Thiết kế và thi công mô hình hệ thống lưu kho tự động

HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LƯU KHO TỰ ĐỘNG... Ngoài việc sử dụng sức ngườ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12/2022

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ

TỰ ĐỘNG HÓA

GVHD: ThS PHÙNG THANH SƠN SVTH: TRẦN KHÁNH LINH

NGUYỄN THÀNH LUÂN

S K L 0 0 9 7 3 1

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LƯU KHO TỰ ĐỘNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

MÔ HÌNH HỆ THỐNG LƯU KHO TỰ ĐỘNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

-o0o -

TP HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2022

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

Sinh viên thực hiện 1: Trần Khánh Linh MSSV: 18151196

Sinh viên thực hiện 2: Nguyễn Thành Luân MSSV: 18151198

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và tự động hóa

Hệ: Đại học chính quy

Khóa: 2018 Chương trình đào tạo: 18151

Đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LƯU KHO TỰ ĐỘNG

1 Cơ sở ban đầu: Hệ thống lưu kho tự động trong thực tế

2 Nội dung thực hiện:

• Tìm hiểu các kho hàng trên thực tế, cấu hình hệ thống, thông tin các thiết bị như PLC, cảm biến, driver, động cơ… trên thị trường

• Xây dựng quy trình công nghệ, thiết kế mô hình, lựa chọn cấu hình hệ thống, tính toán lựa chọn thiết bị, xây dựng giải thuật điều khiển

• Thiết kế giao diện điều khiển giám sát, thi công mô hình hệ thống (phần cơ khí, phần điện điều khiển), viết chương trình điều khiển hệ thống

• Vận hành hệ thống, ghi nhận kết quả, đưa ra đánh giá và kết luận

3 Ngày bắt đầu thực hiện đồ án: 17/09/2022

4 Ngày hoàn thành đồ án: 29/12/2022

5 Giáo viên hướng dẫn: ThS Phùng Sơn Thanh

ThS Phùng Sơn Thanh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

-o0o -

TP HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2022 PHIẾU NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Sinh viên thực hiện 1: Trần Khánh Linh MSSV: 18151196 Sinh viên thực hiện 2: Nguyễn Thành Luân MSSV: 18151198 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và tự động hóa Hệ: Đại học chính quy Khóa: 2018 Chương trình đào tạo: 18151 Đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LƯU KHO TỰ ĐỘNG 1 Nội dung đề tài:

Ưu điểm:

Khuyết điểm:

2 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

3 Đánh giá:

GV HƯỚNG DẪN

ThS Phùng Sơn Thanh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

-o0o -

TP HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2022

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Sinh viên thực hiện 1: Trần Khánh Linh MSSV: 18151196

Sinh viên thực hiện 2: Nguyễn Thành Luân MSSV: 18151198

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và tự động hóa

Hệ: Đại học chính quy

Khóa: 2018 Chương trình đào tạo: 18151

Đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LƯU KHO TỰ ĐỘNG

Bảng 1 Lịch trình thực hiện đồ án tốt nghiệp

17/09/2022 đến

30/09/2022

- Xây dựng đề cương đề tài

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết, lên danh sách các thiết bị cần dùng trong mô hình

- Viết báo cáo chương 1 và 2

- Đề cương chi tiết

- Lựa chọn thiết bị cụ thể theo yêu cầu

- Thiết kế giao diện điều khiển giám sát

- Bản vẽ 3D mô hình hệ thống

- Hoàn thành báo cáo chương 3

- Giao diện SCADA

21/11/2022 đến

27/11/2022

- Lắp hoàn thiện cơ cấu ba trục

- Lên bản vẽ và thi công tủ điện điều khiển

- Cơ cấu ba trục hoạt động đúng yêu cầu

- Tủ điện điều khiển hệ thống 28/11/2022 đến

30/11/2022

- Kết nối hoàn thiện hệ thống

- Viết lưu đồ điều khiển hệ thống

- Hệ thống hoàn chỉnh

- Lưu đồ điều khiển 01/11/2022 đến

18/12/2022

- Viết chương trình điều khiển hệ thống

- Viết báo cáo chương 4

- Chương trình điều khiển

- Hoàn thành báo cáo chương 4

- Hoàn thành báo cáo chương 5

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm xin cam đoan toàn bộ đề tài đều do chính nhóm thực hiện Nhóm đã lên ý tưởng bản vẽ thiết kế, lựa chọn thiết bị và thi công mô hình Các chi tiết đều được lắp đặt theo đúng ý tưởng đã thiết kế nhưng vẫn đảm bảo đúng với yêu cầu của một hệ thống lưu kho thực tế

Nhóm cũng xin cam đoan báo cáo này hoàn toàn do nhóm đã viết Những nội dung báo cáo đều từ phân tích và tiến hành làm đề tài mà tích lũy được Các kết quả đều do nhóm tiến hành thực nghiệm mà thu thập được và hoàn toàn trung thực Các thông tin tham khảo

từ nguồn khác đều được trích dẫn nguồn đầy đủ

Sinh viên thực hiện 1 Sinh viên thực hiện 2

(Ký & ghi rõ họ tên) (Ký & ghi rõ họ tên)

Bên cạnh đó, trong quá trình làm đề tài, vì lượng kiến thức chuyên môn còn ít nên vẫn còn nhiều sai sót Song song đó, khả năng lập luận của nhóm cũng không được tốt nên trong phần báo cáo cũng có nhiều mặt hạn chế Vì vậy, rất mong thầy, cô và hội đồng có thể đóng góp ý kiến cho những sai sót đó để nhóm có thể rút kinh nghiệm

