PHÂN LOẠI sản PHẨM DÙNG xử lý ẢNH kết hợp PLC s7 1200

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

PHÂN LOẠI SẢN PHẨM DÙNG
XỬ LÝ ẢNH KẾT HỢP PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 1/47

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Mục đích nghiên cứu
Trong cuộc sống, cùng với tiến bộ của khoa học kĩ thuật thì yêu cầu trong sản xuất
ngày càng cao. Trong đó việc phân loại sản phẩm cũng là một vấn đề cần giải quyết
sao cho việc phân loại ngày càng nhanh chóng và chuẩn xác. Để đạt được điều đó, thì
việc phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh là một phương pháp ngày càng phổ biến. và
đề tài của đồ án này là phân loại dựa trên nhận biết màu sắc sản phầm với camera.
1.2 Đối tượng nghiên cứu
bộ PLC S7-1200, Labview vision, OpenCV, OPC server UA
1.3 Phạm vi nghiên cứu
Đề tài này phục vụ cho việc điều khiển phân loại sản phẩm theo màu sắc cho quy mô
phòng thí nghiệm
1.4 Dự kiến kết quả
Sau khi khởi động hệ thống, khi nhấn nút start đèn báo hệ thống đã mở. Sau khi đặt vật
vào cảm biến đầu tiên, băng tải bằng đầu chạy. khi gặp phải cảm biến thứ hai, băng tải
sẽ dừng lại để kiểm tra màu sắc của sản phẩm. trong thời gian dừng, camera xác định
mà sắc của sản phẩm, băng tải tiếp tục chạy, tín hiệu màu sắc đã được nhận dạng sẽ từ
labview chuyển xuống plc, khi vật đến vị trí yêu cầu sẽ được piston một hoặc hai đẩy
ra, hoặc chạy hết băng tải. Nếu sản phẩm không đúng màu, băng tải sẽ dừng lại và báo

đèn.

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 2/47

CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.5 Sơ lược về OPC
- OPC là viết tắt của OLE for Process Control, với OLE là Object Linking and
Embedding. OLE dựa trên tiêu chuẩn Windows COM (Component Object
Model) của Microsoft. OPC là một chuẩn giao diện phần mềm cho phép giao
tiếp dữ liệu có tính tin cậy cao giữa các chương trình Windows và các thiết bị
công nghiệp.
-

OPC được thực thi trong các cặp client/server. Máy chủ OPC (server) là một
chương trình chuyển đổi giao thức truyền thông phần cứng được PLC sử dụng
vào giao thức OPC

-

Phần mềm máy khách OPC là một chương trình kết nối với phần cứng, chẳng
hạn như màn hình HMI. Máy khách OPC giao tiếp với máy chủ OPC để nhận
dữ liệu hoặc gửi lệnh đến phần cứng.

-

OPC hiện có hai kiểu chủ đạo đó là: OPC classic và OPC UA ( Unified
Architecture). Trong đề tài này, chỉ sử dụng OPC UA, do đó sẽ không đề cập
đên OPC classic

Hình 2.1 hình ảnh mô tả OPC server

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 3/47

1.6 Giao thức OPC UA
OPC UA (Unified Architecture) là một chuẩn công nghệ truyền thông được phát hành
bởi OPC Foundation từ năm 2006, được nâng cấp và cải tiến từ chuẩn OPC Classic đã
được phát triển trước đó. Nó bao gồm tất cả các tính năng của OPC Classic.
OPC UA là một cơ chế mở, đáng tin cậy và rất an toàn để truyền thông tin giữa server
( máy chủ) và client (máy khách).

1.7 Sơ lược về hai không gian màu RGB và HSL
1.1.1 Không gian màu RGB

Hình 2.2 hình ảnh mô tả OPC server UA

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP

Trang 4/47
Không gian màu RGB là hệ không gian màu được dùng rất nhiều trong biểu diễn đồ
họa trên máy tính hoặc rất nhiều các thiệt bị điện tử và kỹ thuật số khác nhau.
Một không gian màu RGB đặc thù được biểu diễn bởi ba mà sắc cơ bản đó là đỏ
(RED), xanh lá cây (Green) và xanh lơ (Blue), từ việc kết hợp ba màu sắc có bản trên
có thể tạo ra rất nhiều các màu sắc khác nhau.
Giả dụ một bức ảnh được mã hóa bằng 24 bit, thì mỗi kênh R,G,B sẽ là 8 bit. Mỗi
kênh này nhận giá trị từ 0 đến 255, với mỗi giá trị từ 0-255 của từng kênh kết hợp với
nhau sẽ thu được một màu khác nhau, sẽ có tổng cộng 255×255×255 = 1.66 triệu màu.

