Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và sự bùng nổ của cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa năng suất và chuỗi cung ứng. Tuy nhiên, tại Việt Nam, nhiều hệ thống quản lý và vận hành kho bãi vẫn phụ thuộc phần lớn vào phương thức thủ công, dẫn đến hiệu suất bốc dỡ hạn chế, tốn kém chi phí nhân công và tiềm ẩn nguy cơ sai sót, thất thoát hàng hóa. Trước yêu cầu thực tiễn về việc ứng dụng công nghệ điều khiển tiên tiến vào logistics, đề tài "Nghiên cứu, thiết kế mô hình hệ thống lưu kho tự động sử dụng PLC S7-1200" được thực hiện tại Khoa Cơ khí – Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội nhằm thiết kế, chế tạo và mô phỏng một hệ thống lưu kho tự động (AS/RS) cỡ nhỏ có khả năng vận hành chính xác và tin cậy.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát quá trình nhập kho, xuất kho hàng hóa một cách tự động, nhanh chóng và chính xác.
  2. Thiết lập quy trình phân loại hàng hóa và phân chia khu vực lưu trữ theo từng tầng chuyên biệt trong kho thông qua nhận diện mã phản hồi nhanh (QR code).
  3. Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) trên nền tảng phần mềm WinCC (tích hợp trong TIA Portal V16) và giao diện hỗ trợ trên Microsoft Visual; tích hợp tính năng theo dõi trạng thái, cảnh báo lỗi vận hành và thống kê số lượng hàng tồn kho theo thời gian thực.
  4. Tự động hóa khâu bốc xếp nhằm rút ngắn thời gian chu kỳ luân chuyển, hạn chế tối đa sự can thiệp thủ công và nâng cao hiệu quả của dây chuyền lưu trữ.

Các bài toán kỹ thuật được đặt ra khi thiết kế hệ thống bao gồm:

  • Tính toán hình dạng, kích thước hình học phù hợp với mô hình thực nghiệm.
  • Lựa chọn vật liệu kết cấu nhằm đảm bảo độ cứng vững, khả năng chịu tải và độ bền cơ học.
  • Đảm bảo tính linh hoạt, êm ái và chính xác của cơ cấu cánh tay nâng gắp 3 bậc tự do.
  • Thiết kế hệ thống vận chuyển tự động (băng tải) và hệ thống dẫn động các trục chuyển động.
  • Lựa chọn động cơ, mạch công suất (driver) và cấu hình bộ nhớ điều khiển PLC để lưu trữ tọa độ vị trí.
  • Bố trí hệ thống cảm biến (quang điện, tiệm cận kim loại, công tắc hành trình) phục vụ việc nhận diện vật thể và xác định giới hạn chuyển động.
  • Tối ưu hóa không gian lưu trữ, đảm bảo các tiêu chuẩn an toàn (tự động ngắt khi xảy ra sự cố) và thuận tiện trong bảo trì, bảo dưỡng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Bộ điều khiển lập trình trung tâm PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC); phần mềm TIA Portal V16 (SIMATIC STEP 7 và WinCC); động cơ bước DC Step 17PM-K142U; mạch điều khiển động cơ bước Driver TB-6600; cơ cấu dẫn động vitme – đai ốc trượt; cảm biến quang E3F-DS30C4, cảm biến tiệm cận kim loại SN04-N, công tắc hành trình KW7-0CG; bộ nguồn một chiều 24VDC–10A.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tính toán thiết kế kết cấu cơ khí mô hình kho hàng 9 vị trí và cánh tay robot 3 trục tọa độ Đề-các; xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển; thiết lập giải thuật điều khiển phát xung, lấy gốc tọa độ (Homing); lập trình điều khiển trên PLC và mô phỏng giao diện SCADA giám sát hệ thống trên WinCC.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên nguyên lý hoạt động của hệ thống lưu kho tự động (AS/RS) hiện đại, kết hợp giữa cơ khí chính xác, truyền động điện và điều khiển tự động hóa:

  • Mô hình vận hành kho tự động: Hệ thống bao gồm hai chu trình chính là Nhập kho và Xuất kho. Chu trình Nhập kho có hai chế độ hoạt động: Tự động (băng tải đưa hàng đến vị trí tiếp nhận, camera quét mã QR phân tầng lưu trữ, cánh tay nâng lấy hàng và chuyển đến ô trống gần nhất của tầng đó rồi quay về vị trí gốc) và Bằng tay (cho phép người vận hành chỉ định trực tiếp vị trí ô chứa hoặc điều khiển từng trục chuyển động). Chu trình Xuất kho được thực hiện dựa trên lựa chọn loại hàng và số lượng xuất, trong đó hệ thống xử lý logic ưu tiên xuất hàng từ tầng thấp đến tầng cao và lấy hàng tại vị trí xa nhất của tầng lưu trữ.
  • Cấu trúc hệ thống Cơ điện tử: Hệ thống bao gồm khối điều khiển trung tâm (PLC S7-1200), khối nguồn cấp (24VDC), khối cảm biến (quang điện, tiệm cận, hành trình), khối chấp hành (động cơ bước, vitme – đai ốc), khối vận chuyển (băng tải) và hệ thống lưu trữ/giám sát SCADA (WinCC).
  • Lý thuyết điều khiển PLC: Khái quát về cấu trúc phần cứng (vi xử lý, bộ nhớ RAM/EPROM, module ngõ vào/ra I/O, cổng truyền thông nối tiếp RS232, RS422, RS485, Ethernet PROFINET), nguyên lý quét chu kỳ (scan cycle) và các ngôn ngữ lập trình theo chuẩn IEC như LAD (Ladder Logic), FBD (Function Block Diagram) và SCL (Structured Control Language).

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong đồ án:

  • Phương pháp phân tích – tổng hợp: Khảo sát các mô hình xuất nhập kho trong công nghiệp và kế thừa kết quả từ các đề tài nghiên cứu liên quan nhằm xác lập cấu trúc hệ thống.
  • Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Ứng dụng lý thuyết chi tiết máy và sức bền vật liệu để tính toán kiểm nghiệm độ bền, độ ổn định của trục vitme; tính toán mômen quán tính tải, mômen xoắn yêu cầu và gia tốc chuyển động để lựa chọn công suất động cơ bước cho 3 trục X, Y, Z theo hệ số an toàn $S_f = 2$.
  • Phương pháp mô hình hóa 3D: Sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế hình học, mô phỏng kết cấu cơ khí của kệ chứa hàng, hệ thống dẫn động thanh trượt 3 trục, cụm tay gắp nâng hạ và khung băng tải.
  • Phương pháp thực nghiệm và mô phỏng điều khiển: Ứng dụng phần mềm TIA Portal V16 để cấu hình phần cứng PLC, thiết lập khối phát xung tốc độ cao (PTO/PWM), xây dựng chương trình điều khiển vị trí chuyển động và thiết kế giao diện SCADA trên WinCC để kiểm thử hoạt động của hệ thống.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm: tài liệu kỹ thuật từ các nhà sản xuất thiết bị (Siemens, Minebea, Omron), các tiêu chuẩn tính toán truyền động cơ khí và tài liệu đào tạo tự động hóa công nghiệp.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống lưu kho tự động được thiết kế đồng bộ từ kết cấu cơ khí, sơ đồ mạch điện đến chương trình điều khiển và giao diện giám sát:

1. Thiết kế cơ khí và mô hình hóa 3D

  • Hệ thống giá kệ kho hàng: Được thiết kế dạng hình hộp chữ nhật có kích thước tổng thể $290 \times 90 \times 420\text{ mm}$, chia thành 9 ô chứa (3 tầng $\times$ 3 khoang) tương ứng với 9 vị trí lưu trữ. Kích thước mỗi ô chứa là $90 \times 90 \times 90\text{ mm}$, phục vụ việc lưu trữ các thùng hàng hình hộp có kích thước tiêu chuẩn $70 \times 70 \times 70\text{ mm}$. Phần chân đế của kho gồm hai tấm đỡ kích thước $100 \times 90\text{ mm}$ với độ dày $10\text{ mm}$.
  • Cơ cấu cánh tay robot 3 bậc tự do (X-Y-Z):
    • Trục X (chuyển động ngang song song với giá kho): Bàn trượt có kích thước $592 \times 270\text{ mm}$, chiều dài hành trình $500\text{ mm}$, khối lượng chuyển động $m = 10\text{ kg}$, sử dụng vít me bước $P_B = 4\text{ mm}$, đường kính $D_B = 8\text{ mm}$.
    • Trục Y (chuyển động tịnh tiến vuông góc để đưa hàng vào/ra ô chứa): Bàn trượt kích thước $400 \times 300\text{ mm}$, chiều dài hành trình $100\text{ mm}$, khối lượng $m = 2\text{ kg}$, bước vít $P_B = 4\text{ mm}$, đường kính $D_B = 8\text{ mm}$, thời gian tăng tốc $t_1 = 2\text{ s}$.
    • Trục Z (chuyển động nâng hạ theo phương thẳng đứng): Thanh trượt dẫn hướng có chiều cao từ đỉnh đến tay nâng là $400\text{ mm}$, chiều dài hành trình $500\text{ mm}$, khối lượng nâng $m = 6\text{ kg}$, bước vít $P_B = 4\text{ mm}$, đường kính $D_B = 8\text{ mm}$.
  • Cơ cấu truyền động vitme – đai ốc trượt: Lựa chọn cặp vật liệu tiếp xúc thép – đồng thanh có hệ số ma sát $f = 0,1$, góc ma sát $\varphi = \arctan(0,1) = 5,71^\circ$. Tính toán kiểm nghiệm với tốc độ quay trục chính $n = 250\text{ v/ph}$ và tải trọng dọc trục $F_a = 60\text{ N}$, kết quả ứng suất tương đương thỏa mãn điều kiện bền $\sigma_{tđ} < [\sigma]$ và đảm bảo ổn định uốn dọc.
Thông số cơ cấu Trục X Trục Y Trục Z
Chiều dài hành trình ($l$) $500\text{ mm}$ $100\text{ mm}$ $500\text{ mm}$
Khối lượng tải ($m$) $10\text{ kg}$ $2\text{ kg}$ $6\text{ kg}$
Bước vít me ($P_B$) $4\text{ mm}$ $4\text{ mm}$ $4\text{ mm}$
Đường kính trục vít ($D_B$) $8\text{ mm}$ $8\text{ mm}$ $8\text{ mm}$
Kích thước kết cấu thanh trượt $592 \times 270\text{ mm}$ $400 \times 300\text{ mm}$ Chiều cao $400\text{ mm}$
Hệ số an toàn tính chọn động cơ ($S_f$) $2$ $2$ $2$

2. Thiết kế hệ thống điện và tích hợp phần cứng

  • Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, hỗ trợ các ngõ ra phát xung tốc độ cao điều khiển chuyển động vị trí.
  • Khối chấp hành và điều khiển công suất: Sử dụng 3 động cơ bước DC Step model 17PM-K142U kết hợp 3 module Driver TB-6600 nhận tín hiệu phát xung (Pulse) và tín hiệu chiều (Direction) từ PLC.
  • Khối cảm biến:
    • Cảm biến quang điện E3F-DS30C4: Điện áp hoạt động 6–36VDC, dòng tải 300mA, ngõ ra NPN thường mở, khoảng cách phát hiện vật cản 3–30cm (điều chỉnh bằng biến trở), gồm 3 dây (Nâu: VCC, Xanh: GND, Đen: ngõ ra tín hiệu), lắp đặt tại băng tải.
    • Cảm biến tiệm cận kim loại SN04-N: Điện áp 6–36VDC, dòng 300mA, ngõ ra NPN cực thu hở, khoảng cách phát hiện 0–4mm, kích thước $18 \times 18 \times 36\text{ mm}$.
    • Công tắc hành trình cơ học KW7-0CG: Bố trí ở hai đầu hành trình các trục để giới hạn vị trí an toàn và làm mốc định vị.
  • Khối nguồn: Bộ nguồn tổ ong 24VDC–10A (công suất đầu ra 500W, dải điện áp đầu vào 180~264VAC 50Hz, dòng ra cực đại 16A, kích thước $238 \times 124 \times 65\text{ mm}$).
Thiết bị / Linh kiện Model / Thông số kỹ thuật Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC Xử lý logic trung tâm, phát xung điều khiển vị trí
Động cơ bước DC Step 17PM-K142U Dẫn động 3 trục chuyển động X, Y, Z
Mạch điều khiển động cơ Driver TB-6600 Khuếch đại công suất và phân phối xung cho động cơ
Cảm biến quang E3F-DS30C4 (6–36VDC, NPN, 3–30cm) Phát hiện thùng hàng trên băng chuyền
Cảm biến tiệm cận SN04-N (6–36VDC, NPN, 0–4mm) Phát hiện kim loại và định vị mốc hành trình
Công tắc hành trình KW7-0CG Giới hạn an toàn hai đầu trục chuyển động
Bộ nguồn một chiều 24VDC–10A (500W, $238 \times 124 \times 65\text{ mm}$) Cung cấp nguồn cho PLC, driver, động cơ, cảm biến

3. Lập trình điều khiển và thiết kế giao diện SCADA

  • Cấu trúc chương trình trên TIA Portal V16: Xây dựng các khối hàm điều khiển chuyển động bao gồm: cấu hình bộ phát xung (băng xung PTO), cài đặt thông số cơ khí trục vitme ($P_B = 4\text{ mm}$), cấu hình cảm biến giới hạn hành trình cứng/mềm, quy trình chạy về gốc tọa độ chuẩn (Homing sequence) và thiết lập tốc độ chuyển động cực đại (MAX velocity).
  • Lưu đồ thuật toán: Thiết lập lưu đồ khởi động hệ thống (Start-up sequence), lưu đồ xác lập lại trạng thái (Reset sequence) và giải thuật điều phối hàng hóa xuất/nhập.
  • Giao diện giám sát WinCC: Mô phỏng trực quan mô hình kho 9 ô chứa, hiển thị trạng thái thực tế của từng vị trí (ô trống / có hàng), biểu diễn tọa độ thời gian thực của cánh tay nâng 3 trục, cho phép chuyển đổi chế độ Tự động / Bằng tay và tích hợp bảng hiển thị thông báo lỗi vận hành.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống lưu kho tự động

  • Trình bày lịch sử phát triển của hệ thống quản lý kho vận: từ giai đoạn tiền công nghiệp (trước thế kỷ 18) với phương thức quản lý giản đơn đến sự xuất hiện của hệ thống lưu kho tự động vào cuối thập niên 1960 và phổ biến trong thập niên 1970–1980 nhằm giảm hư hại sản phẩm, tiết kiệm diện tích sàn và giảm thiểu sức lao động bốc xếp.
  • Phân tích vai trò của hệ thống kho thông minh trong thế kỷ 20 và thời đại CMCN 4.0: kiểm soát tồn kho theo thời gian thực, quản lý vị trí chính xác, giảm mức tồn kho an toàn, cảnh báo hàng sắp hết và tối ưu hóa vận hành trong các ngành sản xuất chế tạo, y tế – dược phẩm, bán lẻ và thương mại điện tử.
  • Xác định mục tiêu đề tài, các tiêu chuẩn thiết kế cơ điện tử và phân định rõ phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình kho 9 vị trí sử dụng PLC Siemens S7-1200, TIA Portal V16 và WinCC.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống lưu kho tự động

  • Phân tích cấu trúc hoạt động của hệ thống lưu kho: quy trình Nhập kho (chế độ Tự động và Bằng tay với cơ chế đọc mã QR phân loại tầng lưu trữ) và quy trình Xuất kho (thuật toán ưu tiên xuất theo tầng từ thấp lên cao và lấy kiện hàng ở vị trí xa nhất).
  • Trình bày đặc tính kỹ thuật các khối thành phần:
    • Khối điều khiển và nguồn cấp: Phân tích tiêu chí chọn nguồn điện 24VDC (tính toán công suất hoạt động danh định ở mức 70% công suất tối đa của bộ nguồn; lựa chọn nguồn 24VDC–10A 500W để đảm bảo độ ổn định và khả năng mở rộng).
    • Khối cảm biến: Khảo sát sơ đồ chân và đặc tính kỹ thuật của cảm biến quang E3F-DS30C4 (ngõ ra NPN, cự ly 3–30cm) và cảm biến tiệm cận SN04-N (phát hiện kim loại 0–4mm).
    • Khối chấp hành, vận chuyển và xuất nhập: Vai trò của hệ thống chấp hành tự động, hệ thống băng tải cấp phôi, các phương thức nhận diện dữ liệu (mã vạch, thẻ từ, camera, mã QR) và hệ thống lưu trữ dữ liệu tập trung.
    • Bộ điều khiển PLC và phần mềm SCADA: Cấu trúc phần cứng PLC, nguyên lý hoạt động quét vòng lặp và chức năng của phần mềm TIA Portal (Step 7, WinCC) trong lập trình và mô phỏng hệ thống công nghiệp.

Chương 3: Tính toán, thiết kế hệ thống

  • Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí:
    • Thiết kế hình học kho hàng 9 ô kích thước $290 \times 90 \times 420\text{ mm}$ và thùng hàng $70 \times 70 \times 70\text{ mm}$ trên SolidWorks.
    • Phân tích ưu nhược điểm của cơ cấu vitme – đai ốc trượt (kết cấu gọn nhẹ, tỷ số truyền lớn, chuyển động êm, có khả năng tự hãm nhưng hiệu suất truyền động ở mức tương đối).
    • Tính toán kiểm nghiệm độ bền và độ ổn định trục vitme với lực dọc trục $F_a = 60\text{ N}$, tốc độ $n = 250\text{ v/ph}$, góc ma sát $\varphi = 5,71^\circ$.
    • Tính toán động học, mômen quán tính và mômen xoắn yêu cầu cho động cơ bước 3 trục: Trục X ($m = 10\text{ kg}$, $l = 500\text{ mm}$, $P_B = 4\text{ mm}$, $D_B = 8\text{ mm}$); Trục Y ($m = 2\text{ kg}$, $l = 100\text{ mm}$, $P_B = 4\text{ mm}$, $D_B = 8\text{ mm}$, $t_1 = 2\text{ s}$); Trục Z ($m = 6\text{ kg}$, $l = 500\text{ mm}$, $P_B = 4\text{ mm}$, $D_B = 8\text{ mm}$) với hệ số an toàn $S_f = 2$.
    • Mô phỏng 3D hoàn chỉnh kết cấu thanh trượt 3 trục, cánh tay gắp, băng tải và tủ điện điều khiển.
  • Tính toán thiết kế hệ thống điện và phần mềm:
    • Lựa chọn thiết bị điện: PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, động cơ bước 17PM-K142U, Driver TB-6600, cảm biến quang E3F-DS30C4, cảm biến tiệm cận SN04-N, công tắc hành trình KW7-0CG và nguồn 24VDC–10A.
    • Xây dựng sơ đồ nối dây chi tiết và sơ đồ khối chức năng của toàn hệ thống.
    • Thiết lập lưu đồ thuật toán khởi động, reset và các khối chương trình điều khiển phát xung, Homing, cấu hình vitme trên TIA Portal V16.
    • Thiết kế giao diện vận hành và kiểm thử mô phỏng toàn bộ quy trình xuất nhập kho trên giao diện WinCC.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể theo đúng số liệu thiết kế:

  • Hoàn thành thiết kế mô hình cơ khí 3D trên SolidWorks: Kệ kho 9 vị trí ($290 \times 90 \times 420\text{ mm}$), thùng hàng ($70 \times 70 \times 70\text{ mm}$), bàn trượt trục X ($592 \times 270\text{ mm}$), trục Y ($400 \times 300\text{ mm}$) và trục Z (chiều cao $400\text{ mm}$).
  • Hoàn thành tính toán kiểm nghiệm cơ học: Kiểm tra bền và ổn định uốn dọc cho trục vitme chịu lực dọc trục $F_a = 60\text{ N}$ ở vận tốc $250\text{ v/ph}$; tính toán mômen quán tính và mômen xoắn cho 3 trục chuyển động với tải trọng trục X ($10\text{ kg}$), trục Y ($2\text{ kg}$, $t_1 = 2\text{ s}$) và trục Z ($6\text{ kg}$) theo hệ số an toàn $S_f = 2$.
  • Thiết lập hoàn chỉnh sơ đồ mạch điện điều khiển và tích hợp phần cứng: Kết nối PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C với 3 module Driver TB-6600 điều khiển 3 động cơ bước 17PM-K142U, cảm biến quang E3F-DS30C4, cảm biến tiệm cận kim loại SN04-N, công tắc hành trình KW7-0CG và bộ nguồn 24VDC–10A (500W).
  • Xây dựng chương trình điều khiển PLC trên TIA Portal V16 (gồm thuật toán phát xung PTO, Homing, quét giới hạn hành trình) và hoàn thiện giao diện SCADA trên WinCC giám sát trực quan trạng thái của 9 ô chứa kho hàng.

