Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống lưu kho tự động - SV. Trần Tú Quang

Tài liệu full đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống lưu kho tự động bằng PLC S7-1200. Báo cáo chi tiết, code và mô phỏng trên Factory I/O.

• Tác giả: Trần Tú Quang
• Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Quang Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Đông Á
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Lưu Kho Tự Động Với PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Bắc Ninh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ Thống Lưu Kho Tự Động PLC S7 1200

Hệ thống lưu kho tự động PLC S7-1200 là một giải pháp hiện đại để quản lý và vận hành kho hàng một cách hiệu quả. Đồ án này tập trung vào thiết kế và thi công hệ thống lưu kho tự động sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 từ Siemens. Hệ thống được phát triển tại Trường Đại học Công Nghệ Đông Á nhằm giải quyết các thách thức trong quản lý kho bán tự động. Với sự hỗ trợ của công nghệ lưu trữ AS/RS (Automated Storage and Retrieval System), hệ thống này cho phép tối ưu hóa không gian lưu trữ, giảm chi phí nhân công và tăng tốc độ xử lý đơn hàng. PLC S7-1200 đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển toàn bộ quá trình lưu kho, xuất kho và quản lý hàng hóa một cách tự động và chính xác.

1.1. Mục Tiêu và Phạm Vi Của Đồ Án

Mục tiêu chính của đồ án hệ thống lưu kho tự động là thiết kế một giải pháp lưu trữ tự động sử dụng PLC S7-1200. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích các hệ thống lưu kho hiện nay, so sánh ưu và nhược điểm của từng loại. Đồ án tập trung vào cấu trúc phần cứng, lập trình điều khiển, thiết kế giao diện HMI (Human Machine Interface) và mô phỏng hệ thống trên phần mềm Factory IO. Các thành phần được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả hoạt động.

1.2. Ưu và Nhược Điểm Của Hệ Thống Lưu Kho Tự Động

Hệ thống lưu kho tự động PLC S7-1200 mang lại nhiều lợi ích: tăng năng suất làm việc, giảm lỗi xử lý, tiết kiệm chi phí nhân công và tối ưu không gian. Hệ thống hoạt động 24/7 mà không mệt mỏi. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu khá cao, yêu cầu kỹ thuật viên lành nghề để bảo trì. Cần có không gian xây dựng phù hợp và đầu tư hạ tầng công nghệ thông tin để quản lý dữ liệu hiệu quả.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Về PLC S7 1200 và Ứng Dụng

PLC S7-1200 là bộ điều khiển lập trình của Siemens thuộc dòng S7, được thiết kế cho các ứng dụng tự động hóa quy mô nhỏ đến trung bình. PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điện tử đếm được sử dụng để điều khiển các quá trình công nghiệp. Cấu trúc PLC S7-1200 bao gồm đơn vị CPU, module nhập-xuất, bộ nhớ và các cổng giao tiếp. Điểm mạnh của PLC S7-1200 là tính linh hoạt cao, dễ lập trình, tích hợp công nghệ mới nhất và có khả năng mở rộng. Hệ thống lưu kho tự động sử dụng PLC S7-1200 để điều khiển các động cơ, cảm biến và thiết bị nâng hạ trong kho hàng.

2.1. Khái Niệm và Cấu Tạo PLC S7 1200

PLC S7-1200 là thiết bị điều khiển công nghiệp hiện đại với cấu trúc bên trong gồm CPU, bộ nhớ RAM/Flash, module I/O và giao diện thương lượng. CPU PLC xử lý logic, quản lý dữ liệu và điều khiển các thiết bị ngoại vi. Các lệnh PLC được lập trình bằng phần mềm TIA PORTAL theo chuẩn IEC 61131-3. Cấu tạo PLC S7-1200 cho phép kết nối dễ dàng với cảm biến hồng ngoại, động cơ điều khiển và màn hình HMI.

