Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Hệ thống lưu kho tự Động và quản lý bằng mã barcode

Nội dung thực hiện: − Ứng dụng PLC vào thực tế, cụ thể là điều khiển và vận hành hệ thống lưu kho tự động và quản lý bằng mã barcode − Thiết kế hệ thống tự động − Xây dựng mô hình hệ th

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong xã hội hiện đại, công nghệ là yếu tố không thể thiếu, hỗ trợ con người trong nhiều lĩnh vực từ sinh hoạt đến sản xuất Với trí tuệ vượt trội, con người đã phát triển từ xã hội nguyên thủy với công cụ thô sơ, trải qua các cuộc cách mạng khoa học và kỹ thuật, giúp công nghệ trở nên phổ biến Công nghệ chính là một trong những thành tựu vĩ đại của nhân loại.

Công nghệ ngày càng được ứng dụng sâu rộng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghiệp, dẫn đến sự ra đời của hệ thống lưu kho tự động Hệ thống lưu kho và truy xuất tự động (AS/RS) bao gồm khung giàn (Racking) kết hợp với máy trục (Crane) tự động, giúp tối ưu hóa quy trình nhập xuất hàng hóa.

Hệ thống này bao gồm cả phần cứng và phần mềm, với phần cứng gồm các giá kệ cố định, cơ cấu lấy cất hàng và băng tải để vận chuyển hàng hóa vào và ra khỏi kho Phần mềm đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển, giám sát và quản lý dữ liệu hàng hóa.

Hệ thống lưu kho và truy xuất tự động (AS/RS) là giải pháp tự động hóa quy trình nhập xuất hàng hóa, bao gồm hai thành phần chính: phần mềm và phần cứng.

- Phần mềm: bao gồm có phần mềm quản lý các Robot nhập xuất hàng (Crane Control Software) và phần mềm quản lý phân loại hàng hóa (Warehouse Management Software)

The hardware consists of fixed racking systems, crane control software for automated retrieval and storage, and conveyor systems for efficient goods transportation.

MỤC TIÊU

- Ứng dụng PLC vào thực tế

- Điều khiển cho một hệ thống giám sát

- Tạo ra hệ thống sát với thực tế, hoạt động ổn định dựa trên những yêu cầu thực tế của hệ thống

- Hệ thống phân loại sản phẩm bằng máy quét với mức sai số là tối thiểu

- Thông tin về lỗi sẽ được hiển thị khi có lỗi xảy ra với hệ thống

- Giám sát và vận hành ở hệ thống thông qua HMI trên WinCC

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 2

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Trong đề tài đồ án này, nhóm em sẽ nghiên cứu và thiết kế hệ thống kho hàng thực tế, bao gồm việc tính toán và lắp đặt các thành phần chính như băng tải, robot vận chuyển hàng, kho hàng và camera quét mã BARCODE để phân loại sản phẩm trên pallet Hệ thống lưu kho tự động sẽ được điều khiển thông qua PLC kết hợp với giao diện HMI và chức năng quét mã, nhằm tối ưu hóa quy trình quản lý kho.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Tính toán thiết kế

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 5: Kết quả thực hiện

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

GIỚI HẠN

Trong quá trình thực hiện đề tài sẽ có những giới hạn nhất định mà nhóm chưa thể thực hiện được cụ thể như sau:

+ Mô hình còn kích cỡ nhỏ so với thực tế, sử dụng động cơ 24V (thực tế là 220V)

+ Đề tài chỉ có thể phân loại và lưu kho 4 sản phẩm khác nha trong cùng một thời điểm.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LƯU KHO

2.1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG LƯU KHO

Hệ thống lưu kho truyền thống dựa vào lao động thủ công để thực hiện các nhiệm vụ quan trọng như nhận hàng, lưu trữ, xuất hàng và vận chuyển hàng hóa.

Hệ thống lưu kho truyền thống thường được sử dụng trong các doanh nghiệp nhỏ với lượng hàng hóa hạn chế và không yêu cầu hiệu quả cao Tuy nhiên, hệ thống này có nhiều nhược điểm, bao gồm hiệu quả thấp, độ chính xác không cao và an toàn lao động kém.

Đại dịch Covid-19 đã làm tăng nhu cầu lưu trữ hàng hóa trong thương mại điện tử, gây khó khăn cho các kho hàng trong việc đáp ứng tiến độ giao hàng Để đối phó với thách thức này, nhiều công ty trên toàn cầu đã áp dụng công nghệ tự động vào quản lý kho, giúp quản lý hàng hóa một cách khoa học, hệ thống và linh hoạt hơn, từ đó nâng cao hiệu quả làm việc và giảm chi phí hoạt động.

