Nghiên cứu và hoàn thiện mô hình kho hàng tự động

LỜI NÓI ĐẦUNgày nay, thay vì cách lưu trữ hàng hóa thủ công tốn nhiều diện tích và nhân cônglao động, nhiều công ty trên thế giới đã trang bị hệ thống kho hàng tự động cho vănphòng, nhà

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, thay vì cách lưu trữ hàng hóa thủ công tốn nhiều diện tích và nhân cônglao động, nhiều công ty trên thế giới đã trang bị hệ thống kho hàng tự động cho vănphòng, nhà xưởng của mình…Với việc ứng dụng công nghệ cao trong việc cất giữ hànghóa, giờ đây chúng ta có thể quản lý hàng hóa của mình một cách khoa học, có hệ thống

và có tính linh hoạt cao, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động và giảm giá thành hoạt động

Sự ra đời của mã vạch đã giúp đỡ rất nhiều những người trực tiếp làm việc vớimặt hàng có dán mã vạch, năng suất lao động và hiệu quả công việc tăng lên Nó thực sựđem lại lợi ích rất lớn cho các doanh nghiệp trong nền kinh tế thị trường ngày nay Hiệnnay các loại hàng hóa muốn đem bán tại các siêu thị trong nước cũng như xuất khẩu ranước ngoài đều phải có mã số mã vạch Hơn nữa, mã số mã vạch trên hàng hóa cần đượcthể hiện chính xác và đúng đắn theo những tiêu chuẩn quốc tế đã quy định

Sau thời gian học tập tại trường, được sự chỉ bảo hướng dẫn nhiệt tình của thầy côgiáo trong bộ môn Tự động hóa, em đã tích luỹ được vốn kiến thức nhất định Được sựđồng ý của nhà trường và thầy cô giáo trong Viện em được giao đề tài tốt nghiệp:

“Nghiên cứu và hoàn thiện mô hình Kho hàng tự động”.

Đồ án tốt nghiệp của em gồm bốn chương:

Chương 1: Tổng quan về Kho hàng tự động

Chương 2: Thiết kế trang bị điện và tự động hóa

Chương 3: Tìm hiểu và hoàn thiện mô hình

Chương 4: Ứng dụng PLC S7-200 và lập trình điều khiển kho hàng tự động.Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáocủa thầy Hà Tất Thắng, em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn Do thời gian làm đồ án cóhạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mongnhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô để đồ án này được hoàn thiện hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn thầy Hà Tất Thắng, và các thầy cô giáo trong bộ môn

“Tự Động hóa xí nghiệp công nghiệp” đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian qua

Hà Nội, ngày 19 tháng 9 năm 2014

Sinh viên thực hiện:

Trần Xuân Bách

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KHO HÀNG TỰ ĐỘNG

1.1 Giới thiệu chung về kho hàng tự động

1.1.1 Tìm hiểu chung về hệ thống lưu trữ hàng hóa

Nền công nghiệp nước ta n ó i r i ê n g v à c á c n ư ớ c t r ê n t h ế g i ớ i n ó i

c h u n g đang phát triển mạnh mẽ Ngày trước, sản phẩm được tạo ra một cách thủcông nên việc mang sản phẩm ra vào kho chủ yếu được thực hiện bằng sứcngười, do đó không tận dụng hết được các khoảng không gian, sức chứa của khohàng, việc quản lý hàng hoá kém hiệu quả cũng như tốn nhiều diện tích đất làmnhà kho chứa hàng

Trong thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá ngày nay sản xuất ngày càngphát triển, hàng hóa làm ra càng nhiều đáp ứng nhu cầu tiêu dùng cho xã hội Từ

đó đã nảy sinh cần có những kho hàng hiện đại đáp ứng yêu cầu của sản xuất vàkhắc phục được những hạn chế của các kho hàng cũ

Hiện tại, trên thế giới có nhiều hệ thống lưu trữ hàng hóa, các hệ thống nàyrất đa dạng, phong phú về thiết bị cũng như cách thức thực hiện Nhưng trong đóchủ yếu là sử dụng nhân công để bốc dỡ hàng hóa, các thiết bị bốc dỡ hàng là cácmáy nâng sử dụng người lái để sắp xếp hàng hóa vào kho

Nhìn chung, các nhà kho hiện nay có các nhược điểm sau:

- Sử dụng nhiều diện tích để chứa hàng hóa

- Không phân loại được các hàng hóa khác nhau (các hàng hóa thường đểchung với nhau trong 1 kho)

- Không bảo quản tốt hàng hóa khi số lượng nhiều (Chất hàng chồng lên nhau)

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

Với sự ra đời của các hệ thống xếp hàng hóa tự động, người ta có thể quản lýtốt hàng hóa cũng như nhanh chóng trong việc lưu trữ và xuất hàng hóa ra khỏikho, các hệ thống kho tự động được sử dụng robot để vận chuyển hàng hóa,điều này đồng nghĩa với việc đầu tư trang thiết bị hiện đại cho hệ thống kho tốnkhá nhiều chi phí cho việc vận chuyển hàng hóa nhưng bù lại là hàng hóa đượcbảo quản tốt, thuận tiện cho việc quản lý và kiểm soát, tiết kiệm được nhân công

…

Dưới đây là một vài hình ảnh về các thiết bị bốc dỡ cơ bản hiện nay :

Hình 1.1 Các thiết bị bốc dỡ cơ bản hiện nay

1.1.2 Tìm hiểu về hệ thống lấy cất hàng hóa tự động ASRS (Automated Storage & Retrieval System)

Đây là một hệ thống lấy cất hàng hóa tự động với công nghệ hiện đại, được sửdụng trong các nhà kho hoàn toàn tự động Hệ thống gồm có 2 phần chính: phần mềm

và phần cứng

- Phần mềm gồm có phần mềm quản lý các robot lấy cất hàng (Crane Control Software) và phần mềm quản lý hàng hóa (Warehouse Management Software).

- Phần cứng bao gồm các hệ thống giá kệ cố định (Static Racking), các robot

lấy cất hàng (Crane Control Software), hệ thống các băng tải vận chuyển hàng (Conveyors) và hệ thống các cửa tự động xuất nhập hàng (Automated Doors).

Giải pháp này được đánh giá là tối ưu cho các kho hàng đông lạnh do những ưuđiểm và mức đầu tư hợp lý mà giải pháp này mang lại như:

- Mật độ lưu trữ cao: do giải pháp này tận dụng được chiều cao và đường chạycủa robot nhỏ nên diện tích sử dụng sẽ ít hơn những giải pháp khác, so sánh trên cùng khả năng lưu trữ giúp tiết kiệm chi phí đầu tư cho diện tích sử dụng, xây dựng và hệthống lạnh.

- Tốc độ xuất nhập cao: trung bình 1 tấn hàng/ phút/ robot

- Công nghệ chuyển đường cho phép chỉ cần một robot cho một nhà kho giúptiết kiệm đáng kể chi phí đầu tư

- Không cần hệ thống chiếu sáng, do đó tiết kiệm chi phí đầu tư hệ thống chiếusáng, chi phí bảo trì, chi phí vận hành

- Thất thoát nhiệt thấp: thất thoát nhiệt xuống đất, qua các cửa ra vào, bùnhiệt cho hệ thống chiếu sáng là những nguồn thất thoát nhiệt chính trong các kholạnh Sử dụng diện tích nhỏ hơn các giải pháp khác nên thất thoát nhiệt xuống đất sẽthấp hơn Ngoài ra với hệ thống cửa ra vào tự động và có phòng cách ly nên thất thoátnhiệt sẽ là rất thấp, giảm thời gian xả đá của hệ thống lạnh

- Không sử dụng lao động trong kho: tiết kiệm chi phí nhân công, quản lý, bảohiểm và thiết bị hỗ trợ

- Quản lý chuyên nghiệp và hiệu quả nhờ phần mềm quản lý kho kết hợp

với công nghệ mã vạch (Barcode) hay thẻ từ (Transponder) giúp giảm chi phí quản lý

và nhân công, đồng thời cũng dễ dàng đạt được các tiêu chuẩn ISO để tạo lợi thếcạnh

tranh

Các sản phẩm từ khâu đóng gói (được một hệ thống sắp xếp thành các linh kiện hàng lớn đối với các sản phẩm có kích thước nhỏ, nếu sản phẩm có kích thước lớn thì nhập kho trực tiếp) được băng chuyền mang đến vị trí chờ để nhập kho Tại vị

trí nhập kho hệ thống cơ khí sẽ mang lần lượt các kiện hàng hoặc sản phẩm này sắpxếp vào các vị trí thích hợp trong kho và lưu dữ liệu của hàng vừa nhập kho vào máytính Đối với việc xuất kho hoàn toàn tương tự nhưng ngược lại

Hệ thống cơ khí cơ bản của một nhà kho tự động là một robot hoạt động theo

ba trục và di chuyển theo đường ray để mang hàng sắp xếp vào kho, và hệ thống băngchuyển để phân phối sản phẩm xuất nhập

Số lượng robot sử dụng trong một nhà kho ít hay nhiều hoàn toàn phụ thuộcvào đặctính của nhà kho đó Nếu một nhà kho tự động cần khả năng lưu trữ cao nhưngtốc độ thấp thì số lượng robot không nhiều và hệ thống băng chuyền không quá phức

tạp Nhưng nếu một nhà kho cần khả năng lưu trữ cao với tốc độc cao thì số lượngrobot

rất lớn di chuyển trên các ray độc lập, theo đường cong hoặc chuyển ray dẫn đến hệthống băng chuyền để phân phối cho các robot này rất phức tạp

Hình 1.2 Các ngăn chứa hàng của hệ thống ASRS

Mô hình nhà kho có khả năng lưu trữ cao nhưng tốc độ thấp thích hợp cho cácnhà máy mà sản phẩm của họ được sản xuất với năng suất cao, số lượng lớn như: thựcphẩm, điện tử…

Hình 1.3 Các cơ cấu lấy hàng của hệ thống ASRS

Đối với các nhà máy chỉ sản xuất một sản phẩm thì hệ thống băng chuyền chỉđơn thuần phân phối sản phẩm cho các robot một cách tối ưu Nhưng với những nhàmáy sản xuất nhiều loại sản phẩm cùng lúc thì hệ thống băng chuyền còn thựchiện phân loại sản phẩm vào khu vực thích hợp

1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống kho tự động

Cấu trúc cơ bản của một nhà kho tự động bao gồm nhiều hành lang, dọc theomỗi hành lang có một hay nhiều máy xếp, dỡ tự động Hai bên hành lang là cáckhoang chứa hàng Đầu mỗi hàng lang là trạm xếp dỡ Các trạm xếp dỡ liên hệ vớinhau theo hệ thống băng chuyền

Nhìn chung kho tự động được cấu thành từ 3 phần:

- Hệ thống vận chuyển

- Hệ thống xuất nhập

- Hệ thống lưu giữ

có áp dụng như: băng tải, robot, xe tự hành, máy nâng, máy xếp dỡ…

Hệ thống băng tải được sử dụng như một giải pháp tối ưu cho kho tự động củacác siêu thị, các công ty dược…băng tải ở những môi trường này có nhiệm vụvận chuyển hàng hóa từ kho đến nơi giao hàng cho khách Băng tải có rất nhiềuloại mỗi loại được dung để tải một loại vật liệu khác nhau Cũng có loại băng tảiphổ thông được dùng để tải các loại vật liệu khác nhau nhưng không phải là các loạivật liệu đặc biệt như chịu nhiệt độ cao, chịu dầu, chịu axit, chịu ăn mòn, chịu nước,chống cháy chịu cường độ cao…

Đối với nhà máy chỉ sản xuất một sản phẩm thì hệ thống băng chuyền chỉ đơnthuần phân phối sản phẩm cho các robot một cách tối ưu Nhưng với những nhàmáy sản xuất nhiều loại sản phẩm cùng lúc thì hệ thống băng chuyền còn thực hiệnphân loại sản phẩm vào khu vực thích hợp

Các robot, xe tự hành là những thiết bị tất yếu của một hệ thống kho tự động.Chúng di chuyển trong diện tích của nhà kho theo 3 trục, làm nhiệm vụ đưa hàng từcổng nhập đến những ô trống và lấy hàng từ những ô chứa hàng ra cổng xuất

Robot lấy cất hàng tải trọng thấp được thiết kế chuyên cho các hộp, thùng,khay hoặc là những hàng hóa có tải trọng thấp Robot này có tốc lấy hàng rất cao.Robot lấy cất hàng tải trọng trung bình có tốc độ lấy cất khá nhanh, hiệu quả và chínhxác đối với lưu trữ dùng pallet.

Robot lấy cất hàng tải trọng cao được thiết kế riêng theo yêu cầu lưu trữ cũngnhư môi trường làm việc đặc trưng của khách hàng

Hình 1.5 Cơ cấu robot vận chuyển sản phẩm vào kho

Hình 1.6 Pallet

1.2.2 Hệ thống xuất nhập

Hệ thống xuất nhập của kho tự động có thể áp dụng nhiều phương thức khácnhau có thể kể đến như dung nhân công, thẻ từ, tích kê, mã vạch, máy tính,camera Trong phạm vi đồ án này, chúng em xin giới thiệu sơ qua về phương phápxuất nhập bằng mã vạch

Mã vạch (Barcode) là hình gồm nhiều sọc đứng,rộng và hẹp được in để đại diệncho các mã số dưới dạng máy có thể đọc được

Các mã sọc phù hợp với tiêu chuẩn Universal Product Code(UPC) được in trên hầuhết các sản phẩm hàng hóa bày bán trong các siêu thị hiện nay Khi hình mã sọcđược kéo lướt qua một dụng cụ quét quang học ở quầy kiểm tra thu tiền, máy tính

sẽ đối chiếu số hiệu sản phẩm với cơ sở dữ liệu các danh sách giá và in ra giá tiềnđúng với mã đó

Các nghiên cứu cho thấy con người thường gây ra ít nhất một lỗi trong khoảng

200 lần nhập số liệu vào máy Khi sử dụng mã vạch và máy đọc mã vạch, khả năngsai sót chỉ còn 1 phần 6 triệu Độ chính xác của việc dùng mã vạch còn cao hơn nữa khi

số liệu của mã vạch được tạo ra và kiểm soát tự động bởi chương trình không có sự can

thiệp của con người

Ví dụ mã vạch của 1 hàng hóa:

Mã vạch là một phát minh của thế kỷ 20 và nó càng ngày trở nên quan trọng trong cuộc sống bởi tính hiệu quả mà nó mang lại,mà quản lý xuất nhập trong kho tự động là

1 trong những tính năng của nó

Nguyên tắc đọc mã vạch máy quét: máy quét sẽ phảt ra 1 chùm laser công suấtthấp, chùm sáng gặp mã vạch sẽ phản xạ lại một giàn cảm biến quang

Vi điều khiển sẽ phân tích vùng phản xạ của ánh sáng và tính toán khoảng cáchcủa các vạch sáng và tối rồi giải mã ra một loại ký tự tương ứng với tập hợp vạchnào đó và theo tiêu chuẩn mã vạch nào đó.Sau khi giải mã thành các ký tự sẽ đưalên host hoặc lưu vào bộ nhớ đệm của thiết bị đọc và đợi lệnh truyền.Khi có lệnhtruyền tương ứng với chuẩn truyền thong nào đó RS232,IR, wireless,… sẽ gửi dữ liệuvừa giải mã được yêu cầu tới nơi nhận

Công nghệ mã vạch ứng dụng trong nhà kho tự động: Mỗi đơn vị hàng khi nhậpvào kho sẽ được dán nhãn mã vạch,tương ứng với 1 ô trong kho.Mã vạch đó sẽ lưu vàđược máy tính xử lí,truyền qua PLC để đưa hàng đến đúng vị trí của nó Quá trìnhxuất hoàn toàn ngược lại

Ưu điểm hệ thống quản lý kho hàng bằng mã vạch:

- Phiếu nhập, xuất mã sinh tự động

- Giá bán, giá nhập sinh tự động theo quy định và có thể sửa đổi

- Ghi nhận nhân viên xuất hàng và khách hàng

- Theo dõi tồn kho, kiểm kê hàng hóa, dự báo hàng hết hạn

- Quản lý hàng hóa bảo hành, bảo trì

1.2.3 Hệ thống lưu trữ

*) Phần mềm quản lý kho lạnh –DMS_COLD STRORAGE:

Chương trình được thiết kế theo quy trình kinh doanh dịch vụ kho lạnh chodoanh nghiệp, các chức năng cơ bản: lưu giữ thông tin,khóa sổ, phân quyền người sửdụng, ghi nhận tất cả các sự kiện phát sinh trong quá trình hoạt động, in báo cáo,trích xuất số liệu ra bảng tính Excel, Backup dữ liệu…

* Hệ thống danh mục dùng chung khai báo ban đầu:

Danh mục kho hàng,loại vật tư hàng hóa,mã chi tiết vật tư hàng hóa, danh mụckhách hàng, danh mục người sử dụng…

* Báo cáo nhanh, chi tiết:

- Các báo cáo nội bộ đa dạng và chi tiết nhất, theo đặc thù của doanh nghiệp.

- Khả năng cung cấp thông tin tức thời.

* Thông tin chi tiết về tình hình xuất-nhập-tồn hàng hóa:

- Quản lý danh sách hàng hóa, loại hàng hóa, quy cách hàng,quy cách đóng gói.

- Quản lý danh mục, danh mục pallet.

- Quản lý nhập kho theo phiếu nhập kho và theo dõi nhập từng vị trí, chọn nhập

hàng hóa trên sơ đồ kho theo đúng thực tế Hỗ trợ in phiếu, in danh sách vị trí nhậpkho…

* Quản lý xuất kho và xuất kho theo điều kiện:

- Xuất kho theo khách hàng.

- Xuất kho theo phiếu nhập.

- Xuất kho theo ngày.

- Xuất kho theo từng pallet….

* Thiết lập sơ đồ kho theo đúng thực tế.

* Hỗ trợ chọn nhập,xuất trên sơ đồ.

* Hỗ trợ theo dõi hàng hóa trực quan trên sơ đồ kho.

* Hỗ trợ theo dõi dồn hàng,dời hàng trực tiếp trên sơ đồ kho:

-Hiển thị màu báo hiệu các vị trí còn trống hàng trên bản đồ vị trí.

-Theo dõi và đánh giá tình hình tồn kho trong ngày.

-Theo dõi hàng tồn kho theo từng mặt hàng.

-Tính các loại phí: lưu kho, sang công, cắm công, thay bao bì

Vì thế sử dụng phần mềm quản lý kho có những ưu điểm như sau:

* Quản lý hàng hóa toàn diện:

Phần mềm quản lý được thiết kế để hỗ trợ người quản lý kiểm soát mọi hoạtđộng liên quan đến kho Nhờ nắm vững hàng trong kho và số lượng, khả năng hànghóa bị loại bỏ do quá hạn hoặc lưu trữ quá số lượng cần thiết sẽ được giảm tối đa

* Tối ưu hóa việc lưu kho:

Các quá trình nhập và xuất hàng được kiểm soát liên tục nhờ phần mềm quản lý khodựa trên các điều kiện tối ưu do người sử dụng đặt ra Vì vậy, hàng hóa sẽ luônđược lưu trữ ở số lượng vừa đủ làm giảm việc tồn đọng vốn

* Tự động hóa quá trình nhập / xuất hàng:

Thời gian công sức (kể cả giấy tờ quản lý) được giảm thiểu khi giao nhận hàng, vìthế người sử dụng sẽ không bao giờ cần phải tự đi tìm trong kho vị trí cất hàng thíchhợp hay món hàng đúng theo yêu cầu

* Tận dụng tối đa không gian lưu trữ hàng trong kho:

Các vị trí cất hàng trong kho được phân loại để cất giữ mặt hàng thích hợp (ví dụtheo trọng lượng hay chủng loại) và khi cần việc phân loại này có thể được linhđộng thay đổi thông qua phần mềm quản lý kho Mọi lãng phí về không gian lưu trữtrong kho nhờ vậy sẽ bị hoàn toàn loại trừ

*) An toàn phòng chống cháy nổ cho nhà kho:

Trong không gian kho chứa phải đặt hệ thống báo động với những detectorkhói, và nhiệt Nếu có hỏa hoạn, thì hệ thống này sẽ kích hoạt cái còi (90 dB) tronghành lang chung.Nên làm giếng trời, với coupole tự mở khi có lửa hay khói vì phầnlớn nạn nhân tử vong vì khói độc hơn là vì nhiệt

Nên lắp các vòi nước sẵn, với ổng dẫn phi 70mm tối thiểu

Lắp đặt hệ thống dập lửa tự động : cái này tùy hàng hóa ta chất, thí dụ có hệthống phun nước (sprinklage), hệ thống phun bọt xà phồng (dùng cho lư"a điện), hệthống phun gaz inergen (hỗn hợp giữa Azote tức khí đam, Argon và CO²)

*) Sử dụng thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương sử dụng công nghệ Psoc:

Việc kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm khi bảo quản, lưu trữ các sản phẩm công-nông nghiệptrong các kho chứa hàng là rất quan trọng Thông thường với các loại hàng hoá đượclưu trữ, nhiệt độ, độ ẩm trong phòng lưu trữ phải luôn duy trì ở 1 mức nhất định

Dựa trên cơ sở tìm hiểu các hệ thống lưu trữ tự động trên, đề tài Thiết Kế HệThống Kho Tự Động dùng Mã vạch được thực hiện dựa trên ý tưởng cá nhân cùng sự

mô phỏng hệ thống nhà kho trên thế giới

Chương 2 THIẾT KẾ TRANG BỊ ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

2.1 Thiết kế hệ thống tự động hóa

Hệ thống tự động hóa kho tự động được thiết kế gồm có: Một xe nâng có tay máychạy dọc theo đường ray ở giữa hai kho để hàng có nhiều ngăn Tay máy là cơ cấu haitầng bánh răng có thể lấy cất hàng theo hai chiều, cơ cấu tay máy có thể di chuyển lênxuống dọc theo cột của xe nâng để đưa hàng vào các ngăn chứa hàng Trang bị điện cho

hệ thống kho tự động gồm rất nhiều nhiệm vụ và khâu, có thể chia làm 3 phần sau:

• Yêu cầu : Nhanh, chính xác, an toàn…

- Máy tính tiền tự động - Nhập mã vạch

- Cảm biến: Quang, hồng ngoại, áp lưu…

Phương án được chọn làm mô hình là người gửi hàng sẽ nhận một vé gửi hàng donhân viên điều khiển cấp khi nhận hàng

Nhận hàng: Khi có người gửi hàng, người điều khiển sẽ ra lệnh cho tay máymang hàng đến một ngăn còn trống, quá trình tay máy di chuyển hàng diễn ra tự động.Sau khi hàng được cất vào ngăn, sẽ có một thẻ mã vạch của ngăn hàng được chao chongười gửi hàng

Trả hàng: Khi người gửi hàng đưa ra thẻ mã vạch, người điều khiển sẽ đưa ra vị tríngăn hàng trên mã vạch, sau đó lệnh cho tay máy đến ngăn hàng đó và lấy hàng trả vềcho khách Quá trình lấy hàng của tay máy diễn ra tự động

2.1.2 Vận chuyển

• Nhiệm vụ:

- Vận chuyển hàng tử khay nhận hàng vào các ngăn trống khi có lệnh nhận hàng

- Lấy hàng từ các ngăn có hàng được chọn khi có lệnh trả hàng

• Yêu cầu:

- Nhanh – chính xác – ổn định – an toàn – chắc chắn – dễ lắp đặt, bảo dưỡng…

• Giải pháp:

- Robot vận chuyển – băng tải –máy nâng hạ…

- Vận chuyển hàng từ khay nhập hàng vào các ngăn trống khi có lệnh nhận hàng:Tay máy đưa xuống dưới khay nhận hàng → tay máy nâng hàng lên khỏi khay vàđưa về vị trí tay ban đầu → xe di chuyển dọc theo trục X và đến vị trí X trong lệnh

→ xe dừng lại và tay máy nâng dọc theo trục Y để chọn tầng → đúng vị trí Y tronglệnh → tay máy dừng lại và động cơ trên tay máy chạy thuận để đưa hàng vàongăn hàng → tay máy hạ xuống, để hàng lại ngăn và về vị trí ban đầu

- Lấy hàng từ các khoang có hàng được chọn khi có lệnh trả hàng: Có tín hiệulấy → xe chạy xác định tọa độ OX → đúng vị trí OX → xe dừng lại và taymáy nâng theo trục Y → đúng vị trí Y → tay máy dừng lại và đưa vào trongngăn hàng → tay máy nâng lên và đưa hàng ra khỏi ngăn → xe trở về vị trí banđầu để trả hàng

Mô hình hệ thống tự động hóa của em được thiết kế dựa trên tham khảo các khohàng tự động trên internet, gồm cả xe tự hành chở một tay máy chạy dọc theo đường ray

ở bên cạnh một giá hàng nhiều tầng, tay máy có tác dụng đưa hàng vào các ngăn, taymáy có thể di chuyển lên xuống

2.1.3 Lưu giữ

• Nhiệm vụ:

- Lưu giữ hàng khi hàng được gửi vào

- Báo tín hiệu điều khiển là còn trống hay đã có hàng

• Yêu cầu:

- Chắc chắn - Tác động nhanh

- Dễ dàng bảo trì bảo dưỡng để sử dụng lâu dài…

Khi muốn lấy hàng ra khỏi ngăn, người điều khiển tắt công tắc 2 tiếp điểm đènLED tối và xe sẽ di chuyển lấy hàng ra khỏi ngăn đó Vấn đề được đặt ra là làm thế nào

để xe xác định được vị trí theo OX và làm thế nào để xác định hàng đã vào đúng vị trítrên tay máy Khi trả hàng thì chủ hàng đã đưa vé cho nhân viên điều khiển tính số tiềnphải trả, khi thực hiện xong thì nhân viên sẽ đóng công tắc để hệ thống thực hiện quátrình trả hàng

2.2 Các hệ thống chuyển động chính của kho hàng tự động

2.2.1 Hệ thống di chuyển xe nâng

Hệ thống di chuyển xe nâng gồm thân xe và cột chính của thang nâng được dichuyển trên hai thanh dẫn hướng cố định Hệ thống truyền động của xe nâng được lắpđộng cơ một chiều đầu trục có gắn đĩa xích, hệ thống xích tải được lắp cố định song songvới các thanh ray

Khi có tín hiệu điều khiển, động cơ được cấp điện sẽ quay đĩa xích kéo theo toàn

bộ xe nâng di chuyển dọc theo phương nằm ngang đến các vị trí yêu cầu tương ứng vớicác khoang đặt hàng Chiều chuyển động của xe nâng phụ thuộc vào chiều của điện ápđặt vào cuộn ứng của động cơ Việc dừng và khống chế hành trình của xe nhờ vào cáccảm biến đặt dọc trục ray dẫn theo phương nằm ngang

2.2.2 Hệ thống tay máy

Tay máy là một trong nhưng cơ cấu cơ khí phức tạp nhất của hệ thống, là thiết bị

để lấy cất hàng Tay máy có khả năng di chuyển lên xuống (trục Y) và di chuyển sang

phải sang trái (trục Z) Các cảm biến từ được gắn dọc theo trục Y và Z giúp cho việcdừng chính xác ứng với các khoang chứa.

2.3 Trang thiết bị cho hệ thống

2.3.1 Động cơ điện

Trong hệ thống kho hàng tự động để vận chuyển các robot tự hành thông thườngngười ta sử dụng động cơ xoay chiều không đồng bộ, động cơ đồng bộ và động cơ điệnmột chiều

Ở đây em sử dụng động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ

2.3.2 Động cơ điện một chiều

Cấu tạo của động cơ một chiều gồm 2 phần chính là phần tĩnh và phần quay:

Hình 2.1 Cấu tạo động cơ 1 chiều

Phần tĩnh ( stato ):

Hình 2.2 Cấu tạo của stato

Phần quay ( Rôto ):

Hình 2.3 Cấu tạo của Rôto

Bao gồm có các bộ phận chính sau:

- Lõi thép - Dây quấn

- Dây quấn - Trục rôto

- Cổ góp

*) Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều:

Khi đặt điện áp một chiều vào phần cảm (Stato) thì trong phần cảm xuất hiện từtrường kt Đồng thời đặt điện áp một chiều vào phần ứng thì trong dây quấn phần ứng(Roto) xuất hiện dòng điện iư Do đó thanh dẫn phần ứng chịu một lực tác động F, cóchiều được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.

F=BLI lực F sẽ tạo ra mômen quay làm quay rô to

Để chứng minh nguyên lý làm việc trên, đơn giản ta xét cho máy điện có rôto làkhung dây, Stato là một nam châm điện hai cực Bắc – Nam (N-S) sau đây:

Hình 2.4 Nguyên lý làm việc động cơ điện 1 chiều

Trên hình 2.4a khi mặt phẳng khung dây trùng với các đường sức của từ trường kt,nếu điện áp U mạch ngoài có dương ở chổi C1 âm ở chổi C2 thì chiều dòng điện chạy trong rôto có chiều là: (+) C1V1 ABCDV1C2(-) Dùng quy tắc bàn tay trái, ta xác định được chiều của lực F và từ đó suy ra chiều momen M và

Trên hình 2.4b tương tự khi mặt phẳng ABCD quay 180° so với hình 1 ta thấychiều dòng điện chạy trong phần ứng là: (+)C1.V2DCBAV1.C2(-) và tương tự ta cũngxác định được chiều của F và chiều của momen M cũng như có chiều tương tự ở hình2.4a

Kết luận: Điện áp mạch ngoài là một chiều nhưng dòng phần ứng là xoay chiều,

do đó mọi thời điểm chiều của lực mômen là không đổi

• Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều

a: Kích từ song song; b: Kích từ độc lập; c: Kích từ nối tiếp; d: Kích từ hỗn hợp

2.3.3 Phương trình cơ bản của động cơ một chiều kích từ độc lập

Trong đó : Từ thông trên mỗi cực Iư dòng điện phần ứng

U : Điện áp phần ứng. Rư: điện trở phần ứng

K : Hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ.

• Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:

- Phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng:

U ư = (R ư + R f ).I ư + E ư (4)Trong đó: U ư: Điện áp phần ứng

E ư: Sức điện động phần ứng

R ư: Điện trở của mạch phần ứng

R f: Điện trở phụ thuộc trong mạch phần ứng

I ư: Dòng điện mạch phần ứngVới:

Trong đó: K = : Hệ số cấu tạo của động cơ

N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng : Tốc độc góc

K e= 0,105K

Từ (4) và (5) ta có:

Biểu thức (7) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ điện được xác định bởi:

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn hao lõi thép thi mô men cơ trên trục động cơ

bằng mô men điện từ, ta kí hiệu là M.Nghĩa là M đt = M cơ = M:

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông = const thì các phương trình đặc tính cơ(7) và (9) là tuyến tính Dạng đặc tính cơ động cơ được biểu diễn trên Hình 2.6 và Hình2.7 là những đường thẳng:

Hình 2.6 Đặc tính cơ điện của động

cơ điện một chiều kích từ độc lập

2.3.4. Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ :

*) Ảnh hưởng của điện trở phần ứng

Khi tăng điện trở phụ độ cứng đặc tính cơ suy giảm

Khi R f càng lớn, càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc Ứng với R f =0 ta cóđường đặc tính cơ tự nhiên:

TN =-

Như vậy khi ta thay đổi điện trở Rf , ta được một họ đặc tính biến trở

Hình 2.7 Đặc tính cơ điện của động

cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 2.8 Các đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ

*) Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:

Giả thiết từ thông = đm , điện trở phụ R f = 0 Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm

so với U đm , ta có :

Tốc độ không tải : = Khi U ư giảm, giảm theo.

Độ cứng đặc tính cơ : = - = const

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính

cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên như hình 2.9

Hình 2.9 Các đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng

*) Ảnh hưởng của từ thông:

Giả thiết điện áp phần ứng U ư = U đm và điện trở phần ứng R f = 0

Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng kích từ Ikt động cơ bằng cách mắc thêmbiến trở vào mạch kích từ Ta điều chỉnh bằng cách giảm kt , không thể tăng kt vì nó sẽ pháhỏng cuộn kích từ

Độ cứng của đặc tính cơ: = -

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường cho phép điều chỉnh giảm từ thôngtrong giới hạn cho phép Nên khi từ thông giảm thì tăng, còn sẽ giảm Ta có một họ đặctính cơ với tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm nhanh khi giảm từ thông

Hình 2.10 Các đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông

- Khi giảm từ thông thì ta có một họ đặc tính cơ với tăng dần và độ cứng giảmdần : đm >1>2.

- Khi giảm quá nhỏ ta có thể làm tốc độ động cơ quá lớn quá giới hạn cho phép,làm cho điều kiện chuyển mạch xấu đi, do dòng phần ứng tăng cao Để chuyển mạchbình thường ta phải giảm dòng phần ứng, làm cho momen trên trục động cơ giảm nhanhdẫn đến động cơ bị quá tải

Qua các phương pháp ở trên ta thấy được bằng phương pháp thay đổi điện áp phầnứng dễ ứng dụng và phù hợp với mô hình này, hơn nữa nó còn có hiệu suất ổn định.Trong khuôn khổ của mô hình em sử dụng động cơ điện một chiều có các đặc điểm sau:

- Các dộng cơ truyền trong mô hình nói chung là đều làm việc ở chế độ ngắn hạn

ặp lại, số lần đóng cắt lớn

- Yêu cầu đảo chiều quay Động cơ điện phải có khả năng đảo chiều, có mô menthay đổi theo trọng tải rõ rệt Theo tham khảo thực tế thì khi không có tải mô men động

cơ không vượt quá 15-20% Mđm, khi có tải M = 150% Mđm.

- Yêu cầu về khởi động và hãm Trong các hệ thống cơ cấu của máy nâng, yêu cầucủa quá trình tăng tốc và giảm tốc phải êm, phải có phạm vi điều chỉnh tốc độ đủ rộng và

có đường đặc tính cơ thỏa mãn yêu cầu công nghệ Đó là các yêu cầu về dừng máy chính

xác, nên các đường đặc tính cơ thấp, có nhiều đường đặc tính cơ trung gian để mở hãmmáy êm.