2.2. Ngôn Ngữ Lập Trình và Phần Mềm TIA PORTAL

Phần mềm TIA PORTAL là nền tảng tích hợp để lập trình PLC S7-1200 với ba ngôn ngữ chính: LAD (Ladder Diagram), FBD (Function Block Diagram) và STL (Statement List). Ngôn ngữ lập trình PLC cho phép tạo logic điều khiển phức tạp, quản lý dữ liệu và giao tiếp với các thiết bị khác. Cách tạo project trong TIA PORTAL rất đơn giản, từ khởi tạo đến biên soạn chương trình, kiểm thử và tải lên PLC S7-1200. Phần mềm hỗ trợ mô phỏng trước khi triển khai thực tế.

III. Thiết Kế Hệ Thống Lưu Kho Tự Động PLC S7 1200

Thiết kế hệ thống lưu kho tự động bao gồm ba phần chính: sơ đồ nguyên lý, thiết kế phần cứng và lập trình điều khiển. Sơ đồ khối hệ thống thể hiện các thành phần: hệ thống trục nâng hàng, băng tải trục lăn, cảm biến hồng ngoại để phát hiện vị trí hàng, và PLC S7-1200 làm bộ điều khiển chính. Lưu đồ thuật toán mô tả quy trình hoạt động ở các chế độ: lưu kho, xuất kho và hủy hàng. Các linh kiện được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo khả năng chịu tải, độ bền và tương thích với PLC S7-1200. Mô hình toàn bộ hệ thống được mô phỏng trên phần mềm Factory IO trước khi triển khai thực tế.

3.1. Sơ Đồ Nguyên Lý và Lưu Đồ Thuật Toán

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống lưu kho chi tiết các kết nối giữa PLC S7-1200, cảm biến hồng ngoại, động cơ điều khiển và màn hình HMI. Lưu đồ thuật toán mô tả các bước: khởi động hệ thống, xác định vị trí hàng bằng cảm biến, điều khiển trục nâng hạ, vận chuyển qua băng tải và lưu trữ tại vị trí chỉ định. Lưu đồ chế độ hủy hàng thể hiện cách xử lý khi phát hiện hàng lỗi hoặc hết hạn.

3.2. Thiết Kế Phần Cứng và Giao Diện HMI

Thiết kế phần cứng hệ thống sử dụng băng tải trục lăn 6m và 2m, hệ thống trục nâng hàng có độ chính xác cao, và cảm biến hồng ngoại để phát hiện vị trí. Màn hình HMI được thiết kế trong phần mềm TIA PORTAL với giao diện thân thiện, cho phép người dùng giám sát trạng thái, điều chỉnh thông số và xem lịch sử hoạt động. Kết nối Factory IO với PLC cho phép mô phỏng toàn bộ quy trình trước khi vận hành thực tế.

IV. Ứng Dụng và Hướng Phát Triển Tương Lai

Hệ thống lưu kho tự động PLC S7-1200 có thể ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: logistics, sản xuất, thương mại điện tử và nhà máy. Các ứng dụng thực tế bao gồm dây chuyền sản xuất, thang chuyển hàng (Conveyor System), Palletizer để xếp pallet tự động. Lợi ích của việc sử dụng PLC S7-1200 trong hệ thống lưu kho là độ tin cậy cao, tốc độ xử lý nhanh, khả năng tích hợp với hệ thống AS/RS (Automated Storage and Retrieval System). Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo, IoT (Internet of Things) để giám sát từ xa, nâng cao mức độ tự động hóa và kết nối với hệ thống ERP để quản lý kho bán tự động hiệu quả hơn.

