Yêu cầu tăng thêm tính tự động hóa, ứng dụng thông minh, thuận tiện và nâng cao hiệu suất khiến cho Hệ thống lưu kho tự động là một trong những giải pháp hàng đầu trong việc điều tiết, p
GIỚI THIỆU
Lý do chọn đề tài
Nền công nghiệp nước ta nói riêng và trên thế giới nói chung đang phát triển mạnh mẽ Việc xuất nhập kho tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ chủ yếu được thực hiện bằng sức người, do đó không mang lại hiệu suất cao, việc quản lý hàng hoá kém hiệu quả khiến cho doanh nghiệp tốn nhiều tiền bạc, diện tích làm nhà kho chứa hàng
Với sự phát triển của ngành công nghiệp 4.0 nói chung và ngành công nghiệp hàng hóa nói riêng Yêu cầu tăng thêm tính tự động hóa, ứng dụng thông minh, thuận tiện và nâng cao hiệu suất khiến cho Hệ thống lưu kho tự động là một trong những giải pháp hàng đầu trong việc điều tiết, phối hàng hóa một cách thuận tiện và là một phần không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất Với việc ứng dụng công nghệ cao trong việc nhập xuất hàng hóa, sử dụng mã QR để kiểm tra thông tin, quản lý dữ liệu một cách khoa học, hiệu quả cao Hệ thống kho hàng tự động sử dụng PLC Mitsubishi FX3U sẽ thay thế cho những kho hàng thủ công cũ kĩ, tốn kém nhiều chi phí vận hành và bảo trì, tốn nhiều thời gian truy xuất hàng
Do đó, Em muốn chọn: : “Thiết kế - thi công hệ thống lưu kho tự động kết hợp SCADA để điều khiển, quản lý và giám sát hệ thống” là đề tài để nghiên cứu và phát triển
Mục tiêu của đề tài là thiết kế một mô hình hệ thống lưu kho tự động, sử dụng mã QR để nhận dạng hàng hóa, hệ thống được điều khiển và giám sát trên hệ thống SCADA, tích hợp tính năng quản trị hệ cơ sở dữ liệu hàng hóa Dùng SQL Server để làm nơi lưu trữ cơ sở dữ liệu cho hệ thống …
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phần cứng: Khung mô hình kho chưa hàng và cánh tay nâng được làm từ nhôm, nhựa mica và xốp fomex Sử dụng 3 động cơ bước 2 pha và mạch điều khiển động cơ bước TB6600 cho 3 trục cánh tay lấy hàng Bộ xử lý trung tâm PLC Mitshubishi FX3U, camera nhận diện mã QR và cảm biến hồng ngoại nhận biết hàng
Phần mềm: Hệ thống điều khiển và giám sát SDACA trên bộ xử lý trung tâm PLC Mitshubishi FX3U Phần mềm lưu trữ và quản lý dữ liệu truy xuất từ hệ cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server được phát triển bằng ngôn ngữ C Sharp
Cải tiến dựa trên các hệ thống lưu kho tự động trước Phát triển tối ưu việc xuất nhập hàng hóa, áp dụng tự động hóa và các tính năng tiện ích Sử dụng SQL Server làm nơi lưu trữ dữ liệu của hệ thống
1.5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Hệ thống lưu tự động bằng quét mã QR giúp rút ngắn thời gian lưu kho, dễ dàng vận hành, giảm thiếu chi phí nhân công và bảo trì, nâng cao hiệu quả công việc Đáp ứng các yêu cầu cần thiết cho sự phát triển của ngành công nghiệp hàng hóa.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phần cứng: Khung mô hình kho chưa hàng và cánh tay nâng được làm từ nhôm, nhựa mica và xốp fomex Sử dụng 3 động cơ bước 2 pha và mạch điều khiển động cơ bước TB6600 cho 3 trục cánh tay lấy hàng Bộ xử lý trung tâm PLC Mitshubishi FX3U, camera nhận diện mã QR và cảm biến hồng ngoại nhận biết hàng
Phần mềm: Hệ thống điều khiển và giám sát SDACA trên bộ xử lý trung tâm PLC Mitshubishi FX3U Phần mềm lưu trữ và quản lý dữ liệu truy xuất từ hệ cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server được phát triển bằng ngôn ngữ C Sharp
Phương pháp nghiên cứu
Cải tiến dựa trên các hệ thống lưu kho tự động trước Phát triển tối ưu việc xuất nhập hàng hóa, áp dụng tự động hóa và các tính năng tiện ích Sử dụng SQL Server làm nơi lưu trữ dữ liệu của hệ thống.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Hệ thống lưu tự động bằng quét mã QR giúp rút ngắn thời gian lưu kho, dễ dàng vận hành, giảm thiếu chi phí nhân công và bảo trì, nâng cao hiệu quả công việc Đáp ứng các yêu cầu cần thiết cho sự phát triển của ngành công nghiệp hàng hóa.
