Thiết kế hệ thống phân loại bằng mã vạch sử dụng PLC kết hợp cánh tay robot

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, tự động hóa trong sản xuất được hầu hết các công ty quan tâm và đầu
tư phát triền nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phầm, robot là một trong những
thiết bị giúp tự động hóa trong q trình sản xuất và phân loại. Trong luận văn tập trung
nghiên cứu giải pháp sử dụng robot và Barcode Reader thay thế con người trong công
đoạn của quy trình phân loại, cụ thể là cơng đoạn phân loại hàng hóa theo mã code.
Luận văn tập trung lập trình điều khiển và thiết kế phần cứng hệ thống phân loại
sản phẩm sử dụng cánh tay robot và Barcode reader.
Tìm hiểu và điều khiển robot 3 bậc tự do RH-3F và Barcode reader CF26-LR của
hãng Mitsubishi, thiết kế cụm hút sản phẩm gắn tay máy, thiết kế hệ thống vận chuyển
sản phẩm trong quá trình phân loại. Áp dụng vào hệ thống thực tế và đánh giá chất lượng
hệ thống. Luận văn gồm có 6 chương được liệt kê dưới đây
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương 3: Thiết kế hệ thống.
Chương 4: Thiết kế phần mềm.
Chương 5: Kết quả đạt được.
Chương 6: Kết luận.

v


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .............................................................................. i
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ..............................................ii
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................... iii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. iv
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................. v
Danh Mục Các Từ Viết Tắt ......................................................................................... ix
Danh Mục Bảng ........................................................................................................... x
Danh Mục Các Hình Ảnh, Biểu Đồ ............................................................................. xi

Chương 1......................................................................Error! Bookmark not defined.
Tổng Quan ...................................................................Error! Bookmark not defined.
1.1.

Đặt vấn đề .......................................................Error! Bookmark not defined.

1.2.

Mục tiêu đề tài.................................................Error! Bookmark not defined.

1.3.

Nội dung nghiên cứu .......................................Error! Bookmark not defined.

1.4.

Giới hạn đề tài .................................................Error! Bookmark not defined.

Chương 2......................................................................Error! Bookmark not defined.
Cơ Sở Lý Thuyết ..........................................................Error! Bookmark not defined.
2.1.

Giới thiệu các hệ thống phân loại sản phẩm .....Error! Bookmark not defined.

2.1.1.

Hệ thống phân loại theo màu sắc ...............Error! Bookmark not defined.

2.1.2.

Hệ thống phân loại theo cân nặng .............Error! Bookmark not defined.

2.1.3.

Hệ thống phân loại theo hình dáng ............Error! Bookmark not defined.

2.1.4.

Hệ thống phân loại bằng mã vạch .............Error! Bookmark not defined.

2.2.

Chỉ tiêu đánh giá hệ thống ............................... Error! Bookmark not defined.

2.3.

Cơ sở lý thyết phần cứng .................................Error! Bookmark not defined.

2.3.1.

Thiết bị điều khiển ....................................Error! Bookmark not defined.
vi


2.3.2. Cấu hình hệ thu thập thơng tin và điều khiểnError!
defined.

Bookmark

not

2.3.3.

Cơ cấu giám sát ........................................Error! Bookmark not defined.

2.3.4.

Cơ cấu phân loại .......................................Error! Bookmark not defined.

2.3.5.

Cảm biến ..................................................Error! Bookmark not defined.

2.3.6.

Băng tải ....................................................Error! Bookmark not defined.

2.3.7.

Động cơ điện ............................................Error! Bookmark not defined.

2.3.8.

Thiết bị truyền động..................................Error! Bookmark not defined.

2.3.9.

Mạng truyền thông công nghiệp ................Error! Bookmark not defined.

2.3.10. Mạng truyền thông Ethernet ......................Error! Bookmark not defined.

Chương 3......................................................................Error! Bookmark not defined.
Thiết Kế Hệ Thống .......................................................Error! Bookmark not defined.
3.1.

Yêu cầu thiết kế ...............................................Error! Bookmark not defined.

3.2.

Quy trình phân loại sản phẩm ..........................Error! Bookmark not defined.

3.3.

Thiết kế phần cứng ..........................................Error! Bookmark not defined.

3.3.1. Lựa chọn cấu hình hệ thu thập thơng tin và điều khiểnError!
not defined.

Bookmark

3.3.2.

Thiết kế khâu nhận diện sản phẩm ............Error! Bookmark not defined.

3.3.3.

Lựa chọn cơ cấu phân loại ........................Error! Bookmark not defined.

3.3.4.

Bộ điều khiển Robot .................................Error! Bookmark not defined.

3.3.5.

Lựa chọn băng tải vận chuyển ...................Error! Bookmark not defined.

3.3.6.

Lựa chọn động cơ kéo băng tải .................Error! Bookmark not defined.

3.3.7.

Lựa chọn biến tần .....................................Error! Bookmark not defined.

3.3.8.

Lựa chọn thiết bị truyền động ...................Error! Bookmark not defined.

3.3.9.

Lựa chọn cảm biến vật .............................. Error! Bookmark not defined.

3.3.10. Lựa chọn cơ cấu giám sát ..........................Error! Bookmark not defined.
3.3.11. Lựa chọn bộ điều khiển hệ thống ..............Error! Bookmark not defined.
vii


3.3.12. Lựa chọn thiết bị cấu hình hệ thống điều khiểnError!
defined.

Bookmark

not

3.4.

Mơ hình hệ thống ............................................Error! Bookmark not defined.

3.5.

Sơ đồ nối dây ..................................................Error! Bookmark not defined.

3.5.1.

Sơ đồ nối dây ............................................Error! Bookmark not defined.

3.5.2.

Sơ đồ mạch động lực ................................ Error! Bookmark not defined.

Chương 4......................................................................Error! Bookmark not defined.
Thiết Kế Phần Mềm .....................................................Error! Bookmark not defined.
4.1.

Sơ đồ trạng thái ...............................................Error! Bookmark not defined.

4.2.

Thiết kế giao diện HMI ...................................Error! Bookmark not defined.

4.2.1.

Yêu cầu thiết kế ........................................Error! Bookmark not defined.

4.2.2.

Yêu cầu màu sắc .......................................Error! Bookmark not defined.

4.2.3.

Phân cấp màn hình ....................................Error! Bookmark not defined.

4.2.4.

Alarm .......................................................Error! Bookmark not defined.

4.2.5.

Phân quyền cho người dùng HMI .............Error! Bookmark not defined.

4.2.6.

Thiết kế giao diện trên HMI ......................Error! Bookmark not defined.

Chương 5......................................................................Error! Bookmark not defined.
Kết Quả Đạt Được ........................................................Error! Bookmark not defined.
5.1. Kết quả phần cứng..............................................Error! Bookmark not defined.
5.2. Kết quả phần mềm..............................................Error! Bookmark not defined.
5.3. Quá trình thực nghiệm hoạt động .......................Error! Bookmark not defined.
Chương 6......................................................................Error! Bookmark not defined.
Kết Luận và Hướng Phát Triển .....................................Error! Bookmark not defined.

6.1.

Kết luận ...........................................................Error! Bookmark not defined.

6.1.1. Công việc thực hiện......................................Error! Bookmark not defined.
6.1.2. Hướng phát triển ..........................................Error! Bookmark not defined.
Tài liệu tham khảo ........................................................Error! Bookmark not defined.
viii


Phụ lục .........................................................................Error! Bookmark not defined.

Danh Mục Các Từ Viết Tắt
TMTĐ: Thương mại điện tử
PLC: Programable Logic Controller
HMI: Human Machine Interface
DAQ: Data Acquisition
SCADA: Supervisor Control and Data Acquisition
PC: Personal Computer
ADC: Analog to Digital Converter
PVC: Polyvinyl Chloride
I/O: Input/Output
LAN: Local Area Network
TCP/IP: Transmission Control Protocol/ Internet Protocol
RS485: Recommended Standard 485
CPU: Central Processing Unit
QR: Quick Response
USB: Universal Serial Bus
OL: Overload

ix


Danh Mục Bảng
Bảng 3.1. Yêu cầu thiết kế hệ thống
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật bộ điều khiển Robot
Bảng 3.3. So sánh ưu nhược điểm giám sát bằng máy tính và màn hình HMI
Bảng 3.4. Đặc điểm của từng thương hiệu PLC
Bảng 3.5. Thông số kỹ thuật PLC R04CPU
Bảng 3.6. Thông số kỹ thuật Module I/O
Bảng 3.7. Địa chỉ module Input
Bảng 3.8. Bảng địa chỉ Module Output
Bảng 4.1. Các loại cảnh báo alarm
Bảng 5.1. Cơ cấu hệ thống
Bảng 5.2: Bảng kết quả số lần nhận dạng của hệ thống

x


Danh Mục Các Hình Ảnh, Biểu Đồ
Hình 1.1. Hệ thống phân loại bằng mã vạch
Hình 2.1. Hệ thống phân loại cà chua
Hình 2.2. Hệ thống phân loại theo cân nặng
Hình 2.3. Hệ thống phân loại theo hình dáng
Hình 2.4. Hệ thống phân loại theo mã vạch
Hình 2.5. Cấu trúc điều khiển vào/ra tập trung
Hình 2.6. Cấu trúc điều khiển phân tán
Hình 2.7. Các cấp độ truyền trong mạng cơng nghiệp
Hình 3.1. Qui trình cơng nghệ phân loại sản phẩm
Hình 3.2. Mơ hình hệ thống khái qt

Hình 3.3. Sơ đồ khối hệ thu thập dữ liệu và giám sát
Hình 3.4. Code Reader CF26-LR
Hình 3.5. Robot RH-3FRH
Hình 3.6. Động cơ điện Mitsubihi SF-JR 1/4HP 4P
Hình 3.7. Biến tần Mitsubishi FR-A820-00046(0.4K)
Hình 3.8. Xi-lanh MAL16x200
Hình 3.9. Xi-lanh TN/TDA20x100
Hình 3.10. Van 5/2 AIRTAC 4V210-08
Hình 3.11. Cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4
Hình 3.12. Sơ đồ chân cảm biến quang E3F-DS30C4
Hình 3.13. Màn hình HMI Mitsubishi GS2110-WTBD

xi


Hình 3.14. Mơ phỏng mơ hình hệ thống
Hình 3.15. Sơ đồ nối dây với thiết bị Input
Hình 3.16. Sơ đồ nối dây với thiết bị Output
Hình 3.17. Sơ đồ động lực động cơ
Hình 3.18. Sơ đồ động lực thiết bị
Hình 4.1. Sơ đồ trạng thái hệ thống
Hình 4.2. Màn hình đăng nhập hệ thống
Hình 4.3. Màn hình tổng quan hệ thống
Hình 4.4. Màn hình thể hiện số sản phẩm cần phân loại
Hình 4.5. Màn hình chế độ Auto
Hình 4.6. Màn hình chế độ Manual
Hình 4.7. Màn hình hiển thị số lượng sản phẩm đã phân loại
Hình 4.8. Màn hình trends
Hình 4.9. Màn hình cảnh báo
Hình 5.1: Mơ hình tổng quan hệ thống

Hình 5.2. Tủ điện hệ thống
Hình 5.3. Trang màn hình đăng nhập hệ thống khi được cấp nguồn
Hình 5.4. Màn hình khi nhập đúng tên tài khoản
Hình 5.5. Màn hình khi nhập sai tên tài khoản
Hình 5.6. Màn hình tổng quát hệ thống Sorting System
Hình 5.7. Nhập địa chỉ khu vực cần phân loại
Hình 5.8. Nhập địa chỉ sản phẩm cần phân loại
Hình 5.9. Màn hình Product Area Window sau khi nhập xong các giá trị

xii


Hình 5.10. Màn hình Identification Area Window ở chế độ Auto
Hình 5.11. Màn hình Identification Area Window ở chế độ Manual
Hình 5.12. Màn hình Sorted Area Window
Hình 5.12. Màn hình Sorted Area Window
Hình 5.12. Màn hình Alarm Window
Hình 5.13. Hệ thống khi được bật nguồn
Hình 5.14. Màn hình Product Area sau khi nhập đủ các thơng số
Hình 5.15. Màn hình Identification khi hoạt động ở chế độ Auto
Hình 5.16. Màn hình Sorting system hoạt động
Hình 5.17. Màn hình Sorted Area Window đang hoạt động
Hình 5.18. Màn hình Sorted Area Window đang hoạt động
Hình 5.19. Hệ thống gặp phải sự cố
Hình 5.20. Hệ thống báo lỗi
Hình 5.21: Màn hình Alarm hiển thị lỗi
Hình 5.22. Màn hình Alarm với lỗi đã được sửa
Hình 5.23. Người dùng đã xác nhận lỗi đã được sửa trên màn hình Alarm
Hình 5.24. Qui trình phân loại vật 1
Hình 5.25. Qui trình phân loại vật 2

Hình 5.26. Qui trình phân loại vật 3
Hình 5.27. Qui trình phân loại vật 4
Hình 5.29. Các bước thực hiện sao lưu trên Excel

xiii


14


1. Tổng Quan

Chương 1.

Tổng Quan
1.1. Đặt vấn đề
Năm 2018 là năm chứng kiến sự bùng nổ trong thương mại điện tử Việt Nam với
những con số ấn tượng. Theo Statista, tổng doanh thu của các công ty thương mại điện
tử tại Việt Nam đạt 2,26 tỷ USD, tăng gần 30% so với năm 2017[6]. Với kết quả đó, Việt
Nam vươn lên top 6 trong 10 thị trường thương mại điện tử lớn nhất thế giới. Trên thị
trường này, Việt Nam chỉ xếp sau những “ông lớn” như Trung Quốc, Mỹ, Anh, Nhật
Bản và Đức.
Việc bùng nổ của TMĐT kéo theo sự phát triển của ngành dịch vụ phân phối sản
phẩm đến tay người tiêu dùng, với việc phân loại sản phẩm dựa vào sức người hiện nay
khó đáp ứng được nhu cầu cần thiết của doanh nghiệp hay các đơn vị bán lẻ bởi việc
phân loại sẽ diễn ra rất lâu và độ chính xác khơng cao nếu chỉ mãi dựa vào sức người.
Ngoài ra trong thời đại phát triển công nghệ 4.0 hiện nay, khách hàng muốn được
thỏa mãn nhu cầu sở hữu hàng hóa nhanh nhất. Khác với dịch vụ chuyển phát thơng
thường, thì dịch vụ chuyển phát nhanh sẽ luôn đưa ra một khoảng thời gian cam kết xác
định thời gian chuyển bưu phẩm tới tay khách hàng. Chính yếu tố này khiến thị trường

giao nhận hàng hóa nổ ra một cuộc đua tranh khốc liệt về tốc độ giao hàng. Để rút ngắn
thời gian giao hàng, các đơn vị chuyển phát nhanh đã tối giản hóa quy trình phân loại
bưu phẩm xuống đến mức tối đa.
Nhằm phục vụ nhiệm vụ hiện đại hố quy trình sản xuất, hệ thống phân loại sản
phẩm ra đời là một công cụ hiệu quả giúp thay thế con người trong cơng việc phân loại,
nó đã góp phần nâng cao hiệu quả trong cơng việc. Một hệ thống hồn chỉnh có thể phân
loại các sản phẩm với độ tin cậy cao, hoạt động liên tục và giảm tối đa thời gian trì hỗn
hệ thống. Hơn thế nữa, đối với những cơng việc đồi hỏi sự tập trung cao và có tính tuần
hồn, nên các cơng nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong cơng việc. Điều đó ảnh
hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất. Vì vậy, hệ thống tự
động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này.
Hiện nay với trình độ khoa học kỹ thuật phát triển con người đã tạo ra nhiều hệ
thống phân loại sản phẩm với các kỹ thuật khác nhau có thể ứng dụng trong thực tế như:
1


1. Tổng Quan

Hệ thống phân loại sản phẩm bằng màu, hệ thống phân loại bằng trọng lượng, hệ thống
phân loại theo chiều cao...
Ngồi những phương pháp kể trên thì hiện nay trên thế giới khơng riêng ở Việt
Nam thì cịn có một phương pháp khác có thể phân loại sản phẩm với tốc độ cao và làm
việc liên tục với độ chính xác gần như là tuyệt đối. Hệ thống này áp dụng công nghệ đọc
mã vạch với khả năng quét chính xác mã vạch được đính kèm trên kiện hàng sẽ giúp
việc phân loại thuận tiện hơn. Hệ thống này áp dụng trong việc phân loại những sản
phẩm có kích thước, hình dáng khác nhau.
Cơng nghệ mã số mã vạch đã và đang phát triển không ngừng nghỉ giúp cho các
doanh nghiệp cũng như các đơn vị bán hàng nhỏ lẽ có thể kiểm sốt sản phẩm của mình
một cách dễ dàng. Công nghệ mã số, mã vạch là một cách thể hiện dữ liệu (thơng tin)
dưới dạng hình ảnh và hình ảnh sẽ được máy quét mã vạch đọc và giải mã ngược lại để

ra thông tin (mã số). Mỗi mã vạch đều tương ứng một dãy mã số đóng vai trị là mã nhận
dạng cho một sản phẩm hay hàng hố. Ban đầu cơng nghệ mã vạch chỉ có hai loại mã
vạch là mã vạch một chiều tuyến tính (mã vạch hàng rào) và mã vạch ơ vng ma trận
dữ liệu (mã vạch QR). Mã vạch có những ưu điểm sau:
- Hiệu suất: Nhận dạng tự động thay thế ghi chép bằng tay nên giúp giảm nhân
công, tiết kiệm thời gian, dẫn đến tăng hiệu suất công việc.
- Chính xác: Với cấu trúc được tiêu chuẩn hố, an toàn và đơn giản mã số Mã vạch
cho phép nhận dạng chính xác vật phẩm và dịch vụ, thay thế khâu “nhập” dữ liệu bằng
tay, do đó cho “kết quả” chính xác, khơng nhầm lẫn.
- Thơng tin nhanh: Mã số mã vạch giúp thu thập và cung cấp thông tin nhanh, giúp
cho các nhà kinh doanh và quản lý có thể có những quyết định đúng đắn và kịp thời trong
hoạt động sản xuất kinh doanh và quản lý.
- Giảm chi phí hoạt động của doanh nghiệp, tăng lợi nhuận.
- Nắm rõ tồn kho, tuổi hàng tồn kho quyết định kinh doanh phù hợp.
- Đáp ứng nhanh chóng đơn đặt hàng của khách hàng.
- Giảm thiểu nhân lực cho doanh nghiệp.
Việc sản xuất mã vạch tương đối đơn giản khi hiện nay chúng ta có thể tạo ra các
mã 1D hay 2D chỉ bằng cách sử dụng máy tính hoặc các thiết bị có thể kết nối internet
như điện thoại hay máy tính bảng, việc tạo ra mã vạch diễn ra nhanh chóng và dễ dàng
đối với những người chưa có kinh nghiệm trong lĩnh vực này. Hệ thống phân loại bằng
mã vạch là một giải pháp công nghệ thay thế sức người thực hiện các khâu phân loại sản
phẩm, từ thực hiện bằng tay chuyển đổi sang sử dụng các thiết bị tự động hoá để phân
2


1. Tổng Quan

chia sản phẩm theo từng đặc tính mà người sử dụng qui định. Việc phân loại diễn ra
nhanh chóng và chính xác với độ chính xác cực cao vì độ sai sót của mã vạch tương đối
thấp. Việc đưa hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã vạch vào thực tế sẽ giúp cho các

doanh nghiệp tối đa hố được q trình phân loại, tăng tính tự động hố, giảm thiểu sức
người, tạo ra mơi trường chun nghiệp, với việc áp dụng nhà máy vào thực tế còn giúp
cho các doanh nghiệp có thể quản lý chặt chẽ các sản phẩm hiện có tại nhà máy. Hình
ảnh 1.1 minh hoạ khâu phân loại sản phẩm của hệ thống phân loại bằng mã vạch.

Hình 1.1. Hệ thống phân loại bằng mã vạch

Với những ưu điểm của mã vạch cũng như tính u cầu cấp bách cần có một hệ
thống phân loại sản phẩm thay thế sức người nên nhóm lựa chọn đề tài: “Phân loại sản
phẩm bằng mã vạch sử dụng PLC kết hợp cánh tay robot”.
1.2. Mục tiêu đề tài
Nhóm thực hiện đồ án “Phân loại sản phẩm theo mã vạch sử dụng PLC kết hợp
cánh tay Robot” với những mục tiêu cụ thể như sau:
- Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm mã vạch 1D hoặc 2D.
- Công suất hệ thống lên đến 1000 đơn hàng trong 1 giờ.
- Hệ thống hoạt động ổn định và độ chính xác cao.
3


1. Tổng Quan

1.3. Nội dung nghiên cứu
Đề tài: “Phân loại sản phẩm theo mã vạch sử dụng PLC kết hợp cánh tay Robot”.
Chương 1: Tổng quan
Nội dung: Trình bày tổng quan sợ bộ về các yêu cầu của báo cáo như đặt vấn đề,
mục tiêu, giới hạn và nội dung đề tài.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết
Nội dung: Trình bày các hệ thống phân loại sản phẩm hiện có, tổng quan PLC và
cánh tay robot trong công nghiệp, giới thiệu sơ bộ về hệ thống, quy trình cơng nghệ…
Chương 3. Thiết kế phần cứng hệ thống

Nội dung: Nêu những thiết bị phần cứng sử dụng trong đề tài. Trình bày thiết kế
mơ hình 3D hệ thống. Cách kết nối các thiết bị phần cứng trong hệ thống.
Chương 4. Thiết kế phần mềm
Nội dung: Thiết kế sơ đồ trạng thái, chương trình điều khiển, giám sát.
Chương 5. Kết quả đạt được
Nội dung: Trình bày kết quả đạt được trong quá trình thực hiện đề tài.
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển.
Nội dung: Trình bày các kết luận sau khi hồn thành đề tài, từ đó đưa ra hướng
phát triển trên thực tế.
1.4. Giới hạn đề tài
Đề tài “phân loại sản phẩm bằng mã vạch sử dụng PLC kết hợp cánh tay Robot”
của nhóm giới hạn trong phạm vi hệ thống thực hiện giải quyết từ khâu đọc mã vạch đến
khâu phân loại sản phẩm, hệ thống không thể điều khiển và giám sát từ xa.

4


1. Tổng Quan

5


2. Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 2.

Cơ Sở Lý Thuyết
Chương này sẽ trình bày về nội dung các hệ thống phân loại hệ thống hiện có trên
thị trường hiện nay, cơ sở lý thuyết về PLC, HMI, mạng truyền thông trong công nghiệp,
cánh tay robot…

2.1. Giới thiệu các hệ thống phân loại sản phẩm
Hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay được ứng dụng nhiều trong các nhà máy
xí nghiệp, nhưng chủ yếu có các loại kỹ thuật phân loại chính như: Phân loại sản phẩm
theo màu sắc, theo hình dạng, theo cân nặng và phân loại bằng mã vạch.
2.1.1. Hệ thống phân loại theo màu sắc
Hệ thống phân loại màu sắc được dựa theo nhiều kỹ thuật khác nhau, có thể sử
dụng cảm biến màu sắc hoặc sử dụng camera để xác định màu sắc của vật. Hệ thống
phân loại theo màu sắc được ứng dụng nhiều trong việc phân loại quả cà chua và được
minh hoạ theo như Hình 2.1.

Hình 2.1. Hệ thống phân loại cà chua
5


2. Cơ Sở Lý Thuyết

Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại theo màu sắc: Sản phẩm sẽ đi qua
đến khâu đọc sản phẩm ở khâu này sản phẩm sẽ được cảm biến hoặc camera nhận biết
và gửi tín hiệu về PLC xử lý sau đó PLC xuất tín hiệu điều khiển Robot hoặc xi lanh để
đẩy từng sản phẩm đúng với vị trí nơi chứa riêng biệt[2]. Ứng dụng của hệ thống phân
loại màu sắc như trong các hệ thống dây chuyền sản xuất gạch, ngói, đá hoa cương hay
các hệ thống phân loại nông sản (gạo, cà phê…). Nhược điểm của hệ thống là khi đặt
nơi thiếu điều kiện ánh sáng tốt khó cho ra kết quả chính xác.
2.1.2. Hệ thống phân loại theo cân nặng
Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại theo cân nặng là sản phẩm sẽ được
đưa đến băng truyền có tích hợp cảm biến khối lượng ở phía dưới sau đó sẽ xuất tín hiệu
gửi đến PLC từ đó PLC sẽ xử lí để điều khiển thiết bị để sản phẩm đi đến đúng vị trí cần
phân loại[3]. Hệ thống phân loại theo cân nặng sử dụng trong các hệ thống phân loại gạch,
các hệ thống đóng gói cần độ chính xác về khối lượng… Nhược điểm của hệ thống là dễ
bị nhiễu khi có tác động từ bên ngồi, tốn kém khi sử dụng quá nhiều cảm biến… Dựa

theo nguyên lý kỹ thuật phân loại theo cân nặng mà chúng ta có thể áp dụng vào phân
loại trái cây như Hình 2.2.

Hình 2.2. Hệ thống phân loại theo cân nặng
6


2. Cơ Sở Lý Thuyết

2.1.3. Hệ thống phân loại theo hình dáng
Hệ thống phân loại theo hình dáng sử dụng camera. Nguyên lý hoạt động của hệ
thống là trên băng truyền sẽ gắn Camera để nhận dạng sản phẩm sau đó từ camera sẽ
truyền tín hiệu đến bộ xử lý trung tâm và từ đó bộ xử lý trung tâm sẽ đưa ra các tín hiệu
điều khiển đến xi lanh hoặc Robot để gắp vật đúng vị trí cần phân loại[4]. Hệ thống phân
loại theo hình dáng được sử dụng nhiều trong ứng dụng trong kiểm tra và phân loại sản
phẩm có hình dáng khác nhau như gạch, ngói, ứng dụng trong kiểm tra và phân loại nông
sản. Nhược điểm của hệ thống là hoạt động cho ra kết quả với độ chính xác thấp khi điều
kiện ánh sáng thấp. Dựa theo phương pháp phân loại theo hình dáng mà chúng ta có thể
phân loại sản phẩm theo như Hình 2.3.

Hình 2.3. Hệ thống phân loại theo hình dáng

7


2. Cơ Sở Lý Thuyết

2.1.4. Hệ thống phân loại bằng mã vạch
Hệ thống phân loại mã vạch là một hệ thống có thể phân loại được sản phẩm được
dán nhãn in 1D hoặc 2D với những chức năng tuyệt vời của mã vạch đã được nêu ở

chương 1, ta có thể sử dụng mã vạch như một công cụ để phân loại với độ chính xác cao
và tính liên tục của hệ thống. Vì việc sản phẩm chỉ cần dán mã vạch để phân loại cho
nên hệ thống có thể phân loại các sản phẩm với hình dáng, kích thước khác nhau.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại bằng mã vạch là sản phẩm sẽ được
đưa đến khâu đọc mã vạch, mã vạch sẽ được đọc bởi máy đọc mã vạch (Barcode Reader)
từ đó đưa dữ liệu đến PLC, PLC có nhiệm vụ xử lý và phát ra các tín hiệu để điều khiển
xi lanh hoặc Robot để gắp vật đúng vị trí cần phân loại. Hệ thống này được ứng dụng
trong hệ thống phân loại ở nhà máy Tiki, Lazada… để đơn giản hố q trình phân loại,
hệ thống còn ứng dụng trong quản lý kho… Nhược điểm của hệ thống là hệ thống cần
phải sử dụng nhiều máy đọc mã vạch trong khâu nhận dạng mới cho ra kết quả mong
muốn dù mã vạch được gắn ở mọi vị trí khác nhau trên sản phẩm. Dựa vào phương pháp
phân loại theo mã vạch mà chúng ta có thể phân loại với các sản phẩm có kích cỡ khác
nhau như Hình 2.4.

Hình 2.4. Hệ thống phân loại theo mã vạch
8


2. Cơ Sở Lý Thuyết

2.2. Chỉ tiêu đánh giá hệ thống
-

Chỉ tiêu đánh giá một hệ thống phân loại sản phẩm bao gồm:
Sản phẩm sau khi phân loại phải giữ nguyên trạng thái ban đầu.
Hệ thống hoạt động ổn định, khả năng phân loại chính xác.
Giám sát được quy trình hoạt động của hệ thống tại nơi làm việc và trên Web server.

2.3. Cơ sở lý thyết phần cứng
2.3.1. Thiết bị điều khiển

2.3.1.1. Bộ điều khiển lập trình PLC
PLC (Programable Logic Controller) là một thiết bị làm cho các thao tác máy trở
nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn. Nó có khả năng thay thế cho các phương pháp
điều khiển truyền thống dùng rơ le (loại thiết bị phức tạp và cồng kềnh), khả năng điều
khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh Logic cơ bản, khả
năng định thời, đếm, giải quyết các vấn đề về tốn học và cơng nghệ, khả năng tạo lập,
gửi đi, tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm sốt sự kích hoạt hoặc đình chỉ
những chức năng của máy hoặc một dây chuyền công nghệ. Những ưu điểm của PLC so
với các bộ điều khiển khác:
- Cấu trúc dạng modue rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải tạo nâng cấp…
- Có những module chuyên dụng để thực hiện những chức năn đặc biệt hay những
module truyền thống để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc mạng Internet…
- Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp
hạng một hệ thống điều khiển tự động.
- u cầu của người lập trình khơng cần giỏi về kiến thức điện tử mà chỉ cần nắm
vững cơng nghệ sản xuất và biết chọn thiết bị thích hợp là có thể lập trình được.
- Thuộc vào hệ sản xuất linh hoạt do tính thay đổi được chương trình hoặc thay đổi
trực tiếp các thơng số mà cần thay đổi lại chương trình.
2.3.1.2. Vi điều khiển
Vi điều khiển là một máy tính nhỏ trong đó có CPU, bộ nhớ (RAM, ROM), I/O
thiết bị ngoại vi, timers, counters được nhúng vào trong một mạch tích hợp (IC) nơi mà
các bộ vi xử lý và tất cả các khối này được kết hợp vào trong một board thông qua hệ
thống bus. Vi điều khiển có thể dễ dàng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi bên ngoài như
cổng giao tiếp, ADC, DAC, Bluetooth, Wifi… quá trình giao tiếp nhanh hơn khi so sánh
giữa các bộ vi xử lý khác. Ứng dụng của vi điều khiển đó là thường sử dụng trong các
9


2. Cơ Sở Lý Thuyết

thiết bị điều khiển tự động bao gồm các công cụ điện, đồ chơi, thiết bị y tế cấy dưới da,
máy móc văn phịng, hệ thơng điều khiển động cơ, thiết bị điều khiển từ xa và hàng loạt
các hệ thống nhúng khác.
Ưu điểm của vi điều khiển đó là vi điều khiển hoạt động như một máy vi tính
khơng có bất kỳ bộ phận kỹ thuật nào, tích hợp cao hơn bên trong vi điều khiển làm giảm
chi phí và kích thước hệ thống, việc sử dụng vi điều khiển rất dễ dàng, dễ khắc phục sự
cố, dễ dàng kết nối thêm các cổng RAM, ROM, I/O và cịn nhiều tính năng khác.
Nhược điểm của của vi điều khiển đó là chỉ thực hiện đồng thời một số lệnh thực
thi thời gian, không sử dụng nhiều trong hệ thống lớn vì số lượng ngõ vào, ra hạn chế.
2.3.2. Cấu hình hệ thu thập thơng tin và điều khiển
Việc lựa chọn cấu hình dựa vào một vài yếu tố khách quan như điều kiện môi
trường làm việc, số lượng cảm biến và cơ cấu chấp hành u cầu, vị trí so với máy chủ,
hình thức xử lý tín hiệu u cầu, độ khắc nghiệt của mơi trường làm việc.
Các cấu hình thơng dụng của hệ DAQ gồm có vào/ra tại chỗ (tập trung) với PC,
vào/ra phân tán và các bộ thu thập dữ liệu độc lập hoặc phân tán.
Trong các nhà máy công nghiệp (không yêu cầu tính linh động cao) thường sử
dụng 2 loại cấu hình cho hệ SCADA là vào/ra tập trung và vào/ra phân tán.
2.3.2.1. Vào/ra tập trung
Hệ thống điều khiển vào ra tập trung có thể hiểu là cơ cấu chấp hành nằm gần với
hệ thống hoạt động. Ưu điểm của vào/ra tập trung là kết quả phép đo trả về cơ cấu chấp
hành chính xác, ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Giá thành thấp, số lượng dây nối ít. Nhược
điểm của vào/ ra tập trung là mở rộng hệ thống khó khăn. Cấu trúc tiêu biểu của một hệ
điều khiển tập trung được minh hoạ theo như Hình 2.5.

Hình 2.5. Cấu trúc điều khiển vào/ra tập trung

10


2. Cơ Sở Lý Thuyết

2.3.2.2. Vào/ra phân tán
Trong môi trường sản xuất công nghiệp, cảm biến và cơ cấu chấp hành thường ở
xa máy chủ, ở trong môi trường khắc nghiệt và bao phủ trong một diện tích rộng, cách
xa máy chủ hàng trăm mét. Do đó, khó có thể nhận được tín hiệu nhỏ từ các cảm biến
như cặp nhiệt, cảm biến điện trở (strain gauge) qua đường truyền dài đồng thời dây nối
từ cảm biến về máy chủ dài và tốn kém, giải pháp thực hiện đó là:
- Module xử lý tín hiệu được đặt gần mỗi cảm biến tương ứng cũng như mỗi cảm
biến cần có một module xử lý tín hiệu vào/ra phân tán.
- Giải pháp này có thể tốn kém nếu có nhiều cảm biến nhưng chất lượng tín hiệu
và độ chính xác cao.
- Dạng thường gặp của vào/ra phân tán là bộ phát số, bộ phát số này thực hiện tất
cả các chức năng xử lý tín hiệu cần thiết, có bộ vi điều khiển và chuyển đổi tương tự số (ADC) để chuyển tín hiệu cần đo sang dạng số. Tín hiệu dạng số này được truyền về
máy chủ bằng chuẩn RS-232 hoặc RS-485.
- RS-232 khoảng cách truyền gần.
- RS-485 (Multi-drop) giảm số lượng cáp truyền, có thể kết nối đến 32 modules,
khoảng cách truyền có thể lên đến 10km nếu dùng multi-drop network. (RS-232 khoảng
tối đa 15m).
- Cần bộ chuyển đổi từ RS-232 sang RS-485 do hầu hết các máy chủ không hỗ trợ
chuẩn RS-485. Cấu trúc một hệ điều khiển vào ra phân tán được minh hoạ theo như Hình
2.6 [1].

Hình 2.6. Cấu trúc điều khiển phân tán

11


2. Cơ Sở Lý Thuyết

2.3.3. Cơ cấu giám sát

2.3.3.1. HMI
HMI (Human – Machine – Interface) là một giao diện người dùng, một bảng điều
khiển được kết nối với một máy, hệ thống hoặc thiết bị. HMI được phổ biến trong môi
trường công nghiệp. HMI được sử dụng để hiển thị dữ liệu trực quan, theo dõi thời gian
sản xuất, giám sát KPI, giám sát đầu vào và đầu ra của nhà máy… Công nghệ HMI được
sử dụng hầu hết trong các tổ chức cơng nghiệp để tương tác máy móc của họ tối ưu hố
các qui trình cơng nghiệp. Các ngành sử dụng gồm có năng lượng, dầu khí, vận chuyển,
đồ ăn và đồ uống, nước và nước thải, chế tạo, tái chế…
Công dụng phổ biến của HMI là thiết bị giao tiếp với bộ điều khiển lập trình
(PLC) và cảm biến đầu vào/ra để nhận và hiển thị thông tin cho người dùng xem. Màn
hình HMI có thể sử dụng cho một chức năng duy nhất như theo dõi hoặc để thực hiện
các hoạt động phức tạp hơn như tắt máy hoặc tăng tốc độ sản xuất. Bằng cách tận dụng
HMI người dùng có thể thấy thơng tin quan trọng được hiển thị trong biểu đồ, hoặc bảng
điều khiển kỹ thuật số xem và quản lý tất cả trong một bảng điều khiển. HMI là một thiết
bị tiện dụng trong việc quản lý và giám sát hệ thống một cách tối ưu.
2.3.3.2. Máy tính cơng nghiệp
Máy tính cơng nghiệp là hệ thống máy tính chuyên được dùng trong vận hành
công nghiệp đặc biệt ở nhà máy phân xưởng. Các máy tính cơng nghiệp được thiết kế để
có thể hoạt động liên tục đảm bảo hệ thống máy luôn được vận hành. Chúng được thiết
kế để có thể chịu đựng ở môi trường nhiệt độ cao, nhiều bụi bậm, ẩm ướt, rung động
mạnh và điện áp không đồng đều. Máy tính cơng nghiệp được ứng dụng rộng rãi trong
các sân bay, trạm thu phí đường cao tốc…
Máy tính cơng nghiệp có màn hình cảm ứng đây là thiết bị kết hợp giữa máy tính
cơng nghiệp và màn hình cơng nghiệp. Những máy tính này có thiết kế mạnh mẽ và cứng
cáp và khả năng mở rộng linh hoạt là sự lựa chọn hàng đầu trong các ứng dụng giao diện
người và máy (HMI), phục vụ trong thị trường tự động hố nhà máy, máy móc, thiết bị
và dịch vụ thơng minh. Máy tính cơng nghiệp có màn hình cảm ứng giúp các thao tác xử
lý diễn ra nhanh hơn, gọn gàng hơn, màn hình cảm ứng giúp dễ điều chỉnh các thao tác
trên máy tính, hiệu suất cao, chức năng tồn diện. Vì những tính năng tồn diện kể trên
nên máy tính cơng nghiệp có giá thành cao khơng phù hợp với những hệ thống sản xuất

nhỏ.

12


2. Cơ Sở Lý Thuyết

2.3.4. Cơ cấu phân loại
2.3.4.1. Robot
Robot là một cỗ máy phục vụ trong quy trình sản xuất công nghiệp được vận hành
bởi con người. ưu điểm nổi bật nhất của cánh tay Robot thao tác nhanh và tiết kiệm thời
gian hơn con người, các chuyển động chính xác và lặp lại hồn tồn giống nhau. Mục
tiêu của robot cơng nghiệp góp phần nâng cao sản xuất dây chuyền công nghệ với khả
năng hoạt động 24h/ngày, 7 ngày/tuần khơng mệt mỏi và Robot có thể thực hiện và làm
việc trong môi trường nguy hiểm như môi trường phóng xạ độc hại, khói bụi, ơ nhiễm…
mà con người không thể làm việc. Robot được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công
nghiệp khác nhau như là ứng dụng trong vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia công vật liệu,
trong việc lắp gháp, phân loại sản phẩm… Lợi ích của robot trong hệ thống phân loại
sản phẩm đó là tăng nâng suất thay thế sức người.
Dựa vào tốc độ làm việc, khả năng làm việc trong môi trường công nghiệp tốt
khiến cho Robot là một lựa chọn hoàn hảo cho việc phân loại. Nhược điểm của robot là
Robot chưa có thể linh hoạt như con người.
2.3.4.2. Băng tải con lăn tự động
Băng tải con lăn tự động là một sự kết hợp giữa băng tải con lăn thông thường và
module nâng và xoay để nâng cao hiệu quả sản xuất, tự động hố đẩy nhanh q trình
phân loại sản phẩm với băng tải con lăn tự động thì có thể giúp cho doanh nghiệp có thể
hạn chế sức người trong khâu phân loại. Nhược điểm của băng tải con lăn là không thể
vận chuyển vật với tốc độ nhanh chóng.
2.3.4.3. Xi lanh khí nén
Xi lanh là một thiết bị đóng vai trị quan trọng khi chuyển hố nguồn năng lượng

của khí nén thành động năng để thực hiện các thao tác động lực, đóng, mở, đẩy, ép…
tuỳ vào cơng việc thực tế. Hiện nay chúng ta có thể thấy nhiều nhà máy sử dụng xi lanh
khí nén bởi vì độ đơn giản nhưng mang lại hiệu quả cao.
2.3.5. Cảm biến
Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái, q trình vật lý hay hóa
học ở mơi trường cần khảo sát và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về
trạng thái hay quá trình đó. Thơng tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định
lượng của mơi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh
và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin hay trong điều khiển
13


2. Cơ Sở Lý Thuyết

các quá trình khác. Các đại lượng cần đo thường khơng có tính chất điện như nhiệt độ,
áp suất… tác động lên cảm biến cho ta một đại lượng đặc trưng mang tính chất điện như
điện tích, điện áp, dịng điện… chứa đựng thơng tin cho phép xác định giá trị của đại
lượng đo.
Cảm biến quang là cảm biến có thể phát hiện vật từ xa, đo lường khoảng cách
hoặc tốc độ di chuyển của đối tượng… khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của
cảm biến quang, chúng sẽ thay đổi tính chất. Hiện nay trên thị trường có các loại cảm
biến quang như cảm biến quang thu phát, cả biến quang phản xạ gương, cảm biến quang
khuếch tán.
Cảm biến tiệm cận là cảm biến phản ứng khi có vật đến gần. Cảm biến tiệm cận
chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặc sự xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện.
Cảm biến tiệm cận gồm có cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ và cảm biến tiệm cận loại
cảm ứng điện dung. Và còn nhiều loại cảm biến khác dùng trong các lĩnh vực như chế
biến, sản xuất…
2.3.6. Băng tải
Băng tải là một thiết bị có chức năng di chuyển hàng hoá, vật tư từ nơi này đến

nơi khác trong một đường dẫn xác định. Băng tải đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng
liên quan đến vận chuyển vật liệu nặng hoặc cồng kềnh. Hệ thống băng tải cho phép vận
chuyển nhanh chóng và hiệu quả đối với nhiều loại vật liệu. Hiện nay trên thị trường có
nhiều loại băng tải như băng tải cao su, băng tải con lăn, băng tải PVC, băng tải xích…
tuỳ theo mục đích người sử dụng mà chúng ta có thể chọn lựa băng tải cho phù hợp.
2.3.7. Động cơ điện
Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng
cơ. Các động cơ điện thường gặp trong gia đình như quạt điện, tủ lạnh, máy giặc, máy
bơm nước… ứng dụng của động cơ điện dùng trong hầu hết trong mọi lĩnh vực như sản
xuất, chế biến… ở nhiều nước động cơ điện được dùng trong các phương tiện vận
chuyển, đặc biệt trong đầu máy xe lửa…
Nguyên tắc hoạt động là phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator)
và phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vịng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu.
Khi cuộn dây trên roto và stato được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các từ
trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor
quanh trục hay 1 mômen. Động cơ điện được chia làm nhiều loại như động cơ điện một
chiều, động cơ xoay chiều 3 pha, động cơ 3 pha không đồng bộ.

14