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN i

PHIẾU NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv

LỜI CAM ĐOAN vi

LỜI CẢM ƠN vii

DANH MỤC HÌNH xii

DANH MỤC BẢNG xv

CHƯƠNG 01 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu đề tài 1

1.3 Giới hạn đề tài 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Nội dung nghiên cứu 2

CHƯƠNG 02 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Các mô hình lưu kho hàng hóa 4

2.1.1 Kho hàng truyền thống 4

2.1.2 Kho hàng thông minh 5

2.1.3 Kho hàng CrossDocking 6

2.2 Hệ thống lưu kho tự động 7

2.2.1 Khái niệm 7

2.2.2 Cấu trúc hệ thống 7

2.2.3 Nguyên lý làm việc 7

2.3 Cấu hình hệ thống 8

2.3.1 Cấu hình vào ra tập trung 8

2.3.2 Cấu hình vào ra phân tán 8

2.4 Bộ điều khiển PLC 9

2.4.1 PLC Siemens 9

2.4.2 PLC Mitsubishi 10

2.5 Động cơ 11

2.5.1 Động cơ bước 11

2.5.2 Động cơ DC 12

2.5.3 Động cơ Servo 13

2.6 Cảm biến phát hiện sản phẩm 14

2.6.1 Cảm biến quang 14

2.6.2 Cảm biến tiệm cận 15

2.7 Lý thuyết quét mã vạch 15

2.7.1 Khám niệm 15

2.7.2 Một số loại mã vạch thông dụng 16

2.7.3 Thiết bị quét mã vạch 17

2.7.4 Camera công nghiệp 18

2.7.5 HD Webcam 19

2.7.6 Phương pháp quét và xử lý mã vạch 19

CHƯƠNG 03 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 21

3.1 Yêu cầu hệ thống 21

3.2 Lựa chọn cấu hình hệ thống 21

3.3 Lựa chọn thiết bị 22

3.3.1 Khối thiết bị ngõ vào 22

3.3.2 Khối xử lý trung tâm 24

3.3.3 Khối thiết bị ngõ ra 25

3.4 Thiết kế phần cứng hệ thống trên phần mềm Solidworks 30

3.4.1 Giới thiệu phần mềm Solidworks 30

3.4.2 Thiết kế kho chứa hàng 31

3.4.3 Thiết kế băng tải chuyển hàng 32

3.4.4 Thiết kế cơ cấu ba trục X, Y, Z 34

3.4.5 Bản thiết kế toàn bộ hệ thống 36

3.5 Thiết kế phần tủ điện điều khiển 37

3.5.1 Yêu cầu thiết kế 37

3.5.2 Đề xuất thiết kế 38

3.5.3 Sơ đồ nối dây các thiết bị 39

3.6 Thiết kế sơ đồ hệ thống và lưu đồ điều khiển 41

3.6.1 Sơ đồ khối hệ thống 41

3.6.2 Sơ đồ trạng thái 42

3.6.3 Lưu đồ điều khiển hệ thống 43

3.7 Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát 48

3.7.1 Yêu cầu thiết kế 48

3.7.2 Giao diện màn hình HOME 49

3.7.3 Giao diện màn hình VIEW 49

3.7.4 Giao diện màn hình CONTROL 50

3.7.5 Giao diện màn hình DATA 51

3.7.6 Giao diện màn hình ALARM 52

3.7.7 Giao diện màn hình TEST 54

3.7.8 Chức năng LOGIN 55

3.8 Thiết kế giao diện đọc mã vạch 56

3.8.1 Chọn mã vạch 56

3.8.2 Phần mềm Visual Studio 56

3.8.3 Thiết kế giao diện 57

CHƯƠNG 04 KẾT QUẢ 58

4.1 Kết quả thi công phần cứng hệ thống 58

4.1.1 Thi công phần kho chứa hàng 58

4.1.2 Thi công băng tải chuyển hàng 59

4.1.3 Thi công cơ cấu ba trục 60

4.1.4 Thi công phần tủ điện điều khiển 62

4.1.5 Hệ thống phần cứng hoàn chỉnh 63

4.2 Kết quả phần mềm hệ thống 64

4.3 Kết quả đọc mã vạch sản phẩm 67

CHƯƠNG 05 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70

5.1 Kết luận 70

5.2 Hướng phát triển 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 73

DANH MỤC HÌNH Chương 02 Cơ sở lý thuyết

Hình 2.1 Kho hàng truyền thống 4

Hình 2.2 Kho hàng thông minh 5

Hình 2.3 Kho hàng CrossDocking 6

Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống vào ra tập trung 8

Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống vào ra phân tán 8

Hình 2.6 PLC Siemens 9

Hình 2.7 PLC Mitsubishi 10

Hình 2.8 Động cơ bước 11

Hình 2.9 Động cơ DC 12

Hình 2.10 Động cơ Servo 13

Hình 2.11 Cảm biến quang 14

Hình 2.12 Cảm biến tiệm cận 15

Hình 2.13 Mã UPC 16

Hình 2.14 Mã EAN 16

Hình 2.15 Công nghệ quét mã vạch CCD 17

Hình 2.16 Công nghệ quét mã vạch laser 17

Hình 2.17 Camera công nghiệp 18

Hình 2.18 HD Webcam 19

Hình 2.19 Quét mã vạch sản phẩm bằng máy quét 20

Hình 2.20 Sử dụng camera để quét mã vạch 20

Chương 03 Thiết kế hệ thống Hình 3.1 Cấu hình hệ thống 21

Hình 3.2 Cảm biến quang phát hiện vật cản E3F-DS10C4 22

Hình 3.3 Logitech C310 HD Webcam 720p/30fps 23

Hình 3.4 PLC Siemens S7-1200, CPU 1214C DC/DC/DC 24

Hình 3.5 Động cơ bước 57HS11230 26

Hình 3.6 Động cơ bước size 42 27

Hình 3.7 Động cơ bước giảm tốc Nema 17 tỉ số 57/11 28

Hình 3.8 Driver Microstep 3.5A 40VDC 29

Hình 3.9 Động cơ DC giảm tốc JGB37-555 30

Hình 3.10 Giao diện làm việc của phần mềm Solidworks 31

Hình 3.11 Bản thiết kế 3D kho hàng hệ thống trong Solidworks 32

Hình 3.12 Bản thiết kế 3D băng tải IN hệ thống trong Solidworks 33

Hình 3.13 Bản thiết kế 3D băng tải OUT hệ thống trong Solidworks 33

Hình 3.14 Bản thiết kế 3D ba trục vít me của hệ thống trong Solidworks 34

Hình 3.15 Bản thiết kế 3D vít me trục X và Z của hệ thống trong Solidworks 35

Hình 3.16 Bản thiết kế 3D vít me trục Y của hệ thống trong Solidworks 36

Hình 3.17 Bảng thiết kế toàn bộ hệ thống trong Solidworks 37

Hình 3.18 Bản thiết kế tủ điện điều khiển hệ thống 38

Hình 3.19 Sơ đồ kết nối các thiết bị ngõ vào/ra với PLC 40

Hình 3.20 Sơ đồ kết nối mạch điều khiển các động cơ ba trục và động cơ băng tải 40

Hình 3.21 Sơ đồ khối của hệ thống 41

Hình 3.22 Sơ đồ trạng thái hệ thống 42

Hình 3.23 Lưu đồ điều khiển khối RESET 43

Hình 3.24 Lưu đồ điều khiển khối RUN 44

Hình 3.25 Lưu đồ điều khiển khối AUTO 45

Hình 3.26 Lưu đồ điều khiển khối MANUAL 47

Hình 3.27 Giao diện màn hình HOME 49

Hình 3.28 Giao diện màn hình VIEW 50

Hình 3.29 Giao diện màn hình CONTROL 51

Hình 3.30 Giao diện màn hình DATA 52

Hình 3.31 Giao diện màn hình ALARM 53

Hình 3.32 Giao diện màn hình TEST 54

Hình 3.33 Chức năng LOGIN của giao diện 55

Hình 3.34 Mã EAN-13 56

Hình 3.35 Màn hình làm việc của Visual Studio 56

Hình 3 36 Giao diện đọc mã vạch sản phẩm 57

Chương 04 Kết quả Hình 4.1 Kho chứa hàng sau khi thi công hoàn chỉnh 58

Hình 4.2 Băng tải IN hệ thống khi thi công hoàn thiện 59

Hình 4.3 Băng tải OUT hệ thống khi thi công hoàn thiện 60

Hình 4.4 Cơ cấu vít me của hệ thống khi thi công hoàn thiện 61

Hình 4.5 Tủ điện điều khiển khi đã được đấu nối hoàn chỉnh 62

Hình 4.6 Mặt trước tủ điện khi đã lắp xong các thiết bị 63

Hình 4.7 Hệ thống sau khi được thi công hoàn chỉnh 64

Hình 4.8 Kết quả chạy thực nghiệm chế độ Auto – Import 65

Hình 4.9 Kết quả chạy thực nghiệm chế độ Auto – Export 65

Hình 4.10 Kết quả chạy thực nghiệm chế độ Manual – Import 66

Hình 4.11 Kết quả chạy thực nghiệm chế độ Manual – Export 67

Hình 4.12 Kết quả chạy thực nghiệm giao diện đọc mã vạch 67

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Lịch trình thực hiện đồ án tốt nghiệp iv

Bảng 2 Bảng so sánh lựa chọn cảm biến phát hiện sản phẩm 22

Bảng 3 Bảng so sánh lựa chọn camera quét mã vạch 23

Bảng 4 Bảng so sánh lựa chọn CPU PLC S7-1200 24

Bảng 5 Bảng so sánh lựa chọn động cơ trục X và Z 25

Bảng 6 Bảng so sánh lựa chọn động cơ trục Y (cơ cấu đẩy rút) 26

Bảng 7 Bảng so sánh lựa chọn Driver điều khiển động cơ ba trục 28

Bảng 8 Bảng so sánh lựa chọn động cơ băng tải 29

Bảng 9 Danh sách các thiết bị dùng trong tủ điện 38

Bảng 10 Bảng các thiết bị sử dụng ngõ vào DI của PLC 39

Bảng 11 Bảng các thiết bị sử dụng ngõ ra DQ của PLC 39

Bảng 12 Bảng danh sách Alarm dùng trong hệ thống 53

Bảng 13 Bảng phân quyền truy cập cho hệ thống 55

Bảng 14 Bảng thông số vận hành của hệ thống 63

Bảng 15 Bảng xác suất quét mã vạch trong điều kiện thiếu sáng (dùng đèn chiếu sáng) 68 Bảng 16 Bảng xác suất quét mã vạch trong điều kiện ánh sáng tự nhiên 68

Bảng 17 Bảng địa chỉ các thiết bị ngõ vào PLC 73

Bảng 18 Bảng địa chỉ các thiết bị ngõ ra PLC 73

Bảng 19 Bảng danh sách thiết bị dùng trong hệ thống 74

CHƯƠNG 01 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề

Theo số liệu của tài liệu “Báo cáo xuất nhập khẩu Việt Nam năm 2021” được nhà xuất bản Công Thương phát hành năm 2022 Mặc dù năm 2021 đã đối diện và chịu ảnh hưởng nặng nề bởi đợt dịch bệnh nghiêm trọng, tuy nhiên hoạt động xuất nhập khẩu vẫn đạt mức tăng trưởng cao hơn năm 2020 với kim ngạch lần lượt đạt 336,3 tỷ USD và 332,2

tỷ USD Điều đó giúp nước ta lọt vào nhóm 20 nền kinh tế hàng đầu về mảng thương mại quốc tế Đặc biệt, ngoài các mặt hàng xuất khẩu thế mạnh của Việt Nam như: gạo, cà phê, hạt điều…, các mặt hàng có kim ngạch xuất khẩu cao như: sắt thép, phương tiện vận tải, phụ tùng, gỗ, giày dép, hàng dệt may, dụng cụ phụ tùng khác…

Đi kèm với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế nước ta, nhu cầu về quản lý hàng hoá cần phải được thực hiện chính xác, an toàn và hiệu quả Ngoài việc sử dụng sức người, nhiều nhà máy, khu công nghiệp trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển hệ thống lưu kho

sử dụng robot và các cơ cấu máy móc để tối ưu hóa công việc, gia tăng năng suất và đảm bảo an toàn lao động

Việt Nam hiện là một nước đang phát triển, tuy nhiên việc ứng dụng công nghệ vào sản xuất vẫn chưa thật sự được phổ biến Hệ thống kho ứng dụng tự động để lưu trữ sản phẩm diễn ra tự động và chính xác sẽ là cách xử lý việc lưu trữ hàng hóa Ứng dụng này là một bước đi tối ưu năng suất và tính linh hoạt cũng như kết nối chặt chẽ khi làm việc

Từ những phân tích trên, nhóm đã chọn thực hiện đề tài: “Thiết kế và thi công mô

hình hệ thống lưu kho tự động”

1.2 Mục tiêu đề tài

Thiết kế và thi công mô hình lưu kho tự động mô phỏng lại hoạt động của một hệ thống lưu kho thực tế với hai chế độ tự động và bán tự động Hệ thống được điều khiển hoàn toàn bằng PLC và giám sát trên giao diện WinCC, có kết hợp quét mã vạch sản phẩm

để lưu trữ dữ liệu

1.3 Giới hạn đề tài

• Đề tài thi công mô hình mô phỏng lại hoạt động của một hệ thống lưu kho trong thực

tế

• Mô hình hệ thống có kích thước: 4x4 ô chứa hàng

• Xây dựng giải thuật điều khiển hệ thống, viết chương trình điều khiển

• Thiết kế giao diện có chức năng điều khiển kết hợp giám sát trên WinCC

• Hệ thống đáp ứng nhiệm vụ đưa sản phẩm đến đúng ô trong kho hàng, xuất hàng

theo yêu cầu, lưu trữ dữ liệu

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Dựa vào các mô hình nhà kho và hệ thống lưu kho trên thực tế, nhóm thiết kế kho chứa hàng hoàn toàn bằng nhôm với kết cấu chắc chắn Kho hàng được thiết kế với kích thước 4x4 giúp tiết kiệm không gian và tăng sức chứa cho kho hàng Về hệ thống xuất nhập hàng, nhóm thi công mô hình băng tải mô phỏng lại các băng tải công nghiệp với kích thước phù hợp để nhập và xuất hàng

Mô hình cần một cơ cấu giúp lấy hàng từ băng tải để đưa vào lưu giữ trong kho hàng và ngược lại Ở cơ cấu này có khá nhiều sự lựa chọn, nhưng để dễ dàng thiết kế và điều khiển, nhóm chọn cơ cấu vít me với ba trục điều khiển giúp di chuyển linh hoạt các kiện trong quá trình nhập và xuất kho

1.5 Nội dung nghiên cứu

Trong phần này, nhóm đi sâu tìm hiểu các vấn đề sau:

Chương 02 Cơ sở lý thuyết: Tập trung tìm hiểu về hệ thống lưu kho tự động trên thực tế cũng như các loại hệ thống đang được đưa vào sử dụng Tìm hiểu cách thức làm việc của một hệ thống lưu kho Ngoài ra ở phần này còn tìm hiểu các thiết bị dùng cho hệ thống như PLC, cảm biến…; các phương pháp truyền động Nghiên cứu sử dụng quét mã vạch vào hệ thống, lý thuyết mã vạch, cách thức thực hiện, ưu và nhược điểm

Chương 03 Thiết kế hệ thống: Từ những yêu cầu đã đặt ra, trong chương này nhóm xây dựng quy trình công nghệ của hệ thống và thiết kế phần cứng mô hình, lựa chọn các thiết bị Ngoài ra, trong chương này nhóm sẽ đưa ra sơ đồ khối làm việc của hệ thống từ

