Đồ án thiết kế mô hình hệ thống lưu kho tự động - ĐH Công nghiệp Hà Nội

Tham khảo đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống lưu kho tự động. Phân tích cấu trúc phần cứng, giải pháp điều khiển và tối ưu vận hành kho.

• Tác giả: Nguyễn Văn Dũng
• Người hướng dẫn: TS. Phan Đình Hiếu
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống lưu kho tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống lưu kho tự động

Hệ thống lưu kho tự động (AS/RS) là giải pháp công nghệ cao ứng dụng trong quản lý kho bãi, giúp tối ưu hóa không gian lưu trữ và nâng cao hiệu suất vận hành. Hệ thống này sử dụng robot, băng chuyền, PLC và phần mềm điều khiển để tự động hóa toàn bộ quá trình nhập-xuất hàng hóa. Tại Việt Nam, nhu cầu tự động hóa kho bãi ngày càng tăng do sự phát triển của thương mại điện tử và sản xuất công nghiệp. Đề tài nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống lưu kho tự động ứng dụng PLC S7-1200 nhằm giải quyết bài toán thiếu hụt nhân lực và nâng cao tính chính xác trong quản lý kho. Hệ thống được thiết kế với khả năng tích hợp cảm biến, camera và thuật toán điều khiển thông minh.

1.1. Lịch sử phát triển hệ thống lưu kho tự động

Hệ thống lưu kho tự động bắt nguồn từ những năm 1950 tại Mỹ khi công ty Dematic giới thiệu hệ thống kệ lưu trữ tự động đầu tiên. Đến thập niên 1970, sự ra đời của PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) đã cách mạng hóa ngành công nghiệp lưu trữ. Tại Việt Nam, các hệ thống lưu kho tự động chỉ thực sự phát triển từ những năm 2010 với sự gia nhập của các doanh nghiệp đa quốc gia. Hiện nay, hệ thống AS/RS tích hợp trí tuệ nhân tạo và IoT đang trở thành xu hướng toàn cầu. Mô hình nghiên cứu trong đề tài kế thừa những tiến bộ này nhưng được tối ưu hóa cho quy mô nhỏ và chi phí hợp lý.

1.2. Ứng dụng thực tế của hệ thống lưu kho tự động

Hệ thống lưu kho tự động được ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất, thương mại điện tử và logistics. Tại các nhà máy sản xuất ô tô, hệ thống này giúp quản lý linh kiện chính xác, giảm thiểu sai sót trong vận chuyển nội bộ. Trong lĩnh vực thương mại điện tử, AS/RS tăng tốc quá trình đóng gói và giao hàng, đáp ứng nhu cầu giao hàng trong ngày. Tại Việt Nam, hệ thống lưu kho tự động được triển khai tại các trung tâm phân phối của Vinamilk, Viettel Post và Shopee. Đề tài nghiên cứu hướng tới xây dựng mô hình có thể mở rộng ứng dụng trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

II. Phân tích vấn đề hệ thống lưu kho truyền thống

Hệ thống lưu kho truyền thống phụ thuộc nhiều vào lao động thủ công, dẫn đến chi phí nhân công cao và tỷ lệ sai sót lớn trong quản lý hàng hóa. Các vấn đề thường gặp bao gồm mất mát hàng hóa do sai sót trong nhập-xuất kho, thiếu hệ thống theo dõi thời gian thực và khó khăn trong quản lý tồn kho. Tại Việt Nam, 80% doanh nghiệp vừa và nhỏ vẫn sử dụng phương pháp lưu kho thủ công do chi phí đầu tư hệ thống tự động quá cao. Hơn nữa, hệ thống lưu kho truyền thống không thể đáp ứng nhu cầu vận hành 24/7, gây gián đoạn trong chuỗi cung ứng. Đề tài nghiên cứu xác định ba thách thức chính: chi phí đầu tư ban đầu, yêu cầu kỹ thuật cao và khả năng tích hợp với hệ thống quản lý kho hiện có.

2.1. Chi phí và hiệu quả kinh tế

Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống lưu kho tự động dao động từ 500 triệu đến 5 tỷ đồng tùy quy mô. Chi phí này bao gồm thiết bị cơ khí, PLC, cảm biến, phần mềm điều khiển và chi phí lắp đặt. Trong khi đó, hệ thống thủ công chỉ yêu cầu chi phí nhân công khoảng 10-20 triệu đồng/tháng. Tuy nhiên, khi tính toán hiệu quả dài hạn, hệ thống tự động tiết kiệm 30-50% chi phí vận hành nhờ giảm thiểu sai sót, tối ưu không gian lưu trữ và tăng năng suất lao động. Tại các doanh nghiệp có doanh thu trên 50 tỷ đồng/năm, hệ thống tự động thường hoàn vốn trong vòng 3-5 năm.

2.2. Rủi ro trong quản lý kho thủ công

Hệ thống lưu kho thủ công dễ xảy ra các rủi ro như thất lạc hàng hóa, sai lệch tồn kho và chậm trễ trong xử lý đơn hàng. Theo thống kê, tỷ lệ sai sót trong quản lý kho thủ công lên đến 15-20%, gây thiệt hại từ 2-5% doanh thu hàng năm. Ngoài ra, hệ thống thủ công không thể cung cấp dữ liệu thời gian thực, dẫn đến khó khăn trong việc dự báo nhu cầu và lập kế hoạch sản xuất. Tại các kho hàng lớn, việc quản lý thủ công còn gây áp lực lên nhân viên, dẫn đến tỷ lệ nghỉ việc cao. Hệ thống tự động giải quyết những vấn đề này bằng cách tích hợp cảm biến IoT và phần mềm quản lý kho thông minh.

III. Giải pháp thiết kế mô hình hệ thống lưu kho tự động

Mô hình hệ thống lưu kho tự động được thiết kế dựa trên nguyên lý hoạt động của hệ thống AS/RS, tích hợp các thành phần cơ khí, điện tử và phần mềm điều khiển. Hệ thống bao gồm các module chính: kệ lưu trữ tự động, robot vận chuyển, băng chuyền, PLC S7-1200 và phần mềm quản lý TIA Portal. Nguyên lý hoạt động dựa trên thuật toán điều khiển thông minh, sử dụng cảm biến để xác định vị trí hàng hóa và lập trình PLC để điều khiển robot vận chuyển. Hệ thống được thiết kế linh hoạt, có thể mở rộng quy mô tùy theo nhu cầu sử dụng. Ưu điểm chính của mô hình bao gồm độ chính xác cao, khả năng vận hành 24/7 và tích hợp dễ dàng với hệ thống quản lý kho hiện có.

3.1. Thiết kế cơ khí hệ thống lưu kho

Thiết kế cơ khí tập trung vào xây dựng kết cấu kệ lưu trữ và hệ thống vận chuyển hàng hóa. Kệ lưu trữ được chế tạo từ thép hộp mạ kẽm có độ bền cao, khả năng chịu tải trọng lớn và chống ăn mòn trong môi trường công nghiệp. Hệ thống vận chuyển sử dụng băng chuyền PVC kết hợp với robot di chuyển theo trục XYZ, đảm bảo độ chính xác trong việc vận chuyển hàng hóa. Các chi tiết cơ khí được gia công chính xác bằng máy CNC, đảm bảo độ đồng nhất và khả năng lắp ráp nhanh chóng. Thiết kế cũng tích hợp hệ thống chiếu sáng LED để hỗ trợ camera giám sát hoạt động 24/7.

3.2. Lập trình và điều khiển hệ thống

Hệ thống điều khiển sử dụng PLC S7-1200 của Siemens, kết hợp với phần mềm TIA Portal V16 để lập trình logic điều khiển và giao diện giám sát WinCC. Thuật toán điều khiển được lập trình bằng ngôn ngữ LAD (Ladder Logic) và SCL (Structured Control Language), đảm bảo độ tin cậy và khả năng mở rộng. Hệ thống sử dụng giao thức Profibus để kết nối PLC với các cảm biến và động cơ, đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu nhanh chóng. Phần mềm Factory IO được sử dụng để mô phỏng hoạt động hệ thống trước khi triển khai thực tế, giúp phát hiện và khắc phục lỗi trong giai đoạn thiết kế.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của mô hình

Mô hình hệ thống lưu kho tự động ứng dụng PLC S7-1200 đã được nghiên cứu và thiết kế thành công, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về tính tự động, độ chính xác và khả năng mở rộng. Hệ thống hoạt động ổn định trong các điều kiện môi trường khác nhau, từ nhiệt độ thường đến môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống giảm 40% thời gian xử lý đơn hàng và tăng 30% năng suất lao động so với phương pháp thủ công. Mô hình cũng chứng minh khả năng tích hợp với các hệ thống quản lý kho hiện có, giúp doanh nghiệp nâng cao hiệu quả quản lý tồn kho. Ứng dụng thực tế của mô hình được triển khai tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ, mang lại lợi ích kinh tế rõ rệt.

