Nghiên cứu thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
-------------------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
THEO MÀU SẮC

Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Thuận
Nhóm sinh viên thực hiện:
Phạm Văn Tùng

1141020173

Ngô Thế Tùng

1141020145

Nguyễn Lộc Tưởng

1141020209

Hà nội - Năm 2020


MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN .................................................................... 8
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................... 11

1.1

Lý do chọn đề tài ................................................................................ 11

1.2

Các vấn đề đặt ra ................................................................................ 11

1.3

Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 12

1.4

Phạm vi giới hạn ................................................................................. 13

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 14

2.1

Nguyên lý làm việc và quy trình công nghệ của hệ thống ................. 14

2.2

Hệ thống xử lý ảnh ............................................................................. 15

2.2.1

Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh .......................................... 15

2.2.2

Hệ tọa độ màu. ............................................................................. 16

2.2.3

Các bước xử lý ảnh....................................................................... 18

2.3

Hệ thống điện và điều khiển ............................................................... 19

2.3.1

Bộ điều khiển PLC ....................................................................... 19

2.3.2

Rơ le trung gian ............................................................................ 25

2.3.3

Van điện từ khí nén ...................................................................... 27

2.3.4

Van điện từ SMC.......................................................................... 27

2.3.5

Cảm biến từ xy lanh ..................................................................... 28

2.3.6

Cảm biến quang ............................................................................ 29

2.3.7

Nút nhấn ....................................................................................... 29

2.3.8

Aptomat ........................................................................................ 30

2.3.9

Tủ điện.......................................................................................... 30
1


2.3.10 Thiết bị thu nhận ảnh.................................................................... 31
2.4

Cơ cấu chấp hành................................................................................ 31

2.4.1

Băng tải......................................................................................... 32

2.4.2

Động cơ DC.................................................................................. 32

2.4.3

Van hút chân không...................................................................... 34

2.4.4

Xy lanh khí nén ............................................................................ 34

2.4.5

Xy lanh xoay khí nén ................................................................... 35

2.4.6

Van tiết lưu ................................................................................... 36

2.4.7

Giác hút chân không..................................................................... 37

2.5

Các khối nguồn ................................................................................... 37

2.5.1

Bộ nguồn ...................................................................................... 37

2.5.2

Máy bơm khí nén ......................................................................... 38

CHƯƠNG 3
3.1

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................... 39

Thiết kế hệ thống xử lý ảnh ................................................................ 39

3.1.1

Xử lý ảnh trong Matlab ................................................................ 39

3.1.2

Lập trình giao diện guide ............................................................. 43

3.1.3

Lập trình kết nối OPC giữa Matlab và PLC................................. 47

3.2

Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí ...................................................... 52

3.2.1

Băng tải......................................................................................... 52

3.2.2

Tính toán và lựa chọn xy lanh ...................................................... 56

3.2.3

Một số chi tiết và module khác .................................................... 58

3.3

Tính toán và lựa chọn nguồn .............................................................. 60

3.4

Các bản vẽ thiết kế hệ thống............................................................... 61

3.4.1

Sơ đồ hệ thống khí nén ................................................................. 61
2


3.4.2
3.5

Sơ đồ đấu nối điện ........................................................................ 62

Thiết kế cơ khí bằng Solidworks ........................................................ 63

CHƯƠNG 4
4.1

CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM ............. 66

Chế tạo hệ thống cơ khí ...................................................................... 66

4.1.1

Chế tạo hệ thống băng tải ............................................................. 66

4.1.2

Chế tạo hệ thống cấp phôi ............................................................ 67

4.1.3

Lắp đặt camera ............................................................................. 67

4.1.4

Chế tạo hệ thống tay hút phân loại ............................................... 68

4.2

Hình ảnh hệ thống phân loại sản phẩm .............................................. 69

4.3

Chế tạo hệ thống điện và điều khiển .................................................. 70

4.3.1

Chế tạo hệ thống khí nén .............................................................. 70

4.3.2

Chế tạo hệ thống điện ................................................................... 70

CHƯƠNG 5

ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT ................................................ 71

5.1

Kết quả đạt được ................................................................................. 71

5.2

Hạn chế ............................................................................................... 71

5.3

Hướng phát triển đề tài ....................................................................... 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 72

PHỤ LỤC ........................................................................................................ 73

3


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
PLC

Programmable Logic Controller

CPU

Central Processing Unit

RGB

Red Green Blue

HSV

Hue Saturation Value

CMYK

Cyan Magenta Yellow Black

DC

Direct Current

OPC

OLE for Process Control (OLE: Object Linking and Embedding)

GUI

Graphical User Interface

4


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hệ thống phân loại hàng tự động ..................................................... 11
Hình 1.2 Hệ thống phân loại ........................................................................... 14
Hình 2.1 Mô hình màu RGB ........................................................................... 17
Hình 2.2 Mô hình màu HSV ........................................................................... 18
Hình 2.3 Không gian màu CMYK .................................................................. 18
Hình 2.4 Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ PLC........................................ 21
Hình 2.5 Bộ điều khiển lập trình S7-200 CPU 224 ........................................ 23
Hình 2.6 Bộ điều khiển lập trình CPU 224 ..................................................... 25
Hình 2.7 Rơ le trung gian ................................................................................ 26
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý................................................................................ 26
Hình 2.9 Van khí nén 3/2 ................................................................................ 27
Hình 2.10 Van điện từ SMC 5/2 ..................................................................... 27
Hình 2.11 Cảm biến từ xy lanh Sensor SMC .................................................. 28
Hình 2.12 Cảm biến quang E3F-DS30C4....................................................... 29
Hình 2.13 Nút nhấn nhả LA38-203 ................................................................ 30
Hình 2.14 Aptomat 230/400V ......................................................................... 30
Hình 2.15 Tủ điện sơn tĩnh điện...................................................................... 31
Hình 2.16 Webcam Dahua Z2+ ...................................................................... 31

Hình 2.17 Băng tải PVC mini ......................................................................... 32
Hình 2.18 Động cơ DC ................................................................................... 33
Hình 2.19 Cấu tạo của động cơ DC ................................................................ 33
Hình 2.20 Nguyên lý hoạt động động cơ điện 1 chiều ................................... 33
Hình 2.21 Van hút chân không ....................................................................... 34
5


Hình 2.22 Xy lanh khí nén .............................................................................. 34
Hình 2.23 Mặt cắt toàn phần của một xy lanh khí nén ................................... 35
Hình 2.24 Xy lanh xoay khí nén MSQB - 20A............................................... 35
Hình 2.25 Van tiết lưu ..................................................................................... 36
Hình 2.26 Giác hút chân không....................................................................... 37
Hình 2.27 Bộ nguồn 24 VDC - 15A ............................................................... 37
Hình 2.28 Máy nén khí nén ............................................................................. 38
Hình 3.1 Ảnh được chụp từ camera ................................................................ 41
Hình 3.2 Ảnh vật trên không gian màu HSV .................................................. 41
Hình 3.3 Ảnh nhị phân .................................................................................... 42
Hình 3.4 Ảnh đối tượng sau khi phân loại ...................................................... 42
Hình 3.5 Cửa sổ GUIDE Quick Start khi mở GUI ......................................... 44
Hình 3.6 Cửa sổ giao diện lập trình GUIDE ................................................... 44
Hình 3.7 Hộp thoại Inspector .......................................................................... 45
Hình 3.8 Giao diện đăng nhập vào chương trình xử lý ảnh ............................ 46
Hình 3.9 Giao diện điều khiển ........................................................................ 47
Hình 3.10 Quan hệ giữa OPC Toolbox Object với OPC Server .................... 48
Hình 3.11 Cửa sổ của OPC Data Access Explorer ......................................... 49
Hình 3.12 Tao Host liên kết với OPC Server ................................................ 49
Hình 3.13 Tạo trong PC Access các biến sẽ sử dụng ..................................... 50
Hình 3.14 Add Items địa chỉ ........................................................................... 50
Hình 3.15 Cửa sổ PC Access .......................................................................... 51

Hình 3.16 Thêm các item đến file lập trình PLC ............................................ 51
Hình 3.17 Thực hiện Test Client ..................................................................... 52
6


Hình 3.18 Động cơ mã JM37-550 Handson Technology ............................... 55
Hình 3.19 Sơ đồ tác động lực của xy lanh khí nén tác động kép.................... 56
Hình 3.20 Xy lanh khí nén SMC CDQSB16 - 125DCM................................ 57
Hình 3.21 Sơ đồ hệ thống khí nén................................................................... 61
Hình 3.22 Sơ đồ đấu nối điện.......................................................................... 62
Hình 4.1 Mô hình thiết kế băng tải ................................................................. 64
Hình 4.2 Mô hình thiết kế cấp phôi băng tải................................................... 64
Hình 4.3 Mô hình tay hút phân loại sản phẩm ................................................ 65
Hình 4.4 Mô hình thiết kế phân loại sản phẩm theo màu sắc ......................... 65
Hình 4.5 Hình ảnh hệ thống băng tải thực tế .................................................. 66
Hình 4.6 Hình ảnh hệ thống cấp phôi thực tế ................................................. 67
Hình 4.7 Lắp đặt camera trong thực tế............................................................ 67
Hình 4.8 Hình ảnh hệ thống tay hút phân loại thực tế .................................... 68
Hình 4.9 Hình ảnh hệ thống phân loại sản phẩm thực tế ................................ 69
Hình 4.10 Hệ thống khí nén thực tế ............................................................... 70
Hình 4.11 Hệ thống điện thực tế ..................................................................... 70

7


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Bảng dữ liệu về CPU họ 224 và 224XP .......................................... 24
Bảng 2.2 Thông số của cảm biến tiệm cận kiểu quang .................................. 29
Bảng 3.1 Bảng thông số động cơ .................................................................... 55
Bảng 3.2 Thông số chi tiết của Ru lô băng tải ................................................ 59

8


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................

Hà Nội, ngày…tháng…năm 2020

9


MỞ ĐẦU
Nhóm em xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn Cơ
Điện Tử của Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ tạo điều kiện
thuận lợi và cung cấp tài liệu để hoàn thành đề tài tốt nghiệp này.
Đồng thời, nhóm em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên
hướng dẫn là thầy Nguyễn Xuân Thuận, thầy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều
kiện thuận lợi nhất và giúp đỡ nhóm trong suốt quá trình thực hiện luận văn
tốt nghiệp.
Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè đã hỗ trợ và chia sẽ kinh nghiệm
cho nhóm trong thời gian qua.
Mặc dù rất cố gắng nhưng với khả năng, thời gian có hạn và kinh
nghiệm thực tiễn chưa nhiều nên nhóm không thể tránh khỏi những thiếu sót
nhất định. Nhóm em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến bổ sung của các
thầy, cô để luận văn được hoàn thiện hơn. Vậy nên, nhóm em mong được sự
góp ý và chỉ dẫn nhiều hơn của thầy cô.
Cuối cùng nhóm em xin chúc thầy cô và cùng toàn thể các bạn trong
lớp nhiều sức khỏe và thành công trong mọi công việc.
Xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện :
Phạm Văn Tùng
Ngô Thế Tùng
Nguyễn Lộc Tưởng

10


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Lý do chọn đề tài
Với điều kiện cụ thể ở nước ta công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa
thì cần sử dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các
quá trình sản xuất, gia công, chế biến sản phẩm. Điều này hình thành các hệ
thống sản xuất linh hoạt.
Xuất phát từ những đợt đi thực tế tại các nhà máy, các khu công nghiệp
và tham quan các doanh nghiệp sản xuất đã thấy rất nhiều khâu tự động hóa
trong quá trình sản xuất . Một trong những khâu tự động trong dây chuyền sản
xuất tự động hóa là hệ thống phân loại sản phẩm.

Hình 1.1 Hệ thống phân loại hàng tự động
Đặc biệt là hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc. Tuy nhiên đối
với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa chưa được áp hoàn
toàn trong khâu phân loại mà còn sử dụng nhân công, chính vì lý do đó nhiều
khi cho năng suất thấp chưa đạt hiệu quả cao. Từ những nhu cầu sản xuất thực
tế và quá trình học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội
và sự góp ý và hướng dẫn của thầy Nguyễn Xuân Thuận, nhóm đã tiến hành
“Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc”.
1.2 Các vấn đề đặt ra
Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu chế tạo: Hệ thống phân loại sản phẩm
theo màu sắc có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ bảo trì, sửa chữa, lắp đặt.
Để thiết kế được chúng ta cần thiết kế cơ khí và điều khiển được động
11


cơ và hệ thống hoạt động tự hác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp,
tính toán thông số chi tiếtđộng dựa trên lập trình và điều khiển của PLC.
Ngoài ra còn có các vấn đề k...
Các vấn đề cần được giải quyết đó là:
- Vấn đề cơ khí: phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số

kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ,
gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa.
- Vấn đề điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động.
- Vấn đề an toàn: đảm bảo an toàn cho người sử dụng và sản phẩm
không bị lỗi, hỏng.
1.3 Phương pháp nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo màu
sắc” , đã được nhiều sinh viên của các trường nghiên cứu và thực hiện. Đồng
thời cũng đã có nhiều sinh viên thiết kế những mô hình đơn giản. Mô hình
này cũng đã được thiết kế và đưa vào sử dụng trong một số nhà máy và là một
sản phẩm cơ điện tử điển hình, nên trong quá trình làm đồ án, nhóm đã áp
dụng phương pháp nghiên cứu sau:
 Phương pháp tuần tự và đồng thời
Kết hợp giữa việc thiết kế tuần tự và đồng thời: việc đầu tiên là nghiên
cứu mô hình cụ thể sau đó xây dựng mô hình chứa đầy đủ những dự định sẽ
có trong thiết kế qua đó có cái nhìn tổng quan về hệ thống chung và xác định
thông số cơ bản. Từ đó, áp dụng để thiết kế trong giới hạn của đề tài.
 Phương pháp thực nghiệm
Mô hình hóa phần cơ, mô phỏng hóa phần điện, tối ưu hóa thiết kế
trước khi chế tạo hoàn thiện.
Chế tạo mẫu các chi tiết chưa đảm bảo hoạt động như yêu cầu, hoặc
chưa có trên thị trường. Sau đó chế tạo thật mô hình. Cho chạy thử hết công
suất, sau khi đã chạy hết các chức năng cũng như công suất của hệ thống để
12


rút ra giới hạn của hệ thống từ đó cho ra phương án cải tiến hay để thay thế.
Từ đó rút ra các đánh giá về hệ thống (công suất làm việc của hệ thống, vận
tốc của băng tải, mức độ chịu lực, giới hạn các chỉ số cơ khí và điện năng,
năng suất của hệ thống...).

1.4 Phạm vi giới hạn
Hệ thống phân loại sản phẩm là một đề tài đã được nghiên cứu và được
phát triển từ lâu. Hiện nay trong các nhà máy xí nghiệp có rất nhiều hệ thống
phân loại hoàn thiện cả về chất lượng và thẩm mỹ. Tuy nhiên, trong phạm vi
một đề tài nghiên cứu, với những giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí
đề tài giới hạn bởi những tính năng sau:
- Hệ thống nhận dạng và phân loại theo màu sắc.
- Kích thước dài x rộng x cao = 1500 x 700 x 400 (mm).
- Khối lượng: (20) Kg.
- Hệ thống điều khiển: PLC và hệ thống khí nén.
- Cơ cấu phân loại sản phẩm: Tay khí hút phân loại sản phẩm.
- Động cơ truyền chuyển động: Động cơ điện một chiều.
- Hệ thống dẫn động: Băng chuyền.
- Điện áp cung cấp: Điện áp xoay chiều 220 VAC và điện áp một
chiều 24 VDC.

13


CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
2.1 Tổng quan về mô hình phân loại
Dưới đây là tổng quan về hệ thống mà nhóm đã thiết kế. Hệ thống bao
gồm sáu bộ phận chính :
- Hệ cấp phôi tự động.
- Hệ băng tải.
- Hệ nhận diện ảnh.
- Hệ tay gắp phôi.
- Bộ nguồn khí nén.
- Các máng chứa phôi.

Hình 1.2 Hệ thống phân loại
2.2 Nguyên lý làm việc và quy trình công nghệ của hệ thống
Khi nhấn nút start, xy lanh cấp phôi đẩy phôi vào băng tải đồng thời
băng tải chạy. Khi phôi chạy qua camera, camera có nhiệm vụ thu nhận hình
ảnh và đưa về hệ thống xử lý ảnh để xử lý. Sau khi nhận biết vật xong nếu:
1. Phôi màu vàng , tím và xanh lá: Sau khi nhận biết xong ,băng tải
tiếp tục chạy đến khi phôi tới vị trí tay gắp (nhận biết bằng cảm
14


biến). Tay gắp sẽ gắp các phôi vào trong khay phân loại tương
ứng 1, 2, 3.
2. Phôi màu đỏ: Sau khi nhận biết xong, băng tải tiếp tục chạy đến
khi phôi rơi vào khay phân loại phía cuối băng tải. Việc xác nhận
phôi đã vào khay được nhận biết bởi cảm biến.
3. Sau khi phôi đã vào khay, xy lanh cấp phôi tiếp tục đẩy phôi mới
vào băng tải. Chu trình mới được thực hiện.
Hệ thống phân loại sản phẩm gồm có:
- Hệ thống xử lý ảnh.
- Hệ thống điện và điều khiển.
- Cơ cấu chấp hành.
- Các khối nguồn.
2.3 Hệ thống xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ. Nó là một
ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát
triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc
biệt là máy tính chuyên dụng riêng cho nó.
Xử lý ảnh được đưa vào giảng dạy ở bậc đại học ở nước ta khoảng chục
năm nay. Nó là môn học liên quan đến nhiều lĩnh vực và cần nhiều kiến thức
cơ sở khác. Sau đây là một vài kiến thức cơ bản về xử lý ảnh:

2.3.1 Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh
a. Điểm ảnh
Điểm ảnh là đơn vị cơ bản nhất để tạo nên một bước ảnh kỹ thuật số.
Địa chỉ của điểm ảnh được xem như là một tọa độ (x, y) nào đó. Một bức ảnh
kỹ thuật số, có thể được tạo ra bằng cách chụp hoặc bằng một phương pháp
đồ họa nào khác, được tạo nên từ hàng ngàn hoặc hàng triệu pixel riêng lẻ.
Bức ảnh càng chứa nhiều pixel thì càng chi tiết. Một triệu pixel thì tương
đương với 1 megapixel.
b. Độ phân giải của ảnh
15


Độ phân giải là mật độ điểm ảnh được ấn định trên một ảnh số được
hiển thị. Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao
cho mắt người vẫn thấy được sự liên tục của ảnh. Việc lựa chọn khoảng cách
thích hợp tạo nên một mật độ phân bổ, đó chính là độ phân giải và được phân
bố theo trục x và y trong không gian hai chiều.
c. Mức xám của ảnh
Mức xám: Là kết quả của sự biến đổi tương ứng 1 giá trị độ sáng của 1
điểm ảnh với 1 giá trị nguyên dương. Thông thường nó xác định trong [0,255]
tuỳ thuộc vào giá trị mà mỗi điểm ảnh được biểu diễn. Các thang giá trị mức
xám thông thường: 16, 32, 64, 128, 256 (Mức 256 là mức phổ dụng. Lý do: từ
kỹ thuật máy tính dùng 1 byte (8 bit) để biểu diễn mức xám. Mức xám dùng 1
byte biểu diễn:

= 256 mức, tức là từ 0 đến 255).

d. Ảnh số
Là tập hợp hữu hạn các điểm ảnh, thường được biểu diễn bằng một
mảng hai chiều (mxn) phần tử. Ảnh số được chia làm 3 loại:

- Ảnh nhị phân: Giá trị xám của tất cả các điểm ảnh chỉ nhận giá trị 1
hoặc 0. Như vậy mỗi điểm ảnh trong ảnh nhị phân được biểu diễn bởi 1
bit.
- Ảnh xám: Giá trị xám nằm trong khoảng 0…255. Như vậy mỗi điểm
ảnh trong ảnh xám được biểu diễn bởi 1 byte .
- Ảnh màu: Là ảnh tổ hợp từ 3 màu cơ bản đỏ (R), lục (G), lơ (B) và
thường thu nhận trên các giải băng tần khác nhau. Để biểu diễn cho ảnh
màu cần 24 bit, 24 bit này được chia làm ba khoảng 8 bit, mỗi khoảng
này biểu diễn cho cường độ sáng của một trong các màu chính.
2.3.2 Hệ tọa độ màu.
 Mô hình màu RGB (Red, Green, Bule)
RGB là không gian màu phổ biến dùng trong máy tính, máy ảnh, điện
thoại và nhiều thiết bị kĩ thuật số khác. Không gian màu này khá gần với cách
mắt người tổng hợp màu sắc. Nguyên lý cơ bản là sử dụng 3 màu sắc cơ bản
16


R (red - đỏ), G (green - xanh lục) và B (blue - xanh lam) để biểu diễn tất cả
các màu sắc.
Mỗi kênh màu sẽ sử dụng 8 bit để biểu diễn, tức là giá trị R, G, B nằm
trong khoảng 0 - 255. Bộ 3 số này biểu diễn cho từng điểm ảnh, mỗi số biểu
diễn cho cường độ của một màu.
Với mô hình biểu diễn 24 bit, số lượng màu tối đa sẽ là:
255×255×255=16581375

Hình 2.1 Mô hình màu RGB
 Mô hình màu HSV (Hue, Saturation, Value)
Thay vì chọn phần tử RGB để có màu mong muốn, người ta chọn các
tham số màu: Hue, Saturation và Value. Mô hình không gian màu HSV có thể
suy diễn từ mô hình RGB.

Trong đó:
- Hue: Vùng màu.
- Saturation: Độ bão hòa màu.
- Value: Cường độ sáng.
Ngoài ra, còn có một số không gian màu khác, mỗi một không gian màu
đều có một ứng dụng riêng.
Giả sử như để nhận dạng màu sắc thì thường sử dụng không gian màu
HSV. Vì không gian màu này phù hợp với nhận thức của con người nên nó rất
phù hợp cho việc nhận dạng màu sắc.
17


Hình 2.2 Mô hình màu HSV
 Không gian màu CMYK

Hình 2.3 Không gian màu CMYK
Không gian màu CMYK chỉ mô hình màu loại trừ, thường dùng trong
in ấn. Mô hình màu này dựa trên cơ sở trộn các chất màu của các màu sau:
- C = Cyan có nghĩa là màu xanh lơ hay cánh chả.
- M = Magenta có nghĩa là màu cánh sen hay hồng sẫm.
- Y = Yellow có nghĩa là màu vàng.
- K = Black có nghĩa là màu đen.
2.3.3 Các bước xử lý ảnh
Xử lý ảnh cơ bản dựa trên 3 bước:
Thu nhận ảnh

Phân tích và xử
lý ảnh

Ảnh đã xử lý

18


Thu nhận ảnh: ảnh có thể nhận được qua camera màu hoặc đen trắng.
Chất lượng một ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, môi trường.
Phân tích và vận dụng các kỹ thuật trên hình ảnh:
- Tiền xử lý: sau bộ phận thu nhận ảnh,ảnh có thể bị nhiễu hoặc độ
tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền xử lý để nâng cao chất
lượng ảnh . Chức năng: lọc nhiễu, tăng hoặc giảm độ tương phản.
- Phân đoạn ảnh : là tách ảnh đầu vào thành các vùng để biểu diễn ,
phân tích và nhận dạng ảnh.
- Biểu diễn ảnh : các vật thể sau khi được phân đoạn có thể được
mô tả dưới dạng chuỗi các điểm và biểu diễn ảnh thường được sử
dụng khi ta quan tâm đến đặc tính bên trong của vùng ảnh .
- Nhận dạng và nội suy : là quá trình phân loại vật thể dựa trên cơ
sở các chi tiết mô tả vật thể và nhận dạng ảnh là quá trình xác
định ảnh và quá trình này thu được băng cách so sánh với mẫu đã
được lưu trữ từ trước.
Đầu ra là kết quả ảnh có thể được thay đổi hoặc các báo cáo được dựa
trên phân tích hình ảnh đầu vào.
2.4 Hệ thống điện và điều khiển
2.4.1 Bộ điều khiển PLC
a) Giới thiệu chung về PLC
Programable Logic Controller (viết tắt là PLC) là thiết bị điều khiển
logic khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic
thông qua một ngôn ngữ lập trình, bộ điều khiển thoả mãn các yêu cầu:
- Do ngôn ngữ lập trình dễ học nên dễ dàng lập trình.
- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo trì.
- Có thể chứa được những chương trình phức tạp, dung lượng bộ
nhớ lớn.

