mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo màu

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP...........................................................................1
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP................................................2
LỜI CAM ĐOAN.........................................................................................................3
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................4
MỤC LỤC.................................................................................................................... 5
LIỆT KÊ HÌNH VẼ.....................................................................................................8
LIỆT KÊ BẢNG.........................................................................................................11
TÓM TẮT..................................................................................................................12
Chương 1. TỔNG QUAN..........................................................................................13
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ...................................................................................................13

1.2

MỤC TIÊU.......................................................................................................14

1.3

NỘi DUNG NGHIÊN CỨU............................................................................14

1.4

GIỚI HẠN........................................................................................................14

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT..............................................................................15
2.1

TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU.........15

2.2

GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN....................................................15

2.2.1

Đinh nghĩa.................................................................................................15

2.2.2

Phân loại tính chất và phạm vi sử dụng của các loại cảm biến..............16

2.3 NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG NHẬN DẠNG VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
THEO MÀU...............................................................................................................18
2.3.1

Phương án 1...............................................................................................18

2.3.2

Phương án 2...............................................................................................19

2.4

LẬP TRÌNH PLC VÀ SCADA.......................................................................19

2.4.1

Lý thuyết PLC...........................................................................................19

2.4.2

Phương pháp lập trình điều khiển...........................................................21

2.4.3

TIA Portal – Phần mềm lập trình PLC...................................................22

2.4.4

WinCC - Phần mềm xây dựng giao diện điều khiển HMI.....................22

2.4.5

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)............................24

2.4.5.1

Giao thức truyền thông TCP/IP.....................................................24

2.4.5.2

Ethernet...........................................................................................25

Chương 3.

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

3.1

YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN................................................................................27


3.1.1 Sơ đồ khối của mô hình Scada cho hệ thống phân loại sản phẩm sử
dụng PLC S7-1200.................................................................................................27
3.1.2 Quy trình hoạt động của mô hình Scada cho hệ thống phân loại sản
phẩm sử dụng PLC S7-1200..................................................................................28
3.2

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG....................................................30

3.2.1

Lựa chọn thiết bị.......................................................................................30

3.2.1.1

Giới thiệu về PLC S7 1200 (Programmable Logic Control)........30

3.2.1.2

Phần mềm và ngôn ngữ lập trình PLC S7-1200...........................38

3.2.1.3

Cảm biến phân biệt màu.................................................................40

3.2.1.4

Cảm biến vật cản hồng ngoại NPN E3F- DS30C4......................46

3.2.1.5

Solenoid khí nén SY3120-5LZ-M5-F2...........................................47

3.2.1.6

Xy lanh khí nén SMC CJ2B16-100................................................49

3.2.1.7

Băng tải.......................................................................................50

3.2.1.8

Tủ điện.............................................................................................51

3.2.1.9

Cầu dao tự động C10-Chint 2 pha.................................................51

3.2.1.10

Rờ le trung gian...............................................................................52

3.2.1.11

Nút nhấn siêu khẩn.........................................................................53

3.2.1.12

Công tắc xoay..................................................................................54

3.2.1.13

Nút nhấn..........................................................................................55

3.2.1.14

Đèn báo............................................................................................56

3.2.1.15

Bộ nguồn 24VDC.............................................................................57

3.2.2

Phầm mềm sử dụng...................................................................................59

3.2.2.1

Tổng quan về SCADA.....................................................................59

3.2.2.2

Visual Studio và ngôn ngữ C#........................................................59

3.2.2.3

Microsoft SQL Server 2014............................................................60

Chương 4.

THI CÔNG HỆ THỐNG................................................................62

4.1

GIỚI THIỆU....................................................................................................62

4.2

THI CÔNG HỆ THỐNG.................................................................................62

4.2.1

Thi công băng tải.......................................................................................62

4.2.2

Thi công tủ điện.........................................................................................64

4.2.3

Lập trình PLC...........................................................................................65

4.2.4

Lập trình điều khiển và giám sát hệ thống SCADA...............................69

4.2.5

Thiết kế giao diện và quản lý Database...................................................70

Chương 5. KẾT QUẢ THỰC HIỆN.........................................................................72
5.1

MÔ HÌNH THỰC TẾ......................................................................................72
2


5.2

WEBSITE CẬP NHẬT DƯ LIỆU..................................................................72

5.3 GIAO DIỆN SCADA ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRÊN WINCC
RUNTIME.................................................................................................................. 76
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..............................................77
6.1

KẾT LUẬN......................................................................................................77

6.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN..................................................................................77

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................78
PHỤ LỤC................................................................................................................... 79
CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG......................................................83

