Trước sự hội nhập của nền kinh tế thế giới, nền công nghiệp nước ta nói riêng và các nước trên thế giới nói chung đang trong thời kỳ phát triển mạnh mẽ. Nước ta đã và đang xuất hiện nhiều doanh nghiệp đầu tư trong nước và ngoài nước, không chỉ về mặt kinh tế, nền công nghiệp nước ta đang dần được cải thiện về quy mô lẫn công nghệ, nhiều công ty xí nghiệp, nhà máy, khu công nghiệp đã và đang hình thành. Đi kèm với sự phát triển ấy, số lượng sản phẩm, hàng hóa công nghiệp được tăng nhanh. Để đáp ứng được nhu cầu lưu kho, xuất kho một cách khoa học thì đòi hỏi người công nhân phải thực hiện công việc của mình với một tốc độ cao và chính xác, không chỉ vậy độ an toàn lao động của những người công nhân luôn được quan tâm. Để cải thiện được điều này, ở nhiều khu công nghiệp, công ty, nhà máy trên thế giới đã phát minh ra nhiều bộ phận máy móc, robot dùng để vận chuyển hàng hóa, sản phẩm một cách khoa học nhất. Ở Việt Nam, công nghệ này vẫn còn đang hạn chế, vẫn chưa được sử dụng nhiều ở các khu công nghiệp, nhà máy. Chính vì vậy, với sự giúp đỡ của thầy cô trong bộ môn, em đã quyết định tìm hiểu và xây dựng một mô hình “Thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc và lưu kho tự động ”. Trong thời gian nghiên cứu và làm đồ án dựa vào kiến thức đã được học ở trường, qua một số sách, tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo,các bạn và đặc biệt là với sự hướng dẫn tận tình của cô TH.S ĐÀM THỊ HƯỜNG em đã hoàn thành nghiên cứu và thiết kế đề tài lần này. Mặc dù đã cố gắng hoàn thành nhưng với kinh nghiệm và khả năng còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót và nhầm lẫn, vì vậy em rất mong các thầy, cô giáo cùng các bạn đóng góp những ý kiến quý báu để đồ án môn học của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn!
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀi
Vai trò của tự động hóa trong công nghiệp
Một trong những yếu tố quan trọng, quyết định đến việc tăng năng suất lao động, chất lượng sản phẩm là áp dụng tự động hóa trong công nghiệp Có rất nhiều sự thay đổi tích cực khi các công ty áp dụng tự động hóa vào trong hoạt động sản xuất của mình, lợi ích của tự động hóa bao gồm:
• Tăng năng suất lao động: các dây chuyền tự động hóa có thể hoạt động liên tục 24/24 mà không cần đến sự can thiệp của con người chính vì vậy lượng sản phẩm được sản xuất ra sẽ nhiều hơn so với việc không áp dụng tự động hóa công nghiệp
• Tăng chất lượng sản phẩm: việc các ứng dụng tự động hóa được lập trình chính xác, sẽ giảm đáng kể về sai số của sản phẩm so với thao tác thủ công của công nhân
Ngoài ra, tự động hóa còn giúp tăng khả năng cạnh tranh của doanh nghiệp, tăng tính linh hoạt, cắt giảm chi phí nhân công và nhiều chi phí khác
Hình 1 1Dây chuyền tự động hóa trong nhà máy thực tế
❖ Ưu điểm của tự động hóa công nghiệp
➢ Chi phí vận hành thấp hơn
Trên tất cả, mặc dù phải thừa nhận chi phí đầu tư cho tự động hóa ban đầu cao nhưng tính trong suốt quá trình sản xuất, nó lại giúp tiết kiệm tiền lương hàng tháng của công nhân, dẫn đến tiết kiệm đáng kể chi phí cho công ty
Với dây chuyền nhà máy, chi phí bảo trì liên quan đến máy móc được sử dụng cho tự động hóa công nghiệp là ít hơn vì nó không thường xuyên hỏng hóc Nếu nó không hoạt động tốt hoặc gặp sự cố, chỉ có các kỹ sư tự động, bảo trì được yêu cầu sửa chữa nó Đầu tư kế hoạch cẩn thận vào tự động hóa cũng có thể có ý nghĩa tài chính tốt Hoàn vốn 2 hoặc 3 năm cho chi phí lao động giảm tương đương với lợi tức đầu tư 30% -50%
Mặc dù nhiều công ty thuê hàng trăm công nhân tham gia sản xuất với 3 ca làm việc để vận hành nhà máy trong số giờ tối đa, nhà máy vẫn cần phải đóng cửa để bảo trì và nghỉ lễ Tự động hóa công nghiệp hoàn thành mục tiêu của công ty bằng cách cho phép vận hành một nhà máy sản xuất trong 24 giờ một ngày, 7 ngày trong một tuần và
365 ngày một năm Điều này dẫn đến một sự cải thiện đáng kể trong năng suất của công ty Nhưng chúng ta không cần nhìn quá xa tới vậy, với máy móc tự động, năng suất và sản lượng sản phẩm trong 1 giờ, thậm chí 1 phút có thể gấp 3, 4, 5 lần kiểu truyền thống
Tự động hóa làm giảm bớt lỗi liên quan đến sự thiếu chính xác của con người Hơn nữa, không giống như con người, robot không liên quan đến bất kỳ sự mệt mỏi, thái độ làm việc hay sự mất tập trung nào Điều này dẫn đến các sản phẩm sản xuất hàng loạt có chất lượng đồng đều dù được sản xuất tại các thời điểm khác nhau
Thêm một nhiệm vụ mới trong dây chuyền lắp ráp tức là đòi hỏi quy trình đó phải được đào tạo với người vận hành trực tiếp Tuy nhiên, robot có thể được lập trình để thực hiện bất kỳ nhiệm vụ nào Điều này làm cho quá trình sản xuất linh hoạt hơn
➢ Độ chính xác thông tin cao
Thêm khả năng thu thập dữ liệu tự động, có thể cho phép thu thập các thông tin sản xuất chính, cải thiện độ chính xác của dữ liệu và giảm chi phí thu thập dữ liệu của hệ thống quản lý sản xuất cung cấp các thông tin trung thực để đưa ra quyết định đúng đắn khi tính đến việc giảm lãng phí và cải thiện quy trình của mình
Việc sử dụng dây chuyền sản xuất tự động giải phóng con người khỏi sự vất vả của các nhiệm vụ lặp đi lặp lại – thay thế lao động của con người trong các nhiệm vụ được thực hiện trong môi trường nguy hiểm và vượt quá khả năng, trọng lượng, tốc độ và sức chịu đựng của con người
Nhìn vào những lợi ích được đề cập ở trên, không ít người cảm thấy có một động lực đáng để đầu tư vào tự động hóa Với sự phát triển của IoT và Cách Mạng Công Nghiệp 4.0, ngành tự động hóa công nghiệp đang đứng trước một bước ngoặt lịch sử Đi cùng với những cơ hội kinh doanh mới cũng là những thách thức mới, trong đó, đề tài an ninh mạng và dữ liệu đang và sẽ còn là vấn đề lớn cần được đáp ứng một cách triệt để trong thời gian tới.
Vấn đề thực tiễn
Nền công nghiệp nước ta nói riêng và các nước trên thế giới nói chung đang phát triển mạnh mẽ Ngày trước, sản phẩm được tạo ra một cách thủ công nên việc mang sản phẩm ra vào kho chủ yếu được thực hiện bằng sức người, do đó không tận dụng hết được các khoảng không gian, sức chứa của kho hàng, việc quản lý hàng hoá kém hiệu quả cũng như tốn nhiều diện tích đất làm nhà kho chứa hàng
Trong thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá ngày nay sản xuất ngày càng phát triển, hàng hóa làm ra càng nhiều đáp ứng nhu cầu tiêu dùng cho xã hội Từ đó đã nảy sinh cần có những kho hàng hiện đại đáp ứng yêu cầu của sản xuất và khắc phục được những hạn chế của các kho hàng cũ
Hiện tại, trên thế giới có nhiều hệ thống lưu trữ hàng hóa, các hệ thống này rất đa dạng, phong phú về thiết bị cũng như cách thức thực hiện Nhưng trong đó chủ yếu là sử dụng nhân công để bốc dỡ hàng hóa, các thiết bị bốc dỡ hàng là các máy nâng sử dụng người lái để sắp xếp hàng hóa vào kho
Nhìn chung, các nhà kho hiện nay có các nhược điểm sau:
- Sử dụng nhiều diện tích để chứa hàng hóa
- Không phân loại được các hàng hóa khác nhau (các hàng hóa thường để chung với nhau trong 1 kho)
- Không bảo quản tốt hàng hóa khi số lượng nhiều (chất hàng chồng lên nhau)
- Rất khó kiểm soát số lượng hàng hóa ra vào trong kho
Với sự ra đời của các hệ thống xếp hàng hóa tự động, người ta có thể quản lý tốt hàng hóa cũng như nhanh chóng trong việc lưu trữ và xuất hàng hóa ra khỏi kho, các hệ thống kho tự động được sử dụng robot để vận chuyển hàng hóa, điều này đồng nghĩa với việc đầu tư trang thiết bị hiện đại cho hệ thống kho tốn khá nhiều chi phí cho việc vận chuyển hàng hóa nhưng bù lại là hàng hóa được bảo quản tốt, thuận tiện cho việc quản lý và kiểm soát, tiết kiệm được nhân công …
Nhằm đáp ứng nhu cầu sắp xếp sản phẩm, hàng hóa một cách tự động giúp tiết kiệm thời gian và chi phí chúng em quyết định lựa chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc và lưu kho tự động ”.
