Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công cơ cấu nhận biết, phân loại vỉ thuốc lỗi

TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
----o0o---Tp. HCM, ngày 05 tháng 7 năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Mai Quốc Cường

MSSV: 15141112

Ngô Đình Phương

MSSV: 15141250

Chuyên ngành:

Điện tử công nghiệp

Mã ngành:

41

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ:

1

Khóa:

2015

Lớp:

15141DT2A

Họ tên sinh viên:

15141DT1B
I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CƠ CẤU NHẬN BIẾT, PHÂN
LOẠI VỈ THUỐC LỖI
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
 Sử dụng bộ xử lý ảnh tích hợp Keyence.
 Điều khiển bằng PLC S7-1200 và màn hình HMI.
 Điều khiển gạt bằng khí nén.
 Động cơ băng tải của cơ cấu là động cơ AC 1 pha 220V.
 Dùng một cảm biến bắt nhịp.
2. Nội dung thực hiện:
 Nội dung 1: Cài đặt phần mềm TIA Portal để lập trình PLC và giao diện màn
hình HMI, AutoCAD để thiết kế tủ điện, SolidWorks để thiết kế mô hình cơ
khí, CV-X Series Simulation-Software để cấu hình cho bộ camera.
 Nội dung 2: Tính toán đo đạc thông số kỹ thuật dùng cho thiết kế mô hình
phần cứng bao gồm tủ điện, băng tải và xi-lanh khí nén.
 Nội dung 3: Thiết kế, tính toán và đo đạc thông số dòng áp, đi dây trong thiết
kế tủ điện.
 Nội dung 4: Lắp đặt bộ camera công nghiệp CV-X320A.

 Nội dung 5: Lắp đặt màn hình HMI KTP400.
 Nội dung 6: Vẽ lưu đồ giải thuật và viết chương trình cho PLC.
i


 Nội dung 7: Kết nối các hệ thống từ bộ camera, cảm biến tiệm cận đến PLC
để điều khiển xi-lanh khí nén và băng tải hoạt động.
 Nội dung 8: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát giao diện màn hình HMI.
 Nội dung 9: Cho chạy toàn bộ hệ thống hoàn chỉnh để kiểm tra hoạt động.
 Nội dung 10: Ghi nhận kết quả thực hiện và báo cáo.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

04/03/2019

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/06/2019
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Tấn Đời
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ii


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y
SINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

----o0o---Tp. HCM, ngày 05 tháng 7 năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Mai Quốc Cường
Lớp: 15141DT2A

MSSV: 15141112

Họ tên sinh viên 2: Ngô Đình Phương
Lớp: 15141DT1B

MSSV: 15141250

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CƠ CẤU NHẬN BIẾT, PHÂN LOẠI
VỈ THUỐC LỖI
Tuần/ngày

Nội dung

Xác nhận
GVHD

1 (18/02/2019 – 24/02/2019) Chờ duyệt đề tài
2 (25/02/2019 – 03/03/2019) Chờ duyệt đề tài
3 (04/03/2019 – 10/03/2019) Viết đề cương
4 (11/03/2019 – 17/03/2019) Thiết kế cơ khí
5 (18/03/2019 – 24/03/2019) Thiết kế cơ khí
6 (25/03/2019 – 31/03/2019) Gia công cơ khí
7 (01/04/2019 – 07/04/2019) Thiết kế, thi công hệ thống điện
8 (08/04/2019 – 14/04/2019) Cài đặt và cấu hình bộ xử lý

ảnh
9 (15/04/2019 – 21/04/2019) Lập trình PLC, thiết kế giao
diện HMI
10 (22/04/2019 –
28/04/2019)

Lập trình PLC, thiết kế giao
diện HMI

11 (29/04/2019 –
05/05/2019)

Lắp đặt hệ thống và chạy thử
nghiệm
Viết báo cáo + cân chỉnh hệ
thống
Viết báo cáo + cân chỉnh hệ
thống
Viết báo cáo + cân chỉnh hệ
thống

12 (06/05/2019 –
12/05/2019)
13 (13/05/2019 –
19/05/2019)
14 (20/05/2019 –
26/05/2019)

iii

15 (27/05/2019 –
02/06/2019)
16 (03/06/2019 –
09/06/2019)

Viết báo cáo + cân chỉnh hệ
thống
Hoàn thành
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

iv


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào kiến thức, kinh nghiệm đã thu
được qua quá trình học tập, tìm hiểu và không sao chép từ tài liệu hay công trình nào
đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài
Mai Quốc Cường

Ngô Đình Phương

v


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên cho nhóm chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Tấn Đời vì

đã đồng ý dìu dắt, hướng dẫn và tạo tiền đề cho chúng tôi thực hiện một Đồ án tốt
nghiệp mang tính chất quan trọng trong suốt quá trình một học kỳ. Bên cạnh chúng
tôi xin gửi lời cảm ơn đến công ty TNHH Dịch vụ và Kỹ thuật Sáng tạo đã hỗ trợ và
giúp đỡ chúng tôi trong thời gian vừa qua.
Đồng thời nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn nói
riêng và Khoa Điện – Điện tử nói chung đã truyền đạt cho chúng tôi những kiến thức
quan trọng, hỗ trợ những trang thiết bị thực tế trong dạy học áp dụng nhiều đến việc
phát triển đề tài tốt nghiệp cũng như ảnh hưởng đến công việc sau này.
Sau cùng, chúng tôi xin gửi lời cám ơn đến bạn bè, người thân đã hỗ trợ trong
quá trình học tập tại trường và quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này.
Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài
Mai Quốc Cường

