ĐỒ ÁN phân loại hàng bằng mã QR code sử dụng plc s7-1200

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH
KHOA KỸ THUẬT - CƠNG NGHỆ

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH
PHÂN LOẠI HÀNG HĨA DỰA VÀO AI
VÀ MÃ QR
Giảng viên hướng dẫn: TS. TRẦN QUANG HUY
Giảng viên hướng dẫn: TS. TRẦN QUANG HUY
Sinh viên thực hiện:
TRẦN QUỐC BẢO
1900006121
Sinh viên thực hiện:
TRẦN QUỐC BẢO - 1900006121
NGUYỄN VĂN ĐỒNG
1900006916
NGUYỄN VĂN ĐỒNG - 1900006916
HUỲNH HOÀI NAM
1900005832
HUỲNH HOÀI NAM - 1900005832
Khố:
2019 – 2023
Khố:
2019 – 2023

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6/2023


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH


KHOA KỸ THUẬT – CƠNG NGHỆ

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH PHÂN
LOẠI HÀNG HĨA DỰA VÀO AI VÀ MÃ QR

Giảng viên hướng dẫn: TS. TRẦN QUANG HUY
Sinh viên thực hiện:

TRẦN QUỐC BẢO

Khoá:

NGUYỄN VĂN ĐỒNG - 1900006916
HUỲNH HỒI NAM - 1900005832
2019 – 2023

-

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6/2023

1900006121


TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Bộ môn Cơ điện tử

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN/ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
Sinh viên thực hiện: TRẦN QUỐC BẢO

MSSV: 1900006121

NGUYỄN VĂN ĐỒNG

MSSV: 1900006916

HUỲNH HỒI NAM

MSSV: 1900005832

Ngành: Cơng nghệ kĩ thuật cơ điện tử
1. Tên đề tài khoá luận: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH PHÂN LOẠI
HÀNG HĨA DỰA VÀO AI VÀ MÃ QR
2. Nội dung chính của khoá luận:
-

Tổng quan về xử lý ảnh; Tổng quan về trí tuệ nhân tạo;

-

Tìm hiểu phương pháp nhận dạng và phân loại sản phẩm;

-

Tìm hiểu về ngơn ngữ Python và thuật tốn train YOLO;

-

Viết chương trình trên máy tính để ứng dụng và triển khai mơ hình;

-

Viết chương trình trên PLC Simens S7-1200;

4. Kết quả đạt được
Đề tài đã được lên ý tưởng và thiết kế thi cơng hồn chỉnh. Hệ thống phân loại
hoạt động ổn định, đồng bộ với các cảm biến và động cơ. Có được kiến thức
thực tiễn sau khi thực hiện đề tài
5. Ngày giao: ………………..…

Ngày nộp: ……………………

6. Kết luận: Nội dung và yêu cầu của Đồ án/ Khố luận tốt nghiệp đã được thơng qua
bởi:
Họ và tên người hướng dẫn
Ký tên
1/……………………………………………

…………………………………..

Tp. Hồ Chí Minh, ngày……tháng……năm…….
TRƯỞNG BỘ MƠN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

i


LỜI CAM KẾT
Đề tài “Thiết kế và thi công mô hình phân loại hàng hóa dựa vào AI và mã QR”
là nhóm tơi tự thực hiện dựa vào tham khảo một số tài liệu trước đó và khơng sao
chép từ tài liệu nào đã có trước đó.
(Sinh viên thực hiện)
Trần Quốc Bảo
Nguyễn Văn Đồng
Huỳnh Hồi Nam
Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023

ii


LỜI CẢM ƠN
🙚🙚
Để thực hiện và hoàn thành đề tài này, nhóm chúng em xin gửi lời chân thành
cảmơn các thầy cô trong Khoa Kỹ Thuật - Công Nghệ đã tạo những điều kiện tốt