3

LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình
Tra
Hình 2.1: Tác động ngõ vào ngõ ra của cảm biến.......................................................14
Hình 2.2: Hệ thống điều khiển tự động quá trình.........................................................14
Y
Hình 3.1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống.............................................................26
Hình 3.2: Lưu đồ hoạt động của hệ thống....................................................................27
Hình 3.3: Cấu tạo bên ngoài của PLC S7-1200...........................................................30
Hình 3.4: Giao diện Tia Portal V13(portal view)........................................................37
Hình 3.5: Giao diện Tia Portal V13(Project view).......................................................38
Hình 3.6: Các yếu tố sơ đồ mạch.................................................................................39
Hình 3.7: Thông tin của CZ-V21A...............................................................................41
Hình 3.8: Kết nối mạch điện ngõ ra cho CZ-V21A......................................................42
Hình 3.9: Kết nối mạch điện ngõ vào cho CZ-V21A....................................................42
Hình 3.10: Đầu cảm biến CZ-H32S.............................................................................43
Hình 3.11: Cấu tạo nội bộ của đầu cảm biến CZ-H32S...............................................43
Hình 3.12: Nhận biết chính xác mục tiêu nhờ nguồn sáng ba màu sắc........................44
Hình 3.13: : Nhận biết chính xác sự thay đổi ị trí nhờ nguồn sáng ba màu sắc...........44
Hình 3.14: Cảm biến phát hiện vật cản........................................................................45
Hình 3.15: Sơ đồ nối dây cho cảm biến phát hiện vật cản...........................................46
Hình 3.16: Solenoid khí nén SY3120-5LZ-M5-F2........................................................46
Hình 3.17: Kích thước của solenoid SY3120-5LZ-M5-F2............................................47
Hình 3.18: Xi lanh khí nén dòng SMC CJ2B16-100....................................................48
Hình 3.19: Băng tải của hệ thống................................................................................49
Hình 3.20: Gối đỡ vòng bi, dây đai băng tải và động cơ DC Geared TG-85E-CH......50
Hình 3.21: Tủ điện.......................................................................................................50
Hình 3.22: Cầu dao tự động C10-Chint.......................................................................50

Hình 3.23: Rờ le trung gian hãng Omron LY2N..........................................................51
Hình 3.24: Cấu tạo của rờ le trung gian LY2N............................................................52
Hình 3.25: Nút nhấn siêu khẩn....................................................................................52
Hình 3.26: Cấu tạo nút nhấn siêu khẩn........................................................................53
Hình 3.27: Công tắc xoay............................................................................................53
Hình 3.28: Kích thước công tắc xoay...........................................................................54
Hình 3.29: Nút nhấn Start và Stop...............................................................................54
Hình 3.30: Kích thước nút nhấn...................................................................................55
Hình 3.31: Đèn báo......................................................................................................55
Hình 3.32: Bộ nguồn 24VDC.......................................................................................56
Hình 3.33: Sơ đồ nối dây PLC và các thiết bị ngoại vi................................................57
Hình 4.1: Gia công Rulo..............................................................................................52
Hình 4.2: Khung băng tải............................................................................................53
Hình 4.3: Thiết kế gối đỡ vòng bi.................................................................................53
Hình 4.4: Bộ điều chỉnh độ co giãn của băng tải.........................................................53
Hình 4.5: Hoàn thiện băng tải.....................................................................................54
Hình 4.6: Thi công tủ điện và các thiết bị ngoại vi......................................................54
4


Hình 4.7: Hoàn thành tủ điện......................................................................................55
Hình 4.8: Khâu cấp phôi..............................................................................................55
Hình 4.9: Khâu xử lý và phân loại sản phẩm có màu 1...............................................56
Hình 4.10: Khâu xử lý và phân loại sản phẩm có màu 2.............................................57
Hình 4.11: Khâu xử lý và phân loại sản phẩm có màu 3..............................................58
Hình 4.12: Giao diện SCADA......................................................................................59
Hình 4.13: Thông tin về bảng các loại sản phẩm.........................................................60
Hình 4.14: Thông tin các sản phẩm được cập nhật tạm thời.......................................60
Hình 5.1: Hoàn thiện mô hình thực tế..........................................................................62
Hình 5.2: Giao diện Home trên website.......................................................................63

Hình 5.3: Giao diện Giới thiệu tổng thể.......................................................................65
Hình 5.4: Giao diện Cập nhật thông tin.......................................................................65
Hình 5.5: Giao diện Truy vấn thông tin.......................................................................66
Hình 5.6: Giao diện Scada trên Wincc Runtime...........................................................66

5


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng
Tra
Bảng 2.1: Nguyên lý chuyển đổi đáp ứng và kích thích...............................................14
Bảng 2.2: Phân loại bộ cảm biến theo dạng kích thích................................................15
Bảng 2.3: Phân loại các bộ cảm biến theo tính năng...................................................15
Bảng 2.4: Phạm vi sử dụng các bộ cảm biến...............................................................16
Y
Bảng 3.1: Thông tin về CPU 1214C............................................................................23
Bảng 3.2: Khối hàm bộ định thì, bộ đếm của PLC S7-1200.........................................24
Bảng 3.3: Kiểu dữ liệu của PC S7-1200......................................................................27
Bảng 3.4: Bảng phân loại vùng nhớ PLC S7-1200......................................................29
Bảng 3.5: Ba chế độ phát hiện của CZ-V21A..............................................................33
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật của đầu thu CZ-H32S.....................................................37
Bảng 4.1: Địa chỉ PLC của khâu cấp phôi...................................................................56
Bảng 4.2: Địa chỉ PLC của khâu phân loại sản phẩm có màu 1..................................57
Bảng 4.3: Địa chỉ PLC của khâu phân loại sản phẩm có màu 3..................................58
Bảng 4.4: Địa chỉ PLC của khâu phân loại sản phẩm có màu 3..................................59
Bảng 4.5: Bảng chú thích giao diện SCADA................................................................60
Bảng 4.6: Câu lệnh trong SQL và ý nghĩa....................................................................61

