HD4 nguyễn anh tú nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình lưu kho tự động sử dụng mã QR

Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, PLC, xử lý ảnh được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm chạp ít chính xác được t

Giáo viên hướng dẫn: TS NGUYỄN ANH TÚ

Sinh viên thực hiện : ĐOÀN QUANG HINH 2018606181

NGUYỄN NGỌC ĐỨC 2018606388

NGUYỄN XUÂN TUẤN ANH 2018606146

Hà N ội – 2022

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện- điện tử và điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học, quản lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin… Do

đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự nghiệp phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, PLC, xử lý ảnh được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các

hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước

Với mục đích nghiên cứu có tính ứng dụng và ý nghĩa thực tiễn nên nhóm

đã chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình lưu kho tự động sử dụng

mã QR” để giải quyết vấn đề lưu kho tự động ở nước ta

Trong quá trình thực hiện đề tài này, do thời gian có hạn và chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, rất mong được sự quan tâm và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo để nhóm thực hiện bổ sung vào vốn kiến thức của mình

Để hoàn thành đề tài này nhóm nghiên cứu xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Anh Tú giáo viên hướng dẫn đã chỉ bảo và hướng dẫn tận tình để chúng em có thể hoàn thành tốt đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình lưu kho tự động sử dụng mã QR”

Hà Nội, ngày…tháng…năm… Nhóm sinh viên thực hiện Đoàn Quang Hinh

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU…… 2

MỤC LỤC………… 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LƯU KHO TỰ ĐỘNG 9

1.1 Lịch sử nghiên cứu 9

1.2 Các hệ thống lưu kho tự động điển hình 11

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 14

1.4 Phương pháp nghiên cứu 14

1.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 14

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 14

CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG LƯU KHO TỰ ĐỘNG 15

2.1 Phương pháp nhận dạng mã QR 15

2.1.1Tổng quan về mã QR 15

2.1.2 Phương pháp nhận dạng mã QR 17

2.1.3 Các thư viện và phần mềm hỗ trợ nhận dạng QR 18

2.2 Phương pháp điều khiển sử dụng PLC 19

2.2.1 Tổng quan về bộ điều khiển PLC 19

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 21

2.2.3 Các phầm mềm hỗ trợ lập trình PLC 22

CHƯƠNG 3.THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG LƯU KHO TỰ ĐỘNG… 25

3.1 Thiết kế tổng thể hệ thống lưu kho 25

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí [5] 27

3.2.1 Tính toán, thiết kế bộ truyền vít me 27

3.2.2 Tính toán, thiết kế băng tải 31

3.2.3 Tính toán, thiết kế bộ truyền đai răng 32

3.2.4 Tính chọn động cơ [10] 35

3.3 Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển 44

3.3.1 Bộ điều khiển PLC 45

3.3.2 Module TB-6560 Driver điều khiển động cơ bước 48

3.3.3 Cảm biến tiệm cận 51

3.3.4 Công tắc hành trình 52

3.3.5 Nguồn xung DC 24V-10A 53

3.3.6 Thiết bị đóng cắt nguồn điện 54

3.3.7 Webcam quét QR 54

3.3.8 Relay trung gian Omron 55

3.3.9 Nút nhấn nhả 56

3.3.10 Đèn LED 56

3.4 Chế tạo, thử nghiệm và đánh giá hệ thống 57

3.4.1 Chế tạo 57

3.4.2 Thử nghiệm 61

3.4 3 Đánh giá 62

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 63

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC………… 65

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AS/RS Automated Storage & Retrieval