4.1. Các Ứng Dụng Thực Tế trong Công Nghiệp

PLC S7-1200 được sử dụng rộng rãi trong lưu kho tự động của các công ty logistics lớn. Hệ thống AS/RS (Unit load AS/RS) và Mini Load AS/RS sử dụng PLC để điều khiển cẩu nâng lưu kho với độ chính xác cao. Kho bán tự động với xếp nhặt hàng bằng tay kết hợp PLC S7-1200 giảm lỗi và tăng tốc độ xử lý. Quy trình sản xuất, lưu kho và lưu thông hàng hóa được tối ưu hóa hoàn toàn.

4.2. Hướng Phát Triển và Cải Tiến Tương Lai

Hướng phát triển tiếp theo của hệ thống lưu kho tự động là tích hợp công nghệ IoT để giám sát từ xa qua điện thoại thông minh. Kết nối với hệ thống ERP để quản lý dữ liệu kho bán tự động. Sử dụng robot thay thế trục nâng hàng để linh hoạt hơn. Áp dụng trí tuệ nhân tạo dự báo nhu cầu hàng hóa. Phát triển giao diện HMI 3D trực quan hơn cho PLC S7-1200.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ngày nay, nền kinh tế nước ta đang phát triển mạnh mẽ, cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật cũng có những bước đột phá mới, đời sống nhân dân ngày càng được nâng cao. Cùng với xu thế công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở nước ta cũng như các nước trên thế giới, các hệ thống tự động đã được đưa vào quá trình lao động sản xuất. Tuy nhiên các hệ thống lưu kho ở nước ta vẫn chưa được áp dụng tự động hóa, vẫn còn sử dụng lao động tay chân. Với mục đích nghiên cứu có tính ứng dụng và ý nghĩa thực tiễn nên em đã chọn đề tài “ Thiết Kế Hệ Thống Lưu Kho Tự Động ” để giải quyết vấn đề lưu kho ở nước ta.

Qua đề tài em đã thực hiện mong sẽ góp phần nào cho sinh viên có thể thích ứng và áp dụng kiến thức trên trường áp dụng vào thực tế. Đồ án này là kết quả của sự vận dụng các kiến thức đã học vào thực tế để thiết kế lập trình cho hệ thống. Cũng nhờ đây mà người thực hiện có thể hiểu rõ hơn được những gì đã học ở lý thuyết, mà chưa có dịp để ứng dụng vào thực tiễn. Đề tài “Thiết kế hệ thống lưu kho tự động ” là cơ sở để người thực hiện thiết kế những hệ thống tự động thực tế sau này.

Trong quá trình thực hiện đề tài này, do thời gian có hạn và chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự quan tâm và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo để em thực hiện bổ sung vào vốn kiến thức của mình. TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN 1. Mục tiêu của đồ án Hiện nay đa phần các xí nghiệp điều đã thực hiện các dây chuyền sản xuất tự động hóa, không còn sử dụng đến lao động tay chân nhiều nữa. Các mô hình tự động hóa ngày càng hoàn thiện và sử dụng rộng rãi.

Với mục tiêu tiết kiệm được thời gian và nguồn lao động tay chân, tính kinh tế lâu dài. Thành phần chính cũng như bộ não của các mô hình dây chuyền đó PLC (Program Logic Controller). Các dòng PLC ngày càng được cải thiện và đạt được hiểu quả. Theo đó, ngành công nghiệp xà bông cũng đang rất phát triển trên thị trường.

Cùng với đó hiệu quả hoạt động của bất kỳ công ty sản xuất nào phụ thuộc phần lớn vào hệ thống lưu trữ và xử lý nhằm lưu trữ các nguyên liệu khác nhau như nguyên liệu thô, thành phẩm, dụng cụ, phụ tùng thay thế. Hệ thống lưu kho hiện nay 11 Hình 1. Quy trình sản xuất , lưu kho và lưu thông hàng hóa Trong nhiều dây chuyền lớn hiện tại, phân loại , đóng gói luôn là một trong những khâu được kiểm tra độ chính xác kĩ càng nhất. Bởi vậy, các thiết bị dây chuyền động gói tự động với độ chính xác cao là lựa chọn tốt nhất.