6

TÓM TẮT
Ngày nay trong quá trình công nghệp hóa hiện đại hóa, với sự xuất hiện của cuộc
cách mạng công nghiệp 4.0 kéo theo đó là sự phát triển và đa dạng các loại hàng hóa
vật phẩm. Chính vì thế phân loại sản phẩm là một công đoạn hết sức quan trọng và rất
phổ biến trọng các dây chuyền nhà máy. Đối tượng sản phẩm cũng như tiêu chí phân
loại rất đa dạng như phân loại theo khối lượng, kích thước, hình dáng, từ tính…. Cùng
với cơ cấu cung cấp sản phẩm, cơ cấu chấp hành khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu thực
tế.
Nghiên cứu, thiết kế mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc là nội dung chủ
chốt được trình bày xuyên suốt trong báo cáo này.
Bộ điều khiển trung tâm của mô hình này sử dụng trạm PLC S71200 CPU 1214
DC/DC/DC với giá thành hợp lý, tính năng ưu việt, nhỏ gọn tiện lời, hỗ trợ truyền
thông mạng profinet. Mô hình được thiết kế đơn giản, xử lý nhận dạng màu bằng cảm
biến tuy nhiên giải pháp của mô hình cũng đã giải quyết được một số yêu cầu điều
khiển và quản lý đặt ra. Tạo tiền đề để nghiên cứu sâu hơn, nâng cấp, chế tạo các hệ
thống phân loại phức tạp và hiện đại hơn

7


8


Chương 1. TỔNG QUAN
.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật cũng với đó là cuộc
cách mạng khoa học công nghệ 4.0, điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng
trong mọi lĩnh vực khoa học, quản lý, công nghiệp, tự động hóa, công nghệ thông

tin…. Do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó 1 cách hiệu quả nhằm góp phần
vào sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển
kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng. Với những kỹ thuật tiên tiến như vi điều khiển,
PLC, vi mạch số… được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều
khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ
thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước.
Trong quá trình hoạt động ở các nhà xưởng, xí nghiệp hiện nay, việc tiết kiệm
điện năng là nhu cầu rất thiết yếu, bên cạnh đó ngành công nghiệp ngày càng phát
triển các công ty xí nghiệp đã đưa tự động hóa vào sản xuất để tiện cho việc quản lý
dây chuyền và sản phẩm cho toàn bộ hệ thống một cách hợp lý là yêu cầu thiết yếu,
tiết kiệm được nhiều thời gian cũng như quản lý một cách dễ dàng. Để đáp ứng yêu
cầu đó, nhóm chúng em đã tiến hành nghiên cứu tài liệu, thiết kế và thi công mô hình
hệ thống phân loại sản phẩm theo màu.
Phân loại sản phẩm là một công đoạn quan trọng trong dây chuyền tự động của
các nhà máy sản xuất trong công nghiệp, giúp tăng độ hiệu suất làm việc, tăng độ
chính xác và tiết kiệm chi phí nhân công
Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc được ứng dụng rất nhiều trong thực tế
trong các dây chuyền sản xuất gạch, ngói, phân loại các sản phẩm nhựa, chế biến nông
sản (táo, cà chua, cà phê….), phát hiện sản phẩm lôi, sản phẩm thiếu các chi tiết….
Đề tài mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo màu đã được nghiên cứu và
phát triển từ rất lâu, rất nhiều hệ thống được nghiên cứu rất chất lượng và thẩm mỹ.
Tuy nhiên, nhóm quyết định làm lại đề tài với sự tối ưu thiết kế và nâng cao khả năng
điều khiển trên Scada, internet và quản lý dữ liệu database trên SQL.
9


.2 MỤC TIÊU
Mục tiêu thiết kế mô hình Scada cho hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc
với:
-

Phần cơ khí: Nhỏ gọn, thẩm mỹ, hoạt động ổn định, dễ thao tác sử dụng và

-

điều khiển, dễ dàng bảo trì và sữa chưa, an toàn cho người sử dụng.
Phần điều khiển lập trình: Lập trình hệ thống hoat động ổn định, chính xác,
điều khiển và quản lý hệ thống một cách hiệu quả trên scada và internet, cập
nhật dữ liệu trên web và database sql, xuất báo cáo qua excel để hỗ trợ quản
lý và bảo trì hệ thống theo định kỳ.

.3 NỘi DUNG NGHIÊN CỨU
Liệt kê các nội dung chính sẽ được thực hiện trong đề tài ví dụ:
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 thực hiện
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

.4 GIỚI HẠN
Với những giới hạn về thời gian, kiến thức và kinh phí đề tài sử dụng 4 cảm biến
hồng ngoại, 4 xi lanh và 1 cảm biến phân biệt màu Keyence CZ-V21A.
Kết quả và phần cứng của đề tài chỉ giới hạn với sản phẩm là phôi nhựa, chưa áp
dụng vào giải quyết một số sản phẩm cụ thể trong thực tế

10


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

.1
-

TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU
Hệ thống phân loại sản phẩm bao gồm 3 phần chính:
Phần thứ nhất: Khối xử lý nhận dạng và ra quyết định, gồm một hệ thống cảm biến
gắn trên băng chuyền. Khi sản phẩm đi qua cảm biến màu, cảm biến sẽ nhận biết màu
và chuyển cho phần mềm (code) để phân loại. Phần mềm này sẽ thực hiện nhận dạng

-

và ra quyết định sản phẩm thuộc loại màu nào.
Phần thứ hai: Khối xử lý tín hiệu hỏi đáp, điều khiển và giao tiếp giữa người với máy

-

gồm bàn phím, màn hình và các nút điều khiển.
Phần thứ ba: Khối cơ cấu cơ khí chấp hành đó là một băng chuyền có máng được đặt
nối tiếp băng chuyền. Trên băng chuyền có ba vị trí phân loại ứng với mỗi vật có màu
đó. Khi bộ xử lý nhận dạng và ra quyết định sản phẩm thuộc loại màu nào, sản phẩm
sẽ được hệ thống đưa đến thùng chứa được định trước về màu sắc, các sản phẩm lỗi sẽ
được đưa về thùng chứa nằm cuối băng chuyền.

.2

GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN
.2.1 Đinh nghĩa
Trong các hệ thống đo lường điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các
biến trạng thái như: nhiệt độ, áp suất, tốc độ, moment, …. Các biến trạng thái này
thường là các đại lượng không điện nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá

trình. Ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái
trong quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng
các tín hiệu sau đó đưa tín hiệu về bộ xử lý trung tâm để điều khiển hệ thống.
Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận, đáp
ứng các tín hiệu và kích thích.
Trong thế giới tự nhiên, các cơ thể sống thường đáp ứng các tín hiệu bên ngoài có
đặc tính điện hóa, dựa trên cơ sở trao đổi các ion, ví dụ như hoạt động của hệ thần
kinh. Trong các quá trình đo lường điều khiển, thông tin được truyền tải và xử lý dưới
dạng điện, nhờ truyền tải của các linh kiện điện tử liên kết với nhau.

11


Theo mô hình mạch, ta có thể coi cảm biến như một mạng hai cửa, trong đó ngõ
vào là biên trạng thái cần đo X và ngõ ra là đáp ứng Y của bộ cảm biến. Với ngõ vào
kích thích X.

Hình 2.1: Tác động ngõ vào ngõ ra của cảm biến

Hình 2.2: Hệ thống điều khiển tự động quá trình

.2.2

Phân loại tính chất và phạm vi sử dụng của các loại cảm biến

Hiện tượng
Vật lý

Hóa học
Sinh học

Chuyển đổi ngõ ra và ngõ vào
Điện từ
Quang điện
Quang từ
Quang đàn hồi
Nhiệt điện
Nhiệt từ
Từ điện
Biến đổi hóa học
Biến đổi điện hóa
Phân tích phổ
Biến đổi sinh học
Biến đổi vật lý
Hiệu ứng trên cơ thể sống
Phân tích phổ

Bảng 2.1: Nguyên lý chuyển đổi đáp ứng và kích thích

12


Kích thích
Điện

Các đặc tính của kích thích
Điện tích, dòng điện
Điện thế, điện áp
Điện trường, điện dẫn
Hằng số điện môi

Từ

Từ trường, từ thông
Cường độ từ trường
Độ từ thẩm
Biên pha, phân cực
Phổ
Tốc độ truyền sóng
Vị trí, lực
Áp suất
Gia tốc, vận tốc
Độ cứng, mô men
Khối lượng, tỉ trọng
Vận tốc lưu chất, độ nhớt
Nhiệt độ
Thông lượng
Nhiệt dung
Tỉ nhiệt
Biên pha, phân cực
Phổ
Tốc độ truyền sóng
Năng lượng
Kiểu

Quang
Cơ

Nhiệt

Âm thanh
Bức xạ

Bảng 2.2: Phân loại bộ cảm biến theo dạng kích thích

Độ nhạy
Độ chính xác
Độ phân giải
Độ chọn lọc
Độ tuyến tính
Công suất tiêu thụ
Dải tần
Độ trễ

Khả năng quá tải
Tốc độ đáp ứng
Độ ổn định
Tuổi thọ
Điều kiện môi trường
Kích thước, trọng lượng