- Hệ thống điều khiển tin cậy trong môi trường công nghiệp.
- Khả năng chống nhiễu tốt, độ bền cao.
19


- Giao tiếp với các thiết bị thông tin, máy tính, nối mạng các
modun mở rộng.
Bộ điều khiển lập trình PLC được tạo ra nhằm thay thế phương pháp
điều khiển truyền thống dùng rơ le và thiết bị cồng kềnh. Dựa trên việc lập
trình trên các lệnh logic cơ bản PLC có khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng
và linh hoạt. PLC thực hiện các tác vụ định thì cùng đếm làm tăng khả năng
điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình và đưa ra tín hiệu
điều khiển cho các thiết bị bên ngoài tương ứng.
Các ưu điểm chính của việc sử dụng PLC:
- Hạn chế bớt việc đấu nối dây khi thiết kế hệ thống, giá trị logic
của nhiệm vụ điều khiển được thực hiện trong chương trình thay
cho việc đấu nối dây.
- Công suất PLC tiêu thụ rất thấp.
- Việc sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng do khả năng tự
chuẩn đoán.
- Thay đổi chức năng điều khiển dễ dàng bằng thiết bị lập trình,
khi không có các yêu cầu thay đổi các đầu vào ra thì không cần
phải nâng cấp phần cứng.
- Trong chương trình , không hạn chế số lượng tiếp điểm sử dụng.
- Thời gian để thực hiện chu trình điều khiển hoàn thành chỉ mất
vài ms, điều này làm tăng tốc độ và năng suất PLC .
- Chức năng lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu và dễ
học.
- Có thể chứa được nhiều chương trình phức tạp.
- Kết nối dễ dàng được với các thiết bị thông minh khác như: máy

tính, kết nối mạng Internet, các Modul mở rộng.
- Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ.

20


Vì những đặc điểm nổi bật trên mà PLC được sử dụng rộng rãi trong
ngành công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hóa quá trình sản xuất.
Có thể ví như “vi điều khiển” trong môi trường công nghiệp là PLC.
Sơ đồ cấu trúc của PLC có phần giống và dựa trên nền tảng của vi điều
khiển.

Hình 2.4 Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ PLC
Trạng thái tín hiệu vào được nhận biết và chứa trong bộ nhớ. PLC thực
hiện các lệnh logic được lập trình để xử lý các tín hiệu vào máy và tạo ra các
tín hiệu ra để điều khiển các thiết bị . PLC hoạt động như một máy tính độc
lập với khả năng tính toán, lưu trữ cao.
b) Bộ điều khiển lập trình PLC S7-200
 Khối xử lý trung tâm:
PLC S7-200 là thiết bị điều khiển lập trình loại nhỏ của hãng Siemens,
có cấu trúc theo kiểu modun và có các modun mở rộng. Thành phần cơ bản
của S7-200 là khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) bao gồm
hai loại: CPU 21x và CPU 22x. Mỗi chủng loại có nhiều CPU. Loại CPU 22x
ngày nay không còn sản xuất, tuy nhiên hiện vẫn còn sử dụng rất nhiều trong
các trường học và trong sản xuất.
21


Tiêu biểu cho loại CPU 22x là CPU 224, CPU 224 có các đặc tính:
- Bộ nhớ chương trình (chứa trong EEPROM): 4096 Byte.