Tìm hiểu các loại kho hàng tự động hiện nay
Kệ chứa hàng là hệ thống khung giàn (rack) dùng để chứa hàng hóa Có nhiều loại kệ chứa hàng được phân loại theo công năng và cách bố trí, vận hành của nó Hiện này để vừa tiết kiệm diện tích, vừa tăng tốc độ vận hành thì có các hình thức chứa hàng phổ biến như: kệ chứa hàng Pallet Flow, kệ chứa hàng Shuttle Rack, kệ chứa hàng AS- RS… Sau đây nhóm sẽ giới thiệu sơ qua các loại kệ chứa hàng
1.3.1 Kệ chứa hàng Pallet Flow
Kệ chứa hàng Pallet Flow bao gồm 1 hệ thống khung giàn (racking) đặt sát nhau (không có lối vào cho xe nâng) Thông thường, kệ chứa hàng Pallet Flow có từ 4-5 tầng Mỗi tầng, người ta sẽ đặt thêm 1 hệ thống băng tải con lăn tự do với 1 góc nghiêng phù hợp
❖ Nguyên tắc hoạt động của Pallet Flow
Nguyên tắc hoạt động của Pallet Plow là pallet hàng sẽ trôi từ đầu cao xuống đầu thấp Xe nâng khi chất hàng lên hoặc lấy hàng ra chỉ cần đứng bên ngoài hệ thống chứ không cần chạy vào khu vực khung kệ
Trên mỗi băng tải con lăn sẽ có thêm một bộ phận hãm trượt nhằm đảm bảo khi pallet (có trọng lượng lên đến vài tấn) sẽ trượt với một tốc độ cố định
Hình 1 2 Kệ chứa hàng Pallet Flow - Interroll
Cùng 1 hệ thống, ta có thể vận hành theo 02 phương án: LIFO hoặc FIFO
- Last In – First Out (LIFO)
Hình 1 3 Mô phỏng quá trình cất lấy hàng của LIFO
Nguyên lý của cách vận hành này là hàng hóa bỏ vào sau, sẽ được lấy ra trước
Nguyên lý LIFO: Theo phương án này, khi chất hàng lên kệ và khi dỡ hàng từ kệ ra, người vận hành đều thao tác ở đầu thấp Khi chất hàng lên, người lái xe nâng sẽ thao thác ở đầu thấp, đẩy các pallet ngược lên dốc để đặt pallet mới vào Khi lấy hàng ra, người lái xe lấy pallet ở đầu thấp, rút ra Các pallet còn lại sẽ trôi xuống đầu thấp
- 1First In – First Out (FIFO)
Hình 1 4 Mô phỏng quá trình cất lấy hàng của LIFO
Nguyên lý của cách vận hành này là hàng hóa bỏ vào trước, sẽ được lấy ra trước Nguyên lý FIFO: Theo phương án này, khi chất hàng lên kệ, người vận hành thao tác ở đầu cao hơn Pallet hàng hóa sẽ tự trôi về phía thấp Khi lấy hàng ra, người lái xe lấy pallet ở đầu thấp, rút ra Các pallet còn lại sẽ trôi xuống đầu thấp Đầu vào và đầu ra của kho có thể tùy từng trường hợp cụ thể mà người ta kết hợp sử dụng các hệ thống băng tải tự động hoặc các cần crane nhằm giảm bớt hoạt động của xe nâng
❖ Ưu nhược điểm của kệ chứa hàng Pallet Flow
Kệ chứa hàng Pallet Flow là một phương án rất hiện đại, cao cấp, được nhiều nhà máy lớn trên thế giới áp dụng Khác với các hình thức kho tự động khác như AS-
RS hay Shuttle Rack, kho Pallet Flow hoạt động bằng cơ, nên bảo hành, bảo trì rất nhẹ nhàng
Hình thức kệ này thường được áp dụng trong các kho chứa hàng của các nhà sản xuất thực phẩm, thủy hải sản, bia, nước giải khát, kho lạnh, kho đông, xe máy, xe đạp…
- Phương án này tiết kiệm được 60% diện tích sử dụng so với kệ thông thường
- Ít bảo trì, bảo hành
- Thu hồi vốn trong 02 năm
- Giảm hoạt động của xe nâng trong nhà kho
- An toàn hơn cho người vận hành
- Đặc biệt phù hợp cho những loại kho lạnh, kho đông
- Giá thành cao, đầu tư lớn
- Không áp dụng được cho dạng hàng hóa cồng kềnh (phải chất được trên pallet)
- Không áp dụng được cho kho hàng chứa nhiều loại hàng hóa khác nhau
- Đòi hỏi tay nghề người lái xe nâng phải tốt hơn các loại kệ thông thường
1.3.2 chứa hàng công nghiệp Shuttle Rack
Shuttle có nghĩa là con thoi Shuttle Rack bao gồm 1 hệ thống khung giàn (racking) kết hợp với 1 hệ thống con thoi để vận chuyển các pallet hàng hóa Hệ thống racking sẽ được thiết kế thêm đường di chuyển cho các shutllet xuyên suốt tới tất cả vị trí trong kho
Với hình thức kệ chứa hàng công nghiệp này, khách hàng không cần phải lãng phí quá nhiều diện tích để làm đường di chuyển như kệ Selective, thậm chí nó còn tiết kiệm diện tích hơn cả hình thức kho AS-RS
❖ Nguyên lý hoạt động của hệ thống kệ Shuttle Rack
Kệ chứa hàng Shuttle Rack sử dụng các cần crane để di chuyển các con thoi qua lại giữa các dãy hàng khác nhau Trường hợp các kho nhỏ, số tầng thấp thì các con thoi có thể được di chuyển giữa các dãy hàng, các tầng khác nhau nhờ xe nâng
Các con thoi shuttle hoạt động hoàn toàn độc lập với hệ thống racking, chạy bằng pin Khi có sự cố, hoặc tại thời điểm bảo dưỡng, nhà kho hoàn toàn có thể thay thế các shuttle này bằng những máy dự phòng
Các con thoi shuttle hoạt động hoàn toàn độc lập với hệ thống racking, chạy bằng pin Khi có sự cố, hoặc tại thời điểm bảo dưỡng, nhà kho hoàn toàn có thể thay thế các shuttle này bằng những máy dự phòng
Nếu được thiết kế thêm hệ thống băng tải vận chuyển tự động thì kho Shuttle Rack hoàn toàn không cần có con người thao tác trong kho Toàn bộ khâu xuất nhập hàng đều do phần mềm điều khiển Điều này cực kì phù hợp trong những kho lạnh, kho đông
Khi pallet được nhập kho, hệ thống sẽ quản lý toàn bộ thông tin liên quan đến pallet hàng đó thông qua mã định danh Khi xuất kho, hệ thống cũng tự định vị pallet hàng đó thông qua mã này Ngoài việc quản lý vị trí, hệ thống còn có thể quản lý hạn sử dụng, hoặc kế hoạch xuất hàng
❖ Ưu nhược điểm của kệ chứa hàng công nghiệp Shuttle Rack
Cấu trúc chung của hệ thống
Hệ thống tự động hóa kho tự động được thiết kế gồm có: Một xe nâng có tay máy chạy dọc theo đường ray ở giữa hai kho để hàng có nhiều ngăn Tay máy là cơ cấu hai tầng bánh răng có thể lấy cất hàng theo hai chiều, cơ cấu tay máy có thể di chuyển lên xuống dọc theo cột của xe nâng để đưa hàng vào các ngăn chứa hàng Nhìn chung kho tự động được cấu thành từ 3 phần:
1.4.1 Hệ thống vận chuyển Đối với hệ thống vận chuyển nhóm đặt ra những vấn đề sau cần phải giải quyết
• Nhiệm vụ: Vận chuyển hàng tử vị trí nhận hàng vào các ngăn trống khi có lệnh nhập hàng Lấy hàng từ các ngăn có hàng được chọn khi có lệnh trả hàng
• Yêu cầu: Nhanh, chính xác, ổn định, an toàn, chắc chắn, dễ lắp đặt, bảo dưỡng…
• Giải pháp: Robot vận chuyển, máy nâng hạ - vận chuyển hàng từ khay nhập hàng vào các ngăn trống khi có lệnh nhận hàng
Hệ thống vận chuyển trong kho rất đa dạng, tùy theo yêu cầu công nghệ, về hàng hóa, hình thức xuất nhập… Mà có những phương thức vận chuyển hàng trong kho tương ứng Hiện nay hệ thống vận chuyển trong kho tự động ở các nước đã có áp dụng vận chuyển để có thể phù hợp với bài toán đặt ra nhóm quyết định chọn cơ cấu vận bằng cánh tay robot di chuyển linh hoạt được 3 trục
Các robot, xe tự hành là những thiết bị tất yếu của một hệ thống kho tự động
Hình 1 9 Cơ cấu robot vận chuyển sản phẩm vào kho
Chúng di chuyển trong diện tích của nhà kho theo 3 trục, làm nhiệm vụ đưa hàng từ cổng nhập đến những ô trống và lấy hàng từ những ô chứa hàng ra cổng xuất Robot lấy cất hàng được thiết kế riêng theo yêu cầu lưu trữ cũng như môi trường làm việc đặc trưng của khách hàng
1.4.2 Hệ thống xuất nhập Đối với hệ thống vận chuyển nhóm đặt ra những vấn đề sau cần phải giải quyết
• Nhiệm vụ: Nhận hàng, trả hàng
• Yêu cầu: Nhanh, chính xác, an toàn…
• Giải pháp: Quét mã vạch, chụp hình, thẻ từ, cảm biến,…
Phương án được chọn trong mô hình là người gửi hàng sẽ đưa hàng đã được gán mã vạch vào cảm biến hình ảnh (camera) để quét bằng phương pháp xử lý ảnh, sau đó cơ cấu sẽ tự động đưa hàng vào ô đã được quy định
Cất hàng: Khi có người gửi hàng, hệ thống sẽ ra lệnh cho tay robot mang hàng đến một ngăn còn trống, quá trình tay robot di chuyển hàng diễn ra tự động Sau khi hàng được cất vào ngăn, tay robot sẽ tự động về vị trí gốc để chờ luân chuyển hàng tiếp theo
Lấy hàng: Khi người lấy hàng cần hàng mong muốn, người điều khiển sẽ chọn loại hàng cần trên hệ thống điều khiển, sau đó lệnh cho tay robot đến ngăn hàng đó và lấy hàng trả về cho khách Quá trình lấy hàng của tay robot diễn ra tự động
Hệ thống xuất nhập của kho tự động có thể áp dụng nhiều phương thức khác nhau có thể kể đến như dung nhân công, thẻ từ, tích kê, mã vạch, máy tính, camera Trong phạm vi đồ án này, nhóm áp dụng phương pháp xuất nhập bằng mã vạch QR Code
QR Code (mã QR) là viết tắt của Quick Response code (Tạm dịch: Mã phản hồi nhanh), hoặc có thể gọi là Mã vạch ma trận (Matrix-barcode) hay Mã vạch 2 chiều (2D) Đây là một dạng thông tin được mã hóa để hiển thị sao cho máy có thể đọc được QR Code cho phép quét và đọc mã nhanh hơn bằng các thiết bị như máy đọc mã vạch hoặc điện thoại có camera với ứng dụng cho phép quét mã, vô cùng tiện lợi cho người dùng
Cùng là mã vạch nhưng QR Code lại là phiên bản cải tiến của mã vạch truyền thống Mã vạch truyền thống là một dãy các vạch được xếp liền kề nhau, chỉ chứa được tối đa 20 ký tự số, trong khi đó thì mã QR có khả năng chứa tối đa 7.089 ký tự số và 4.296 ký tự chữ số
Hình 1 10 Minh họa mã QR Điều này cho phép lượng thông tin truyền tải sẽ nhiều hơn, hỗ trợ tốt hơn cho người dùng, đặc biệt là những doanh nghiệp kinh doanh muốn gửi thông điệp đến khách hàng của mình Không chỉ thế, nếu so về kích thước thì QR Code chiếm ít không gian hơn rất nhiều so với mã vạch truyền thống Nếu in trên sản phẩm hoặc danh thiếp thì sẽ
Mã vạch là một phát minh của thế kỷ 20 và nó càng ngày trở nên quan trọng trong cuộc sống bởi tính hiệu quả mà nó mang lại, mà quản lý xuất nhập trong kho tự động là một trong những tính năng của nó
Công nghệ mã vạch ứng dụng trong nhà kho tự động: Mỗi đơn vị hàng khi nhập vào kho sẽ được gán nhãn mã vạch, tương ứng với một vị trí trong kho Mã vạch đó sẽ
Hình 1 11 So sánh giữa mã vạch và qr code lưu và được máy tính xử lý, truyền qua PLC để đưa hàng đến đúng vị trí của nó Quá trình xuất hoàn toàn ngược lại
1.4.3 Hệ thống lưu trữ Đối với hệ thống lưu trữ nhóm đặt ra những vấn đề sau cần phải giải quyết
- Lưu giữ hàng khi hàng được gửi vào
- Báo tín hiệu điều khiển là còn trống hay đã có hàng
• Yêu cầu: Chắc chắn, tác động nhanh, dễ dàng bảo trì bảo dưỡng để sử dụng lâu dài…
• Giải pháp: Sử dụng các biến nhớ đặc biệt có sẵn trong bộ xử lý PLC để lưu giữ và nhớ các ô hàng còn trống hay đã đầy, toàn bộ tình trạng kho hàng hoàn toàn dược giám sát trực tiếp trên giao diện điều khiển giám sát trên Laptop hoặc HMI.
Kết luận
Tại chương đầu nhóm đã khảo sát tìm hiểu các loại kho trong thực tế, sau đó tìm được đối tượng để tính toán thiết kế Trong chương tiếp theo nhóm sẽ đưa ra quy trình công nghệ của hệ thống sau đó tính toán thiết kế phần cứng, tìm hiểu các thiết bị, khí cụ điện phù hợp có thể đáp ứng được yêu cầu đặt ra.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Yêu cầu chung hệ thống
❖ Hệ thống có một số yêu cầu:
- Có mô hình của hệ thống điều khiển giám sát xuất/nhập kho
- Xây dựng các tiện ích để người vận hành có thể điều khiển và giám sát hệ thống đơn giản và dễ dàng
- Xây dựng giải thuật hệ thống bằng PLC
- Áp dụng công nghệ mã QR xây dựng hệ thống trên labview
- Thiết kế giám sát hệ thống trên trên phần mềm HMI Kinco
❖ Vật liệu phôi hàng lưu kho:
- Loại hàng: kiểu phôi hình thoi
- 18 vị trí trên kệ xếp hàng
- Thời gian xuất nhập kho trung bình 15 giây.
Hoạt động của hệ thống
Khi hệ thống hoạt động, tiến hành đưa cơ cấu nâng hạ về vị trí HOME (vị trí 0) sau đó mới tiến hành quá trình xuất nhập kho Hệ thống hoạt động theo hai phương thức
Chế độ AUTO (Tự động): khi băng tải đưa hàng vào, cảm biến phát hiện có hàng ở vị trí nhập hàng thì băng tải sẽ dừng lại và ngừng cấp hàng, sau đó tiến hành quét mã
QR tại vị trí nhập hàng, sau khi phân loại được hàng qua quét mã QR, tay robot từ vị trí lấy hàng sẽ nâng hàng và đưa đến vị trí trống gần nhất mà loại hàng đó đã được quy định Khi đưa hàng tới đúng vị trí thì tay nâng sẽ trở về vị trí ban đầu, băng tải tiếp tục nhập và xử lý các mặt hàng tiếp theo
Chế độ MANUAL (Người điều khiển): Người điều khiển sẽ chọn mặt hàng muốn xuất kho (trước đó các loại hàng đã được phân theo tầng lưu trữ), tiếp theo sẽ nhập vị trí ô hàng hoặc mã sản phẩm cần xuất Khi nhập xong thì tay nâng sẽ tới vị trí mong muốn để lấy hàng và đưa hàng trong kho ra băng tải xuất hàng.
Thiết kế hệ thống
2.2.1 Giải pháp lưu kho tự động
Với những tiêu chí tối ưu về mặt số lượng, kích cỡ hàng lưu kho trong một diện tích nhất định cũng như thời gian và chất lượng xuất nhập kho đảm bảo nhanh chóng, chính xác và phải được vận hành gần như là tự động Trong các giải pháp lưu kho được trình bày trong phần cơ sở lý thuyết, chỉ có hệ thống lưu kho tự động bao gồm băng tải và có robot nâng hàng phù hợp với diện tích yêu cầu là thỏa mãn được các tiêu chí đặt ra Vì vậy nhóm chọn mô hình lưu kho tự động AS/RS
Cấu trúc hệ thống kho sẽ là hai kệ hàng đối xứng nhau và robot nâng sẽ ở giữa hai kho hàng, do đó cơ cấu truyền động cho hệ thống sẽ bao gồm:
- Một chuyển động theo phương ngang X
- Một chuyển động theo phương ngang vuông góc với X là Y
- Một chuyển động lên xuống theo chiều cao kho Z
Robot nâng hàng đều là chuyển động tịnh tiến và có rất nhiều cơ cấu truyền động tạo ra chuyển động tịnh tiến như: a Truyền động đai:
Là cơ cấu truyền động nhờ lực ma sát giữa các mặt tiếp xúc của vật dẫn và vật bị dẫn Cấu tạo gồm 3 bộ phận: bánh dẫn, bánh bị dẫn và dây đai
Hoạt động theo nguyên lý: khi bánh dẫn quay thì nhờ lực ma sát giữa dây đai và bánh dẫn làm cho bánh bị dẫn quay theo Dây đai thì có loại có răng và không có răng, chúng đều được làm từ vật liệu tạo ma sát tốt
Truyền động bằng dây đai cũng là bộ truyền cơ khí được sử dụng sớm nhất và vẫn được sử dụng phổ biến hiện nay trong các ứng dụng máy in 3D, máy khâu hoặc là trong các hộp số vô cấp trong xe máy, ô tô
Hình 2 1 So sánh giữa mã vạch và qr code b Cơ cấu Vitme – đai ốc trượt:
- Độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn
- Truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn
- Thiết kế nhỏ gọn, gia công đơn giản
- Bánh răng bị mòn bởi ma sát theo thời gian làm giảm hiệu suất hoạt động
Hình 2 2 Vitme – đai ốc trượt c Ray trượt vuông (Linear Guideways):
Sử dụng sự luân chuyển tuần hoàn của các viên bi thép giữa một thanh ray hình chữ nhật và một hộp trượt tạo thành chuyển động tuyến tính Thanh trượt thường được cố định chặt trên bề mặt máy, con trượt được gắn vào chi tiết cần chuyển động tuyến tính
- Chuyển động thẳng mượt, ma sát thấp
- Chi phí mua sản phẩm đắt d Ray trượt tròn: Được cấu tạo gồm có: Ray trượt, con trượt và gối đỡ Ray trượt sẽ được cố định tại một vị trí đáp ứng được hành trình di chuyển của thiết bị đó Con trượt giúp cho các bộ phận của thiết bị có thể di chuyển được
Hình 2 4 Ray trượt tròn Ưu điểm:
- Cấu trúc đơn giản, dễ lắp đặt
- Hiệu quả truyền động cao
- Chi phí tương đối cao
Dựa vào các ưu và nhược điểm của các cơ cấu truyền động nên nhóm chúng em chọn phương án: Cơ cấu truyền động đai qua pulley và dây curoa kết hợp với ray trượt tròn cho hệ thống vì đơn giản, dễ lắp đặt, ít tốn kém chi phí, phù hợp với khả năng của nhóm và yêu cầu đặt ra của hệ thống
2.2.3 Lựa chọn giải pháp về động cơ
Trong các hệ thống điều khiển vị trí đòi hỏi độ chính xác cao trong thực tế, để đáp ứng nhu cầu này thì các hệ thống thường ưu tiên chọn động cơ bước và động cơ servo Để có thể lựa chọn được loại động cơ phù hợp với hệ thống nhóm đã tiến hành nghiên cứu và so sánh các thông số của cả hai loại động cơ: Động cơ bước AC Servo
Bộ điều khiển (Driver) Đơn giản Phức tạp
Chế độ điều khiển Vị trí Tốc độ, vị trí, momen
Hiện tượng trượt bước gây sai lệch trong điều khiển Có thể xảy ra khi tải tăng Ít xảy ra, động cơ vẫn chạy êm khi tải tăng Phương pháp điều khiển Điều khiển vòng hở Điều khiển vòng kín
Nhiễu và rung Dễ rung và nhiễu Ít rung và nhiễu
Giá thành Rẻ Cao Độ bền Đơn giản, nhỏ gọn, ít bảo dưỡng
Thiết bị phức tạp, phải bảo dưỡng định kỳ Độ phân giải Thấp (từ 0.36-15°)
Rất cao, lên đến 13bit (phụ thuộc vào encoder)
Hình 2 5 Bảng so sánh hai động cơ
Hình 2 6 So sánh Servo và Step
Chọn phương án: Vì toàn bộ hệ thống chủ yếu truyền động qua dây đai được thiết kế cố định hoạt động tới từng vị trí Với những yêu cầu đặt ra cho một hệ thống lưu kho tự động thì động cơ Servo luôn được ưu tiên hàng đầu để vận hành cơ cấu nâng hạ
Nhưng với quy mô ở một mô hình đồ án thì việc lựa chọn động cơ servo sẽ rất tốn kém Vì vậy nhóm chọn động cơ bước đơn giản cho việc điều khiển và giảm chi phí cho quá trình thiết kế và thi công hệ thống
2.2.4 Phương pháp điều khiển động cơ
Nhóm đã chọn động cơ bước để thực hiện các cấu chuyển động cho hệ thống
❖ Các phương pháp điều khiển động cơ bước phổ biến hiện nay:
- Điều khiển dạng sóng (Wave): là phương pháp điều khiển cơ bản của động cơ bước Trong phương pháp này, nếu mỗi pha hoặc stato ở cạnh nhau sẽ được động cơ kích hoạt lần lượt bằng cách sử dụng 1 mạch đặc biệt giúp từ hóa và khử từ hóa stato, điều này sẽ dẫn đến chuyển động nhanh chóng của rôto một bước
- Điều khiển bước đủ (Full step): là phương pháp điều khiển cấp xung đồng thời cho 2 cuộn dây pha kế tiếp nhau Phương pháp này dẫn đến mô men xoắn đạt mức cao và cho phép chúng ta điều khiển động cơ tải cao
- Điều khiển nửa bước (Half step): là phương pháp điều khiển kết hợp cả 2 phương pháp điều khiển dạng sóng và điều khiển bước đủ Khi điều khiển theo phương pháp này thì giá trị góc bước nhỏ hơn hai lần và số bước của động cơ bước tăng lên 2 lần so với phương pháp điều khiển bước đủ tuy nhiên phương pháp này có bộ phát xung điều khiển phức tạp
Lựa chọn camera quét màu sắc
Chọn Webcam A870 với độ phân giải 1080p
➢ Thông số kỹ thuật: Đặc điểm Hình ảnh
Chip DSP: Không có driverless
Cảm biến hình ảnh: CMOS Độ phân giải :1080p Độ phân giải cao: 12.0M pixels
Tốc độ khung hình: 30fps
Hình 2 27 Thông số kỹ thuật của Webcam A870
Lựa chọn thiết bị điều khiển và giám sát
Để người vận hành thao tác với máy dễ dàng hơn, có thêm nhiều thông tin về quá trình hoạt động và yêu cầu về hiển thị linh hoạt hơn
Hình 2 28 Thông số kỹ thuật của màn hình HMI KINCO
HMI KICNO (Human Machine Interface) là phần mềm của hãng KINCO dùng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất Nói rõ hơn, hmi là chương trình dùng để thiết kế các giao diện Người và Máy – HMI (Human Machine Interface) với chức năng chính là thu thập số liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất Với HMI, người dùng có thể trao đổi dữ liệu với PLC của nhiều hãng khác nhau như: Siemens, Mitsubishi, Allen braddly, Omron… thông qua cổng COM với chuẩn RS232 của PC và chuẩn RS485 của PLC.
THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
Thiết kế phần cơ khí và mạch điều khiển
1 Xác định yêu cầu kỹ thuật
2 Xác định quy trình công nghệ và chế độ làm việc
3 Lập sơ đồ khối hoạt động chung của toàn máy, chọn ra các loại, các cụm chi tiết phù hợp với sơ đồ hoạt động, thiết kế mô phỏng sơ bộ các cụm chi tiết
4 Dựa theo các tiêu chuẩn về lắp ráp, lần cuối xác định kích thước các chi tiết, bộ phận máy
5 Mô phỏng hệ thống, khả năng đáp ứng của hệ thống
6 Chỉnh sửa, hiệu chỉnh lại thiết kế
7 Lắp ráp, thi công mô hình sản phẩm
3.1.2 Yêu cầu kỹ thuật Đối tượng nghiên cứu thiết kế: Hệ thống lưu kho tự động
Loại hàng hóa mô hình đưa vào có kích thước (dài x rộng x cao): 13cm x 10cm x 4cm, khối lượng 200g và được gán màu sắc và mã vạch QRCode tương ứng thể thuận lợi cho việc phân loại hàng hóa
Có thể đưa cất hàng di chuyển dọc theo 3 trục X (chạy dọc kho hàng), trục Z (nâng hạ hàng lên xuống kho), trục Y (đưa cất hàng vào ra kho)
Sản phẩm khi hoàn thiện phải đảm bảo chắc chắn, linh hoạt, vận hành êm ái, dễ vận hành bảo dưỡng
3.1.3 Cấu trúc chung của hệ thống
Sau khi đã chọn được đối tượng thiết kế, nhóm đặt ra quy trình công nghệ chung cho hệ thống điều khiển, từ đó phác thảo lên sơ đồ khối hệ thống và tìm hiểu những vật tư phù hợp đáp ứng yêu cầu công nghệ Sử dụng phần mềm Inventor để thiết kế phần cứng cho toàn bộ hệ thống Với bản thiết kế 3D của mô hình ta tiến hành chuẩn bị các chi tiết như trong bản vẽ và lắp ráp theo thứ tự: Trục X, trục Y trục Z, băng tải, kho hàng, đấu nối tủ điện, thi công phần đế cho hệ thống Bước cuối cùng là hoàn thiện toàn bộ hệ thống Theo những dữ liệu thiết kế và tính toán ban đầu thì hệ thống sử dụng các thiết bị sau:
STT Thiết bị Số lượng
1 PLC S7-1200 CPU 1214 DC/DC/DC 1
8 Cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản pnp E3F-DS30C4 3
9 Đèn tầng 3 màu 22mm ND16-22DS CHINT 1
10 Nút nhấn LA38-11BN xanh 1
11 Nút nhấn LA38-11ZS đỏ 1
23 Cảm biến chữ quang chữ u NPN 1 cái
Hình 3 1 Danh sách các thiết bị phần cứng
3.1.4 Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí Đầu tiên trước khi thi công thực tế cần phải có mô hình tổng quan mô phỏng 3D trên máy tính Phần mềm tạo mô hình 3D hiện là một công cụ thiết yếu cho rất nhiều ngành công nghiệp Các kỹ sư và nhà thiết kế đang thực sự tận dụng tối đa các công cụ phần mềm tiên tiến này, hữu ích cho nhiều ứng dụng, từ mô phỏng đến sản xuất
Hiện nay có rất nhiều phần mềm thiết kế 3D khác nhau như: SketchUp, Inventor,
NX, SolidWorks, Catia,… Cụ thể đối với đề tài này, nhóm thực hiện thiết kế mô phỏng hệ thống trên phần mềm Inventor Professional của hãng Autodesk
Autodesk Inventor là phần mềm vẽ 3D, thiết kế, kiểm tra ý tưởng và tạo hình mẫu các sản phẩm Inventor tạo ra những nguyên mẫu mô phỏng chuẩn xác về khối lượng, tải trọng, áp lực, độ ma sát, … của các sản phẩm được chọn trong môi trường 3D
Các phần mềm mô phỏng, phân tích được áp dụng vào trong Inventor cho phép người sử dụng thiết kế khuôn mẫu từ đơn giản đến nâng cao như thiết kế chi tiết máy, làm sản phẩm trở nên trực quan hơn
Inventor giúp cắt giảm nhiều chi phí sản xuất bằng cách tạo ra những nguyên mẫu và thử nghiệm chúng trên máy tính, hạn chế lỗi sai và lao động thủ công, tăng nhanh chu kỳ sản xuất để có thể đưa sản phẩm đến thị trường sớm hơn
Hệ thống gồm 2 kệ hàng đối xứng làm từ gỗ có độ dày 20mm Kích thước mỗi kệ 400mm*117mm*510mm Kích thước mỗi ô hàng 115mm*117mm*130mm Bộ khung kệ hàng như hình 3.3
Hình 3 3 Bộ khung kệ hàng
3.1.6 Thiết kế cơ cấu nâng hạ
Do hệ thống kho là hai kệ hàng đối xứng, đòi hỏi phần cơ khí nâng phải đáp ứng di chuyển dễ dàng trong không gian hẹp giữa các kho và những vị trí trên cao nên nhóm sẽ ứng dụng cơ cấu nâng hạ vào việc thiết kế cơ cấu nâng hạ Đề tài sử dụng cơ cấu nâng hạ 3 bậc: Gồm 3 trục X, Y, Z hoạt động liên kết với nhau để có thể đưa đầu
Hình 3 4 Bộ khung cơ cấu nâng hạ
Có thể di chuyển được 3 trục: Dọc theo kho hàng (trục X), lên xuống (trục Z), sang 2 bên kho hàng (trục Y)
- Tay robot có thể đưa hết sang hai bên kho hàng
- Quá trình vận hàng mượt mà, êm ái
- Hàng hóa khi lấy cất phải được chắc chắn, tránh rơi khi vận hành
- Phải có điểm giới hạn hành trình an toàn cả 3 trục
Chọn phương án thiết kế cụm trục X, Y, Z Để truyền động 3 trục X, Y ,Z sao cho thật chính xác, những vật tư đóng vai trò chính được chọn để sử dụng là:
- Động cơ bước – tạo ra chuyển động quay và mô men giúp di chuyển toàn bộ hệ robot
- Khớp nối cứng – truyền chuyển động quay sang trục ty trượt tròn cũng như là khớp nối giữa trục động cơ và thanh ty trượt tròn
- Thanh ty trượt tròn - truyền chuyển động lên phía trục X trên, giúp cho chuyển động sang ngang được cân bằng, êm mượt, tránh xảy ra hiện tượng không đồng tốc dẫn đến toàn bộ hệ bị kẹt
- Dây đai răng (dây curoa) – là bộ phần gắn trực tiếp lên cơ cấu cánh tay robot giúp kéo toàn bộ cánh tay di chuyển trên 2 trục X, Y
- Phân tích ưu điểm của hệ thanh trượt tròn và truyền động đai:
- thanh trượt tròn sẽ giúp cơ cấu máy chuyển động tịnh tiến một cách chính xác nhất Con trượt và ray trượt phải chịu một tải trọng tương đối lớn nhưng linh kiện này vẫn hoạt động một cách êm ái và chính xác cao
Hình 3 5 Thanh trượt tròn Ưu điểm thanh trượt tròn :
- Thanh trượt tròn đem lại những chuyển động tịnh tiến chính xác, linh hoạt, ít ma sát
- Khả năng chống ăn mòn, chống gỉ tốt
- Hầu hết các model bạc đạn tròn, thanh trượt tròn đều có giá thành phải chăng, tiết kiệm chi phí đầu tư cho doanh nghiệp
- Thiết kế đơn giản, gọn nhẹ, dễ dàng lắp đặt, sử dụng và bảo dưỡng
- Độ bền, tuổi thọ thiết bị cao
- Khả năng hoạt động bền bỉ, liên tục, ổn định trong thời gian dài vận hành Đem lại những chuyển động thẳng mượt, tròn trụ, êm ái, ít tiếng ồn ngay cả khi hoạt động với tốc độ cao
- Ưu điểm thanh trượt tròn còn nằm ở chỗ đáp ứng mọi nhu cầu sử dụng thanh trượt với đầy đủ các size, kích thước, đường kính khác nhau
- Ứng dụng thanh trượt tròn giúp tiết kiệm chi phí sửa chữa, bảo dưỡng thiết bị Bởi ít xảy ra sự cố, hư hỏng phát sinh trong quá trình vận hành.
Bộ truyền đai : là bộ truyền cơ khí được sử dụng sớm nhất và hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi, có nhiều loại đai như đai thang, đai dẹt, đai răng,…
So với các bộ truyền khác bộ truyền đai có những ưu điểm như:
- Truyền động giữa các trục xa nhau
- Làm việc êm và không ồn do độ bền và dẻo của đai từ đó có thể truyền động với vận tốc cao
- Tránh cho cơ cấu không có sự dao động nhờ vào sự trượt trơn của đai khi quá tải Kết cấu và vận hành đơn giản: ˗ Hành trình trục X (mm): 680 ˗ Hành trình trục Y (mm): 195 ˗ Hành trình trục Z (mm): 330
Thi công cơ khí
Kệ hàng được làm từ gỗ ép, nhóm tiến hành cắt, khoan và lắp ghép từng bộ phận lại với nhau bằng ốc vít Tạo nên kệ hàng gồm 3 tầng, mỗi tầng gồm 3 ô chắc chắn cũng như tạo nên tính thẩm mỹ cho mô hình như hình 3.11
3.2.2 Thi công cơ cấu nâng hạ
Thi công lắp ráp cơ cấu nâng hạ bằng cách cắt các chi tiết cơ khí: nhôm định hình, dây curoa, mica, thanh trượt…Sau đó tiến hành gắn chúng lại với nhau bằng ốc vít Toàn bộ cơ cấu nâng hạ chủ yếu được làm bằng nhôm định hình 2mm giúp tạo nên độ chắc chắn và đặc biệt nhôm là kim loại nhẹ nhưng vẫn đảm bảo độ bền so với các kim loại khác như hình
Hình 3 12 Tay robot nâng hạ
Nhóm tiến hành cắt nhôm định hình 2mm và in 3D nhựa, sau đó lắp ghép các chi tiết bằng ốc vít tạo nên sự chắc chắn như hình 3.13
Hình 3 13 Băng tải nhập hàng và Băng tải xuất hàng
3.2.4 Thi công phần mạch điều khiển
Sau khi thiết kế mạch điều khiển trên phần mềm INVENTO và vẽ sơ đồ nối dây trên phần mềm VISIO theo các thiết bị thực tế để bố trí toàn bộ các thiết bị điện và thực hiện làm mạch điều khiển theo trình tự :
- Bước 1: Tiến hành đi máng gen đi dây điện và gắn lên mặt bàn
- Bước 2: Tiến hành gắn ray nhôm, thiết bị, máng nhựa lên đế lên mặt bàn
- Bước 3: Đi dây, gắn ống lồng, bấm đầu cos và làm gọn hoàn thành mạch điều khiển
Hình 3 14 Mạch điều khiển sau khi đã hoàn thành
Thiết kế hệ thống
Hình 3 15 Sơ đồ hệ thống
Hệ thống kết hợp 2 chế độ lấy hàng tự động (Auto) và xuất hàng thủ công (Manual) vào điều khiển
- Chế độ lấy hàng tự động (Auto): hàng khi đưa vào vị trí chờ để lưu kho, hệ thống quét mã và phân loại hàng hóa sau đó tay máy robot đưa hàng vào đúng nơi quy định và quay trờ lại điểm home để tiếp tục lưu kho
- Chế độ xuất hàng thủ công (Manual): khi có tín hiệu lấy hàng được gửi từ màn hình HMI nếu không có hàng ở ô cần chọn hệ thống sẽ dừng nếu có hàng thì tay robot
BT_NHAPHANG CƠ CẤU NÂNG HÀNG BT_XUATHANG
PLC PC sẽ được tới vị trí ô cần xuất và lấy hàng sau đó sẽ được đưa tới băng tải và quay trở về vị trí home để tiếp tục chu trình làm việc
3.4 Thiết kế mạch điện hệ thống Ở đây nhóm sử dụng phần mềm microsoft visio 2021 để thiết kế sơ đồ mạch điện cho toàn bộ hệ thống Microsoft Visio là một phần mềm mạnh mẽ trong việc tạo ra các bản vẽ kỹ thuật, bao gồm cả các sơ đồ mạch điện Visio có thư viện hình dạng rộng lớn, bao gồm cả các biểu tượng điện và điện tử
Visio cung cấp công cụ kết nối để kết nối các thành phần điện hoặc hình dạng kết nối toàn bộ quá trình được đơn giản hóa Hỗ trợ vẽ theo tỷ lệ một cách dễ dàng, các công cụ điều chỉnh kích thước và căn chỉnh giúp tăng độ chính xác
3.4.1 Sơ đồ kết nối đầu vào
Hình 3 16 Sơ đồ kết nối nguồn, nút nhấn và cảm biến
3.4.2 Sơ đồ kết nối đầu ra của thiết bị
Sơ đồ kết nối Driver và Động Cơ Step
Hình 3 17 Sơ đồ kết nối Driver với Step
3.4.3 Sơ đồ kết nối relay trung gian
Hình 3 18 Sơ đồ kết nối Relay trung gian
Thiết kế chương trình xử lý ảnh labview
3.5.1Cấu hình phần cứngtrên phần mềm Labview
Sử dụng khối vision acquisition để nhận diện camera và khối Vision Assistant trên labview xử lí màu sắc
Hình 3 19 Chương trình labview xử lý màu sắc Đầu tiên để tiến hành cài đặt nhấn vào khối vision acquisition sau đó chọn camera sau đó ấn next để tiếp tục cấu hình phần cứng cho chương trình
Sau khi cấu hình phần cứng xong màn hình sẽ hiển thị màn hình như dưới nhấn test để test camera để đọc màu sắc nếu camera không lỗi thì ta tiến hành ấn next để kết thúc cấu hình phần cứng cho chương trình
3.5.2 Viết chương trình qua camera
Giao diện màn hình sau khi đã quét được hàng và xử lý màu sắc :
Hình 3 20 Chương trình labview xử lý ảnh
3.5.3 Kết nối Labview với PLC Để kết nối Labview với PLC thì cần phải thông qua ứng dụng giao tiếp phần mềm giữa PLC VÀ LABVIEW đó là phần mềm KEPServerEX6:
Hình 3 21 Kết nối Labview với PLC thông qua KEPSever4 Để giao tiếp được phải thông qua 4 bước sau để cấu hình phần cứng để giao tiếp được giữa phần mềm thứ ba với PLC :
- Tạo Channel và Device trong KEPServerEX: Sau khi cài đặt, mở KEPServerEX và tạo một Channel mới Trong Channel này, tạo một Device mới và chọn loại PLC mà bạn muốn kết nối
- Cấu hình Tags: Tiếp theo, cần cấu hình các Tags tương ứng với các biến muốn theo dõi hoặc điều khiển từ LabVIEW
- Kết nối LabVIEW với KEPServerEX: Trong LabVIEW, sử dụng DataSocket hoặc Shared Variable để kết nối với KEPServerEX thông qua OPC (OLE for Process Control)
- Lập trình giao tiếp: Cuối cùng, lập trình giao tiếp giữa LabVIEW và PLC thông qua KEPServerEX, sử dụng các Tags đã cấu hình.
Lưu đồ thuật toán điều khiển
3.6.1 Lưu đồ thuật toán toàn hệ thống
Hình 3 22 Lưu đồ thuật toán toàn hệ thống
3.6.2 Lưu đồ chế độ nhập hàng
Hình 3 23 Lưu đồ chế độ nhập kho
Quy trình công nghệ chung khi có hàng vào
Khi có hàng vào kho thì cảm biến xác nhận đã có hàng vào Thì băng tải chạy sau đó cảm biến 2 có tín hiệu băng tải dừng Camera quét mã QR và xác định loại hàng đưa vào kho Trục Y đi ra trục Z nâng hàng lên băng tải, trục Y đưa hàng về vị trí home, trục
Z trở về home để tiến hành lưu kho Cơ cấu đưa hàng di chuyển dọc theo kho hàng (trục X) và đến vị trí kho trong đã được quét từ camera, cơ cấu dừng lại và trục Z để chọn tầng đúng vị trí kho đã được lưu Trục Z dừng lại và trục Z chạy thuận để đưa hàng vào ngăn hàng trục Z hạ xuống, để hàng lại ngăn và về vị trí ban đầu tiếp tục chờ đến đến khi có hàng tiếp theo vào
CƠ CẤU ĐƯA HÀNG ĐẾN VỊ TRÍ LƯU KHO
3.6.3 Lưu đồ chế độ xuất hàng
Hình 3 24 Lưu đồ chế độ xuất hàng
Quy trình công nghệ chung khi xuất hàng ra
Lấy hàng từ các khoang có hàng được chọn khi có lệnh xuất hàng:
Có tín hiệu lấy hàng, cơ cấu đưa hàng chạy xác định tọa độ hàng cần lấy Khi tới đúng vị trí cần lấy hàng, cơ cấu dừng lại và tay máy nâng đúng vị trí hàng cần lấy Đúng vị trí kho cơ cấu dừng lại và tiến hành lấy hàng trong ngăn Cơ cấu nâng lên để đưa hàng ra khỏi ngăn cơ cấu trở về vị trí ban đầu để xuất hàng ra băng tải và tiếp tục chờ lệnh xuất tiếp theo
3.6.4 Lưu đồ thuật toán cơ cấu nâng hạ hàng a chế độ nhập hàng
Hình 3 25 Lưu đồ chu trình nhập hàng
CƠ CẤU NÂNG HÀNG TỪ BĂNG TẢI b Chế độ xuất hàng
Hình 3 26 Lưu đồ chu trình xuất hàng
Thiết kế lập trình và tính toán hệ hống
3.7.1 Thiết kế giao diện giám sát
Giao diện giám sát hệ thống được thiết kế trên Phần mềm HMI KINCO
Hình 3 27 Giao diện màn hình hmi
Dựa trên yêu cầu thiết kế giao điện hệ thống gồm các trang sau:
- Màn hình chính : Giới thiệu tên đề tài
Hình 3 28 màn hình chính của Hmi
- Màn hình vận hành: Hiển thị bảng điều khiển, vị trí động cơ, số lượng hàng hóa, số vị trí còn trống và có hàng và lỗi các lỗi alamp
- Màn hình chế độ nhập kho
Hình 3 29 Màn hình chế độ nhập kho
- Màn hình chế độ xuất kho
Hình 3 30 Màn hình chế độ xuất kho
- Màn hình Settings: Điều khiển động cơ, băng tải khi cần kiểm tra.
Hình 3 31 Màn hình điều khiển vị trí và tốc độ
- Warning: quá trình có thể dừng hoặc có thông báo nếu không có hành động khắc phục được thực hiện sớm
- Error: bộ điều khiển thực hiện lệnh dừng hoạt động hệ thống bất kỳ điều kiện rủi ro nào để bảo vệ quy trình và hoạt động tiếp theo sẽ bị ngăn chặn cho đến khi tìm ra nguyên do
Từ hoạt động của hệ thống, nhóm đã đưa ra giả sử một số trường hợp có thể gặp trong quá trình vận hành Alarm bao gồm các trạng thái như bảng 3.17:
Không quét được mã QR! Lỗi Đang xuất hàng Cảnh báo Đang nhập hàng Cảnh báo Đầy kho loại 1! Cảnh báo Đầy kho loại 2! Cảnh báo Đầy kho loại 3! Cảnh báo
Hình 3 32 Bảng Alarm của hệ thống
Tính toán cơ cấu truyền động và lập trình hệ thống thông qua phần mềm
3.8.1 Tính toán điều khiển động cơ truyền động 3 trục Để truyền động cho 3 trục XYZ, cần phải điều khiển 3 động cơ chính bao gồm:
3 động cơ bước để điều khiển điều khiển ba động cơ bước, cần phải nắm được cách tính toán xung và đặt số bước cho động cơ thông qua bộ Driver điều khiển động cơ bước a.Tính toán xung bước động cơ trục X
Cpl : Chu vi Pully gắn trục động cơ dpl : Đường kính Pully gắn trục động cơ Chu vi Pully chính là quãng đường khi động cơ quay được một vòng
Bộ điều khiển động cơ bước có thể cài đặt số bước khi động cơ quay được một vòng, ở đây nhóm cài 3200 xung tương ứng với một vòng quay động cơ
Từ đó suy ra số xung tương ứng với mỗi mm là:
41 = 78( 𝑥𝑢𝑛𝑔) = 1𝑚𝑚 Trong khối lệnh điều khiển phát xung tốc độ cao khi lập trình PLC trên phần mềm tia portal v16 , cho phép phát xung tốc độ cao lên đến 250000 xung tương đương với khoảng cách lớn nhất có thể đi được xấp xỉ 320cm
Khi lập trình, có thể tùy ý điều khiển cơ cấu đi được quãng đường mong muốn dựa vào số xung đã tính toán ở trên
Xx: số xung cần phát trên chương trình điều khiển
Sx: quãng đường người điều khiển mong muốn cơ cấu đi được
78: Số xung Như vậy ta có thể tính toán quang đường cửa x như sau:
X gồm có 3 vị trí nhập xuất hàng cố định đó là X1 X2 X3 Ta có :
X2= 78.Sx =78.91(mm)= 7089 (xung) X3= 78.Sx =78.133(mm)375 (xung) Như vậy là nhóm đã hoàn thành tính toán được vị trị của trục X b Tính toán xung bước động cơ trục Y và Z
Cách tính toán hoàn toàn giống với động cơ trục X do cùng dùng một loại Pully, chỉ khác ở trục này, nhóm cài 1600 xung tương ứng với một vòng động cơ
Từ đó suy ra số xung tương ứng với mỗi mm là:
41 = 40( 𝑥𝑢𝑛𝑔) = 1 (𝑚𝑚) Trong khối lệnh điều khiển phát xung tốc độ cao khi lập trình PLC trên phần mềm tia portal v16 , cho phép phát xung tốc độ cao lên đến100000 xung tương đương với khoảng cách lớn nhất có thể đi được xấp xỉ 610cm đối với trục Z do plc chỉ có hai kênh phát tốc Độ cao nên nhóm đã sử dụng kênh phát xung số 3 phát được 20000 xung cho trục y vì là trục chịu tải nhẹ nhất chỉ 200g tương đương với khoảng cách lớn nhất có thể đi được xấp xỉ 51cm
Khi lập trình, có thể tùy ý điều khiển cơ cấu đi được quãng đường mong muốn dựa vào số xung đã tính toán ở trên
Xy: số xung cần phát trên chương trình điều khiển
Sy: quãng đường người điều khiển mong muốn cơ cấu đi được
Từ công thức trên ta tiến hành tính toán quang đường của trục y như sau :
Hành trình của trục Y gồm có đi qua trái và qua phải ở hai bên kho hàng nên ta có Y trái và Y phải
YPHẢI @.Sy =39.-21 = -840 ( xung) Tính toán trục Z thì phức tạp hơn gồm hai chu trình làm việc đó là lấy hàng và nhập hàng ta có hành trình chung như của hàng 1 như sau :
Vị trí hàng 1 Y đi ra Z đi lên Y đi về z về home :
3.8.2 Giới thiệu các khối chức năng trong lập trình điều khiển vị trí
Sau khi đã config phần cứng thành công thực hiện viết chương trình ở Program blocks Main như sau: Đầu tiên phải khởi tạo step như hình bên dưới, trong đó true là bit kích hoạt cho trục bắt đầu hoạt động, Axis chọn tên trục đã khai báo ở bước trên
- EN là đầu vào của khối
- ENO là đầu ra của khối
- Axis là phần khai báo trục cần khởi động
- Enable là chân on của khối
- Khối MC_Home: Để tiến hành chạy vị trí cho các trục đầu tiên phải set điểm gốc tọa độ cho các trục bằng câu lệnh MC_Home tác động M0.1 Khi tác động M0.1 thì các trục sẽ được set về vị trí mà đã được set điểm Home
- EN là đầu vào của khối
- ENO là đầu ra của khối
- Axis là phần khai báo trục cần set điểm gốc
- Execute là chân on của khối khi tác động khối sẽ được hoạt động
- Position là vị trí muốn set điểm gốc tọa độ ban đầu
- Khối MC_MoveJog: Để tiến hành điều khiển xác đinh vị theo chiều thuận nghịch của động cơ qua lênh JogForward điều khiển chạy thuận và JogBackward điều khiển chạy nghịch
- EN là đầu vào của khối
- ENO là đầu ra của khối
- Axis là phần khai báo trục cần điều khiển
- JogForward là lệnh chạy tiến của trục
- Backforwark là lệnh chạy lùi trục
- Velovity để đặt tốc độ cho trục
Khi động cơ báo lỗi thì tiến hành reset Axis mà đã được đặt Trong trường hợp khi trục chạy đến điểm giới hạn thì động cơ sẽ báo lỗi, lúc đó ta phải tiến hành reset lại trục để tiếp trục hoạt động
- EN là đầu vào của khối
- ENO là đầu ra của khối
- Axis là phần khai báo trục cần reset
- Execute khi tác động thì ngay lập tức trục sẽ được reset
Khối chạy vị trí tuyệt đối: Điều kiện để khởi động được vị trí ta phải tiến hành set tọa độ ban đầu, khi ta đặt vị trí ở Position của khối một giá trị Khi ta tác động vào Execute thì động cơ sẽ chạy đến vị đac được đặt
- EN là đầu vào của khối
- ENO là đầu ra của khối
- Axis là phần khai báo trục cần điều khiển
- Execute khi tác động thì trục sẽ được chạy đến vị trí tuyệt đối mà đã cài đặt
- Position khi set vị trí ở câu lệnh này thì trục sẽ được chạy tuyệt đối đến vi trí mà đã được cài đặt
3.8.3 Thiết lập thông số ban đầu cho cơ cấu nâng hàng
❖ Cấu hình phần cứng: Đầu tiên tạo 1 project mới sau đó add cpu và chọn đúng version để cấu hình phần cứng cho chính xác Sau đó bấm vào mục: Technology object rồi chọn Add new objeck Ở cửa sổ mới mở ra chọn Motion control rồi bấm vào mục TO_PositioningAxis rồi chọn phần Automatic rồi bấm OK
Sau đó thì ở phần Technology Objects đã xuất hiện thêm mục Axis_1[DB1], bấm vào Configuration rồi chọn General Chọn PTO(Pulse Train Output) và đơn vị đo ở phần Positon Unit
Sau đó chuyển vào mục Drive để cấu hình chân phát xung và hướng chạy của động cơ servo, cấu hình như hình bên dưới thì Q0.0 sẽ là ngõ phát xung, còn điều hướng là chân Q0.1
Kết quả đạt được
3.9.1 Kết quả phần cơ khí
Sau quá trình thi công cơ cấu nâng hạ, kệ hàng và băng tải, nhóm tiến hành lắp ráp các bộ phận với nhau được phần cơ khí hoàn chỉnh Tuy trong quá trình thi công hệ thống còn nhiều sai số nhưng hệ thống vẫn đảm bảo hoạt động bình thường theo yêu cầu đặt ra Nhìn chung phần cơ khí chắc chắn, các puly dây đai được lắp đặt ăn khớp, dây đai căng vừa đủ, thanh trượt tròn ăn khớp
Hình 3 34 Kết quả thi công phần cơ khí
3.9.2 Kết quả phần mạch điều khiển
Hình 3 35 Kết quả thi công tủ điện
Sau quá trình thi công phần điện nhóm đã hoàn thành tủ điện đáp ứng yêu cầu các tiêu chuẩn về tủ điện công nghiệp Các thiết bị được bố trí bên trong tủ ngăn nắp và bên ngoài có đầy đủ các nút chức năng để vận hành hệ thống, đồng thời có các đèn hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống
3.9.3 Kết quả thi công phần mềm xử lý ảnh
Sau quá trình thi công phần mềm, với mục tiêu ban đầu đặt ra xử lí được mã QR và màu sắc hệ thống cần 1 giao diện đơn giản, ổn định, giúp người dùng dễ dàng thao tác nhập thông số, điều khiển hệ thống Đồng thời giám sát hoạt động, hiển thị các thông số và thông báo lỗi xảy ra trong quá trình vận hành
Hình 3 37 Kết quả nhận diện màu sắc
3.9.4 Kết quả vận hành Để dễ dàng giám sát và điều khiển ta chọn màn hình vận hành Ở màn hình này hiển thị tất cả các chế độ giúp người sử dụng có cái nhìn tổng quan về số lượng, loại hàng và trạng thái của từng ô hàng
Hình 3 38 Màn hình vận hành ở chế độ nhập kho – Auto
Hình 3 39 Màn hình vận hành ở chế độ xuất kho - Manual
Trong quá trình hoạt động hệ thống ta có thể cài đặt các thông số, kiểm tra trình trạng hoạt động của từng trong hệ thống trong màn hình cài đặt
Hình 3 40 Màn hình cài đặt
- Quá trình vận hành hệ thống nhập - xuất kho đúng vị trí theo yêu cầu
- Hệ thống có thể điều khiển bằng nhiều chế độ khác nhau
- Xây dựng được thuật toán giúp nhập – xuất kho hoạt động với thời gian nhanh, ổn định và tối ưu nhất
- Hệ thống được tối ưu năng suất bằng việc khi chuyển sang chế độ xuất kho cơ cấu nâng hạ ngay lập tức sẽ đến vị trí cần xuất kho mà không cần về vị trí bắt đầu
- Khi hệ thống gặp sự cố thì hệ thống sẽ không bị mất dữ liệu
Tổng kết: Hệ thống đạt yêu cầu đặt ra ban đầu hệ thống hoạt động ổn định
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Kết luận
Sau quá trình nghiên cứu, thi công và hoàn thành đề tài “ Thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc và lưu kho tự động ”, nhóm đã đạt được những mục tiêu lúc đầu đề ra:
- Xây dựng được mô hình hệ thống lưu kho tự động hoạt động theo đúng yêu cầu nhóm đã đặt ra
- Đã quét được màu sắc phân loại đúng yêu cầu đã đặt ra
- Sử dụng phần mềm TIA Portal V16 để lập trình điều khiển hệ thống cũng như mô phỏng giám sát trên giao diện màn hình HMI
- Hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động các ngõ vào ra cũng như các module, các thiết bị phần cứng liên quan đến PLC S7-1200 CPU 1214 DC/DC/DC
- Làm quen và lập trình trên phần mềm sử lý ảnh chuyên dụng labview
- Hiểu được nguyên lý hoạt động, thiết lập các thông số, cách đấu dây giữa Driver với PLC và động cơ bước
- Thi công phần cơ khí mang tính chính xác tương đối trong mô hình và biết cách khắc phục phần cơ khí khi bị lỗi
- Thiết kế và thi công tủ điện với tính thẩm mỹ và kỹ thuật cao phù hợp với các tiêu chuẩn tủ điện thực tế.
Hạn chế
Đề tài vẫn còn một số hạn chế như:
- Giao diện điều khiển trên hmi kinco trong quá trình vận hành vẫn đáp ứng chậm và có khi bị đứng do là hàng sản xuất của bên thứ 3 nên không thể nào đáp ứng chức năng tuyệt đối như của chính hãng
- Phần mềm labview xử lý ảnh vẫn có hiện tượng đơ khi xử dụng do độ phân giải của camera thấp
- Trong quá trình điều khiển vẫn có sai số và lỗi vẫn xảy ra hiện tượng trượt bước làm đi sai hành trình
- Phần cơ khí vẫn còn chưa được chắc chắn, rung lắc khi vận hành
- Hệ thống chưa thể nhận biết được hàng rơi, rớt trong quá trình vận chuyển khi hàng đột ngột bị lấy ra khỏi kho thì hệ thống ko thể tự nhận biết được hàng bị lấy ra khỏi kho do không có hệ thống phản hồi ở nhưng kệ hàng
- Mã màu sắc vẫn còn hạn chế về số lượng.
Hướng phát triển
Nhóm sẽ tiếp tục hoàn thiện tính năng hệ thống kết hợp thêm các tiêu chí, tính năng như:
- Tối ưu hóa phần cơ khí, phần mầm để hệ thống hoạt động ổn định và chính xác hơn
- Thay thế động cơ bước bằng động cơ có bộ hồi tiếp encoder tăng độ chính xác cho hệ thống
- Cải thiện hoặc sử dụng đồng thời nhiều cơ cấu nâng hạ để tiết kiệm thời gian xuất/nhập kho
- Thêm các tính năng mới: nhận biết được hàng rơi khi vận chuyển, nếu như hệ thống lỗi sẽ tự dừng khẩn cấp…
- Thiết kế thêm Websever điều khiển và giám sát từ xa.