Bảng 2.3: Phân loại các bộ cảm biến theo tính năng

13


Công nghiệp
Nghiên cứu khoa học
Môi trường, khí tượng
Thông tin viễn thông

Nông nghiệp
Dân dụng
Giao thông
Vũ trụ, quân sự
Bảng 2.4: Phạm vi sử dụng các bộ cảm biến

.3

NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG NHẬN DẠNG VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
THEO MÀU
Mô hình hệ thống nhận dạng và phân loại sản phẩm theo màu gồm hai phần chính:
Phần cảm biến màu và phần khối xử lý trung tâm
Hầu hết các hệ thống điều khiển tự động như: Bao bì, đóng gói, thực phẩm, hóa
chất, mỹ phẩm… Đều sử dụng hệ thống cảm biến phát hiện, kiểm tra, đo đếm và
truyền tín hiệu về cho hệ điều khiển. Trong các hãng cảm biến lớn hiện nay, hãng
Omron và hãng Keyence là hai hãng được cá nhân, doanh nghiệp, tổ chức trên thế giới
nói chung và Việt Nam nói riêng sử dụng khá nhiều. Khi nói về cảm biến màu thì
Keyence đã áp dụng nhiều công nghệ để có thể tiện lợi sử dụng trong điều kiện cần
thiết, tiêu biểu trong số đó là cảm biến màu CZ-V21A, đi kèm với cảm biến là đầu thu
CZ-H32S. Loại cảm biến này dùng để phát hiện những vạch màu trên sản phẩm, mà
loại cảm biến thông thường dùng nguồn sáng hồng ngoại không phát hiện được.

.3.1

Phương án 1

Sử dụng cảm biến màu (color sensor)
Tùy loại cảm biến màu sử dụng mà nhận dạng được một hay nhiều màu, ứng với
màu mà cảm biến đã được cài trước đó thì cảm biến sẽ phát ra tín hiệu.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến: trong ba màu đỏ/lục/lam mỗi màu tương ứng

có độ phản xạ lại cũng có độ phản xạ ánh sáng khác nhau, khi nguồn sang rọi vào ánh
sang phản xạ lại cũng có độ mạnh yếu khác nhau, từ sự chênh lệch đó quang trở sẽ
nhận được những giá trị khác nhau, qua bộ khuếch đại sẽ cho ra tín hiệu với mỗi màu
tương ứng.
14


.3.2

Phương án 2

Ngoài ra, trên thực tế hiện nay người ta còn sử dụng công nghệ hiện đại hơn như là
xử lý ảnh sử dụng camera để thu vào dữ liệu màu sau đó sử dụng bộ lọc của matlab và
các phần mềm liên quan đến xử lý ảnh để xử lý hình ảnh.

.4 LẬP TRÌNH PLC VÀ SCADA
.4.1 Lý thuyết PLC
Năm 1642, Pascal đã phát minh ra máy tính cơ khí dùng bánh răng. Đến năm
1834 Babbage đã hoàn thiện máy tính cơ khí "vi sai" có khả năng tính toán với độ
chính xác tới 6 con số thập phân.
Năm 1808, Joseph M. Jaquard đã dùng các lỗ trên tấm bìa thẻ kim loại mỏng,
sắp xếp chúng trên máy dệt theo nhiều chiều khác nhau để điều khiển máy dệt tự
động thực hiện các mẫu hàng phức tạp.
Trước năm 1904, Hoa Kỳ và Đức đã sử dụng mạch rơle để triển khai chiếc
máy tính điện tử đầu tiên trên thế giới.
Năm 1943, Mauhly và Ackert chế tạo "cái máy tính" đầu tiên gọi là "máy tính
và tích phân số điện tử" viết tắt là ENIAC. Máy có: 18.000 đèn điện tử chân
không, 50000 mối hàn thủ công, chiếm diện tích 1613 ft2, công suất tiêu thụ điện
174 kW, 6000 nút bấm, khoảng vài trăm phích cắm.
Chiếc máy tính này phức tạp đến nỗi chỉ mới thao tác được vài phút lỗi và hư

hỏng đã xuất hiện. Việc sữa chữa lắp đặt lại đèn điện tử để chạy lại phải mất đến
cả tuần. Chỉ tới khi áp dụng kỹ thuật bán dẫn vào năm 1948, đưa vào sản xuất
công nghiệp một thời gian sau thì những máy tính điện tử lập trình lại mới được
sản xuất và thương mại hoá. Sự phát triển của máy tính cũng kèm theo kỹ thuật
điều khiển tự động.
- Mạch tích hợp điện tử - IC - năm 1959.
- Mạch tích hợp gam rộng - LSI - năm 1965.
- Bộ vi xử lý - năm 1974.
- Dữ liệu chương trình - điều khiển.
- Kỹ thuật lưu giữ...
15