System

Hệ thống gửi lấy hàng hóa

tự động

QR Code Quick response code Mã phản hồi nhanh

PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển Logic có

thể lập trình được URL Uniform Resource Locator Định vị tài nguyên thống

nhất

RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy xuất ngẫu

nhiên

CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật PLC S7-1200 45

Bảng 3.2 Setup dòng cho động cơ bước 49

Bảng 3.3 Cài đặt vi bước cho Driver 50

Bảng 3.4 Kết quả thử nghiệm 61

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Quy trình lưu xuất kho 10

Hình 1.2 Hệ thống AS/RS tải đồng hạng (Unit load AS/RS) [7] 11

Hình 1.3 Hệ thống AS/RS tải nhỏ (Mini load AS/RS) [8] 12

Hình 1.4 Kho bán tự động (xếp/lấy hàng bằng tay) [9] 12

Hình 1.5 Kho chiều sâu (Deep lane AS/RS) [9] 13

Hình 2.1 Cấu tạo mã QR 16

Hình 2.2 Quy trình tạo và quét mã QR 17

Hình 2.3 Cách sắp xếp nội dung mã nhị phân 17

Hình 2.4 Giao diện Microsoft Visual Studio 18

Hình 2.5 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PLC 20

Hình 2.6 Giao diện phần mềm TIA Portal 22

Hình 2.7 Giao diện phần mềm WinCC 23

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 25

Hình 3.2 Tổng thể hệ thống lưu kho 26

Hình 3.3 Các thông số của truyền động vít me – đai ốc 27

Hình 3.4 Vít me đai ốc T8 30

Hình 3.5 Băng tải 31

Hình 3.6 Đai và Puly 34

Hình 3.7 Lực làm trục Y di chuyển 36

Hình 3.8 Động cơ bước KH56QM2U038 41

Hình 3.9 Động cơ bước KV4234-F2B009 41

Hình 3.10 Lực tác dụng lên băng tải 42

Hình 3.11 Động cơ DC Servo giảm tốc GA 25 44

Hình 3.12 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 44

Hình 3.13 PLC S7-1200 46

Hình 3.14 Driver TB-6560 48

Hình 3.15 Sơ đồ nối dây 49

Hình 3.16 Cảm biến tiệm cận E3F-DS30C4 51

Hình 3.17 Công tắc hành trình Omron 52

Hình 3.18 Nguồn xung DC 24V-10A 53

Hình 3.19 Aptomat Suntree SCB8-63 54

Hình 3.20 Webcam Rapoo C260 54

Hình 3.21 Relay trung gian Omron MKS3P 55

Hình 3.22 Nút nhấn nhả LA16Y-DSA1 56

Hình 3.23 Đèn LED AD16-16C 56

Hình 3.24 Băng tải nhập/xuất hàng 57

Hình 3.25 Mô hình khi hoàn thành phần cơ khí 58

Hình 3.26 Tủ điện hệ thống 58

Hình 3.27 Mô hình hoàn chỉnh 59

Hình 3.28 Giao diện màn hình chính 59

Hình 3.29 Giao diện giám sát và điều khiển hệ thống 60

Hình 3.30 Giao diện điều khiển C# 60

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LƯU KHO TỰ ĐỘNG 1.1 Lịch sử nghiên cứu

Hệ thống tự động hóa lưu kho và xuất kho bắt đầu được giới thiệu từ cuối

những năm 1960 và phổ biến rộng hơn vào thập niên 1970 và 1980 Công năng đầu tiên của hệ thống chỉ là kiểm tra và bốc xếp các pallet hai khay chứa kiện hàng linh kiện Mục đích là giảm thiểu hư hại sản phẩm, sử dụng tiết kiệm diện tích kho chứa ra kiểm tra và theo dõi hàng hóa không bị đánh cắp hay thay đổi không được phép nhất là giảm công suất lao động bốc xếp hàng hóa

Vào thời kỳ sơ Khai (1960-1980) ”Hệ thống tự động hóa lưu kho là sự gắn

kết hoạt động các trang bị và bộ phận kiểm soát dùng cho bốc xếp, lưu trữ và

xuất kho so với độ chính xác vận hành, tốc độ xử lý cao trong giới hạn của cấp

độ tự động hóa được áp dụng ảnh”

Từ sau 1980 đến nay, thời kỳ phát triển mạnh mẽ của tự động hóa Hệ thống

tự động hóa lưu kho là một trang thiết bị (device) tự động nhận dòng chuyển đến với kích cỡ thường là đồng nhất không cao, phân loại lại, lưu trữ tạm

thời, sau đó đó Theo các điều kiện và lệnh tương ứng cho ra các điểm tập kết

để được chuyển đến vị trí yêu cầu Tất cả các công đoạn được thực hiện với

mức độ tự động hóa cao, loại bỏ việc cần nhân lực điều khiển các công đoạn này hay không

Từ nhận thức ban đầu hệ thống kho hàng tự động chỉ là kết hợp cơ giới hóa

và điều khiển tự động với một số công đoạn của quy trình nhập/lưu/xuất kho Ngày nay hệ thống kho hàng tự động là sản phẩm của cơ điện tử (mechatronics)

Ở mức độ tự động hóa cao, sao phân phối hệ thống sản xuất thông minh Sự phát triển của kho hàng tự động là những bước tiến quan trọng trên con đường

tiến tới hệ thống sản xuất “Just in time” Đáp ứng kịp thời nhu cầu biến động nhanh của thị trường quốc tế “Just in time” là một hệ thống điều hành sản xuất

mà trong đó các luồng nguyên nhiên vật liệu, hàng hóa và sản phẩm lưu hành trong quá trình sản xuất và phân phối được lập kế hoạch chi tiết nhất trong từng

bước, sao cho quy trình tiếp theo có thể thực hiện ngay khi qui trình hiện thời

chấm dứt

Để đáp ứng nhu cầu rộng rãi của nhiều dạng hệ thống tự động hóa lưu kho

và xuất kho, trên thế giới đã có các công ty nghiên cứu chế tạo các hệ thống tự động hóa lưu kho và xuất kho cho các kho hàng, kho chứa bưu phẩm như Daifuku (Nhật), Dematic Corp, FKI logistex, Phoenix Wesifalia, Technologies, Bastian-BMH (Mỹ), Union Rack,Manufacturing Co…Najing Zhongyang Racking (Trung Quốc),…