- Phạm vi điều chỉnh không lớn, thông thường D < 3:1, ở các cầu trục lắp ráp(D<10:1) hoặc lớn hơn Độ chính xác điều chỉnh không yêu cầu cao, thường trongkhoảng 5%

-Yêu cầu về bảo vệ an toàn:

Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện từ, để giữ chặt các trục khi mấtđiện, đảm bảo an toàn cho người vận hành và các bộ phận khác trong hệ thống Để đảmbảo an toàn cho người và thiết bị ta sử dụng các Aptomat, các cảm biến để dừng khi cótín hiệu Trong mạch nguồn có bảo vệ quá dòng

2.3.5 Đảo chiều động cơ

Do robot trong mô hình sử dụng nhiều động cơ nên để tránh những sự cố về điệncần có các thiết bị bảo vệ như rơ-le trung gian và để đảo chiều động cơ dùng một cặp rơ-

le trung gian

Hình 2.11 Sơ đồ đảo chiều động cơ

• Nguyên tắc hoạt động của mạch đảo chiều động cơ:

- Khi rơ-le RLB+ có điện sẽ kích đóng làm cho tiếp điểm B+ đóng lại, tiếp điểm

B1+ mở ra, do đó động cơ được nối với nguồn thông qua: + → tiếp điểm B+ củaRLB+→ ĐC → tiếp điểm B1- của RLB- → 0V làm cho động cơ quay theo chiều thuận

- Khi rơ-le RLB- có điện sẽ kích đóng làm cho tiếp điểm B- đóng lại, tiếp điểm B1

-mở ra, do đó động cơ được nối với nguồn thông qua: + → tiếp điểm B- của RLB- → ĐC

→ tiếp điểm B1 của RLB+ → 0V làm cho động cơ quay theo chiều ngược

2.3.6 Rơ-le trung gian

Được dùng rất nhiều trong các hệ thống bảo vệ điện, trong các hệ thống điều khiển

tự động, do đó có số lượng tiếp điểm lớn 4-6 tiếp điểm, vừa thường đóng vừa thường hở.Rơ-le trung gian được sử dụng khi khả năng đóng cắt các tiếp điểm của rơ-le chính không

đủ hoặc tín hiệu từ rơ-le chính đến nhiều bộ phận khác của mạch điều khiển

Trong các mạch điều khiển dùng linh kiện điện tử rơ-le nay thường được dùng làmphần tử đầu ra để truyền tín hiệu cho các bộ phận phía sau, đồng thời cách ly điện áp giữamạch điều khiển và cơ cấu chấp hành

• Yêu cầu chọn rơ-le

-Công suất tiêu thụ nhỏ Kết cấu sử dụng đơn giản, tần số đóng cắt của hệ thốngtiếp điểm là đủ lớn

-Độ bền cơ-điện của các cặp tiếp điểm tốt.Số lượng cặp tiếp điểm phù hợp với nhucầu sử dụng Trong mô hình ta sử dụng replay trung gian có các thông số sau: Điện áphoạt động DC – 24V, dòng điện làm việc I = 5A

Hình 2.12 Rơ le trung gian

2.3.7 Cảm biến

Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến như: Cảm biến quang điện, cảm biến đến gầnkiểu điện dung, công tắc từ

Ở đây ta xét:

a) Cảm biến quang điện:

+ Cảm biến quang điện được sử dụng để chuyển tín hiệu ánh sáng nhìn thấy hoặckhông nhìn thấy như tia hồng ngoại và tia tử ngoại thành tín hiệu điện

Loại cảm biến này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động vì tuổi thọcao và có thể lắp đặt vào các không gian nhỏ hẹp

+ Cảm biến quang điện E3F3 hình trụ có sẵn bộ khuếch đại giá thành thấp, chốngnhiễu tốt với công nghệ Photo-IC

• Công nghệ photo-IC tăng mức chống nhiễu

• Hình trụ cỡ M18 DI N, vỏ nhựa ABS

• Gọn và tiết kiệm chỗ

• Khoảng cách phát hiện dài (30cm) với bộ điều chỉnh độ nhạy cho bộ khuếchtán

• Bảo vệ chống ngắn mạch và nối ngược cực nguồn

Hình 2.13 Cảm biến quang điện E3F3

+ Cảm biến quang điện E3JM nguồn AC, đầu ra rơ-le với khối đấu day giúp bảo giưỡng dễ dàng

• Dùng nguồn điện AC và DC với chức năng đặt thời gian

• Dễ nối dây với khối đầu nối chia bậc

• Nguồn sáng phân cực giúp phát hiện vật bóng loáng một cách tin cậy

• Đầu ra rơ-le tiếp điểm SPDT và transistor

• Kích thước: 65x65x25 (mm)

Hình 2.14 Cảm biến quang điện E3JM

*) Công tắc từ:

Cấu tạo bao gồm ống thủy tinh trong chứa khí trơ và một tiếp điểm thường hở.Nguyên lý hoạt động: Khi có nam châm N-S đến gần, từ trường của nam châm sẽhút và làm kín tiếp điểm Trong phạm vi mô hình đồ án chỉ sử dụng cảm biến là công tắc

từ, được đặt ở các vị trí trên 3 trục X, Y, Z

Hình 2.15 Cấu tạo công tắc từ

2.3.8 Máy quét mã vạch Zebex Z3100

Zebex Z3100 là thiết bị đầu đọc mã vạch Super CCD có khả năng đọc được dưới sáng mặt trời với hai chế độ hoạt động : bấm quét hoặc tự động quét với chân đế với tốc

độ cao (300 scan/s), liên tục và độ chính xác cao điều này giúp cho dễ dàng quản lý được hàng hóa, giảm sức lao động, tăng năng suất

Kết nối USB phù hợp với PC và laptop linh hoạt

Hình 2.16 Máy quét mã vạch Zebex Z3100

Mã số mã vạch được thu nhận bằng một máy quét mã vạch, là một máy thu nhậnhình ảnh của mã vạch in trên các bề mặt và chuyển thông tin chứa trong mã vạch đếnmáy tính hay các thiết bị cần thông tin này Nó thường có một nguồn sáng kèm theo thấukính, để hội tụ ánh sáng lên mã vạch, rồi thu ánh sáng phản xạ về một cảm quang chuyểnhóa tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện Ngoài ra, nhiều máy quét mã vạch còn có thêmmạch điện tử xử lý tín hiệu thu được từ cảm quang để chuyển thành tín hiệu phù hợp chokết nối với máy tính

Mã vạch cũng giống như một đạo quân các ký hiệu quen thuộc, chúng xuất hiện ởkhắp mọi nơi, mọi chỗ, trên hầu hết các sản phẩm lưu hành hợp pháp trên thị trường.Aicũng đều thấy chúng nhưng ít ai hiểu được nhiều về chúng Nó mã hóa một con số gì đó

mà người ta không hiểu Nói như vậy nghiễm nhiên mã vạch chỉ có một lọai duy nhất là

… mã vạch và nó được sử dụng để lưu trữ 1 con số gì đó như giá tiền chẳng hạn

Thực ra mã vạch gồm nhiều chủng lọai khác nhau Tùy theo dung lượng thôngtin, dạng thức thông tin được mã hóa cũng như mục đích sử dụng mà người ta chia ra làmrất nhiều lọai, trong đó các dạng thông dụng trên thị trường mà ta thấy gồm UPC, EAN,

Code 39, Interleaved 2of 5, Codabar và Code 128 Ngoài ra, trong 1 số loại mã vạchngười ta còn phát triển làm nhiều Version khác nhau, có mục đích sử dụng khác nhau, thí

dụ UPC có các version là UPC-A, UPC-B, UPC-C, UPC-D và UPC-E; EAN có cácversion EAN-8, EAN-13, EAN-14, Code 128 gồm Code 128 Auto, Code 128-A, Code128-B, Code 128-C

2.4 Thiết kế mạch nguồn

Mạch nguồn cung cấp nguồn điện một chiều với các mức điện áp 5V, 12V, 24Vcho PLC, rơ-le, các cảm biến, đèn báo có bảo vệ dòng

2.4.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn

2.4.2 Thuyết minh nguyên lý làm việc

Điện áp xoay chiều 220V qua máy biến áp hạ xuống cấp điện áp 30V và 16V Điện

áp 30V và 16V được đưa qua chỉnh lưu cầu nắn thành điện áp một chiều với cùng cấpđiện áp Nguồn một chiều sau khi qua chỉnh lưu cầu được lọc bởi tụ C1

Điều kiện làm việc bình thường điện áp sau khi lọc được đặt vào cực B củatransistor T1 qua điện trở R2 nên điện áp cực B dương điện áp đặt váo cực E nên T1 thôngcấp nguồn cho các bộ ổn áp IC7805, IC 7812, IC 7824 Các bộ ổn áp này có nhiệm vụ ổnđịnh điện áp đầu ra để cấp cho các thiết bị tiêu thụ khi điện áp đầu vào thay đổi.

Ở đây, mạch được thiết kế bảo vệ dòng điện vời Imax là 0.7A Khi ở chế độ làm việcbình thường điện áp ở cực B của transistor T2 là UB sẽ lớn hơn điện áp cực E của T2

(UB>UE ) dẫn đến T2 khóa Khi It 0,75A, ta có :

UE = U1 – UĐ

UB = U1 – UR4

UĐ là điện áp rơi trên Đi-ốt UĐ = 0.7V

UR4 = It.R4 = 075.1 = 0.75 (Chọn R4= 1 Ω)

Suy ra nên UB < UE transistor T2 mở, cực G của Thyristor Th được cấp tín hiệu U1

D5 UECT2 G và thông, điện áp ra R2 Th đất, điện áp ra tải U= 0, mạch được bảo vệ Muốnlàm việc lại ta phải reset hay đóng cắt lại nguồn cấp

• Thống kê linh kiện:

Chương 3:

TÌM HIỂU VÀ HOÀN THIỆN MÔ HÌNH

3.1 Mô hình kho chứa hàng

Nhằm khắc phục những khó khăn mà phương thức lưu trữ hiện đại đang gặp phải,xây dựng và phát triển một hệ thống có khả năng tự động xếp hàng vào kho, xuất hàngkhỏi kho, quản lý số lượng theo thời gian Hệ thống kho hàng tự động đang là vấn đề đưa

ra cho những nơi có quy mô sản xuất trung bình và lớn nhằm thuận tiện, nhanh chóngcho việc lưu trữ cũng như bảo quản hàng hóa tốt hơn

Qua quá trình phân tích những đặc điểm về cơ khí, điện và điều khiển kết hợp vớiđiều kiện thực tế (kinh phí, thời gian) Tôi đã nhận đề tài hoàn thiện mô hình nhà kho tựđộng cấu trúc gồm: 1 nhà kho 2 tầng với 6 khoang chứa hàng, 1 robot với 3 bậc tự do cóthể di chuyển theo 3 trục XYZ để cất và trả hàng Xuất nhập hàng bán tự động bằng cáchghi mã số mỗi kiện hàng ứng với vị trí của công tắc trên mỗi hợp điều khiển

Hình 3.1 Mô hình kho hàng

Hệ thống được thiết kế với các ưu điểm sau:

- Hàng hóa được sắp xếp một cách có tổ chức với mật độ lưu trữ cao

- Tận dụng được diện tích kho, do thiết kế theo các ngăn xếp nhiều lớp

- Hàng hóa được vận chuyển cẩn thận với khay chứa, và được bảo quản trong từngngăn

- Tốc độ lấy hàng và nhập hàng nhanh hơn nhiều so với cách làm thủ công

- Dễ dàng quản lí số lượng hàng hóa, kiểm tra thời hạn sử dụng, chất lương sảnphẩm

3.2 Phần cơ khí

3.2.1 Khung giá đỡ hàng

Giá đỡ hàng được làm bằng thép trụ tròn, các trụ thép này được gắn chặt xuốngnền móng bằng bulong đai ốc, trên các trụ thép đặt các tấm nhựa ngang để liên kết giá đỡthành một khối vững chắc rất thuận tiện cho việc đặt hàng hay lấy hàng trên giá đỡ

Hình 3.2 Giá đỡ hàng