Kèm theo đó là việc giám sát và điều khiển luôn được đề cao và đưa lên quan trọng hàng đầu để tránh sai xót và đem lại hiệu quả kinh tế tối ưu nhất. Từ đó nhóm chúng em sẽ thiết kế và triển khai hệ thống lưu kho tự động g PLC S7-1200 và phần mềm Factory IO. Mục tiêu chính của đồ án này là áp dụng công nghệ tự động hoá để tạo ra một hệ thống lưu kho hiệu quả, chính xác và tự động qua đó tìm hiểu và nâng cao kiến thức về lập trình PLC , Factory IO một cách thành thạo và áp dụng nó vào thực tiễn 1. Phạm vi nghiên cứu của đồ án 1.

Nghiên cứu các hệ thống lưu kho tự động hiện nay Hệ thống lưu kho tự động là một phần của quá trình quản lý và vận hành lưu trữ hàng hóa trong một tổ chức hoặc doanh nghiệp. Nó giúp tăng cường hiệu suất và hiệu quả của quá trình lưu trữ và quản lý kho bãi bằng cách sử dụng công nghệ và tự động hóa. 12 Một hệ thống lưu kho tự động bao gồm các thành phần như máy móc tự động, robot, cảm biến, phần mềm quản lý kho, hệ thống điều khiển và hệ thống thông tin. Các thành phần này hoạt động cùng nhau để tự động hóa các công việc trong quá trình lưu trữ và quản lý hàng hóa.

Hệ thống lưu kho tự động cũng cung cấp khả năng theo dõi và quản lý tồn kho chính xác. Các cảm biến và hệ thống thông tin giúp theo dõi vị trí và số lượng hàng hóa trong thời gian thực. Điều này giúp giảm thiểu lỗi nhầm lẫn và mất mát hàng hóa, cũng như cung cấp thông tin cần thiết để quản lý kho hiệu quả. Thêm vào đó, hệ thống lưu kho tự động cũng tăng cường an toàn và bảo mật trong quá trình lưu trữ và quản lý kho.

Với sự hỗ trợ của phần mềm quản lý kho và hệ thống điều khiển, quy trình làm việc của các máy móc và robot được giám sát và kiểm soát một cách an toàn. Điều này giảm thiểu nguy cơ tai nạn và sự cố xảy ra trong kho. Ưu và nhược điểm của hệ thống lưu kho tự động Ưu điểm:  Tăng năng suất: Hệ thống lưu kho tự động giúp tăng cường năng suất bằng cách tự động hoá các công việc trong quá trình lưu trữ và quản lý hàng hóa. Các robot và máy móc tự động có thể hoạt động nhanh chóng và chính xác, giúp tiết kiệm thời gian và công sức lao động.

 Tối ưu hóa không gian lưu trữ: Hệ thống lưu kho tự động thiết kế để tận dụng tối đa không gian lưu trữ có sẵn. Các máy móc tự động có thể di chuyển hàng hóa vào và ra khỏi kho một cách hiệu quả, giúp tối ưu hóa sử dụng không gian và tăng khả năng lưu trữ.  Quản lý tồn kho chính xác: Hệ thống lưu kho tự động cung cấp khả năng theo dõi và quản lý tồn kho chính xác. Các cảm biến và hệ thống thông tin giúp ghi nhận vị trí và số lượng hàng hóa trong thời gian thực, giảm thiểu sai sót và mất mát hàng hóa.

13  Tăng cường an toàn và bảo mật: Hệ thống lưu kho tự động giúp tăng cường an toàn và bảo mật trong quá trình lưu trữ và quản lý kho. Các máy móc và robot được kiểm soát và giám sát an toàn thông qua phần mềm và hệ thống điều khiển, giảm thiểu nguy cơ tai nạn và sự cố xảy ra.  Độ linh hoạt và mở rộng: Hệ thống lưu kho tự động thường được thiết kế để có khả năng linh hoạt và mở rộng. Các thành phần của hệ thống có thể được tùy chỉnh và điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu cụ thể của tổ chức hoặc doanh nghiệp.

 Tăng cường độ chính xác và đáng tin cậy: Hệ thống lưu kho tự động giảm thiểu sự phụ thuộc vào yếu tố con người, giúp tăng cường độ chính xác và đáng tin cậy trong quá trình lưu trữ và quản lý kho. Nhược điểm:  Đầu tư ban đầu cao: Xây dựng và triển khai hệ thống lưu kho tự động đòi hỏi một khoản đầu tư ban đầu lớn. Cần phải mua và cài đặt các thiết bị tự động, phần mềm quản lý và cơ sở hạ tầng phù hợp. Điều này có thể tạo áp lực tài chính đối với các doanh nghiệp nhỏ và vừa.

 Phụ thuộc vào công nghệ: Hệ thống lưu kho tự động phụ thuộc mạnh vào công nghệ và thiết bị. Nếu có sự cố về phần cứng hoặc phần mềm, hoạt động của hệ thống có thể bị gián đoạn và gây thiệt hại đến quá trình vận hành. Bảo trì và sửa chữa cũng đòi hỏi kiến thức chuyên môn và chi phí phụ.  Hạn chế linh hoạt: Hệ thống lưu kho tự động thường được thiết kế để xử lý một loại hàng hóa cụ thể hoặc một quy trình cụ thể.

Điều này có nghĩa là hệ thống có thể gặp khó khăn trong việc đáp ứng nhu cầu thay đổi, đa dạng hóa sản phẩm hoặc quy trình. Sự linh hoạt giảm đi khi so sánh với các phương pháp lưu trữ thủ công. 14  Độ phức tạp của triển khai: Xây dựng và triển khai hệ thống lưu kho tự động đòi hỏi sự hiểu biết chuyên sâu về công nghệ và quy trình. Việc tích hợp và cấu hình các thiết bị, phần mềm và hệ thống liên quan có thể phức tạp và tốn nhiều thời gian.

Điều này đòi hỏi sự chuyên môn và kỹ thuật cao để đảm bảo triển khai thành công.  Tác động đến việc làm: Hệ thống lưu kho tự động có thể dẫn đến giảm số lượng lao động cần thiết trong quá trình lưu trữ và xử lý hàng hóa. Mặc dù điều này có thể tăng năng suất và hiệu quả, nhưng cũng có thể gây ra tác động xã hội, như thất nghiệp và tăng tỷ lệ thất nghiệp.  Độ tin cậy và sự cố: Mặc dù hệ thống lưu kho tự động thường được thiết kế để hoạt động một cách tin cậy, nhưng vẫn có thể xảy ra sự cố không mong muốn.

Mất điện, hỏng hóc thiết bị hoặc lỗi hệ thống có thể gây gián đoạn quá trình vận hành và ảnh hưởng đến hoạt động kinh doanh. Tổng quan về đồ án 1. Sơ đồ khối hệ thống Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống 1.

Phân tích chức năng của từng khối  Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện cho toàn bộ hệ thống.  Khối xử lí trung tâm: xử lí tín hiệu của cảm biến và hệ thống SCADA từ đó xuất xung tín hiệu điều khiển các thiết bị. PLC S7-1200  Khối thiết bị: bao gồm băng tải, tủ điện , động cơ nâng, …. Băng tải 17 Hình 1.

Hệ thống cẩu nâng lưu kho Khối cảm biến: sử dụng cảm hồng ngoại để xác định vật Hình 1. Cảm biến hồng ngoại  Dữ liệu được giám sát và điều khiển qua màn hình HMI 18 Hình 1. Màn hình HMI 1. Nguyên lý hoạt động hệ thống lưu kho  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.