Trong báo cáo tổng quan của Roodbergen, KJ và Vis.I.F.A, hiện nay có khoảng hơn 500 bài báo cáo khoa học chuyên sâu về hệ thống tự động hóa lưu/xuất kho được công bố

Hệ thống kho hàng tự động được ứng dụng và qua nhiều năm ứng dụng hệ

thống này đã trở thành một bộ phận quan trọng trong tổ chức sản xuất với quy

mô lớn nhỏ khác nhau ở nhiều lĩnh vực khác nhau:

- Ở các khu vực bốc xếp hàng hóa như các kho cảng, sân bay;

- Ở các công ty, xưởng sản xuất;

- Ở các siêu thị lớn, bưu điện chuyển phát nhanh, ngân hàng, thư viện lớn, các bãi đỗ xe,…

Hình 1.1 Quy trình lưu xuất kho

1.2 Các hệ thống lưu kho tự động điển hình

❖ Hệ thống lưu kho tự động cho các kiện hàng đồng hạng (Unit load AS/RS)

Loại kho này thiết kế cho các kiện hàng cùng hàng tải trọng (Unit load),

hoặc cùng hạng kích cỡ, ví dụ hàng hóa được đựng trong các thùng hàng chuẩn hóa, hoặc cùng kiểu bốc xếp Trong trường hợp thao tác với các kiện hàng đồng

hạng, bộ phận gắp của cơ cấu vận chuyển có thể thiết kế chuyên dụng như cùng

cơ cấu kẹp cơ khí hoặc bàn kẹp chân không, bàn kẹp từ tính Đồng thời kết cấu cũng được tính toán cho một hạng mức trọng tải hoặc kích cỡ

Hệ thống lưu kho tự động này thường được thiết kế đi kèm với một hệ thống băng tải và thường được sử dụng trong kho hàng hóa các xí nghiệp, trong các kho chứa ô tô

Hình 1.2 Hệ thống AS/RS tải đồng hạng (Unit load AS/RS) [7]

❖ Hệ thống lưu kho tự động dành cho tải nhỏ (Mini load AS/RS)

Hệ thống Mini Load AS/RS được thiết kế cho trường hợp các kiện hàng

trọng tải nhỏ Hệ thống kho AS/RS này thích hợp với cơ sở không có mặt bằng

rộng, các sản phẩm thường là các chi tiết máy, các dụng cụ,…và thường được đựng trong các thùng chứa, các ngăn kéo Các xí nghiệp, các cơ sở dịch vụ lại hay sử dụng các loại hệ thống lưu kho này

Hình 1.3 Hệ thống AS/RS tải nhỏ (Mini load AS/RS) [8]

❖ Hệ thống lưu/xuất kho tự động có người vận hành (Man on boaded AS/RS)

Hệ thống kho bán tự động, tức là có sự tham gia trực tiếp của người vận hành ở một công đoạn nào đó, ví dụ có người đứng trên thang máy để xếp hàng, nhặt hàng như hình (1.4) Hệ thống này thích hợp với những loại mặt hàng dạng các chi tiết máy để rời Hệ thống có sức chứa, kích thước và tải trọng nhỏ Nhưng có thể thích hợp với các xí nghiệp vừa và nhỏ

Hình 1.4 Kho bán tự động (xếp/lấy hàng bằng tay) [9]

❖ Kho chiều sâu (Deep lane AS/RS)

Hệ thống tự động AS/RS tuyến sâu (deep lane) chỉ có đặc điểm khác là chiều sâu của kho tương đối lớn nên cất trữ được nhiều khoang hàng hơn

Hình 1.5 Kho chiều sâu (Deep lane AS/RS) [9]

➢ Một số hạn chế của các nhà kho hiện nay:

- 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 số lượng nhiều (chất hàng chồng lên nhau);

- Rất khó kiểm soát số lượng hàng hóa ra vào trong kho;