Hình 2.3 hình ảnh mô tả không gian màu
RGB

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 5/47

1.1.2 Không gian màu HSV
Không gian màu HSV ( Hue, Saturation, Value) là một mô hình để biểu diễn không
gian màu tương tự với không gian màu RGB. Thực chất là sự biến đổi của không gian
RGB . Trong đó:
-

Kênh H (Hue) là kênh để chỉ thuộc tính màu sắc có giá trị từ 0ᵒ đến 360ᵒ. Rất
hữu dụng trong nhiều tác vụ xử lý ảnh cần đến việc phân biệt các vật thể dựa
trên màu sắc của chúng.

-

Kênh S (Saturation) là kênh thể hiện cho sự bảo hòa của vật thể, đi từ không
bảo hòa, thể hiện các sắc thái của màu xám cho đến bảo hòa hoàn toàn ( không
có thành phần màu trắng). Có giá trị từ 0 đến 1.

-

Kênh V (Value) là kênh để mô tả độ sáng hay nói cách khác là cường độ của
màu sắc và cũng có giá trị từ 0 đến 1.

Các màu sắc đạt giá trị bảo hòa khi S = 1 và V = 1.

Hình 2.4 không gian màu HSV

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 6/47

1.1.3 Công thức chuyển hệ màu RGB sang HSV
Giả sử, ta chọn một điểm ảnh trong hệ không gian màu RGB có giá trị là (R,G,B).
Để chuyển điểm ảnh này sang không gian màu HSV, tiến hành như sau:
Đặt: M = Max(R,G,B)
m = min(R,G,B)
C = M- m
-

Xác định giá trị H (HUE)

cd�
nh, n�
uC  0
�kh�ngx�
�G  B
�
chial�
yd�cho6,n�
uM  R
C
�
�
H'  �B  R
uM  G
� C  2,n�
�
�R  G  4,n�
uM  B
�
�C

H  60��H'
Xác định giá trị của V (Value)
V = M.
Xác định giá trị của S ( Saturation)

0,n�
uV  0
�
�

S  �C
n�
uV kh�
c0
�
�V

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 7/47

:

Hình 2.5 ví dụ về mối quan hệ giữa hai không gian màu RGB và HSV

1.8 Giới thiệu về OpenCV
- OpenCV là thư viện mã nguồn mở về thị giác máy tính, xử lý ảnh, được phát
triển đầu triền bởi tập đoàn Intel, có thể viết trên các ngôn ngữ C++, Python,
java và hỗ trợ các hệ điều hành Windows, Linux, MacOS, IOS, Android.
OpenCV được thiết kế để tính toán hiệu quả và hướng nhiều vào những ứng
dụng thời gian thực.
-

OpenCV được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: kiểm soát giao thông, giám
sát, kiểm tra, xe tự hành, y tế, nghệ thuật sắp đặt tương tác…..

.

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 8/47

CHƯƠNG 3.

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

1.9 Linh kiện sử dụng
1.1.4 Bộ điều khiển khả trình PLC s7-1200 1214 DC/DC/DC

Hình 3.6 hình ảnh thực tế của PLC s7-1200 1214 DC/DC/DC

1.1.1.1

Thông tin cơ bản

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 9/47
 14 ngõ vào số 24 VDC
 10 ngõ ra số 24 VDC
 2 ngõ vào tương tự 0-10 VDC
 Ngôn ngữ lập trình: FBD, LADDER, SCL
 6 bộ đếm tốc độ cao HSC (high speed counter) dùng để đọc xung tốc độ cao từ
encoder trong việc điều khiển động cơ.