Ngô Đình Phương

vi


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................... i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................... iii
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................v
MỤC LỤC ................................................................................................................ vii
LIỆT KÊ HÌNH ......................................................................................................... ix
LIỆT KÊ BẢNG ...................................................................................................... xii
TÓM TẮT ............................................................................................................... xiii
Chương 1. TỔNG QUAN .........................................................................................1
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ ..................................................................................................1

1.2

GIỚI HẠN.........................................................................................................2

1.3

MỤC TIÊU .......................................................................................................2

1.4

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .............................................................................2

1.5

BỐ CỤC ............................................................................................................3

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................5
2.1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI DÙNG XỬ LÝ ẢNH .............5

2.2

LÝ THUYẾT VỀ XỬ LÝ ẢNH .......................................................................5

2.3

2.4

2.2.1

Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh công nghiệp .......................................5

2.2.2

Một số khái niệm về xử lý ảnh ...............................................................6

NGUYÊN TẮC PHÂN LOẠI VỈ THUỐC ....................................................10
2.3.1

Phân loại theo vỉ thiếu viên ..................................................................10

2.3.2

Phân loại theo vỉ gãy viên .....................................................................10

2.3.3

Phân loại theo vỉ chồng viên .................................................................10

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ...........................................................................10
2.4.1

Giới thiệu camera công nghiệp .............................................................10

2.4.2

Tổng quan về PLC ................................................................................14

2.4.3

Tổng quan về HMI ................................................................................17

2.4.4

Động cơ AC ..........................................................................................18

2.4.5

Hệ thống điều khiển khí nén .................................................................20

2.4.7

Cảm biến tiệm cận ................................................................................23

2.4.8

Nguồn cung cấp ....................................................................................25

Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ..............................................................26
3.1

KHẢO SÁT DÂY CHUYỀN MÁY ÉP VỈ ....................................................26
3.1.1

Giới thiệu về dây chuyền ép vỉ .............................................................26
vii

3.1.2
3.2

Chức năng từng phần ............................................................................26

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .........................................................................27
3.2.1

Giới thiệu ..............................................................................................27

3.2.2

Tính toán và thiết kế cơ khí ..................................................................27

3.2.3

Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ................................................................28

3.2.4

Chọn thiết bị cho hệ thống ....................................................................29

3.2.5

Thiết kế nguyên lý PLC điều khiển hệ thống .......................................42

Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .....................................................................49
4.1

GIỚI THIỆU ...................................................................................................49

4.2

THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................................49

4.3

4.4

4.2.1

Thi công hệ thống khí nén ....................................................................50

4.2.2

Thi công cần gạt vỉ thuốc và băng tải ...................................................51

4.2.3

Tủ điện hoàn chỉnh ...............................................................................52

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ..............................................................................53
4.3.1

Lưu đồ giải thuật ...................................................................................53

4.3.2

Cấu hình và chọn thuật toán cho xử lý ảnh ..........................................57

4.3.3

Thiết kế HMI ........................................................................................65

4.3.4

Lập trình PLC .......................................................................................69

VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ...........................70
4.4.1

Tài liệu hướng dẫn sử dụng ..................................................................70

4.4.2

Quy trình thao tác .................................................................................71

Chương 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ .............................................72
5.1

5.2

KẾT QUẢ - NHẬN XÉT ...............................................................................72
5.1.1

Kết quả nghiên cứu ...............................................................................72

5.1.2

Kết quả thực hiện ..................................................................................72

ĐÁNH GIÁ .....................................................................................................76

Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .........................................78
6.1

KẾT LUẬN .....................................................................................................78

6.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................................78

TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................80
PHỤ LỤC ..................................................................................................................81

viii


LIỆT KÊ HÌNH
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trang

Hình 2.1 Quy trình xử lý ảnh......................................................................................5
Hình 2.2 Nguyên lý chuyển đổi nhị phân. ..................................................................7
Hình 2.3 Nguyên lý chuyển đổi thang màu xám. .......................................................8
Hình 2.4 Nguyên lý xử lý màu. ..................................................................................8
Hình 2.5 Giản đồ của một bộ lọc điểm ảnh 3-3. ........................................................9

Hình 2.6 So sánh hai bộ lọc mở rộng và thu nhỏ. ......................................................9
Hình 2.7 Hệ thống xử lý ảnh công nghiệp. ..............................................................11
Hình 2.8 Một số camera sử dụng trong công nghiệp. ..............................................12
Hình 2.9 Ống kính cho camera. ................................................................................13
Hình 2.10 Đèn chiếu sáng. .......................................................................................13
Hình 2.11 Ứng dụng về kiểm tra có hay không có sản phẩm. .................................14
Hình 2.12 Ứng dụng về kiểm tra lỗi. ........................................................................14
Hình 2.13 Ứng dụng về kiểm tra kích thước. ...........................................................14
Hình 2.14 Ứng dụng về định vị. ...............................................................................14
Hình 2.15 Động cơ xoay chiều. ................................................................................18
Hình 2.16 Cấu trúc một hệ thống khí nén. ...............................................................20
Hình 2.17 Van điện từ. .............................................................................................21
Hình 2.18 Các loại van phổ biến. .............................................................................21
Hình 2.19 Cấu tạo xi-lanh. .......................................................................................22
Hình 2.20 Phân loại cảm biến tiệm cận. ...................................................................24
Hình 2.21 Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận. .........................................24
Hình 2.22 Nguồn 24VDC - 3A. ...............................................................................25
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Trang

Hình 3.1 Máy ép vỉ của nhà máy. .............................................................................26
Hình 3.2 Cơ cấu gạt. .................................................................................................28
Hình 3.3 Cơ cấu hoàn chỉnh. ....................................................................................28
Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống. ..................................................................................29
Hình 3.5 Bộ điều khiển camera CV-X320A. ...........................................................30
Hình 3.6 Sơ đồ chân của camera CV-X320A. .........................................................31
Hình 3.7 PLC S7 – 1200 CPU 1214C. .....................................................................34
Hình 3.8 Sơ đồ chân của PLC CPU 1214 DC/DC/DC. ...........................................35
Hình 3.9 Màn hình Simatic HMI KTP400. ..............................................................36

Hình 3.10 Cảm biến tiệm cận E2A-M12KS08-WP-B1 2M....................................37
Hình 3.11 Sơ đồ chân của cảm biến tiệm cận E2A-M12KS08-WP-B1 2M. ...........37
Hình 3.12 Động cơ băng tải. ....................................................................................38
Hình 3.13 Xi-lanh kép. .............................................................................................39
Hình 3.14 Sơ đồ chân của van điện từ 5/2. ..............................................................39
Hình 3.15 Nguồn tổ ong 24VDC – 3A. ....................................................................40
Hình 3.16 Nguyên lý đấu ngõ vào cho PLC.............................................................42
Hình 3.17 Nguyên lý đấu ngõ ra PLC. .....................................................................42
Hình 3.18 Tín hiệu Trigger. ......................................................................................43
Hình 3.19 Chọn chương trình từ thẻ nhớ. ................................................................44
ix


Hình 3.20 Ví dụ chọn chương trình. .........................................................................44
Hình 3.21 Giản đồ thời gian cho tín hiệu chọn chương trình. ..................................45
Hình 3.22 Sơ đồ tổng quan. ......................................................................................46
Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch. ....................................................................47
Hình 3.24 Mạch động lực cho động cơ băng tải. .....................................................48
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG

Trang

Hình 4.1 Nguyên lý thi công khí nén .......................................................................50
Hình 4.2 Lắp đặt 4 xi-lanh cho hệ thống. .................................................................51
Hình 4.3 Lắp đặt van điện từ. ...................................................................................51
Hình 4.4 Lắp đặt băng tải và cần gạt vỉ thuốc. .........................................................52
Hình 4.5 Tủ điện hoàn chỉnh của hệ thống...............................................................52
Hình 4.6 Chương trình chính của hệ thống. .............................................................53
Hình 4.7 Chương trình con 1 - chọn chương trình xử lý ảnh. ..................................54
Hình 4.8 Chương trình con 2 - xử lý lỗi từng hàng. .................................................55

Hình 4.9 Chương trình con 3 - xử lý ngõ ra. ............................................................56
Hình 4.10 Màn hình quản lý cửa sổ làm việc của CV-X Series...............................57
Hình 4.11 Màn hình giả lập của CV-X Series. .........................................................58
Hình 4.12 Tạo cửa sổ làm việc mới. ........................................................................58
Hình 4.13 Đặt tên cho cửa sổ làm việc. ....................................................................59
Hình 4.14 Chọn loại điều khiển cho CV-X Series. ..................................................59
Hình 4.15 Chọn kiểu đóng gói cho CV-X Series. ....................................................59
Hình 4.16 Lưu ảnh mẫu. ...........................................................................................60
Hình 4.17 Chọn công cụ kiểm tra cho xử lý ảnh. .....................................................60
Hình 4.18 Chọn vùng muốn kiểm tra từ ảnh mẫu. ...................................................61
Hình 4.19 Trích xuất màu nhị phân. .........................................................................61
Hình 4.20 Tăng cường ảnh bằng bộ lọc rút ngắn. ....................................................62
Hình 4.21 Tăng cường ảnh bằng bộ lọc mở rộng. ....................................................62
Hình 4.22 Sao chép cho vỉ kiểm tra thứ 2 ở bên phải. .............................................63
Hình 4.23 Cấu hình ngõ ra cho CPU. .......................................................................63
Hình 4.24 Gán công cụ cho ngõ ra tương ứng. ........................................................64
Hình 4.25 Giám sát ngõ ra của từng I/O. .................................................................64
Hình 4.26 Đặt tên cho dự án. ....................................................................................65
Hình 4.27 Chọn loại màn hình cần thiết kế giao diện. .............................................65
Hình 4.28 Kết nối giữa PLC và HMI. ......................................................................66
Hình 4.29 Giao diện màn hình sau khi khởi động. ...................................................66
Hình 4.30 Giao diện màn hình chính giám sát hệ thống. .........................................67
Hình 4.31 Giao diện kiểm tra chọn vỉ gạt và chụp ảnh. ...........................................67
Hình 4.32 Giao diện kiểm tra chọn số nhịp. .............................................................68
Hình 4.33 Giao diện cài đặt chọn thời gian gạt vỉ thuốc. .........................................68
Hình 4.34 Đặt tên cho dự án. ....................................................................................69
Hình 4.35 Chọn loại bộ điều khiển để lập trình. ......................................................70
Hình 4.36 Giao diện viết chương trình PLC. ...........................................................70
Hình 4.37 Quy trình thao tác của hệ thống...............................................................71
Chương 5. KẾT QUẢ - ĐÁNH GIÁ – NHẬN XÉT