Hệ thống lưu kho và truy xuất tự động đã mang lại một bước tiến lớn so với các mô hình lưu kho truyền thống, khắc phục những nhược điểm về trang thiết bị và phương pháp thực hiện Trong các kho truyền thống, việc phân loại, sắp xếp và di chuyển hàng hóa phụ thuộc nhiều vào nhân công, dẫn đến việc quản lý hàng hóa thường xuyên gặp sai sót do không có phần mềm hỗ trợ Hơn nữa, việc vận chuyển hàng hóa nặng bằng sức người và máy nâng cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn lao động.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Có thể thấy, việc ứng dụng tự động hoá vào mô hình này là cần thiết và giảm thiểu những rủi ro xảy đến với các doanh nghiệp

Theo Mordor Intelligence, thị trường kho hàng tự động (AS/RS) đã được định giá 3.809,9 triệu USD vào năm 2020 và dự kiến sẽ đạt 5.864,6 triệu USD vào năm 2026, với tỷ lệ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) đạt 9,01% trong giai đoạn dự báo.

Thị trường hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động (ASRS) toàn cầu giai đoạn 2021 – 2026 dự kiến sẽ phát triển mạnh mẽ, với Bắc Mỹ, đặc biệt là Hoa Kỳ, dẫn đầu trong lĩnh vực này Hoa Kỳ chiếm 82% sản lượng kinh tế của khu vực, tạo ra nguồn cầu lớn cho các giải pháp ASRS, phản ánh sự phụ thuộc vào nền kinh tế mạnh mẽ của quốc gia này.

Khu vực Châu Á – Thái Bình Dương đang chứng kiến sự chuyển biến đáng kể nhờ vào việc áp dụng tự động hóa trong sản xuất, với Trung Quốc dự kiến giảm 30% chi phí sản xuất vào năm 2025 Các công ty khởi nghiệp như Syrius Robotics tại Thâm Quyến đang phát triển robot di động tự động để tối ưu hóa quy trình giao hàng cuối cùng cho JD Logistics Hệ thống AMH (Automated Material Handling) được kỳ vọng sẽ đáp ứng nhu cầu gia tăng từ các ngành sản xuất, kho bãi và trung tâm phân phối Sự gia tăng nhu cầu từ thị trường thương mại điện tử và bán lẻ sẽ thúc đẩy nhu cầu về AMH trong nước, trong khi tự động hóa ở các lĩnh vực khác cũng đang nâng cao năng suất.

2.1.2 MỘT SỐ HỆ THỐNG LƯU KHO

Dưới đây là tám loại giải pháp kho hàng giúp tăng tốc quá trình hoàn thành đơn hàng và giảm thiểu công việc thủ công, từ hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động đến robot di động tự động.

Hàng hóa giao tiếp trực tiếp với người (G2P) thông qua các phương tiện như băng chuyền, mô-đun thang máy thẳng đứng hoặc băng tải, giúp tối ưu hóa quá trình vận hành kho.

Hệ thống lưu kho và truy xuất tự động (AS/RS) là công nghệ tiên tiến sử dụng máy tính và robot để tối ưu hóa quy trình lưu trữ và lấy hàng trong kho Hệ thống này cho phép lưu trữ các mặt hàng trong một khu vực xác định và nhanh chóng truy xuất chúng khi cần thiết, nâng cao hiệu quả quản lý kho.

Robot di động tự động (AMR) là những thiết bị tiên tiến sử dụng trí tuệ nhân tạo và cảm biến để tự động điều hướng trong kho, giúp tối ưu hóa quy trình vận chuyển hàng hóa.

Xe tự hành (AGV) là loại xe được sử dụng trong kho hàng, nhưng khác với AMR, AGV cần sự hướng dẫn từ các nhà khai thác và hoạt động dựa vào dây điện cùng các điểm đánh dấu phản chiếu.

Hệ thống lấy hàng bằng ánh sáng sử dụng công nghệ đèn LED màu để hỗ trợ người vận hành trong việc thực hiện đơn hàng, giúp hướng dẫn quá trình chọn và phân loại hàng hóa một cách hiệu quả.

Hệ thống chiếu sáng Put-to-Light là một giải pháp "chọn ngược sáng", giúp hướng dẫn người vận hành trong quá trình bổ sung hàng hóa Đèn chiếu sáng sẽ chỉ dẫn người dùng đến vị trí chính xác để sắp xếp hoặc "đặt" các mục vào đúng chỗ.

Chọn sản phẩm và thực hiện tác vụ bằng giọng nói giúp người dùng dễ dàng định hướng đến vị trí cần thiết Sử dụng tai nghe di động và công nghệ nhận dạng giọng nói, người dùng sẽ được hướng dẫn chọn lựa sản phẩm phù hợp một cách nhanh chóng và hiệu quả.

GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200

2.2.1 S7-1200 Để vận hành hệ thống lưu kho ứng dụng trong công nghiệp thì việc lựa chọn bộ điều khiển phù hợp rất quan trọng, phải đảm bảo hệ thống hoạt động tốt không bị ảnh hưởng bởi yếu tố môi trường xung quanh, môi trường khắc nghiệt trong nhà xưởng Hiện nay trên thị trường có rất nhiều bộ điều khiển có thể lập trình được như Arduino, Esp8266, Raspberry pi, …Nhưng PLC là lựa chọn phù hợp nhất, nó có các thành phần lọc nhiễu tốt giúp hệ thống hoạt động ổn định và lâu dài trong nhà máy, công xưởng so với các mạch vi xử lý, vi điều khiển khác PLC còn hỗ trợ rất nhiều chuẩn truyền thông ở nhiều khoảng cách khác nhau để dễ dàng giao tiếp với các module điều khiển khác, được thiết kế phù hợp với mức tín hiệu của các cảm biến, bộ điều khiển thông dụng trên thị trường