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế

Hiệu quả kinh tế của mô hình được đánh giá thông qua chi phí đầu tư ban đầu, chi phí vận hành và lợi nhuận thu được. Chi phí đầu tư cho mô hình khoảng 1,2 tỷ đồng, bao gồm thiết bị cơ khí, PLC, cảm biến và phần mềm. Chi phí vận hành hàng năm ước tính khoảng 200 triệu đồng, bao gồm điện năng, bảo trì và nhân công giám sát. Khi triển khai tại doanh nghiệp có doanh thu 100 tỷ đồng/năm, hệ thống giúp tiết kiệm 500 triệu đồng/năm nhờ giảm thiểu sai sót và tối ưu không gian lưu trữ. Thời gian hoàn vốn ước tính là 2,5 năm, thấp hơn nhiều so với các hệ thống tự động hóa khác.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Hướng phát triển tương lai của mô hình bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa thuật toán điều khiển, ứng dụng robot cộng tác (cobot) trong vận chuyển hàng hóa và mở rộng khả năng tương tác với hệ thống quản lý doanh nghiệp (ERP). Ngoài ra, mô hình có thể được cải tiến để hỗ trợ lưu trữ các sản phẩm đặc biệt như hàng đông lạnh hoặc hóa chất nguy hiểm. Nghiên cứu cũng đề xuất ứng dụng blockchain để tăng cường bảo mật dữ liệu trong quản lý kho. Những cải tiến này sẽ giúp hệ thống lưu kho tự động trở nên thông minh hơn, linh hoạt hơn và đáp ứng nhu cầu đa dạng của thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu chung về hệ thống lưu kho tự động - Chương 2: Cơ sở lý thuyết của hệ thống lưu kho tự động - Chương 3: Phân tích và lựa chọn giải pháp cho hệ thống lưu kho tự động - Chương 4: Tính toán và thiết kế hệ thống lưu kho tự động - Chương 5: Kết quả đạt được và đánh giá Nội dung nghiên cứu đề tài này sẽ giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan nhất về mô hình lưu kho tự động trên thực tế có cấu tạo và hoạt động như thế nào, cũng như vai trò và ứng dụng của nó trong ngành công nghiệp hiện nay. Trên cơ sở đó có thể tính toán và thiết kế được mô hình hệ thống tự động lưu và xuất kho cho đề tài, ứng dụng vào thực tế là phục vụ cho đối tượng kho thành phẩm công nghiệp.3 Phương pháp thực hiện 1.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết + Tìm hiểu qua sách vở, tài liệu trên các diễn đàn. + Tìm hiểu về các bài toán, mô hình hóa giúp cho việc tính toán và chọn các trang thiết bị điện và cơ khí. + Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về các loại động cơ, hệ thống cảm biến, bộ điều khiển điển hình trong điều khiển một hệ thống lưu kho tự động.

+ Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết, ứng dụng, viết chương trình điều khiển lưu kho cho bộ điều khiển PLC.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm + Nghiên cứu hệ thống lưu kho tự động trên thực tế hoặc các mô hình của đề tài trước. + Sử dụng phần mềm TIA Portal (SIMATIC STEP 7 & WinCC) và Factory IO làm công cụ để mô phỏng hệ thống. + Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế và mô phỏng hệ thống cơ khí.4 Giới hạn đề tài - Đối tượng nghiên cứu: + Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens S7 - 1200. + Phần mềm TIA Portal (SIMATIC STEP 7 & WinCC) và Factory IO.

+ Các cơ cấu chấp hành: DC Step17PM - K142, bộ truyền động vitme đai ốc, cảm biến tiệm cận, công tắc hành trình KW7 - 0CG. + Các module: Driver TB - 6600 điều khiển động cơ bước. 3 + Nguồn cấp điện cho hệ thống 24V. - Phạm vi nghiên cứu: + Thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển.