Giải pháp và đóng góp của đề tài:

  • Đề xuất thuật toán điều phối vị trí xuất nhập kho logic: Tự động xếp hàng vào ô trống gần nhất theo tầng chỉ định khi nhập kho; ưu tiên xuất hàng theo thứ tự từ tầng thấp đến tầng cao và lấy tại vị trí xa nhất khi xuất kho.
  • Cung cấp tài liệu thiết kế tích hợp hoàn chỉnh từ tính toán cơ khí, mạch điện phần cứng đến lập trình PLC và SCADA cho một mô hình kho tự động AS/RS cỡ nhỏ, làm cơ sở thực nghiệm phục vụ đào tạo chuyên ngành Cơ điện tử.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (dựa trên phạm vi nghiên cứu được nêu trong văn bản):

  • Hệ thống cơ cấu robot 3 trục và vitme – đai ốc trượt chỉ hoạt động trong một phạm vi không gian cố định, không có khả năng di chuyển linh hoạt liên khu vực như các hệ thống sử dụng xe tự hành (AGV).
  • Cơ cấu vitme – đai ốc trượt có hiệu suất truyền động thấp hơn so với cơ cấu vitme bi, do đó chỉ đáp ứng độ chính xác và hiệu suất ở mức độ tương đối cho mô hình học tập/mô phỏng.
  • Dung lượng lưu trữ của mô hình kho chỉ dừng lại ở quy mô thử nghiệm 9 vị trí (3 tầng $\times$ 3 khoang) với kích thước và tải trọng phôi nhẹ.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Mở rộng quy mô giá kho với số lượng ô chứa và tải trọng lớn hơn; thay thế cơ cấu vitme – đai ốc trượt bằng vitme bi để nâng cao hiệu suất truyền động và độ chính xác vị trí.
  • Tích hợp hệ thống thị giác máy tính / camera đọc mã QR, mã vạch thực tế kết nối trực tiếp với giao diện máy tính (WinCC hoặc Microsoft Visual) để nhận diện và cập nhật cơ sở dữ liệu hàng hóa tự động.
  • Nghiên cứu kết hợp thêm hệ thống xe tự hành (AGV) để vận chuyển hàng hóa giữa băng tải nhập/xuất và các khu vực chức năng khác trong nhà máy.

Giá trị tham khảo

Đồ án môn học này là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên: Thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ khí và Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc các nghiên cứu liên quan đến hệ thống lưu kho tự động (AS/RS).
  • Kỹ sư và kỹ thuật viên: Cần tài liệu tham khảo về phương pháp tính toán động cơ bước, cấu hình điều khiển phát xung vị trí nhiều trục trên PLC Siemens S7-1200 và xây dựng giao diện giám sát SCADA trên WinCC.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  1. Trình tự tính toán cơ khí chi tiết: Các bước tính toán kiểm nghiệm trục vitme – đai ốc và công thức xác định mômen động cơ bước cho hệ thống tọa độ Đề-các 3 trục.
  2. Hồ sơ thiết kế kích thước 3D trên SolidWorks: Bản vẽ kích thước chi tiết của kệ kho 9 ô chứa, cơ cấu bàn trượt 3 trục và cụm tay gắp.
  3. Sơ đồ đấu nối và giải thuật điều khiển trên TIA Portal V16: Hướng dẫn cấu hình phần cứng CPU 1214C, đấu dây driver TB-6600, thiết lập Homing và thiết kế giao diện WinCC mô phỏng thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình kho hàng trong đồ án được thiết kế với kích thước và khả năng lưu trữ như thế nào?
Kho hàng được thiết kế dạng hình hộp chữ nhật có kích thước tổng thể là $290 \times 90 \times 420\text{ mm}$, chia thành 9 ô chứa hàng (kích thước mỗi ô $90 \times 90 \times 90\text{ mm}$) tương ứng với 9 vị trí lưu trữ (3 tầng $\times$ 3 khoang). Hệ thống chứa được 9 thùng hàng tiêu chuẩn kích thước $70 \times 70 \times 70\text{ mm}$, phần đế kho gồm hai tấm đỡ kích thước $100 \times 90\text{ mm}$ dày $10\text{ mm}$.

2. Thuật toán điều khiển quá trình nhập và xuất kho tự động được quy định ra sao?

  • Nhập kho (Auto): Băng tải đưa hàng vào $\rightarrow$ camera quét mã QR trên thùng hàng để xác định tầng lưu trữ $\rightarrow$ tay nâng di chuyển từ vị trí 0 đến vị trí nạp hàng $\rightarrow$ đưa hàng vào vị trí ô trống gần nhất của tầng đó $\rightarrow$ tay nâng quay về vị trí ban đầu.
  • Xuất kho: Người vận hành chọn loại hàng và số lượng $\rightarrow$ hệ thống ưu tiên xuất từ tầng thấp đến tầng cao $\rightarrow$ tay nâng đến vị trí có hàng xa nhất của tầng để lấy hàng $\rightarrow$ đưa hàng ra vị trí xuất $\rightarrow$ camera quét mã lưu dữ liệu và băng tải chuyển hàng đi.

3. Các thông số tải trọng và kích thước nào được dùng để tính toán chọn động cơ cho 3 trục X, Y, Z?

  • Trục X: Khối lượng $m = 10\text{ kg}$, chiều dài hành trình $l = 500\text{ mm}$, bước vít $P_B = 4\text{ mm}$, đường kính vít me $D_B = 8\text{ mm}$.
  • Trục Y: Khối lượng $m = 2\text{ kg}$, chiều dài hành trình $l = 100\text{ mm}$, bước vít $P_B = 4\text{ mm}$, đường kính $D_B = 8\text{ mm}$, thời gian tăng tốc $t_1 = 2\text{ s}$.
  • Trục Z: Khối lượng $m = 6\text{ kg}$, chiều dài hành trình $l = 500\text{ mm}$, bước vít $P_B = 4\text{ mm}$, đường kính $D_B = 8\text{ mm}$.
    Tất cả 3 trục đều sử dụng hệ số an toàn $S_f = 2$ để tính chọn động cơ bước DC Step 17PM-K142U.

4. Cấu hình phần cứng điện và điều khiển của mô hình gồm những thiết bị chính nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC; 3 động cơ bước DC Step 17PM-K142U dẫn động qua 3 Driver TB-6600; cảm biến quang điện E3F-DS30C4 (6–36VDC, NPN, 3–30cm); cảm biến tiệm cận kim loại SN04-N (6–36VDC, NPN, 0–4mm); công tắc hành trình KW7-0CG và bộ nguồn tổ ong 24VDC–10A (công suất 500W, điện áp vào 180~264VAC).

5. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn cơ cấu truyền động vitme – đai ốc trượt thay vì vitme bi?
Do đặc thù của đề tài là xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống lưu kho trong thực tế phục vụ mục đích học tập và nghiên cứu thực nghiệm nên yêu cầu hiệu suất và độ chính xác dừng ở mức tương đối. Cơ cấu vitme – đai ốc trượt được lựa chọn nhờ các ưu điểm: kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, tỷ số truyền lớn, chuyển động êm ái, lực truyền lớn và có khả năng tự hãm.

Kết luận

Đồ án môn học Cơ điện tử "Nghiên cứu, thiết kế mô hình hệ thống lưu kho tự động sử dụng PLC S7-1200" tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã thực hiện thành công việc tính toán cơ khí, thiết kế mô hình 3D kho hàng 9 vị trí và cánh tay robot 3 trục chuyển động trên SolidWorks. Đề tài đã xây dựng hoàn chỉnh giải pháp điều khiển tự động hóa xuất nhập kho tích hợp phần cứng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, mạch công suất Driver TB-6600, động cơ bước 17PM-K142U cùng hệ thống cảm biến quang và tiệm cận. Chương trình điều khiển trên TIA Portal V16 và giao diện giám sát SCADA trên WinCC đã mô phỏng trực quan, chính xác các giải thuật phân loại và định vị hàng hóa theo thời gian thực. Kết quả nghiên cứu là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực nghiệm cao, làm nền tảng vững chắc cho việc phát triển và ứng dụng các hệ thống kho thông minh trong công nghiệp.