiện các chức năng phức tạp hoặc giao tiếp với máy tính, tạo thành một mạng tích hợp giúp theo dõi, kiểm tra và điều khiển các quá trình công nghệ phức tạp hoặc toàn bộ phân xưởng sản xuất.
Hình 2 15 Cấu tạo của PLC
Trái tim của hệ thống PLC là CPU (Bộ xử lý trung tâm), bao gồm thành phần điều khiển và bộ xử lý Bộ điều khiển CPU chịu trách nhiệm quản lý sự tương tác giữa các thành phần phần cứng khác nhau của PLC, trong khi bộ xử lý CPU thực hiện tất cả các xử lý số và thực thi chương trình, chẳng hạn như logic thang.
Luồng dữ liệu bắt đầu từ các thiết bị đầu vào, đi qua bộ xử lý CPU, và sau đó đến các thiết bị đầu ra Bộ xử lý CPU cũng thực hiện việc trao đổi dữ liệu với chương trình và bộ nhớ dữ liệu Khi dữ liệu được thu thập đầy đủ, chương trình sẽ được xử lý theo kiểu tuần hoàn Kết quả dữ liệu sau đó được xuất ra giao diện đầu ra để điều chỉnh và thực thi việc kiểm soát 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.
Thiết bị đầu cuối lập trình là công cụ thiết yếu để viết và tải chương trình vào bộ điều khiển PLC, đồng thời cho phép giám sát và điều khiển hoạt động của PLC và các chương trình liên quan.
Bộ nguồn (power supply) đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp và quản lý năng lượng cho các thành phần phần cứng khác nhau của PLC, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả Nguyên lý hoạt động của bộ nguồn liên quan đến việc chuyển đổi và phân phối năng lượng phù hợp với yêu cầu của hệ thống.
PLC nhận thông tin từ cảm biến và thiết bị đầu vào, xử lý dữ liệu và kích hoạt đầu ra theo các tham số lập trình sẵn Nó có khả năng giám sát và ghi lại dữ liệu thời gian thực như năng suất máy và nhiệt độ, tự động khởi động và dừng quy trình, cũng như tạo báo động khi có sự cố Bộ điều khiển logic khả trình là giải pháp điều khiển linh hoạt và mạnh mẽ, phù hợp với hầu hết các ứng dụng.
Hình 2 16 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
Khác với máy tính, PLC (Bộ điều khiển lập trình) được thiết kế chủ yếu để thực hiện nhanh chóng các chức năng điều khiển, không phải để phục vụ như một công cụ đa chức năng.
Thực hiện nối trực tiếp
Dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống.
Thiết lập hệ thống trong một vùng nhỏ.
Tuổi thọ của hệ chuyển mạch không tiếp điểm là bán-vĩnh cửu, mang lại độ tin cậy cao hơn và tuổi thọ dài hơn so với rơle có tiếp điểm.
Do sự thiếu tiêu chuẩn hóa, mỗi công ty sản xuất PLC phát triển các ngôn ngữ lập trình riêng biệt, gây ra sự thiếu thống nhất trong việc hợp thức hóa.
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 phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp và loại máy móc, bao gồm 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 và dây chuyền đóng gói.
Công nghệ điều khiển cánh tay robot được ứng dụng rộng rãi trong việc gắp phôi từ băng tải và chuyển qua bàn gia công của máy CNC, cũng như trong việc điều khiển robot để đưa vật liệu vào băng tải Ngoài ra, nó còn được sử dụng để thực hiện các tác vụ như đóng hộp và dán tem nhãn, mang lại hiệu quả cao trong quy trình sản xuất.
PLC được sử dụng rộng rãi trong việc giám sát các quy trình tại các nhà máy mạ, dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử và dây chuyền kiểm tra chất lượng sản phẩm Các thiết bị như công tắc hành trình và cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và xử lý thông tin để đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản xuất.