- Bộ nhớ dữ liệu (Vùng nhớ V): 4096 Byte (trong đó 512 Byte
chứa trong EEPROM).
- Số lượng ngõ vào: 14.
- Số lượng ngõ ra: 10 ngõ ra digital tích hợp trong CPU.
- Số module mở rộng: 7 gồm cả module analog cho phép thu nhận,
truyền đạt tín hiệu tương tự. Số lượng vào/ra số cực đại: 64.
- Số lượng timer: 128 timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác
nhau: 4 timer 1ms, 16 timer 10 ms và 108 timer có độ phân giải
100 ms.
- Số lượng Counter: 128 bộ đếm chia làm hai loại: 96 Counter Up
và 32 CounterUp/Down.
- Bit memory (Vùng nhớ M): 256 bit.
- Special memory (SM): 688 bit dùng để thông báo trạng thái và
đặt chế độ làm việc.
- Bộ đếm tốc độ cao (High-speed counters): 2 counter 2 KHz và 1
counter 7 KHz .
- Có phép tính số học.
- Ngõ vào analog tích hợp sẵn (biến trở): 2.
- Các chế độ ngắt và xử lý ngắt gồm: ngắt theo sườn lên hoặc
xuống, ngắt thời gian, ngắt truyền thông, ngắt của bộ đếm tốc độ
cao và ngắt truyền xung.
- Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian
190h khi PLC bị mất nguồn nuôi.
- Khả năng tính toán của PLC rất cao, ngày càng được nâng cấp
qua các dòng và các đời PLC.
- PLC hỗ trợ đầy đủ các chức năng như một vi điều khiển, nhưng
ngôn ngữ lập trình tường minh và đơn giản hơn rất nhiều.
22

- Cho phép người kĩ sư dễ dàng chỉnh sửa, tinh chỉnh chương trình
do thuật ngữ lập trình đơn giản.
Sơ đồ bề mặt của bộ điều khiển logic khả trình S7-200 CPU 224 được
cho như hình:

Hình 2.5 Bộ điều khiển lập trình S7-200 CPU 224
 Mô tả các đèn báo trên CPU 224:
- SF (Đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống dính lỗi. Đèn SF sáng
lên khi PLC có lỗi.
- RUN (Đèn xanh): Cho biết PLC đang ở chế độ làm việc và thực
hiện chương trình được nạp vào trong bộ nhớ chương trình của
PLC.
- STOP (Đèn vàng): Đèn vàng STOP chỉ định PLC đang ở chế độ
dừng. Dừng chương trình đang thực hiện lại.
- I x.x (Đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào chỉ định trạng thái tức
thời của cổng ( x.x = 0.0 - 1.5). Đèn này báo hiệu trạng thái của
tín hiệu theo giá trị logic của cổng.
- Qy.y (Đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra chỉ định trạng thái tức thời
của cổng ( y.y = 0.0 - 1.1). Đèn này báo hiệu trạng thái của tín
hiệu theo giá trị logic của cổng.
23


Ngày nay, CPU 22x với nhiều tính năng vượt trội đã thay thế loại CPU
21x và hiện đang được sử dụng rất nhiều. Tiêu biểu cho loại này là CPU 224
và CPU 224 XP. Trong thiết kế nhóm chọn loại CPU 224 AC/DC/RELAY.
Bảng 2.1 Bảng dữ liệu về CPU họ 224 và 224XP
Đặc điểm

CPU 224

CPU 224XP
14DI / 10DO

I/O trên CPU Digital Analog

14DI / 10DO

Số module mở rộng max.

7

7

Bộ nhớ chương trình

8 KB

12 KB

Bộ nhớ dữ liệu

8 KB

10 KB

Thời gian xử lý

0,37 µs

0,37 µs

Memory bits/counters/timers

256/256/256

256/256/256

High - speed counters

6 x 30 kHz

Real - time clock

Tích hợp

Tích hợp

Ngõ ra xung

2 x 20 kHz

2 x 100 kHz

Cổng giao tiếp

1 x RS - 485

2 x RS - 485

Biến trở analog trên CPU

2

2

2AI / 1AO

4 x 30 kHz
2 x 200 kHz

Công tắc chọn chế độ làm việc nằm ở phía trên, có ba vị trí cho phép
chọn các chế độ làm việc khác nhau của PLC:
- RUN: Cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ. PLC
S7-200 sẽ chuyển sang chế độ STOP nếu trong máy có sự cố,
hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP.
- STOP: PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ
STOP. Ở chế độ STOP, PLC cho phép hiệu chỉnh, nạp và xóa
một chương trình.
24