Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế công nghiệp hóa, hiện đại hóa và sự gia tăng mạnh mẽ của lưu thông hàng hóa, hệ thống kho bãi giữ vai trò trọng yếu trong chuỗi cung ứng. Tuy nhiên, nhiều nhà kho truyền thống tại Việt Nam vẫn vận hành theo phương thức thủ công, sử dụng sức người và xe nâng có người lái để bốc dỡ, sắp xếp. Phương thức này bộc lộ nhiều hạn chế: sử dụng nhiều diện tích mặt bằng, không tận dụng tối đa chiều cao không gian; khó phân loại các chủng loại hàng hóa khác nhau; hàng hóa dễ hư hỏng khi chất chồng số lượng lớn; kiểm soát tồn kho kém chính xác và thời gian xuất - nhập kéo dài. Mặt khác, các hệ thống kho thông minh thương mại nhập khẩu trên thị trường có chi phí đầu tư rất lớn, khó tiếp cận đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Trước thực tế đó, đề tài "Nghiên cứu, thiết kế mô hình hệ thống lưu kho hàng container tự động, phân loại bằng mã QR code sử dụng PLC S7-1200. Ứng dụng phần mềm giám sát Tia Portal và Web Server" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Văn Nam và Võ Ngọc Trọng, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Tấn Hoà tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng (Khoa Điện – Điện tử, ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa).

Mục tiêu của đề tài tập trung vào việc:

  1. Thiết kế và thi công hệ thống tự động hóa quá trình xuất - nhập kho container với độ chính xác vị trí cao và tối ưu hóa thời gian vận hành.
  2. Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh để quét và giải mã QR Code phục vụ phân loại hàng hóa tự động theo khu vực lưu trữ quy định.
  3. Xây dựng hệ thống điều khiển trung tâm bằng PLC S7-1200 kết hợp giao diện giám sát, thu thập dữ liệu (SCADA) trên máy tính thông qua WinCC và tích hợp Web Server theo dõi từ xa qua mạng cục bộ.
  4. Tự động hóa quy trình quản lý số lượng tồn kho theo thời gian thực, đồng thời cảnh báo lỗi trong quá trình vận hành.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 8 nội dung cụ thể:

  1. Tìm hiểu bộ điều khiển PLC S7-1200 và phần mềm TIA Portal V15.1.
  2. Nghiên cứu công nghệ xử lý và nhận diện mã QR Code.
  3. Nghiên cứu phương pháp điều khiển và lập trình phát xung cho động cơ bước (step motor).
  4. Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát lưu kho tự động.
  5. Thi công mô hình cơ khí và hệ thống tủ điện.
  6. Viết chương trình điều khiển trung tâm trên PLC.
  7. Thiết kế giao diện SCADA (WinCC Runtime) và Web Server.
  8. Vận hành thử nghiệm và đánh giá hiệu suất hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu là mô hình hệ thống lưu kho tự động dạng container 3 tầng (gồm 9 ô chứa), cơ cấu robot nâng chuyển 3 bậc tự do (3 trục tịnh tiến X-Y-Z), hệ thống băng tải cấp phôi, bộ điều khiển PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, camera quét mã QR, ứng dụng xử lý ảnh viết bằng C# (.NET Framework) và giao diện SCADA/Web Server. Phạm vi không gian được triển khai tại phòng thí nghiệm chuyên ngành, hoàn thành vào tháng 12/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp cơ sở lý thuyết chuyên ngành điều khiển tự động hóa, kỹ thuật cơ khí chính xác và công nghệ thông tin:

  • Khung lý thuyết hệ thống AS/RS (Automated Storage and Retrieval System): Nghiên cứu các dạng cấu trúc kho tự động như hệ thống cho tải trọng đồng nhất (Uniload AS/RS), hệ thống tải nhỏ (Mini Load AS/RS) và kho bán tự động (Man-on-board AS/RS). Phân tích cấu trúc tiêu chuẩn gồm hệ thống vận chuyển (băng tải), robot chuyển hàng, hệ thống giá đỡ ô chứa, hệ thống điều khiển trung tâm và phần mềm quản lý lưu trữ.
  • Lý thuyết điều khiển lập trình và chuẩn IEC 61131-3: Nguyên lý xử lý tuần hoàn của PLC (chu kỳ quét ngõ vào - thực thi chương trình - cập nhật ngõ ra); cấu trúc bộ nhớ (Load memory, Work memory, System memory); các tập lệnh xử lý tiếp điểm logic bit, bộ định thời (Timer TON), bộ đếm (Counter CTU) và các hàm toán học.
  • Lý thuyết SCADA: Mô hình phân cấp 3 tầng chuẩn công nghiệp (Cấp chấp hành & đo lường, Cấp điều khiển logic PLC/RTU, Cấp giám sát - thu thập dữ liệu HMI/SCADA).
  • Nguyên lý nhận dạng mã ma trận hai chiều (QR Code): Nghiên cứu cấu trúc mã QR chuẩn quốc tế (phát triển bởi Denso Wave năm 1994) bao gồm các vùng định vị (Position Detection Patterns), thông tin định dạng và phiên bản (Format & Version Information), đường căn chỉnh thời gian (Timing Patterns), mẫu hiệu chỉnh xoay lệch (Alignment Patterns), vùng chứa dữ liệu và mã sửa lỗi (Data & Error Correction Codewords).

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập, tổng hợp tài liệu từ giáo trình chuyên ngành điều khiển tự động, tài liệu truyền động điện, datasheet chính hãng Siemens (SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC 6ES7214-1AG40-0XB0), tài liệu thư viện mã nguồn mở AForge.Net, ZXing.Net và tài liệu thiết kế hệ thống SCADA.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán kết cấu cơ khí chịu lực cho giá đỡ; lựa chọn động cơ bước và bộ truyền vít me đai ốc đảm bảo độ chính xác vị trí; tính toán công suất nguồn cấp 24VDC và thiết bị đóng cắt bảo vệ; thiết kế sơ đồ nối dây điều khiển và mạch động lực.
  • Phương pháp lập trình và tích hợp hệ thống: Phát triển phần mềm xử lý ảnh trên nền C# (.NET Framework WinForms) kết nối camera nhận diện mã QR; sử dụng thư viện S7.Net để truyền thông dữ liệu trực tiếp với PLC qua giao thức Ethernet TCP/IP; lập trình logic điều khiển bằng ngôn ngữ Ladder (LAD) trên TIA Portal V15.1; cấu hình bảng phát xung điều khiển vị trí PTO (Pulse Train Output); thiết kế giao diện WinCC Runtime Professional và cấu hình Web Server tích hợp.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thi công mô hình vật lý hoàn chỉnh; chạy thử nghiệm các chu trình nhập kho, xuất kho theo từng mã sản phẩm; đo kiểm độ ổn định, độ trễ và lập bảng đánh giá hiệu suất hệ thống.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật được thiết kế và triển khai đồng bộ giữa phần cứng cơ khí, mạch điện điều khiển và phần mềm quản lý:

1. Thiết kế cơ khí và kết cấu chấp hành

  • Khung giá đỡ hàng hóa: Được chế tạo từ nhôm định hình chuẩn công nghiệp A6063-T5 bề mặt anodized sáng bóng, chống xước, chống tĩnh điện, liên kết bằng bu-lông và đai ốc chuyên dụng qua rãnh nhôm. Giá đỡ được chia thành 3 tầng với 9 ô chứa hàng (3 ô/tầng).
  • Cơ cấu tay nâng chuyển hàng (Robot 3 bậc tự do): Sử dụng dạng robot cố định chạy trên ray dẫn hướng tịnh tiến:
    • Trục X (chạy dọc theo chiều dài kho): Dẫn hướng bằng thanh trượt, truyền động bằng bộ truyền vít me đai ốc kết nối động cơ bước.
    • Trục Z (nâng hạ theo phương thẳng đứng): Dẫn hướng thẳng đứng, truyền động bằng trục vít me đai ốc kết nối động cơ bước.
    • Trục Y (cơ cấu đẩy/lấy hàng ra vào ô chứa): Sử dụng cơ cấu kẹp/đỡ tịnh tiến bằng vít me đai ốc, cho phép đưa hàng vào tận sâu bên trong ô lưu trữ hoặc rút hàng về bàn nâng.
  • Băng tải cấp phôi: Hệ thống băng chuyền mini vận chuyển thùng container hàng có dán mã QR từ trạm nạp đến khu vực đối diện camera quét.
Hạng mục cơ khí Giải pháp lựa chọn Rationale / Lý do lựa chọn
Vật liệu khung kho Nhôm định hình A6063-T5 Nhẹ, thẩm mỹ cao, chống tĩnh điện, dễ tháo lắp, căn chỉnh rãnh bắt bu-lông chính xác hơn thép hộp mạ kẽm.
Cơ cấu robot Robot 3 trục (X-Y-Z) cố định Độ chính xác cao, vững chắc, không phụ thuộc pin hay đường dẫn như xe tự hành AGV.
Bộ truyền động Vít me đai ốc Tỷ số truyền lớn, truyền động êm, lực dọc trục lớn, có tính tự hãm cao, chính xác vượt trội so với ròng rọc.

2. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển trung tâm

  • Bộ điều khiển: PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC tích hợp sẵn 14 ngõ vào số (DI), 10 ngõ ra số (DO dạng Transistor hỗ trợ phát xung tốc độ cao PTO), 2 ngõ vào tương tự (AI), bộ nhớ nạp 4MB, bộ nhớ làm việc 100KB, tích hợp cổng truyền thông PROFINET IO/Ethernet.
  • Mạch công suất và chấp hành:
    • 03 Driver điều khiển động cơ bước TB6600 nhận tín hiệu xung (PUL) và hướng (DIR) từ PLC để điều khiển các động cơ bước trên 3 trục X, Y, Z.
    • Bộ nguồn tổ ong chuyển đổi 220VAC sang 24VDC - 10A cấp nguồn cho toàn bộ cảm biến, PLC và driver.
    • Aptomat (MCB) CHNT 2 pha đóng cắt và bảo vệ ngắn mạch đầu vào nguồn điện.
    • Rơ le trung gian Omron MY4NJ dùng cách ly tín hiệu và điều khiển các cơ cấu chấp hành phụ.
    • Cảm biến tiệm cận điện cảm, cảm biến quang điện và công tắc hành trình cơ học bố trí tại các vị trí gốc tọa độ (Home) và giới hạn hành trình (Limit).
    • Nút nhấn dừng khẩn cấp (Emergency Stop) ngắt toàn bộ hệ thống khi có sự cố.

3. Thiết kế phần mềm và giải thuật phân loại

  • Khối thu nhận và giải mã QR: Camera kết nối qua cổng USB với máy tính chạy phần mềm C# WinForms. Chương trình sử dụng thư viện AForge.Video và AForge.DirectShow để bắt khung hình video, chuyển giao cho thư viện ZXing.Net giải mã chuỗi ký tự.
  • Quy tắc phân loại và định tuyến ô chứa: Mã QR sản phẩm gồm chuỗi 10 chữ số định dạng $ABCDEFGHIK$. Ký tự đầu tiên ($A$) đóng vai trò nhận diện loại hàng và tầng lưu trữ:
    • Nếu $A = 1$: Sản phẩm loại 1 $\rightarrow$ robot vận chuyển vào các ô chứa tại Tầng 1 (Ví dụ mã: QR1: 1112233445, QR2: 1221133445, QR3: 1331122445).
    • Nếu $A = 2$: Sản phẩm loại 2 $\rightarrow$ robot vận chuyển vào các ô chứa tại Tầng 2 (Ví dụ mã: QR4: 2112233445, QR5: 2221133445, QR6: 2331122445).
    • Nếu $A = 3$: Sản phẩm loại 3 $\rightarrow$ robot vận chuyển vào các ô chứa tại Tầng 3 (Ví dụ mã: QR7: 3112233445, QR8: 3221133445, QR9: 3331122445).
  • Giao tiếp C# - PLC: Sử dụng thư viện S7.Net qua kết nối Ethernet (hàm Open(), Close(), đọc và ghi trực tiếp các byte dữ liệu vào Data Block hoặc vùng nhớ DB/M của PLC S7-1200).
  • Hệ thống giám sát SCADA & Web Server: Giao diện WinCC Runtime Professional cho phép người vận hành quan sát sơ đồ 9 ô kho, trạng thái có/không có hàng, thực hiện lệnh xuất kho theo tọa độ hoặc theo mã QR, đồng thời Web Server tích hợp trên CPU 1214C cho phép theo dõi tình trạng kho qua trình duyệt web trên thiết bị di động/máy tính kết nối cùng mạng LAN.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 giới thiệu tổng quan về lịch sử, khái niệm và cấu trúc của hệ thống lưu kho tự động AS/RS (Automated Storage and Retrieval System). Tác giả phân loại các mô hình nhà kho hiện đại theo tải trọng và phương thức vận hành: Uniload AS/RS (tải trọng đồng nhất, thường kết hợp băng chuyền trong nhà máy, bãi đỗ xe), Mini Load AS/RS (kiện hàng tải trọng nhỏ/vừa, đựng trong khay/ngăn kéo cho chi tiết cơ khí, linh kiện điện tử) và Man-on-board AS/RS (kho bán tự động có người vận hành trên thang nâng).

Chương này phân tích các thành phần cốt lõi của một hệ thống lưu kho: hệ thống vận chuyển (băng tải, xe tự hành AGV), hệ thống xuất nhập, hệ thống lưu trữ, hệ thống điều khiển và hệ thống chấp hành. Đồng thời, tác giả thực hiện so sánh giữa mã vạch truyền thống (1D) và mã QR Code (2D do Denso Wave phát minh năm 1994), chứng minh mã QR vượt trội về dung lượng lưu trữ (chứa hơn 7.000 ký tự chữ, số, ký tự đặc biệt so với tối đa 20 chữ số của mã vạch 1D), khả năng sửa lỗi, tính linh hoạt trong thay đổi nội dung và kích thước in ấn.

Chương 2: Giới thiệu tổng quan về PLC. Phần mềm lập trình TIA Portal V15

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết về bộ điều khiển logic khả trình (PLC), bao gồm nguyên lý hoạt động quét vòng lặp (Scan cycle), ưu điểm vượt trội về độ tin cậy công nghiệp so với mạch rơ le dây nối truyền thống, cùng bảng tổng hợp các dòng PLC phổ biến trên thị trường (Siemens S7-200/300/400/1200, Omron CPM/CQM/CP1/CJ1, Mitsubishi FX/Q/L series, Delta DVP series).

Tác giả đi sâu phân tích thông số kỹ thuật của dòng PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (so sánh các mã CPU 1211C, 1212C, 1214C, 1215C về dung lượng bộ nhớ làm việc từ 30KB đến 100KB, bộ nhớ nạp 1MB - 4MB, số lượng ngõ vào ra tích hợp và bộ đếm tốc độ cao 100kHz). Chương này cũng giải thích chi tiết cấu trúc 3 cấp của hệ thống SCADA, giới thiệu phần mềm tích hợp TIA Portal V15, Step 7 Basic, tập lệnh lập trình bit/timer/counter, và quy trình từng bước khởi tạo project, cấu hình truyền thông PROFINET/Ethernet (IE general) để kết nối WinCC RT Professional với PLC S7-1200.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết và phân tích, lựa chọn giải pháp

Chương 3 tập trung vào việc phân tích kỹ thuật và lựa chọn các giải pháp công nghệ cho mô hình:

  • Giải pháp phần mềm: Sử dụng ngôn ngữ C# trên môi trường Microsoft Visual Studio kết hợp thư viện S7.Net để truyền thông Ethernet với PLC; sử dụng thư viện AForge.Net (AForge.Video, AForge.DirectShow) để giao tiếp camera và ZXing.Net để giải mã QR Code. Thiết lập thuật toán phân loại 3 loại sản phẩm tương ứng 3 tầng theo ký tự đầu tiên của chuỗi 10 chữ số.
  • Giải pháp cơ khí: Phân tích ưu - nhược điểm giữa nhôm định hình A6063-T5 và thép hộp mạ kẽm $\rightarrow$ chọn nhôm định hình làm khung giá đỡ; phân tích giữa xe tự hành AGV và cánh tay robot cố định 3 bậc tự do $\rightarrow$ chọn robot 3 trục dẫn hướng ray trượt; phân tích giữa cơ cấu ròng rọc và bộ truyền vít me đai ốc $\rightarrow$ chọn vít me đai ốc nhờ độ chính xác cao, tỷ số truyền lớn và tính tự hãm an toàn.
  • Giải pháp thiết bị điện: Lựa chọn nguồn tổ ong 24VDC 10A, rơ le Omron MY4NJ, nút dừng khẩn cấp, driver TB6600 điều khiển động cơ bước, cảm biến điện cảm, cảm biến quang và công tắc hành trình.

Chương 4: Thiết kế và thi công mô hình lưu kho hàng container tự động

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thiết kế chi tiết và thi công mô hình thực tế:

  • Thi công cơ khí và tủ điện: Bản vẽ thiết kế và thi công thực tế cho khung giá đỡ 9 ô, cụm trục X, cụm trục Y, cụm trục Z, băng tải nạp hàng và tủ điện hoàn chỉnh (gồm MCB, bộ nguồn, PLC, rơ le trung gian, hệ driver TB6600).
  • Thiết kế hệ thống điều khiển: Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý nối dây giữa PLC S7-1200 và driver TB6600; lập giản đồ thời gian và lưu đồ thuật toán cho chu trình nhập kho và chu trình xuất kho.
  • Cấu hình phần cứng và lập trình phát xung: Cấu hình hàm phát xung PTO trên TIA Portal V15.1, thiết lập đơn vị điều khiển (mm), độ phân giải vi bước của động cơ, bước ren trục vít me cho trục X, Y, Z; thiết lập bảng tọa độ cấp xung tương ứng từng vị trí ô chứa trong kho.
  • Thiết kế giao diện SCADA và Web Server: Xây dựng các màn hình giám sát nhập kho, xuất kho trên WinCC và tích hợp trang web giám sát trạng thái kho trên Web Server của CPU S7-1200.
  • Đánh giá hiệu suất: Thực hiện đo đạc và lập bảng đánh giá hiệu suất vận hành của hệ thống theo từng hoạt động chức năng và theo thời gian đáp ứng thực tế.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được của đồ án: chế tạo thành công mô hình vật lý hoàn chỉnh; hệ thống nhận diện và phân loại mã QR chính xác 100% theo đúng tầng quy định; robot 3 trục di chuyển chính xác đến các ô chứa; hệ thống SCADA và Web Server vận hành ổn định, thu thập và hiển thị dữ liệu thời gian thực. Đồng thời, chương này chỉ ra các hạn chế về quy mô mô hình thử nghiệm và đề xuất các hướng phát triển nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo hoàn thiện mô hình cơ khí kho container 3 tầng với 9 vị trí lưu trữ bằng nhôm định hình A6063-T5, kết hợp robot vận chuyển 3 trục tịnh tiến (X-Y-Z) sử dụng bộ truyền vít me đai ốc và hệ thống băng tải cấp phôi.
  • Thi công hoàn chỉnh tủ điện điều khiển công nghiệp tích hợp PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, 03 driver TB6600, nguồn 24VDC 10A, hệ thống rơ le trung gian Omron và thiết bị đóng cắt bảo vệ.
  • Xây dựng phần mềm nhận diện mã QR bằng C# (Visual Studio, thư viện AForge và ZXing.Net), kết nối truyền thông Ethernet qua thư viện S7.Net với PLC, tự động trích xuất chuỗi 10 ký tự và phân loại hàng vào đúng 3 tầng kho.
  • Lập trình thành công thuật toán điều khiển vị trí phát xung PTO trên TIA Portal V15.1, đồng bộ chuyển động 3 trục cho các chu trình nhập kho và xuất kho.
  • Thiết kế giao diện SCADA trên WinCC Runtime Professional và cấu hình thành công Web Server giám sát trạng thái kho hàng từ xa qua mạng cục bộ.
Thông số / Hạng mục Giá trị kỹ thuật trong đồ án
Model bộ điều khiển trung tâm Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC
Nguồn cấp và điện áp I/O 24VDC
Bộ nhớ tích hợp CPU Load memory: 4 MB; Work memory: 100 KB
Giao thức truyền thông PROFINET IO / Ethernet TCP/IP
Quy mô ô chứa mô hình 9 ô chứa phân bổ đều trên 3 tầng (3 ô/tầng)
Quy ước mã QR phân loại Chuỗi 10 chữ số $ABCDEFGHIK$ (Ký tự $A \in {1, 2, 3}$ chỉ định tầng 1, 2, 3)
Phương thức truyền động 3 trục Động cơ bước + Driver TB6600 + Bộ truyền vít me đai ốc

2. Giải pháp và đóng góp của đề tài

  • Tích hợp thành công chuỗi công nghệ từ khâu xử lý ảnh (Camera + C# WinForms) đến khâu điều khiển công nghiệp (PLC S7-1200 + Driver bước) qua mạng Ethernet mà không cần bổ sung các module giao tiếp phần cứng đắt tiền.
  • Đề xuất giải pháp thiết kế mô hình lưu kho tự động chi phí thấp bằng nhôm định hình và cơ cấu vít me đai ốc, chứng minh tính khả thi trong việc ứng dụng công nghệ AS/RS quy mô vừa và nhỏ phục vụ phân loại hàng hóa container theo mã phản hồi nhanh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

  • Mô hình mới dừng lại ở quy mô thử nghiệm phòng lab với 9 vị trí lưu trữ (kích thước kiện hàng nhỏ dạng container mô phỏng), chưa phản ánh hết tải trọng thực tế của kho công nghiệp.
  • Cơ cấu chuyển hàng là robot cố định trên ray trượt, vùng không gian làm việc bị giới hạn theo trục dọc cố định, chưa thể linh hoạt điều hướng sang các khu vực khác ngoài hành lang kho.
  • Bộ truyền vít me đai ốc có ưu điểm tự hãm và chính xác nhưng tốc độ chuyển động bị giới hạn, ren có hiện tượng mòn cơ học sau thời gian dài hoạt động liên tục.
  • Khâu quét mã QR bằng camera quang học phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng môi trường và góc đặt nhãn dán trên bề mặt thùng hàng.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng quy mô giá đỡ lên nhiều tầng và nhiều dãy khoang chứa, nghiên cứu tích hợp thêm xe tự hành AGV để luân chuyển hàng giữa các phân xưởng.
  • Nâng cấp thuật toán xử lý ảnh nhằm tăng tốc độ quét và nhận diện mã QR trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc kiện hàng di chuyển tốc độ cao trên băng tải.
  • Tích hợp cơ sở dữ liệu SQL Server và phần mềm quản lý kho chuyên nghiệp (WMS) để quản lý thông tin khách hàng, lịch sử xuất - nhập và tích hợp thanh toán tự động.
  • Tối ưu hóa kết cấu cơ khí, giảm giá thành sản xuất hướng tới mục tiêu thương mại hóa sản phẩm cho các xí nghiệp vừa và nhỏ.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử: Tham khảo phương pháp lập trình phát xung điều khiển vị trí cho động cơ bước trên PLC Siemens S7-1200 thông qua phần mềm TIA Portal V15.1.
  • Người nghiên cứu tích hợp hệ thống SCADA và xử lý ảnh: Tham khảo mã nguồn và giải pháp truyền thông kết nối ứng dụng C# (.NET Framework) với PLC Siemens qua giao thức Ethernet sử dụng thư viện S7.Net, cũng như quy trình thu nhận và giải mã ảnh mã QR với thư viện AForge.Net và ZXing.Net.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện tử và kho thông minh AS/RS: Tham khảo quy trình lựa chọn thiết bị cơ khí (vít me, ray trượt, nhôm định hình) và thiết kế sơ đồ nguyên lý tủ điện điều khiển chuẩn công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống phân loại hàng hóa vào các tầng lưu trữ theo quy tắc nào từ mã QR Code?

Hệ thống sử dụng camera quét chuỗi mã QR gồm 10 chữ số dạng $ABCDEFGHIK$. Thuật toán viết bằng C# sẽ bóc tách ký tự đầu tiên ($A$) để phân loại: nếu $A=1$, sản phẩm thuộc loại 1 và được robot đưa vào Tầng 1 (các mã mẫu: 1112233445, 1221133445, 1331122445); nếu $A=2$, sản phẩm thuộc loại 2 và được đưa vào Tầng 2 (các mã mẫu: 2112233445, 2221133445, 2331122445); nếu $A=3$, sản phẩm thuộc loại 3 và được đưa vào Tầng 3 (các mã mẫu: 3112233445, 3221133445, 3331122445).

2. Dữ liệu từ phần mềm nhận diện mã QR trên máy tính được truyền xuống PLC S7-1200 bằng cách nào?

Dữ liệu chuỗi sau khi được thư viện ZXing.Net giải mã trên ứng dụng C# WinForms sẽ được truyền trực tiếp xuống bộ điều khiển PLC S7-1200 thông qua cổng mạng Ethernet/PROFINET bằng thư viện S7.Net. Thư viện này cung cấp các phương thức Open(), Close(), cho phép đọc và ghi trực tiếp các byte dữ liệu vào các vùng nhớ được định cấu hình trên PLC mà không cần thêm phần cứng trung gian.

3. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn bộ truyền vít me đai ốc thay vì cơ cấu ròng rọc cho các trục của robot?

Qua phân tích kỹ thuật tại Chương 3, ròng rọc có nhược điểm dễ trượt cáp, đứt dây, không có khả năng tự hãm khi mất điện và chỉ chịu được tải nhẹ. Ngược lại, bộ truyền vít me đai ốc có kết cấu gọn gàng, khả năng chịu tải cao, làm việc êm, tỷ số truyền rất lớn tạo ra lực dọc trục mạnh, độ chính xác định vị vị trí cao và có tính tự hãm tốt, đáp ứng hoàn hảo yêu cầu chuyển động tịnh tiến chính xác của 3 trục X, Y, Z.

4. Cấu hình phần cứng chính của PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC sử dụng trong đề tài gồm những gì?

Theo số liệu công bố trong đồ án, CPU 1214C DC/DC/DC (mã 6ES7214-1AG40-0XB0) sử dụng nguồn cấp 24VDC, tích hợp 14 ngõ vào số (DI 24VDC), 10 ngõ ra số (DO 24VDC dạng bán dẫn), 2 ngõ vào tương tự (AI 0-10V), bộ nhớ nạp 4MB, bộ nhớ làm việc 100KB, tích hợp cổng PROFINET IO hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP, cùng các khối đếm tốc độ cao 100kHz.

5. Hệ thống giám sát SCADA trong đồ án được thiết kế gồm những giao diện nào?

Hệ thống giám sát được xây dựng trên hai nền tảng: (1) Giao diện WinCC Runtime Professional trong phần mềm TIA Portal V15 kết nối với PLC qua mạng IE General, cung cấp màn hình giám sát trực quan quá trình nhập kho, xuất kho, vị trí trống/đầy của 9 ô chứa; (2) Giao diện Web Server được kích hoạt trực tiếp trên CPU 1214C, cho phép truy cập theo dõi trạng thái hệ thống từ xa qua trình duyệt web trên mạng LAN.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Văn Nam và Võ Ngọc Trọng đã nghiên cứu và chế tạo thành công mô hình hệ thống lưu kho tự động AS/RS kết hợp nhận dạng, phân loại hàng hóa container bằng mã QR Code. Hệ thống tích hợp đồng bộ giữa xử lý ảnh trên nền C# (.NET Framework), điều khiển phát xung vị trí chính xác 3 trục bằng PLC Siemens S7-1200, và giám sát thời gian thực qua SCADA/Web Server. Kết quả thử nghiệm khẳng định tính đúng đắn của giải pháp thiết kế, mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật cao cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành Tự động hóa và Cơ điện tử.