Trong lĩnh vực tự động cơ khí hóa, van khí nén đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển dòng chảy tự động bằng cách mở và đóng Van khí nén sử dụng khí nén để thực hiện chức năng này, mở ra hoặc đóng lại khi có sự nén hoặc giải phóng khí Tình trạng mở hay đóng của van phụ thuộc vào thiết kế cơ khí của từng loại van trong ứng dụng cụ thể.
Van 3/2 có cấu tạo tương tự như van 2/2, bao gồm thân van và coil điện Thân van được thiết kế với 2 vị trí truyền động và 3 cửa: cửa cấp khí nén, cửa khí nén làm việc và cửa xả khí nén.
Hình 2 17 Trước và sau khi cấp khí nén[12]
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Tính toán và thiết kế phần cứng
3.1.1 Yêu cầu của hệ thống
Hệ thống được thiết kế để phân loại các sản phẩm khối hộp có kích thước 28x28x67(mm), sử dụng các phôi cấp hình hộp chữ nhật đồng nhất Mục tiêu chính của mô hình này là tối ưu hóa quy trình phân loại và lưu trữ các sản phẩm trong khối hộp.
Hình 3 1 Phôi dùng để phân loại
Hình 3 2 Khối hộp để đựng phôi
Hệ thống có khả năng phân loại sản phẩm khi chúng được đặt trong hộp có kích thước 66x66x70(mm), bao gồm cả trường hợp hộp thiếu sản phẩm hoặc hộp có mã barcode không đúng Qua đó, hệ thống xác định được sản phẩm đạt chuẩn hay bị lỗi và tiến hành phân loại chính xác.
Sản phẩm bị thiếu số lượng là những hộp chứa ít hơn bốn sản phẩm, có thể không có sản phẩm nào hoặc chỉ có một, hai, hoặc ba sản phẩm Trong khi đó, sản phẩm có mã barcode bị sai là những sản phẩm có mã vạch bị nhăn, sai hoặc không thể nhận diện Do đó, việc phân loại sản phẩm sẽ được chia thành các nhóm tương ứng.
4 loại: sản phẩm sai mã barcode, sản phẩm sai số lượng, sản phẩm sai cả hai và sản phẩm đạt chuẩn.
Hình 3 3 Mã barcode đúng (bên trái) và mã barcode sai (bên phải)
Hình 3 4 Sản phẩm lỗi sai mã barcode
Hình 3 5 Sản phẩm lỗi sai số lượng
Hình 3 7 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.
3.1.2 Bản thiết kế của hệ thống trên Solidworks
Việc thiết kế hệ thống băng tải phải dựa trên các sản phẩm thực tế, bao gồm khối lượng và kích thước của chúng, để đảm bảo sự phù hợp và hiệu quả trong quá trình vận chuyển Trong trường hợp này, băng tải có kích thước 600x80 mm sẽ được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của hệ thống.
Hình 3 8 Mô hình thiết kế băng tải hệ thống (Hình chiếu bằng)
Hình 3 9 Mô hình thiết kế băng tải hệ thống (Hình chiếu cạnh) b Thiết kế gá đỡ cảm biến và gá đỡ xilanh
Hình 3 10 Thiết kế gá cảm biến
Hình 3 11 Thiết kế gá xilanh
Hình 3 12 Tổng quan về hệ thống sau ghi gắn cảm biến và xilanh c Thiết kế máng trượt và gá đỡ camera
Hình 3 13 Thiết kế máng trượt sản phẩm
Hình 3 14 Thiết kế gá đỡ camera d Tổng quan mô hình hệ thống
Hình 3 15 Tổng quan thiết kế của hệ thống
Hình 3 16 Tổng quan thiết kế của hệ thống
Hình 3 17 Tổng quan thiết kế của hệ thống
Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 3 18 Sơ đồ khối của hệ thống
Chức năng của từng khối:
- Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống
- Nút nhấn, ngõ vào ra tác động:
Ngõ vào bao gồm nút nhấn để điều khiển hệ thống hoạt động, dừng hoặc dừng khẩn cấp, cùng với cảm biến quang giúp phát hiện xem sản phẩm đã đến vị trí hành trình hay chưa.
+ Ngõ ra đèn bảo hiệu trạng thái hệ thống, cụm van solenoid 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 đếm số lượng sản phẩm và quét barcode gửi tín hiệu về 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 Webserver
- Giao diện giám sát Webserver: nhận tín hiệu từ PLC, hiển thị lên giao diện được thiết kế giám sát.
Lựa chọn thiết bị cho hệ thống
3.3.1 Bộ xử lý trung tâm
Lựa chọn PLC là giải pháp tối ưu cho việc lập trình và giám sát hệ thống điều khiển chính xác và hiệu quả Các thương hiệu nổi tiếng trong lĩnh vực này bao gồm Mitsubishi, Rockwell và Siemens Đặc biệt, dòng sản phẩm Siemens có nhiều loại khác nhau như S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200 và S7-1500, đáp ứng đa dạng nhu cầu của người dùng.
Với đề tài này, nhóm sử dụng 3 nút nhấn, 4 cảm biến quang, 1 cảm biến áp suất,
7 relay tương ứng cho động cơ, đèn báo tín hiệu, cụm solenoid, và máy nén khí mini
Hình 3 19 PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC
Số lượng ngõ vào 14 (DI)
Số lượng ngõ ra 10 (DO)
Số ngõ vào Analog Input 2 (AI)
Giao tiếp truyền thông Ethernet
Bộ nhớ dữ liệu 100 Kb
Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật của PLC S7-1214C DC/DC/DC
3.3.2 Nguồn cấp cho hệ thống
Hệ thống sử dụng nguồn 24VDC và 12VDC để hoạt động, mặc dù điện lưới đầu vào là 220VAC Các thiết bị như PLC, van solenoid, động cơ giảm tốc và đèn tín hiệu đều yêu cầu nguồn 24VDC Do đó, nhóm đã sử dụng hai nguồn tổ ong: một nguồn 24VDC 5A để cấp điện cho toàn bộ hệ thống và một nguồn 12VDC 5A để cung cấp cho máy bơm khí nén mini.
Bảng 3 2 Thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong 24V 5A
Bảng 3 3 Thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong 12V 5A
Do sản phẩm không quá nặng, nhóm sử dụng động cơ giảm tốc có moment xoắn
7Kg ( ước tính ) để tải sản phẩm.
Hình 3 22 Động cơ giảm tốc JGB37-3530 24V
Cân nặng 174g Đường kính trục động cơ 32.8mm Đường kính hộp số 37.1mm Đường kính trục đầu ra 17.5mm
Bảng 3 4 Thông số kỹ thuật của động cơ giảm tốc
Do sản phẩm nhẹ, không nặng và dạng hình hộp nên nhóm sử dụng xilanh khí nén TBDA 10X70 dạng kép để đẩy sản phẩm dễ dàng hơn.
Hình 3 23 Xilanh khí nén TBDA 10X70
Phương pháp tác động Tác động kép
Hành trình 70 mm Độ dày 10 mm
Vận tốc tối đa 200 mm/s Áp suất tối đa 0.7 MPa
Bảng 3 5 Thông số kỹ thuật của xilanh khí nén TBDA 10X70
3.3.5 Cảm biến quang và cảm biến áp suất 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.
Hình 3 24 Cảm biến quang NPN E3F-DS30C4
Kích thước đường kính 18 mm Điện áp làm việc 6-36VDC
Khoảng cách phát hiện 60-300 mm Điều chỉnh khoảng cách Biến trở
Bảng 3 6 Thông số kỹ thuật của cảm biến quang NPN E3F-DS30C4
Hệ thống sử dụng máy bơm khí nén mini 12V với chức năng tự động đóng ngắt khi bình chứa đạt đủ áp suất Do bình chứa khí có dung tích nhỏ, chỉ khoảng 0.2MPa, nhóm đã lựa chọn cảm biến áp suất PS1000-R07L để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Hình 3 25 Cảm biến áp suất PS1000-R07L
Thông số kỹ thuật Điện áp làm việc 12-24VDC
Loại ngõ ra NPN và PNP Áp suất hoạt động -0.1 - 0.45MPa Điều chỉnh áp suất Biến trở
Bảng 3 7 Thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất PS1000-R07L
Hình 3 26 Sơ đồ đấu chân dạng NPN và PNP [13]
Hệ thống dùng 3 xilanh khí nén nhẹ tối đa 0.7MPa, nên nhóm sử dụng cụm van solenoid SMC SY3140-5H với ngõ vào 24V.
Hình 3 27 Cụm van solenoid SMC SY3140-5H
Loại Van 5/2 Áp suất 0.15-0.7 MPa
Bảng 3 8 Thông số kỹ thuật của cụm van solenoid
3.3.7 Camera logitech C270 và Camera Sky A870
Hệ thống bao gồm hai camera: một camera Logitech C270 để nhận diện số sản phẩm và một camera từ điện thoại Sky A870L để quét mã barcode.
Thông số kỹ thuật Độ phân giải HD (1280 x 720 pixels)
Bảng 3 9 Thông số kỹ thuật của camera logitech C270
Camera nhận diện mã vạch yêu cầu độ phân giải cao để thu nhận hình ảnh hiệu quả Nhằm tiết kiệm chi phí, nhóm đã tận dụng camera có sẵn trên điện thoại Sky A870L Họ sử dụng phần mềm Droid Cam Client để chuyển đổi camera điện thoại thành camera rời, phục vụ cho việc quét mã vạch trong hệ thống.
Hình 3 29 Camera điện thoại Sky A870L
Thông số kỹ thuật Độ phân giải 640 x 480 pixels
Bảng 3 10 Thông số kỹ thuật của camera Sky A870L
Relay trung gian đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ thiết bị và bộ điều khiển, giúp dễ dàng điều khiển và phân chia nguồn kết nối Khi xảy ra sự cố, relay có khả năng cách ly giữa bộ điều khiển và thiết bị, đảm bảo an toàn cho hệ thống Chúng nhận tín hiệu đóng/ngắt từ bộ điều khiển và thực hiện việc cấp điện hoặc ngắt điện cho thiết bị chấp hành Để hoạt động hiệu quả, relay cần có khả năng đáp ứng nhanh và tiếp điểm phải chịu được điện áp, dòng lớn.
Nhóm chọn loại Relay MY2N và Relay LY2N Omron 24VDC 2 cặp tiếp điểm
Bộ điều khiển cần có 1 tiếp điểm thường đóng và 1 tiếp điểm thường hở, cùng với 8 chân kết nối, nhằm đảm bảo đủ số lượng tiếp điểm cần thiết Đồng thời, điện áp hoạt động của bộ điều khiển phải phù hợp với điện áp ngõ ra.
Hình 3 30 Relay MY2N (bên trái) và LY2N (bên phải) Omron 24VDC
MCB Bảng 3 11 Thông số cơ bản của Relay
Thông số kỹ thuật Điện áp cuộn dây 24 VDC
Số tiếp điểm thường đóng 1
Số tiếp điểm thường hở 1
Số chân 8 của đèn báo trạng thái có chức năng tự động cắt điện khi gặp sự cố quá tải hoặc ngắn mạch, nhằm bảo vệ an toàn cho người và thiết bị điện Nhóm đã chọn MCB làm thiết bị đóng cắt, cụ thể là MCB Vanlock PS45N-C16 cho hệ thống này.
Hình 3 31 Cầu dao 2 pha MCB PS45N-C16
Số pha 2 Điện áp định mức 400 V
Dòng cắt ngắn mạch 6KA
Bảng 3 12 Thông số cơ bản cầu dao 2 pha MCB PS45N-C16
Nút Start và Stop được sử dụng để bật và tắt hệ thống, trong khi nút nhấn khẩn cấp PBCY090-LAY37 giúp dừng hệ thống ngay lập tức khi gặp sự cố Thiết bị LA38/203-209B đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hoạt động của hệ thống.
Hình 3 32 Nút bật tắt hệ thống
Thông số kỹ thuật Điện áp định mức 440V
Chất liệu Nhựa, kim loại
Nắp kính đường 22mm 22mm
Nhiệt độ làm việc -5 độ - 50 độ C
Bảng 3 13 Thông số cơ bản của nút bật tắt hệ thống
Hình 3 33 Nút dừng khẩn cấp
Thông số kỹ thuật Điện áp định mức 660V
Chất liệu Nhựa, kim loại
Nắp kính đường 22mm 22mm
Bảng 3 14 Thông số cơ bản của nút dừng khẩn cấp
Động cơ bơm khí mini 12V: Để bơm khí vào bình nén khí, do lượng khí sử dụng không nhiều, nên nhóm lựa chọn máy bơm khí mini 12V.
Hình 3 34 Động cơ bơm khí
Thông số kỹ thuật Điện áp định mức 12V
Bảng 3 15 Thông số cơ bản của động cơ bơm khí
Đèn Start, Stop: Để báo hiệu cho người dùng trạng thái của hệ thống, nhom sử dụng đèn Start, Stop nguồn 24V AD16-22DS
Hình 3 35 Đèn báo Stop (bên trái) và Start (bên phải)
Thông số kỹ thuật Điện áp 24V
Màu Đỏ và Xanh Đường kính lỗ phi 22 mm
Bảng 3 16 Thông số cơ bản đèn Stop, Start
Sơ đồ nối dây hệ thống
Sơ đồ nối dây hệ thống được thiết kế bằng phần mềm Autocad Electrical 2021, cung cấp bản vẽ chi tiết về kết nối giữa thiết bị, nguồn điện và bộ xử lý PLC.
Hình 3 36 Sơ đồ kết nối nguồn tổ ong với điện lưới
Hình 3 37 Sơ đồ ngõ vào input PLC
Hình 3 38 Sơ đồ ngõ ra output PLC đến relay trung gian
Hình 3 39 Sơ đồ nối từ tiếp điểm relay tới thiết bị
Lưu đồ giải thuật
Hình 3 40 Lưu đồ giải thuật hệ thống
- Khi nhấn Start đèn tín hiệu báo, băng tải chạy, hệ thống sẵn sàng phân loại.
Khi sản phẩm được đặt lên băng tải, cảm biến quang sẽ nhận diện sản phẩm, khiến băng tải dừng lại để camera thực hiện việc quét số lượng sản phẩm và kiểm tra mã barcode.
+ Nếu sản phẩm đủ số lượng và đúng mã barcode, sản phẩm được di chuyển tới cuối băng tải.
Khi sản phẩm đủ số lượng nhưng có mã barcode sai, sản phẩm sẽ được di chuyển Khi cảm biến quang 1 phát hiện sản phẩm, xilanh 1 sẽ đẩy sản phẩm vào máng trượt 1.
Khi sản phẩm có sai số lượng nhưng đúng mã barcode, sản phẩm sẽ được di chuyển Khi cảm biến quang 2 phát hiện sản phẩm, xilanh 2 sẽ đẩy sản phẩm vào máng trượt 2.
Khi sản phẩm có sai số lượng và mã barcode không đúng, sản phẩm sẽ được chuyển đến vị trí mà cảm biến quang 3 phát hiện Tại đây, xilanh 3 sẽ thực hiện nhiệm vụ đẩy sản phẩm vào máng trượt 3.
- Mỗi khi có một loại sản phẩm được phân loại thì counter loại đó sẽ được đếm lên
- Khi nhấn Stop, đèn tín hiệu báo, băng tải dừng, hệ thống tắt.
Trong quá trình hoạt động, sản phẩm chỉ được phân loại khi sản phẩm trước đó đã hoàn tất phân loại Khi xảy ra sự cố khẩn cấp, nhấn nút Emergency để dừng hệ thống, băng tải và đèn đỏ sẽ nhấp nháy Sau khi tắt nút Emergency, hệ thống sẽ trở về trạng thái sẵn sàng chờ tín hiệu Start.
KẾT QUẢ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
Kết quả thi công phần cứng
Sau khi thi công hệ thống theo bản thiết kế, nhóm đã đạt được kết quả như hình bên dưới:
Hình 4 1 Mô hình hệ thống
Phần cứng thi công chính xác và băng tải hoạt động ổn định, cùng với xilanh và cảm biến được gắn chắc chắn, đảm bảo hiệu suất cao Động cơ và hệ thống tăng đai cũng được thiết kế ổn định và bền bỉ, mang lại sự tin cậy trong quá trình vận hành.
Hình 4 2 Mô hình hệ thống
Hình 4 3 Mô hình tủ điện
Hình 4 4 Mô hình tủ điện
Hình 4 5 Tổng quan mô hình hệ thống
Hình 4 6 Tổng quan mô hình hệ thống
Chương trình điều khiển hệ thống trên TIA PORTAL V15
Hình 4 7 Chương trình trên TIA Portal V15
Hình 4 8 Các biến tag trong TIA Portal V15
Chương trình nhận diện sản phẩm và mã barcode
Đối với việc nhận diện số lượng sản phẩm hoặc mã barcode, nhóm đều sử dụng hai khối chức năng Vision Acquisition và Vision Assistant
+ Vision Acquisition: Khối này sẽ thu nhận hình ảnh từ camera, tiền xử lý và đưa ảnh ra Image Out để xuất ra ngoài xử lý.
+ Vision Assistant: Khối này sẽ xử lý hình ảnh được thu vào, khối này là khối chức năng
Chương trình nhận diện số lượng sản phẩm sử dụng công nghệ Vision Acquisition để thu nhận ảnh Sau đó, ảnh sẽ được xử lý bão hòa nhằm nâng cao chất lượng, và cuối cùng, ảnh đã được xử lý sẽ được chuyển đến khối Vision Assistant để tiếp tục xử lý.
LabVIEW sử dụng 9 mẫu template để xử lý ảnh đã được lấy mẫu Khối Vision Assistant áp dụng phương pháp Pattern Matching để liên tục kiểm tra sự trùng khớp giữa mẫu ảnh và ảnh thu được tại thời điểm đó Kết quả sẽ được gửi dưới dạng tín hiệu Number of Matches (số hình mẫu trùng) về PLC thông qua giao thức OPC để xử lý.
Hình 4 10 Cấu hình phương pháp nhận diện ảnh Pattern Matching
Phương pháp Pattern Matching là một cách tiếp cận đơn giản để xác định vùng của ảnh xám khớp với ảnh mẫu bằng cách so sánh hai mẫu Đây là một kỹ thuật mạnh mẽ có thể đối chiếu được với mẫu dù trong điều kiện thiếu sáng, mờ, nhiễu, mẫu di chuyển hoặc bị xoay.
Chương trình nhận diện barcode
Mã vạch EAN/UPC, được phát triển từ năm 1973, là mã vạch phổ biến nhất và đã trở thành biểu tượng trong việc xác định hàng triệu sản phẩm và dịch vụ thương mại Kể từ khi sản phẩm đầu tiên, kẹo cao su Wrigley, được quét, mã vạch GS1 đã đóng vai trò quan trọng trong ngành bán lẻ.
Máy quét mã vạch có khả năng đọc từ cả hai phía, giúp tăng tốc độ quét và hiệu quả trong các tình huống quét hàng hóa với khối lượng lớn, như tại các siêu thị.
Mã vạch EAN 13 được thu nhận và xử lý qua khối Vision Assistant, nơi thực hiện kiểm tra mã barcode Sau khi kiểm tra, tín hiệu mã sẽ được gửi ra ngoài và truyền về PLC thông qua giao thức OPC.
Hình 4 12 Cấu hình phương pháp nhận diện mã barcode
Vì mã barcode được sử dụng trong mô hình là loại mã EAN 13 nên cấu hình cụ thể một loại mã EAN 13 trong Barcode Reader Setup.
Từ việc thiết kế chương trình, ta có được giao diện điều khiển trên Labview.
Hình 4 13 Chương trình nhận diện số sản phẩm và mã vạch
Hình 4 14 Giao diện giám sát trên Labview
Giao diện giám sát trên Webserver
Giao diện giám sát trên web được chia làm 3 page, một trang giới thiệu đề tài,một trang tổng quan về đề tài và một trang giám sát.
Hình 4 15 Giao diện giới thiệu về đề tài
Hình 4 16 Giao diện tổng quan về đề tài
Bài viết này giới thiệu về đề tài "Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh Labview", do giáo viên hướng dẫn và sinh viên thực hiện Phần tổng quan sẽ cung cấp cái nhìn tổng thể về nguyên lý hoạt động của mô hình, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc ứng dụng xử lý ảnh trong việc phân loại sản phẩm lỗi.
Hình 4 17 Giao diện giám sát hệ thống
Trong phần giám sát hệ thống, người vận hành có khả năng theo dõi trạng thái hoạt động và tình hình phân loại của hệ thống Họ cũng có thể xem số lượng sản phẩm đã được phân loại và sử dụng nút reset để xóa bộ đếm sản phẩm.
Cấu hình truyền thông OPC KEPServerEX 6
Để kết nối và truyền dữ liệu giữa PLC và LabVIEW, chúng ta sử dụng phương pháp truyền thông OPC Việc này yêu cầu cấu hình OPC trên LabVIEW và thiết lập dữ liệu trên OPC KEPServerEX, từ đó đảm bảo sự liên lạc hiệu quả giữa PLC và LabVIEW.
Hình 4 18 Cấu hình OPC trên Labview
Hình 4 19 Data Transfer trên PLC
Hình 4 20 Cấu hình trên OPC KEPServerEX 6
Việc cấu hình trên OPC KEPServerEX cũng khá đơn giản, các địa chỉ được lấy từ Data Transfer trên PLC.
+ Data 1: dữ liệu mã barcode thu nhận từ Labview được gửi về PLC
+ Data 2: dữ liệu số lượng sản phẩm thu nhận từ Labview gửi về PLC
+ DEN DO, DEN XANH, EMERGENCY: dữ liệu được đọc từ trạng thái của đèn báo hiệu trên PLC để truyền tới Labview hiển thị.
Các trạng thái lỗi sản phẩm bao gồm sản phẩm có barcode sai, sản phẩm sai số lượng và sản phẩm sai cả hai yếu tố Tín hiệu lỗi sẽ được đọc và gửi về Laview sau khi PLC thực hiện việc phân loại lỗi sản phẩm.
+ START, STOP: được đọc và ghi từ PLC xuống Labview và từ Labview xuống PLC.
KẾT QUẢ CHẠY THỰC NGHIỆM
Kết quả giao diện điều khiển
Giao diện điều khiển cung cấp đầy đủ các chức năng của hệ thống, bao gồm nút nhấn, trạng thái phân loại và đèn tín hiệu Các trạng thái và phân loại sản phẩm lỗi được hiển thị chính xác, phản ánh đúng tình hình thực tế của hệ thống.
Hình 5 1 Giao diện điều khiển trên Labview khi hệ thống dừng
Khi hệ thống hoạt động thì đèn báo hiệu trạng thái hoạt động ổn định.
Hình 5 2 Giao diện điều khiển trên Labview khi hệ thống hoạt động
Hình 5 3 Giao diện điều khiển trên Labview nhận diện barcode
Hình 5 4 Giao diện điều khiển phân loại sản phẩm sai barcode
Hình 5 5 Giao diện điều khiển phân loại sản phẩm sai số lượng
Hình 5 7 Giao diện điều khiển phân loại sản phẩm đạt chuẩn
Giao diện giám sát thân thiện với màu sắc dịu mắt giúp người vận hành dễ dàng sử dụng Việc hiển thị rõ ràng loại lỗi trên giao diện Labview cho phép người vận hành nhanh chóng nhận diện và đánh giá tình trạng hiện tại của hệ thống.
Việc nhận diện số lượng sản phẩm hay mã barcode sẽ đạt độ chính xác cao và không gặp sự cố khi đủ điều kiện ánh sáng, đồng thời xác định lỗi sản phẩm một cách chính xác Các cơ cấu chấp hành cần hoạt động ổn định để đảm bảo không xảy ra sự cố.
Kết quả giao diện giám sát
Hình 5 8 Giao diện giám sát khi hệ thống dừng
Hình 5 9 Giao diện giám sát khi hệ thống hoạt động
Hình 5 10 Giao diện giám sát khi hệ thống lỗi mã vạch
Hình 5 11 Giao diện giám sát khi hệ thống lỗi số lượng
Hình 5 12 Giao diện giám sát khi hệ thống lỗi cả hai
Hình 5 13 Giao diện giám sát khi sản phẩm đạt chuẩn
Webserver hoạt động ổn định với chu kỳ cập nhật giá trị 0.2 giây, hiển thị trạng thái chính xác và không xảy ra lỗi Việc đếm sản phẩm phân loại được thực hiện chuẩn xác, nút reset chỉ hoạt động dưới quyền giám sát của admin Để kiểm tra độ ổn định của hệ thống, nhóm đã thực hiện 100 lần phân loại cho từng loại sản phẩm Kết quả cho thấy độ chính xác chưa đạt 100%, nhưng sai số rất ít, chủ yếu xảy ra khi sản phẩm được đặt lệch, thiếu ánh sáng chiếu vào barcode hoặc không ngay ngắn.
Sản phẩm 4 Độ chính xác
Bảng 5 1 Kết quả kiểm tra độ chính xác hệ thống
Sản phẩm 1: Sản phẩm sai mã barcode
Sản phẩm 2: Sản phẩm sai số lượng
Sản phẩm 3: Sản phẩm sai cả hai
Sản phẩm 4: Sản phẩm đạt chuẩn
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Kết luận
Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài “Phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh Labview”, nhóm đã hoàn thành tốt công việc với các cơ cấu chấp hành hoạt động ổn định và không gặp sự cố ngoài ý muốn Tất cả thiết bị được lắp đặt đúng theo bản vẽ và sơ đồ nối dây, không xảy ra hiện tượng cháy nổ hay chập điện Nhìn chung, đề tài đã đáp ứng đầy đủ các tiêu chí ban đầu đã đặt ra.
Hệ thống hoạt động ổn, không trục trặc hay gặp sự cố, đúng như thiết kế đề ra.
Giao tiếp giữa Labview và PLC, cũng như giữa PLC và PC, diễn ra đồng thời mà không bị nhiễu hay gián đoạn Quá trình phân loại lỗi được thực hiện một cách chính xác, đảm bảo không xảy ra sự cố.
Giao diện điều khiển và giám sát hiển thị rõ ràng và chính xác về số lượng, loại lỗi, cũng như trạng thái của hệ thống.
Mặc dù đề tài đã đạt được một số kết quả nhất định, nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót và hạn chế Sản phẩm phân loại hiện tại chỉ là mẫu thử nghiệm, chưa được triển khai thực tế Trong quá trình thực hiện, tình hình dịch COVID-19 đã ảnh hưởng không nhỏ đến tiến độ và chất lượng dự án Hệ thống camera thu nhận hình ảnh chưa đạt yêu cầu về thẩm mỹ, việc đi dây điện trong tủ điện chưa được tối ưu hóa, và chưa có vỏ lồng an toàn điện Giao diện giám sát và điều khiển vẫn chưa hoàn thiện, chỉ dừng lại ở mức có thể giám sát Đặc biệt, quá trình phân loại hàng hóa vẫn cần sự giám sát của người vận hành để xác định thời điểm đưa hàng vào vị trí phân loại, cho thấy tính tự động hóa chưa hoàn toàn được thực hiện.
Hướng phát triển
Hiện tại, đề tài chỉ dừng ở việc phân loại từng sản phẩm một, có thể hướng lên việc phân loại đồng thời hai hay nhiều sản phẩm hơn.
Hệ thống chỉ đóng vai trò là một phần kiểm tra trong tổng thể lớn hơn, do đó cần tối ưu hóa để cải thiện tốc độ phân loại và đảm bảo quá trình nhận diện hoàn toàn tự động.