đó lựa chọn cấu hình, các thiết bị cũng như tiến hành xây dựng lưu đồ điều khiển hệ thống

Chương 04 Kết quả: Đến chương này nhóm bắt đầu thi công mô hình từ những phân tích ở trên Tiến hành đấu tủ điện, kết nối thiết bị và xây dựng trình điều khiển Vận hành thực tế và ghi nhận kết quả

Chương 05 Kết luận và hướng phát triển: Tổng kết lại tất cả các công việc cũng như kết quả thực tế nhận được khi thực hiện đề tài, vấn đề làm được và vẫn chưa làm được,

đề xuất hướng cải tiến

CHƯƠNG 02 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các mô hình lưu kho hàng hóa

2.1.1 Kho hàng truyền thống

Nhà kho truyền thống là hệ thống kho hàng có từ lâu và hoạt động một cách thủ công Những công nhân chịu trách nhiệm chính trong việc xuất và nhập hàng hóa cũng như ghi chép và lưu trữ dữ liệu của kho hàng

Hình 2.1. Kho hàng truyền thống

• Ưu điểm:

✓ Vốn đầu tư thấp, hoàn vốn nhanh

✓ Có thể định vị và đi chuyển hàng hóa linh hoạt

• Nhược điểm:

✓ Do các công việc đều được thực hiện thủ công nên tiêu tốn chi phí nhân công và thời gian trong quá trình vận chuyển xuất nhập hàng

✓ Dễ xảy ra các vấn đề thất thoát hàng hóa và mất dữ liệu

✓ Bất lợi trong xuất/nhập hàng

2.1.2 Kho hàng thông minh

Nhà kho thông minh là hệ thống nhà kho được thiết kế với đầy đủ các thiết bị tự động trong việc xuất nhập hàng hóa và lưu trữ dữ liệu Mọi hoạt động của nhà kho đều được diễn ra tự động

Hình 2.2 Kho hàng thông minh

• Ưu điểm:

✓ Tiết kiệm chi phí cho nhân công và thời gian trong quá trình xuất nhập hàng

✓ Dễ dàng quản lý một lượng lớn dữ liệu hàng hóa

✓ Tăng mức độ lưu trữ hàng hóa, tối ưu không gian

✓ Xuất/nhập hàng nhanh chóng và chính xác

• Nhược điểm:

✓ Chi phí ban đầu cao, đòi hỏi cao về công nghệ

✓ Cần nhân sự có kiến thức chuyên môn

2.1.3 Kho hàng CrossDocking

Kho hàng này lấy ý tưởng từ cách chuyển hàng từ nhà cung cấp đến các nơi phân phối mà không thông qua trung gian Các Cross Dock nơi nhận các xe trung chuyển đã được xử lý phân loại cùng một nhóm Các xe này sẽ chuyển hàng đến một cửa hàng bán

lẻ, một khu sản xuất, thậm chí là một Cross Dock khác Nơi này chỉ mất một ngày để lưu trữ các lô hàng được chuyển tới

Hình 2.3 Kho hàng CrossDocking

• Ưu điểm:

✓ Đẩy nhanh tiến độ giao hàng

✓ Tiết kiệm chi phí lưu trữ và nhân công

✓ Lưu thông hàng hóa nhanh, bỏ qua giai đoạn lưu trữ trung gian

• Nhược điểm:

✓ Chi phí vận chuyển tăng cao gia hàng phải lưu thông liên tục

✓ Mức độ kiểm soát và quản lý thông tin không cao

2.2 Hệ thống lưu kho tự động

2.2.1 Khái niệm

Hệ thống lưu kho tự động là hệ thống lưu trữ hàng hoá một cách tự động ứng dụng các chi tiết cơ khí, tự động hoá có kỹ thuật cao Hệ thống thường được thấy trong các kho hàng hoặc nơi phân phối hàng hóa có lượng hàng lớn với yêu cầu về quản lý hàng hóa cao

2.2.2 Cấu trúc hệ thống

Cấu trúc hệ thống lưu kho tự động có năm phần chính:

• Kho lưu trữ hàng: có nhiều khoang có chức năng chứa hàng hóa được nhập vào

• Hệ thống vận chuyển: tùy theo yêu cầu mà có thể sử dụng băng tải, robot, xe tự hành… Hiện nay, vận chuyển bằng băng tải được dùng phổ biến tại các nhà kho

• Cơ cấu chấp hành: chịu trách nhiệm truyền động và thực hiện tác vụ xuất/nhập hàng

• Hệ thống xuất nhập và lưu trữ: có chức năng lưu trữ và quản lý hàng hóa trong kho Các dữ liệu hàng hóa được lấy từ các thiết bị như quét mã vạch, camera, thẻ từ… Sau đó, dữ liệu được lưu vào một hệ cơ sở dữ liệu được xây dựng sẵn từ các phần mềm

• Hệ thống điều khiển: bao gồm bộ điều khiển trung tâm, các loại thiết bị như cảm biến và các rơle trung gian, driver Hệ thống có vai trò nhận và xử lý tín hiệu điều khiển từ các thiết bị đầu vào (cảm biến), sau đó điều khiển hoạt động của các cơ cấu chấp hành (relay và driver)

