MỤC LỤC


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Máy phân loại theo màu sắc JTDM-CCD320
Hình 1.2 Hạt đậu trước và sau khi được phân loại.
Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của PLC.
Hình 2.2 Các cổng vào ra của CPU224 AC/DC/RLY
Hình 2.3 Truyền thông trong S7-200.
Hình 2.4 Vòng quét (scan) trong S7-200
Hình 2.5 Đặc tính mở của phần mềm WinCC
Hình 3.1 Băng chuyền
Hình 3.2 Động cơ điện một chiều
Hình 3.3 Đặc tính cơ của động cơ
Hình 3.4 Động cơ 12V-DC
Hình 3.5 Cảm biến màu TCS 3200
Hình 3.6 Cấu tạo cảm biến màu
Hình 3.7 Color Filter Array
Hình 3.8 Nguyên lý phối màu
Hình 3.9 Arduino
Hình 3.10Vi điều khiển ATMEGA4328P-PU
Hình 3.11 Mạch Arduino tự chế
Hình 3.12Các cổng vào ra của Arduino
Hình 3.13 Cách nối dây Ardurino và TCS 3200
Hình 3.14Cảm biến quang
Hình 3.15 Sơ đồ khối của rơle điện từ
Hình 3.16 Đặc tính vào ra của rơle
Hình 3.17 Cấu trúc chung của rơle điện từ
Hình 3.18 Nguyên lý cấu tạo role điện từ



Hình 4.21cửa sổ soạn thảo Tag Logging
Hình 4.22 Hộp thoại Timers Properties
Hình 4.23Cửa sổ soạn thảo Tag Logging
Hình 4.24Hộp thoại Properties of WinCC Online Table Control
Hình 4.25Giao diện Tag Logging
Hình 5.1 Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc
Hình 5.2 Giao diện điều khiển và giám sát mô hình bằng WinCC


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Các cổng ghép nối S7-200 với máy tính PC
Bảng 3.1 Các loại băng chuyền
Bảng 3.2 Photodiode Type
Bảng 3.3 Output Frequency Scaling

Bảng 3.4 Một số thông số của Arduino UNO R3
Bảng 3.5 Bảng nối chân ARDUINO và TCS 3200
Bảng 4.1 Phân công vào ra trong chương trình


LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ ,nhu cầu tự động hóa
trong các nhà máy xí nghiệp trở nên vô cùng cấp thiết. Vì vậy vấn đề đặt ra là
phải thiết kế các hệ thống phân loại sản phẩm nhằm giải phóng công việc lao
động chân tay và nâng cao năng suất cho nhà máy.
Nhận thấy đây là vấn đề rất sát thực, với những kiến thức đã được trang bị
trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng,
em đã lựa chọn đề tài : “THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ
ĐẾM SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC DÙNG PLC S7-200 VÀ WINCC”.


Hiện nay hệ thống phân loại sản phẩm được ứng dụng rất nhiều trong sản xuấtcủa
các nhà máy như trong dây truyền phân loại gạch, ngói, đá granite, hoặc phân loại
các sản phẩm nhựa.Một số nghiên cứu ứng dụng để phân loại hạt cà phê và nhiều
ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp khác.
Điển hình trong khi tại hầu hết các nhà máy sản xuất gạch ốp lát hiện nay khâu
phân loại gạch được thực hiện bằng mắt thường của người lao động do đó năng
suất sản xuất và độ chính xác không được cao, một hệ thống tự động nhận dạng và
phân loại ra đời hứa hẹn sẽ tiết kiệm sức người và tăng năng suất cho các nhà máy.
Nước ta là một nước có ngành công nghiệp rất phát triển nhưng các thiết bị
máy móc để phục vụ cho nông nghiệp thì còn rất hạn chế, như trong hệ thống sản
xuất gạo chất lượng cao những chi tiêu về chất lượng đòi hỏi rất cao, những quy
định chặt chẽ về tỉ lệ của những hạt không đạt yêu cầu như hạt bị sâu, đen, đỏ,
vàng. Các phương pháp phân loại truyền thống thường ít có tác dụng với tất cả các
dạng gạo xuất khẩu và tạo chất đòi hỏi phải có những đổi mới trong công nghệ
này.

SVTH: Hoàng Anh Tùng

Trang 7


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: ThS. Nguyễn Thị Kim Trúc

Hình 1.1: Máy phân loại theo màu sắc JTDM-CCD320

SVTH: Hoàng Anh Tùng


về năng suất và chất lượng đặc biệt là các loại máy móc tự động.Vì vậy việc ra đời
của ngành tự động hoá không những giảm bớt lao động của con người mà còn
nâng cao được năng suất và chất lượng sản phẩm.
Quá trình tự động hoá đã làm cho việc quản lí trở nên rất đơn giản, bởi vì nó
không những thay đổi điều kiện làm việc của công nhân mà còn có thể giảm số
lượng công nhân đến mức tối đa. Ngoài ra tự động hoá còn cải thiện được điều
kiện làm việc của công nhân, tránh cho công nhân những công việc nhàm chán,
lặp đi lặp lại, có thể thay cho con người lao động ở những nơi có điều kiện làm
việc nguy hiểm, độc hại…
Tự động hoá có thể áp dụng cho nhiều loại hình sản xuất hàng loạt và đơn chiếc
với một trình độ chuyên môn hoá cao cũng chính vì thế mà năng suất cũng như
chất lượng sản phẩm rất cao. Ngày nay để đánh giá mức độ của một nền sản xuất,
người ta đánh giá vào mức độ tự động hoá của nền sản xuất đó.
Với tầm quan trọng như thế, ngành tự động hoá rất được các quốc gia trên thế giới
quan tâm bởi đó không những là bộ mặt của nền sản xuất mà trong thời buổi
kinhtế thị trường việc cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường là rất khó khăn, nó
đòi hỏi không những về chất lượng sản phẩm mà còn cả về giá thành.
Trong thời gian gần đây, tự động hoá được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
của đời sống từ kinh tế đến chính trị - xã hội, như: Trong công nghiệp, y tế, ngân
hàng, thư viện…
1.4 Nhu cầu tự động hóa trong phân loại sản phẩm

Hiện nay công việc phân loại sản phẩm là một công việc lặp đi lặp lại nên không
thể tránh được sự nhàm chán trong công việc. Công việc phân loại sản phẩm theo
SVTH: Hoàng Anh Tùng

Trang 10


Đồ án tốt nghiệp

nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hoàn toàn chưa được áp dụng trong những
khâu phân loại mà vẫn còn sử dụng nhân công, chính vì vậy nhiều khi cho ra năng
suất thấp chưa đạt hiệu quả. Từ những điều đã được nhìn thấy trong thực tế cuộc
sống và những kiến thức mà em đã học được ở trường muốn tạo ra hiệu suất lao
động lên gấp nhiều lần, đồng thời vẫn đảm bảo được độ chính xác cao về màu sắc
của sản phẩm. Thiết kế và thi công một mô hình sử dụng băng chuyền để phân loại
sản phẩm vì nó rất gần gũi với thực tế, vì trong thực tế có nhiều sản phẩm được
SVTH: Hoàng Anh Tùng

Trang 11


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: ThS. Nguyễn Thị Kim Trúc

sản xuất ra đòi hỏi phải được phân loại tương đối chính xác và nó thật sự rất có ý
nghĩa đối với chúng em, góp phần làm cho xã hội ngày càng phát triển mạnh hơn,
1.5.1
-

để xứng tầm với sự phát triển của thế giới.
Nội dung đồ án
Tìm hiểu về PLC S7-200.
Tìm hiểu phần mền Win CC.
Thiết kế được mô hình phân loại sản phẩm màu, phân biệt được 3 màu khác nhau.
Lập trình PLC S7-200 và xây dựng giao diện điều khiển và giám sát qua Win CC.

SVTH: Hoàng Anh Tùng


-

Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.

-

Hoàn toàn tin cậy trog môi trường công nghiệp.

-

Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như : máy tính, nối mạng, các
modul mở rộng.
Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC hiện nay có ứng dụng rất rộng rãi. Thiết bị
điều khiển logic khả trình PLC đáp ứng được hầu hết các yêu cầu và như là yếu tố
chính trong việc nâng cao hơn nữa hiệu quả sản xuất trong công nghiệp. Trước
đây thì việc tự động hoá chỉ được áp dụng trong sản xuất hàng loạt năng suất cao.
Hiện nay cần thiết phải tự động hoá cả trong sản xuất nhiều loại khác nhau để
nâng cao năng suất và chất lượng.
Để thực hiện một trương trình điều khiển thì PLC phải có tính năng như một máy
tính, hay phải có bộ vi xử lý (CPU ), một hệ điều hành, bộ nhớ lưu chương trình
điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao tiếp với nhiều đối tượng điều khiển
và trao đổi thong tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài
tán điều khiển số, PLC còn cần có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ
đếm( Counter ), bộ định thì( timer)… và những khối hàm chuyên dụng khác.

2.2 PLC SIMATIC S7-200 CPU 224

2.2.1 Cấu trúc phần cứng
S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng SIEMENS
(CHLB Đức) có cấu trúc theo kiểu Modul và có các modul mở rộng. Các modul

- Bộ nhớ chương trình: 12KB
- Bộ nhớ dữ liệu: 8KB
- Điều khiển PID: Có
- Phần mềm: Step 7 Micro/WIN.
- Thời gian xử lý 1024 lệnh nhị phân : 0.37ms
- Bit memory/Counter/Timer : 256/256/256
- Bộ đếm tốc độ cao: 6 x 60 Khz
- Bộ đếm lên/xuống: Có
- Ngắt phần cứng: 4
- Số đầu vào/ra có sẵn: 14DI / 10DO.
- Số đầu vào / ra số cực đại ( nhờ lắp ghép thêm Modul số mở rộng: DI/DO/MAX:

94 / 74 / 168
- Số đầu vào / ra tương tự ( nhờ lắp ghép thêm Modul Analog mở rộng:

AI/AO/MAX:28/7/35hoặc 0/14/14.IP20
- Kích thước: Rộng x Cao x Sâu : 120 x 80 x 62.
- Thêm cổng PPI làm tăng tính linh hoạt và lựa chọn truyền thông
- Các cổng vào ra

SVTH: Hoàng Anh Tùng

Trang 14


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: ThS. Nguyễn Thị Kim Trúc

Hình 2.2 Các cổng vào ra của CPU224 AC/DC/RLY

-

RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình từng bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ RUN
sang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP.

-

STOP: Cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ
STOP.

-

TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC hoặc
RUN hoặc STOP.
2.2.2 Cổng truyền thông
S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục
vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác.Tốc độ
truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud. Tốc độ truyền cung cấp của PLC
theo kiểu tự do là 38.400 baud.

SVTH: Hoàng Anh Tùng

Trang 15


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: ThS. Nguyễn Thị Kim Trúc

Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ

Thế hệ Simatic S7-200 rất linh hoạt và hiệu quả sử dụng cao do những đặc
tính sau:
-

Có nhiều loại CPU khác nhau trong hệ S7-200 nhằm đáp ứng yêu cầu của khác
nhau của từng úng dụng.

-

Có nhiều Modul mở rộng khác nhau như các Modul ngõ vào/ra tương tự, Modul
ngõ vào/ra số.

-

Modul truyền thông để kết nối PLC trong hệ S7-200 vào mạng Profibus-DP như là
một Slave.

SVTH: Hoàng Anh Tùng

Trang 16


Đồ án tốt nghiệp
-

GVHD: ThS. Nguyễn Thị Kim Trúc

Modul truyền thông để kết nối PLC trong hệ S7-200 vào mạng AS-I như là một
MASTER.



Có thể lập trình cho PLC S7-200 bằng cách sử dụng một trong những phần mềm
sau :
-STEP7-Micro/ DOS.
-STEP7-Micro/ WIN.
Những phần mềm này đều có thể cài đặt được trên các máy lập trình họ PG7xx và
các máy tính cá nhân (PC).
SVTH: Hoàng Anh Tùng

Trang 17


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: ThS. Nguyễn Thị Kim Trúc

Các chương trình cho S7-200 phải có cấu trúc chương trình chính (main progam)
và sau đó đến các chương trình con và chương trình sử lý ngắt được chỉ ra sau đây:
-

Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình (MEND).
Chương trình con là một bộ phận của chương trình, các chương trình con phải

-

được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính đó là lệnh MEND.
Các chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chương trình. Nếu cần sử dụng
chương trình, cần xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc chương

-

thuộc kiêu không bị mất dữ liệu, đọc và ghi được.

-

Vùng nhớ tham số: Là vùng lưu giữ các thông số như: từ khóa, địa chỉ trạm. Có
thể đọc và ghi được.

-

Vùng nhớ dữ liệu: Được sử dụng để lưu trữ các dữ liệu của trương trình.
Vùng dữ liệu được chia thành những vùng nhớ nhỏ vói các công dụng khác nhau.
Chúng được kí hiệu bằng các chữ cái đầu tiếng anh:

-

V: Biến nhớ. V0-v4095
I: Vòng đệm đầu vào. I0.x( x=0-7)-I7.x( x=0-7)
Q: Vòng đệm đầu ra. Q0.x( x=0-7)-Q7.x( x=0-7)
M: Vùng nhớ nội ( bits).M0.x( x=0-7)-M31.x( x= 0-7).
SM: vùng nhớ đặc biệt (bits).
Vùng nhớ chi đọc SM0.x( x=0-7)- SM29.x( x=0-7).
Vùng nhớ đọc/ghi SM30.x( x=0-7)- SM85.x( x=0-7)
2.2.7 Ngôn ngữ lập trình
Có 3 dạng ngôn ngữ lập trình cơ bản đó là:

-

Phương pháp hình thang ( Ladder Logic ) viết tắt là LAD.

-

Hộp (box): Là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau, nó làm việc khi có dòng điện
chạy đến hộp. Những dạng hàm thường được biểu diễn bằng hộp là các bộ thời

SVTH: Hoàng Anh Tùng

Trang 19


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: ThS. Nguyễn Thị Kim Trúc

gian (Timer), bộ đếm (Counter) và các hàm toán học. Cuộn dây và các hộp phải
-

được mắc đúng chiều dòng điện.
Mạng LAD: Là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn thiện, đi từ đường
nguồn bên trái sang đường nguồn bên phải. Đường nguồn bên trái là dây nóng,
đường nguồn bên phải là dây trung hoà hay là đường trở về nguồn cung cấp
(đường nguồn bên phải thường không được thể hiện khi dùng chương trình tiện
dụng STEP7-Mcro/Dos hoặcMicro/Win). Dòng điện chạy từ bên trái qua các tiếp
điểm đóng đến các cuộn dây hoặc các hộ trở về bên phải nguồn.

2.3 Tổng quan phần mềm Win CC
2.3.1 Giới thiệu chung
WinCC (Windows Control Center - Trung tâm điều khiển trên nền Windows),
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 và Windows 2000. Trong dòng
các sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc
thứ hạng SCADA với những chức năng hữu hiệu dành cho việc điều khiển.

b. Hệ thống khách chủ với các chức năng SCADA

Ngay từ hệ thống WinCC cơ sở đã có thể cung cấp tất cả các chức năng để người
dùng có thể khởi động các yêu cầu hiển thị phức tạp.Việc gọi những hình ảnh
(picture), các cảnh báo (alarm), đồ thị trạng thái (trend), các báo cáo (report) có
thể dễ dàng được thiết lập.
c. Có thể nâng cấp mở rộng dễ dàng từ đơn giản đến phức tạp

WinCC là một module trong hệ thống tự động hoá, vì thế, có thể sử dụng nó để
mở rộng hệ thống một cách linh hoạt từ đơn giản đến phức tạp từ hệ thống với một
máy tính giám sát tới hệ thống nhiều máy giám sát, hay hệ thống có cấu trúc phân
tán với nhiều máy chủ (server). Có thể phát triển tuỳ theo lĩnh vực công nghiệp
hoặc từng yêu cầu công nghệ. Một loạt các module phần mềm mở rộng định
hướng cho từng loại ứng dụng đã được phát triển sẵn để người dùng chọn lựa khi
cần.
d. Cơ sở dữ liệu ODBC/SQL đã được tích hợp sẵn

Cơ sở dữ liệu Sysbase SQL đãđược tích hợp sẵn trong WinCC.Tất cả các dữ liệu
về cấu hình hệ thống và các dữ liệu của quá trình điều khiển đựơc lưu giữ trong cơ
sở dữ liệu này.Người dùng có thể dễ dàng truy cập tới cơ sở dữ liệu của WinCC
bằng SQL (Structured Query Language) hoặc ODBC (Open Database

SVTH: Hoàng Anh Tùng

Trang 21


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: ThS. Nguyễn Thị Kim Trúc


WinCC có sẵn các kênh truyền thông để giao tiếp với các loại PLC của Siemens
như SIMATIC S5/S7/505 cũng như thông qua các giao thức chung như
PROFIBUS DP, DDE hay OPC. Thêm vào đó, các chuẩn thông tin khác cũng có
sẵn như là những lựa chọn hay phần bổ sung.
j.

WinCC như một phần tử của hệ thống Tự động hoá tích hợp toàn diện (Totally
Integrated Automation-TIA)

SVTH: Hoàng Anh Tùng

Trang 22


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: ThS. Nguyễn Thị Kim Trúc

WinCC đóng vai trò như cửa sổ hệ thống và là phần tử trung tâm của hệ.Nó cũng
chính là phần tử SCADA trong hệ thống PCS 7 của Siemens.
2.3.3 Các cấu hình hệ thống cơ bản
WinCC có thể hỗ trợ các cấu hình hệ thống từ thấp đến cao, ví dụ như trong các
cấu hình như sau:
-

Hệ thống điều khiển dùng một máy tính (Sing-user system)

-


chất kịch tính có thể được tái tạo lại phục vụ cho mục đích phân tích.

SVTH: Hoàng Anh Tùng

Trang 23


Đồ án tốt nghiệp
b.

GVHD: ThS. Nguyễn Thị Kim Trúc

Quyền truy nhập hệ thống và công tác quản trị người sử dụng
WinCC chỉ cho phép những người được uỷ quyền truy cập vào hệ thống. Có tới
1000 mức truy cập khác nhau cho phép phân chia quyền truy cập và can thiệp vào
hệ thống ở mức độ khác nhau. Mật khẩu (password) và tên người sử dụng (user
name) xác định quyền truy cập của mỗi người.Điều này cũng có thể được định
nghĩa lại trong quá trình vận hành hệ thống.Một công cụ có tên là “User
Administrator” (Quản trị người sử dụng) được dùng để thoả mãn mục đích
này.Quyền truy cập sẽ hết hiệu lực nếu thời hạn cho phép đã kết thúc.

c.

Chuyển đổi ngôn ngữ sử dụng
Một vài ngôn ngữ có thể được xác lập trong quá trình cài đặt để làm ngôn ngữ sử
dụng của một dự án.Trong quá trình vận hành, người sử dụng chỉ việc nhấn chuột
vào một hộp thoại để thay đổi ngôn ngữ sử dụng.

2.3.5 Các chức năng cơ bản
a. Hệ thống đồ hoạ (Graphics System)

Các đối tượng đãđược thay đổi để phù hợp với nhu cầu của người sử dụng.
Người xây dựng hệ thống có thể thể hiện qui trình công nghệ mà mình điều khiển
bằng đồ họa. Việc định nghĩa các tính chất cơ bản của các đồ hoạ như: hình dáng
hình học, màu sắc, kiểu hoa văn,... có thể được thực hiện dễ dàng bằng cách sử
dụng các công cụ thiết kế đồ hoạ có sẵn.

SVTH: Hoàng Anh Tùng

Trang 24


Đồ án tốt nghiệp
b.

GVHD: ThS. Nguyễn Thị Kim Trúc

Hệ thống thông báo (Message System)
Hệ thống thông báo của WinCC cung cấp thông tin đầy đủ về các lỗi và trạng thái
nói chung trong quá trình hoạt động. Nó thể hiện các thông báo lúc hiện tại cũng
như trong quá khứ. Các thông báo này giúp người vận hành sớm phát hiện ra các
sự cố để khắc phục kịp thời, tránh được các sự cố. Ta có thể tự do lựa chọn các
khối thông báo, các thứ hạng thông báo, các dạng thông báo, các kiểu hiển thị
thông báo.
Một thông báo gồm các khối thông báo có chứa các giá trị của quá trình.Mỗi
thông báo được sắp đặt tại một tệp tin (file) bao gồm 16 thứ hạng thông báo
(message classes) và 16 loại thông báo (message type) cho mỗi thứ hạng thông
báo.Điều đó có nghĩa là: có thể phân biệt các thông báo thuộc loại cảnh báo, nhắc
nhở, báo lỗi, hoạt động sai chức năng,... cho các vùng khác nhau của hệ thống.

c. Chức năng thu thập dữ liệu (Tag Logging)