Trang

Hình 5.1 Mô hình cơ khí của toàn hệ thống. ............................................................73
x


Hình 5.2 Tủ điện của toàn hệ thống. ........................................................................74
Hình 5.3 Camera và ống kính để chụp vỉ thuốc. ......................................................75
Hình 5.4 Bộ điều khiển và nguồn của bộ camera. ....................................................75
Hình 5.5 Cơ cấu gạt vỉ thuốc. ...................................................................................76

xi


LIỆT KÊ BẢNG
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Trang
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của camera công nghiệp CV-X320A. .........................30
Bảng 3.2 Thiết bị đi kèm bộ camera. ........................................................................32
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của PLC S7-1200. .......................................................34
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của màn hình HMI KTP400. .......................................36
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của cảm biến E2A-M12KS08-WP-B1 2M. ................37
Bảng 3.6 Bảng thông số động cơ. .............................................................................38
Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật của xi-lanh. ..................................................................39
Bảng 3.8 Thông số kỹ thuật của van điện từ 5/2. .....................................................40
Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong. ........................................................41
Bảng 3.10 Một số thiết bị khác của hệ thống. ..........................................................41
Bảng 3.11 Ngõ vào ra của PLC. ...............................................................................45
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG

Trang
Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện. ............................................................................49
Bảng 4.2 Dữ liệu chọn chương trình xử lý ảnh ........................................................54

xii


TÓM TẮT
Đề tài cụ thể nhóm nghiên cứu và thực hiện là: “Thiết kế và thi công cơ cấu
nhận biết, phân loại vỉ thuốc lỗi”. Đề tài này được phát triển dựa trên một dây
chuyền sản xuất của nhà máy Dược Imexpharm chi nhánh KCN Vĩnh Lộc ở Bình
Tân.
Hướng đi chính của đề tài là thiết kế và thi công một bộ Reject (cơ cấu phát
hiện lỗi) sử dụng một PLC thực tế, cụ thể ở đây là PLC S7-1200 của hãng Siemens
để phân loại vỉ thuốc lỗi thì camera sẽ chụp vỉ thuốc chạy trên băng tải chính sau đó
xử lý ảnh gửi tín hiệu về PLC, sau đó sẽ điều khiển xi-lanh khí nén thực hiện phân
loại vỉ thuốc lỗi sẽ được cần gạt vỉ gạt xuống hộp đựng thuốc. Đồng thời sử dụng
màn hình giao diện HMI để điều khiển và giám sát hệ thống.

xiii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Công nghiệp ngày càng phát triển trong đó tự động hóa đóng vai trò không thể
thiếu. Nhờ có tự động hóa các nhà máy đã và đang trở nên hiệu quả hơn trong việc
sử dụng năng lượng, nguyên vật liệu và nguồn nhân lực. Tự động hóa trong công
nghiệp là việc sử dụng các hệ thống quản lý như máy tính, robot và công nghệ thông