- Mất nhiều thời gian cho việc xuất nhập 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 chống trong việc lưu trữ và xuất hàng hóa ra

khỏi kho, các hệ thống kho tự động được sử dụng robot 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 nhưng bù lại là hàng hóa được bảo quản tốt, thuận tiện cho

việc quản lý và kiểm soát, tiết kiệm thời gian, tiết kiệm nhân công,…

Chính nhu cầu và lý do đó mà chúng em tiến hành thiết kế, thi công hệ

thống lưu kho tự động sử dụng mã QR với bộ điều khiển PLC, giám sát và điều khiển thông qua hệ thống SCADA

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hệ thống có thể vận hành ở 2 chế độ tự động và thủ công Điều khiển dễ dàng thông qua các nút nhấn và có sự giám sát quy trình trên thiết bị truyền thông cho nhận như máy tính hoặc màn hình hiển thị HMI

Hệ thống đáp ứng chính xác về vị trí

Hệ thống hoạt động ổn định trong thời gian dài và đảm bảo an toàn bằng một cơ chế quá trục

Lập trình và mô phỏng được hoạt động của hệ thống, tính toán các kết cấu

cơ khí và điều khiển trên các phần mềm mô phỏng chuyên dụng và vẽ 3D 1.4 Phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu về các bài toán, mô hình hóa giúp cho việc tính toán và chọn các trang thiết bị điện và cơ khí

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các loại động cơ, hệ thống cảm biến, bộ điều khiển điển hình trong điều khiển một hệ thống lưu kho tự động

- Nghiên cứu về cách điều khiển động cơ bước thông qua driver

- Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết, ứng dụng viết chương trình điều khiển lưu kho cho bộ điều khiển PLC

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Nghiên cứu hệ thống lưu kho tự động trên thực tế và xây dựng mô hình thực

tế để nghiên cứu thực nghi ệm

- Sử dụng phần mềm TIA Portal (SIMATIC STEP 7& WinCC) làm công cụ để

mô phỏng và giám sát hệ thống

- Sử dụng phần mềm Solidworks và AutoCAD để thiết kế và mô phỏng hệ

thống cơ khí

- Sử dụng phần mềm Visual Studio để đọc và tạo mã QR

- Sử dụng phần mềm AutoCAD Electrical để thiết kế hệ thống điện

2.1.1 Tổng quan về mã QR

QR code là viết tắt của Quick response code hay còn gọi là mã vạch ma trận (matrix-barcode), là dạng mã vạch hai chiều (2D) có thể được đọc bởi một máy đọc mã vạch hay điện thoại thông minh có chức năng chụp ảnh với ứng dụng chuyên biệt để quét mã vạch

QR Code cho phép quét và đọc mã nhanh hơn bằng các thiết bị như máy đọc mã vạch hoặc smartphone (điện thoại di động thông minh) có camera với ứng dụng cho phép quét mã, tiện lợi cho người dùng

QR Code được ứng dụng nhiều trong cuộc sống ngày nay Bạn có thể thường xuyên nhìn thấy mã này trên các sản phẩm hoặc đi hội thảo, hội nghị thay vì phát tài liệu giấy, ban tổ chức sẽ hướng dẫn bạn quét mã QR Code Đặc điểm của mã QR:

- Một mã QR có thể chứa đựng một địa chỉ web (URL), các thông tin liên hệ

của cá nhân hoặc doanh nghiệp như sản phẩm, địa chỉ email, số điện thoại, địa chỉ nhà, tin nhắn SMS,…Cũng tùy thuộc vào thiết bị đọc mã QR mà khi quét nó sẽ dẫn tới một trang web, gọi đến một số điện thoại, xem một tin

nhắn,…

- Có thể nhập tối đa 7.089 chữ số hoặc 4.296 ký tự, bao gồm cả dấu câu và ký

tự đặc biệt trong một mã Ngoài các số và ký tự, từ và cụm từ cũng có thể được mã hóa Khi có thêm dữ liệu được thêm vào mã QR, kích thước mã sẽ tăng lên và cấu trúc mã cũng trở nên phức tạp hơn

Cấu tạo của mã QR: gồm nhiều hình vuông màu đen với nền trắng được

sắp xếp trong một lưới hình vuông, trong đó một số ô dùng để cảm biến hình ảnh định vị (3 ô vuông lớn ở 3 góc), còn lại chứa thông tin định dạng, phiên

bản, dữ liệu và mã sửa lỗi (ECC – phương pháp phát hiện và sửa lỗi xảy ra khi truyền dữ liệu)

Hình 2.1 Cấu tạo mã QR Trong đó:

- Hoa văn định vị (1): Các hoa văn định vị nằm ở 3 góc của mã QR Mục đích của chúng là biểu thị hướng cho mã, giúp camera có thể xác định được phạm

vi mã cũng như đọc thông tin ngay trong trường hợp mã bị biến dạng

- Thông tin định dạng (2): Các mẫu định dạng có chức năng sửa lỗi, quyết định mức độ sửa lỗi của mã QR Để giúp cho việc cân bằng giữa các ô đen

và trắng trên mã, chức năng Mask được thiết lập Dựa vào 8 loại nguyên tắc, các thông tin lưu trên mã QR vẫn đảm bảo sự toàn vẹn cũng như màu sắc của các ô đen trắng để bảo đảm sự cân bằng

- Vùng dữ liệu (3): Chứa những dữ liệu thực tế

- Ký hiệu căn chỉnh (4): Giúp định hướng mã QR, có thể giải mã từ mọi góc

độ Ngay cả khi mã đang ngược hoặc ở một góc khác, máy vẫn có thể đọc được mã một cách dễ dàng

- Mô-đun (5): Các ô đen mã QR chứa các đoạn mã nhị phân và mang giá trị là

1, các ô trắng có giá trị là 0 Tập hợp các ô chính là các thông tin lưu trữ vào

mã QR

- Thông tin phiên bản (6): Chỉ định phiên bản của mã QR, được xác định bởi

số lượng mô-đun Hiện tại, có tất cả 40 phiên bản từ 1 đến 40 Phiên bản 1

gồm 21 mô-đun, mỗi phiên bản tiếp theo sẽ tăng thêm 4 mô-đun cho đến khi đạt đến phiên bản 40 với tổng số 177 mô-đun Càng nhiều mô-đun bên trong

mã QR, nó sẽ có nhiều dung lượng lưu trữ hơn Đối với mục đích tiếp thị, thường dũng mã QR với phiên bản từ 1 đến 7

- Mẫu thời gian (7): Khi sử dụng mẫu này, máy quét có thể biết được độ lớn của ma trận dữ liệu

- Vùng yên tĩnh (8): Đây là không gian trống xung quanh mã, cho phép bộ đọc

mã phân biệt mã QR với môi trường xung quanh

2.1.2 Phương pháp nhận dạng mã QR

Hình 2.2 Quy trình tạo và quét mã QR

- Nội dung muốn tạo được mã hóa thành mã nhị phân rồi đưa vào mã QR theo dạng ô vuông (đen là 1, trắng là 0)

- Nội dung được xếp từ dưới lên trên, từ phải sang trái

Hình 2.3 Cách sắp xếp nội dung mã nhị phân

Tạo mã QR

Quét mã QR

Camera sẽ dựa vào các ô định vị để xác định chiều của QR code Sau đó xác định nhưng ô vuông đen, trắng để đưa ra đoạn mã nhị phân Từ mã nhị phân

sẽ thông qua thư viện Zxing.net để chuyển sang dạng ký tự

Các thư viện sử dụng nhận dạng mã QR:

- Thư viện đọc video từ webcam bao gồm: Aforge, Aforge.video, Aforge.video.DirectShow

- Thư viện giải mã QR code: Zxing.net

- Thư viện tạo mã QR code: QRcoder

2.1.3 Các thư viện và phần mềm hỗ trợ nhận dạng QR

❖ Ngôn ngữ lập trình C#

C# là một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng được phát triển bởi Microsoft,

dựa trên C++ và Java Được giới chuyên môn nhận định là một ngôn ngữ lập trình đơn giản, hiện đại, hướng đến nhiều mục đích sử dụng Ngoài ra, tính mạnh mẽ, sự bền bỉ và năng suất của việc lập trình cũng là một điểm mạnh của ngôn ngữ này

❖ Phần mềm Microsoft Visual Studio

Hình 2.4 Giao diện Microsoft Visual Studio Đây là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) từ Microsoft Nó được sử

dụng để phát triển chương trình máy tính cho Microsoft Windows, cũng như

các trang web, các ứng dụng web và các dịch vụ web Trong luận văn, Visual Studio được sử dụng để lập trình để giao tiếp giữa Arduino, máy tính và PLC

Có rất nhiều ngôn ngữ để cho bạn có thể lập trình trên môi trường này gồm có

C, C++, C#, Visual Basic, Java và Python Ngoài ra cũng có rất nhiều ứng dụng

mà bạn có thể xây dựng ở đây như Windows Forms Designer, Web designer

hoặc là Mapping designer Microsoft cung cấp phiên bản “Express” đối với phiên bản Visual Studio từ 2013 trở về trước và “Community” đối với bản Visual Studio từ 2015 trở về sau Đây là phiên bản miễn phí của Visual Studio

và cũng là phiên bản được sử dụng trong luận văn này

❖ Thư viện S7.net

S7.net là trình điều khiển PLC và chỉ hoạt động với PLC thông qua Ethernet S7.net được viết hoàn toàn bằng C#, tương thích dòng PLC S7