Thông qua quá trình tìm hiểu, nhóm quyết định chọn PLC Siemens vì sự thông dụng, phổ biến, dễ tiếp cận, đầy đủ tính năng, giá cả phù hợp

Bảng 1 Các dòng sản phẩm của SIEMENS

Dòng sản phẩm Đặc điểm

PLC LOGO của Siemens là một dòng PLC nhỏ gọn, bền bỉ, lý tưởng cho các hệ thống vừa và nhỏ như ATS và nhà thông minh Với phần mềm và ngôn ngữ lập trình dễ sử dụng, sản phẩm này mang lại giá trị kinh tế hợp lý cho người tiêu dùng.

PLC Siemens S7-200 là một dòng PLC cỡ nhỏ nhưng mạnh mẽ, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau Thiết bị này có khả năng mở rộng dễ dàng thông qua các module đầu vào, đầu ra và truyền thông, giúp đáp ứng linh hoạt nhu cầu của người dùng.

PLC Siemens S7-1200 PLC S7-1200 là dòng PLC thay thế S7-

PLC S7-1200, thuộc dòng PLC nhỏ, được sử dụng cho máy móc và dây chuyền nhỏ hoặc các hệ thống nhỏ Với các chức năng đầy đủ như truyền thông và analog, S7-1200 nổi bật nhờ tính năng lập trình đơn giản và giá thành hợp lý Chính vì vậy, PLC S7-1200 trở thành một lựa chọn phổ biến trong ngành công nghiệp.

PLC Siemens S7-300 Đây dòng PLC cỡ trung, với khả năng tính toán nhanh hơn, quản lý số lượng

I/O nhiều hơn nên phù hợp với các ứng dụng vừa và lớn, thường dùng cho dây chuyền, hệ thống vừa và lớn có chi phí cao

PLC Siemens S7-1500 S7-1500 là bản nâng cấp của PLC S7-

Với tốc độ xử lý được nâng cao và khả năng mở rộng I/O vượt trội, sản phẩm 300 hỗ trợ nhiều tính năng mới, bao gồm Webserver cho phép điều khiển và giám sát hệ thống từ xa.

PLC Siemens S7-400 là sản phẩm mạnh mẽ nhất của hãng, nổi bật với cấu trúc Hot-Standby cho khả năng dự phòng khi hệ thống gặp sự cố Thiết bị này có khả năng mở rộng I/O lớn, phù hợp cho các hệ thống DCS và dây chuyền sản xuất quy mô lớn.

2.2.2 PHÁT XUNG TỐC ĐỘ CAO-ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC Để phát xung tốc độ cao điều khiển động cơ bước của PLC S7-1200, chúng ta có thể sử dụng các phương pháp sau:

Sử dụng timer để tạo xung với tần số cố định là một phương pháp hiệu quả, nhưng nó có nhược điểm là tần số xung bị giới hạn bởi tần số của timer.

Sử dụng bộ đếm tốc độ cao giúp tạo ra xung với tần số cao hơn, nhưng cần lưu ý rằng phương pháp này yêu cầu bộ đếm có độ phân giải cao để đảm bảo hiệu quả.

Chức năng PTO (Pulse Train Output) của PLC S7-1200 cho phép tạo xung với tần số lên đến 100 kHz, là phương pháp hiệu quả nhất để điều khiển động cơ bước với tốc độ cao Để sử dụng chức năng PTO này, cần thực hiện các bước cụ thể nhằm phát xung tốc độ cao cho động cơ bước.

+ Chọn một ngõ PTO phù hợp

Chức năng PTO của PLC S7-1200 bao gồm 4 ngõ PTO, được đánh dấu là PTO1, PTO2, PTO3 và PTO4 Mỗi ngõ PTO sở hữu các đặc tính riêng biệt, mang lại sự linh hoạt trong việc điều khiển và quản lý các thiết bị khác nhau.

Bảng 2 Các ngõ PTO của PLC s7-1200

Ngõ PTO Tần số xung tối đa Độ rộng xung tối đa

+ Thiết lập tần số xung và độ rộng xung

Tần số xung và độ rộng xung được thiết lập thông qua tham số PTD của ngõ PTO Tham số PTD có dạng PTD=F*W, trong đó:

F là tần số xung, đơn vị là Hz

W là độ rộng xung, đơn vị là μs

+ Kết nối động cơ bước với ngõ PTO

+24V Hình 2 2 Sơ đồ nối dây động cơ bước điều khiển bằng PLC

MÃ BARCODE

Mã Barcode, hay còn gọi là mã vạch, là một chuỗi các thanh song song với chiều rộng khác nhau, thường có màu đen trên nền trắng, được sử dụng để nhập dữ liệu vào hệ thống máy tính Các thanh này biểu thị các chữ số nhị phân 0 và 1, cho phép máy tính xử lý các số từ 0 đến 9 Sự hiện diện hoặc vắng mặt của các thanh ở vị trí cụ thể được máy tính đọc dưới dạng 0 hoặc 1 Hầu hết mã vạch sử dụng hai chiều rộng thanh (dày và mỏng), mặc dù một số mã có thể sử dụng đến bốn chiều rộng Các con số tương ứng cũng được in ở phần đế của mã vạch.

Mã BARCODE, được quét bằng máy quét quang học (laser), là thành phần quan trọng trong hệ thống máy tính Trong hệ thống UPC, năm chữ số bên trái đại diện cho nhà sản xuất, trong khi năm chữ số bên phải được sử dụng bởi nhà sản xuất đó để xác định sản phẩm cụ thể.

Hệ thống mã vạch là công cụ quan trọng trong việc xác định loại hoặc nhãn hiệu sản phẩm, thường chứa thông tin duy nhất trong mã vạch Ưu điểm nổi bật của mã vạch là khả năng xử lý thông tin chi tiết ngay khi mã được quét, thay vì chỉ lưu trữ để xử lý sau Hiện nay, nhiều hệ thống mã vạch được áp dụng để theo dõi sản phẩm trong suốt quá trình sản xuất, phân phối, lưu trữ, bán và bảo trì.

Hình 2 3 Các loại mã BARCODE

HMI

HMI (HMI Screen) là viết tắt của "Human Machine Interface", nghĩa là "giao diện người và máy" Đây là màn hình giúp người vận hành dễ dàng điều khiển các thiết bị và máy móc HMI tương tự như GUI (Graphical User Interfaces), nhưng không chỉ hiển thị thông tin mà còn cho phép điều khiển hệ thống Người vận hành có thể sử dụng HMI để kiểm tra, kiểm soát thông số và theo dõi hoạt động của các cơ cấu trong hệ thống.

HMI (Giao diện người máy) tương tác với Bộ điều khiển logic lập trình (PLC) và các cảm biến đầu vào/đầu ra để thu thập và hiển thị thông tin cho người dùng Màn hình HMI có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau để cải thiện khả năng giám sát và điều khiển hệ thống.

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 10 được thiết kế cho nhiều chức năng, từ giám sát và theo dõi đến thực hiện các hoạt động phức tạp như tắt máy hoặc tăng tốc độ sản xuất HMI giúp tối ưu hóa quy trình công nghiệp bằng cách số hóa và tập trung dữ liệu, cho phép người vận hành xem thông tin quan trọng qua biểu đồ, bảng điều khiển kỹ thuật số và quản lý cảnh báo Hơn nữa, HMI còn kết nối với các hệ thống SCADA, ERP và MES, tất cả đều thông qua một bảng điều khiển duy nhất.

Trước đây, người vận hành phải đi bộ liên tục trên sàn để theo dõi tiến trình cơ học và ghi chép thủ công Công nghệ HMI hiện đại cho phép PLC truyền thông tin thời gian thực trực tiếp tới màn hình, loại bỏ nhu cầu thực hành lỗi thời này Nhờ đó, HMI giảm thiểu các vấn đề tốn kém do thiếu thông tin hoặc sai sót của con người.

ĐỘNG CƠ BƯỚC

Động cơ bước (step motor) là loại động cơ điện không chổi than, đồng bộ, chuyển đổi tín hiệu xung thành chuyển động góc của rotor Động cơ này có khả năng giữ rotor ở một góc cố định Hoạt động của động cơ bước dựa vào tín hiệu xung từ mạch điều khiển được đưa vào stator theo trình tự và tần số nhất định Khi điện áp được áp vào cuộn dây stator, rotor sẽ quay một góc nhất định, tương ứng với một bước quay Khi các xung điện áp thay đổi liên tục, rotor sẽ quay liên tục nhưng vẫn mang tính chất quay theo các bước rời rạc.

Khi bước góc giảm, số lượng bước trên mỗi vòng quay tăng lên, dẫn đến độ chính xác cao hơn Các bước góc có thể dao động từ 0.72 độ đến 90 độ, nhưng thường được sử dụng là 1.8 độ/bước, 7.5 độ/bước và 15 độ/bước Trong số đó, bước góc 1.8 độ (tương đương 200 bước/vòng) là phổ biến nhất.

Bảng 3 Số góc mỗi bước và số bước mỗi vòng tương ứng

Step angle Steps per revolution

15 24 Động cơ bước được phân thành nhiều loại phụ thuộc vào các đặc tính riêng của từng động cơ:

+ Động cơ bước được phân loại theo Rotor của động cơ bước:

- Loại 1: Rotor được tác động bằng dây quấn hoặc nam châm vĩnh cửu

- Loại 2: Rotor không được tác động nhưng có phần tử cảm ứng, phản kháng còn được gọi là động cơ bước thay đổi từ trở

- Loại 3: Rotor có cấu tạo kết hợp cả hai loại trên (động cơ bước hỗn hợp)

+ Phân loại theo cực của động cơ bước:

Động cơ bước đơn cực bao gồm hai loại chính: loại nam châm vĩnh cửu và loại hỗn hợp Điểm đặc trưng của động cơ này là các cuộn dây có đầu trung tâm được nối ra chính giữa từ mỗi cuộn dây.

Hình 2 5 Động cơ bước đon cực

Động cơ bước lưỡng cực, thuộc loại 2, bao gồm hai loại chính: động cơ bước với nam châm vĩnh cửu và động cơ biến từ trở Đặc điểm nổi bật của loại động cơ này là không có đầu dây nào được nối ra từ trung tâm của cuộn dây.

Hình 2 6 Động cơ bước lưỡng cực

+ Phân loại theo số pha của động cơ bước:

- Loại 1: Động cơ bước 2 pha: 4 dây, 6 dây hoặc 8 dây

- Loại 2: Động cơ bước 3 pha: 3 dây hoặc 4 dây

- Loại 3; Động cơ bước 5 pha: 5 dây hoặc 10 dây

Mặc dù có rất nhiều loại động cơ bước, nhưng phần lớn loại động cơ bước lưỡng cực 4 dây được sử dụng phổ biến

+ Ưu điểm và nhược điểm của động cơ bước:

- Có khả năng cung cấp mô men xoắn cực lớn ở dải vận tốc trung bình và thấp

- Có giá thành thấp nên việc trao đổi, mua bán cũng khá thuận tiện

- Động cơ có tuổi thọ lâu dài, hoạt động bền bỉ

- Dễ dàng thay thế lắp đặt

- Có thể điều chỉnh chính xác góc quay

- Nhược điểm rât khó chịu ở động cơ bước là hay xảy ra hiện tượng trượt bước

- Động cơ dễ nóng và thường gây ra tiếng ồn khi hoạt động

- Với máy móc đòi hỏi tốc độ cao thì động cơ bước không phù hợp

Hệ thống sử dụng động cơ bước có thể được mô tả thông qua sơ đồ như sau:

Hình 2 7 Sơ đồ điều khiển động cơ bước

- D.C SUPPLY: Cung cấp nguồn một chiều cho hệ thống

- CONTROL LOGIC: là một bộ điều khiển có thể phát ra tín hiệu xung điều khiển đến đến bộ điều điều khiển động cơ bước xử lý

Driver nguồn điện được thiết kế để cung cấp nguồn đã được hiệu chỉnh cho động cơ Nó nhận tín hiệu xung từ LOGIC ĐIỀU KHIỂN và thực hiện điều khiển dựa trên các tín hiệu này.

- STEPPER MOTOR: là động cơ bước, đối tượng cần.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

THIẾT KẾ CƠ KHÍ HỆ THỐNG

Mô hình phục vụ khoá luận tốt nghiệp không thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thực tế trong ngành công nghiệp và các điều kiện phân loại phức tạp Tuy nhiên, thiết kế mô hình cần đảm bảo một số yêu cầu kỹ thuật đặc thù của hệ thống.

+ Lắp ráp, đấu nối và vận hành điều khiển dễ dàng

+ Sử dụng các vật tư, thiết bị, linh kiện thông dụng để dễ dàng thay thế và sửa chữa

Như đã được trình bày ở phần trước, hệ thống sẽ được chia thành các phần chính, bao gồm:

+ Hệ thống vận chuyển hàng: Robot vận chuyển

+ Hệ thống phân loại hàng: Máy quét mã vạch và máy tính xử lý

+ Hệ thống xuất nhập hàng: Băng tải xuất hàng, băng tải nhập hàng

+ Hệ thống lưu trữ hàng: Kho, giá đặt hàng

Hệ thống lưu kho tự động này sẽ có 2 bài toán lớn cần giải quyết:

Bài toán vận chuyển hàng yêu cầu điều khiển hệ thống hai băng tải để thực hiện nhiệm vụ xuất nhập hàng Hệ thống cần quản lý robot vận chuyển hàng từ băng tải vào kho và lấy hàng từ kho ra băng tải một cách hiệu quả.

Bài toán phân loại sản phẩm yêu cầu sử dụng mã BARCODE để xác định sản phẩm thông qua máy quét quang học Dữ liệu sẽ được gửi về máy tính, từ đó gửi lệnh cho Robot để nhập hàng vào vị trí ô kho chính xác và lấy hàng từ vị trí ô kho để xuất ra ngoài.

Sau khi nghiên cứu mô hình cơ khí của hệ thống lưu kho tự động và tham khảo ý kiến giảng viên, nhóm thực hiện đã phác thảo mô hình kho tự động trên phần mềm SOLIDWORKS.

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Hình 3 1 Mô hình hệ thống trên SOLIDWORKS

Hình 3 2 Mô hình hệ thống trên SOLIDWORKS

THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN

3.2.1 SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG CỦA TỪNG KHỐI

Về tổng quan, hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động sẽ hoạt động theo mô hình như sau:

3.2.2.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM

Thông qua quá trình tìm hiểu, nhóm em đưa ra những yếu tố quyết định việc chọn PLC nào là hợp lý:

+ Phải có phát xung tốc độ cao Có thể điều khiển cùng lúc 3 động cơ step cùng lúc

+ Có ít nhất 9 ngõ vào để kết nối với thiết bị ngoại vi

+ Thông dụng, có nhiều tài liệu để nghiên cứu

Siemens S7-1200 được lựa chọn vì tính thông dụng, phổ biến và dễ tiếp cận, đồng thời sở hữu đầy đủ tính năng với giá cả hợp lý Nhóm thực hiện đã chọn loại S7-1200 1214C DC/DC/DC nhờ vào các tính năng hữu ích mà nó mang lại.

Hình 3 4 PLC S7-1200 DC/DC/DC

(1) Bộ phận kết nối nguồn

(3) Bộ phận kết nối các IO (phía sau các nắp che)

(4) Các đèn Led báo trạng thái dành cho I/O

(5) Bộ phận kết nối PROFINET (phía dước của CPU)

Hình 3 5 Sơ đồ chân s7-1200 Bảng 4 Thông số kỹ thuật PLC S7-1200 DC/DC/DC

Bộ nhớ Bộ nhớ làm việc: 50Kb

Bộ nhớ lưu trữ: 2Mb

Ngõ vào ra digital 14 In /10 Out

Ngõ vào ra analog 2 In

Vùng nhớ truy xuất bit (M) 4096 Byte

Module tín hiệu mở rộng 8

Board tín hiệu/ truyền thông 1

Bộ đếm tốc độ cao 1 Pha 3x100KHz/3 x 30KHz

2 pha 3x80KHz/3 x 20KHz Ngõ ra phát xung tốc độ cao 3

Thời gian thực khi mất nguồn nuôi 10 ngày

Thực thi lệnh nhị phân 0.1 micro giây/lệnh

Nguồn tổ ong nhỏ gọn với tính năng tản nhiệt hiệu quả, giúp duy trì ổn định điện áp mà không xảy ra hiện tượng sụt áp Thời gian sử dụng bền bỉ của nguồn tổ ong khiến nó trở thành sự lựa chọn hàng đầu cho các thợ điện trong các công trình và dự án Việc tính toán lựa chọn nguồn tổ ong phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

+ Vì sử dụng PLC nên việc chọn nguồn có áp là 24VDC là điều bắt buộc để thuận lợi cho sử dụng

+ Tính toán công suất hệ thống:

Nên vậy nguồn phải có công suất lớn hơn 324.24W Vì vậy, nhóm em chọn bộ nguồn 24V-15A

Hình 3 6 Nguồn tổ ong 24VDC

Các thông số kỹ thuật:

- Điện áp ngõ vào: 220VAC

- Điện áp ngõ ra: 24VDC

Trong đồ án này, nhóm chúng em xây dựng hệ thống với tốc độ tối đa 2000 xung trên giây Để đạt được yêu cầu này, chúng em đã quyết định sử dụng động cơ bước Nema17-17HD4401S.

Bảng 5 Bảng thông số động cơ bước 17HD4401S

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 20 Điện áp 12-24 Vdc

Kích thước 40 x 42 x 42 mm Đường kính trục 4.55mm

Hình 3 7 Động cơ bước 17HD4401S

3.2.2.4 DRIVER ĐỘNG CƠ Để điều khiển được động cơ bước đã chọn, ta cần chọn ra bộ điều khiển phù hợp với thông số nêu trên Qua quá trình tìm hiểu, nhóm quyết định chọn driver TB6600 có khả năng cung cấp dòng tới 4A

+ Tín hiệu đầu vào có cách ly quang, tốc độ cao

+ Có chức năng khóa bán tự động tiết kiệm năng lượng

+ Bảo vệ quá nhiệt, quá dòng, sụt áp

+ Có thể điều khiển động cơ bước 2 pha quay và đảo chiều quay

+ Chế độ vi bước: 1/2; 1/4; 1/8; 1/16 bước

+ Có 6 công tắt gạt dùng để điều chỉnh chế độ phát xung và dòng định mức phù hợp với động cơ bước

3.2.2.5 ĐỘNG CƠ GIẢM TỐC DC Động cơ giảm tốc được thiết kế nhằm làm giảm đi tốc độ vòng quay, tốc độ góc đồng thời làm tăng lực mô men xoắn để có thể kéo tải lớn hơn trong thời gian dài

Hình 3 9 Động cơ DC giảm tốc GA25-370

Thông số kỹ thuật của động cơ GA25-370:

+ Điện áp định mức: 24VDC

Máy quét quang học cầm tay nhỏ gọn được sử dụng để quét mã barcode, cho phép thu thập dữ liệu dưới dạng chuỗi mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange) Chuỗi mã này, dựa trên bảng chữ cái La Tinh, sẽ được truyền vào PLC để tiếp nhận và xử lý, sau đó lưu trữ trong bộ nhớ Load Memory Nhóm em đã quyết định chọn máy với các thông số sau đây:

Hình 3 10 Máy quét mã vạch HANDHELD 2D T-1902L

Các thông số kỹ thuật của sản phẩm:

+ Cảm biến tiệm cận E3F-DS30P1:

Hình 3 11 Cảm biến tiệm cận hồng ngoại E3F-DS30P1

- Điện áp hoạt động: 6 – 36VDC

- Khoảng cách phát hiện: 0 – 30cm

- Loại ngõ ra: PNP thường mở

Hình 3 12 Relay trung gian LY2N

- Điện áp ngõ vào: 24VDC

SƠ ĐỒ NỐI DÂY

Hình 3 13 Sơ đồ nối nguồn

Hình 3 14 Bản vẽ sơ đồ đấu nối INPUT PLC

Hình 3 16 Bản vẽ bố trí tủ điện Hình 3 15 Bản vẽ sơ đồ đấu nối OUTPUT PLC

Hình 3 17 Bản vẽ bố trí thiết bị trên panel

LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN

3.4.1 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT QUY TRÌNH CHỌN CHẾ ĐỘ

Hình 3 18 Lưu đồ giải thuật quy trình chọn chế độ

+ Quy trình chế độ AUTO:

Hình 3 19 Lưu đồ giải thuật quy trình chế độ AUTO

+ Quy trình chế độ MANU:

Hình 3 20 Lưu đồ giải thuật quy trình chế MANU

3.4.2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT QUY TRÌNH NHẬP KHO

Lưu đồ giải thuật của quy trình nhập kho được thể hiện đầy đủ trong hình dưới đây:

Hình 3 21 Lưu đồ giải thuật quy trình nhập kho

3.4.3 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT QUY TRÌNH XUẤT KHO

Lưu đồ giải thuật của quy trình nhập kho được thể hiện đầy đủ trong hình dưới đây:

Hình 3 22 Lưu đồ giải thuật quy trình xuất kho

THI CÔNG HỆ THỐNG

THI CÔNG MÔ HÌNH

Khung kho được làm bằng sắt hộp 53x40x52 (cm) với độ chắc chắn và tính thẩm mĩ Các kệ hàng được dùng bằng những tấm mica hình chữ nhật

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 35

Cơ cấu truyền động 3 trục:

Hình 4 3 Cơ cấu truyền động trục X

Cơ cấu truyền động tịnh tiến trục X sử dụng dây curoa để truyền động qua lại, giúp bàn trượt di chuyển khi động cơ quay Để đảm bảo thăng bằng trong quá trình di chuyển, cần có hai thanh inox mạ crom phi 12 dài 720mm được đặt đối xứng hai bên và kết nối với bàn trượt qua các con trượt.

Hình 4 4 Cơ cấu truyền động trục Y

Cơ cấu nâng hàng trục Y sử dụng dây curoa để truyền động qua hai bên kho, phục vụ việc lấy và xuất hàng Dây curoa có độ co dãn và độ bền phù hợp, đảm bảo truyền động đối xứng hiệu quả Nguyên lý hoạt động của cơ cấu này là khi động cơ quay, tấm trượt giữa sẽ di chuyển, kéo theo tấm nâng hàng tịnh tiến.

Hình 4 5 Cơ cấu truyền động trục Z

Cơ cấu truyền động thẳng đứng Z được thiết kế với khung nhôm định hình trên bàn trượt trục X, giúp nâng cao tính ổn định và hiệu quả Động cơ được lắp đặt dưới khung nhôm và kết nối thông qua dây curoa, đảm bảo truyền động mượt mà Để điều chỉnh chiều cao của trục Z, bàn trượt được trang bị 4 bánh xe ôm thanh nhôm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc di chuyển và cân bằng.

+ Băng tải xuất nhập kho:

Hình 4 6 Cơ cấu băng tải nhập hàng

Hình 4 7 Cơ cấu băng tải xuất hàng

Nhập và xuất kho yêu cầu sử dụng hai băng tải, được chế tạo từ các vật liệu đơn giản Băng tải sử dụng thanh sắt làm rulo truyền động, với trục đỡ dây gắn ở hai đầu để tăng độ ma sát Rulo được kết nối gián tiếp với động cơ thông qua dây đai, khi động cơ quay, rulo sẽ chuyển động tròn cùng với dây đai, tạo ra lực căng cho rulo ở cuối băng tải Quá trình truyền động này giúp việc di chuyển hàng hóa trở nên dễ dàng hơn.

THI CÔNG GIAO DIỆN GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN

Giao diện thiết kế đơn giản và đầy đủ nội dung cần thiết cho một màn hình điều khiển cơ bản trên WinCC, bao gồm logo trường, các mục lựa chọn và thông tin Hệ thống có một màn hình đăng nhập (Home) và hai giao diện điều khiển khác nhau.

Hình 4 8 Màn hình đăng nhập (Home)

Hình 4 9 Giao diện màn hình điều khiển 1

Hình 4 11 Màn hình đăng nhập sau khi khởi động hệ thống

+ Giao diện điều khiển, giám sát, báo cáo sản xuất (Giao diện chỉ có admin mới có quyền sử dụng)

Hình 4 10 Giao diện màn hình điều khiển 2

+ Giao diện điều khiển của người dùng (Giao diện user)

Người vận hành có thể theo dõi được các thông số ở mục TỌA ĐỘ, BẢNG HỆ

THỐNG ĐIỀU KHIỂN, THÔNG TIN SẢN PHẨM, SỐ LƯỢNG Các thao tác điều khiển nằm ở mục PANEL phía dưới đó:

Mục TỌA ĐỘ: Thể hiện vị trí của cơ cấu lưu kho và các hành động của nó

- TRỤC X: Hiển thị vị trí của trục x

- TRỤC Y: Hiển thị vị trí của trục y

- TRỤC Z: Hiển thị vị trí của trục z

Mục BẢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN: Thể hiện tốc độ của hệ thống

- TỐC ĐỘ: tốc độ hệ thống đang vận hành

- LỰA CHỌN NHẬP XUẤT: lựa chọn chế độ nhập xuất

Mục THÔNG TIN SẢN PHẨM: thể hiện thông tin sản phẩm phân loại

- Mã vạch: hiện thị mã barcode đã được phân loại

- Switch LOẠI A, B, C, D: cho phép người dùng chọn mã sản phẩm để xuất kho

Mục SỐ LƯỢNG: thể hiện số lượng sản phẩm xuất nhập kho

- X-HÀNG: Hiện thị số lượng sản phẩm xuất kho

- N-HÀNG: Hiện thị số lượng sản phẩm nhập kho

Để thiết lập vị trí home, bạn cần di chuyển trục X về vị trí home trước, sau đó kích hoạt khối MC-Power Từ khối này, cả hai trục X và Y sẽ được kích hoạt đồng thời để di chuyển đến vị trí home đã được thiết lập từ ban đầu.

Trong giao diện quản trị, mục MANU cho phép người dùng điều khiển hệ thống một cách thủ công thông qua các switch đã được thiết lập sẵn, đáp ứng linh hoạt cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể của người dùng.

Hình 4 14 Bảng điều khiển khi nhập kho tự động

Hình 4 15 Bảng điều khiển khi xuất kho tự động

- Ngoài ra, Nếu mã BARCODE mà hệ thống không quét được thì sẽ yêu câu xuất ra bên ngoài để người vận hành kiểm tra lại

Hình 4 16 Cảnh báo mã BARCODE không đúng

KẾT QUẢ THỰC HIỆN

KẾT QUẢ THI CÔNG CƠ KHÍ

Sau khi hoàn thành thi công phần cứng, hệ thống đã đạt được độ ổn định và chính xác cao, với các trục di chuyển hoạt động đúng theo số bước đã được cài đặt.

+ Các tính toán về kích thước chính xác ở mức tương đối, các bộ phận khi hoạt động không xảy ra va chạm

+ Các cảm biến hoạt động khá tốt và chính xác

+ Sản phẩm được lưu xuất dễ dàng, không bị rớt trong quá trình vận chuyển

Hình 5 1 Mô hình hoàn thiện

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ THỰC HIỆN

Hình 5 2 Cơ Cấu chấp hành hoàn thiện

Hình 5 3 Quy trình nhập kho tự động

Hình 5 4 Robot mang hàng ra băng tải xuất sau khi lấy hàng thành công

Hình 5 5 Robot chuyển hàng vào kho

KẾT QUẢ THI CÔNG PHẦN ĐIỆN

Sau khi thực hiện thi công tủ điện, tủ điện đáp ứng những yếu tố:

+ Được sắp xếp và đi dây gọn gàng trong các máng dây

+ Các đầu dây được dán nhãn thuận tiện dù có bị lẫn dây thì vẫn dễ dàng đi lại + Điều khiển hệ thống trơn tru

Hình 5 6 Tủ điện hoàn thiện

KẾT QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG

Sau khi thực hiện đề tài, dưới dây là các quy trình vận hành hệ thống:

Hình 5 7 Các bước truy cập vào màn hình điều khiển

Hình 5 8 Quy trình các bước điều khiển ở giao diện user

Hình 5 9 Quy trình các bước điều khiển ở giao diện admin

+ Số liệu vận hành hệ thống trong thực tế với nhiều thời gian hoạt động:

Bảng 6 Số liệu vận hành hệ thống

Kết quả phân loại Độ chính xác

+ Bảng trên được đo trong quá trình chạy mô hình bằng trạng thái tự động (AUTO) trong vòng 30 phút

Kết luận: từ bảng tổng hợp trên, ta có thể đưa ra một số điều như sau:

Để nhập đầy kho hàng, cần khoảng 5-6 phút, thời gian này có thể kéo dài tùy thuộc vào số lượng sản phẩm lỗi trong lần nhập Tương tự, việc xuất hết hàng trong kho cũng mất khoảng 5-6 phút Trong quá trình vận hành, có thể gặp một số lỗi thường gặp.

❖ Máy quét không không hoạt động hoặc không quét được mã BARCODE

Cơ cấu chuyển động trục Y có trọng lượng lớn khi chỉ được hỗ trợ từ một bên, dẫn đến hiện tượng bề mặt trục Y bị nghiêng Tuy nhiên, tình trạng này không ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống.

Tiêu đề	Hệ Thống Lưu Kho Tự Động Và Quản Lý Bằng Mã Barcode
Tác giả	Nguyễn Cảnh Quang, Lê Quang Nhân
Người hướng dẫn	ThS. Lê Thị Hồng Lam
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Thể loại	Khóa Luận Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	6,67 MB