LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP: BĂNG TẢI ĐẾM – PHÂN LOẠI SẢN PHẨM BẰNG PLC S7 – 200 VÀ ĐIỆN KHÍ NÉN

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI
---------------KS.ĐỒNG VĂN NGỌC

BĂNG TẢI ĐẾM – PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
BẰNG PLC S7 – 200 VÀ ĐIỆN KHÍ NÉN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HẢI PHỊNG - 2009


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI
----------------

KS. ĐỒNG VĂN NGỌC

BĂNG TẢI ĐẾM – PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
BẰNG PLC S7 – 200 VÀ ĐIỆN KHÍ NÉN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ
Mã số:
Người hướng dẫn khoa học: TS. LƯU KIM THÀNH

HẢI PHÒNG - 2009

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI
----------------

KS. BÙI VĂN DÂN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DỊCH
CHUYỂN VỊ TRÍ TRONG KHƠNG GIAN DÙNG
ĐỘNG CƠ BƯỚC

Chun ngành: TỰ ĐỘNG HỐ
Mã số:

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HẢI PHÒNG - 2007


Luận văn được hoàn thành tại Trường Đại học hàng hải Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học: TS. LƯU KIM THÀNH

Phản biện 1:....................................................................................................
.....................................................................................................
Phản biện 2:....................................................................................................
.....................................................................................................

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn cấp Trường, họp tại

........................................................................................................................
........................................................................................................................
vào hồi..........giờ.........ngày.........tháng...........năm.................

Có thể tìm hiểu luận văn tại thư viện: Trung tâm TTTL, Khoa ĐT SĐH Trường Đại học hàng hải Việt Nam.


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu
và kết quả nêu trong luận văn là trung thực, chưa được ai cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng các thơng tin trích dẫn trong luận văn đều đã
được chỉ rõ nguồn gốc.
Hải phòng, ngày..... tháng ...... năm 2009
Học viên thực hiện

ĐỒNG VĂN NGỌC

1


LỜI CẢM ƠN
Thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu mơ hình dạy học
“Băng tải đếm - phân loại sản phẩm điều khiển bằng PLC S7-200 và điện
khí nén” em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô khoa sau đại
học cùng các thầy cô trong khoa Điện trường Đại học Hàng Hải đã cung cấp
cho em những kiến thức cần thiết, tạo điều kiện thuận lợi, giúp em hoàn
thành luận văn theo đúng thời gian quy định.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS. Lưu Kim Thành
người đã hướng dẫn và tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu

và thực hiện đề tài.
Qua đây em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô
và các bạn đồng nghiệp, để giúp em có thêm những hiểu biết và hồn thiện
hơn trong q trình làm việc sau này.
Em xin chân thành cảm ơn !

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................2
MỤC LỤC ......................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC BẢNG ..............................................................................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................6
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................9
1
Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: ................................................................9
2
Mục đích nghiên cứu của đề tài: ........................................................................ 10
3
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 10
4
Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 10
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................... 11
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN ........................................................................................ 12
1.1 TÍNH THỜI SỰ CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................... 12
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY LIÊN QUAN TỚI ĐỀ TÀI VÀ
HƯỚNG TẬP TRUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ............................................... 16
CHƯƠNG II : CHƯƠNG II: THIẾT KẾ LỰA CHỌN HỆ HIỆU ĐIỀU KHIỂN DÂY

CHUYỀN ĐẾM - PHÂN LOẠI SẢN PHẨM .............................................................. 26
1.3. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN KHÍ NÉN, CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU
KHIỂN VÀ PHẦN TỬ CHẤP HÀNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN KHÍ NÉN........ 27
1.3.1.Hệ thống điều khiển Điện Khí nén [1,15]. .......................................................... 27
1.3.2. Các phần tử điện[1,15]: ...................................................................................... 28
1.3.3. Các phần tử điều khiển: ..................................................................................... 37
1.3.4. Cơ cấu chấp hành ............................................................................................... 41
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ LỰA CHỌN HỆ HIỆU ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN
ĐẾM - PHÂN LOẠI SẢN PHẨM ............................................................................... 47
2.1. THIẾT KẾ LỰA CHỌN CẢM BIẾN ................................................................... 47
2.1.1. Khái quát chung về cảm biến [15] ...................................................................... 47
2.1.2. Lựa chọn cảm biến.............................................................................................. 51
2.2. PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỂN ĐỘNG CHO DÂY CHUYỀN
BĂNG TẢI. ................................................................................................................... 59
2.2.1. Động cơ điện một chiều. .................................................................................... 59
2.2.2. Động cơ xoay chiều 3 pha. ................................................................................. 59
2.2.3. Động cơ xoay chiều một pha có vành góp. ......................................................... 60
- Hiệu suất làm việc khơng cao vì có tổn hao sắt và tổn hao phụ. .................................... 60
2.2.4. Động cơ servo ...................................................................................................... 60
2.2.5 Lựa chọn động cơ: .............................................................................................. 67
2.3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN KHÍ NÉN CHO HỆ THỐNG ............ 68

3


2.3.1. Sơ đồ hành trình bước ........................................................................................ 68
2.3.2. Mạch điều khiển điện khí nén ............................................................................ 69
2.4. HỆ ĐIỀU KHIỂN PLC TRONG KHÂU ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
[9,10,12,7] ...................................................................................................................... 70
2.4.1. Vai trò của PLC trong khâu đếm và phân loại sản phẩm ................................. 70

2.4.2. Biểu diễn tín hiệu số ............................................................................................ 70
2.4.3. Thiết bị điều khiển trong logic khả trình ......................................................... 71
2.4.4. Cấu trúc của PLC. ............................................................................................. 71
2.4.5. Bộ sử lý trung tâm .............................................................................................. 73
2.4.6. Phân loại PLC. .................................................................................................... 75
2.4.7. Thiết bị điều khiển khả trình PLC S7-200 ........................................................ 76
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC TẾ ................................................... 87
3.1. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG MƠ HÌNH. ....................................................... 87
3.1.1 Bản vẽ phần cơ khí .............................................................................................. 87
3.1.2. Sơ đồ khối nguyên lý chung điều khiển băng tải ............................................... 88
3.1.3. Khối nguồn. ......................................................................................................... 89
3.1.4. Mạch động lực..................................................................................................... 91
3.1.5. Mạch điều khiển trung tâm. ............................................................................... 91
3.1.6. Mơ hình tổng thể. ................................................................................................ 93
3.2. XÂY DỰNG THUẬT TỐN ĐIỀU ĐIỀU KHIỂN ........................................... 94
3.3. VIẾT CHƯƠNG TRÌNH (xem phần phụ lục 4.3) ............................................. 95
3.4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM. ........................................................... 96
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................... 98
1.
Kết luận ............................................................................................................... 98
2. Kiến nghị................................................................................................................... 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 99
PHỤ LỤC ................................................................................................................... 101
4.1 Các sơ đổ mạch phần cứng................................................................................... 101
4.1.1. Sơ đồ mạch nguồn............................................................................................. 101
4.1.2 Sơ đồ mạch công suất ....................................................................................... 101
4.2 Các hình ảnh thực tế............................................................................................. 103
4.3 Chương trình điều khiển ...................................................................................... 104

4

DANH MỤC CÁC BẢNG – SƠ ĐỒ
Bảng 1.1: Kí hiệu các van............................................................................. 37
Sơ đồ1.1: Kí hiệu kiểu van ........................................................................... 39
Sơ đồ 2.1. Mơ hình thiết bị cảm nhận ........................................................... 47
Sơ đồ 2.2: Hệ thống điều khiển tự động quá trình......................................... 48
Bảng 2.1: Địa chỉ của PLC s7-200 ............................................................... 82
Bảng 2.2: Vòng quét PLC ............................................................................ 84

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mơ hình điển hình cho dây chuyền sản xuất ................................. 14
Hình 1.2: Dây chuyền tự động nhận dạng, phân loại gạch ốp lát Granite ...... 16
(Ảnh: nhandan) ............................................................................................ 16
Hình 1.3: Các cơng nghệ then chốt đóng góp vào sự phát triển hệ thống ...... 18
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý - cấu trúc hệ thống phân loại gạo theo màu sắc .. 19
Hình 1.5: Yêu cầu phân loại theo màu sắc .................................................... 20
Hình 1.6 - Sự sai khác so với nền (chỉnh ngang bằng với hạt tốt) của hạt lỗi và
tạp chất ......................................................................................................... 21
Hình 1.7: Quan hệ giữa hệ số phản xạ và bước sóng đối với gạo và các loại
tạp chất ......................................................................................................... 21
Hình 1.8. Mơ hình tương tác ánh sáng với bề mặt vật liệu ............................ 22
Hình 1.9. Lưu đồ thuật tốn xử lý nhận dạng................................................ 22
Hình 1.10. Lưu đồ thuật tốn thu thập xử lý thời gian thực .......................... 23
Hình 1.11. Lưu đồ thuật tốn chu trình tổng qt ......................................... 23
Hình 1.12: Hệ thống điều khiển bằng khí nén .............................................. 27
Hình 1.13: Trình tự một khâu điều khiển ...................................................... 28

Hình 1.14 Cơng tắc ...................................................................................... 28
Hình 1.15- Nút ấn

a.Nút ấn đóng _mở. b.Nút ấn chuyển mạch. .............. 29

Hình 1.16 Kí hiệu rơle theo DIN 40713 ....................................................... 30
Hình 1.17 Rơle thời gian tác động muộn. ..................................................... 30
Hình 1.18. Cách nối các cựcva tiếp điểm rơle thời gian tác động muộn........ 31
Hinh 1.21. Công tắc hành trình điện cơ. ....................................................... 32
Hình 1.22: Hai dạng kí hiệu của cơng tắc hành trình điện cơ. ....................... 32
Hình 1.23:. Cơng tắc hành trình nam châm . ................................................ 33
Hình 1.24 : Nguyên ký hoạt động của cảm biến cảm ứng từ. ........................ 34
Hình 1.25 :. Cách lắp và kí hiệu cảm biến cảm ứng từ. ................................. 34
Hình 1.26: Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung. ............................ 35
Hình 1.27: Kí hiệu cảm biến điện dung. ....................................................... 35
Hình 1.28: Cảm biến quang. ........................................................................ 36
Hình 1.29:a.Cảm biến quang một chiều, b.Cảm biến quang phản hồi. .......... 36
Hình 1.30: Kí hiệu cảm biến quang ............................................................. 36
6


Hình 1.31: Van 2/2 điều khiển trực tiếp bằng nam châm điện ...................... 38
Hình 1.32: Cấu tạo và kí hiệu van đảo chiều 3/2điều khiển gián tiếp bằng nam
châm điện và khí nén. ................................................................................... 39
Hình 1.33: Van một chiều ............................................................................ 40
Hình 1.34: Van logic OR .............................................................................. 40
Hình 1.34:: Van xả khí nhanh ....................................................................... 41
Hình 1.35: Lực tác dụng lên xylanh tác dụng đơn ........................................ 41
Hình 1.36: Xylanh tác dụng kép ................................................................... 42
Hình 1.37: Xylanh tác dụng kép khơng có bộ phận giảm chấn ở cuối khoảng

chạy.............................................................................................................. 42
Hình 1.38: Xylanh tác dụng hai chiều, có bộ phận giảm chấn ở cuối khoảng
chạy.............................................................................................................. 43
Hình 1.39: Động cơ bánh răng ..................................................................... 43
Hình 1.40: Động cơ trục vít .......................................................................... 44
Hình 1.41: Cấu tạo của động cơ cánh gạt ..................................................... 44
Hình 1.42: Động cơ pittơng hướng kính ....................................................... 45
Hình 1.43: Động cơ pittơng dọc trục ............................................................ 45
Hình 1.44: Động cơ tua bin dọc trục ............................................................. 46
Hình 1.45: Động cơ màng ............................................................................ 46
Hình 2.1: Cơ sở của cảm biến từ .................................................................. 52
Hình 2.2: Cấu trúc đầu cảm ứng ................................................................... 53
Hình 2.3: Đường sức từ và sự tác động của vật kim loại .............................. 54
Hình 2.4: Hoạt động cảu cảm biến từ tiệm cận chuyển mạch ....................... 55
Hình 2.5: Khoảng cách tác động phụ thuộc vật liệu ...................................... 56
Hình 2.6: Cảm biến từ loại chuyển mạch ...................................................... 57
Hình 2.7: Cảm biến từ loại tín hiệu ra tương tự ............................................ 57
Hình 2.8: Cảm biến từ loại IWA 30 U 9001 (Baumer) ................................. 58
Hình 2.9: Cảm biến từ loại IWA 18 U 9001 (Baumer) ................................. 58
Hình 2.10: Sơ đồ khối của động cơ servo tiêu biểu ..................................... 61
Hình 2.11: Điều khiển servo ........................................................................ 62
Hình 2.12: Mạch động cơ DC servo ........................................................... 64
Hình 2.13: Sơ đồ khối của hệ điều khiển đơng cơ DC kiểu tương tự ........... 67
Hình 2.14: Mạch điều khiển động cơ DC servo .......................................... 67
7


Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý hành trình bước ................................................ 69
Hình 2.16: Sơ đồ điện khí nén ...................................................................... 70
Hình 2.17: Sơ đồ cấu trúc bộ nhớ của PLC................................................... 73

Hình 2.18: cấu trúc tổng quan của PLC ....................................................... 75
Hình 2.18: Hình ảnh các loại PLC............................................................. 75
Hình 2.19: Hình ảnh thật thiết bị PLC – s7 200 ............................................ 76
Hính 2.20: Cách kết nối PLC với PC ............................................................ 78
Hình 3.1: bản vẽ phần cơ khí ........................................................................ 87
Hình 3.2: Sơ đồ khối nguyên lý chung điều khiển băng tải ........................... 88
Hình 3.3: Sơ đồ động lực ............................................................................. 91
Hình 3.4: Sơ đồ kết nối giao tiếp thiết bị ngoại vi - PLC .............................. 91
Hình3.5 : Mạch giao tiếp phần cứng đầu ra ............................................. 92
Hình : 3.6: mạch điều khiển khí nén ............................................................. 92
Hình 3.7 : mơ hình tổng thể .......................................................................... 94
Hình 3.8: Lưu đồ thuật tốn.......................................................................... 95
Hình 4.1: Sơ đồ ngun lý mạch nguồn ...................................................... 101
Hình 4.2: Sơ đồ board mạch nguồn ........................................................... 101
Hình 4.3: Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất................................................. 102
Hình 4.4: Sơ đồ board mạch cơng suất ....................................................... 103
Hình 4.5: Hình ảnh mơ hình thực tế ........................................................... 104

8


MỞ ĐẦU
1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:
Hiện nay sự tiến bộ khoa học kĩ thuật trên thế giới diễn ra nhanh chóng,
với sự ra đời của hàng loạt những sản phẩm mới ứng dụng những tiến bộ ở
những nước phát triển.Đặc biệt trong những năm gần đây kĩ thuật điều khiển
phát triển mạnh mẽ, có nhiêug công nghệ điều khiển mới được ra đời để thay
thế cho những công nghệ đã lỗi thời.
Để bắt kịp với tiến bộ khoa học kĩ thuật trên thế giới cũng như đáp
ứng yêu cầu CNH_HĐH đất nước thì ngành cơng nghiệp Việt Nam đang

thay đổi nhanh chóng, cơng nghệ và thiết bị hiện đại đang dần dần được thay
thế các công nghệ lạc hậu và thiết bị cũ. Các thiết bị công nghệ tiên tiến với
hệ thống điều khiển lập trình PLC, Vi xử lý, điện khí nén, điện tử. Đang
được úng dụng rộng rãi trong công nghiệp như các dây truyền xản xuất nước
ngọt, chế biến thức ăn gia xúc, máy điều khiển theo chương trình CNC, các
hệ thống đèn giao thông, các hệ thống báo động. Trong các trường đại học,
cao đẳng và các trường trung học chuyên nghiệp và dạy nghề đã và đang đưa
các thiết bị hiện đại theo thiên hướng tự động hóa có khả năng lập trình được
đưa vào giảng dạy. Một trong những loại thiết bị có ứng dụng mạnh mẽ và
đảm bảo có độ tin cậy cao đáp ứng được với môi trường công nghiệp là hệ
thống điều khiển tự động PLC[4,10,11,12,13].
Để trang bị cho sinh viên sau khi ra trường ngày Điện – Điện tử có thể
làm chủ được với các cơng nghệ tự động hóa, thì điều đầu tiên trong môi
trường dạy học cũng phải mang chuẩn các điều kiện công nghiệp, đặc biệt
hơn cả là trong các bài giảng, giáo trình cũng phải ln bám sát với thực tế,
với xu thế xã hội. Để làm được điều này thì phương tiên hỗ trợ các bài giảng
là hết sức cần thiết. Đối với mơn học điều khiển PLC thì các mơ hình thực tế
là khơng thể thiếu. Đáp ứng nhu cầu này các sản phẩm nhập ngoại như các
dây chuyền của hãng FESTO, LUCAS... là rất chuyên nghiệp. Nhưng trong
điều kiện kinh tế hiện nay ngành giáo dục cung ứng cho cá trường đào tạo là
9


rất ít. Chính vì thế bản thân em là một Giáo viên đang giảng dạy về lĩnh vự
tự động hóa nhận thấy nhu cầu là rất cần thiết, cho nên em đã lựa chọn đề tài
“Nghiên cứu mơ hình dạy học “Băng tải đếm - phân loại sản phẩm điều
khiển bằng PLC S7-200 và điện khí nén” Đây cũng là vấn đề được nghiên
cứu và giải quyết trong trong bản luận văn này[11,13].
2 Mục đích nghiên cứu của đề tài:
Mục đính chính của đề tài này là “Nghiên cứu mô hình dạy học “Băng

tải đếm - phân loại sản phẩm điều khiển bằng PLC S7-200 và điện khí nén”
để có thể sử dụng trong việc giảng dạy, học tập áp dụng cho các môn học
điều khiển PLC, kỹ thuật cảm biến. Được áp dụng trong các trường đào tạo
nghề nói riêng và các trường kỹ thuật nói chung[10,13]..
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu vai trò và các chức năng của hệ thống dây chuyền đếm
phấn loại sản phẩm.[1,3].
- Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết các loại cảm biến, cách kết nối
cảm biến với PLC[10,13]..
- Thiết kế và chế tạo thử nghiệm các modul cơ bản nhất của một hệ
thống phân loại sản phẩm: Trung tâm điều khiển, modul địa chỉ hoá cho các
sensor, các modul vào/ra để điều khiển dây chuyền (Băng tải, Xylanh 1,
Xylanh 2, Xylanh 3, Xylanh 4.. [1].
- Viết phần mềm để viết chương trình cho PLC
- Chạy thử và đánh giá kết quả
4 Phương pháp nghiên cứu
Để giải quyết vấn đề nêu trên ta sử dụng phương pháp nghiên cứu, phân
tích tổng quan hệ phân loại sản phẩm, các loại sản phẩm khác nhau; Từ đó
lựa chọn giải pháp cảm biến cho hệ thống.
Tìm hiểu sâu về chuyển động của dây chuyền; Từ đó đề xuất cấu hình
hệ thống và tiến hành chế tạo thử nghiệm để khẳng định tính đúng đắn của
kết quả nghiên cứu.
10


5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Nhằm nắm bắt và làm chủ các công nghệ tiên tiến cho phép chủ động,
dễ dàng triển khai ứng dụng trong thực tế nhằm đem lại hiệu quả kinh tế,
linh hoạt trong sản xuất, sửa chữa và bảo dưỡng hệ thống .
Kết quả nghiên cứu này góp phần vào việc chế tạo các thiết bị tự động

phân loại sản phẩm theo màu sắc, theo kích thức, theo chất liệu của từng sản
phẩm như: Trong dây chuyền đóng két bia tại nhà máy bia hà Nội, Trong dây
chuyền sản xuất xi măng, Trong dây chuyền sản xuất thuốc … Các thiết bị
này sẽ dần thay thế các thiết bị ngoại nhập có tính năng tương đương, góp
phần giảm giá thành sản phẩm, chủ động trong sản xuất[9,10]...
Qua thời gian miệt mài nghiên cứu, xác định rõ yêu cầu của đề tài cũng
như nhiệm vụ thực hiện, đến nay em đã xây dựng lên được mơ hình có thể
đáp ứng đúng với u cầu đề tài đặt ra. Nội dụng đề tài được trình bày cụ thể
trong quyển thuyết minh:
Tuy nhiên do điều kiện nghiên cứu, năng lực của bản thân còn hạn chế,
rất mong được các thầy cơ cùng bạn bè đồng nghiệp đóng góp những ý kến
để hướng phát triển của đề tài được hoàn thiện hơn nữa:

11


CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
1.1 TÍNH THỜI SỰ CỦA ĐỀ TÀI
Tự động ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống và công
nghiệp. Ngày nay ngành tự động đã phát triển tới trình độ cao nhờ những
tiến bộ của lý thuyết điều khiển tự động, của những ngành khác như điện,
điện tử, tin học. Nhiều hệ thống điều khiển đã ra đời, phát triển mạnh và có
khả năng phục vụ rộng như hệ thống điều khiển điện – khí nén, bộ điều
khiển PLC. [12]..
Riêng nước ta tới đây hàng rào thuế quan khu vực được loại bỏ hoàn
toàn, kinh tế mở cửa hợp tác với nước ngồi. Trước tình hình đó, nền cơng
nghiệp sẽ gặp khơng ít khó khăn do còn nhiều dây chuyền có cơng nghệ lạc
hậu. Để có chỗ đứng và thế mạnh trên thương trường, nhà nước đặc biệt chú
trọng đến ứng dụng và phát triển tự động trong sản xuất, nhằm nâng cao
năng suất, chất lượng sản phẩm và hạ giá thành sản phẩm.

Là một kỹ sư điện tự động hóa, cơng việc sẽ gắn liền với điều khiển tự
động, vận hành hệ thống sản xuất. Bản thân em cũng đang giảng dạy các
môn điều khiển tự động vì vậy em rất mong muốn là sẽ thiết kế được một
dây chuyền sản xuất tự động với những khối kiến thức, kinh nghiệm đã được
tích lũy được trong nhứng năm vừa qua. Nhờ đó giúp cho em có thêm
những kinh nghiệm trong thực tế và hồn thiện được khối kiến thức của
mình tốt hơn. [12]..
Cơng doạn đếm và phân loại sản phẩm là một khâu quan trọng trong
dây chuyền sản xuất. Khâu đếm và phân loại sản phẩm giúp ta nhận biết
được các loại sản phẩm theo một tiêu chí nhất định đã được cài đặt trong hệ
thống phân loại sản phẩm và biết được cụ thể các thông tin về sản phẩm của
dây chuyền, các thơng tin liên tục được cập nhật làm cho tính chính xác
mang lại hiệu quả kinh tế cao[1].
Q trình vận chuyển, phân loại hay đếm sản phẩm con người có thể
thực hiện được một cách dễ dàng tuy nhiên sẽ tốn đến nhân công cho công
12


đoạn đó, hơn nữa chất lượng cơng việc còn phụ thuộc vào kiến thức, kinh
nghiệm, kỹ năng cho nên khó có thể đảm bảo được chất lượng chính xác và
ổn định lâu dài được.
Một băng tải trong một dây chuyền của đơn vị sản xuất có thể vận
chuyển sản phẩm trong q trình sản xuất, có thể đếm, phân loại chính xác
tuyệt đối sẽ có được chất lượng của sản phẩm đồng đều đảm bảo chính xác sẽ
khắc phục được những yếu tố sai sót nếu sử dụng con người thực hiện trực
tiếp theo cách thủ cơng, ngồi ra giúp cho doanh nghiệp giảm bớt chi phí sản
xuất, đảm bảo chất lượng, tăng năng xuất giúp cho giá thành sản phẩm hạ khả
năng cạnh tranh cao hơn[1].
Hiện nay nước ta đang thực hiện cơng cuộc đẩy mạnh “Cơng nghiệp
hố và Hiện đại hố đất nước” trong đó giáo dục và đào tạo nguồn nhân lực

lao động chất lượng cao được Đảng và nhà nước xác định là nhiệm vụ trọng
tâm để nâng cao chất lượng nguộn nhân lực lao động, đáp ứng được nhu cầu
phát triển của khoa học công nghệ và đáp ứng được nhu cầu sử dụng nguồn
lao động chất lượng cao phù hợp với xã hội, đòi hỏi các cơ sở đào tạo phải
đổi mới chương trình, phương pháp và đặc biết là thiết bị dạy học phảI đảm
bào tính phù hợp với chương trình, đối tượng, nhu cầu xã hội. Để đầu tư các
thiết bị dạy học hiện đại đáp ứng được nhu cầu trên thì các cơ sở đào tạo
phải đầu tư nguồn kính phí tương đối lớn để mua sắm thiết bị phục vụ đào
tạo, bên cạnh đó thiết bị điều khiển điện khí nén phục vụ đào tạo trong nước
còn hạn chế [1,7,8,9,10]...

13


Một mơ hình dây chuyền sản xuất thường có các khâu tuần tự như sau[8]:
Khâu lấy nguyên liệu

Khâu chế biến nguyên liệu

Khâu chế tạo sản phẩm

Khâu kiểm tra chất lượng sản phẩm
Khâu đếm và phân loại sản phẩm

Khâu đóng gói sản phẩm
Hình 1.1: Mơ hình điển hình cho dây chuyền sản xuất
Với thời gian cũng như kinh nghiệm cò hạn chế nên trong đề tài em chỉ lựa
chọn chế tạo một khâu Đếm – phân loại sản phẩm. Bên cạnh đó thì có nhiều
hình thức phân loại sản phẩm ví dụ như:
+ Phân loại theo kích thước

+ Phân loại theo khối lượng hay trọng lượng
+ Phân loại theo màu sắc
+ Phân loại theo vật liệu làm sản phẩm
+ Phân loại theo chất lượng
+ Phân loại theo hình dạng của sản phẩm
Với những phân tích trên em đã lựa chọn đề tài là “Nghiên cứu mơ hình
dạy học “Băng tải đếm - phân loại sản phẩm điều khiển bằng PLC S7-200
và điện khí nén” để có thể sử dụng trong việc giảng dạy, học tập áp dụng cho
các môn học điều khiển PLC, kỹ thuật cảm biến. Được áp dụng trong các

14


trường đào tạo nghề nói riêng và các trường kỹ thuật nói chung với các yêu
cầu nguyên lý dự kiến như sau:
Khi ấn nút khởi động hệ thống dây chuyền thì tại đầu vào của khâu đếm
sản phẩm có một cảm biến, cảm nhận được có sản phẩm trong giá đựng sản
phẩm, dẫn đến tác động khởi động cho động cơ Servo chạy lấy sản phẩm từ
giá đựng sản phẩm xuống băng tải. Băng tải chuyển động đưa sản phẩm đi
đến khu nhận dạng phân loại sản phẩm (cảm biến nhận dạng 2 màu). Khi
nhân dạng được từng loại sản phẩm thì động cơ sẽ dừng lại tại đúng cử theo
quy định nhờ tại các cửa cho mỗi loại sản phẩm có một cảm biến quang nhận
dạng để dùng động cơ cho dây chuyền dừng đúng cửa đó, đồng thời xylanh
khí nén tại cử đó được tác động đẩy sản phẩm vào các máng dẫn cho từng
loại sản phẩm (mỗi mang dẫn một sản phẩm màu khác nhau). Quá trình diễn
ra liên tục. Hệ thống dừng khi nhấn nút Stop.
Cũng có thể thực hiện theo nguyên lý: Khi nhấn nút Start khởi động hệ
thống, nhấn nú Stop tắt hệ thống, nhấn D dừng hệ thống (khởi động lại nhấn
Start). Hệ thống khởi động nhờ một Cảm biến nhận biết có sản phẩm tại dây
chuyền qua đó làm khởi động băng tải. Sản phẩm đi tới các vị tri của 2 cảm

biến nhận dạng màu cảu sản phẩm. Nếu phân biệt được màu nào thì băng tải
dừng tại vị trí màu đó, Xylanh tại vị trí đó đẩy ra, kết hợp để đếm sản phẩm.
Khi xylanh đi về hết thì làm khởi động lại dây chuyền. Hệ thống cứ tiếp tục
họat động theo đúng chu trình.
Việc nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng được hệ thống đếm và phân loại
sản phẩm theo màu sắc để thay thế một phần nào sản phẩm nhập ngoại, với
nguồn nhân lực sẵn có trong nước nhằm tăng tỷ lệ nội địa hoá, giảm giá
thành tổng chi phí vận chuyển, làm chủ cơng nghệ và chủ động trong việc tự
cung cấp vật tư tại các nhà máy sản xuất các dây chuyền tự động. Điều này
rất phù hợp với tình hình và xu hướng phát triển kinh tế kỹ thuật của nước ta.

15


1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY LIÊN QUAN TỚI ĐỀ
TÀI VÀ HƯỚNG TẬP TRUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Ngày nay, các nước trên thế giới đã có nhiều cơng trình tập trung nghiên
cứu chế tạo hệ thống đếm và phân loại sản phẩm. Các đề tài có liên quan đến
những hướng giải quyết hiện nay đang tập trung vào các vấn đề sau:
Hướng thứ nhất: Được trích dẫn từ bài viết Quân đội nhân dân,được
xây dựng từ Nhóm tác giả ở Viện tự động hóa Kỹ thuật quân sự (Bộ Quốc
phòng) đã thực hiện thành công đề tài "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống
tự động hóa nhận dạng và phân loại sản phẩm công nghiệp".
Với ứng dụng công nghệ nhận dạng, xử lý ảnh và trí tuệ nhân tạo trên
cơ sở hệ thống thu thập thông tin ảnh chất lượng cao sẽ bảo đảm tốc độ và độ
chính xác nhận dạng phân loại sản phẩm đạt tiêu chuẩn cao hơn hẳn bằng
mắt thường hoặc các phương pháp thủ cơng khác xem hình 1.

Hình 1.2: Dây chuyền tự động nhận dạng, phân loại gạch ốp lát Granite
(Ảnh: nhandan)

16


Hệ thống có tính linh hoạt và thích nghi cao vì có thể áp dụng trong
nhiều dây chuyền cơng nghiệp sản xuất hàng loạt sản phẩm có tiêu chuẩn
phân loại cần áp dụng công nghệ nhận dạng và xử lý ảnh. Tính thích nghi
của hệ thống tạo các khả năng ứng dụng cho nhiều loại sản phẩm khi cần
thiết bằng sự thay đổi mềm dẻo các đặc trứng của mẫu sản phẩm.
Bằng cách sử dụng các công cụ của trí tuệ nhân tạo như Fuzzy Logic,
mạng nơ-ron nhân tạo để tạo ra các hệ thống vừa có hàm lượng khoa học
cơng nghệ cao vừa có các chỉ tiêu và tính năng kỹ thuật tốt phục vụ được cho
các bài toán ứng dụng nhận dạng và phân loại sản phẩm.
Kết quả kiểm tra của Bộ Khoa học và Công nghệ cùng Ban chủ nhiệm
Chương trình đều đánh giá: Đề tài bám sát nội dung yêu cầu theo đề cương
nghiên cứu và theo hợp đồng, thực hiện nghiêm túc, tạo sản phẩm có ý nghĩa
về mặt KHCN và có khả năng áp dụng trong thực tiễn. Hệ thống bảo đảm độ
tin cậy, ổn định, tự động hóa cao thay thế hồn tồn con người. Hệ thống này
gồm ba phần chính: Phần thứ nhất là khối thu thập thông tin ảnh, xử lý nhận
dạng và ra quyết định bao gồm một hệ thống camera và hệ thống đèn chiếu
sáng chuyên dụng được đặt trong một buồng chắn sáng gá trên băng chuyền.
Buồng chắn sáng có tác dụng che ánh sáng tự nhiên và chỉ giữ lại ánh sáng
của đèn chiếu sáng (đảm bảo độc lập với mơi trường ánh sáng bên ngồi).
Khi một sản phẩm đi qua buồng chắn sáng, hệ thống camera thu nhận
ảnh bề mặt của sản phẩm đó và chuyển cho phần mềm nhận dạng và phân
loại. Phần mềm này sẽ thực hiện nhận dạng sản phẩm và ra quyết định xem
nó thuộc loại chất lượng nào.
Hướng thứ hai: Được trích dẫn Theo tạp chí Tự động hóa nơng nghiệp
do TS. Trần Anh Quân, KS. Nguyễn Tuấn Quang với đề tài “Tự động
phân loại gạo theo màu sắc” ( 06/11/2007) thực hiện.

17


Hệ thống phân loại gạo bằng màu sắc do Viện IMI phát triển và vấn đề
tự động nhận dạng, xử lý phân loại trong chế biến gạo phục vụ xuất khẩu,
khả năng ứng dụng công nghệ quang-cơ điện tử (opto-mechatronic
technology) trong ứng dụng cụ thể của “hệ máy nhìn” là đề tài được đánh giá
cao tại VICA 6
Hệ thống phân loại hạt theo màu sắc và những vấn đề chính phải
giải quyết

Hình 1.3: Các cơng nghệ then chốt đóng góp vào sự phát triển hệ thống
Những năm gần đây, công nghệ quang học gắn kết với các hệ thống cơ điện
tử rất nhanh, tạo ra số lượng lớn sản phẩm cơ điện tử - các máy móc, hệ
thống với những bộ phận quang học “thông minh”. Như biểu diễn ở hình 1,
sự hiện diện của cơng nghệ quang học ngày càng rõ nét, cho phép nâng cao
giá trị và hiệu năng của hệ thống, bởi các phần tử quang học kết hợp với các
phần tử cơ điện tử nhúng trong hệ thống đã đem lại giải pháp cho nhiều vấn
đề kỹ thuật hóc búa. Dưới đây phân tích một số kết quả nghiên cứu ứng dụng
kỹ thuật quang-cơ điện tử trong máy phân loại gạo theo màu sắc của Viện
IMI.

18


Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý - cấu trúc hệ thống phân loại gạo theo màu sắc
Các hệ thống phân loại hạt theo màu sắc nói chung, phân loại gạo theo màu
sắc nói riêng có sơ đồ nguyên lý, cấu trúc như hình 3. Vật liệu (gạo) được
cấp bằng bộ cấp liệu rung xuống máng dẫn, ổn định quĩ đạo trên máng rồi

chuyển động qua vùng nhận dạng của camera (CCD hoặc CMOS). Màu sắc
của đối tượng dịch chuyển (hạt gạo) được nhận biết tức thời (xử lý thời gian
thực) và máy tính công nghiệp (IPC) ra quyết định về khả năng chấp nhận
hạt đã nhận dạng, phát tín hiệu cho súng phun khí nén bắn hạt đó ra khỏi quĩ
đạo dịch chuyển nếu không đạt yêu cầu về chất lượng (trong trường hợp này
thông qua màu sắc), và ngược lại thì khơng phát tín hiệu. Qua khỏi vùng
nhận dạng, gạo chính phẩm và phế phẩm sẽ được phân tách và chứa trong
hai khoang chứa tách biệt. Từ đây có thể vào kho hoặc qua máy đóng bao.
Việc xử lý và ra quyết định chỉ được phép diễn ra dưới 0,13 mili giây. Bài
toán xử lý thời gian thực ở đây đóng vai trò vơ cùng quan trọng. Nó đòi hỏi
hệ thống chiếu sáng phù hợp, kết cấu buồng nhận dạng chuẩn xác, cho phép
phân tách các ngưỡng màu tốt; hệ thống camera ghi nhận hình ảnh gần như
tức thời và tốc độ chuyển đổi tín hiệu, tốc độ tính toán rất cao. Độ chính xác

19


của kết cấu cơ khí cũng đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định dòng liệu,
giúp cho phần xử lý chỉ phải bù các sai số hệ thống. Bài toán ở đây là tổng
hợp của nhiều nhiệm vụ phải giải quyết về cơ khí chính xác, kỹ thuật quang
điện, hệ thống điện tử điều khiển, phần mềm xử lý, điện động lực, các cơ cấu
tác động nhanh,... Các hệ thống cơ khí được gia công trên máy CNC với độ
chính xác đến 10-3mm. Nguồn sáng sử dụng là đèn fluorescence tần số cao
(100 kHz). Camera CCD quét dòng được tính toán chọn phù hợp về tốc độ,
độ phân giải, độ nhạy. Các van điện khí chuyên dụng có đặc tính trễ dưới 0,7
mili giây. Phần điều khiển điện tử được Viện IMI thiết kế chế tạo trong
nước. Dưới đây đi sâu phân tích cơ sở ánh sáng và giới thiệu phần mềm nhận
dạng thời gian thực sử dụng trong máy phân loại gạo ROPSOTEC 3.01A của
Viện IMI - một số cơ sở chính đảm bảo điều kiện nhận dạng và chất lượng
phân loại.

Cơ sở ánh sáng và vấn đề nhận dạng, phân loại hạt (nơng sản) theo màu sắc

Hình 1.5: Yêu cầu phân loại theo màu sắc
Hình 1.5 là ảnh chụp hạt gạo đầu vào, đầu ra. Gạo đầu vào (đã qua các
công đoạn khác của dây chuyền xử lý như xay xát, sàng sảy, đánh bóng,…)
được nhận dạng và xử lý loại bỏ các hạt ngoại lai (hạt đỏ, vàng, bạc bụng,
tạp chất). Muốn phân loại tốt, phải nhận dạng chính xác, ra quyết định đúng
và kịp thời để xử lý loại bỏ hạt ngoại lai vốn được phân định theo màu sắc
(hình 1.6). Hình 1.7 là quan hệ xác định bằng thực nghiệm, qua đó cho phép
phân định các hạt ngoại lai trên cơ sở lựa chọn nguồn sáng phù hợp. Không
chỉ cần nguồn sáng phù hợp, quan trọng và khó khăn hơn nhiều là phải đảm

20


bảo camera nhận được màu sắc chuẩn xác - đây chính là mấu chốt để đảm
bảo chất lượng nhận dạng. Dưới đây phân tích cơ sở ánh sáng và đánh giá.

Hình 1.6 - Sự sai khác so với nền (chỉnh ngang bằng với hạt tốt) của hạt lỗi
và tạp chất

Hình 1.7: Quan hệ giữa hệ số phản xạ và bước sóng đối với gạo và các loại
tạp chất
Ánh sáng là một trường hợp riêng của sóng điện từ, tương tác với bề mặt vật
liệu theo phương thức: phản xạ, khuếch tán, khúc xạ, tổng hợp (hình 1.8).
Tuỳ thuộc vào tính chất
bề mặt mà tương tác theo khuynh hướng nào trội nhất. Với máy phân loại hạt
nơng sản nói chung, do tính chất vật liệu, chỉ khảo sát trường phản xạ và
khuếch tán.
Phần mềm nhận dạng và phân loại theo màu sắc

21