Đồ án 2 GVHD: Th.S Trần Văn Hùng

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 1 LỜI MỞ ĐẦU

Robot và công nghệ cao là những khái niệm của sản xuất tự động hoá
hiện đại. Một đặc điểm quan trọng của robot công nghiệp là chúng cho phép dễ
dàng kết hợp những việc phụ và chính của một quá trình sản xuất thành một
dây chuyền tự động. So với các phƣơng tiện tự động hoá khác, các dây chuyền
tự động dùng robot có nhiều ƣu điểm hơn nhƣ dễ dàng thay đổi chƣơng trình
làm việc, có khả năng tạo ra dây chuyền tự động từ các máy vạn năng, và có
thể tự động hoá toàn phần.
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 nhƣng 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.
Tự động hóa là một nhu cầu không thể thiếu trong quá trình sản xuất
ngày nay. Việc ứng dụng tay máy scara và xử lí ảnh vào tự động hóa dây
chuyền sản xuất mà cụ thể hơn ở đây là dây chuyền phân loại sản phẩm trên
băng chuyền giúp cho việc sản xuất trở nên linh hoạt hơn, hiệu quả hơn. Với
nhu cầu tìm hiểu về hệ thống tự động trong sản xuất và với kiến thức của sinh
viên năm thứ 3 tại trƣờng đại học chúng em chọn đề tài “PHÂN LOẠI SẢN
PHẨM VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP VẬT DÙNG PLC S7 200” để
nghiên cứu và tìm hiểu.
Do yêu cầu về kiến thức về thiết kế, tính toán và điều khiển chính xác đối
với thiết kế phần cứng là rất cao nên nhóm chúng em không tránh khỏi những
thiếu sót. Do đó, rất mong muốn đƣợc sự chỉ bảo thêm của các thầy, cô và đóng
góp của bạn bè để đồ án đƣợc hoàn thiện hơn.
Đồ án 2 GVHD: Th.S Trần Văn Hùng Đồ án 2 GVHD: Th.S Trần Văn Hùng

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 3 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI
Sinh viên thực hiện : MSSV
Nguyễn Anh Dũng : 08096471
Trần Phƣơng Hoàng : 08090611
Nguyễn Đình Nam : 08106721
Lớp : DHDT4A
Ngành : Điện Tử Tự Động Hóa
Giảng viên hƣớng dẫn : Th.S Trần Văn Hùng

Đồ án 2 GVHD: Th.S Trần Văn Hùng

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 5

Mục Lục
PHẦN A: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 8
I. Lý do chọn đề tài 8
II. Mục đích nghiên cứu 8
III. Giới hạn đề tài 8
IV. Tiêu chuẩn đề tài 9

PHẦN B: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10
CHƢƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN CỨNG 10
1. Động cơ DC 10
1.1 Cấu tạo 10
1.2 Nguyên tắc hoạt động 11

2.Xử lý ảnh trong matlab 31
2.1 Các bƣớc cơ bản trong trong xử lý ảnh 31
2.2 Các khái niệm cơ bản: 32
2.3 Giới thiệu ảnh số 33
2.4 Ảnh màu 34
3. Thu nhận ảnh 36
4.Phƣơng pháp xử lí ảnh trong đề tài 41
5. Phƣơng pháp nhận dạng trong đề tài 45
6. Opc toolbox của Matlab 48
6.1 Các khái niệm cơ bản 48
6.2 Nhóm lệnh kết nối trong opc toolbox 49

Đồ án 2 GVHD: Th.S Trần Văn Hùng

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 7

PHẦN C: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 50
CHƢƠNG I: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 53
1. Mạch công suất động cơ DC: 53
2. Mạch công suất động cơ bƣớc: 55
3. Relay đóng mở van khí 57
CHƢƠNG II: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 58
1. Lập trình PLC với phần mềm Step 7 Microwin 58
1.1 Lƣu đồ giải thuật trƣớc khi có vật 59
1.2 Lƣu đồ thuật giải khi có vật 61
1.3 Lƣu đồ thuật giải sau khi đã xác định đƣợc vật 62
PHẦN D: KẾT LUẬN 71
I. NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 71
II. NHỮNG KẾT QUẢ CHƢA ĐẠT ĐƢỢC 71
III. HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 71

-Nâng cao kỹ năng thiết kế và lập trình bằng ngôn ngữ matlab.
-Tìm hiểu và lập trình PLC cho hệ thống
-Hiểu và sử dụng đƣợc các thiết bị trong công nghiệp nhƣ Rờ le, cảm biến, khí
nén, động cơ…
-Rèn luyện kỹ năng nghiên cứu, tìm hiểu tài liệu.

III. Giới hạn đề tài
Nhằm xác định cụ thể hơn cho miền hình ảnh nhận dạng của đồ án và việc
phân tích bài toán đƣợc sâu hơn, giới hạn bài toán nhận dạng hình khối trong
đồ án này nhƣ sau:.
Đồ án 2 GVHD: Th.S Trần Văn Hùng

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 9

-Nhận dạng các hình khối riêng lẻ không lồng nhau.
-Hình ảnh không quá đặc biệt, ví dụ nhƣ hình tam giác không quá tù.
-Ảnh có định dạng BMP.
-Mức độ xoay của ảnh không quá cao

IV. Tiêu chuẩn đề tài
Đề tài chủ yếu đƣợc thiết kế với mục đích chính là mô hình thí nghiệm thu nhỏ
về hệ thống phân loại sản phẩm trên băng chuyền và dùng tay máy scara gắp
vật trong công nghiệp. Với kết cấu phần cứng đơn giản và thuật toán xử lí
không quá phức tạp, còn hạn chế nhiều mặt nên mô hình không thể đƣợc ứng
dụng thực tế để sản xuất mà chi mang tính chất mô hình để nghiên cứu.
qua khung dây sinh ra từ trƣờng. Theo nguyên tắc bàn tay trái lực từ làm cho
khung dây quay một góc 90
0
. Khi roto quay đƣợc một góc 90
0
thì lực từ không
còn tác dụng là “momen” quay nữa, nhƣng do quán tính làm cho roto quay
thêm một góc nhỏ nữa. Roto liên tục và đúng chiều là do bộ cổ góp điện sẽ làm
chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ.
Trong các máy điện một chiều lớn, ngƣời ta có nhiều cuộn dây nối ra
nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay đƣợc
liên tục và hầu nhƣ không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của Roto.

Hình 2: Nguyên lý hoạt động của đông cơ DC
1.3 Các phƣơng pháp điều khiển
Có nhiều cácnh để điều khiển tốc độ động cơ DC nhƣ bằng phƣơng
pháp thay đổi điện áp, thay đổi từ thông hoặc phƣơng pháp điều chỉnh độ rộng
xung (PWM). Trong cánh tay máy thì chúng em chọn phƣơng pháp điều khiển
bằng cách thay đổi độ rộng xung. Chọn phƣơng pháp này vì chúng dễ thực
hiện, mạch cấu tạo đơn giản.
Đồ án 2 GVHD: Th.S Trần Văn Hùng

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 12 Hình 3: Điều khiển động cơ bằng PWM hi lo
avg

Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bƣớc là ta có
thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị
trí nhƣ các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác
với servo).
V
hi

V
lo
b
a
t
Đồ án 2 GVHD: Th.S Trần Văn Hùng

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 13

Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hƣởng tới
chất lƣợng điều khiển. Với động cơ bƣớc, tốc độ quay của rotor không phụ
thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo đƣợc). Khi momen
tải quá lớn gây ra hiện tƣợng trƣợt, do đó không thể kiểm soát đƣợc góc quay.

2.2 Phân loại động cơ bƣớc:
Động cơ bƣớc cơ bản đƣợc chia làm 3 loại:
Động cơ bƣớc nam châm vĩnh cữu:
Động cơ bƣớc đơn cực
Động cơ bƣớc lƣỡng cực
Động cơ bƣớc nhiều pha
Động cơ bƣớc biến trở từ
Động cơ bƣớc lai
Động cơ bƣớc đơn cực:


Động cơ bƣớc kiểu từ trở:

Hình 7: Sơ đồ nguyên lý động cơ bƣớc từ trở
Thông thƣờng có ba hoặc bốn cuộn dây đấu chung một đầu. Đầu chung đƣợc
nối với nguồn dƣơng, các đầu còn lại lần lƣợt cho thông với đất để quay rotor.
Trên hình vẽ, rotor có 4 răng và stator có 6 cực. Mỗi cuộn dây sẽ đƣợc quấn
trên hai cực đối nhau. Vì vậy, giả sử, khi cấp điện cho cực 1 (stator), rotor sẽ
quay cực gần nhất (X) để răng thẳng với cực 1. Cắt điện cuộn số 1, tiếp tục cấp
điện cho cuộn 2, rotor sẽ quay răng tiếp sau (Y) cho thẳng với cực 2. Cứ nhƣ
vậy điều khiển quay rotor.
Động cơ bƣớc lai:

Hình 8: Sơ đồ nguyên lý động cơ bƣớc lai

Đồ án 2 GVHD: Th.S Trần Văn Hùng

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 16

STEP lai là loại kết hộp giữa STEP từ thông thay đổi và loại nam châm vĩnh
cửu. rotor cho động cơ STEP lai có nhiều răng , giống nhƣ loại từ thông thay
đổi, chứa lõi từ hóa tròn đồng tâm xoay quanh trục của nó. Răng của rotor tạo
đƣờng dẫn giúp định hƣớng cho từ thông ƣu tiên vào trong lỗ không khí. STEP
lai đƣợc lái giống nhƣ STEP đơn cực và lƣỡng cực.

2.3 Phƣơng pháp điều khiển:
Step
1a
1b
2a

Step
1a
1b
2a
2b
1
1
0
0
1
2
1
0
0
0
3
1
1
0
0
4
0
1
0
0
5
0
1
1
0

1
1
0
0
1
2
1
1
0
0
3
0
1
1
0
4
0
0
1
1

Bảng 3: Điều khiển fullstep động cơ lƣỡng cực: Hình 11: Giản đồ xung fullstep động cơ bƣớc lƣỡng cực
Đồ án 2 GVHD: Th.S Trần Văn Hùng

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 19
- Không cho khí vào xi lanh thì pitton có thể ở vị trí bất kỳ.
- Khí vào 1 ra 2: pitton bị đẩy ra.
- Khí vào 2 ra 1: pitton bị đẩy vào. Đồ án 2 GVHD: Th.S Trần Văn Hùng

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 21

Hình 15 : Xi lanh 2 chiều trong thực tế
CHƢƠNG II : LÝ THUYẾT PLC S7-200
1. Tổng quan về PLC
1.1 Khái niệm chung
Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC là dạng thiết bị điều khiển đặc
biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình đƣợc để lƣu trữ các lệnh và
thực hiện các chức năng, chẳng hạn cho phép tính logic, lập chuỗi, định giờ,
đếm, và các thuật toán để điều khiển máy và các quá trình công nghệ, thay cho
việc thể hiện thuật toán đó bằng các mạch số
Về cơ bản chức năng của bộ điều khiển logic PLC cũng giống nhƣ chức
năng của bộ điều khiển thiết kế trên cơ sở các rơle công tắc tơ hoặc trên cơ sở
các khối điện tử đó là:
+ Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến
+ Liên kết, ghép nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiện
đóng mở các mạch phù hợp với công nghệ,
+ Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các
thông tin thu thập đƣợc,
+ Phân phát các lệnh điều khiển đến các địa chỉ thích hợp.
Riêng đối với máy công cụ và ngƣời máy công nghiệp thì bộ PLC có thể
liên kết với bộ điều khiển số NC hoặc CNC hình thành bộ điều khiển thích
nghi. Trong hệ thống của các trung tâm gia công, mọi quy trình công nghệ đều

Cổng vào ra
Cổng ngắt và đếm tốc
độ cao
Quản lý ghép nối

Hình 16 : Sơ đồ khối một PLC

Đồ án 2 GVHD: Th.S Trần Văn Hùng

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 23 2.1 Bộ xử lý
Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý. Bộ
xử lý biên dịch các tín hiệu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo
chƣơng trình đƣợc lƣu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dƣới dạng
tín hiệu hoạt động đến các thiết bị ra
2.2 Bộ nguồn
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp cho bộ vi xử
lý (thƣờng là 5V) và cho các mạch điện đầu ra hoặc các module còn lại (thƣờng
là 24V).
2.3 Thiết bị lập trình
Thiết bị lập trình đƣợc sử dụng để lập các chƣơng trình điều khiển cần thiết sau
đó đƣợc chuyển cho PLC. Thiết bị lập trình có thể là thiết bị lập trình chuyên
dụng, có thể là thiết bị lập trình cầm tay gọn nhẹ, có thể là phần mềm đƣợc cài
đặt trên máy tính cá nhân.
2.4 Bộ nhớ
Bộ nhớ là nơi lƣu giữ chƣơng trình sử dụng cho các hoạt động điều khiển. Bộ
nhớ cũng có thể đƣợc chế tạo thành module cho phép dễ dàng thích nghi với
các chức năng điều khiển có kích cỡ khác nhau, khi cần mở rộng có thể cắm

- Vùng nhớ SM (Special memory) : SM0.0 – SM549.7
SM0.0 – SM29.7 (Read-only)
-Vùng nhớ bộ đếm tốc độ cao: HC0 – HC5
-Vùng nhớ thanh ghi tổng: AC0 – AC3
4. Vòng quét chƣơng trình
PLC thực hiện chƣơng trình theo chu kì lặp. Mỗi vòng lặp đƣợc gọi là vòng
quét (Scan) . Thời gian thực hiện vòng quét của PLC phụ thuộc vào: kích thƣớc
của chƣơng trình, số lƣợng ngõ vào ra, số lƣợng thông tin truyền thông và tốc
độ xử lý của CPU.
Đồ án 2 GVHD: Th.S Trần Văn Hùng

Phân loại sản phẩm và điều khiển tay máy gắp vật dùng PLC S7 200 25 Hình 17 : Vòng quét chƣơng trình
5. Cấu trúc chƣơng trình
Chƣơng trình trong S7-200 có thể đƣợc lập trình với 2 dạng cấu trúc khác nhau.
a/ Lập trình tuyến tính: toàn bộ chƣơng trình nằm trong một khối trong bộ nhớ.
Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động
nhỏ,không phức tạp .Khối đƣợc chọn phải là khối OB1, là khối mà PLC luôn
quét và thực hiện các lệnh trong đó thƣờng xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh
cuối cùng và quay lại lệnh đầu tiên.
b/ Lập trình có cấu trúc: Chƣơng trình đƣợc chia thành những phần nhỏ và mỗi
phần thực thi những nhiệm vụ chuyên biệt riêng của nó, từng phần này nằm
trong những khối chƣơng trình khác nhau .Loại hình cấu trúc này phù hợp với
những bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ và phức tạp. PLC S7 200 có 3 loại
khối cơ bản sau:
- Loại khối OB1 ( Organization Block) : Khối tổ chức và quản lí chƣơng trình
điều khiển . Khối này luôn luôn đƣợc thực thi,và luôn đƣợc quét trong mỗi chu
kì quét.