2.2 Phương pháp điều khiển sử dụng PLC

2.2.1 Tổng quan về bộ điều khiển PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thực toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một

loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định kỳ hay thời gian được đếm Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF các thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển

lập trình sẽ liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu

ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dung dây nối, người ta

đã chế tao bộ điều khiển plc nhằm thoả mãn các yêu cầu sau:

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

- Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa

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

- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, các module mở rộng

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay cho các phần cứng Relay dây nối và các logic thời gian Tuy nhiên bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ

và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý cũng như giá cả Chính điều này đã tạo ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp, các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định

thời, thanh ghi dịch…Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn Trong PLC phần cứng CPU và chương trình

là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển và xử lí hệ thống, chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bằng một chương trình Chương trình này sẽ được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển

dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng

cửa quy trình công nghệ Ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng

mà không cần một sự can thiệp vật lí nào so với các bộ dây nối hay Relay

Hình 2.5 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PLC

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

❖ Cấu tạo:

- Một bộ vi xử lý trung tâm CPU, có vai trò xử lý các thuật toán

- Các modul vào/ra tín hiệu

❖ Nguyên lý hoạt động:

- Đầu tiên các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi (sensor, contact, …) được đưa vào CPU thông qua module đầu vào Sau khi nhận được tín hiệu đầu vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua module đầu ra xuất ra các thiết bị được điều khiển bên ngoài theo 1 chương trình đã được lập trình sẵn

- Một chu kỳ bao gồm đọc tín hiệu đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội, tự kiểm tra lỗi, gửi cập nhật tín hiệu đầu ra được gọi là 1 chu kỳ quét hay 1 vòng quét (Scan Cycle)

- Thường thì việc thực hiện một vòng quét xảy ra trong thời gian rất ngắn (từ 1ms-100ms) Thời gian thực hiện vòng quét này phụ thuộc vào tốc độ xử lý

lệnh của PLC, độ dài ngắn của chương trình, tốc độ giao tiếp giữa PLC và thiết bị ngoại vi

❖ Phân loại

Việc phân loại S7-1200 dựa vào loại CPU mà nó trang bị: Các loại

PLC thôngdụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C

Thông thường S7-200 được phân ra làm 3 loại chính:

- Loại AC/DC/RLY:

+ Nguồn nuôi: 120 – 240VAC

+ Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC – 30VDC) + Ngõ ra: Relay

+ Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra Relay Do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp khác nhau (có thể sử dụng ngõ ra 0V, 24V, 220V…)

+ Tuy nhiên, nhược điểm của nó là do ngõ ra Relay nên thời gian đáp ứng không nhanh cho ứng dụng biến điệu độ rộng xung, hoặc Output tốc độ cao

TIA Portal (Total Intergrated Automation Portal) là tên một phần mềm dùng để lập trình cho thiết bị có tên là bộ điều khiển logic (Programmable Logic Controller) trong công nghiệp, không giống như các phần mềm lập trình trước, TIA Portal tích hợp hết các chức năng từ lập trình, giả lập CPU hay thiết kế cả giao diện người – máy Đây là phiên bản hoàn thiện nhất cho việc thiết kế trọn

bộ hệ thống điều khiển bằng PLC của Siemens

Ngoài lập trình cơ bản TIA Portal còn hỗ trợ một số tính năng nổi bật như: + Hỗ trợ lập trình truyền thống trực tiếp trên phần mềm: Giao diện HMI, WinCC, truyền thông Profbus…với giao diện và tập lệnh sử dụng

+ Dễ dàng thiết lập cấu hình kết nối giữa các thiết bị trong mạng truyền thống + Hỗ trợ mô phỏng một cách trực quan các dòng PLC mới nhất của Siemens

để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất Nói rõ hơn, WinCC là chương trình dùng để thiết kế các giao diện Người và Máy-HMI

(Human Machine Interface) trong hệ thống Scada (Supervisory Control And Data Acquisition)

Với chức năng chính là thu thập số liệu, giám sát và điều khiển quá trình

sản xuất Với WinCC, người dùng có thể trao đổi dữ liệu với PLC của nhiều hãng khác nhau như : Siemens, Mitsubishi, Alen braddly, Omron, thông qua

cổng COM với chuẩn RS232 của PC và chuẩn RS458 của PLC

Với WinCC ta có thể tận dụng nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết công

việc từ thiết kế cho hệ thống có quy mô nhỏ đến quy mô lớn Hệ thống thực hiện sản xuất MES (Manufacturing Excution System) WinCC có thể mô phỏng

bằng hình ảnh các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng chuỗi sự

kiện nếu bạn muốn yêu cầu công nghệ ngày càng phát triển quyền WinCC cung

cấp nhiều hàm chức năng trong mục đích hiển thị thông báo, ghi báo cáo, xử lý thông tin đo lường các tham số công thức Và là một một trong những chương trình thiết kế giao diện Người và Máy- HMI được tin dùng nhiều nhất hiện nay