TỔNG QUAN
Giới thiệu chung về kho hàng tự động
Sự phát triển tiến bộ của xã hội kéo theo nhu cầu sử dụng hàng hóa một cách có chọn lọc Đặt ra sức ép lớn lên ngành công nghiệp hàng hóa, buộc doanh nghiệp phải thay đổi phương pháp sản xuất trong quá khứ - Hàng hóa được sản xuất một cách thủ công, việc vận chuyển hàng hóa ra vào kho chứa hàng cũng được thực hiện bằng sức lao động của con người Do đó không thể tối ưu thời gian và không gian lưu kho, kém hiểu quả
Với hệ thống lưu kho tự động, ta có thể quản lý hàng hóa dễ dàng và nhanh chóng Các hệ thống kho tự động thường sử dụng các robot để vận chuyển hàng hóa, giao diện đơn giản, hiển thị đầy đủ các thông tin quan trọng, chỉ cần ít người vận hành và giám sát Các chức năng điều khiển hoàn toàn từ xa
Hệ thống gồm có 2 phần:
- Phần cứng: Cánh tay robot hoạt động theo ba trục và di chuyển trên đường ray để mang hàng sắp xếp, xuất, nhập kho Băng chuyền phân phối hàng hóa Các thiết bị nhận diện: cảm biến, Camera, khoang chứa hàng
- Phần mềm: giao diện điều khiển, giám sát SCADA thực hiện điều khiển, theo dõi trạng thái hoạt động các thành phần điện, đưa ra các cảnh báo, lỗi gặp phải của hệ
Hình 2.1: Ngăn chứa hàng của hệ thống lưu kho tự động
Hình 2.2: Cơ cấu lấy hàng của hệ thống lưu kho.
Mã QR
2.2.1 Giới thiệu về mã QR
Mã QR hay mã hai chiều là một dạng của mã vạch ma trân, được phát triển bởi công ty Denso Wave (Nhật Bản) vào năm 1994 Bên trong một mã QR có thể chứa những thông tin liên quan đến sản phẩm, thông tin sự kiện, thông tin liên hệ, tin nhắn hoặc cả một đoạn văn bản vị trí thông tin địa lí
Hình 2.3: Kết cấu mã QR
2.2.2 Ứng dụng của mã QR
Trước đây, mã QR thường được dùng để theo dõi các bộ phần trong sản xuất xe hơi Hiện nay, mã QR được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực cũng như đời thông tin, giải mã nhanh, khả năng sửa lỗi cao (có thể đọc được mã bị mờ hoặc mất đi một phần) và có thể mã hóa được ký tự Kanji và chữ tiếng Việt Thông qua việc tích hợp vào các thiết bị điện thoại di động, mã QR đang được các công ty Nhật Bản phát triển thành các giải pháp thông minh cho thương mại qua di động…
Một mã QR có thể chứa đựng thông tin một địa chỉ web (URL), thời gian diễn ra một sự kiện, thông tin liên hệ (như vCard), địa chỉ email, tin nhắn SMS, nội dung ký tự văn bản hay thậm chí là thông tin định vị vị trí địa lý Tùy thuộc thiết bị đọc mã QR mà bạn dùng khi quét, nó sẽ dẫn bạn tới một trang web, gọi đến một số điện thoại, xem một tin nhắn… b Nhược điểm:
QR code đòi hỏi phải có phần mềm đọc mã trên điện thoại, và nếu mã này xuất hiện ngoài trời như trên billboard, bến xe… có thể những chướng ngại vật khác sẽ hạn chế khả năng nhận dạng của máy Bạn phải có Smart phone tích hợp Camera mới đọc được mã QR Code cũng không có tính lan truyền (viral) như hình thức nhắn tin SMS…
Hơn nữa, tuy QR code cực kỳ phổ biến tại Nhật Bản, song nhìn chung loại mã này vẫn còn khá mới mẻ Thông thường doanh nghiệp phải giải thích và hướng dẫn khách hàng cách sử dụng.
Nhiệm vụ
Đề tài: Thiết kế - Thi công hệ thống lưu kho tự động kết hợp SCADA để điều khiển, quản lí và giám sát hệ thống
Bao gồm các nhiệm vụ:
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của đề tài
Thiết kế thi công cơ khí mô hình
Thiết kế giải thuật lập trình
Tìm hiểu động cơ bước, động cơ servo Tìm hiểu sử lí hình ảnh
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các phần mềm lập trình
Hình 3.1.1: Phần mềm GX WORK 2
GX Works2 là phiên bản nâng cấp và thay thế cho GX Developer bị hạn chế một số tính năng Những cải tiến trong phiên bản phần mềm này gồm có:
- Giao diện được thiết kế lại một cách trực quan hơn để thuận tiện cho người sử dụng
- Thư viện các modun được cập nhập đầy đủ hơn
- Hỗ trợ thêm những ngôn ngữ lập trình như FBD và SFC
- Thao tác tùy chỉnh các thông số dễ dàng
- Bộ cài đặt được tích hợp thêm các gói phần mềm hỗ trợ
* Cấu hình màn hình trong GX Works2:
Hình 3.1.2: Cấu hình màn hình trong GX Work2
Thanh tiêu đề thể hiện tên của dự án đang sử dụng
Thanh công cụ gồm những biểu tượng rất trực quan và dễ sử dụng cho những chức năng thông dụng Nó khiến các thao tác nhanh hơn
Khi làm việc với nhiều cửa sổ đang mở, nó thể hiện theo dạng trình duyệt tab Click vào tab sẽ kích hoạt cửa sổ làm việc tương ứng
* Xem nội dung hiển thị:
Xem nội dung hiển thị thể hiện nội dung của trình hiển thị hiện tại
Xem vùng đang chọn vùng thể hiện nội dung của vùng hiện tại
* Khu vực soạn thảo chương trình (cửa sổ làm việc):
Màn hình chỉnh sửa thể hiện nhiều loại màn hình như màn hình tạo chương trình và màn hình tạo Comment để chỉnh sửa biểu đồ ladder, chú thích và tham số
Cửa sổ đầu ra thể hiện sự biên dịch và kiểm tra kết quả (như lỗi và cảnh báo)
Thanh trạng thái thể hiện thông tin trạng thái của GX Works2
3.1.2 Microsoft SQL Server 2014 a Giới thiệu về ngôn ngữ truy xuất SQL:
SQL là ngôn ngữ truy vấn dữ liệu mang tính cấu trúc, không yêu cầu cách thức truy cập cơ sở dữ liệu như thế nào
Các câu lệnh SQL được sử dụng để thực hiện các tác vụ như cập nhật, truy xuất dữ liệu từ cơ sở dữ liệu và nhiều hoạt động giúp tối hưu hóa và bải trì cơ sở dữ liệu Đối tượng của SQL Server là các bảng dữ liệu với các cột và các hàng Cột được gọi là trường dữ liệu và hàng là bản ghi của bảng Cột dữ liệu và kiểu dữ liệu xác định tạo nên cấu trúc của bảng Khi bảng được tổ chức thành một hệ thống cho một mục đích sử dụng cụ thể vào công việc nào đó sẽ trở thành một cơ sở dữ liệu b Microsoft SQL Server:
Hình 3.1.6: Giới thiệu phần mềm SQL Server
Visual Studio là một phần mềm hỗ trợ công việc lập trình, phát triển ứng dụng đa nên tảng Cho phép sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau như C#, C/C++, Java, …Nhiều tính năng hữu ích giúp người lập trình dễ dàng sử dụng
Hình 3.1.7: Giới thiệu phần mềm Visual Studio.
Thiết bị phần cứng
Cảm biến hồng ngoại thường cấu tạo có hai phần: Diode phát sáng (LED) và một máy thu Khi một vật thể đến gần cảm biến, ánh sáng hồng ngoại từ đèn LED sẽ phản xạ khỏi vật thể và được người nhận phát hiện Cảm biến hồng ngoại hoạt động đóng vai trò là cảm biến tiệm cận và chúng thường được sử dụng trong các hệ thống phát hiện chướng ngại vật
Hình 3.2.1: Cảm biến hồng ngoại
Lưu ý khi lắp đặt cảm biến hồng ngoại: Tránh đặt cảm biến hướng về các vùng có bức xạ hồng ngoại, nguồn điện áp cao, môi trường rung lắc mạnh sẽ gây nhiễu cao cho cảm biến Căn chỉnh chính xác khoảng cách thu phát tín hiệu
3.2.2 Động cơ bước Động cơ bước (Stepper motor) là động cơ DC có nhiều cuộn dây được sắp xếp thành các nhóm gọi là “pha” Mỗi pha sẽ được cấp điện liên tục bằng tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau để chuyển động góc quay
Hình 3.2.2: Cấu tạo động cơ bước
Cấu tạo: Động cơ bước gồm có Stato, Roto là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ bước biến từ trở là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính
Hoạt động: Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của các xung rời rạc kế tiếp nhau Khi có điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ Roto của động cơ sẽ quay một góc bước
Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển Góc bước được xác định dựa vào cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều khiển động cơ bước
Có 4 phương pháp điều khiển động cơ bước: Wave drive, Full step drive, Half stepping drive và Micro stepping drive: Điều khiển dạng sóng (Wave): là phương pháp điều khiển cấp xung điều khiển lần lượt theo thứ tự chọn từng cuộn dây pha
Hình 3.2.3: Giãn đồ xung điều khiển dạng Wave Drive Điều khiển bước đủ (Full step): là phương pháp điều khiển cấp xung đồng thời cho 2 cuộn dây pha kế tiếp nhau
Hình 3.2.4: Giãn đồ xung điều khiển dạng Full Step Điều khiển nửa bước (Half step): là phương pháp điều khiển kết hợp cả 2 phương pháp đều khiển dạng Wave và Full step 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 Full step Phương pháp này có bộ phát xung điều khiển phức tạp
Hình 3.2.5: Giãn đồ xung điều khiển dạng Half Step Điều khiển vi bước (Microstep): là phương pháp cho phép động cơ bước dừng và định vị tại vị trí nửa bước giữa 2 bước đủ Ưu điểm của phương pháp này là động cơ có thể hoạt động với góc bước nhỏ, độ chính xác cao Do xung cấp có dạng sóng nên động cơ hoạt động êm hơn, hạn chế được vấn đề cộng hưởng khi
3.2.3 Bộ điều khiển khả trình PLC (Program Logic Controller)
Hình 3.2.7: Sơ đồ khối hệ thống PLC
PLC là thiết bị điều khiển Logic có khả năng lập trình được Thay thế những hệ thống điều khiển cũ sử dụng nhiều relay, tiếp điểm, nút nhấn để thực hiện nhiệm vụ, trong khi đó PLC sử dụng các tiếp điểm ảo giúp người thiết kế có thể dễ dàng thay đổi, lập trình và hiểu chỉnh cho nhiều nhiệm vụ khác nhau trong thực tế Cấu trúc phần cứng của tất cả các PLC đều có bộ xử lý, bộ nhớ, khối tín hiệu ngoại vi (In/Out module, Communication module, Analog module…)
Bộ xử lý trung tâm CPU (Central process unit): Là bộ vi xử lý liên kết các hoạt động của hệ thống PLC, thực hiện chương trình, xử lý tín hiệu nhập xuất và thông tin liên lạc với thiết bị bên ngoài
Bộ nhớ Memory (RAM, ROM): Đây là nơi lưu giữ trạng thái hoạt động của hệ thống và bộ nhớ của người dùng Để đảm bảo PLC hoạt động, phải cần có bộ nhớ lưu trữ chương trình
Bộ nguồn PS (Power Supply): Cung cấp nguồn nuôi cho hệ thống PLC
Khối ngoại vi (Input/Output module): Thực hiện tiếp nhận tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi và lưu vào vùng nhớ để xử lý hoặc xuất các tín hiệu điều khiển
Hình 3.2.8: Chu kỳ làm việc của PLC
PLC hoạt động theo mỗi chu kỳ quét Đầu tiên là đọc tín hiệu từ bên ngoài vào PLC như Sensor, công tắc, tín hiệu từ động cơ… Sau đó CPU sẽ xử lý tín hiệu, thực hiện các chương trình (OB, FB, FC) trong bộ nhớ và đưa tín hiệu điều khiển ra thanh ghi lệnh để thi hành thông qua các Modun xuất đến các thiết bị được điều khiển
Nhận diện QR Code trong Visual Studio
4.1 Mô tả quy trình hệ thống lưu kho tự động
4.1.1 Chia vùng chức năng của quy trình hệ thống
Bảng 4.1: Chia vùng chức năng
Vùng chúc năng Thiết bị
Cấp và xuất hàng hóa Băng truyền để đưa sản phẩm
Phân loại và nhận biết hàng hóa Cảm biển hồng ngoại
Cơ cấu di chuyển hàng hóa Động cơ bước
4.1.2 Mô tả chức năng các vùng nhiệm vụ a Cấp và xuất hàng hóa
Băng truyền đưa hàng sẽ đưa hàng chuyển trên băng truyền đến vị trí của cơ cấu di truyển để lấy hàng đưa vào lưu kho
Sau khi có lệnh xuất kho, cơ cấu di chuyển hàng hóa đưa hàng vào vị trí băng tải, sau đó băng tải truyền hàng đến vị trí ban đầu b Phân loại và nhận biết hàng
Cảm biến hồng ngoại, khi phát hiện có hàng ở vị trí cấp hàng trên băng tải, PLC nhận lệnh di chuyển hàng về vị trí của Camera để quét lấy mã QR
Camera thực hiện quét mã QR, nhận biết được thông tin của hàng hóa và lưu vào cơ sở dữ liệu để phục vụ cho việc quản lý hàng hóa, xuất kho khi có yêu cầu.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH, THÍ NGHIỆM
Mô tả quy trình hệ thống lưu kho tự động
4.1.1 Chia vùng chức năng của quy trình hệ thống
Bảng 4.1: Chia vùng chức năng
Vùng chúc năng Thiết bị
Cấp và xuất hàng hóa Băng truyền để đưa sản phẩm
Phân loại và nhận biết hàng hóa Cảm biển hồng ngoại
Cơ cấu di chuyển hàng hóa Động cơ bước
4.1.2 Mô tả chức năng các vùng nhiệm vụ a Cấp và xuất hàng hóa
Băng truyền đưa hàng sẽ đưa hàng chuyển trên băng truyền đến vị trí của cơ cấu di truyển để lấy hàng đưa vào lưu kho
Sau khi có lệnh xuất kho, cơ cấu di chuyển hàng hóa đưa hàng vào vị trí băng tải, sau đó băng tải truyền hàng đến vị trí ban đầu b Phân loại và nhận biết hàng
Cảm biến hồng ngoại, khi phát hiện có hàng ở vị trí cấp hàng trên băng tải, PLC nhận lệnh di chuyển hàng về vị trí của Camera để quét lấy mã QR
Camera thực hiện quét mã QR, nhận biết được thông tin của hàng hóa và lưu vào cơ sở dữ liệu để phục vụ cho việc quản lý hàng hóa, xuất kho khi có yêu cầu c Cơ cấu di chuyển hàng hóa
Các điều kiện để cánh tay robot được hoạt động
− Ở chế độ Manual: có lệch điều khiển xuất nhập và chọn vị trí xuất nhập từ màn hình điều khiển
− Ở chế độ Auto: Camera quét mã QR khi nhập hàng, Quét mã QR hoặc có lệnh xuất hàng từ màn hình điều khiển để chọn vị trí kho cần đến cho cơ cấu di chuyển Đông cơ bước được bộ điều khiển set góc quay khi đã xác định được vị trí kho cần đến để xuất hoặc nhập hàng.
Thiết kế cơ khí và tính toán chọn động cơ
4.2.1 Tính toán chọn động cơ cho cơ cấu di chuyển hàng trục Z a Các thông số đầu vào
Chọn vít-me có bước p B = 20 mm
Chọn hệ số ma sát trượt μ = 0.12
Gia tốc lớn nhất của bàn máy a max = 2m/s 2
Vận tốc lớn nhất của bàn máy v max = 1000 mm/phút = 1m/phút
Chiều dài dịch chuyển lớn nhất bàn máy L = 9,5 mm
Khối lượng cơ cấu đỡ hàng M = 2 kg b Tính toán momen quy đổi:
Khi hệ thống hoạt động sẽ xuất hiện các thành phần lực, momen chống lại chuyện động quay từ trục động cơ Để đơn giản cho việc tính toán, ta biến đổi các thành phần này về một thành phần duy nhất Đó là việc quy đổi momen tải về trục động cơ
Lực cản của hệ thống bao gồm:
- Lực ma sát của con chạy với ray dẫn hướng
- Trọng lượng tải (bàn máy + phôi + vítme v.v.) Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân bằng công suất của hệ truyền động.
Giả thiết tải trọng G sinh ra lực F ci có vận tốc truyền động là v i
Momen quy đổi của thành phần lực này là:
𝜔: Tốc độ động cơ [rad/s] v i : vân tốc của phần tử thứ i [m/s]
Momen ma sát quy đổi:
F ms là lực ma sát giữa con chạy (gắn vào mặt dưới của bàn máy) và ray dẫn hướng
Ta có F fric = f m g , f là hệ số ma sát, m là khối lượng bàn máy p B v
= u với p B là bước vít, u là tỉ số truyền ( 𝑢 = 𝜔
𝜔 𝑡𝑟ụ𝑐 ), với u=1 vì trục động cơ nối với trục vít bằng nối trục Áp dụng (1) ta có:
Momen trọng lực quy đổi:
Công suất do trọng lực tạo ra 𝑁 𝐺 = 𝑃⃗ 𝑣 , mà 𝑃⃗ và 𝑣 vuông góc với nhau, do bàn máy đặt ngang nên 𝑁 𝐺 = 0, vậy momen trọng lực quy đổi
Cần chọn loại động cơ có momen lớn hơn hoặc bằng T L
Vì vậy nhóm lựa chọn động cơ bước NEMA 17 (H3.3) để thực hiện nhiệm vụ đặt ra, với một số thông số sau:
Như vậy nhóm đã lựa chọn được động cơ cho khớp quay 4
NEMA 17 (cỡ 42mm) dài 40mm thường dùng trên các máy in 3D, laser mini, do kích thước nhỏ gọn
- Kích thước mặt bích: 42×42 mm
- Đường kính trục 5mm Đầu trục vát phẳng, giúp puli/khớp nối đỡ bị lỏng khi hoạt động
- Dây nối dài 1m, đầu dây chuẩn XH2.54
- Ít tỏa nhiệt, chuyển động êm
- Trục ra động cơ được vát phẳng giúp siết puli không bị trượt
4.2.2 Tính toán chọn động cơ cho cơ cấu di chuyển hàng trục Y a Các thông số đầu vào:
Chọn vít-me có bước p B = 20 mm
Chọn hệ số ma sát trượt μ = 0.12
Gia tốc lớn nhất của bàn máy a max = 2m/s 2
Vận tốc lớn nhất của bàn máy v max = 1000 mm/phút = 1m/phút
Chiều dài dịch chuyển lớn nhất bàn máy L = 9,5 mm
Khối lượng cơ cấu đỡ hàng M = 4 kg
Tỉ số truyền i = 1 (do chọn phương án động cơ nối trực tiếp với vít-me không qua hộp giảm tốc)
Hiệu suất truyền động η = 0.9 b Tính toán momen quy đổi:
Momen ma sát quy đổi:
F ms là lực ma sát giữa con chạy (gắn vào mặt dưới của bàn máy) và day dẫn hướng
Ta có F fric = f m g , f là hệ số ma sát, m là khối lượng bàn máy p B v
= u với p B là bước vít, u là tỉ số truyền ( 𝑢 = 𝜔
𝜔 𝑡𝑟ụ𝑐 ), với u=1 vì trục động cơ nối với trục vít bằng nối trục Áp dụng (1) ta có:
Momen trọng lực quy đổi:
NEMA 17 (cỡ 42mm) dài 40mm thường dùng trên các máy in 3D, laser mini, do kích thước nhỏ gọn
- Kích thước mặt bích: 42×42 mm
- Đường kính trục 5mm Đầu trục vát phẳng, giúp puli/khớp nối không đỡ bị lỏng khi hoạt động
- Dây nối dài 1m, đầu dây chuẩn XH2.54
- Ít tỏa nhiệt, chuyển động êm
- Trục ra động cơ được vát phẳng giúp siết puli không bị trượt
4.2.3 Tính toán chọn động cơ cho cơ cấu di chuyển hàng trục X a Các thông số đầu vào:
Chọn vít-me có bước p B = 20 mm
Chọn hệ số ma sát trượt μ = 0.12
Gia tốc lớn nhất của bàn máy a max = 2m/s 2
Vận tốc lớn nhất của bàn máy v max = 1000 mm/phút = 1m/phút
Chiều dài dịch chuyển lớn nhất bàn máy L = 9,5 mm
Khối lượng cơ cấu đỡ hàng M = 7 kg
Tỉ số truyền i = 1 (do chọn phương án động cơ nối trực tiếp với vít-me không qua hộp giảm tốc)
Hiệu suất truyền động η = 0.9 b Tính toán momen quy đổi:
Momen ma sát quy đổi:
F ms là lực ma sát giữa con chạy (gắn vào mặt dưới của bàn máy) và day dẫn hướng
Ta có F fric = f m g , f là hệ số ma sát, m là khối lượng bàn máy p B v
= u với p B là bước vít, u là tỉ số truyền ( 𝑢 = 𝜔
𝜔 𝑡𝑟ụ𝑐 ), với u=1 vì trục động cơ nối với trục vít bằng nối trục Áp dụng (1) ta có:
Momen trọng lực quy đổi
Công suất do trọng lực tạo ra 𝑁 𝐺 = 𝑃⃗ 𝑣 , mà 𝑃⃗ và 𝑣 vuông góc với nhau, do bàn máy đặt ngang nên 𝑁 𝐺 = 0, vậy momen trọng lực quy đổi:
Như vậy nhóm đã lựa chọn được động cơ cho khớp quay 4
NEMA 17 (cỡ 42mm) dài 40mm thường dùng trên các máy in 3D, laser mini, do kích thước nhỏ gọn
- Kích thước mặt bích: 42×42 mm
- Đường kính trục 5mm Đầu trục vát phẳng, giúp puli/khớp nối không đỡ bị lỏng khi hoạt động
- Dây nối dài 1m, đầu dây chuẩn XH2.54
- Ít tỏa nhiệt, chuyển động êm
- Trục ra động cơ được vát phẳng giúp siết puly không bị trượt
4.2.4 Tính toán chọn động cơ cho băng tải hàng
- Xác định tải trọng của băng tải Để xác định được tải trọng của băng tải, thì một trong những thông số cần quan tâm đó là:
+ Tổng khối lượng hàng trên băng chuyền: 0.2kg
+ Khối lượng của dây belt, ví dụ: 1kg => Tải trọng của băng tải: W=0.3kg
+ Hệ số ma sát puly: η1=0.95
+ Hệ số ma sát hộp giảm tốc: η2=0.9
+ Thời gian làm việc: 8 giờ/ngày
+ Tốc độ của băng chuyền: V=5m/phút
+ Tốc độ vòng quay puly: N1= tốc độ gói hàng/ Dxπ (D: Đường kính puly)
+ Tốc độ vòng quay hộp số: N2=N1x(Tốc độ puly/ số răng hộp số)
+ Tỉ số truyền động cơ = tốc độ vòng quay hộp số / tốc độ vòng quay puly: 1/100
- Tính mômen xoắn động cơ
Chọn động cơ kèm hộp số sao cho, momen đầu hộp số lớn hơn hoặc bằng T2, ta được động cơ có thông số kỹ thuật như sau:
- Đường kính ngoài của động cơ: 24,4 mm
- Chiều cao động cơ: 30,5 mm
- Đường kính trục động cơ: 2.0 mm
- Độ dài trục động cơ: 14,5 mm
- Dòng điện không tải: 70mA
- Dòng điện có tải: 220mA
- Tỉ số truyền hộp giảm tốc: 1/100
Hình 4.2: Động cơ băng tải hàng
4.2.5 Bản vẽ thiết kế cơ khí
Hình 4.3: Bản vẽ 3D thiết kế trục Z
Hình 4.4: Bản vẽ 3D thiết kế trục Y
Hình 4.4.1: Thi công hoàn thành trục Y
Hình 4.5: Bản vẽ 3D thiết kế trục X
Hình 4.5.1: Thi công hoàn thành trục X
Hình 4.6: Bản vẽ 3D thiết kế băng tải hàng
Hình 4.6.1: Thi công hoàn thành băng tải hàng
Hình 4.7: Bản vẽ 3D thiết kế kho lưu hàng
Hình 4.7.1: Thi công hoàn thành kho lưu hàng
Hình 4.8: Bản vẽ 3D tổng thể hệ thống lưu kho tự động.
Thiết kế mạch điện
4.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 4.9: Sơ đồ khối của hệ thống
Khối nguồn dùng để cung cấp nguồn điện cho toàn bộ hệ thống Sử dụng nguồn 24VDC 10A cho cả hệ thống (PLC, Driver, Cảm biến, Động cơ)
- Điện áp vào: 110VAC – 220VAC
Hình 4.11: PLC Mitshubishi FX 3U 24MT
Chức năng của PLC: Tiếp nhận tín hiệu ngoại vi, sử dụng các thuật toán được tích hợp sẵn để tạo ra chương trình xử lý tín hiệu và điều khiển hệ thống một cách tự động
- Điện áp làm việc: 24VDC
- Phần mềm lập trình: GX Developer
- Cáp nạp cho mạch: USB TO COM HL340
- 14 ngõ vào, 10 ngõ ra transistor, 6AD, 2DA, RS232
- Đầu vào tốc độ cao X0-X5, có thể được truy cập bằng ba bộ mã hóa AB, 6K mặc định, tùy chọn 100K
- 6 ngõ vào analog (3 kênh 0-10V, 3 kênh 4-20mA), 2 ngõ ra analog (0-10V)
- Power-down để duy trì, có thể được đặt miễn phí
- Tần số quét 3000 bước 1ms
Bảng 4.2: Thông số kĩ thuật PLC FX3U
Ngõ vào/ra 14 vào / 10 ra
Ngõ ra Transistor: 24 VDC/5A (Khuyến cáo sử dụng 1 A)
6 ngõ vào analog, độ chính xác 12 bit, A0-AD2: 0 -10 V
A3 - AD5: 0 – 20 mA Đọc cấu trúc lệnh RD3A
Ngõ ra analog 2 ngõ ra analog, độ chính xác 12 bit, ngõ ra: 0 - 10 V, ngõ ra analog với cấu trúc lệnh WR3A
Phát xung 100 KHz (khuyến cáo 40 KHz)
Bộ đếm tốc độ cao Bộ đếm 6 kênh mặc định 8k (Đếm 1 chiều hoặc 2
4.3.4 Driver điều khiển động cơ bước
Chức năng: Vận chuyển hàng ra vào kho
Linh kiện chính: Động cơ bước, Driver điều khiển động cơ bước TB6600
- Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao
Hình 4.13: Sơ đồ nối dây Driver TB6600 với PLC
- VCC: Nối với nguồn điện từ 9-42V DC
- GND: Điện áp âm của nguồn điện
- A+ và A-: Nối vào cặp cuộn dây của động cơ bước
- B+ và B-: Nối với cặp cuộn dây còn lại của động cơ
- PUL+: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (+24VDC) từ PLC cho TB6600
- DIR+: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (+24VDC) từ PLC cho TB6600
- Các chân còn lại không sử dụng
Bảng 4.3: Bảng cài đặt dòng điện cấp cho động cơ
0.5 0 0 0 Động cơ sử dụng có dòng định mức là 2A, ta chọn cài đặt 1.5A để cấp cho động cơ
Bảng 4.4: Bảng cài đặt vi bước cho động cơ
Micro Pulse/ rev SW1 SW2 SW3
OFF 0 1 1 1 Động cơ quay 1 góc 1.8 0 với mỗi xung tương đương ta chọn cài đặt 200xung/ vòng
Hình 4.14: Webcam Genius Facecam 1000X HD
Chức năng: Đưa hình ảnh mã QR code lên giao diện điều khiển, giám sát SCADA Thông số kỹ thuật:
- Webcam với độ phân giải 720p HD
- Tích hợp Micro, dễ dàng đàm thoại và gọi Video
- Ống kính tự động lấy nét
- Chế độ Zoom 3x để quan sát gần hơn, rõ hơn
- Kết nối qua cổng USB
- Tương thích với các hệ điều hành: Windows XP, VISTA, 7 và cao hơn; Mac OS 10.4.6 và cao hơn; Linux 2.6.21 trở lên
- Kích thước sản phẩm: 25 x 35 x 60 mm
4.3.6 Mạch cầu H điều khiển động cơ một chiều
Mạch cầu H là một mạch đơn giản dùng để điều khiển động cơ DC quay thuận hoặc quay nghịch Trong thực tế, có nhiều kiểu mạch cầu H khác nhau tùy vào cách chúng ta lựa chọn linh kiện có dòng điện, áp điều khiển lớn hay nhỏ, tần số xung PWM… Và chúng sẽ quyết định đến khả năng điều khiển của cầu H.
Tương tự, khi ta đóng S1 và S4, ta đã cho A nối với cực dương (+) và B nối với cực âm (-) của nguồn, một dòng điện chạy từ nguồn qua S1 qua động cơ qua S4 về Mass làm động cơ quay theo chiều thuận.
Hình 4.16: Sơ đồ mạch điện khi động cơ quay thuận
Ngược lại, khi ta đóng S2 và S3, động cơ quay nghịch.
Hình 4.17: Sơ đồ mạch điện khi động cơ quay nghịch
Như vậy, mạch cầu H dùng để đảo chiều quay động cơ
Không bao giờ được phép đóng cùng lúc S1 và S2 hoặc S3 và S4 hoặc thậm chí là đóng cùng lúc 4 công tắc Nếu làm như vậy, sẽ tạo ra một đường dẫn trực tiếp từ Vcc xuống GND và gây ra hiện tượng ngắn mạch Nguồn điện sẽ bị hỏng và nghiêm trọng hơn có thể cháy nổ mạch.
Trong đồ án này, mạch cầu H điều khiển động cơ băng tải chỉ cần chức năng đảo chiều, không điều khiển tốc độ, nên chọn Relay để điều khiển
Hình 4.18: Rơ le trung gian
Thông số kỹ thuật: Rơ le trung gian Schneider RXM series RXM4LB1B7
+ Loại: 14 chân dẹp, Không đèn
+ Chỉ thị hoạt động: Tích hợp chỉ thị cơ học báo tiếp điểm đóng ngắt
+ Điện áp cuộn dây (V): 24 VAC
Chức năng: Sử dụng ánh sáng hồng ngoại để đo lường khoảng cách hoặc phát hiện vật cản
Hình 4.19: Cảm biến hồng ngoại
Thông số kỹ thuật: Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4
- Nguồn điện cung cấp: 24VDC
- Khoảng cách phát hiện: 5~30 cm
- Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở
- Dòng điện đầu ra: 300mA
- Có led đỏ hiển thị tín hiệu ra
Hình 4.20: Sơ đồ đấu dây cảm biến hồng ngoại
Sơ đồ nối dây cảm biến:
- Dây màu nâu: VCC, nguồn dương 5-24VDC
- Dây màu xanh dương: GND, nguồn âm 0VDC
- Dây màu đen: Chân tín hiệu ngõ ra, đấu vào Input của PLC.
Chức năng: Sử dụng máy tính để kết nối, trao đổi dữ liệu với khối PLC và cơ sở dữ liệu, tạo giao diện điều khiển, giám sát và hiển thị thông số của hệ thống
Hình 4.21: Kết nối profinet PLC với PC
Hình 4.22: Kết nối vào SQL Server
4.3.10 Thiết kế cơ sở dữ liệu trên SQL Server Để có thể quản lý, lưu trữ dữ liệu nhập xuất hàng hóa cũng như dữ liệu người dùng thì chúng ta phải tạo dữ liệu của hệ thống tại SQL Server Dữ liệu hệ thống sẽ gồm bảng chứa các thông tin do chúng ta tự tạo
Bảng dbo.NhapHang gồm 9 cột là: Mã nhập hàng, tên sản phẩm, mã sản phẩm, số lô, số lượng, vị trí lưu kho tên công ty sản xuất, ngày nhập kho và ngày xuất hàng Bảng này dùng để lưu thông tin sản phẩm mà Camera nhận dạng được, sau đó sử dụng Mã nhập hàng để đưa hàng vào vị trí tương ứng
Bảng 4.5: Bảng thông tin xuất nhập hàng
MaNhapHang Lo SoLuong CongTy NgayNhap MaNhanVien MaHang
4.3.11 Thiết kế mạch điện điều khiển hệ thống
Hình 4.23: Bảng vẽ thiết kế bố trí thiết bị trong tủ điện
Hình 4.25: Bản vẽ mạch điều khiển động cơ băng tải
Hình 4.26: Sơ đồ kết nối các thiết bị.
Thiết kế phần mềm
Hình 4.27: Giao diện giám sát
Kết nối PLC với PC bằng cáp RS232 thông qua giao thức hỗ trợ GX Component
Hình 4.28: Tạo Windows forms Đầu tiên để tạo một Windows form ta mở phần mềm Visual Studio chọn Create a new project sau đó chọn tiếp Windows Form.App (.NET Framework) sau đó nhấn Next, đặt tên và chọn nơi lưu dự án rồi nhấn Create
Hình 4.29: Cửa sổ làm việc phần mềm Visual Studio
Với những công cụ Toolbox được cung cấp ta bắt đầu thực hiện thiết kế giao diện, chức năng phù hợp Để có thể sử dụng các Symsbol trong công nghiệp ta cần Add thêm thư viện vào dự án
Hình 4.30: Thêm thư viện hình ảnh cho dự án
Chuột phải vào menu Toolbox rồi chọn Choose items, chọn tick vào những thư viện cần dùng hoặc Browse các thư viện ngoài khác sau đó nhấn Ok
Hình 4.32: Tạo kết nối cơ sở dữ liệu – b2
Chọn EF Design from database rồi nhấn Next, Chọn kết nối tới cơ sở dữ liệu sau đó chọn Data source và Sever name Chọn Test connection để kiểm tra kết nối đã thực hiện được, chọn Ok để tiếp tục
Hình 4.33: Kết nối cơ sở dữ liệu
Hình 4.34: Tạo Table Để tạo một cơ sở dữ liệu bằng SSMS, đầu tiên ta chọn Sever name để kết nối đến sau đó bắt đầu tạo cơ sở dữ liệu, thêm bảng, các thuộc tính cần sử dụng
4.5 Thiết kế phần mền điều khiển HMI
Hình 4.36: Màn hình điều khiển chế độ Local
Hình 4.37: Màn hình điều khiển chế độ Manual
Hình 4.38: Màn hình điều khiển chế độ Auto
4.6 Giải thuật điều khiển hệ thống
Lưu đồ điều khiển việc xuất nhập hàng hóa
Hình 4.39: Lưu đồ giải thuật quá trình xuất hàng
Hình 4.41: Lưu đồ giải thuật điều khiển tay nâng.
Giải thuật điều khiển hệ thống
Lưu đồ điều khiển việc xuất nhập hàng hóa
Hình 4.39: Lưu đồ giải thuật quá trình xuất hàng
Hình 4.41: Lưu đồ giải thuật điều khiển tay nâng.
KẾT QUẢ HỆ THỐNG
Thi công mô hình
Hình 5.1: Mô hình cánh tay nâng hàng
Cánh tay nâng hàng gồm 3 trục chuyển động với trục X và Y sử dụng cơ cấu vít me kết hợp thanh ray trượt, trục z sử dụng đai truyền động Khung đỡ được ghép từ nhôm định hình và nhựa
Hình 5.3: Băng tải vận chuyển hàng ra-vào
Băng tải kích cỡ 10x60cm có khung đỡ bằng nhôm, động cơ bước gắn trục băng tải Hai cảm biến hồng ngoài tại mỗi đầu để nhận diện hàng, ở cuối hành trình có bố trí camera để chụp lại mã QR trên hàng
Hình 5.4: Bảng thiết bị điều khiển
Sử dụng nguồn tổ ong 24VDC 10A làm nguồn nuôi cho cả bộ điều khiển PLC, bộ điều khiển động cơ bước và cảm biến
Hình 5.5: Tổng quan mô hình.
Kết quả thi công mô hình
Camera đọc mã QR tự động nhập thông tin vào giao diện nhập hàng Sau khi nhấn xác nhận lưu kho, thông tin sẽ được lưu vào cơ sở dữ liệu đồng thời cánh tay nâng sẽ di chuyển đến băng tải để nhận hàng vào kho
Tiếp theo, cánh tay robot sẽ thực hiện việc đưa hàng vào kho đúng với vị trí ô tương ứng Sau khi thực hiện việc đưa hàng vào kho cánh tay robot sẽ trở về vị trí ban đầu
Hình 5.6: Cảm biến phát hiện hàng và camera quét mã QR
Hình 5.7: Cánh tay nhận hang từ băng tải
Hình 5.8: Cánh tay nâng hàng lên
Hình 5.9: Cánh tay đến vị trí đầu tiên
Hình 5.10: Quét mã để lấy hàng
Nếu có lệnh xuất hàng, Cánh tay sẽ đến ô cần xuất hàng để đem hàng ra khỏi kho rồi sau đó trở về vị trí ban đầu
Hình 5.11: Cánh tay lấy hàng xuất kho
Hình 5.12: Cánh tay bỏ hàng lên băng tải.