Những phát minh này đã đánh dấu một bước rất quan trọng và quyết định
trong việc phát triển ồ ạt kỹ thuật máy tính và các ứng dụng của nó như PLC,
CNC, ... lúc này khái niệm điều khiển bằng cơ khí và bằng điện tử mới được phân
biệt.
Đến cuối thế kỷ 20, người ta dùng nhiều chỉ tiêu để phân biệt các loại kỹ
thuật điều khiển, bởi vì trong thực tế sản xuất đòi hỏi điều khiển tổng thể
những hệ thống máy tính chứ không điều khiển đơn lẻ từng máy
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình
được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua
một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự
các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động
vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được
đếm. PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế. PLC hoạt động theo
phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào
thì đầu ra sẽ thay đổi theo. Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State
Logic.
Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng

như các quan niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có nhiều ưu điểm như
sau:
- Giảm 80% số lượng dây nối.
- Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp.
- Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác sửa chữa được nhanh
chóng và dễ dàng.
- Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, màn
hình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bị
vào, ra.
- Số lượng rơle và timer ít hơn nhiều so với hệ điều khiển cổ điển. Số lượng tiếp
điểm trong chương trình sử dụng không hạn chế.
- Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms) dẫn đến tăng
cao tốc độ sản xuất.
- Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vài phút giúp thuận tiện
16


cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống.
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học. Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa
chữa.
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.
- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các
Module mở rộng. Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ. Giá cả có thể cạnh tranh được.
Đặc trưng của PLC là khả năng có thể lập trình được, chỉ số IP ở dãy quy định cho
phép PLC hoạt động trong môi trường khắc nghiệt công nghiệp, yếu tố bền vững thích
nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thay thế và hiệu chỉnh chương trình dễ dàng,
khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mở rộng số lượng đầu vào nhập và đầu
ra xuất được đáp ứng tuỳ nghi trong khả năng trên có thể xem là các tiêu chí đầu tiên
cho chúng ta khi nghĩ đến thiết kế phần điều khiển trung tâm cho một hệ thống hoạt

động tự động.
Từ các ưu điểm nêu trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh
vực khác nhau trong công nghiệp như: Hệ thống nâng vận chuyển, dây chuyền đóng
gói, các robot lắp giáp sản phẩm, điều khiển bơm, chuyền xử lý hoá học, công nghệ
sản xuất giấy v.v.
Khi tính đến giá cả của PLC thì không thể không kể đến giá của các bộ phận phụ
không thể thiếu như thiết bị lập trình, máy in, băng ghi... cả việc đào tạo nhân viên kỹ
thuật. Nói chung những phần mềm để thiết kế lập trình cho các mục đích đặc biệt là
khá đắt.
Ngày nay nhiều hãng chế tạo PLC đã cung cấp trọn bộ đóng gói phần mềm đã
được thử nghiệm, nhưng việc thay thế, sửa đổi các phần mềm là nhu cầu không thể
tránh khỏi, do đó, vẫn cần thiết phải có kỹ năng phần mềm.
Phân bố giá cả cho việc lắp đặt một PLC thường như sau:
- 50% cho phần cứng của PLC.
- 10% cho thiết kế khuôn khổ chương trình.
- 20% cho soạn thảo và lập trình.
- 15% cho chạy thử nghiệm.
- 5% cho tài liệu.
17


Việc lắp đặt một PLC tiếp theo chỉ bằng khoảng 1/2 giá thành của bộ đầu tiên,
nghĩa là hầu như chỉ còn chi phí phần cứng.

.4.2

Phương pháp lập trình điều khiển
Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển có lập trình,

cấu trúc bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình.

Chương trình định nghĩa hoạt động điều khiển được viết nhờ sự giúp đỡ của một
máy vi tính.
Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần một thay đổi nội dung bộ nhớ điều khiển,
chứ không cần thay đổi cách nối dây bên ngoài. Qua đó, ta thấy được ưu điểm của
phương pháp điều khiển lập trình được so với phương pháp điều khiển cứng. Do đó,
phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển vì nó rất mềm
dẻo…

.4.3

TIA Portal – Phần mềm lập trình PLC
TIA Portal là một phần mềm tích hợp của hãng Siemens, cung cấp cho người

dùng quyền truy cập không giới hạn đến các dịch vụ tự động hóa của hãng, nó là sự
kết hợp của các phần mềm lập trình PLC, thiết kế HMI và xây dựng hệ thống giám sát
SCADA trên WinCC. TIA Portal còn giúp cho người sử dụng tiết kiệm được thời gian
và tránh việc sai sót biến khi lập trình, tạo nên một hệ thống tổng quan cho người lập
trình với sự tích hợp công cụ mô phỏng đi kèm.
TIA Portal được hãng đánh giá rất cao về sự hoàn hảo để tự động hóa cho doanh
nghiệp, bổ sung và hoàn thiện các dịch vụ cho các công ty trên con đường bước đến
nền công nghiệp 4.0.
TIA Portal tích hợp các phần mềm bao gồm: lập trình PLC Simatic Step-7, thiết
kế giao diện với Simatic WinCC, S7 PLC SIM giải pháp có khả năng mở rộng cao, độ
linh hoạt tốt và độ tin cậy cao. Nó phù hợp với các ứng dụng giám sát và điều khiển tự
động hoá trong công nghiệp. Bên cạnh đó, nó đáp ứng mọi yêu cầu của các trạm điều
khiển độc lập và các hệ thống giám sát dự phòng. Trong đề tài này TIA Portal là phần
mềm chính dùng để lập trình PLC, thiết kế giao diện HMI và thiết kế giao diện
WinCC.

.4.4

WinCC - Phần mềm xây dựng giao diện điều khiển HMI

18


WinCC Scada không còn là khái niệm mới mẽ nhưng việc vận dụng thành thạo các
công cụ của WinCC thì còn rất nhiều ứng dụng mà vẫn chưa sử dụng hết.
Phần mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao
diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và lưu
trữ dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition)
thuộc chuyên ngành tự động hóa
Phần mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng
giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và
lưu trữ dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition)
thuộc chuyên ngành tự động hóa.
WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center (Trung tâm điều khiển chạy
trên nền Windows), nói cách khác, nó cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một
giao

diện

điều

khiển

chạy

trên

các

hệ

điều

hành

của Microsoft như

Windows NT hay Windows 2000, XP, Vista 32bit (Not SP1). Trong dòng các sản
phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng
SCADA (SCADA class) với những chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển.
WinCC kết hợp các bí quyết của Siemens, công ty hàng đầu trong tự động hóa
quá trình, và năng lực của Microsoft, công ty hàng đầu trong việc phát trỉên phần mềm
cho PC. Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ
khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô toàn
công ty như việc tích hợp với những hệ thống cấp cao như MES (Manufacturing
Excution System - Hệ thống quản lý việc thực hiện sản suất) và ERP (Enterprise
Resource Planning). WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ
thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới. Ở Việt Nam hệ thống của
Siemens được tài trợ đưa vào hệ đào tạo chính thức.
WinCC hỗ trợ tối đa về các hệ thống giám sát cho dòng sản phẩm của Simens:
+ Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm
(Central host computer server).
+ Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa
RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC

19

(Programmale Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành
(cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành…
+ Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các
thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp
trường đến các khối điều khiển và máy chủ.
+ Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là màn hình giao
diện giữa người và máy, một hệ thống dùng để giao tiếp trao đổi thông tin qua lại giữa
người và hệ thống dưới nhiều hình thức. HMI cho phép người dùng theo dõi và ra lệnh
điều khiển toàn bộ hệ thống. Ngoài ra, HMI còn được hổ trợ giao diện đồ họa giúp cho
người dung có cách nhìn trực quan linh động về hệ thống.

.4.5

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)
SCADA được hiểu theo nghĩa truyền thống là một hệ thống điều khiển giám sát

và thu thập dữ liệu. Khi nói về SCADA ta sẽ nói đến các thiết bị thu thập dữ liệu từ
môi trường xung quanh (Sensor), những dữ liệu thu thập được sẽ chuyển đến các PLC
(bộ điều khiển) đến đây dữ liệu được xử lý thông qua các phương thức truyền thông
đến PC (Computer) xem và điều khiển, giám sát thông qua máy tính, giao diện người
máy HMI….
Một số chức năng cơ bản của hệ thống SCADA: Điều khiển, hiển thị, cảnh báo,
lưu trữ, in ấn, ...
Cấu trúc một hệ SCADA có các thành phần cơ bản bao gồm:
.4.5.1

Giao thức truyền thông TCP/IP
TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) là kết quả nghiên cứu

và phát triển giao thức trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tên Arpanet do
ARPA thuộc bộ quốc phòng Mỹ tài trợ. TCP/IP dùng để chỉ một tập giao thức và
truyền thông được công nhận thành chuẩn Internet. TCP/IP đã được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực, trong đó có cả mạng truyền thông công nghiệp.
Kiến trúc của giao thức truyền thông TCP/IP gồm nhiều lớp, mỗi lớp lại có
những nhiệm vụ phục vụ cho riêng mục đích trao đổi dữ liệu.
Nếu tách riêng TCP và IP thì đó là những chuẩn giao thức riêng về truyền thông
tương đương với lớp vận chuyển và lớp mạng trong mô hình OSI. Nhưng người ta
dùng TCP/IP như một mô hình truyền thông ra đời trước khi có chuẩn OSI:
20


 Lớp ứng dụng: Lớp ứng dụng h trợ các chức năng cần thiết cho các ứng dụng
khác nhau, m i ứng dụng sẽ cần một modul riêng biệt, cụ thể như: FTP (File Transfer
Protocol) chuyển giao dữ liệu, TELNET làm việc với trạm chủ từ xa, SMTP (Simple
Mail Transfer Protocol) chuyển thư điện tử, SNMP (Simple Network Management
Protocol) cho quản trị mạng và DNS (Domain Names Service) phục vụ quản lý và tra
cứu địa chỉ Internet.
 Lớp vận chuyển: Cơ chế đảm bảo dữ liệu được vận chuyển một cách đáng tin
cậy hoàn toàn không phụ thuộc vào đặc tính của ứng dụng sử dụng dữ liệu. Vì vậy cơ
chế này được xếp vào một lớp độc lập để tất cả các ứng dụng có thể sử dụng chung.
Có thể

nói, TCP là giao thức tiêu biểu và sử dụng nhiều nhất cho chức năng trên, h

trợ trao

đồi dữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối. Bên cạnh đó, giao thức UDP (User

data protocol) cũng được sử dụng cho lớp vận chuyển. UDP cung cấp dịch vụ không

nối cho việc vận chuyển dữ liệu mà không đảm bảo tuyệt đối dữ liệu đến đích và trình
tự đến đích của các gói dữ liệu.
 Lớp Internet: Lớp internet có nhiệm vụ chuyển giao dữ liệu giữa nhiều mạng
được liên kết với nhau. Giao thức IP được sử dụng ở lớp này. Giao thức IP không
những thực hiện ở các thiết bị đầu cuối mà còn ở các router. Một router chính là một
thiết bị xử lý giao thức dùng để liên kết hai mạng, có chức năng chuyển dữ liệu từ
mạng này sang mạng khác.
 Lớp truy nhập mạnh: Lớp truy nhập mạng liên quan đến việc trao đổi dữ liệu
giữa hai trạm thiết bị trong một mạng dữ liệu. Các chức năng của lớp này bao gồm:
Kiểm soát truy nhập môi trường truyền dẫn, kiểm l i và lưu thông dữ liệu.
Lớp vật lý: Lớp vật lý đề cập tới giao tiếp vật lý giữa một thiết bị truyền dữ liệu
với môi trường truyền dữ liệu hay mạng trong đó có các đặc tính: tín hiệu, chế độ
truyền, tốc độ truyền và cơ cấu cơ học các phích cắm, giắc cắm.
.4.5.2

Ethernet
 Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.

Thực chất, Ethernet chỉ là mạng cấp dưới (Lớp vật lý và một phần lớp liên kết dữ liệu)
vì vậy có thể sử dụng các giao thức khác nhau ở phía trên, trong đó TCP/IP là tập giao
thức được sử dụng phổ biến nhất. Ethernet có xuất xứ từ một sản phẩm của công ty
Xerox, được sử dụng lần đầu vào 1975 để kế nối 100 máy trạm với nhau. Lớp liên kết
21


dữ liệu của giao thức này được chia làm hai lớp con là: LLC (Logical Link Control)
và MAC (Medium Access Control), trong đó LLC là lớp vật lý. Hiện nay chuẩn
Ethernet đang dùng là IEEE 802.3.
 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn: Cấu trúc mạng vật lý có thể là đường
thẳng và hình sao tùy theo phương tiện truyền dẫn. Trong truyền dẫn Ethernet thường

sẽ dụng các loại cáp như sau: 10BASE5 (Cáp đồng trục dày, dài tối đa 500m, số trạm
tối đa là 10), 10BASE2 (Cáp đông trục mỏng, độ dài tối đa là 200m, số trạm tối đa là
20 trạm), 10BASET (đôi dấy xoắn, độ dài tối đa là 100m, số trạm tối đa 1024 mạng),
10BASEF (Cáp quang, độ dài tối đá 2000m, số trạm tối đa: 1024).


Cơ chế giao tiếp: Sự phổ biến của Ethernet là nhờ tính năng mở của nó.

Thứ nhất, Ethernet chỉ quy định lớp vật lý và lớp MAC nên cho phép các hệ thống
khác nhau tùy ý thực hiện các giao thức và dịch vụ phía trên. Thứ hai, phương pháp
truy nhập ngẫu nhiên không yêu cầu các trạm phải biết cấu hình mạng nên có thể bổ
sung hoặc tách một trạm ra khỏi mạng mà không làm ảnh hưởng tới phần còn lại. Thứ
ba, việc chuẩn hóa sớm giúp cho các nhà cung cấp sản phẩm thực hiện dễ dàng hơn.
Trong Ethernet, không kể đến các bộ chia và bộ chuyển mạch thì tất cả các trạm đều
có vai trò bình đẳng như nhau. Mỗi trạm có địa chỉ Ethernet riêng biệt, việc thực hiện
giao tiếp giữa các mạng sử dụng các giao thức như: NetBUI, IPX/SPX hoặc TCP/IP.
Tùy theo giao thức cụ thể, căn cước (tên, địa chỉ) của bên gửi và bên nhận sẽ được
dịch sang địa chi Ethernet trước khi đến lớp MAC. Bên cạnh giao tiếp tay đôi, Ethernet
còn h trợ phương thức giao tiếp đồng loạt (multicast và broadcast). Multicast gửi thông
báo đến một số các mạng, trong khi đó Broadcast gửi thông báo đến tất cả các trạm.

22


23


Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
.1 YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN
.1.1Sơ đồ khối của mô hình Scada cho hệ thống phân loại sản phẩm sử

dụng PLC S7-1200

Hình 3.1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống

.1.2 Quy trình hoạt động của mô hình Scada cho hệ thống phân loại sản
phẩm sử dụng PLC S7-1200
24


Hình 3.2: Lưu đồ hoạt động của hệ thống

Những tính toán ban đầu:
25