 Có cổng kết nối encoder (loại 2 dây)
 Có 3 đèn báo: đèn báo Run/stop, đèn báo lỗi, đèn báo duy trì( bảo dưỡng).
 Bộ nhớ trong: 100 KB
1.1.1.2 Chuẩn truyền dẫn:
Hỗ trợ các mạng truyền thông, kết nối protocols: PROFINET, PROFIBUS, MODBUS,
AS- interface, OPC server UA v5.1
Ngoài ra còn có: TCP/IP, SNMP, DCP, LLDP.
Nguồn cấp: 20.4 - 28.8 VDC.
1.1.1.3 Các công cụ điều khiển tích hợp
Để đơn giản hóa việc lập trình, điều khiển các chương trình theo yêu cầu thực tế, nhà
sản xuất đã tích hợp các công cụ điều khiển. các công cụ đó bao gồm:
-

Bộ điều khiển PID (PID controller):

Là bộ điều khiển vòng kín, điều khiển ba thông số P,I,D để đưa ra tín hiệu điều khiển
chuẩn sát nhất có thể. Bộ điều khiển này được tích hợp dưới dạng module trong bộ
CPU S7-1200 1214 DC/DC/DC.
-

Bộ điều khiển vị trí (controlled positoning)

Là bộ module điều khiển tích hợp trong PLC S7-1200, ứng dụng trong điều khiển một
cách chính xác vị trí của động cơ xoay chiều
-

Web server

Là một tính năng đã khá phổ biến trong nền công nghiệp hiện nay, cho phép người
dùng giám sát và điều khiển hoạt động của PLC thông qua một trong web. Người

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 10/47
dùng có thể truy cập đến trang web này thông qua bất kỳ thiết bị nào có thể kết nối
internet và có một trình duyệt nào đó, ví dụ như: máy tính, điện thoại thông minh,
máy tính bảng v.v…..
1.1.1.4 Phần mềm TIA portal lập trình cho PLC S7-1200
TIA portal là một phần mềm được phát triển bởi Siemens, dùng để viết chương trình
điều khiển cho các dòng PLC S7-1200, S7-1500, S7-300, S7-400….
Ngoài ra nó còn được dùng để viết giao diện cho màn hình HMI và WinCC của hãng
Siemens.

Hình 3.7 giao diện khởi động của phần mềm TIA Portal v14

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 11/47

1.1.5 Cảm biến vật cản hồng ngoại OMDHON DS30C4

Hình 3.8 hình ảnh thực tế cảm biến vật cản OMDHON DS30C4

-

Đặc điểm kỹ thuật:

-

Khoảng cách phát hiện: 5 – 30 cm

-

Loại ngõ ra: dòng kích 300 mA

-

Điện áp hoạt động: 20… 30 VDC

-

Nhiệt độ hoạt động: -25 to 70 ℃

-

Ngõ ra: cực thu hở, kết nối 3 dây.

-

Chuẩn bảo vệ: IP65

-

Vật liệu chế tạo: nhựa

1.1.6

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 12/47
Động cơ DC RS775 DC 12-24v

Hình 3.9 hình ảnh thực tế động cơ DC RS775

thông số kỹ thuật:
điện áp: 12 -24 VDC
dòng tiêu thụ tối đa: 2.2 A
nhiệt độ hoạt động từ -40℃ đến hơn 100℃

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 13/47

1.10

Giới thiệu về phần mềm LabVIEW

1.1.7 Đôi nét về LabVIEW
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một phần
mềm trên nền tảng Windows được thiết kế và phát triển bởi công ty National
Instruments. Labview là một phần mềm cực kỳ mạnh mẽ, được sử dụng trong hầu hết
các trung tâm thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật, tự động hóa, điện tử y sinh, y tế,

cơ điện tử, điện tử, hàng không, hóa sinh đặc biệt là ở các nước Nhật Bản, Hoa Kỳ,
Hàn Quốc.
1.1.8 Các điểm mạnh của LabVIEW
LabVIEW là một phần mềm thực chất là môi trường để lập trình cho ngôn ngữ lập
trình đồ họa cực kỳ mạnh mẽ. Được sử dụng rất rộng rãi trong việc tạo ra các ứng
dụng giao tiếp với máy tính, xử lý ảnh, mô phỏng, đo lường, kết nối các thiết bị ngoại
vi với máy tính theo thời gian thực. Dưới đây là một số đặc điểm mạnh mẽ của
LabVIEW:
 Có giao diện cực kỳ dễ sử dụng, đơn giản và thân thiện với người dùng, được
hỗ trợ đầy các ví dụ cơ bản do National Instruments cung cấp.
 Là phần mềm số một trong việc giao tiếp với máy tính và thu thập các thông tin
và dữ liệu.
 LabView có thể đo lường tín hiệu từ mọi loại cảm biến (tín hiệu dưới dạng
dòng, điện áp và xung).
 LabView có thể điều khiển bất cứ cơ cấu chấp hành nào: động cơ một chiều,
xoay chiều, động cơ xăng, thủy lực, lò nhiệt ….
 Labview có thể truyền thông tin qua rất nhiều giao tiếp ( gần như tất cả) :
RS232, USB, PCI, Wifi, TCP/IP, bluetooth, PXI……

 LabView là phần mềm hỗ trờ cực kỳ đắc lực và mạnh mẽ kỹ sư ngành Cơ khí,
Cơ điện tử, Robotics, Ôtô, Viễn Thông và Điện tử trong việc: Tính toán và thiết

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 14/47
kế sản phẩm, sản xuất mẫu (prototyping), mô phỏng và đánh giá chất lượng sản
phẩm, vv.
Với hơn 20 năm phát triển, NI LabVIEW đã phát triển để trở thành một trong những

công cụ hỗ trợ đắc lực cho các kỹ sư, các nhà nghiên cứu trong quá trình kiểm tra, đo
lường, điều khiển. Với các tính năng đặc biệt như giảm giá thành, rút ngắn thời gian
sản xuất, phân tích dữ liệu thu thập từ thí nghiệm hiệu quả, điều khiển thiết bị trong
công nghiệp tối ưu, NI LabVIEW đã luôn trở thành lựa chọn hàng đầu trong kỹ thuật
và khoa học ở hầu hết các châu lục.

1.11

Hình 3.10 một chương trình được viêt bằng LabVIEW

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 15/47
Thiết kế mô hình

Hình 3.11 hình ảnh mô hình thực tế

Hình 3.12 mô hình thực tế

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 16/47

Hình 3.13 mô hình thực tế

Hình 3.14 mô hình thực tế

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 17/47

1.12

Thiết kế giao diện.

1.1.9 Giao diện điều khiển của chương trình.
- Giao diện điều khiển trên WinCC professional v14:

Hình 3.15 giao diện điều khiển chính

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 18/47

-

Giao diện giám sát hình ảnh của labview:

Hình 3.16 giao diện điều khiển và giám sát trên LabView

1.1.10 Thiết kế giao diện với WinCC professional v14
1.1.1.5 Giới thiệu về tổng quan về WinCC của siemens

WinCC siemens là một phần mềm chuyên dụng để thiết kế và xây dựng giao diện giám
sát và điều khiển tương tác giữa người và máy, hay còn gọi là HMI (human machine
interface). Ngoài ra, Wincc còn được dùng để phục vụ việc lưu trữ và xử lý dữ liệu của
một hệ thống SCADA (supervisory control and data acquisition) thuộc chuyên ngành
tự động hóa.
WinCC là trung tâm điều khiển chạy trên nền của hệ điều hành Windows là tên viết tắt
của Windows Control Center. Trong các dòng sản phẩm xây dựng và thiết kế giao
diện để phục vụ nhu cầu vận hành và giám sát, WinCC thuộc lớp SCADA, với các
chức năng mạnh mẽ và hiệu quả trong việc điều khiển.

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 19/47
Tùy vào chức năng mà người dùng muốn sử dụng, người dùng có thể lựa chọn các gói
sản phẩm khác nhau của WinCC. WinCC được chia ra làm hai loại gói cơ bản sau đây:
-

WinCC Runtime Package (được viết tắt là RT): gói sản phầm WinCC này chứa
đựng các chức năng được đưa vào ứng dụng của WinCC trong việc thông báo,
điều khiển và hiển thị các trạng thái và các giá trị điều khiển và để thực hiện các
báo cáo.

-

WinCC Complete Package (được viết tắt là RC): gói sản phẩm WinCC này bao
gồm chứng nhận về bản quyền để xây dựng và cấu hình hệ thống và được cấp
bản quyền để khởi chạy ứng dụng.

Các gói sản phẩm này có nhiều phiên bản sử dụng khác nhau, tùy theo số lượng các
tham số làm việc (powertags). Powertags là những tham số làm việc được bộ điều
khiển theo dõi giá trị. Sau mua một gói sản phẩm, việc người dùng muốn mở rộng
nâng cấp từ một phiên bản thấp cấp có số lượng powertags bé lên cấp cao hơn, người
dùng chỉ cần đặt mua nhưng phiên bản chỉ chuyên để nâng cấp được gọi là WinCC
Powerpacks.
Ngoài những gói sản phẩm cơ bản trên thì WinCC còn có những mô-đun nâng cao
hơn, hướng đến những ứng dụng lớn vào quy mô hơn (WinCC options) và các mô-đun
mở rộng đặc biệt (WinCC add-on). Các mô-đun WinCC option là các sản phẩm thuộc
sở hữu của Siemens Automation and Drive (A&D). Các mô-đun
Một số tính năng phổ biến, được sử dụng trong việc thiết kế giao diện với WinCC:
-

Thiết kế đồ họa với Graphics design: dùng để thiết kế mô phỏng các hoạt động
của các thành phần ra lệnh, chấp hành như nút nhấn, bóng đèn v.v.. và các thuộc
tính chuyển động.

-

Tạo cảnh báo với Alarm logging: dùng để thực hiện các tính năng thông báo,
cảnh báo về tình trạng hoạt động của hệ thống lên màn hình giám sát. Thu thập

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 20/47
các dữ liệu quá trình, hồi đáp hiển thị và lưu trữ lại để giúp người dùng nhanh
chóng phát hiện ra các lỗi và tìm nguyên nhân.
-

Tính năng tag logging: thu nhận, lưu lại và xuất ra nhiều kiểu khác nhau từ
những quá trình đang được tiến hành.

-

Thực hiện báo cáo với Report: đưa ra những thông báo, nội dung và kết quả
dưới sạng các nhật ký sự kiện.

Hình 3.17 hình ảnh giao diện được thiết kế trên trên WinCC

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 21/47

1.1.11 Thiết kế giao diện cho chương trình.
Các bước tiến hành:
Thêm một màn hình HMI_RT

Hình 3.18 tạo màn hình HMI

Bước 2: tiến hành vẽ các đối tượng băng tải, nút nhấn, đèn báo, các khối hộp đại diện
cho sản phẩm, cảm biến, camera và bit-tông.

Hình 3.19 vẽ các đối tượng cho chương trình

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200

ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 22/47
Bước 3: tiến hành gắn các tag cho các đối tượng đã vẽ:
- Đối với đối tượng là đèn báo trạng thái:

Hình 3.20 đối tượng đèn báo trạng thái

Bấm chuột phải vào đối tượng, chọn properties:

Hình 3.21 chọn đối tượng đèn báo trạng thái

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 23/47
Tiến hành gắn tag cho đối tượng theo hình sau:

Hình 3.22 gắn tag cho đối tượng đèn báo

-

Đối tượng là nút nhấn:

Nhấn chuột trái (press left mouse) chọn mục set bit, nhấn chuột phải (press right
mouse) chọn mục reset bit và gắn tag

Hình 3.23 gắng tag cho đối tượng nút nhấn

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200


ĐỒ ÁN TỐT NGHIẾP
Trang 24/47

-

Đối tượng là vật thể chuyển động:

Chọn tag và điểu chỉnh vị trí phù với yêu cầu mong muốn:

Hình 3.24 gắng tag cho đối tượng chuyển động

sau khi hoàn thành việc thiết kế giao diện, tiến hành chạy thử giao diện và điều chỉnh
lại cho phù hợp với yêu cầu ban đầu đặt ra.

Phân loại sản phẩm dùng xử lý ảnh kết hợp PLC S7-1200