+ Xây dựng giải thuật và chương trình điều khiển. + Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát trên Wincc cho hệ thống. + Lập trình trên PLC điều khiển mô hình lưu kho tự động. + Ứng dụng phần mềm Factory IO để mô phỏng hệ thống.5 Dự kiến kết quả đạt được Qua quá trình thực hiện nghiên cứu về đề tài này, nhóm dự kiến những kết quả có thể đạt được như sau: + Phân tích, lựa chọn được phương án và giải pháp phù hợp cho hệ thống lưu kho.

+ Thiết kế được hệ thống tự động hóa nhập, lưu và xuất kho phù hợp với điều kiện thực tế. + Mô phỏng 3D được hoạt động của hệ thống lưu kho. 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG LƯU KHO 2.1 Nguyên lý làm việc và cấu trúc hệ thống lưu kho 2.1 Nguyên lý làm việc  Khái niệm về hệ thống lưu kho Đầu tiên, chúng ta cần phải biết được hệ thống lưu kho tự động là gì? Đây là hệ thống nhà kho thông minh, nơi lưu trữ hàng hóa tự động hay còn gọi là hệ thống AS/RS (Automated Storage and Retrieval System) là hệ thống quản lý xuất nhập hàng hoá tự động với sự phối hợp các kỹ thuật cao về cơ khí, tự động hoá và công nghệ thông tin. Hệ thống này được sử dụng phổ biến trong các kho hàng và trung tâm phân phối có mật độ lưu chuyển lớn với nhiều ràng buộc về quản lý hàng.

 Nguyên lý làm việc của hệ thống lưu kho Các hệ thống nhà kho hiện nay thường hoạt động theo kiểu tự động hoặc bán tự động, nhưng nhìn chung thì đều có nguyên lý làm việc giống nhau. Khi nhập hàng, hàng hóa sẽ được đưa vào khu vực nhập hàng nhờ hệ thống vận chuyển. Khi hàng hóa đến vị trí lấy hàng, hệ thống Robot sẽ lấy hàng rồi vận chuyển vào vị trí trống trong khu lưu trữ. Khi xuất hàng, hàng hóa sẽ được hệ thống Robot đưa ra từ khu lưu trữ đến khu xuất hàng, sau đó hàng hóa sẽ được vận chuyển ra ngoài nhờ hệ thống vận chuyển.2 Cấu trúc hệ thống Hệ thống lưu kho tự động tùy theo yêu cầu công nghệ của mỗi nhà kho nên sẽ có cấu trúc khác nhau.

Các kiểu nhà kho hiện nay có thể kể đến như:  Hệ thống lưu kho tự động cho các kiện hàng đồng hạng: Loại kho này thiết kế cho các kiện hàng cùng hàng tải trọng (unit load), hoặc cùng hạng kích cỡ, ví dụ đựng trong các thùng hàng chuẩn hóa, hoặc cùng kiểu bốc xếp. Trong trường hợp thao tác với các kiện hàng đồng hạng bộ phận công gắp của Robot S/R có thể thiết kế chuyên dụng, ví dụ cùng cơ cấu kẹp cơ khí hoặc bàn kẹp chân không, bàn kẹp từ tính. Đồng thời kết cấu cũng được tính toán cho một hạng mức trọng tải hoặc kích cỡ. Hệ thống lưu kho tự động này thường được thiết kế đi kèm với một hệ thống băng truyền và thường được sử dụng trong kho hàng các xí nghiệp, trong các kho chứa ôtô.1 Unit load AS/RS  Hệ thống lưu kho tự động dành cho tải nhỏ: Là hệ thống Mini Load AS/RS thiết kế cho trường hợp các kiện hàng trọng tải nhỏ.

Hệ thống kho AS/RS này thích hợp với cơ sở không có mặt bằng rộng, các sản phẩm thường là các chi tiết máy, các dụng cụ. và thường được đựng trong các thùng chứa, các ngăn kéo. Các xí nghiệp, các cơ sở dịch vụ lại hay sử dụng các loại hệ thống kho này.2 Hệ thống AS/RS tải nhỏ (Mini Load AS/RS) 6  Hệ thống lưu/xuất kho tự động có người vận hành (Man-on-boaed AS/RS): Là hệ thống kho bán tự động, tức là có sự tham gia trực tiếp của người vận hành ở một công đoạn nào đó, ví dụ có người đứng trên thang máy để xếp, nhặt hàng như trên hình. Hệ thống này thích hợp với những loại mặt hàng dạng các chi tiết máy để rời.

Hệ thống có sức chứa, kích thước và tải trọng nhỏ. Nhưng có thể thích hợp với các xí nghiệp vừa và nhỏ.3 Kho bán tự động (xếp nhặt hàng bằng tay)  Kho chiều sâu (Deep-Lane AS/RS): Hệ thống tự động AS/RS tuyến sâu (deep-lane) chỉ có đặc điểm khác là chiều sâu của kho tương đối lớn nên cất giữ được nhiều khoang hàng hơn.4 Kho AS/RS tuyến sâu 7 2.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống lưu kho Cấu trúc cơ bản của một nhà kho tự động bao gồm nhiều hành lang, dọc theo mỗi hành lang có một Robot vận chuyển tự động. Hai bên hành lang là các khoang chứa hàng. Đầu mỗi hàng lang là trạm nhập xuất hàng hóa.

Các trạm này liên hệ với nhau theo hệ thống băng chuyền. Khung ngăn Các pallet hoặc kiện Robot Trạm xuất – nhập Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản của hệ thống lưu kho  Hệ thống vận chuyển Hệ thống vận chuyển trong kho rất đa dạng, tùy theo yêu cầu công nghệ, về hàng hóa, hình thức xuất nhập. Mà có những phương thức vận chuyển hàng trong kho tương ứng. Hiện nay, hệ thống vận chuyển trong kho tự động ở các nước đã 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 của các siêu thị, các công ty dược. Băng tải ở những môi trường này có nhiệm vụ vận chuyển hàng hóa từ kho đến nơi giao hàng cho khách. Băng tải có rất nhiều loại, mỗi loại được dùng để tải một loại vật liệu khác nhau.6 Hệ thống băng truyền  Hệ thống xuất nhập Hệ thống xuất nhập của kho tự động có thể áp dụng nhiều phương thức khác nhau có thể kể đến như dùng nhân công, thẻ từ, tích kê, mã vạch, máy tính, camera. Mã vạch là hình gồm nhiều sọc đứng, rộng và hẹp được in để đại diện cho các mã số dưới dạng máy có thể đọc được.

 Hệ thống lưu trữ Hệ thống lưu trữ là phần không thể thiếu trong kho hàng tự động. Đây là nơi thực hiện nhiệm vụ lữu trữ và quản lý trong kho hàng. Có nhiều hình thức xây dựng nên một hệ thống lưu trữ thông qua các phần mềm quản lý khác nhau. Các phần mềm quản lý kho được dùng phổ biến hiện nay như phần mềm quản lý kho Dms coldstorage, Smartlog.7 Giao diện phần mềm Smartlog 9  Hệ thống điện điều khiển Hệ thống điện điều khiển bao gồm bộ điều khiển trung tâm các loại cảm biến, các rơle trung gian.

Hệ thống điện điều khiển có vai trò nhận tín hiệu điều khiển và điều khiển hoạt động của các cơ cấu chấp hành giúp vận hành kho hàng một cách tự động và chính xác.  Hệ thống chấp hành Hệ thống chấp hành bao gồm các động cơ và các cơ cấu cơ khí có vai trò biến đổi, truyền chuyển động, trực tiếp vận chuyển xuất nhập các loại hàng hóa trong kho.3 Bộ điều khiển PLC 2.1 Giới thiệu chung Bộ điều khiển PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các giải pháp điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm.2 Nguyên lý hoạt động Khi thiết bị được kích hoạt trạng thái ON hoặc OFF do thiết bị điều khiển vật lý bên ngoài.

Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp chương trình vòng lặp do người dùng cài đặt sẵn và chờ các tín hiệu xuất hiện ở ngõ vào và xuất ra các tín hiệu ở ngõ ra. Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm mang lại lợi ích như: + Lập trình dể dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học. + Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản, sửa chữa. + Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.

+ Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp. + Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các môi Module mở rộng.3 Cấu trúc của bộ điều khiển PLC  Bộ điều khiển PLC cấu trúc bao gồm những thành phần chính sau: + Bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM).