GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Đặt vấn đề
Trong một thế giới hiện đại ngày nay, một đất nước muốn phát triển nhanh chóng và ổn định nền kinh tế thì cần có sự giao thương và mở rộng nền kinh tế thị trường từ đó thúc đẩy cho việc giao lưu học hỏi và trao đổi hàng hoá xuất nhập khẩu giữa các nước với nhau, từ đó đem đến những sự đầu tư, những mối quan hệ cùng hợp tác phát triển giữa các nước sẽ giúp tạo dựng công ăn việc làm cho người dân, trao đổi học hỏi được những công nghệ và kinh nghiệm của các nước tiên tiến, cải thiện trình độ nhân công và chất lượng sống của con người ở mỗi quốc gia đó Trong đó Việt Nam được hưởng lợi rất nhiều từ những điều trên, với ưu điểm có nguồn nhân lực dồi dào, trình độ cao nên Việt Nam được rất nhiều các nước lớn và phát triển đầu tư chuyển giao công nghệ và xây dựng nhà máy
Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp tự động hoá, nhờ vào những tiến bộ trong nghiên cứu khoa học và công nghệ, đã dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng về sản lượng hàng hoá Để đáp ứng nhu cầu cung ứng và xuất nhập khẩu toàn cầu, yêu cầu về phân loại, xuất và nhập kho trở nên cao hơn, giúp kiểm soát hiệu quả lượng hàng hoá khổng lồ và đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra nhanh chóng.
Tính cấp thiết
Với nhu cầu ngày càng cao trong sản xuất hàng hóa, nhiều công ty hiện nay vẫn phải dựa vào nguồn nhân lực để vận chuyển hàng hóa, dẫn đến việc di chuyển xa và ghi chép thủ công Điều này không chỉ làm giảm tốc độ sản xuất mà còn dễ gây ra sai sót và ảnh hưởng đến an toàn lao động Do đó, việc nghiên cứu và phát triển một hệ thống lưu kho tự động là vô cùng cần thiết.
Hệ thống lưu kho tự động giúp giải quyết nhu cầu phân loại hàng hoá, lưu kho và xuất kho một cách hiệu quả, đồng thời dễ dàng kiểm soát thông tin và lượng hàng trong kho Giải pháp này không chỉ giảm thiểu sức lao động và chi phí thuê nhân công, mà còn đơn giản hóa thao tác vận hành, đảm bảo độ chính xác và tốc độ ổn định Vì vậy, nhóm chúng em đã quyết định thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống lưu kho tự động”.
Mục tiêu hoàn thành
Hoàn thành thiết kế hệ thống lưu kho tự động
Sử dụng PLC để giám sát và điều khiển mô hình thực tế
Sử dụng máy quét mã vạch để phân loại và lưu trữ dữ liệu hàng hóa
Thông số đầu vào của hệ thống:
- Thiết kế kệ chưa hàng chứa được 9 sản phẩm mỗi kệ
- Tải trọng của cơ cấu chuyển hàng xấp xỉ khoảng 10kg
- Khối lượng của hàng hoá được sử dụng trong đề tài: 500g ~ 1kg
- Chiều dài vít me trục X: 750mm
- Chiều dài vít me trục Z: 650mm
- Trục Y được thiết kế bằng bộ truyền đai và thiết kế theo dạng đẩy rút
- Thời gian nhập kho: 12 phút/18 Pallet, trung bình 40 giây/Pallet
- Thời gian xuất kho: 12 phút/18 Pallet, trung bình 40 giây/Pallet
- Mô hình có tỉ lệ so với thực tế là 1:10
- Dự kiến mô hình có thể hoạt động liên tục trong 8 tiếng (1 ca làm việc)
- Tốc độ băng tải: 45mm/s
+ Kích thước mỗi ô hàng: 110 x 101 x 150 (mm)
+ Băng tải nhập hàng: 190 x 410 x 300 (mm)
+ Băng tải xuất hàng: 190 x 410 x 300 (mm)
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài đưa ra giải pháp cho bài toán thiết kế theo dõi, kiểm soát xuất nhập kho một cách chính xác, nhanh chóng và tự động
Vấn đề cũng tập trung vào cách phân loại sản phẩm để phân chia không gian lưu trữ của kho
Hệ thống SCADA sẽ giám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống lưu trữ, bao gồm bộ điều khiển trung tâm (PLC) và giao diện điều khiển máy tính (WinCC) Hệ thống này có khả năng dự đoán và cảnh báo các sai sót trong quá trình vận hành.
Nâng cao hiệu quả dây chuyền lưu trữ hàng hóa bằng cách tìm giải pháp giám sát số lượng hàng hóa, giảm thời gian cần thiết và can thiệp tối thiểu vào quy trình sản xuất.
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Hệ thống lưu kho đang trở thành một chủ đề nổi bật hiện nay, vì vậy chúng tôi đã quyết định tìm hiểu sâu về nó Chúng tôi tiến hành nghiên cứu thông qua sách vở, giáo trình, các trang mạng điện tử, lý thuyết về tính toán động cơ, và các mô hình dự án từ những nghiên cứu trước đây.
1.5.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Nghiên cứu bằng những hệ thống lưu kho được sử dụng trong thực tế, trong nhà máy và những mô hình đề tài trước
Nghiên cứu sử dụng phần mềm Visual Studio để phát triển quy trình quét mã vạch tự động cho việc phân loại hàng hóa, kết hợp với phần mềm TIA Portal V16 để thử nghiệm hệ thống trong thực tế Qua đó, rút ra kinh nghiệm nhằm cải thiện hiệu suất của hệ thống.
Giới hạn đề tài
Đề tài đang xây dựng cơ chế luân chuyển hàng hóa 3 trục X, Y, Z cho kho tự quản
Hệ thống chỉ có một cơ cấu nâng phục vụ kho hàng sẽ gặp nhiều hạn chế, bao gồm thời gian và lưu lượng hàng hóa.
Kết cấu của ĐATN
ĐATN bao gồm 6 chương, trong đó:
Giới thiệu khái quát về đề tài, nhu cầu thực tế và phương hướng tiến hành đề tài Chương 2: trình bày về cơ sở lý thuyết
Hiện nay, trên thị trường có nhiều phương án phân loại hệ thống cho sản phẩm, bao gồm các giải pháp về xuất nhập hàng hóa và kiểm soát hàng lưu kho Việc lựa chọn phương án phù hợp là rất quan trọng để thực hiện đề tài một cách hiệu quả.
Chương 3: Tính toán, thiết kế Đề xuất cấu trúc thiết kế và kích thước, cách kết nối và liên kết các thành phần của hệ thống lại với nhau: lắp ráp gia công cơ khí, mạch điện, sơ đồ đi dây, cách thức điều khiển hệ thống…Từ đó khái quát hệ thống bằng sơ đồ khối lựa chọn những chức năng mà hệ thống có thể thực hiện
Chương 4: Thực nghiệm và thi công hệ thóng
Kết qỉa gia công cơ khí, cơ sở bản vẽ, và cách hệ thống vận hành
Chương 5: Đánh giá kết quả
Đánh giá kết quả của hệ thống trong gia công cơ khí và thiết bị điện, cũng như độ an toàn và hiệu suất vận hành của máy móc trong thực tế, là rất quan trọng để đưa ra nhận xét và đánh giá tổng thể về hiệu quả hoạt động.
Chương 6: Kết luận và phương hướng phát triển Đánh giá hệ thóng đã đạt được bao nhiêu phần so với mục tiêu đề ra và phương hướng phát triển của đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cấu tạo và quy trình công nghệ của hệ thống
2.1.1 Khái niệm hệ thống lưu kho tự động:
Hệ thống lưu kho tự động (AS/RS) là một giải pháp kho thông minh kết hợp công nghệ thông tin, cơ khí và tự động hóa Hệ thống này được áp dụng rộng rãi tại các nhà máy, kho hàng và trung tâm phân phối có mật độ luân chuyển hàng hóa cao, giúp quản lý hàng hóa hiệu quả hơn.
Hình 2.1: Mô tả hệ thống lưu kho AS/RS
Hệ thống lưu trữ tự động hiện nay rất phổ biến trong các ngành công nghiệp, với quy trình hoạt động cơ bản giống nhau Đầu tiên, hàng hóa được phân loại trong quá trình nhập hàng, sau đó được chuyển đến khu vực chất hàng Khi hàng đến địa điểm lấy hàng chỉ định, robot sẽ bắt đầu lấy hàng và di chuyển đến kho trống Khi xuất hàng, vị trí kho hàng sẽ thông báo cho bộ điều khiển trung tâm, và robot sẽ lấy hàng từ kho lưu trữ để vận chuyển ra ngoài theo yêu cầu.
2.1.3 Các thành phần cơ bản của một hệ thống lưu kho tự động
Hệ thống lưu kho tự động cơ bản bao gồm nhiều giá đỡ nhiều tầng để lưu trữ hàng hóa, robot vận chuyển hàng hóa lên giá đỡ, trạm nhập/xuất hàng hóa ở đầu mỗi giá đỡ, và băng tải để di chuyển hàng hóa vào trạm xuất/nhập.
Hình 2.2: Các thành phần của hệ thống lưu kho tự động
- Hệ thống nhập/xuất kho:
Hệ thống xuất nhập kho tự động có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm sử dụng nhân công, thẻ từ quét, mã vạch quét tự động và camera nhận diện QR code.
Hệ thống lưu trữ hàng hóa đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ sản phẩm một cách thông minh và tự động Nó chịu trách nhiệm giám sát và quản lý tất cả hàng tồn kho trong kho Hệ thống này được phát triển thông qua nhiều phần mềm quản lý khác nhau, bao gồm KiotViet, Sapo POS, SUNO, và nhiều phần mềm khác thường được sử dụng trong các kho hiện nay.
Vì nó đóng vai trò là bộ não của hệ thống lưu trữ tự động nên hệ thống này rất có ý nghĩa
Hệ thống này tích hợp bộ điều khiển trung tâm, thiết bị cảm biến và rơle trung gian, đảm nhiệm việc nhận tín hiệu điều khiển từ các cảm biến và rơle Nhiệm vụ chính của hệ thống điều khiển trung tâm là quản lý vận hành, trong khi bộ truyền động cho phép hệ thống hoạt động chính xác và tự động.
Hệ thống thiết bị truyền động bao gồm các động cơ băng tải, giúp di chuyển và thay đổi cơ cấu cơ khí, đồng thời trực tiếp vận chuyển và xuất nhập hàng hóa trong kho.
Các mô hình hệ thống lưu kho hiện nay
Hệ thống lưu kho tự động giữa các nhà kho hiện nay có cấu trúc và cơ cấu đa dạng tùy thuộc vào điều kiện công nghệ Các hệ thống lưu kho hiện tại đang được áp dụng bao gồm nhiều loại khác nhau.
- Hệ thống lưu/xuất kho tự động cho các kiện hàng có cùng khối lượng:
Loại kho này được thiết kế cho các mặt hàng có kích thước và trọng lượng khác nhau, như các gói hàng trong thùng chứa tiêu chuẩn theo yêu cầu của nhà máy Đối với các kiện hàng có cùng khối lượng, các nhà xưởng có thể sử dụng cơ cấu gắp hàng của Robot đã được tính toán sẵn, giúp chuyên gắp những khối hàng theo quy định Hiện nay, các cơ cấu kẹp chân không và cơ cấu kẹp cơ khí là những lựa chọn phổ biến.
Hình 2.3: Hệ thống lưu/xuất kho cho các kiện hàng có cùng khối lượng
- Hệ thống lưu kho tự động cho các kiện hàng có tải trọng nhẹ (Mini-load AS/RS):
Hệ thống AS/RS Mini-load được thiết kế cho các xưởng có không gian hạn chế và số lượng hàng hóa khiêm tốn Nó lý tưởng cho các cơ sở lưu kho, nơi hàng hóa thường được lưu trữ trong các thùng chứa, đặc biệt là các bộ phận máy móc và công cụ có tiết diện nhỏ.
Hình 2.4: Hệ thống lưu/xuất kho cho các kiện hàng có khối lượng nhỏ
- Hệ thống lưu kho bán tự động (Man on board AS/RS):
Phương pháp này liên quan đến người vận hành hệ thống, đặc biệt trong các giai đoạn nhập/xuất kho, nơi có người đứng trên thang máy để chất hàng vào kệ Hệ thống bán tự động này cho phép lưu trữ hàng hóa nhỏ, dễ cài đặt và không yêu cầu bảo trì đặc biệt hay tách rời các bộ phận Với công suất vừa phải đến trung bình, hệ thống này phù hợp cho các nhà sản xuất và doanh nghiệp vừa và nhỏ có nhân viên ra vào kho.
Các phương pháp vận chuyển hàng hoá trong kho hiện nay
Hiện nay, việc vận chuyển hàng trong kho được thực hiện qua nhiều phương pháp đa dạng, tùy thuộc vào từng trường hợp và loại hàng hóa Doanh nghiệp sẽ nghiên cứu và lựa chọn phương pháp phù hợp nhất để đáp ứng các yêu cầu khác nhau Một số phương pháp phổ biến hiện nay bao gồm:
- Vận chuyển hàng bằng băng tải:
Băng tải là một loại máy cơ khí thiết yếu trong việc vận chuyển hàng hóa từ điểm sản xuất đến kho lưu trữ và từ kho ra điểm xuất hàng Chúng được ứng dụng phổ biến trong các nhà máy và siêu thị nhờ vào tính đa dạng của nhiều loại băng tải, mỗi loại phù hợp với từng loại hàng hóa và nguyên vật liệu khác nhau.
Hình 2.6: Băng tải vận chuyển hàng hoá
- Vận chuyển hàng bằng xe tự hành, robot:
Hệ thống này sử dụng công nghệ hiện đại để di chuyển và vận chuyển hàng hoá vào kho theo chương trình đã lập trình sẵn, mang lại hiệu quả cao hơn so với phương pháp vận chuyển truyền thống Hàng hoá được vận chuyển an toàn, giảm thiểu va đập Đặc biệt, các cánh tay Robot có khả năng vận chuyển và lắp ráp những chi tiết nhỏ và phức tạp, mặc dù chi phí đầu tư và vận hành khá cao.
Những phương pháp phân loại hàng hoá hiện tại
Hiện nay, có nhiều phương pháp phân loại hàng hoá khác nhau Tùy thuộc vào thực tế sản xuất và loại hàng cần phân loại, chúng ta sẽ áp dụng các phương pháp phù hợp nhằm tối ưu chi phí và nâng cao hiệu quả Một số phương pháp phân loại điển hình hiện nay bao gồm
- Phân loại hàng hoá theo mã vạch, mã QR
- Phân loại hàng theo chiều cao, khối lượng
- Phân loại hàng theo màu sắc
Phân loại hàng hoá bằng phần mềm xử lý ảnh là một phương pháp hiệu quả Nhóm chúng em đã chọn sử dụng quét mã vạch để phân loại sản phẩm, vì mã vạch hiện nay được áp dụng rộng rãi trên hầu hết các sản phẩm Điều này giúp tăng tính ứng dụng của hệ thống trong thực tế.
2.4.1 Tìm hiểu về mã vạch
Mã vạch là sự thể hiện thông tin trong các dạng nhìn thấy trên các bề mặt của sản phẩm, hàng hóa mà máy móc có thể đọc được
Mã vạch được sử dụng phổ biến thông qua các máy quét quang học, như máy quét mã vạch, để đọc và xử lý thông tin Ngoài ra, mã vạch cũng có thể được quét từ hình ảnh bằng phần mềm chuyên dụng để đảm bảo việc đọc và xử lý chính xác.
Mã vạch cung cấp thông tin quan trọng về sản phẩm, bao gồm quốc gia đăng ký, tên doanh nghiệp, lô hàng, tiêu chuẩn chất lượng, kích thước sản phẩm và nơi kiểm tra.
Mã vạch và các thẻ RFID được sử dụng để đánh số các mục, giúp máy tính xử lý dữ liệu một cách hiệu quả.
Người vận hành chỉ cần quét mã vạch bằng máy đọc mã vạch mà không cần nhập dữ liệu vào máy tính Mã vạch cũng hoạt động hiệu quả trong các hệ thống hoàn toàn tự động.
Mã vạch cung cấp thông tin về nguồn gốc xuất xứ của hàng hóa, với quy định khác nhau tùy theo từng quốc gia và vùng lãnh thổ Mã vạch bao gồm hai phần: phần mã số có thể đọc được bởi người dùng và phần mã vạch cần được quét để lấy thông tin.
Hiện nay, tại Việt Nam, hầu hết hàng hóa trên thị trường đều sử dụng mã vạch EAN Theo quy định của Tổ chức mã số vật phẩm quốc tế - EAN International, mã chuẩn này gồm 13 con số, được chia thành 4 nhóm từ trái sang phải.
Nhóm 1: Ba chữ số đầu là mã số chỉ các quốc gia hoặc vùng lãnh thổ
Nhóm 2: Bốn chữ số tiếp theo là mã số biểu thị doanh nghiệp
Nhóm 3: Năm chữ số tiếp theo là mã số hàng hóa
Nhóm 4: Số cuối cùng là số kiểm tra
Cơ sở lý thuyết liên quan đến hệ thống điện
2.5.1 Điều khiển bằng động cơ bước
Động cơ đồng bộ, hay còn gọi là động cơ bước, có khả năng chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành các xung điện riêng biệt, tạo ra chuyển động góc hoặc quay của roto Nhờ vào khả năng cố định roto tại các vị trí cần thiết, động cơ bước rất hữu ích trong các ứng dụng chuyển động kỹ thuật số, cho phép thực hiện chính xác các lệnh được gửi dưới dạng kỹ thuật số.
Động cơ bước là một thành phần quan trọng trong các hệ thống tự động hóa, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ, độ phản hồi và độ chính xác cao Chúng được sử dụng rộng rãi trong điều khiển robot, lập trình các cơ cấu lái, cũng như trong các thiết bị gia công cơ khí như máy CNC và các thiết bị cắt gọt.
Hệ thống điều khiển động cơ bước:
Một hệ thóng có sử dụng động cơ bước có thể được khái quát theo sơ đồ sau:
Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động của động cơ bước
Khối DC Supply là nguồn cung cấp điện một chiều cho hệ thống, có thể sử dụng pin cho động cơ công suất nhỏ hoặc nguồn chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều cho động cơ công suất lớn.
Khối điều khiển logic là thành phần quan trọng, có chức năng tạo ra tín hiệu và xung điều khiển Nó có thể hoạt động như một nguồn xung hoặc một hệ thống mạch điện tử.
Khối power driver có vai trò quan trọng trong việc cung cấp nguồn điện cho động cơ Nó nhận nguồn điện từ nguồn cung và chuyển đổi xung điều khiển từ khối điều khiển thành dòng điện đã được hiệu chỉnh, giúp động cơ hoạt động hiệu quả.
- Khối Stepper motor: khối động cơ bước, được lựa chọn dựa trên các thông số như: bước góc, momen kéo, momen hãm, momen làm việc
2.5.2 Hệ thống cảm biến phát hiện vật thể
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại cảm biến với những ưu điểm và nhược điểm riêng, bao gồm cảm biến quang học, cảm biến khoảng cách, cảm biến vị trí và cảm biến hình ảnh Trong nghiên cứu này, cảm biến quang học được sử dụng để xác định các kiện hàng khi chúng đi vào trường phát hiện, hoạt động dựa trên việc phát hiện sự thay đổi trong ánh sáng thông qua bộ phát và bộ thu.
Cảm biến quang được ưa chuộng nhờ giá thành hợp lý, độ ổn định, tuổi thọ và độ chính xác cao, cùng với thời gian đáp ứng nhanh và không bị ảnh hưởng bởi đặc tính vật liệu Tuy nhiên, nó cũng gặp một số nhược điểm như điều kiện và diện tích hoạt động bị hạn chế, cũng như dễ bám bụi gây sai sót tín hiệu.
2.5.3 Thiết bị quét mã vạch
Máy quét mã vạch là thiết bị dùng để thu nhận hình ảnh mã vạch in trên sản phẩm, chuyển thông tin từ mã vạch đến máy tính hoặc các thiết bị nhận thông tin khác.
- Nguyên lý hoạt động của máy:
Máy quét mã vạch hoạt động bằng cách chiếu đèn đỏ vào mã, sau đó các cảm biến thu nhận ánh sáng phản xạ và tạo ra tín hiệu tương tự thể hiện độ mạnh của phản xạ Bộ giải mã nhận tín hiệu số đã được chuyển đổi từ tín hiệu tương tự và thực hiện các phép toán cần thiết để xác nhận mã vạch có thể đọc được Cuối cùng, các tín hiệu kỹ thuật số được chuyển đổi thành văn bản ASCII và gửi đến máy tính cùng với máy in liên kết.
+ Có các thanh màu trắng và đen trong mã vạch Khi máy quét mã vạch chiếu ánh sáng vào mã vạch, ánh sáng phản xạ nhận được sẽ thay đổi các thanh đầy màu sắc bằng tín hiệu kỹ thuật số nhị phân và sau đó việc thu thập dữ liệu được thực hiện
Khi cảm biến tiếp nhận ánh sáng, nó tạo ra các dạng sóng tương ứng với phản xạ mạnh ở vùng màu trắng và yếu ở vùng màu đen Qua quá trình A/D (Binarization), tín hiệu phù hợp được chuyển đổi thành tín hiệu số.
Máy quét được thiết kế để quét mã vạch theo đường thẳng và khoảng trống, sau đó chuyển đổi chúng thành mã số hoặc chuỗi ký tự Mã số này được sử dụng để truy xuất thông tin sản phẩm từ cơ sở dữ liệu.
- Các công nghệ máy quét hiện nay:
+ Công nghệ Imaging: Áp dụng công nghệ chụp hình, Ưu điểm là đọc được các mã vạch,
+ Công nghệ Laser: Phát ra chùm tia Laser, quét lên bề mặt mã vạch Ưu điểm là tốc độ quét nhanh
+ Công nghệ CCD: Áp dụng công nghệ chụp hình Ưu điểm là đọc được các mã vạch có bề mặt gồ ghề
+ Độ phân giải của máy quét được đo bằng kích thước của chấm sáng do đầu đọc phát ra
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại máy quét mã vạch với đa dạng mẫu mã và phương thức kết nối khác nhau, bao gồm cổng serial, cổng kết nối độc quyền, cổng USB và mạng không dây.
Cơ sở lý thuyết về hệ thống điều khiển
PLC (Bộ điều khiển logic có thể lập trình) là thiết bị điều khiển chuyên nghiệp, cho phép lập trình để quản lý các hoạt động logic từ đơn giản đến phức tạp trong ứng dụng công nghiệp Các chương trình và sự kiện của PLC được điều khiển bởi bộ kích thích, bộ định thời và bộ đếm, giúp phát xung đến các thiết bị đầu ra để BẬT hoặc TẮT khi có sự kiện xảy ra Ngoài ra, các chương trình cài đặt trên PLC có thể được điều chỉnh để thực hiện nhiều tác vụ khác nhau, đáp ứng các yêu cầu điều khiển đa dạng.
Hình 2.14: Giới thiệu về PLC
2.6.2 Bộ điều khiển PLC cấu trúc bao gồm các thành phần chính như sau:
Bộ nhớ cho các chương trình: RAM Có thể sử dụng nhiều bộ nhớ ngoài (EPROM) hơn ROM
CPU, hay bộ xử lý trung tâm, là tên gọi của bộ xử lý trung tâm
PLC kết nối với các đầu vào và đầu ra của module thông qua bộ xử lý cổng giao tiếp Mô-đun I/O thường được tích hợp sẵn trong PLC, nhưng có thể mở rộng thêm I/O bằng cách lắp đặt các Mô-đun I/O bổ sung khi cần thiết.
Ngoài ra, PLC còn có thêm các bộ phận khác như:
- Các thành phần khác của PLC bao gồm: - Các cổng kết nối RS232, RS422, RS485 với máy tính dùng để nạp mã lệnh và giám sát chương trình
Cổng giao tiếp Modbus RTU là một thành phần phổ biến trong các PLC, bên cạnh đó, các PLC còn hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp khác như Profibus, Profinet, CANopen và EtherCAT, tùy thuộc vào từng nhà sản xuất và dòng sản phẩm cụ thể.
2.6.2.2 Nguyên lý hoạt động khi các thiết bị điều khiển ngoại vi kích hoạt các thiết bị như rơle, cảm biến, động cơ, v.v sang trạng thái BẬT hoặc TẮT Để đóng hoặc ngắt tín hiệu ở cả đầu vào và đầu ra, bộ điều khiển trung tâm CPU sẽ ra lệnh cho bộ xử lý đọc và xác minh toàn bộ chương trình được lưu trong bộ nhớ Để thực hiện các hoạt động cần thiết, các tín hiệu sẽ được gửi đến các thiết bị được kết nối (rơle, cảm biến, động cơ,…)
Hình 2.16: Nguyên lý hoạt động của PLC
2.6.2.3 Ưu và nhược điểm của PLC Ưu điểm:
+ Lập trình đơn giản, ngôn ngữ lập trình dễ tiếp cận
+ Thiết kế nhỏ gọn, + Độ chính xác cao của các thuật toán phức tạp
+ Thay thế hoàn toàn mạch điều khiển rơle thông thường
+ Dung lượng bộ nhớ lớn, + Hỗ trợ các chuẩn mạng truyền thông công nghiệp
+ Kết nối và trao đổi dữ liệu giữa thiết bị bên trong và bên ngoài
Chi phí cho thiết bị PLC thường cao hơn so với mạch rơle tiêu chuẩn, nhưng nhờ sự phát triển của thị trường, giá cả đã trở nên phải chăng hơn Mặc dù phần mềm lập trình PLC có thể đắt đỏ, một số công ty cung cấp phiên bản miễn phí cho người dùng Tuy nhiên, để sử dụng hiệu quả thiết bị PLC, người dùng cần có kiến thức cơ bản về lập trình.
2.6.3 Phần mềm lập trình điều khiển hệ thống
Sản phẩm PLC của Siemens đã phát triển phần mềm TIA Portal từ năm 1996, giúp người dùng thực hiện các tác vụ liên quan đến PLC như cài đặt, chạy chương trình và theo dõi trạng thái một cách hiệu quả.
Các khả năng của phần mềm bao gồm: - Giao diện đơn giản, thân thiện với người dùng với các công cụ và khả năng hỗ trợ lập trình PLC
- React hỗ trợ nhiều loại thiết bị, bao gồm cảm biến, PLC và màn hình HMI
- Cung cấp các công cụ cho người dùng để hỗ trợ xử lý nhanh chóng và hiệu quả các công việc liên quan đến hệ thống tự động
- Hỗ trợ nhiều loại ngôn ngữ
- Thực hiện đa dạng các hoạt động bao gồm giám sát, quản lý hệ thống, lập trình rất hữu ích cho hệ thống tự động hóa
- Hỗ trợ cung cấp các công cụ giúp quản lý tài nguyên hệ thống dễ dàng hơn
- Việc kết nối giữa các thiết bị trong mạng thông thường có thể cấu hình đơn giản
Hình 2.17: Giao diện phần mềm TIA Portal
WinCC là phần mềm của Siemens, chuyên dụng trong ngành tự động hóa, dùng để xử lý và lưu trữ dữ liệu trong hệ thống SCADA cũng như phát triển giao diện HMI WinCC, viết tắt của Windows Control Center, là bộ công cụ phần mềm giúp quản lý và theo dõi các hệ thống chạy trên Windows như Windows 2010 và XP, thông qua việc mô tả các sự kiện đang diễn ra Một số tính năng nổi bật của WinCC được sử dụng thường xuyên bao gồm khả năng giám sát và quản lý hiệu quả.
- Graphics Designer: Sử dụng các thành phần trực quan và thuộc tính hoạt động của chương trình để mô phỏng chức năng gcura của hệ thống
Mã Win CC và Visual Studio có thể kết hợp để phát triển các hệ thống phức tạp, đáp ứng các tiêu chí khắt khe của hệ thống tự động hóa chuyên dụng.
Tag Logging: Việc kết hợp Mã Win CC và Visual Studio cho phép phát triển các hệ thống phức tạp, đáp ứng tốt hơn các tiêu chí khắt khe của hệ thống tự động hóa chuyên dụng.
- Report Designer: Tạo cảnh báo; các kết quả được ghi lại dưới dạng hình ảnh
- User Achivers: Cho phép lưu và chia sẻ dữ liệu của chương trình với các thiết bị và hệ thống khác
Mã Win CC và Visual Studio có thể kết hợp để phát triển các hệ thống tự động hóa phức tạp, đáp ứng các tiêu chí khắt khe của ngành công nghiệp.
Hình 2.18: Giao diện phần mềm WinCC
2.6.3.3 Phần mềm Visual Studio Code
Visual Studio Code là một trình chỉnh sửa mã nguồn miễn phí và mã nguồn mở do Microsoft phát triển, hỗ trợ các hệ điều hành Windows, Linux và MacOS Nó cung cấp nhiều tính năng hữu ích cho lập trình viên như gỡ lỗi, tích hợp Git, cú pháp nổi bật, tự động hoàn thành mã thông minh và đoạn trích mã Ngoài ra, người dùng có thể cá nhân hóa giao diện với các chủ đề và phím tắt khác nhau Với sự hỗ trợ cho nhiều ngôn ngữ lập trình, Visual Studio Code trở thành một công cụ phổ biến trong cộng đồng phát triển phần mềm hiện nay.
Hình 2.19: Giao diện phần mềm Visual Studio Code
Lợi ích của việc sử dụng Visual Studio Code bao gồm:
- Khả năng truy cập của nó dưới dạng phần mềm mã nguồn mở và miễn phí
- Ngôn ngữ và thiết kế đơn giản để dễ sử dụng
- Khả năng tương thích với nhiều loại ngôn ngữ lập trình, cho phép sử dụng với nhiều loại dự án
- Đơn giản hóa việc quản lý và tìm kiếm mã trên toàn hệ thống
- Cơ sở người dùng rộng lớn nên có mạng lưới hỗ trợ đa dạng
- Dung lượng nhỏ nên dùng được với hầu hết các PC
2.6.3.4 Phần mềm SQL server Management Studio
Microsoft đã tạo ra một dạng phần mềm có tên SQL Server được sử dụng để lưu trữ nhanh dữ liệu tuân theo tiêu chuẩn RDBMS
Với SQL, người dùng có thể truy cập nhiều công cụ quản lý, bao gồm giao diện GUI và khả năng truy vấn SQL, đồng thời có thể kết hợp với ASP.NET, C# và các nền tảng khác Trong SQL Server, có hai phần chính.
- Máy trạm: Được thiết lập trên máy tính dưới dạng phần mềm hệ điều hành để có thể giao tiếp với hệ thống máy chủ
Phần mềm máy chủ như SQL Server, SQL Server Agent và SSIS có thể được cài đặt trên máy chủ chính để lưu trữ dữ liệu Quá trình xử lý của máy chủ thường được chia thành hai loại: xử lý hệ điều hành Người dùng sử dụng quyền SQL Server cho các mục đích khác nhau.
- Cho phép người sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu truy cập và mô tả dữ liệu
- Cho phép định nghĩa dữ liệu trong lược đồ dữ liệu và thao tác dữ liệu
- Cho phép tiền biên dịch, thư viện và sử dụng SQL khi được nhúng trong các ngôn ngữ khác
- Người dùng có thể tạo dạng xem, các bài kiểm tra vĩnh viễn được lưu trữ và các hàm trong cơ sở dữ liệu bằng SQL
Người dùng SQL Server Management Studio 2019 mới được nâng cấp có thể kết hợp SQL Server, HDFS và Spark thông qua nhiều tính năng mới Phiên bản này cũng giới thiệu khả năng tạo chỉ mục cột, xây dựng lại và xáo trộn dữ liệu tĩnh Các giai đoạn làm lại nhật ký trang được hoàn tất bằng các kỹ thuật thực thi và khôi phục dữ liệu nhanh hơn.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí
Kết quả sau khi hoàn thành phải đảm bảo đáp ứng nhu cầu ban đầu của hệ thống, bao gồm các nội dung sau:
- Mô hình thiết kế phù hợp và sử dụng được trong các tình huống thực tế
- Hệ thống chuyển động đáng tin cậy, và thiết kế chắc chắn mang tính thẩm mỹ
- Phải nêu rõ thời điểm bắt đầu vận hành hệ thống vận chuyển năng lượng
3.1.2 Đề xuất về thiết kế hệ thống
Hệ thống được thiết kế nhằm giảm thiểu số lượng công nhân cần thiết cho việc vận hành, hướng tới một quy trình tự động hóa hiệu quả Ý tưởng thiết kế của hệ thống bao gồm nhiều yếu tố quan trọng.
Có hai loại băng tải: một loại được sử dụng để vận chuyển hàng hóa vào kho, được trang bị máy quét barcode để phân loại sản phẩm, và loại còn lại được dùng để vận chuyển hàng hóa xuất ra khỏi kho.
Cơ cấu vận chuyển hàng hóa từ băng tải lưu kho vào kho và từ kho ra băng tải xuất hàng hoạt động theo 3 trục X, Y, Z, giúp đưa hàng vào vị trí các ô trong kệ hàng một cách hiệu quả.
Kệ hàng chứa hàng được thiết kế theo dạng kho hàng đôi, giúp tối ưu diện tích kho và tăng cường khả năng lưu trữ hàng hóa.
- Hệ thống được phân loại sản phẩm bằng mã vạch, sử dụng máy quét barcode để quét mã vạch và phân loại sản phẩm
3.1.3 Tỉ lệ mô hình so với thực tế
Mô hình này có kích thước khoảng 1/10 so với mô hình lưu kho thực tế trong nhà máy, được chế tạo nhằm mục đích mô phỏng hệ thống với chi phí thấp và sử dụng các linh kiện dễ tìm trên thị trường.
3.1.4 Thiết kế kệ chứa hàng và hàng hoá
Hàng hoá được phân loại thành 3 loại khác nhau và được nhận diện bằng mã vạch Mỗi hộp hàng có kích thước 12x8x8 cm và được trang bị đế mica với kích thước 13x10 cm và độ dày 5mm, nhằm đảm bảo hàng hoá không bị rung lắc hay rơi trong quá trình di chuyển.
Kệ chứa hàng được chế tạo từ gỗ ván ép dày, đảm bảo độ cứng vững và ổn định trong quá trình vận hành Thiết kế của kệ cho phép chứa tối đa 9 sản phẩm, với các thông số kỹ thuật cụ thể.
Hình 3.1: Thiết kế kệ chứa hàng
3.1.5 Tính toán thiết kế cơ cấu chuyển hàng
Cơ cấu chuyển hàng được thiết kế để di chuyển theo ba trục X, Y, Z Trục X di chuyển theo phương ngang, giúp đưa hàng qua dãy ô đến ô lưu trữ cần thiết Trục Z hoạt động theo phương thẳng đứng, cho phép hàng hóa được nâng lên hoặc hạ xuống Khi hàng đã đến vị trí ô chứa yêu cầu, trục Y sẽ thực hiện nhiệm vụ đưa hàng vào trong ô.
3.1.5.1 Tính toán thiết kế bộ truyền vit me
• Tốc độ quay trục chính: 250 vòng/phút
• Chiều dài trục chính: 800 mm
Tính toán ứng suất và điều kiện của trục vít me
Kiểm nghiệm đồ bền theo thuyết bền 4: σ td = √σ 2 +3τ 2 = √(4Fa) 2 πd 1 2 +3( T
T: Momen xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vật
[σ]: Ứng suất cho phép d1: Đường kính trong của ren vít me Đường kính trung bình của ren: d 2 ≥ √ F a π.Ψh.ΨH.[q] (1.2) Trong đó:
Fa: Lực dọc trục Ψh: Hệ số chiều cao đai ốc ΨH : Hệ số chiều cao ren
Do các vật liệu như đai ốc và vít là thép nên chọn [q] = 8(Mpa), Ψh= 1,2
Thay vào (1.2) ta có: d 2 ≥ √π.1,2.0,5.819,6 =1,14 (chọn d 2 =8 mm)
Diện tích nguy hiểm của vít me được xác định bởi momen ren, chịu toàn bộ lực dọc trục Fa và momen xoắn Trong đó, momen xoắn có giá trị lớn hơn 2 giá trị Tr (momen ren) và Tg (momen gối tì).
2 (1.3) Với: γ : Góc vít φ = arctg(f): góc ma sát d2: Đường kính trung bình của ren vít me
Các thông số của ren:
+ Chiều cao profin ren ( h = 1 mm)
Ph: Bước vít z h : Số mối ren ρ: Bước ren
8.π)= 9,04 + Với hệ số ma sát f = 0,1 (thép) tính được góc ma sát: φ = argtg(0,1) = 5,71
3 f F a D 0 (1.4) + Với hệ số ma sát f = 0,1 (thép) ta có:
Lấy T = Tr = 21,064 ( N.mm) thay vào (1.1) ta được: σ td = √(4.19,6) 2 π.6 2 +3(5,2656
Với thép 45 có σ ch 60 ( MPa)=>[σ]= σ ch
σ td < [σ] nên điều kiện của trục vít me được đảm bảo
+ Momen quán tính của tiết diện vít me J:
6)3,9 (mm 2 ) + Bán kính quán tính của tiết diện vít me: i= √
+ Độ mềm λ của vít me: λ=μ.l i =0,7.800
Hệ số chiều dài tương đương, ký hiệu là μ, được xác định như sau: μ = 1 khi cả hai đầu được vít cố định bằng bản lề; μ = 0.7 khi một đầu được vít và đầu kia bị ngàm (đai ốc tựa được coi như ngàm); μ = 0.5 khi cả hai đầu bị vít ngàm; và μ = 2 khi một đầu bị vít ngàm và một đầu tự do Chiều dài của vít me là l = 800mm.
Vì λ < 100 dùng công thức owle tính tải trọng giới hạn:
Kiểm nghiệm với độ bền cho vít me:
+ S0 : Hệ số an toàn về ổn định + [S0] = 2,5…4: hệ số an toàn ổn định cho phép
-> Điều kiện ổn định của vít me được đảm bảo
3.1.5.2 Tính toán chọn đông cơ cho trục X:
- Đường kính vít me: DB = 8mm
- Thời gian đi hết hành trình: t = 10 s
Tính momen xoắn cho động cơ bước:
𝑆 𝑓 : Hệ số an toàn Công thức tính 𝑇 𝐿 :
F: Lực làm bàn máy di chuyển
𝜇 0 : hệ số ma sát khớp nối ren (0,1~0,3, ta chọn 0,3) η : Hiệu suất động cơ (0,85 – 0,95, ta chọn 0.95) 𝑖: tỷ số truyền của hệ thống
𝑃 𝐵 : bước của vít me (4 mm) Lực tác dụng làm bàn máy di chuyển:
F = F A + mg(sinθ + μ.cosθ) (1.7) Trong đó:
F A : Ngoại lực μ: Hệ số ma sát bề mặt (chọn giá trị 0,1) θ: góc nghiên của trục X (0 o )
Hình 3.2: Lực làm trục X di chuyển
Coi ngoại lực tác dụng lên trục là không đáng kể, khối lượng trục X là 7 kg và góc nghiêng của trục X là 0 độ
Thay giá trị vào công thức (1.7)
Do động cơ được nối với cơ cấu truyền động vít me bằng khớp nối mềm nên hệ số truyền tải bằng 1:
Thay giá trị vào công thức (1.6)
1=5,14.10 -3 (N.m) Công thức tính momen tăng tốc: (áp dụng cho các động cơ)
J L : momen quán tính tải t 1 : thời gian tăng tốc (2s)
N M : tốc độ quay của trục vít me Tính momen quán tính tải:
J L = J B +J T (1.9) Momen quán tính của trục vít me:
Thay giá trị vào công thức (1.10) ta có:
32.7,9.10 3 0,75.0,008 4 =2,38.10 -6 (Kg.m 2 ) Momen quán tính trục vít me
D B : Đường kính trục vit me
L B : Chiều dài vít me ρ: Khối lượng riêng của thép Momen quán tính của bàn máy:
2π (1.11) Thay số vào công thức (1.11) ta được:
2π =1,78.10 -5 (Kg.m 2 ) Trong đó: m: Trọng lượng bàn máy
Suy ra momen quán tính tải theo công thức (1.9):
Số vòng quay làm việc của trục vít me:
𝜋.𝐷 (1.12) Trong đó: n lv : số vòng quay làm việc của trục vít me (vòng/phút)
D: đường kính trục vít me (m) v: vận tốc làm việc (m/s)
Vận tốc làm việc được tính bằng công thức:
𝑡 (1.13) Thay giá trị vào công thức (1.13) ta tính được:
Thay giá trị vào công thức (1.12): n lv `.π.D `000 v 0,055 π.8 1,3 (vòng/phút)
Chọn tốc độ quay của trục vít me N M 1 (vòng/phút)
Momen tăng tốc theo công thức (1.8):
2 )=0,4.10 -3 (N.m) Chọn hệ số an toàn 𝑆 𝑓 = 2 ta có momen xoắn của động cơ theo công thức (1.5):
T M =(0,4.10 -3 + 5,14.10 -3 ).2,08(mN.m) Tính toán công suất cho động cơ: Động cơ phải có công suất định mức lớn hơn hoặc bằng công suất cần thiết:
P ct = P η ch (1.14) η 𝑐ℎ : Hiệu suất cả hệ thống
𝑃 𝑐𝑡 : Công suất cần thiết trên trục động cơ (kW)
𝑃 𝑑𝑐 : Công suất của động cơ (kW)
P : Công suất trên trục công tác (kW)
Công suất trên trục công tác được tính:
F: Lực làm bàn máy di chuyển (N) v: vận tốc làm việc (m/s)
𝐿 1 : Quang đường làm việc (m) t: thời gian đi hết hành trình (s)
Thay các giá trị vào công thức (1.15), ta được:
Hệ thống truyền trục vít có hiệu suất tổng thể được chọn là η ch = 0,4, theo bảng 2.3 trong sách "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1" Bằng cách thay thế các giá trị vào công thức (1.14), ta có thể tính toán được công suất cần thiết cho hệ thống.
0,4 = 9,625.10 -4 (kW) = 0,96W ≈1W Kết luận: Từ kết quả trên ta chọn động cơ bước 42 (size 47) với mô men xoắn là 480mN.m
3.1.5.3 Tính toán chọn đông cơ cho trục Z:
- Đường kính vít me: DB = 8mm
- Thời gian đi hết hành trình: t = 10 s
Tính momen xoắn cho động cơ bước:
S f : Hệ số an toàn Công thức tính 𝑇 𝐿 :
F: Lực tác dụng làm bàn máy di chuyển
3𝐹) μ 0 : hệ số ma sát khớp nối ren (0,1~0,3, ta chọn 0,3) η: Hiệu suất động cơ (0,85 – 0,95, ta chọn 0.95) i: tỷ số truyền của hệ thống
P B : bước của vit me (4 mm)
Lực làm bàn máy di chuyển:
F = F A + mg(sinθ + μ.cosθ) (2.3) Trong đó:
F A : Ngoại lực tác dụng μ: Hệ số ma sát bề mặt (chọn giá trị 0,1) θ: góc nghiên của trục Z (90 o )
Coi ngoại lực tác dụng là không đáng kể, khối lượng trục Z là 2 kg và góc nghiêng của trục Z là 90 độ
Thay giá trị vào công thức (2.3)
Do động cơ được nối với cơ cấu truyền động vít me bằng khớp nối mềm nên hệ số truyền tải bằng 1:
Thay giá trị vào công thức (2.2)
1,68.10 -3 (N.m) Công thức tính momen tăng tốc: (áp dụng cho các động cơ)
J L : momen quán tính tải t 1 : thời gian tăng tốc (1s)
N M : tốc độ quay của trục vít me
Tính momen quán tính tải:
J L = J B +J T (2.5) Momen quán tính của trục vít me:
32 ρ L B D B 4 (2.6) Momen quán tính trục vít me
D B : Đường kính trục vit me
L B : Chiều dài vít me (e0mm) ρ: Khối lượng riêng của thép
Thay giá trị vào công thức (2.6) ta có:
32.7,9.10 3 0,65.0,008 4 = 2,065.10 -6 (Kg.m 2 ) Momen quán tính của bàn máy:
2π (2.7) Thay số vào công thức (2.7) ta được:
2π = 0,51.10 -5 (Kg.m 2 ) Trong đó: m: Khối lượng bàn máy
P B : Bước của vít me Suy ra momen quán tính tải theo công thức (2.5):
Số vòng quay làm việc của trục vít me: n lv `000 v π.D (2.8) Trong đó: n lv : số vòng quay làm việc của trục vít me (vòng/phút)
D: đường kính trục vít me (mm) v: vận tốc làm việc (m/s)
Vận tốc làm việc được tính bằng công thức: v = L 1 t (2.9) Thay giá trị vào công thức (2.9) ta tính được: v = 0,4
10 = 0,04(m/s) Thay giá trị vào công thức (2.8): n lv = 60.π.D = 60000 v 0,04 π.8 = 95,5 (vòng/phút) Chọn tốc độ quay của trục vít me N M = n lv = 95,5 (vòng/phút)
Momen tăng tốc theo công thức (2.4):
2 ) = 0,226.10 -3 (N.m) Chọn hệ số an toàn 𝑆 𝑓 = 2 ta có momen xoắn của động cơ theo công thức (2.2):
Tính toán công suất cho động cơ: Động cơ phải có công suất định mức lớn hơn hoặc bằng công suất cần thiết:
P ct = P η ch (2.10) Trong đó η ch : Hiệu suất cả hệ thống
P ct : Công suất cần thiết trên trục động cơ (kW)
P dc : Công suất của động cơ (kW)
P: Công suất trên trục công tác (kW)
Công suất trên trục công tác được tính:
F: Lực làm bàn máy di chuyển (N) v: vận tốc làm việc (m/s)
L 1 : Quang đường làm việc (m) t: thời gian đi hết hành trình (s)
Thay các giá trị vào công thức (2.11), ta được:
Hệ thống truyền trục vít có hiệu suất tổng thể là η ch = 0,4 (theo bảng 2.3 trong sách Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1) Bằng cách thay thế các giá trị vào công thức (2.10), ta có thể tính toán được công suất cần thiết cho hệ thống.
Kết luận: Từ kết quả tính trên ta chọn động cơ bước 42 (size 47) với mô men xoắn là 480mN.m
3.1.5.4 Thiết kế, tính toán chọn đông cơ cho trục Y:
Thiết kế cơ cấu trục Y để đưa hàng vào ô trong kho sử dụng cơ cấu telescopic với ba thành phần: A cố định, B và C là các thành phần chuyển động, trong đó C di chuyển tương đối với B Khi B di chuyển một khoảng m, C cũng di chuyển một khoảng m so với B, dẫn đến việc C di chuyển 2m so với vị trí hàng hóa ban đầu.
Hình 3.5: Cơ cấu vận hành trục Y Tính toán chọn động cơ:
Hiệu suất truyền động: η ch = η br η d η d = 0,93 0,95 0,95 = 0,839 (3.1)
Hiệu suất bộ truyền bánh răng là 0,93 (η br) và bộ truyền bánh đai là 0,95 (η d) Trong mô hình hệ thống của đồ án, tải trọng được giả định là trọng lượng hàng hóa, do đó, khi tính toán công suất động cơ, ta xem xét trường hợp tải trọng không đổi.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các yếu tố quan trọng liên quan đến trọng lượng hàng hóa và bộ truyền động Cụ thể, trọng lượng hàng hóa và bộ truyền động được ký hiệu là m, trong khi trọng lượng trục Y được ký hiệu là my với giá trị my = 2 (Kg) Trọng lượng hàng hóa giả sử là mx = 0,2 (Kg) Cuối cùng, gia tốc trọng trường được xác định là g = 9,8 (m/s²) và vận tốc được ký hiệu là v (m/s).
Thiết kế hệ thống điện
Hệ thống điện phải đảm bảo độ an toàn điện, những linh kiện được sắp xếp và lắp đặt 1 cách gọn gàng và phù hợp
Dây điện được lắp đặt gọn gàng đáp ứng thẩm mỹ
3.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống điện
Hình 3.8: Sơ đồ khối của hệ thống điện
Chức năng của các khối nói trên:
- Khối nguồn: Nguồn 24VDC và 220VAC được sử dụng để cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống
- Khối hệ thống quét mã QR: phân loại sản phẩm bằng máy quét mã vạch, sau đó truyền dữ liệu về máy tính
- Khối thu thập dữ liệu: tập hợp dữ liệu từ hệ thống, xử lý và gửi đến CPU
- Khối xử lý trung tâm: lấy dữ liệu đầu vào từ các khối khác, xử lý, sau đó đưa ra các lệnh điều khiển hệ thống khối chấp hành
- Khối chấp hành: Khối này nhận dữ liệu từ khối PLC và sau đó thực hiện các lệnh điều khiển hệ thống
- Khối cảm biến: nhận thông báo khi hàng đến địa điểm định trước.
Lựa chọn thiết bị
3.3.1 Khối xử lý trung tâm
Nhóm đã chọn PLC_Siemens do khả năng mạnh mẽ trong điều khiển quá trình và truyền thông, cùng với việc hỗ trợ kết nối với nhiều phần mềm cần thiết cho hệ thống Quyết định này dựa trên các điều kiện yêu cầu của hệ thống và phân tích ưu nhược điểm của các loại PLC hiện có trên thị trường.
Ba kênh tạo xung tốc độ cao có sẵn để điều khiển động cơ
Số lượng đầu vào và đầu ra đáp ứng các thông số kỹ thuật đã được chỉ định Để điều khiển hệ thống, nhóm đã quyết định sử dụng PLC_Siemens S7-1200 1214C DC/DC/DC, như được minh họa trong hình 3.5.
Hình 3.9: PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC
- Ngõ ra, vào: I/O: 14 DI 24 VDC;6 DO 24 VDC; 2 AI 0-10 VDC
- Cổng truyền thông PROFINET (Ethernet)
- Nguồn cấp 20,4 - 28,8 VDC, bộ nhớ 75 KB
Sơ đồ chân PLC S7-1200 DC/DC/DC:
Hình 3.10: Sơ đồ chân PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC
Trong phạm vi mô hình đồ án tốt nghiệp, với sai số ít cũng như chi phí mua hàng phù hợp nhóm đã sử dụng:
- 2 động cơ bước điều khiển 2 truc vitme
- 1 động cơ bước điều khiển bàn nâng lấy hàng
- 2 động cơ giảm tốc điều khiển 2 băng tải ( nhập và xuất hàng)
Động cơ Step KV4234-F2B009 được áp dụng trong mô hình đồ án tốt nghiệp cho cơ cấu lấy hàng trục Y trong hệ thống lưu kho tự động.
- Kích thước 42x42x32 mm, trục 5 mm
Hình 3.11: Động cơ bước 42(size 32)
Hình 3.12: Sơ đồ dây động cơ bước 42 1,8 step
Hình 3.13: Động cơ bước 42 (size47)
- Động cơ DC giảm tốc cho băng tải:
Nhóm đã sử dụng động cơ DC giảm tốc cho mô hình đồ án tốt nghiệp, nhằm tối ưu hóa quá trình vận hành của băng tải.
+ Tốc độ chạy không tải: 50 RPM
+ Tốc độ chạy có tải: 35RPM
+ Dòng điện định mức trung bình: 1A - 2A
Hình 3.14: Động cơ giảm tốc DC
3.3.2.2 Driver điều khiển động cơ bước
Chọn biến tần TB6600 là bước quan trọng để vận hành động cơ sau khi xác định kích thước và công suất của động cơ Biến tần này phù hợp cho các loại động cơ bước 42/57/86 với 2 pha hoặc 4 dây, dòng tải 4A/42VDC, sử dụng IC TB6600HQ/HG TB6600 thường được ứng dụng trong sản xuất máy CNC, máy laser và các thiết bị tự động khác.
Thông số kỹ thuật động cơ:
- Cách ly quang học đầu vào tốc độ cao
- Tích hợp đo quá dòng và quá điện áp
Cài đặt và ghép nối: Đặt tại chỗ và ghép nối:
+ DC+: Nối với nguồn điện từ 9 đến 40 VDC
+ DC-: Điện áp âm (-) của nguồn
+ A+ và A-: Nối với cặp dây quấn của động cơ bước
+ B+ và B-: Nối với các cuộn dây còn lại của động cơ
+ ENA+ và ENA -: khi cấp tín hiệu cho cặp này thì motor sẽ không còn lực giữ và momen quay
+ PUL+: Tín hiệu xung điều khiển tốc độ (+5V) từ BOB cho M6600
+ PUL-: Tín hiệu xung điều khiển tốc độ (-) từ BOB cho M6600
+ DIR+: Tín hiệu cung cấp xung ngược (+5V) từ BOB cho M6600
+ DIR-: Đảo chiều Tín hiệu cung cấp xung (-) từ B có thể được sử dụng để kết nối tín hiệu âm (-) hoặc dương (+) thông thường
Sử dụng công tắt từ SW1 - SW6 để điều chỉnh thông số phù hợp: chế độ vi bước, dòng điều khiển động cơ
*Điều khiển động cơ bước bằng PLC thông qua driver động cơ bước TB6600
Trong đồ án này, động cơ bước được sử dụng để điều khiển vít me di chuyển theo phương thẳng trên các trục Qua bộ truyền đai, chúng ta xác định số vòng quay cần thiết của động cơ để đạt được vị trí mong muốn.
Thông qua việc điều khiển số xung cung cấp cho driver động cơ bước, chúng ta có thể điều chỉnh động cơ quay đúng số vòng theo yêu cầu, từ đó đạt được vị trí mong muốn Để thực hiện điều này, ta sử dụng hai chân PUL+ và DIR+ của driver: PUL+ nhận số xung cho động cơ, trong khi DIR+ nhận mức logic 0 hoặc 1 để xác định chiều quay của động cơ.
Hình 3.16: Sơ đồ đấu nối driver với động cơ bước
Chúng tôi sử dụng 3 kênh phát xung PTO tích hợp trong S7-1200 để điều khiển 3 trục X, Y, Z bằng động cơ bước, thông qua việc khai báo 3 phần tử công nghệ.
> Add new object như Hình 3.13 và Hình 3.14
Hình 3.17: Khai báo chân phát xung trục X
Hình 3.18: Khai báo chân phát xung trục Z
Trong mục Mechanics Hình 3.15, động cơ bước được cấu hình với 3200 xung mỗi vòng, cho phép đối tượng di chuyển 8mm khi quay một vòng.
Hình 3.19: Khai báo vi bước driver và bước vitme trục X, Z
Hình 3.20: Khai báo tốc độ và thời gian tăng giảm tốc đọ của trục X, Z
Trong phần Mechanics Hình 3.17, động cơ bước được cấu hình với 3200 xung mỗi vòng, cho phép đối tượng di chuyển 4mm mỗi vòng trên trục Y.
Hình 3.21: Khai báo vi bước driver và bước vitme trục Y
Hình 3.22: Khai báo tốc độ và thời gian tăng giảm tốc đọ của trục
3.3.3 Khối cảm biến Để giảm chi phí thiết bị nhưng phải đáp ứng được với yêu cầu hệ thống nhóm đã sử dụng cảm biến quang để đáp ứng các yêu cầu trên
Một trong những cảm biến được ưa chuộng là bộ cảm biến E3F-DS30C4 do DAWEI sản xuất
+ Loại cảm biến quang học
+ Phạm vi phát hiện: 30cm ± 10%
+ 20mA là mức tiêu thụ hiện tại
+ Điện áp nguồn là 10-36 VDC
+ Đầu dò chuyển mạch NPN
Hình 3.23: Cảm biến quang E3F-DS30C4
Công tắc hành trình T125 5A 250V là thiết bị chuyển đổi dòng điện của động cơ thành tín hiệu điện, phục vụ cho việc điều khiển và giám sát quá trình Trong lĩnh vực tự động hóa, công tắc T125 được ứng dụng để hạn chế chuyển động của các cơ cấu như máy CNC và cơ cấu cẩu.
+ Kích thước của công tắc T125: 2.8x1x1.6 cm
Hình 3.24: Công tắc hành trình T125 5A 250V
3.3.4 Khối thu thập dữ liệu
Công tắc hành trình T125 5A 250V là thiết bị chuyển đổi dòng điện của động cơ thành tín hiệu điện, phục vụ cho việc điều khiển và giám sát quá trình Trong lĩnh vực tự động hóa, công tắc T125 được ứng dụng để hạn chế chuyển động của các cơ cấu như máy CNC và cơ cấu cẩu.
Sử dụng Barcode theo tiêu chuẩn EAN như hình:
Hình 3.25: Mã vạch theo tiêu chuẩn EAN
Mã hóa trong chuỗi mật mã EAN 13 (hay DUN-13) bao gồm 13 chữ số, trong đó chữ số cuối cùng là chữ số kiểm tra Trước đây, mã vạch này được quản lý bởi Hệ thống đánh số bài viết châu Âu (EAN), nhưng hiện nay đã được kiểm soát bởi EAN-UCC.
13 số được sắp xếp thành 4 nhóm theo thứ tự sau để tạo mã vạch gốm EAN:
+ Nhóm 1: 3 chữ số đầu – Mã quốc gia sản xuất hàng hóa
+ Nhóm 2: 6 chữ số tiếp theo – Mã số doanh nghiệp sản xuất do tổ chức GS1 Việt Nam cấp
+ Nhóm 3: 3 chữ số tiếp theo – Mã sản phẩm do doanh nghiệp tự cấp
+ Nhóm 4: Chữ số cuối cùng – Số về kiểm tra Đối với các doanh nghiệp được cấp mã M gồm 4 con số:
Mã quốc gia Mã doanh nghiệp Mã mặt hàng Số kiểm tra Đối với các doanh nghiệp được cấp mã M gồm 5 con số:
Mã quốc gia Mã doanh nghiệp Mã mặt hàng Số kiểm tra
3.3.4.2 Máy quét mã vạch HONEYWEL Xenon 1950GHD-2USB-A
Trong mô hình dự án, nhóm đã sử dụng máy quét mã vạch Honeywell Xenon 1950GHD- 2USB-A
Máy quét mang lại hiệu suất quét vượt trội, giúp loại bỏ thời gian chờ đợi trong mọi giao dịch, ngay cả với mã vạch hư hỏng và chất lượng thấp Được thiết kế với độ bền và độ tin cậy hàng đầu, máy quét có khả năng chịu được lực rơi lên đến 1,8 m, phù hợp cho mọi cài đặt.
Thiết kế sơ đồ nối dây điện
Hình 3.27: Bảng phân công đầu ra của hệ thống
Sơ đồ điện PLC kết nối với nguồn và thiết bị input:
Hình 3.28: Sơ đồ điện plc kết nối với nguồn và thiết bị input
Sơ đồ điện kết nối PLC với driver và thiết bị output:
Hình 3.29: Sơ đồ điện plc kết nối với driver và thiết bị output
Thiết kế tủ điện của hệ thống:
Thiết kế hệ thống điều khiển
3.5.1 Hệ thống phân loại sản phẩm
Hệ thống phân loại sản phẩm dùng mã vạch để phân loại và dùng máy quét barcode để phân loại sản phẩm
Lưu đồ hệ thống quét mã vạch:
Hình 3.31: Lưu đồ hệ thống quét mã vạch
3.5.2 Hệ thống lưu kho tự động
Hệ thống lưu kho tự động gồm 2 phần: quy trình lưu kho và xuất kho
Hình 3.32: Lưu đồ hệ thống lưu kho
Hình 3.33: Lưu đồ hệ thống xuất kho
Hệ thống xuất kho bao gồm 3 trường hợp để xuất kho theo yêu cầu:
- Trường hợp 1: Xuất một loại hàng với số lượng nhiều
Hình 3.34: Lưu đồ trường hợp 1 của hệ thống xuất kho
- Trường hợp 2: Xuất lần lượt một kiện hàng bất kì
Hình 3.35: Lưu đồ trường hợp 2 của hệ thống xuất kho
- Trường hợp 3: Xuất hàng luân phiên theo thứ tự hàng đã chọn
Hình 3.36: Lưu đồ trường hợp 3 của hệ thống xuất kho
3.5.3 Thiết kế giao diện hệ thống giám sát
- Nút nhấn bắt đầu, dừng và reset hệ thống
- Trạng thái Step: biểu thị hoạt động và vị trí của 3 trục X, Y, Z
- Hệ thống giám sát IO: Hiển thị ngõ vào và ngõ ra của các thiết bị
- Bảng giám sát: nhận biết hệ thống đang trong quá trình lưu kho hay xuất kho
Hệ thống xuất kho có ba trường hợp chính: Trường hợp 1 cho phép xuất một loại hàng với số lượng lớn, trường hợp 2 cho phép xuất từng kiện hàng bất kỳ, và trường hợp 3 cho phép xuất hàng liên tục theo thứ tự đã chọn.
- Mô tả kệ hàng: mô tả vị trí và số lượng hàng đang được lưu trong kho
- Thông báo khi kho đã đầy
Hình 3.37: Giao diện hệ thống giám sát