nhất cho em hoàn thành đề tài. Những kiến thức bổ ích mà các Thầy Cơ dạy, nó
được áp dụng vào đề tài Khóa Luận Tốt Nghiệp rất nhiều, từ những kiến thức
nhỏ nhặt cho tới những bài học lớn.
Ngồi sự cố gắng thì nhóm chúng em không thể nào không nhắc đến công lao
đã vạch ra hướng đi cho đề tài và hướng dẫn từng yêu cầu của đề tài mà thầy TS.
Trần Quang Huy đã truyền đạt cho nhóm em những kiến thức hết sức bổ ích và
những ứng dụng thực tế. Thầy TS. Trần Quang Huy tận tình giải giải thích rõ ràng
những chỗ mà nhóm em chưa hiểu và cịn thiếu sót.
Mặc dù nhóm em đã cố gắng hồn thành tốt đề tài này một cách hồn chỉnh
nhất, nhưng cũng khơng thể tránh những sai sót nhất định trong cơng tác nghiên
cứu, tiếp cận thực tế, cũng như những hạn chế về kiến thức lẫn thời gian thực hiện.
Rất mong nhận được sự góp ý của q thầy cơ và các bạn để đề tài này được hồn
chỉnh hơn.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

iii


TĨM TẮT KHỐ LUẬN
THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH PHÂN LOẠI
HÀNG HÓA DỰA VÀO AI VÀ MÃ QR
Đề tài “Thiết kế và thi cơng mơ hình phân loại hàng hóa dựa vào AI và mã
QR” là mơ hình phân loại hộp hàng có cịn ngun vẹn hay bị hư, cân trọng lượng
hộp hàng và quét mã QR. Dựa trên ngơn ngữ Python với thư viện hỗ trợ chính là
OpenCV và mơ hình để training là YOLO được thực hiện trên máy tính và PLC
Simens. Sử dụng thuật tốn train YOLO v8 để học sâu về các đặc điểm hình dáng,
màu sắc của hộp hàng với dữ liệu tương đối ổn định và màu vàng cát đặc trưng của
thùng hàng để đi nhận dạng và sau đó phân loại hộp hàng nguyên vẹn hay bị hỏng.
Kết quả thực hiện của đề tài đã nhận dạng được những hộp hàng nguyên, những
điểm bị rách trên hộp hàng và đọc mã QR, phân loại đến những vị trí mà thùng

hàng sẽ được vận chuyển song song với việc đếm số lượng hộp hàng, lưu dữ liệu
vào Excel theo 2 ca làm việc trong 1 ngày rồi hiển thị lên giao diện Tkinter.

iv


MỤC LỤC

NHIỆM VỤ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ................................................................ i
LỜI CAM KẾT............................................................................................................ii
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................iii
TĨM TẮT KHỐ LUẬN...........................................................................................iv
MỤC LỤC....................................................................................................................v
DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ................................................................................ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................xi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .................................................................... ....1
1.1 Đặt vấn đề ...........................................................................................................1
1.2 Mục tiêu đề tài:...................................................................................................1
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ....................................................................1
1.3.1 Đối tượng nghiên cứu: .............................................................................2
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu: ................................................................................2
1.4 Phương thức nghiên cứu: ...................................................................................2
1.4.1 Cơ sở phương pháp luận: .........................................................................2
1.4.2 Các phương pháp nghiên cứu:.................................................................2
CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................3
2.1. Tổng quan về YOLO .........................................................................................3
v


2.1.1 Giới thiệu về YOLO ...............................................................................3

2.1.2 Lịch sử của YOLO ..................................................................................3
2.1.3 Thuật tốn của YOLO.............................................................................4
2.1.4 Q trình train YOLO .............................................................................7
2.2. Tổng quan về PLC S7-1200 .............................................................................7
2.2.1 PLC là gì ? ..............................................................................................7
2.2.2 Lịch sử hình thành ..................................................................................8
2.2.3 Ứng dụng PLC......................................................................................10
2.3. Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp ....................................................... 11
2.3.1 Mạng truyền thơng cơng nghiệp là gì ? .................................................... 11
2.3.2 Vai trị truyền thông trong công nghiệp................................................... 12
2.3.3 Truyền thông Modbus TCP/IP trong công nghiệp .................................. 12
2.4. Tổng quan về Opencv – Open Source Computer Vision................................... 13
2.4.1 Giới thiệu về OpenCV .............................................................................. 13
2.4.2 Các ứng dụng OpenCV ........................................................................... 14
2.5. Lưu đồ giải thuật ................................................................................................15
2.5.1 Lưu đồ hệ thống ........................................................................................ 15
2.5.2 Sơ đồ hệ thống điện ................................................................................. 15
2.6. Tính tốn tải trọng băng tải, công suất động cơ và số xung cấp cho steps ....... 16
2.7. Visual Studio Code là gì ? ................................................................................. 17

vi


2.7.1 Giới thiệu về Visual Studio Code............................................................. 18
2.7.2 Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng Visual Studio Code.............. 18
2.8. Lập trình Tkiner trong Python ........................................................................... 18
2.9. Tia Portal là gì ?................................................................................................. 20
2.9.1 Giới thiệu về Tia Portal ............................................................................ 20
2.9.2 Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng Tia Portal .............................. 21
2.10. Phần mềm Solidworks ...................................................................................... 22

2.10.1 Giới thiệu về phần mềm Solidworks ....................................................... 22
2.10.2 Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng Solidworks ........................... 22
CHƯƠNG 3 : GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN .......................... 24
3.1 PLC S7-1200 1214DC/DC/DC .......................................................................... 24
3.2 Động cơ giảm tốc GA25-370 ............................................................................. 25
3.3 Webcam Rapoo C260 ......................................................................................... 26
3.4 Cảm biến khoảng cách E3F-DS30P1 ................................................................ .27
3.5 Cảm biến cân nặng Loadcell 1kg 24Bit HX711 ............................................... 28
3.6 Động cơ Step 17HD4401S ................................................................................ 29
3.7 Driver Step Motor TB6600 ............................................................................... 30
3.8 Nguồn tổ ong 24V .............................................................................................. 32
3.9 Relay trung gian MY2-J 24V (52P-24V) ......................................................... 33

vii


3.10 Mạch khuếch đại JY-S60 ................................................................................. 33
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ TRÊN PHẦN MỀM VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH .............. 35
4.1 Thiết kế mơ hình trên phần mềm Solidworks .................................................... 35
4.2 Vật liệu cơ khí .................................................................................................... 35
4.2.1 Nhơm định hình ........................................................................................ 35
4.2.2 Mica .......................................................................................................... 36
4.3 Lắp đặt thiết bị ................................................................................................... 36
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .............................. 39
5.1 Kết quả đạt được: ............................................................................................... 39
5.1.1 Ưu điểm của đề tài .................................................................................... 40
5.1.2 Hạn chế của đề tài ..................................................................................... 40
5.2 Hướng phát triển của đề tài: ............................................................................... 40
5.3 Năng suất của hệ thống: ...................................................................................... 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO… ........................................................................................42

PHỤ LỤC 1 ................................................................................................................. 43
PHỤ LỤC 2 ................................................................................................................. 56

viii


DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2.1 : Thuật tốn YOLO đang nhận diện chủ thể .................................................3
Hình 2.2 : Mốc thời gian phát triển YOLO ..................................................................4
Hình 2.3 : Quy trình thuật tốn YOLO hoạt động ....................................................... 5
Hình 2.4 : YOLO chia nhỏ điểm ảnh thành nhiều lớp ................................................6
Hình 2.5 : Quá trình train YOLO ................................................................................. 7
Hình 2.6 : Bộ lập trình PLC S7-1200 .......................................................................... 8
Hình 2.7 : Các kĩ sư đầu tiên sáng chế ra PLC........................................................... 9
Hình 2.8 : PLC đầu tiên được sản xuất năm 1969 ....................................................... 10
Hình 2.9 : Ứng dụng của PLC ...................................................................................... 11
Hình 2.10 : Cấu trúc mạng truyền thơng cơng nghiệp ........................................... 12
Hình 2.11 : Cấu trúc giao thức Modbus TCP/IP ......................................................... 13
Hình 2.12 : Ứng dụng của OpenCV ............................................................................. 14
Hình 2.13 : Lưu đồ giải thuật PLC .............................................................................. 15
Hình 2.14 : Sơ đồ hệ thống điện ................................................................................... 15
Hình 2.15 : Phần mềm Visual Studio Code .................................................................. 17
Hình 2.16 : Lập trình giao diện người dùng với Tkinter .............................................. 19
Hình 2.17 : Giao diện chính được thiết kế bằng Tkinter .............................................. 19
Hình 2.18 : Bảng thống kê chi tiết và biểu đồ hộp hàng .............................................. 20
Hình 2.19 : Phần mềm Tia Portal ................................................................................ 20
CHƯƠNG 3 : GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN
Hình 3.1 : PLC S7-1200 1214DC/DC/DC ................................................................... 24
Hình 3.2 : Động cơ giảm tốc GA25-370 ....................................................................... 26

Hình 3.3 : Webcam Rapoo 1080 Full HD ..................................................................... 26
Hình 3.4 : Cảm biến cản hồng ngoại E18-D80NK ....................................................... 27
Hình 3.5 : Sơ đồ kết nối ................................................................................................ 28
Hình 3.6 : Load cell 1kg 24Bit HX711 ........................................................................ 29
Hình 3.7 : Động cơ bước 17HD4401S ......................................................................... 29
ix


Hình 3.8 : Kích thước động cơ bước ............................................................................ 30
Hình 3.9 : Driver TB6600 ............................................................................................. 31
Hình 3.10 : Sơ đồ kết nối driver với PLC ..................................................................... 32
Hình 3.11 : Bộ nguồn 24V ............................................................................................ 32
Hình 3.11 : Relay trung gian 24V 14 chân ................................................................... 33
Hình 3.11 : Mạch khuếch đại JY-S60 ........................................................................... 34
CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ TRÊN PHẦN MỀM VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH
Hình 4.1 : Mơ hình được thiết kế trên SolidWorks ...................................................... 35
Hình 4.2 : Nhơm định hình ........................................................................................... 35
Hình 4.3 : Mica màu đen dày 3mm ............................................................................... 36
Hình 4.4 : Lắp đặt thiết bị ............................................................................................. 36
Hình 4.5 : Tủ điện sau khi hồn thiện ........................................................................... 37
Hình 4.6 : Đấu nối dây với mạch khuếch đại ............................................................... 37
Hình 4.7 : Vị trí lắp cân Loadcell ................................................................................. 38
Hình 4.8 : Tổng quan mơ hình sau khi hồn thiện ....................................................... 38
CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Hình 5.1 : Nhận dạng hộp hàng cịn ngun ................................................................ 39
Hình 5.2 : Nhận dạng hộp hàng rách ........................................................................... 39

x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

YOLO

You Only Look Once

PLC

Programmable Logic Controller

QR CODE

Quick Response Code

TCP/IP

Transmission Control Protocol/Internet Protocol

CPU

Central Processing Unit

ICN

Industrial Communication Network

PNP

Positive Negative Positive

PTO

Pulse Train Output

AC

Alternating Current

DC

Direct Current

TIA PORTAL

Totally Integrated Automation Portal

GUI

Graphical User Interface

IDE

Integrated Development Environment

xi


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề:
Hiện nay, nền Cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng được nâng cao để phát

triển ở mỗi quốc gia và cải thiện đời sống của con người Vì vậy việc ứng dụng
Khoa học Kỹ thuật ngày càng rộng rãi, phổ biến và mang lại hiệu quả cao trong
hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội.
Đối với nước ta nền cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa sử dụng ngày càng nhiều
thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sản xuất tự động, gia công và
chế biến sản phẩm… Điều này dẫn đến việc hình thành các hệ thống sản xuất tự
động liên tục ở mức độ cao sử dụng các máy CNC, Robot cơng nghiệp. Trong đó
có một khâu quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm là hệ thống phân loại
sản phẩm. Hệ thống phân loại sản phẩm nhằm chia sản phẩm ra các nhóm có cùng
thuộc tính với nhau để thực hiện đóng gói hay loại bỏ sản phẩm hỏng. Hiện nay để
phân loại sản phẩm người ta thường sử dụng các loại cảm biến với các chức năng
khác nhau để phân loại sản phẩm theo mong muốn như cảm biến phân loại theo
màu sắc, cảm biến phân loại theo hình dáng….
Dựa trên nền tảng kiến thức đã học, vốn hiểu biết về điện tử và công nghệ xử lý
ảnh cùng với sự cho đồng ý của giáo viên hướng dẫn – thầy TS. Trần Quang Huy,
nhóm chúng em chọn đề tài: “Thiết kế và thi công mơ hình phân loại hàng hóa
dựa vào AI và mã QR”.
1.2 Mục tiêu đề tài:
Để tài “Thiết kế và thi cơng mơ hình phân loại hàng hóa dựa vào AI và
mã QR” với mục tiêu là phân loại hộp hàng có cịn ngun vẹn hay bị hư, cân
trọng lượng hộp hàng và quét mã QR. Dựa trên ngôn ngữ Python với thư viện hỗ
trợ chính là OpenCV và mơ hình để training là YOLO được thực hiện trên máy
tính và PLC Simens S7-1200, để triển khai mơ hình một cách hiệu quả nhất. Thiết
kế giao diện trực quan dễ quan sát và theo dõi q trình vận hành của mơ hình.
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
1


1.3.1 Đối tượng nghiên cứu:
-

Phần mềm thiết kế cơ khí Solidworks.

-

Phần mềm lập trình Python Visual Studio 2023.

-

Phần mềm lập trình PLC TIA Portal

-

PLC Simens S7-1200 CPU 1214 DC/DC/DC.

-

Các thiết bị ngoại vi như: Camera, cảm biến, động cơ bước.

-

Thiết kế giao diện hiển thị sử dụng thư viện Tkinter.

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu:
Vì một số điều kiện khách quan nên đồ án chỉ dừng lại ở mơ hình mơ phỏng
cho chúng ta thấy nguyên lý hoạt động của băng tải và hệ thống đưa sản phẩm từ
phễu chứa hàng đến băng tải để vào khay đựng được bố trí trước.
Điều khiển và quan sát q trình vận hành thơng qua phần mềm lập trình Visual
Studio sử dụng thư viện Tkinter.
1.4 Phương thức nghiên cứu:

1.4.1 Cơ sở phương pháp luận:

Tham khảo, tìm hiểu các tài liệu về nghiên cứu liên quan đến đề tài.
Tìm hiểu tài liệu về phần mềm SolidWorks, phần mềm lập trình Python Visual
Studio.
Tìm hiểu về xử lý ảnh và trí tuệ nhân tạo.
Tìm hiểu các tài liệu về thu nhận tín hiệu của các cảm biến, webcam.
Tìm hiểu giao thức giữa Python với PLC S7-1200.
1.4.2 Các phương pháp nghiên cứu:

Để hoàn thành các mục tiêu đề ra, cần đạt được các mục tiêu sau: Tìm hiểu và
nắm cơ bản ngơn ngữ lập trình Python đặc biệt là phần xử lý ảnh OpenCV và cách
xây dựng mô hình phù hợp cho dự án cụ thể ở đây là YOLO v8.
Nghiên cứu về các phương pháp kết nối và thu nhận tín hiệu khi sử dụng các
cảm biến và webcam.
Nghiên cứu cách truyền thông giao tiếp giữa PLC và Python.

2


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Tổng quan về YOLO

2.1.1 Giới thiệu về YOLO
YOLO (You Only Look Once) là một thuật tốn nhận dạng và định vị đối
tượng trong hình ảnh và video. Thuật toán này được phát triển bởi Joseph Redmon,
Santosh Divvala, Ross Girshick và Ali Farhadi vào năm 2015. YOLO nhanh chóng
trở thành một trong những phương pháp tiên phong trong lĩnh vực nhận dạng đối
tượng thời gian thực. [1]

Hình 2.1 Thuật tốn YOLO đang nhận diện chủ thể
2.1.2 Lịch sử về YOLO
YOLO (You Only Look Once), một mơ hình phát hiện đối tượng và phân đoạn
hình ảnh phổ biến, được phát triển bởi Joseph Redmon và Ali Farhadi tại Đại học
Washington. Ra mắt vào năm 2015, YOLO nhanh chóng trở nên nổi tiếng nhờ tốc độ
và độ chính xác cao.
YOLOv2, được phát hành vào năm 2016, đã cải thiện mơ hình ban đầu bằng
cách kết hợp chuẩn hóa hàng loạt, hộp neo và cụm kích thước.
3


YOLOv3, ra mắt vào năm 2018, đã nâng cao hơn nữa hiệu suất của mơ hình
bằng cách sử dụng mạng đường trục hiệu quả hơn, nhiều neo và tổng hợp kim tự tháp
không gian.
YOLOv4 được phát hành vào năm 2020, giới thiệu những cải tiến như tăng
cường dữ liệu Mosaic, đầu phát hiện không neo mới và chức năng mất mát mới.
YOLOv5 tiếp tục cải thiện hiệu suất của mô hình và thêm các tính năng mới
như tối ưu hóa siêu tham số, theo dõi thử nghiệm tích hợp và xuất tự động sang các
định dạng xuất phổ biến.
YOLOv6 được Meituan mở nguồn mở vào năm 2022 và đang được sử dụng
trong nhiều robot giao hàng tự động của công ty.
YOLOv7 đã thêm các tác vụ bổ sung như ước tính tư thế trên bộ dữ liệu điểm
chính COCO.
YOLOv8 là phiên bản mới nhất của YOLO by Ultralytics. Là một mơ hình tiên
tiến, hiện đại (SOTA), YOLOv8 được xây dựng dựa trên sự thành công của các phiên
bản trước, giới thiệu các tính năng và cải tiến mới để nâng cao hiệu suất, tính linh hoạt
và hiệu quả. YOLOv8 hỗ trợ đầy đủ các tác vụ AI tầm nhìn, bao gồm phát hiện, phân
đoạn, ước tính tư thế, theo dõi và phân loại. Tính linh hoạt này cho phép người dùng
tận dụng khả năng của YOLOv8 trên các ứng dụng và miền đa dạng. [2]

Hình 2.2 Mốc thời gian phát triển của YOLO
2.1.3 Thuật toán của YOLO
YOLO sử dụng một mạng nơ-ron tích chập (CNN) để đọc ảnh đầu vào và dự
đoán các hộp giới hạn (bounding boxes) chứa các đối tượng, cùng với nhãn và xác suất
tương ứng. Thay vì chia ảnh thành các vùng nhỏ và áp dụng phân loại đối tượng cho
4


mỗi vùng đó như các phương pháp trước đây như R-CNN, YOLO áp dụng phân loại
và dự đoán bounding boxes trực tiếp trên tồn bức ảnh. Nó chia khơng gian ảnh thành
một lưới ơ vng và dự đốn đối tượng trong mỗi ơ vng đó.[3]

Hình 2.3 Quy trình thuật tốn YOLO hoạt động
Trong tài liệu [3],
-

Input (đầu vào): YOLO nhận một bức ảnh hoặc một khung video làm đầu vào.

-

Tạo lưới ô vuông: Tiếp đến YOLO chia không gian ảnh thành một lưới ơ
vng. Số ơ vng và kích thước của lưới phụ thuộc vào phiên bản cụ thể của
YOLO. Mỗi ô vuông đại diện cho một vùng trong không gian ảnh mà YOLO sẽ
dự đoán.

-

Phân loại và dự đoán: Trên mỗi ơ vng, YOLO sử dụng mạng nơ-ron tích
5

chập (CNN) để trích xuất đặc trưng của vùng ảnh tương ứng. Mạng CNN này
có thể được thiết kế dựa trên kiến trúc như Darknet hoặc EfficientNet.
-

Phân loại nhiều lớp: Với mỗi ơ vng, YOLO dự đốn xác suất của các lớp đi
tượng khác nhau. Thông thường, số lớp sẽ được định nghĩa trước và được
huấn luyện trên tập dữ liệu nhãn.

-

Tự động dự đoán các Bouding boxes: YOLO dự đốn các thơng số của
bounding boxes để xác định vị trí và kích thước của đối tượng trong mỗi ơ
vng. Thông thường, các bounding boxes được định nghĩa bằng tọa độ (x, y,
w, h), trong đó (x, y) là tọa độ góc trên cùng bên trái của bounding box, và
(w, h) là chiều rộng và chiều cao của bounding box.

-

Xác định đối tượng và loại bỏ dự đoán trùng lặp: Với mỗi bounding box dự
đoán, YOLO sử dụng kỹ thuật non-maximum suppression (NMS) để loại bỏ
các dự đoán trùng lặp và chỉ giữ lại dự đốn có xác suất cao nhất.

-

Output (đầu ra): Kết quả cuối cùng của YOLO là danh sách các bounding boxes
đã được xác định, bao gồm thơng tin về vị trí, kích thước, lớp đối tượng và xác
suất tương ứng.[4]

Hình 2.4 YOLO chia nhỏ điểm ảnh thành nhiều lớp

6


2.1.4 Quá trình train YOLO
Trong tài liệu [5], [6] và [7] nhà nghiên cứu hưỡng dẫn sử dụng thuật toán YOLO v8

Hình 2.5 Quá trình Train YOLO
2.2 Tổng quan về PLC S7-1200
2.2.1 PLC là gì ?
PLC là viết tắt của "Programmable Logic Controller" trong tiếng Anh, hay còn
được gọi là "bộ điều khiển logic lập trình được" trong tiếng Việt. Đây là một thiết bị
điện tử dùng để điều khiển các quy trình tự động trong các hệ thống sản xuất công
nghiệp.
Trong thực tế, PLC được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như sản
xuất ô tô, sản xuất điện tử, sản xuất thực phẩm và đồ uống, sản xuất dược phẩm, sản
xuất vật liệu xây dựng, và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác. PLC giúp tăng năng suất,
giảm chi phí và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
7


PLC hoạt động bằng cách tiếp nhận các tín hiệu từ các cảm biến và các thiết bị đo
lường khác để quản lý các hoạt động tự động trong quá trình sản xuất. Các tín hiệu này
được đưa vào PLC thơng qua các đầu vào (Input) của PLC. Sau đó, các chương trình
được lập trình trên PLC sẽ xử lý các tín hiệu này và đưa ra các tín hiệu điều khiển
thông qua các đầu ra (Output) của PLC để điều khiển các thiết bị trong hệ thống sản
xuất.[9]

Hình 2.6 Bộ lập trinh PLC S7-1200
PLC thường có kiểu dáng và kích thước khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng sử

dụng, tuy nhiên, chúng thường bao gồm các thành phần chính như sau:
-

CPU (Central Processing Unit): Là bộ xử lý trung tâm của PLC, nơi các chương
trình được lập trình và xử lý.

-

Đầu vào (Input): Là các điểm kết nối với các cảm biến, bộ điều khiển hoặc thiết
bị đo lường khác để đưa tín hiệu vào PLC.

-

Đầu ra (Output): Là các điểm kết nối với các thiết bị điều khiển khác để đưa tín
hiệu điều khiển ra từ PLC.

-

Nguồn cấp (Power supply): Cung cấp nguồn điện cho các thành phần của PLC.

-

Giao tiếp (Communication): Là các cổng kết nối để PLC có thể truyền và nhận
dữ liệu từ các thiết bị khác như máy tính, màn hình cảm ứng, bộ định tuyến,...
2.2.2 Lịch sử hình thành

Năm 1968, cơng ty Bedford Associates phát triển ra một thiết bị điều khiển tự động
8

đầu tiên được gọi là "Modicon" (viết tắt của Modular Digital Controller). Modicon ban
đầu được thiết kế để điều khiển các quy trình trong ngành cơng nghiệp ơ tơ. Đây là sự
ra đời của PLC đầu tiên trên thế giới.Với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu
điều khiển:
-

Dễ lập trình và thay đổi chương trình.

-

Cấu trúc dạng Moudule mở rộng, dễ bảo trì và sửa chữa.

-

Đảm bảo độ tin cậy trong mơi trường sản xuất.

Hình 2.7 Các kỹ sư đầu tiên sáng chế ra PLC
Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều
khó khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế đã chế
tạo từng bước để hệ thống trở nên đơn giản, gọn nhẹ và dễ vận hành hơn..
Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển cầm tay ( Programmable
controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969. Điều này đã tạo ra sự thuận lợi
và phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình điều khiển.

9


Hình 2.8 PLC đầu tiên được sản xuất năm 1969
2.2.3 Ứng dụng PLC
Ứng dụng của PLC được áp dụng rộng rãi trong hệ thống cơng nghiệp sản xuất,

tự động hóa:
-

Nhà máy xử lý nước thải

-

Nhà máy chế biến thực phẩm

-

Giảm sát và điều khiển hệ thống dây chuyền tự động hóa

-

Nhà máy cơng nghiệp nặng

Ưu điểm:
-

Bộ điều khiển PLC chống nhiễu tốt, đáng tin cậy trong môi trường công nghiệp.

-

Đáp ứng các giải thuật phức tạp, độ chính xác cao.

-

Gọn nhẹ, lắp đặt dễ dàng.

-

Thay thế hoàn toàn mạch điều khiển relay thông thường, dễ dàng đáp ứng mọi
yêu cầu điều khiển.

-

Hỗ trợ các chuẩn mạng truyền thông công nghiệp, tạo sự kết nối và trao đổi dữ
liệu giữa các thiết bị trong và ngoài nhà máy đáp ứng tiêu chuẩn cơng nghiệp
4.0.

Nhược điểm:
-

Giá thành cao: Chi phí sản phẩm cao hơn so với chi phí mạch relay thơng
10


thường. Tuy nhiên, hiện nay thị trường VN đã có mặt rất nhiều hãng PLC của
Đức, Nhật Bản, Mỹ, Trung Quốc… dẫn đến giá thành cạnh tranh hơn so với
trước.
-

Chi phí phần mềm lập trình: Chi phí mua licence phần mềm lập trình tùy thuộc
vào hãng sản xuất. Hiện nay có 2 dạng: hãng sản xuất cho phép sử dụng miễn
phí và hãng sản xuất yêu cầu mua licence.

-

Yêu cầu người sử dụng có kiến thức về lập trình PLC: Để thiết bị PLC đáp ứng

tốt trong điều khiển, người sử dụng cần có kiến thức căn bản về lập trình PLC.

Hình 2.9 Ứng dụng của PLC
2.3.

Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp
2.3.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì ?
Mạng truyền thơng cơng nghiệp (Industrial Communication Network) là một hệ

thống mạng được sử dụng trong môi trường công nghiệp để kết nối và truyền tải dữ
liệu giữa các thiết bị điều khiển, cảm biến, actuator và các thành phần trong hệ thống
tự động hóa.
Mạng truyền thơng cơng nghiệp chịu được môi trường làm việc khắc nghiệt của
ngành công nghiệp, bao gồm độ rung, nhiệt độ cao, môi trường ẩm ướt và nhiễu điện
11


từ. Mục tiêu của mạng truyền thông công nghiệp là cung cấp khả năng truyền tải dữ
liệu nhanh, đáng tin cậy và chính xác trong quy trình sản xuất và hệ thống điều khiển.
Mạng truyền thông công nghiệp hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông và công
nghệ khác nhau như Ethernet, Fieldbus, CAN bus, Modbus, Profibus, và nhiều giao
thức không dây khác. Các mạng truyền thông công nghiệp cung cấp các dịch vụ như
truyền tải dữ liệu, điều khiển, giám sát, đồng bộ hóa và quản lý mạng.[13] và [14]

Hình 2.10 Cấu trúc mạng truyền thơng cơng nghiệp
2.3.2 Vai trị truyền thơng trong cơng nghiệp
-

Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị cơng nghiệp.

-

Giảm chi phí dây nối và cơng lắp đặt.

-

Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở rộng của hệ thống.

-

Tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong mơi trường
cơng nghiệp cao.

-

Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc chẩn đoán, định vị lỗi hay sự cố thiết bị.

-

Nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần (phần mềm và phần cứng).

-

Ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực cơng nghiệp như điều khiển q
trình, tự động hóa xí nghiệp, điều khiển robot,...
2.3.3 Truyền thơng Modbus TCP/IP trong công nghiệp
MODBUS là một chuẩn giao thức truyền thông công nghiệp được phát hành và
12