Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và chế tạo mô hình kho hàng tự động

Tài liệu đồ án tốt nghiệp thiết kế và chế tạo mô hình kho hàng tự động. Ứng dụng PLC S7-1200, Solidworks để tối ưu hóa quy trình nhập xuất kho.

• Tác giả: Phạm Hoàng Nam
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thanh Phương
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Mô Hình Kho Hàng Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Kho hàng Tự động

Đồ án kho hàng tự động là một dự án tiên phong trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Đề tài này được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, nhằm mô phỏng lại một khâu quan trọng trong quy trình sản xuất hiện đại. Hệ thống kho hàng tự động đã trở thành xu hướng phát triển chính của các doanh nghiệp logistics và sản xuất trên toàn cầu. Dự án này không chỉ cung cấp kiến thức lý thuyết mà còn giúp sinh viên hiểu rõ về cấu trúc, nguyên lý hoạt động thực tiễn và các hướng phát triển tương lai của mô hình kho hàng tự động. Thông qua đồ án này, nhóm tác giả đã áp dụng các công nghệ tiên tiến để xây dựng một hệ thống hiệu quả, an toàn và đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp.

1.1. Mục đích và ý nghĩa của đề tài

Mục đích chính của đồ án là thiết kế và chế tạo một mô hình kho hàng tự động hoạt động theo các quy trình nhập, lưu kho và xuất hàng. Dự án giúp sinh viên nắm vững kiến thức về hệ thống điều khiển tự động, lập trình PLC và thiết kế cơ khí. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nằm ở việc ứng dụng công nghệ vào giải quyết các bài toán logistic phức tạp, nâng cao hiệu suất làm việc và giảm chi phí vận hành.

1.2. Khuôn khổ nghiên cứu

Đề tài tập trung vào ba giai đoạn chính: nhập hàng, lưu kho và xuất hàng. Hệ thống cho phép truy suất dữ liệu tại bất kỳ giai đoạn nào. Nhóm sử dụng các phần mềm như Solidwork 2021, Autocad 2017, TIA Portal và WinCC để thiết kế và lập trình, kết hợp với bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 và TB6600.

II. Thiết kế Hệ thống Kho hàng Tự động

Thiết kế hệ thống kho hàng tự động yêu cầu sự phối hợp chặt chẽ giữa các chuyên ngành kỹ thuật. Thiết kế cơ khí là nền tảng để xây dựng các cơ cấu vận chuyển hàng, hệ thống nâng hạ và các thiết bị xử lý vật liệu. Thiết kế điện tử bao gồm lựa chọn các bộ điều khiển, cảm biến và hệ thống liên lạc. Lập trình điều khiển đóng vai trò trung tâm, điều phối toàn bộ hoạt động của hệ thống kho. Dự án sử dụng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C làm trung tâm điều khiển chính, được lập trình để thực hiện các logic điều khiển phức tạp. Việc tích hợp WinCC cho phép giám sát và điều khiển hệ thống thông qua giao diện người dùng hiện đại. Các bộ điều khiển động cơ TB6600 được sử dụng để điều khiển chuyển động của động cơ bước, đảm bảo độ chính xác cao trong vị trí đặt hàng.

2.1. Thiết kế cơ khí của mô hình

Thiết kế cơ khí bao gồm việc sử dụng Solidwork 2021 để mô phỏng 3D các cơ cấu vận chuyển, hệ thống tích xếp và các bộ phận chuyển động. Autocad 2017 được dùng để vẽ các bản vẽ kỹ thuật chi tiết. Nhóm phải tính toán lựa chọn các thanh truyền, roto, động cơ sao cho phù hợp với tải trọng và tốc độ yêu cầu.

2.2. Lập trình và điều khiển PLC

Lập trình PLC được thực hiện bằng TIA Portal, với logic điều khiển được chia thành các block chương trình. Hệ thống điều khiển đảm bảo các quá trình nhập, lưu trữ và xuất hàng diễn ra một cách tuần tự, chính xác. Giao diện WinCC cung cấp cách thức giám sát thời gian thực, cho phép người vận hành theo dõi trạng thái kho hàng.

III. Chế tạo và Lắp ráp Hệ thống

Giai đoạn chế tạo mô hình kho hàng tự động là bước quan trọng để chuyển từ thiết kế lý thuyết sang thực tiễn. Quá trình chế tạo bao gồm việc gia công các bộ phận cơ khí, lắp ráp các cơ cấu, và kiểm tra độ chính xác. Lắp ráp hệ thống điện yêu cầu kết nối đúng các thiết bị: PLC Siemens S7-1200, bộ điều khiển động cơ TB6600, cảm biến vị trí và các thiết bị an toàn. Nhóm phải tuân thủ các quy trình lắp đặt an toàn, kiểm tra đo lường để đảm bảo toàn bộ hệ thống hoạt động ổn định. Kiểm tra và thử nghiệm được thực hiện ở từng giai đoạn: kiểm tra chuyển động cơ khí, kiểm tra kết nối điện, kiểm tra lập trình logic, cuối cùng là thử nghiệm toàn hệ thống dưới các điều kiện khác nhau.

3.1. Quy trình chế tạo các bộ phận

Chế tạo các bộ phận cơ khí được thực hiện trên các máy gia công hiện đại. Các thanh truyền, khung chính và các chi tiết chuyên dụng được gia công theo bản vẽ kỹ thuật chi tiết. Kiểm tra chất lượng ở từng bước đảm bảo độ chính xác kích thước và hình dạng phù hợp. Nhóm phải nắm vững các kỹ năng sử dụng thiết bị và hiểu biết về vật liệu để lựa chọn phù hợp.

3.2. Lắp ráp và kiểm tra hệ thống

Lắp ráp bao gồm lắp các bộ phận cơ khí thành từng mô-đun, sau đó tích hợp thành hệ thống hoàn chỉnh. Kiểm tra điện đảm bảo không có lỗi trong kết nối, không có tổn thất điện. Chạy thử là bước cuối, hệ thống chạy với chương trình điều khiển đã lập trình để xác minh tất cả các chức năng.

IV. Kết quả và Ứng dụng Thực tiễn

Dự án thiết kế và chế tạo mô hình kho hàng tự động đã đạt được những kết quả đáng kể. Mô hình hoàn chỉnh bao gồm các quy trình nhập, lưu kho và xuất hàng với khả năng truy suất dữ liệu linh hoạt. Hệ thống hoạt động ổn định, chính xác và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Kết quả thực tiễn chứng minh rằng các công nghệ được sử dụng - PLC Siemens, động cơ bước, và lập trình TIA Portal - là những giải pháp hiệu quả cho tự động hóa kho hàng. Dự án cung cấp một mô hình tham khảo cho các doanh nghiệp muốn triển khai hệ thống kho hàng tự động. Ứng dụng thực tiễn của đề tài mở ra những khả năng phát triển tiếp theo, như nâng cấp thành quy mô lớn, tích hợp AI và IoT để tối ưu hóa quản lý kho.

4.1. Đánh giá kết quả đạt được

Mô hình kho hàng hoạt động theo đúng thiết kế, với độ chính xác cao trong từng quy trình. Hệ thống điều khiển đáp ứng các yêu cầu về tốc độ, an toàn và độ tin cậy. Nhóm đã chứng minh khả năng thiết kế, lập trình và chế tạo một hệ thống công nghiệp thực tế. Kỹ năng kỹ thuật của nhóm được nâng cao đáng kể qua quá trình thực hiện đề tài.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Hướng phát triển của mô hình kho hàng tự động bao gồm tích hợp hệ thống nhận dạng (barcode, RFID), tăng sức chứa kho, tối ưu thuật toán xếp hàng, và ứng dụng công nghệ đám mây để quản lý từ xa. Tương lai, tự động hóa kho sẽ đóng vai trò then chốt trong Industry 4.0.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: GIỚI THIỆU & TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 1. Giới thiệu Hiện nay đất nước ta đang hội nhập vào sự phát triển chung của nền kinh tế thế giới bằng nền sản xuất đa dạng và đầy tiềm năng, nền kinh tế đã và đang phát triển này không chỉ đòi hỏi số lượng về nguồn nhân lực, nhân công khổng lồ, mà còn yêu cầu về trình độ tay nghề, kỹ thuật lao động và thiết bị sản xuất. Trên đà phát triển đó vấn đề tự động hóa trong sản xuất, trong các hoạt động sinh hoạt hằng ngày của con người đã trở thành nhu cầu cần thiết. Ngày nay với sự xuất hiện của các Chip điện tử, PLC, máy tính, CNC… Cùng với sự phát triển của đất nước các loại hàng hóa ngày càng nhiều được sử dụng khá phổ biến, chính vì vậy việc xây dựng kho lưu trữ hàng hóa là cần thiết, nhất là ở các Siêu Thị, Cảng lớn, hay các nhà máy sản xuất… Nhưng với diện tích đất ngày càng bị thu hẹp thì việc xây dựng kho lưu trữ hàng hóa có diện tích lớn là việc gây khó giải quyết.

Chính vì vậy, với sự phát triển của công nghệ hiện đại thì việc khó khăn đó được giải quyết dễ dàng. Đó là việc xây dựng các kho lưu trữ hàng hóa theo dạng tầng (hay còn gọi là dạng chung cư), một việc làm hoàn toàn có thể, phù hợp với sự phát triển của đô thị hiện đại, giúp giảm được diện tích xây dựng. Kho hàng là một phần không thể thiếu trong các hệ thống sản xuất cũng như phòng thí nghiệm. Một hệ thống sản xuất tự động đòi hỏi sự thay đổi trong nhiều mặt của một hệ thống sản xuất.

Hệ thống kho hàng do đó cần phải được nâng cấp và thay đổi để đáp ứng nhu cầu của hệ thống. Hệ thống mới đòi hỏi ở kho hàng những nhu cầu trên nhiều mặt như: tiết kiệm thời gian, chi phí vận chuyển, giảm sức lao động, tối ưu hóa việc lưu trữ. Do hệ thống kho hàng cũ kĩ không thể đáp ứng được những nhu cầu trên nên hệ thống kho hàng tự động đã ra đời. Với việc ứng dụng công nghệ cao trong việc cất giữ hàng hóa, việc quản lý kho hàng có thể thực hiện một cách khoa học, có hệ thống và linh hoạt cao, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động.

 Để đáp ứng những yêu cầu trên, đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình kho hàng tự động” đã được ra đời. Lý do chọn đề tài – Mục đích trước hết của đề tài này là hoàn tất chương trình môn học để đủ điều kiện ra trường. Cụ thể là khi thực hiện đề tài này chúng em muốn phát huy những thành quả ứng dụng của PLC nhằm tạo ra những sản phẩm, thiết bị tiên tiến hơn và đạt được hiệu quả cao hơn trong quá trình sản xuất. – Ngoài ra quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài, là để ứng dụng vào đời sống sản xuất của xã hội.

Và đây cũng là cơ hội để chúng em tự kiểm tra lại những kiến thức đã học tại trường, nâng cao trình độ chuyên môn trong quá trình nghiên cứu, thi công mô hình, đồng thời phát huy tính sáng tạo, khả năng làm việc nhóm, cũng như khả năng giải quyết vần đề theo yêu cầu đặt ra. Đây cũng là dịp chúng em khẳng định mình trước khi ra trường tham gia các hoạt động xã hội. Tổng quan về kho hàng tự động 1. Ví dụ thực tế về các kho hàng ứng dụng lưu kho tự động 1.

Dự án lưu trữ hàng tự động tại kho Vietsovpetro - Đối với các doanh nghiệp lớn như Vietsovpetro, việc quản lý, kiểm soát kho hàng là một trong những vấn đề cực quan trọng. Với số lượng lớn các công việc cần làm, cũng như việc thông tin dữ liệu cần cập nhật liên tục, quản lý kho như thế nào cho hiệu quả, không phải là một việc đơn giản. Hệ thống ASRS ra đời nhằm cung cấp các giải pháp hỗ trợ vấn đề này. Thiên Ân, với uy tín, kinh nghiệm nhiều năm về cung cấp các giải pháp công nghệ thông minh cho kho tự động tại các nhà máy, tự hào là đơn vị triển khai thi công và lắp đặt hoàn thiện cho dự án lưu trữ hàng tự động tại kho Vietsovpetro.

- Hệ thống dự án lưu trữ hàng tự động tại kho Vietsovpetro gồm có 2 phần chính: phần mềm và phần cứng. Hình 1-1: Hình ảnh dự án lưu trữ hàng tự động tại kho Vietsovpetro. (Nguồn: Internet) - Phần cứng bao gồm: • Thang nâng hàng (Stacker Crane): chức năng di chuyển hàng hoá trong kho từ nơi tập kết hàng hoá đến vị trí kệ chứa hàng và ngược lại hoàn toàn tự động. • Khung/kệ chứa hàng (Rack) cố định: được thiết kế linh động, tùy theo kích thước hàng hoá thực tế được lưu tại kho.

• Hệ thống băng chuyền: giúp di chuyển hàng hóa đến thang nâng khi tập kết hàng vào kho và chuyển hàng ra ngoài khi xuất kho. - Phần mềm bao gồm: • Phần mềm điều khiển các thang nâng vận chuyển hàng hóa. • Phần mềm quản lý thông tin hàng hóa: có khả năng lưu trữ, kết xuất dữ liệu một cách chính xác theo từng thời điểm, có thể mở rộng kết nối với các phần mềm quản trị khác như ERP của doanh nghiệp. Sử dụng công nghệ Barcode/RFID để quản lý hàng hóa.

- Tính hiệu quả của dự án lưu trữ hàng tự động tại kho Vietsovpetro và những lợi ích mang lại: • Công nghệ tự động hóa hoàn toàn, hiệu suất công việc cao, giúp tiết kiệm chi phí nhân công và an toàn lao động. • Hàng hóa được kiểm soát từ khâu nhập kho, vị trí lưu trữ, xuất kho, và lượng tồn còn lại theo một quy trình xuyên suốt. Hệ thống cập nhật thông tin tại từng thời điểm nhập/xuất hàng, theo nguyên tắc vào trước/ra sau. Đồng thời, tự đảo vị trí sản phẩm và phát cảnh báo đối với các mặt hàng tồn kho lâu.

Nhờ vào những thống kê chính xác đó, doanh nghiệp sẽ có cơ sở để có kế hoạch xử lý phù hợp. Hình 1-2: Hệ thống thang nâng, kệ chứa hàng tự động. (Nguồn: Internet) • Giao diện quản lý phần mềm hệ thống đơn giản, dễ sử dụng qua màn hình máy tính. • Thiết thiết kế các kệ chứa hàng theo cấu trúc tầng cao, giúp tận dụng tối đa không gian kho.

• Hệ thống hoạt động phù hợp với điều kiện môi trường làm việc cũng như nhu cầu quản lý kho bãi tại Việt Nam. Dự án kho lưu trữ hàng hóa của Amazon - Amazon là một trong những công ty thương mại điện tử (TMĐT) lớn nhất thế giới và là nhà bán lẻ lớn nhất nước Mỹ. Được thành lập vào năm 1994 nhưng Amazon đã đạt những thành công vượt bậc và có được vị trí hàng đầu hiện nay. Và một điểm nổi bật góp phần tạo nên sự thành công đó cho Amazon chính là hệ thống kho hàng vô cùng hiện đại… Hình 1-3: Kho hàng Amazon.

(Nguồn: Internet) - Robot ở đây là những cỗ máy giống như những chiếc hộp nhỏ, nhấc giá đồ lên và chạy dọc theo một đường riêng. Các giá chứa đồ sẽ được hệ thống máy tính đảo liên tục để đưa chỗ trống ra phía ngoài. Chẳng phải lo về việc đồ đạc sẽ lộn xộn, bởi vì vị trí của chúng đã ngẫu nhiên sẵn. - Robot sẽ có một trục thẳng hướng lên trên để đỡ những kệ đầy hàng hoá.

Nhân công tại kho hàng Amazon chỉ cần đứng ở một khu cụ thể. Và để Robot di chuyển tới các địa điểm khác nhau để lấy hàng. Nhờ vậy, có thể tiết kiệm sức lao động của người lao động thay vì di chuyển nhiều cây số trong ngày. Đây cũng là ví dụ cho thấy con người và máy móc có thể phối hợp nhịp nhàng.

- Robot không những cải thiện tốc độ, chính xác và tận dụng khoảng không hiệu quả khi mức tăng trưởng của thương mại điện tử cũng đẩy chi phí cho thuê thương mại tăng theo. Tuy nhiên, tất cả những công nghệ nêu trên đều không thể vượt quá hoạt động tay chân của người. Các công việc kiểm tra hàng hoá luôn đòi hỏi sự xuất hiện của con người để đảm bảo sự chính xác trong công việc. - Ngoài đội ngũ nhân viên khổng lồ, Amazon còn có hàng nghìn robot hỗ trợ hoạt động.

Số lượng đến cuối năm ngoái là khoảng 10. - Mỗi kho hàng có khả năng kết nối chặt chẽ từ nhà sản xuất, nhà phân phối đến khách hàng. Các kho hàng được đặt ở những vị trí chiến lược, nằm gần những trung tâm tiêu thụ lớn với hệ thống giao thông thuận lợi. Hình 1-4: Các robot trong kho hàng Amazon.

(Nguồn: Internet) - Không hề giống các kho hàng kiểu truyền thống, kho hàng của Amazon được tin học hoá cao độ, đến nổi chúng đòi hỏi rất nhiều dòng mã hoá để vận hành, từ lúc những tín hiệu đầu tiên được máy tính gửi đi cho biết những sản phẩm nào được lấy xuống khỏi giá cho đến trình tự đóng gói, chờ đợi, bốc dỡ lên xe. Mọi thứ đều được theo dõi sát sao của những người quản lý nơi đây. - Quy trình xử lí trong kho hàng của Amazon được áp dụng theo mô hình chiến lược CFN (Customer Fulfillment Networking), nhờ đó năng suất kho tăng lên 40%, chi phí vận hành trong 3 năm giảm xuống từ 20% doanh thu còn chưa đầy 10% doanh thu. Dự án kho hàng thông minh trong quy trình sản xuất sữa Vinamilk - Trước đây, các nhà kho của Vinamilk được vận hành theo hình thức thủ công và bán tự động, Nghĩa là trong quy trình sản xuất, vẫn sử dụng công nhân là chủ yếu, hầu hết các công đoạn trong nhà kho từ đóng gói sản phẩm, đến vận chuyển, xếp dỡ hầu như đều sử dụng con người.

Điều đó đã ảnh hưởng rất lớn đến năng xuất lao động cũng như chi phí sản xuất của công ty. Hình 1-5: Kho hàng thông minh trong quy trình sản xuất sữa Vinamilk. (Nguồn: Internet) - Hiện nay, mô hình nhà kho trước kia đã được Vinamilk thay đổi hoàn toàn. Với việc áp dụng hệ thống máy móc thông minh vào sản xuất, quy trình vận hành kho được tự động hoàn toàn.

Hệ thống kho thông minh này được Vinamilk xây dựng dựa trên mô hình nhà kho thông minh của Đức, với công nghệ hiện đại hàng đầu hiện nay. - Công ty sử dụng các robot thông minh được lập trình khoa học vào các quy trình sản xuất tại kho, nhờ đó năng xuất lao động ngày càng được tăng cao. Với hệ thống này, các robot tự động chuyển hàng thành phẩm vào kho chứa palet, với công xuất 27.