tin để điều khiển các loại máy móc và quy trình sản xuất khác nhau trong công nghiệp.
Bên cạnh đó PLC (Programmable Logic Controller) là một phần không thể thiếu, đặc
biệt trong các hệ thống điều khiển với những tính năng thích ứng với môi trường công
nghiệp thì PLC là sự lựa chọn tối ưu nhất. Do đó, nhóm thực hiện đề tài tốt nghiệp
quyết định chọn hướng nghiên cứu, ứng dụng PLC vào các hệ thống và dây chuyền
sản xuất trong y tế.
Ứng dụng tự động hóa vào sản xuất Dược là một lĩnh vực còn khá mới mẻ,
một trong những yêu cầu nghiêm ngặt trong một mô hình sản xuất Dược là môi trường
vô trùng nên việc giảm sự có mặt của con người tham gia vào dây chuyền sản xuất là
một trong những bài toán đang được giải quyết. Nhận thấy điều đó một nhà máy sản
xuất Dược Imexpharm ở KCN Vĩnh Lộc - Bình Tân của Công ty cổ phần Dược phẩm
Imexpharm muốn dây chuyền sản xuất của nhà máy tự động loại bỏ những vỉ thuốc
lỗi sau khi ép vỉ để giảm bớt nhân công phải phân loại sau khi thành phẩm. Những vỉ
thuốc lỗi như thiếu viên trong vỉ, chồng viên, gãy viên, lẫn với loại thuốc khác,...Để
giải quyết vấn đề đó một trong những giải pháp tối ưu nhất là dùng công nghệ xử lý
ảnh, với công nghệ xử lý ảnh hiện nay và tốc độ xử lý của những bộ xử lý ảnh công
nghiệp có thể đáp ứng được.
Sử dụng bộ xử lý ảnh công nghiệp tốc độ cao tích hợp của là một phần đặc
biệt của đề tài, để đáp ứng nhanh và đầy đủ chức năng là thuận tiện dễ vận hành trong
công nghiệp thì sử dụng bộ camera công nghiệp ngày càng được ứng dụng rộng rãi.
Tuy nhiên bên cạnh đó cũng có một số ưu điểm và khuyết điểm, những ưu điểm so
với sử dụng những công nghệ nhận dạng khác đó là toàn bộ những phương pháp nhận
diện được tích hợp trên bộ điều khiển không cần phải xử lý qua máy tính những thuật
toán xử lý ảnh được trình bày một cách trực quan khi sử dụng dễ vận hành. Để thực
hiện tất cả các tác vụ tích hợp được như vậy thì giá thành là không thấp, nên chỉ có
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
những dây chuyền cần độ chính xác cao, chi phí đầu tư phải lớn mới có thể áp dụng
và đó là một khuyết điểm của chúng.
Để đáp ứng nhu cầu thực tế trên giúp cho hệ thống của nhà máy ngày càng
được tối ưu và muốn ứng dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn. Được sự giới
thiệu của bộ môn và cùng với sự hỗ trợ của Công ty TNHH Dịch vụ và Kỹ thuật Sáng
tạo. Nhận thấy sự mới mẻ và cần thiết của mô hình nên nhóm chúng tôi quyết định
chọn đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CƠ CẤU NHẬN BIẾT, PHÂN LOẠI
VỈ THUỐC LỖI” để nghiên cứu và thực hiện đề tài tốt nghiệp.

1.2 GIỚI HẠN
 Không đi xây dựng thuật toán xử lý ảnh mà ứng dụng bộ xử ảnh tích hợp.
 Chỉ đưa ra giải pháp thiết kế cơ khí và đặt gia công.
 Điều khiển và giám sát thông qua màn hình HMI, không có chế độ điều khiển
bằng tay.
 Hệ thống có thể nhận dạng được các lỗi của vỉ thuốc như: thiếu thuốc trong vỉ,
gãy viên, chồng viên.
 Số vỉ chạy 2 vỉ, 3 vỉ và 4 vỉ.
 Phân loại vỉ thuốc loại nhỏ: 1 vỉ có 7 viên.
 Tốc độ phân loại vỉ thuốc phụ thuộc vào tốc độ của dây chuyền ép vỉ phía
trước.

1.3 MỤC TIÊU
 Thiết kế và thi công một cơ cấu phân loại vỉ thuốc để phân loại vỉ thuốc lỗi
trên dây chuyền ép vỉ.
 Điều khiển cơ cấu phân loại bằng PLC kết hợp với bộ xử lý ảnh tích hợp.
 Thiết kế giải thuật lập trình điều khiển cho cơ cấu phân loại.

1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 Nội dung 1: Nghiên cứu phương pháp xử ảnh lý của bộ xử lý ảnh công nghiệp

Keyence và cách cấu hình trên phần mềm.
 Nội dung 2: Tìm hiểu về PLC S7-1200 và phần mềm lập trình.
 Nội dung 3: Thiết kế phần cứng của hệ thống.
 Nội dung 4: Thiết kế hệ thống điều khiển
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
 Nội dung 5: Thiết kế giải thuật điều khiển, lập trình PLC, thiết kế giao diện
HMI.
 Nội dung 6: Thử nghiệm, điều chỉnh phần mềm, phần cứng cho hệ thống tối
ưu, thực hiện thu thập kết quả qua những lần thử nghiệm để đánh giá tính ổn định của
hệ thống.
 Nội dung 7: Viết báo cáo thực hiện.

1.5 BỐ CỤC
Đề tài được trình bày trong 6 chương:
 Chương 1: Tổng quan.
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
 Chương 3: Tính toán và thiết kế.
 Chương 4: Thi công hệ thống.
 Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá.
 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.
Cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan.
Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung
nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

Giới thiệu tổng quan về hệ thống xử lý ảnh, các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết
kế hệ thống.
Chương 3: Tính toán và thiết kế.
Khảo sát dây chuyền máy ép vỉ, tính toán thiết kế từng khối, đưa ra sơ đồ
nguyên lí của hệ thống.
Chương 4: Thi công hệ thống.
Thi công hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật, thiết kế giao diện màn hình HMI
và viết chương trình PLC. Sau đó viết tài liệu hướng dẫn sử dụng và thao tác.
Chương 5: Kết quả - nhận xét - đánh giá.
Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ
thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.
Trình bày những kết luận về hệ thống những phần làm rồi và chưa làm, đồng
thời nếu ra hướng phát triển cho hệ thống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI DÙNG XỬ LÝ ẢNH
Hệ thống phân loại dùng xử lý ảnh hiện nay đang được dùng rất nhiều trong
công nghiệp với độ tin cậy cao. Các hệ thống phân loại trước kia như đọc mã vạch,
mã QR,…thay vì dùng một công cụ riêng biệt thì công nghệ phân loại dùng xử lý ảnh
đều đáp ứng hầu hết các yêu cầu về nhận dạng.
Dây chuyền ép vỉ thuốc là dây công đoạn cuối cùng của quá trình sản xuất
thuốc, thuốc sau khi được sản xuất thành dạng viên thì qua công đoạn ép vỉ thành
phẩm. Mặc dù độ chính xác rất cao khi thành phẩm, bên cạnh đó cũng có những lỗi
trên sản phẩm xảy ra vì công đoạn cho thuốc vào vỉ thuốc được con người thực hiện.
Hệ thống phân loại vỉ thuốc lỗi trên dây chuyền ép vỉ thuốc dùng công nghệ
xử lý hình ảnh trên dây chuyền, nhận dạng vỉ lỗi và thực thi loại bỏ vỉ lỗi ở cuối dây
chuyền. Hệ thống bao gồm một bộ camea công nghiệp có chức năng thu thập hình
ảnh và xử lý để phát hiện lỗi, ngõ ra của bộ xử lý ảnh trả về tín hiệu vị trí lỗi để PLC
xử lý.

2.2 LÝ THUYẾT VỀ XỬ LÝ ẢNH
2.2.1 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh công nghiệp
Xử lý ảnh mục đích là chuyển đổi mục tiêu được chụp bởi camera thành tín
hiệu số và sau đó thực hiện các phép toán số học khác nhau trên tín hiệu để rút ra đặc
tính của mục tiêu, chẳng hạn như vùng, chiều dài, số lượng và vị trí. Cuối cùng, xuất
kết quả phân biệt dựa trên giới hạn dung sai thiết lập trước.

Hình 2.1 Quy trình xử lý ảnh.
Quy trình xử lý ảnh trên được chia thành 4 bước:
 Chụp ảnh
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chụp ảnh là bước đầu tiên để xác định hình ảnh để xử lý và là bước quan trọng
nhất để xử lý ảnh chính xác và ổn định. Những yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng ảnh
như: Vị trí đặt camera hay vật thể mẫu cần chụp, ánh sáng môi trường xung quanh.
Hầu hết các bộ xử lý ảnh công nghiệp hiện nay đều có bộ chiếu sáng riêng biệt.
 Truyền dữ liệu ảnh
Truyền dữ liệu ảnh là bước sau khi ảnh được chụp từ camera được truyền trực
tiếp về bộ điều khiển hay máy tính.
 Xử lý dữ liệu ảnh
Bao gồm 3 bước:
Tiền xử lý: Ảnh sẽ được xử lý cơ bản như điều chỉnh độ sáng tối (độ tương
phản), chuyển đổi nhị phân, trích xuất màu,… trước khi áp dụng những thuật toán lọc
ảnh để truy xuất đầu ra.
Trích xuất đặc tính: Là quá trình trích xuất mẫu để xử lý chung cho cả quá
trình (lấy mẫu), tùy vào ứng dụng mà việc trích xuất mẫu được thực hiện khác nhau.
Trong phạm vi đề tài chỉ trích xuất đặc tính như kích thước viên thuốc, đếm số viên
thuốc trong vỉ.
Phân biệt: Đó là công nghệ mà mỗi nhà sản xuất muốn áp dụng để đưa sản
phẩm của mình có chất lượng tốt nhất, đối với mỗi ứng dụng cụ thể thì việc phân biệt
sẽ áp dụng những thuật toán số học để xử lý như áp dụng các bộ lọc đặc trưng trong
xử lý ảnh.
 Xuất kết quả
Sau khi đã phân biệt quá trình xuất kết quả là sẽ xuất ra các tín hiệu qua các
bộ đệm ngõ ra của bộ điều khiển, các tín hiệu sẽ được điều khiển tùy vào mục đích
muốn xử lý (thông qua các bộ vi điều khiển hay PLC,…).

2.2.2 Một số khái niệm về xử lý ảnh
a. Cảm biến hình ảnh CCD
Một camera kỹ thuật số hầu như có cùng cấu trúc với một camera thông thường
(Analog) nhưng điểm khác biệt là camera kỹ thuật số được trang bị một cảm biến

hình ảnh gọi là CCD. Cảm biến hình ảnh tương tự như tấm màng trong camera thông
thường và chụp ảnh dưới dạng thông tin kỹ thuật số.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CCD là từ viết tắt của Charge Coupled Device (Thiết bị tích điện kép). Đây là
bộ phận bán dẫn có chức năng chuyển đổi hình ảnh sang tín hiệu kỹ thuật số. Thiết
bị này có chiều cao và chiều rộng khoảng 1 cm và bao gồm các pixel nhỏ được sắp
xếp như một tấm lưới.
Khi chụp ảnh bằng camera, ánh sáng phản chiếu từ mục tiêu được truyền qua
ống kính, từ đó hình thành ảnh trên CCD. Khi một pixel trên CCD nhận ánh sáng,
một điện tích tùy vào cường độ ánh sáng được tạo ra. Điện tích được chuyển đổi
thành tín hiệu điện để nhận cường độ ánh sáng (giá trị tập trung) nhận được bởi mỗi
pixel.

b. Chuyển đổi nhị phân
Tín hiệu video được gửi từ camera là tín hiệu analog. Để sử dụng tín hiệu
video cho các phép phân biệt và các phép đo khác nhau, tín hiệu analog phải được
chuyển đổi thành tín hiệu số. Để chuyển từ tương tự sang số, mức ngưỡng cần được
cài đặt cho tín hiệu video. Các vùng sáng hơn mức ngưỡng là "màu trắng" và các
vùng tối hơn cấp nhị phân là "màu đen". Tín hiệu số tương ứng với một điểm ảnh
màu trắng là "1" (=HI), và tín hiệu số tương ứng với một điểm ảnh màu đen là "0"
(=LO).

Hình 2.2 Nguyên lý chuyển đổi nhị phân.

c. Chuyển đổi thang màu xám
Ngoài phương pháp chuyển đổi nhị phân, phương pháp xử lý thang màu xám
cũng được sử dụng trong các thiết bị xử lý ảnh. Phương pháp chuyển đổi nhị phân
chỉ nhận dạng dữ liệu màu trắng hoặc dữ liệu màu đen (1 hoặc 0). Phương pháp xử
lý thang màu xám chia thang độ sáng thành 8 bit (256 mức) và thu được kết quả phân
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
biệt dựa trên tất cả các dữ liệu. Do đó phương pháp này cung cấp phát hiện cải tiến
hơn và chính xác hơn.

Hình 2.3 Nguyên lý chuyển đổi thang màu xám.

d. Xử lý màu
Tín hiệu video màu từ camera được chuyển thành dữ liệu kỹ thuật số RGB
bằng chuyển đổi A/D của hình ảnh. Dữ liệu này được sử dụng cho thao tác so lệch để
có được dữ liệu R-(trừ) G, B-G và R-B từ dữ liệu RGB nhận được. Sử dụng sáu thông
số thông tin màu sắc để kiểm tra mức độ khớp với màu chỉ định. Thực hiện điều này
bằng cách cài đặt phạm vi trên màn hình và sau đó tách màu khớp với màu đã chỉ
định. Sau đó, mỗi điểm ảnh được chuyển đổi nhị phân thành điểm ảnh đã tách hoặc
điểm ảnh chưa tách. Quá trình thao tác so lệch này đảm bảo tách ổn định ngay cả đối
với xử lý màu tối với tốc độ cao.

Hình 2.4 Nguyên lý xử lý màu.

e. Khái niệm về xử lý lọc
Thuật ngữ "xử lý lọc" dùng để chỉ việc sửa đổi được áp dụng cho ảnh chụp thô

để nâng cao đặc tính cụ thể trên ảnh. Thông thường, bộ lọc sẽ thay đổi đặc tính của
một điểm ảnh đơn dựa trên thông tin thu thập được từ các điểm ảnh xung quanh (bằng
cách sử dụng khu vực 3x3 xung quanh điểm ảnh biến đổi). Xử lý lọc ba ảnh (0 đến
255 sắc độ), theo các hướng dọc và ngang.
Bộ lọc mở rộng
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Bộ lọc mở rộng sẽ thay thế điểm ảnh trung tâm bằng lưới điểm 3 x 3 xung
quanh sáng nhất. Quá trình xử lý này giúp loại bỏ các thành phần nhiễu màu tối.
Bộ lọc thu nhỏ
Ngược lại, bộ lọc thu nhỏ thay thế điểm ảnh trung tâm bằng chín điểm ảnh
xung quanh tối nhất. Quá trình xử lý này giúp loại bỏ các thành phần nhiễu màu nhạt.
Các lỗi nhỏ như bụi hoặc vết bẩn có thể được bỏ qua bằng cách sử dụng bộ
lọc mở rộng, hoặc làm tăng bằng cách sử dụng bộ lọc thu nhỏ.

Hình 2.5 Giản đồ của một bộ lọc điểm ảnh 3-3.
Ví dụ về sự khác biệt của hai bộ lọc:

Hình 2.6 So sánh hai bộ lọc mở rộng và thu nhỏ.
Các lỗi nhỏ như bụi hoặc vết bẩn có thể được bỏ qua bằng cách sử dụng bộ lọc
mở rộng hoặc làm tăng bằng cách sử dụng bộ lọc thu nhỏ.
Ngoài ra còn có các bộ lọc tiền xử lý khác như bộ lọc Expansion, bộ lọc Shrink,
bộ lọc Average, bộ lọc Median, bộ lọc Edge Extraction và Edge Enhancement,…Vì
lý do hạn chế của đề tài không đi sau vào xây dựng thuật toán xử lý ảnh chỉ ứng dụng
nhưng thuật toán đã được xây dựng sẵn nên không đi giải thích chi tiết về các bộ lọc
trên.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3 NGUYÊN TẮC PHÂN LOẠI VỈ THUỐC
Để phân loại sản phẩm lỗi trước hết phải xác định lỗi thường xảy ra trên sản
phẩm. Một số yêu cầu kiểm tra trong quá trình sản xuất:
 Kiểm tra thiếu viên.
 Kiểm tra chồng viên.
 Kiểm tra gãy viên.
 Kiểm tra viên thuốc con nhộng bị xì.
 Kiểm tra nắp viên con nhộng bị mất.
 Kiểm tra viên con nhộng bị chồng nắp.
 Kiểm tra lẫn viên thuốc khác loại.
 Kiểm tra màng nhôm lẫn vào trong lỗ vỉ thuốc.
 Kiểm tra lỗ thủng trên vỉ nhôm.
 Kiểm tra dị vật lẫn vào vỉ thuốc.
Trong phạm vi nghiên cứu và khảo sát thực tế dây chuyền ép vỉ, nhóm nhận
thấy có 3 lỗi sau đây là xảy ra phổ biến.

2.3.1 Phân loại theo vỉ thiếu viên
Thuốc được cho vào vỉ nhưng trong quá trình băng tải chạy thì không tránh
khỏi thuốc sẽ không kịp cho vào vỉ. Camera sẽ chụp lại vỉ thuốc và đếm số lượng
thuốc trong vỉ và so sánh với ảnh mẫu nếu vỉ nào không đủ thì vỉ đó lỗi.

2.3.2 Phân loại theo vỉ gãy viên
Camera sẽ chụp lại vỉ thuốc và so sánh với ảnh mẫu và trích xuất kích thước

của tất cả viên thuốc trong vỉ nếu một viên bất kì trong vỉ không đủ kích thước với
ảnh mẫu thì vỉ đó bị lỗi.

2.3.3 Phân loại theo vỉ chồng viên
Trong quá trình cho thuốc vào vỉ không tránh khỏi một ô trong vỉ có hai hay
nhiều viên chồng lên nhau. Tương tự như trường hợp gãy viên camera sẽ xử lý kích
thước của từng viên trong vỉ, vị trí nào trong vỉ có kích thước lớn hơn thì vỉ đó bị lỗi.

2.4 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
2.4.1 Giới thiệu camera công nghiệp
a. Tổng quan
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Công nghiệp phải ngày càng chính xác và nhanh chóng để đáp ứng được xu
thế hiện đại hóa. Các ngành công nghiệp đóng gói, dược phẩm cũng như trong lĩnh
vực điện, điện tử là những ngành đòi hỏi sự chính xác trong kiểm tra đầu ra, và để
thay thế con người trong việc kiểm tra thành phẩm với một tốc độ và sự chính xác
cao, công nghệ xử lý ảnh ra đời và không ngừng phát triển để ngày càng hoàn thiện
hơn.
Một hệ thống xử lý ảnh bao gồm các thành phần sau:
 Camera.
 Ống kính.
 Hệ thống chiếu sáng.
 Bộ xử lý.

Hình 2.7 Hệ thống xử lý ảnh công nghiệp.

Tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà chúng ta sẽ có những hệ thống xử lý ảnh
khác nhau. Một số ví dụ cho thấy xử lý ảnh được ứng dụng trong công nghiệp:
 Trong công nghiệp đóng gói, người ta sử dụng hệ thống xử lý ảnh để kiểm tra
xem các sản phẩm đã được dán nhãn chưa hoặc kiểm tra nhãn hiệu bao bì có
đúng với thành phần chuẩn bị được đóng gói không.
 Trong công nghiệp dược phẩm, áp dụng hệ thống xử lý ảnh để kiểm tra số
lượng viên thuốc có trong vỉ thuốc.
 Trong lĩnh vực điện, điện tử xử lý ảnh dùng để phát hiện sự thiếu sót các mối
hàn sau khi hàn các chân linh kiện vào board mạch.
Hiện nay, camera sử dụng trong công nghiệp có nhiều loại như: Area Scan
Camera, Line Scan Camera và Network Camera.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.8 Một số camera sử dụng trong công nghiệp.
 Area scan camera cung cấp chất lượng hình ảnh hàng đầu với tỷ lệ giá/hiệu
suất nổi bật. Được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ tự động hóa nhà máy và
giám sát giao thông (ITS) đến hệ thống bán lẻ, dược phẩm.
 Line scan camera thích hợp cho các ứng dụng cần cả tốc độ cao và chất lượng
hình ảnh cao. Loại camera này không theo dõi toàn bộ ảnh mà đánh giá ảnh
chính xác theo từng dòng. Thường được sử dụng trong quá trình kiểm tra chất
lượng hàng hóa và quy trình phân loại.
 Network camera thường được sử dụng để giám sát với chất lượng hình ảnh
vượt trội và hiệu suất mạnh mẽ trong môi trường ánh sáng thấp.
Một hệ thống xử lý ảnh tốt không chỉ cần camera tốt mà còn cần đến một ống

kính chính xác cho ứng dụng. Các tiêu chí căn cứ để lựa chọn được một ống kính
chính xác là:
 Kích thước cảm biến và vòng tròn ảnh.
 Độ phân giải và kích thước pixel.
 Tác động của tiêu cự và kích thước cảm biến.
 Khẩu độ và các điều kiện ánh sáng.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

12