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG

LƯU KHO TỰ ĐỘNG 3.1 Thiết kế tổng thể hệ thống lưu kho

❖ Quy trình công nghệ

Quy trình nhập hàng:

Bước 1: Kiểm tra hàng có ở băng tải

Bước 2: Đưa hàng đến vị trí quét QR code

Bước 3: Quét QR xác định vị trí của ô hàng

Bước 4: Cơ cấu vận chuyển hàng lấy hàng

Bước 5: Vận chuyển hàng vào kho

Quy trình xuất hàng:

Bước 1: Kiểm tra hàng có ở trong kho

Bước 2: Trên màn hình giám sát chọn vào ô hàng muốn lấy

Bước 3: Cơ cấu vận chuyển hàng lấy hàng

Bước 4: Vận chuyển hàng ra băng tải

Khối cơ cấu

vận chuyển

Khối quét QR

Khối giám sát

Sơ đồ khối của hệ thống được mô tả như hình 3.1, trong đó chức năng của các khối:

+ Khối quét QR: Dùng Camera để quét mã QR

+ Khối giám sát: có chức năng giám sát hoạt động của hệ thống

+ Khối cảm biến: Gồm các thiết bị như những cảm biến, công tắc hành trình,… có chức năng thu tín hiệu từ bên ngoài

+ Khối điều khiển PLC: Có chức năng điều khiển toàn hệ thống

+ Khối nguồn: Gồm các thiết bị như aptomat, bộ chuyển đổi nguồn,… có chức năng cấp nguồn cho toàn hệ thống

+ Khối cơ cấu vận chuyển: Gồm các thiết bị như motor, hệ truyền động,…

có chức năng di chuyển và điều khiển các cơ cấu

❖ Thiết kế tổng thể hệ thống lưu kho

Hình 3.2 Tổng thể hệ thống lưu kho

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí [5]

3.2.1 Tính toán, thiết kế bộ truyền vít me

❖ Yêu cầu thiết kế

❖ Tính toán trục chuyển động của vít me

Hình 3.3 Các thông số của truyền động vít me – đai ốc Đường kính trung bình của ren:

≥ . . .[ ] (3.1) Trong đó:

: Lực dọc trục

: Hệ số chiều cao đai ốc = 0,5 với ren vuông

: Hệ số chiều cao ren

[ ] : Áp suất cho phép

Vật liệu vít và đai ốc là thép – đồng thanh nên chọn [ ]= 8(Mpa) , =1,2 Thay vào công thức (3.1) ta có:

≥ , , [ ] = 6,152 (lấy =8mm) Kiểm nghiệm độ bền theo thuyết bền 4 ta có:

= √ + 3 = ( ) + 3( . ) ≤ ⌊ ⌋ (3.2) Trong đó:

T : Momen xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vật

: Lực dọc trục

⌊ ⌋ : Ứng suất cho phép (kéo hoặc nén)

⌊ ⌋ : với là giới hạn cháy của vật liệu vít

: Đường kính trong của renvit

Tiết diện nguy hiểm là tiết diện nhận toàn bộ lực dọc trục và momen là giá

trị lớn hơn trong 2 giá trị (momen ren) (momen gối tỉ) ta có:

Trong đó:

: Góc vít

= arctgf : góc ma sát

: Đường kính trung bình của ren vít

Các thông số của ren:

Chiều cao profin ren h=1 (mm)

Với hệ số ma sát f = 0,1 ( thép – đồng thanh) ta tính ra được góc ma sát = arctg(0,1) = 5,71 thay vào công thức (3.3) ta có:

Với thép 45: = 360(MPa) => ⌊ ⌋ = /3 = 120 (MPa)

Do <⌊ ⌋ nên điều kiện được đảm bảo

Momen quán tính của tiết diện vít J:

Thay số vào công thức (3.7) ta được:

= (0,4 + 0,6 )=33,9 ( ) Bán kính quán tính của tiết diện vít me:

: hệ số chiều dài tương đương, xác định như sau:

=1 khi cả 2 đầu được vít cố định bằng bản lề

= 0.7 khi một đầu được vít, đầu kia bị ngàm (đai ốc tựa được coi như ngàm)

=0.5 khi cả 2 đầu bị vít ngàm

= 2 khi một đầu bị vít ngàm một đầu tự do

l: chiều dài của vít (500 mm)

Vì >100 dùng công thức owle đi tính tải trọng giới hạn ta có:

Thay số vào công thức (3.9) ta được :

= 2,1 10 ( , ), = 57356,5 (N) (Với E=2,1 10 MPa mô đun đàn hồi)

Kiểm nghiệm độ bền cho vít me:

- Chiều dài băng tải: L = 740 mm

- Chiều rộng băng tải: W = 100 mm

- Chiều dài hình học của đai: L G = 1,525 mm

- Chiều dày đai H = 3 mm

- Thống số hình học của sản phẩm: 50 x 50 x 30 mm ( dài x rộng x cao )

- Khối lượng con lăn: mR = 0,057 kg

Trong 1 phút băng tải đi được một quãng đường:

= ℎ = 630.4 = 2520 ( ) (3.12)

Vận tốc băng tải là: = = = 42 ( / )

Tính lực kéo tối đa

Khối lượng sản phẩm: m = 0,25kg

Khối lượng của dây đai:

đ = = 2,2.1,525 0,003 = 0,0101( ) = 10,1( ) (3.13) Trong đó: D là khối lượng riêng của chất liệu làm đai (đơn vị ⁄ )

g là gia tốc trọng trường (đơn vị ⁄ )

Lực kéo tối đa = trong đó là hệ số áp dụng cho các tầng và con lăn, tra bảng hệ số này theo góc nối ta chọn C1 = 1,6

Suy ra: = = 1,97 1,6 = 3,15 ( ) (3.15)

3.2.3 Tính toán, thiết kế bộ truyền đai răng

❖ Yêu cầu thiết kế

- Tốc độ quay trục chính: V = 250 mm/s

- Trọng lượng trục X = 7 kg

- Chiều dài 2 trục: L = 100mm

- Vật liệu: Cao su

Môđun được xác định theo công thức :

Trong đó :

– công suất trên bánh đai chủ động, kW ;

– số vòng quay của bánh đai chủ động, vg/ph ;

Theo bảng 4.27 (sách thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1) lấy m = 2

Chiều rộng đai b

= đ = 2.2,5 = 5 (mm) (3.17)

Trong đó : đ là hệ số chiều rộng đai, chọn giá trị nhỏ khi lấy môđun tiêu chuẩn

lớn hơn m tính toán và lấy giá trị lớn trong trường hợp ngược lại

Theo bảng 4.28 (sách thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1) lấy b = 5

Xác định các thông số của bộ truyền

Số răng của bánh đai nhỏ được chọn theo bảng 4.29 (sách thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1) nhằm đảm bảo tuổi thọ cho đai Số răng của bánh đai lớn

P – bước đai, m m, xem bảng 4.27 sách thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1 ;

Trị số đ tính được cần làm tròn đến giá trị gần nhất trong bảng 4.30 và từ đ

đã chọn và môđun m xác định chiều dài đai đ (bảng 4.30)

Từ đ theo công thức (4.6) ta xác định lại khoảng cách trục a; trong đó :

= đ − ( + ) 2 ⁄ à Δ = ( − ) 2⁄ (3.20) Đường kính vòng chia của các bánh đai :

Trong đó: - góc ôm trên bánh đai nhỏ

- Chiều rộng đai: 6mm

- Chiều dài đai: 200mm

: Công suất cần thiết trên trục động cơ

: Công suất tính toán trên trục máy công tác

Ƞ: Hiệu suất của bộ truyền (0,95 - 0,96 lấy bằng 0,95)

Công suất tính toán trên trục máy công tác:

- Đường kính vít me: = 8

- Thời gian tăng tốc: t = 1s

Tính momen xoắn cho động cơ:

F: lực làm bàn máy di chuyển

: độ dôi dự tính ( =1/3F)

: hệ số ma sát khớp nối ren (0,1 - 0,3 lấy bằng 0,3)

Ƞ: hiệu suất động cơ (0,85 - 0,95 lấy bằng 0,95)

: tỉ số truyền của hệ thống

: bước của vít me (8 mm)

Lực làm bàn máy dịch chuyển:

= + (sin + cos ) (3.32) Trong đó:

: ngoại lực

: hệ số ma sát bề mặt (0,1)

: góc nghiêng của trục Y (0 )

Hình 3.7 Lực làm trục Y di chuyển

Coi ngoại lực tác dụng là không đáng kể, khối lượng trục Y là 2 (kg) và góc nghiêng trục Y bằng 0 độ

Thay số vào công thức (3.22) ta có:

Trong đó:

: momen quán tính roto (380.10 )

: momen quán tính tải

: thời gian tăng tốc (1s)

: tốc độ quay của trục vít me

Tính momen quán tính tải:

: chiều dài vít me (500mm)

: khối lượng riêng của thép

Thay số vào công thức (3.35) ta có:

= 7,9 10 0,05 0,008 = 0,16 10 (kg ) Momen quán tính của trục Z: