PHÂN LOẠI và đếm sản PHẨM THEO màu, có CODE

PHÂN LOẠI VÀ ĐẾM SẢN PHẨM
THEO MÀU, CÓ CODE

2


PHÂN LOẠI VÀ ĐẾM SẢN PHẨM THEO MÀU
TÓM TẮT
Để phù hợp với mục đích nền cơng nghệ 4.0 hiện nay các nhà máy thường thay thế sức
người bằng các công cụ máy móc để giảm thiểu rủi ro cũng như mức chi phí trong q
trình vận hành và sản xuất.
Với mơ hình phân loại sản phẩm theo màu giúp chúng ta dễ dàng phân biệt màu của
các sản phẩm bằng các láy mẫu tần số đưa vô vi điều khiẻn xử lý, sau đó vi điều khiển
sẽ truyền tín hiệu qua PLC bằng giao thức TCP/IP. Dùng băng chuyền để di chuyển các
sản phẩm cũng như các cảm biến để đọc màu và nhận biết sản phẩm đi qua. Tương ứng
với mỗi màu sẽ có một cảm biến hồng ngoại phát hiện sản phẩm màu đó cũng như một
động cơ bước để đẩy sản phẩm đó vào thùng.

3


MỤC LỤC
DANH MỤC CẤC HÌNH VẼ

xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

xiii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

xiv

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1

1.1.

Giới thiệu đề tài

1

1.2.

Mục đích nghiên cứu

1

1.3.

Đối tượng nghiên cứu

2

1.4.

Phạm vi nghiên cứu

2

1.5.

Dự kiến kết quả

2

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

3

Động cơ DC

3

2.1.1.

Phân loại động cơ điện DC

3

2.1.2.

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

3

2.1.3.

Điều chỉnh tốc độ động cơ DC

4

2.1.4.

Định nghĩa động cơ DC

4

2.1.5.

Ưu nhược điểm của động cơ điện DC

4

2.2.

Động cơ bước

5

2.2.1.

Định nghĩa động cơ bước

5

2.2.2.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ bước

5

2.2.3.

Ưu nhược điểm của động cơ bước.

6

2.2.4.

Ứng dụng động cơ bước

6

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG
3.1.

7

Sơ đồ khối của hệ thống

7

3.1.1.

Khối nguồn

7

3.1.2.

Khối xử lí

9

3.1.3.

Khối cảm biến

14

3.1.4.

Khối relay

16

3.1.5.

Khối động cơ băng chuyền

17

3.2.

Thiết kế phần cứng của hệ thống

3.2.1.

19

Thiết kế mơ hình

19

4


3.3.

Thiết kế dữ liệu cho hệ thống

3.3.1.
3.4.

22

Bảng thống kê dữ liệu cho toàn hệ thống

Thiết kế phần mềm

3.4.1.

22
22

Thiết kế giao diện SCADA để đều khiển và giám sát hệ thống

CHƯƠNG 4. GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN

22
26

4.1.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống

26

4.2.

Lưu đô giải thuật

27

CHƯƠNG 5. THỰC NGHIỆM

28

5.1.

Tiến hành thực nghiệm

28

5.2.

Kết quả thực nghiệm

28

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN

32

TÀI LIỆU THAM KHẢO

33

PHỤ LỤC A CHƯƠNG TRÌNH PLC

1

PHỤ LỤC B CHƯƠNG TRÌNH ARDUINO

1

5


DANH MỤC CẤC HÌNH VẼ
Hình 3. 1 Nguồn omron 24VDC

7

Hình 3. 2 Mạch giảm áp XL4005

8

Hình 3. 3 Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp LM-25956

9

Hình 3. 4 Sơ đồ chân của IC LM2596-5

9

Hình 3. 5 PLC S7-1200 1214C DCDC/DC

10

Hình 3. 6 Sơ đồ đấu dây của PLC

11

Hình 3. 7 Arduino Uno R3

12

Hình 3. 8 Driver TB6600

13

Hình 3. 9 Cảm biến phát hiện vật cản hồng ngoại

14

Hình 3. 10 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến hồng ngoại

14

Hình 3. 11 Cảm biến màu TCS3200

15

Hình 3. 12 Relay 12VDC

16

Hình 3. 13 Băng chuyền

17

Hình 3. 14 Băng tải

17

Hình 3. 15 Động cơ giảm tốc DC

18

Hình 3. 16 Cấu hình SCADA

18

Hình 3. 17 Thiết kế 3D băng chuyền

19

Hình 3. 18 Thi cơng băng chuyền

19

Hình 3. 19 Cảm biến hồng ngoại và chân đế

20

Hình 3. 20 Động cơ bước và chân đế

20

Hình 3. 21 Phần cứng của hệ thống hồn chỉnh

21

Hình 3. 22 Mơ phỏng kết nối PLC với SCADA

23

Hình 5. 1 Cấp nguồn cho hệ thống

26

Hình 5. 2 Khởi động hệ thống

27

6

Hình 5. 3 Đưa sản phẩm lên băng chuyền

27

Hình 5. 4 Sản phâm được băng chuyền di chuyển

28

Hình 5. 5 Quan sát trên hệ thống SCADA

28

Hình 5. 6 Nhấn Stop dừng hệ thống

29

7


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3. 1 Ngõ vào ra của hệ thống

22

8


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AC

Alternating Current

CPU

Central Processing Unit

DC

Direct Current

SCADA

Supervisor Control And Data Acquisition

PWM

Pulse Width Modulation

9


TRANG 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1.

Giới thiệu đề tài
-

Trong cuộc sống của chúng ta có rất nhiều thiết bị tự động và trong dó khơng

thể khơng nói đến thiết bị đếm và phân loại sản phẩm. Để giảm thiểu chi phí nguồn
nhân lực người ta đã thiết kế và làm ra băng chuyền để di chuyển sản phẩm một cách
dễ dàng hơn và tạo ra năng suất cao hơn việc sử dụng nguồn nhân lực là con người. Vì
vậy với mơ hình đếm sản phẩm này giúp chúng ta phân loại một cách chính xác và
cũng để giảm bớt thời gian và những sai sót
-

Để thích ứng với thời đại nền công nghiệp 4.0 hiện nay, nhiều nhà máy xí

nghiệp đã dần thay thế nguồn nhân lực con người thành những thiết bị máy móc tự
động trong quá trình sản xuất và phát triển. Và một trong những thiết bị tự động cơ bản
đó là hệ thống phân loại và đếm sản phẩm tự động.
-

Để hiểu rõ về thiết bị tự động này, em đã tìm hiểu và làm ra mơ hình đếm và

phân loại sản phẩm tự động bằng việc sử dụng PLC, module cảm biến, băng chuyền để
di chuyển sản phẩm. Để quan sát được quá trình phân loại và đếm sản phẩm em sử
dụng thêm giao diện WinCC để hiển thị và giao tiếp qua máy tính.
-

Mơ hình đếm và phân loại sản phẩm có chức năng phân loại màu của sản phẩm

di chuyển trên băng chuyền, với việc sử dụng cảm biến hồng ngoại đếm sản phẩm theo
từng màu. Và sau khi đếm và phân loại hệ thống sẽ tự động hiển thị lên WinCC.
1.2.

Mục đích nghiên cứu
-

Áp dụng những kiến thức đã học để tìm hiểu và hồn thành mơ hình.

-

Dựa trên những kiến thức đã học về PLC, lập trình SCADA. Tiếp tục nghiên

cứu cách sử dụng và kết nối với PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC.
-

Tìm hiểu về module cảm biến màu sắc TCS3200 cũng như cách phân loại và

nhận biết màu của nó.
-

Tìm hiểu về cách cấp xung cho driver động cơ bước.


TRANG 2

-

Cuối cùng là tìm hiểu về cách giao tiếp modbus giữa arduino và module PLC

qua giao thức modbus TCP/IP.
1.3.

Đối tượng nghiên cứu

-

1.4.

Hệ thống phân loại và đếm sản phẩm theo màu:
o

Module PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC.

o

Cảm biến hồng ngoại.

o

Động cơ DC

o

Động cơ bước

o

Cảm biến màu TCS3200

o

Module arduino

o

Module arduino ethernet shield

Phạm vi nghiên cứu
-

Phạm vi ứng dụng những kiến thức đã học trên lớp.

-

Dùng để đếm và phân loại sản phẩm với số luọng nhỏ gọn một cách tự động.

1.5.

Dự kiến kết quả
-

Sản phẩm được đưa vào băng chuyền, băng chuyền sẽ di chuyển sản phẩm qua

cảm biến màu để xác định màu của sản phẩm. Tương ứng với mỗi màu sẽ có một cảm
biến hồng ngoại nhận biết sản phẩm đi qua, sau khi cảm biến nhận biết sản phẩm sẽ
được được cơ bước gạt xuống.


TRANG 3

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

Động cơ DC

2.1.1.

-

Phân loại động cơ điện DC

Để phân loại động cơ DC người ta phân loại theo kích từ thành những loại như

sau
o Động cơ DC kích từ độc lập
o Động cơ DC kích từ song song
o Động cơ DC kích từ nối tiếp
o Động cơ DC kích từ hỗn hợp
-

Với mỗi loại động cơ điện DC thì có những ứng dụng khác nhau phù hợp với

mục đích sử dụng của nó. Đối với những mơ hình nhỏ như này thì thường được sử
dụng động cơ DC có cơng suất thấp và phần startor được sử dụng nam châm vĩnh cữu
nên không cần đến phần kích từ cho động cơ.
2.1.2.
-

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
Cấu tạo của động cơ điện DC gồm 3 thành phần chính:
o Phần stator của động cơ điện DC thường là một hay nhiều cặp nam châm
vĩnh cửu, hay nam châm điện.
o Rotot gồm nhiều cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện 1 chiều DC.
o Nếu phần rotor chuyển động liên tục thì bộ phận chỉnh lưu có nhiệm vụ

đổi chiều chuyển động của nó.

-

Nguyên tắt hoạt động:
o Để tạo ra từ trường quay động cơ điện DC được trang bị nam châm điện
hoặc cuộn dây diện từ.


TRANG 4

o Khi có dịng điện đi qua các cuộn dây được đặt giữa cực bắc và cực nam
của nam châm, từ trường được tạo ra từ phần ứng và được tương tác với
từ trường nam châm và tạo ra momen.
-

Động cơ DC sẽ có 2 chế độ hoạt động:
o Chế độ máy phát khi trục của động cơ được tác động bởi một lực bên
ngoài.
o Chế độ động cơ khi trục động cơ kéo tải.

2.1.3.
-

Điều chỉnh tốc độ động cơ DC
Một số phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:
o Thay đổi điện áp trên phần cứng
o Thay đổi điện trở mạch rotot
o Thay đổi từ thông

-

Nhưng trong thực tế phương pháp được sử dụng nhiều nhất đồ là thay đổi độ

rộng xung PWM
2.1.4. Định nghĩa động cơ DC
-

Động cơ một chiều DC là động cơ được điều khiển bằng áp một chiều DC và

hướng dòng điện được xác định.
-

Động cơ sẽ hoạt động khi được cung cấp bởi nguồn năng lượng đó là năng

lượng điện, sau đó động cơ chuyển điện năng thành cơ năng.
2.1.5.
-

Ưu nhược điểm của động cơ điện DC
Ưu điểm
o Có momen khởi động lớn vì vậy động cơ có thể kéo được tải nặng khi
khởi động.
o Tốc độ của động cơ có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng, đặc biệt là tiết
kiệm điện năng.
o Tuổi thọ cao.


TRANG 5

-

Nhược điểm
o Bộ phận cổ góp có cấu tạo rất phức tạp, thường hư hỏng và sửa chữa
thường xuyên, giá thành cao.
o Sẽ gây nguyên hiểm trong mỗi trường dễ cháy nổ do tia lửa điện phát
sinh trên cổ góp và chổi than.
o Giá thành đắc, cơng suất khơng cao.

2.1.6.
-

Ứng dụng động cơ điện một chiều DC
Ứng dụng động cơ điện một chiều cũng rất đa dạng và được sử dụng rất nhiều

trong mọi lĩnh vực đời sống. Được sử dụng làm băng chuyền trong công nghiệp hay là
các loại thiết bị tự động khác. Động cơ điện DC cũng được trang bị trong đài FM, máy
khoan sử dụng pin, máy photo,…..
2.2.

Động cơ bước

2.2.1.
-

Định nghĩa động cơ bước
Động cơ bước là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển

dưới dạng các xung điện rời rạc và kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc
các chuyển động của rotor có khả năng cố định rotor và vị trí cần thiết.

2.2.2.
-

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ bước
Cấu tạo có 4 thành phần chính:
o Rotor là một dãy các nam châm vĩnh cửu, chúng được sắp xếp chổng lên
nhau một cách kỹ lưỡng. Trên các nam châm này được chia thành các
cặp cực xếp đối xứng với nhau.
o Stator được cấu tạo bằng sắt từ và được chia thành các rãnh nhỏ để đặt
cuộn dây.

-

Nguyên lý hoạt động
o Động cơ bước không quay theo các cơ chế thông thường mà nó quay
theo từng bước một. Nên nó có độ chính xác cao đặc biệt là về mặt điều
khiển học.


TRANG 6

o Động cơ bước làm việc nhờ vào hoạt động của các bộ chuyển mạch điện
từ. Các mạch điện từ này sẽ đưa ra các tín hiệu của lệnh điều khiển vào
stator theo thứ tự lần lượt với một tần số nhất định.


TRANG 7

2.2.3.
-

Ưu nhược điểm của động cơ bước.
Ưu điểm
o Khả năng cung cấp momen xoắn cực lớn, đặc biệt là ở dãi vận tốc thấp
và vận tốc trung bình.
o Động cơ bước khá bến, giá thành sản phẩm tương đối thấp, khơng gặp
bất kì trở ngại nào.

-

Nhược điểm
o Hay xảy ra các hiện tượng khó chịu, chẳng hạn như bị trượt bước.
o Động cơ bước thường gây ra tiếng ồn và có hiện tượng động cơ bị nóng
dần lên.
o Khơng nên sử dụng động cơ bước cho các thiết bị máy móc đồi hỏi tốc
độ cao.

2.2.4.
-

Ứng dụng động cơ bước
Động cơ bước hiện nay được ứng dụng rất nhiều và ngày càng phổ biến , chủ

yếu là trong điều khiển kỹ thuật số của động cơ.
-

Ứng dụng động cơ bước trong các nghành cơng nghiệp tự động hóa, đặc biệt là

các thiết bị máy móc địi hỏi sự chính xác cao.
-

Đặc biệt là đối với các loại thiết bị máy móc hiện đại, giúp cho q trình gia

cơng cơ khí như: máy cắt công nghệ plasma CNC, máy các công nghệ CNC laser,......
-

Được sử dụng trong lĩnh vực chế tạo máy ảnh, đem lại chức năng lấy nét chính

xác và sắc sảo cho máy ảnh.


TRANG 8

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
3.1.

Sơ đồ khối của hệ thống

Khối nguồn

Khối cảm biến

Khối động cơ
băng chuyền

Khối xử lý

Khối relay

Khối giám sát

SCADA

3.1.1.
-

Khối nguồn
Với việc sử dụng nguồn tổ ông 24VDC để cung câp nguồn cho PLC cũng như

cung cấp cho các thiết bị phẩn cứng khác.

Hình 3. 1 Nguồn omron 24VDC


TRANG 9

-

Thông số kỹ thuật
o Nguồn cấp: 100 – 240VAC, 50/60Hz, 1 pha.
o Điện áp ngõ ra 24VDC.
o Công xuất tiêu thụ 75W.
o Nhiệt độ làm việc từ -20 đến 60oC.
o Bảo vệ quá áp: bộ nguồn tự động ngắt khi điện áp ngõ ra vượt quá 115%.
o Hiệu xuất từ 75% ~ 90%.

-

Để hạ áp xuống 12VDC cấp nguồn ngõ ra cho PLC bằng cách sử dụng mạch

giảm áp DC XL 4005.

-

Và sử dụng mạch giảm áp LM-2596-5 để hạ áp 5VDC cấp nguồn cho module

arduino.

Hình 3. 2 Mạch giảm áp XL4005
-

Thông số kỹ thuật:
o Điện áp ngõ vào: 24VDC.
o Điện áp ngõ ra: 12VDC.
o Dòng tải tối đa: 5A.


TRANG 10

Hình 3. 3 Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp LM-25956
-

Điện áp ngõ vào 12VDC.

-

Điện áp ngõ ra 5VDC.

-

Dòng tải tối đa 3A.

Hình 3. 4 Sơ đồ chân của IC LM2596-5
-

IC LM2596-5 bao gồm 5 chân
o Chân 1 nối với điện áp ngõ vào 12VDC.
o Chân 2 đưa điện áp ra 5V.
o Chân 3 nối với GND.
o Chân 4 phản hồi điện áp ngõ ra .
o Chân 5 dùng để thay đổi trạng thái dẫn của IC.

3.1.2.
3.1.2.1.

Khối xử lí
PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC

-

Khối xử lí là khối giải mã và xử lí các tín hiệu từ ngõ vào của cảm biến và xuất

ra tín hiệu để điều khiển động cơ và hiển thị lên WinCC trong quá trình phân loại và
đếm sản phẩm.


TRANG 11

-

Linh kiện chính được sử dụng trong trong khối này là module PLC S7-1200

CPU 1214C DC/DC/DC.

Hình 3. 5 PLC S7-1200 1214C DCDC/DC
-

Thông số kỹ thuật:
o Mã sản phẩm: 6ES7214-1AG40-0XB0.
o Hãng sản xuất Siemens.
o Nguồn điện 24VDC.
o Bộ nhớ 100KB.
o Ngõ vào và ngõ ra trên mạch bao gồm: DI14 x 24VDC,
SINK/SOURCE , DQ10 X 24VDC và AI2 .
o Có cổng truyền thông Profinet (Ethernet) hỗ trợ tốc độ truyền lên đến
10/100 Mbits/s.
o Hỗ trợ:
▪ 6 bộ điếm tốc độ cao HSC.
▪ Ngõ ra có thể điều rộng xung để điều khiển nhiệt độ.
▪ Điều chỉnh tốc độ động cơ cũng như tốc độ mở van .


TRANG 12

Hình 3. 6 Sơ đồ đấu dây của PLC
3.1.2.2.

Arduino Uno R3
-

Arduino là một board phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng mã nguồn mở chủ

yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P. Với arduino chúng ta có thế xây dụng
các ứng dụng điện tử tương tác với nhau thông qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ.


TRANG 13

Hình 3. 7 Arduino Uno R3
-

Có một số chân I /O Digital và Analog được đặt trên bo mạch hoạt động ở mức

logic 5V với dòng điện khoảng từ 20mA đến 40mA.
-

Thông số kỹ thuật

o Chip ATMEGA328P-PU
o Nguồn cấp: 7 – 12VDC
o Dòng max chân 5VDC là 500mA
o Dòng mxx chân 3.3V là 50mA
o Dòng max chân I/O là 30mA
o 14 chân digital (có 6 chân PWM)
o 6 chân analog input
o 32K Flash Memory
o 16Mhz Clock Speed
o SRAM 2KB
o EEPROM 1 KB
3.1.2.3.

Driver TB 6600

TRANG 14

Hình 3. 8 Driver TB6600
-

Mạch điều khiển được sử dụng động cơ IC TB6600HQ/HG

-

Dùng cho tất cả các loại động cơ bước 42/57/86 2 pha hoặc 4 pha có dịng tải là

4A/42VDC
-

Thơng số kỹ thuật
o Nguồn đầu vào: 9VDC ~ 42VDC
o Dòng cấp tối đa là 4A
o Ngõ vào các ly quang, tốc độ cao
o Có tích hợp đo q dịng hoặc q áp
o Cân nặng 200g
o Kích thước 96*71*37mm


TRANG 15

3.1.3.
3.1.3.1.

Khối cảm biến
Cảm biến hồng ngoại

-

Sử dụng cảm biến hồng ngoại để phát hiện sản phẩm đi qua sau đó sẽ truyền tín

hiệu về khối xử lý để giải mã và đếm sản phẩm hiện thị lên SCADA.

Hình 3. 9 Cảm biến phát hiện vật cản hồng ngoại
-

Bên trong cảm biến hồng ngoại bao gồm 2 led. Trong đó 1 led dùng để phát

sáng với bước sóng bằng với bước sóng hồng ngoại, led cịn lại dùng để thu bước sóng
đó về mã hóa rồi đưa tín hiệu đó vào khối xử lý.
-

Thông số kỹ thuật
o Điện áp cung cấp cho cảm biến hổng ngoại 9VDC ~ 42VDC
o Bộ so sảnh dùng Amp LM358
o Đầu ra kỹ thuật số (mức 0 và 1)

Hình 3. 10 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến hồng ngoại


TRANG 16

3.1.3.2.

Cảm biến màu sắc TCS3200
-

Thông số kỹ thuật
o Chuyển đổi cường độ ánh sáng thành tần số có độ phân giải cao.
o Lập trình bộ lọc màu và chọn tỷ lệ tần số ngõ ra.
o Dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển .
o Điện áp đầu vào 2.7VDC ~ 5.5VDC.
o Cơng suất thấp.

Hình 3. 11 Cảm biến màu TCS3200
-

Sơ đồ chân:
o S0, S1: ngõ vào chọn tỷ lệ tần số ngõ ra.
o S2, S3: lựa chọn kiểu photphodiode.
o VCC: 2.7 ~ 5.5V.
o GND: nối nguồn (-).


TRANG 17

3.1.4.

Khối relay

-

Khối này sử dụng relay 12VDC để dừng và khởi động động cơ cho băng

chuyền.

Hình 3. 12 Relay 12VDC
-

Sơ đồ chân của relay
o Chân 1 và 4 dùng để cấp nguồn 12VDC.
o 2 cặp tiếp điểm thưởng mở 5-9 và 8-12.
o 2 cặp tiếp điểm thường đóng 8-14 và 5-13

-

Khi chưa có ngnf thì 2 cặp tiếp điểm 8-14 và 5-13 đóng lại và thống thời 2
cặp tiếp điểm 5-9 và 8-12 mở ra.