2.3 Cấu hình hệ thống

2.3.1 Cấu hình vào ra tập trung

Ở mạch vào/ra tập trung, các thiết bị được cắm trực tiếp vào máy chủ Vì vậy, cấu hình khá nhỏ gọn, có tốc độ xử lý nhanh, chi phí thiết kế khá thấp Cấu hình được dùng phổ biến cho các ứng dụng điều khiển mà các thiết bị ở gần trạm chủ

Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống vào ra tập trung

2.3.2 Cấu hình vào ra phân tán

Một số môi trường sản xuất công nghiệp thường phát sinh các vấn đề như các thiết

bị ở xa máy chủ, môi trường làm việc không ổn định Những sự ảnh hưởng từ môi trường khiến tín hiệu có thể bị nhiễu, khó nhận thông tin Vì vậy phải sử dụng các dây dẫn kết nối khá dài gây tốn kém và không đạt chất lượng Để xử lý vấn đề cần sử dụng vào/ra phân tán

Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống vào ra phân tán

2.4 Bộ điều khiển PLC

PLC (Programmable Logic Controller), được hiểu đơn giản là bộ điều khiển cho phép lập trình được Nó giúp người dùng thực hiện xử lý các hoạt động của phần cứng dựa trên ngôn ngữ lập trình PLC được ứng dụng ngày càng nhiều để giải quyết các vấn đề trong nhiều lĩnh vực Các hãng sản xuất cũng như các dòng sản phẩm PLC mới ra đời ngày một nhiều để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng Có thể kể đến một số dòng sản phẩm như PLC Siemens, PLC Mitsubishi, PLC Schneider…

2.4.1 PLC Siemens

Là một thương hiệu khá phổ biến hiện nay trong lĩnh vực “Tự động hoá” Nổi tiếng với các dòng sản phẩm PLC như: Logo, S7-200, S7-1200, S7-300, S7-1500, S7- 400 Series Tuỳ thuộc vào nhu có thể chọn các dòng sản phẩm phù hợp trong việc sử dụng cũng như tối ưu về giá thành

Sự phổ biến của PLC Siemens không chỉ đến từ việc đa dạng các dòng sản phẩm,

mà còn bởi khả năng ứng dụng thực tế đa dạng và khả năng kết nối dễ dàng Hệ sinh thái

đi kèm của PLC Siemens cũng cực kỳ đa dạng và đáp ứng những nhu cầu cần thiết về việc

mở rộng ngõ vào/ra (số hoặc tương tự), màn hình HMI, biến tần… Ngoài ra, PLC Siemens còn hỗ trợ hầu hết các ngôn ngữ lập trình PLC phổ biến hiện nay Đi kèm với sự đang dạng của tập lệnh mà PLC có thể đọc được giúp người dùng thao tác và kiểm tra chương trình

dễ dàng

Hình 2.6 PLC Siemens

• Ưu điểm:

✓ Giá thành phải chăng Ngôn ngữ lập trình và tập lệnh đa dạng

✓ Sản phẩm và hệ sinh thái đi kèm đa dạng

✓ Khả năng điều khiển quá trình và truyền thông là khá mạnh

✓ Kích thước nhỏ gọn, độ bền cao và có thể mở rộng nhiều module

• Nhược điểm:

✓ Khó khăn cho người mới bắt đầu lập trình

✓ Số lượng ngõ vào/ra còn hạn chế cần thêm module mở rộng khi cần sử dụng

✓ Phần mềm lập trình có giá thành khá cao

2.4.2 PLC Mitsubishi

PLC Mitsubishi là dòng PLC đến từ Nhật bản, giúp người dùng làm việc một cách

dễ dàng và nhanh gọn nhất PLC Mitsubishi có độ bền cao, hoạt động tốt trong nhiều môi trường khác nhau Các dòng PLC Mitsubishi có thể nhắc đến như dòng Q Series, L Series,

A Series, F/FX Series… PLC Mitsubishi phù hợp với các ứng dụng điều khiển rời rạc và điều khiển truyền động Đi kèm với đó là một hệ sinh thái đa dạng hỗ trợ tốt cho người sử dụng trong mảng này như: bộ biến tần, AC Servo, bộ điều khiển chuyển động… Ngôn ngữ lập trình dễ tiếp cận cùng với số lượng lớn tập lệnh đi kèm, trong đó có nhiều tập lệnh hỗ trợ mạnh cho việc điều khiển vị trí và bộ đếm xung tốc độ cao Việc lập trình khá đơn giản, tuy nhiên sẽ khó xử lý và tốn thời gian cho những chương trình phức tạp

Hình 2.7 PLC Mitsubishi

• Ưu điểm:

✓ Giá thành phải chăng, đa dạng dòng sản phẩm tuỳ thuộc nhu cầu sử dụng

✓ Khả năng điều khiển rời rạc và truyền động khá mạnh

✓ Tập lệnh đa dạng, dễ tiếp cận

✓ Kích thước nhỏ gọn, độ bền cao và có thể mở rộng nhiều module

• Nhược điểm:

✓ Gặp nhiều khó khăn khi viết chương trình phức tạp

✓ Số lượng ngõ vào/ra mặc định còn hạn chế cần bổ sung thêm module mở rộng

2.5 Động cơ

2.5.1 Động cơ bước

Động cơ bước bản chất là động cơ đồng bộ có thể chuyển đổi các tín hiệu điều khiển

là xung điện rời rạc thành chuyển động quay Người ta thường phân loại động cơ bước theo

số pha, theo số cực của động cơ, theo kết cấu của rotor trong động cơ Ngày nay, động cơ bước được dùng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhất là trong các lĩnh vực và máy móc cần độ chính xác cao như: máy cắt công nghệ plasma CNC, máy cắt công nghệ CNC laser…

Hình 2.8 Động cơ bước

• Ưu điểm:

✓ Định vị chính xác cao, khả năng duy trì mô-men tốt

✓ Độ bền cao, bảo trì và bảo dưỡng dễ dàng

✓ Điều khiển mạch mở, không cần phản hồi khi điều khiển vị trí và vận tốc

• Nhược điểm:

✓ Làm việc ồn Ở tốc độ thấp thì động cơ làm việc không đều

✓ Cần sử dụng thêm driver để điều khiển

2.5.2 Động cơ DC

Động cơ điện một chiều DC (Direct Current Motors) được điều khiển bằng nguồn điện một chiều Đây là loại động cơ biến điện năng và thành cơ năng Động cơ DC là loại động cơ có mô-men mở máy lớn nên có thể kéo được tải nặng khi khởi động Ngoài ra, động cơ DC còn có khả năng quá tải tốt và nhiễu điện từ thấp Cấu tạo động cơ DC gồm:

• Stator: bộ phận đứng yên gồm các cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện, tạo

ra từ trường

• Rotor: là bộ phận quay được, cấu tạo từ các cuộn dây quấn tạo thành nam châm điện

• Chổi than (brushes): nơi tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp

• Cổ góp (commutator): nơi tiếp xúc, phân chia nguồn điện trên rotor Có bao nhiêu cuộn dây trên rotor sẽ có bấy nhiêu tiếp điểm

Hình 2.9 Động cơ DC

✓ Công suất cao, dòng khởi động lớn Độ chính xác thấp

✓ Cơ cấu phức tạp, dễ hư hỏng khi vận chuyển hoặc bảo dưỡng, sửa chữa

2.5.3 Động cơ Servo

Động cơ Servo là loại động cơ dùng để truyền động cho một số thiết bị, dây chuyền hay cơ cấu trong một hệ thống sản xuất và chế tạo Động cơ Servo cùng với bộ điều khiển Servo (Servo Driver) và Encoder tạo thành một hệ thống Servo Động cơ Servo thường có hai loại chính là DC Servo và AC Servo

• DC Servo gồm hai loại:

✓ Động cơ DC Servo loại có chổi than: gồm 4 bộ phận chủ yếu là chổi than, stato, rotor và cuộn cảm lõi

✓ Động cơ DC Servo loại không có chổi than: cấu trúc giống loại có chổi than nhưng các cuộn dây pha ở rotor là nam châm vĩnh cửu

Hình 2.10 Động cơ Servo

• Một số ưu điểm dễ nhận thấy của động cơ Servo có thể kể đến như:

✓ Có thể điều khiển chính xác tốc độ, vị trí và mô-men một cách dễ dàng

✓ Hiệu suất hoạt động cao, không dao động và sinh nhiệt ít

✓ Khả năng phản hồi yêu cầu nhanh, quán tính làm việc rất nhỏ

✓ Kích thước và trọng lượng nhỏ hơn, ít bị hư hỏng

• Với độ chính xác và hiệu suất cao, động cơ Servo được dùng nhiều để điều khiển cánh tay Robot, máy CNC, ứng dụng sản xuất, đóng gói sản phẩm, vận chuyển và sắp xếp hàng hóa

2.6 Cảm biến phát hiện sản phẩm

2.6.1 Cảm biến quang

Cảm biến quang là loại cảm biến phát ra ánh sáng và nhận tín hiệu thu về để phát hiện sự hiện diện của vật Khi bộ phận thu có sự thay đổi thì tín hiệu ở ngõ OUT sẽ được xuất ra thông qua mạch điều khiển

Hình 2.11 Cảm biến quang

• Ưu điểm:

✓ Không cần tiếp xúc nhưng vẫn có thể phát hiện vật ở khoảng cách xa

✓ Có tuổi thọ, độ chính xác và tính ổn định cao

✓ Phát hiện được nhiều loại vật thể khác nhau

✓ Đáp ứng nhanh, độ nhạy có thể điều chỉnh theo ứng dụng

• Nhược điểm:

✓ Hoạt động kém hiệu quả khi bề mặt bẩn

✓ Tùy thuộc vào màu sắc và độ phản xạ của vật mà cảm biến có thể nhận diện ở khoảng cách xa hay gần

2.6.2 Cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận có khả năng phản ứng khi có vật ở gần, thường là vài milimet (mm) Một vài đặc điểm cảm biến tiệm cận:

• Nhận biết vật ở một khoảng cách nhất định

• Hoạt động ổn định, không rung hay sốc

• Khả năng đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao

• Dễ lắp đặt, hoạt động tốt trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau

2.7.3 Thiết bị quét mã vạch

Máy quét mã vạch là thiết bị dùng để đọc và mã hóa các loại mã vạch trong việc xử

lý thông tin Có hai loại máy quét mã vạch chính là máy quét mã vạch CCD và máy quét

mã vạch laser

• Máy quét mã vạch CCD: các đèn LED phát ra tia sáng tạo thành vệt sáng ngang cắt qua bề mặt mã vạch Ánh sáng phản xạ được thu lại và chuyển thành tín hiệu digital

Hình 2.15 Công nghệ quét mã vạch CCD

• Máy quét mã vạch laser: gồm một mắt đọc phát ra tia laser, sau đó dùng kính phản

xạ để tạo thành vệt sáng quét qua bề mặt của mã vạch

Hình 2.16 Công nghệ quét mã vạch laser

2.7.4 Camera công nghiệp

Ngày nay, việc sử dụng camera ngày càng phổ biến không chỉ trong đời sống mà còn cả trong các ngành công nghiệp Vì vậy, trên thị trường ngày càng xuất hiện nhiều loại camera với chức năng khác nhau để đáp ứng nhu cầu của thị trường sử dụng Trong số đó, camera công nghiệp là một trong những loại camera được dùng nhiều trong các dây chuyền

và nhà máy sản xuất

Camera công nghiệp là loại camera có độ chính xác rất cao, nó chụp và ghi ảnh lên đến hàng chục hoặc hàng trăm megapixels Nhờ đó camera công luôn được ưu tiên sử dụng trong các nhà máy sản xuất công nghiệp

Ngày nay camera công nghiệp được ứng dụng khá phổ biến và rộng rãi Một số lĩnh vực sử dụng camera công nghiệp có thể kể đến như: kiểm tra sản phẩm, đo lường sản phẩm, kiểm tra mã vạch…

Hình 2.17 Camera công nghiệp

2.7.5 HD Webcam

Webcam (Website Camera) là thiết bị ghi hình kỹ thuật số HD Webcam ghi nhận hình ảnh có chất lượng luôn mặc định ở mức 720p hoặc 1080p, có độ giải ở mức cao HD Webcam có thể kết nối trực tiếp với máy tính để truyền hình ảnh mà nó thu được Ngày nay, HD Webcam được sử dụng khá phổ biến với nhiều mục đích khác nhau như: gọi điện trực tuyến, nhận diện khuôn mặt, ghi hình, đọc mã vạch… Tuy nhiên, nó cũng có hạn chế

là độ bảo mật thấp, cần ngắt kết nối khi không cần sử dụng

Hình 2.19 Quét mã vạch sản phẩm bằng máy quét

Phương pháp thứ hai đó là sử dụng camera đi kèm phần mềm và ngôn ngữ lập trình phù hợp Nhiệm vụ của người dùng là phải xử lý các thư viện và chương trình có sẵn trên trên phần mềm để camera ghi ảnh và giải mã các loại mã vạch theo ý muốn Cách này có thể áp dụng cho nhiều loại mã vạch nhưng thời gian tìm hiểu về chương trình và xử lý khá mất thời gian

Hình 2.20 Sử dụng camera để quét mã vạch

CHƯƠNG 03 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Yêu cầu hệ thống

• Hệ thống hoạt động với hai chế độ tự động và bán tự động

• Kho chứa hàng kích thước vuông với kết cấu hoàn toàn bằng kim loại được lắp ráp với nhau, dễ dàng lắp đặt và thi công

• Cơ cấu ba trục X, Y, Z đảm nhận chức năng vận chuyển hàng hóa phải được thi công bằng kim loại, chắc chắn, sử dụng động cơ có mô-men lớn và độ chính xác cao

• Băng tải chuyển hàng của hệ thống phải được thiết kế chắc chắn, dễ dàng bảo trì, sửa chữa và phải được tối ưu về tốc độ chuyển hàng

• Tủ điện phải đảm bảo hoạt động tốt, an toàn về điện, dễ dàng kết nối với các thiết bị bên ngoài cũng như bảo trì và sửa chữa

• Tất cả hoạt động của hệ thống sẽ được điều khiển và giám sát thông qua giao diện SCADA được thiết kế trên WinCC

3.2 Lựa chọn cấu hình hệ thống

Với những yêu cầu của hệ thống, các thiết bị ngõ vào và ngõ ra được kết nối trực tiếp với PLC Song song đó, PLC sẽ giao tiếp với máy tính để nhận và trả tín hiệu điều khiển giám sát Vì vậy, cấu hình vào ra tập trung là phù hợp cho mô hình

Hình 3.1 Cấu hình hệ thống

Để đáp ứng những yêu cầu đặt ra ở trên nhưng vẫn đảm bảo giá cả hợp lý thì nhóm quyết định chọn cảm biến E3F-DS10C4, cảm biến này tuy giá thành thấp hơn và chưa tối

ưu về mặt ứng dụng công nghiệp nhưng vẫn đảm bảo đáp ứng được các yêu cầu nêu trên

Hình 3.2 Cảm biến quang phát hiện vật cản E3F-DS10C4

b HD Webcam

Với yêu cầu giải quyết vấn đề quét được mã vạch để đưa hình ảnh vào chương trình

xử lý để trả về kết quả mã vạch được dán trên sản phẩm Ngoài việc đáp ứng các yêu cầu trên còn cần phải tối ưu về chi phí vẫn kích thước để dễ dàng lắp đặt

Bảng 3 Bảng so sánh lựa chọn camera quét mã vạch

Giá thành Khoảng 800 nghìn Khoảng 2.5 triệu

Để đáp ứng yêu cầu trên thì chỉ cần dùng camera có tỉ lệ khung hình lớn để theo kịp với tốc độ sản phẩm có gắn mã vạch chạy trên băng tải, tuy nhiên cần đảm bảo kích thước nhỏ gọn để dễ dàng lắp đặt Từ đó nhóm quyết định chọn Webcam Logitech C310 HD để đáp ứng các yêu cầu trên và tiết kiệm chi phí

Hình 3.3 Logitech C310 HD Webcam 720p/30fps