Đồ án tốt nghiệp: Hệ thống điều khiển xuất nhập kho tự động chi tiết

Khám phá đồ án thiết kế hệ thống xuất nhập kho tự động toàn diện. Ứng dụng PLC S7-1200, TIA Portal và WinCC để tối ưu hóa quy trình kho hàng.

• Tác giả: Vòng Lý Trung Tín
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Giải Pháp Hệ Thống Xuất Nhập Kho Tự Động Bằng PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Hệ Thống Xuất Nhập Kho Tự Động Bằng PLC S7 1200

Hệ thống xuất nhập kho tự động là giải pháp hiện đại trong lĩnh vực quản lý logistics và lưu trữ hàng hóa. Sử dụng PLC S7-1200 của Siemens, hệ thống này tự động hóa hoàn toàn quy trình nhập, lưu trữ và xuất kho, giảm thiểu sai sót và nâng cao hiệu suất làm việc. Điều khiển tự động bằng PLC cho phép quản lý thông minh vị trí hàng hóa, tối ưu hóa không gian kho và theo dõi hàng tồn kho real-time. Công nghệ này kết hợp với phần mềm TIA Portal để lập trình logic điều khiển và WinCC để giám sát trực quan. Hệ thống bao gồm nhiều thành phần như băng tải vận chuyển, tay nâng tự động, cảm biến quang điện, và động cơ servo, tạo nên một giải pháp toàn diện cho nhu cầu kho hàng hiện đại. Với khả năng xử lý hàng lớn, hệ thống kho tự động đáp ứng nhu cầu ngành công nghiệp 4.0.

1.1. Khái Niệm và Cấu Trúc Hệ Thống

Hệ thống ASRS (Automated Storage and Retrieval System) là giải pháp tích hợp để quản lý kho hàng hiệu quả. Hệ thống bao gồm bốn thành phần chính: hệ thống lưu kho chứa các ô hàng xếp chồng, hệ thống vận chuyển dùng băng tải, hệ thống xuất nhập để đưa hàng vào và ra, và hệ thống điều khiển tự động bằng PLC S7-1200. Các tay nâng tự động di chuyển theo trục OXYZ để đặt hàng vào vị trí chổ trống, tối ưu hóa mật độ lưu trữ và rút ngắn thời gian tìm kiếm hàng hóa.

1.2. Lợi Ích của Tự Động Hóa Xuất Nhập Kho

Hệ thống tự động hóa kho mang lại nhiều lợi ích thiết thực: tăng tốc độ xuất nhập kho từ 3-5 lần so với thủ công, giảm lỗi đặt hàng và tìm kiếm hàng. Quản lý kho bằng PLC cho phép theo dõi hàng tồn kho chính xác, tối ưu không gian lưu trữ, và giảm chi phí nhân công. Năng suất làm việc tăng đáng kể, hàng hóa được bảo vệ tốt hơn, và quy trình trở nên minh bạch, dễ kiểm toán.

II. Thành Phần Chính của Hệ Thống Điều Khiển

Hệ thống điều khiển xuất nhập kho sử dụng PLC S7-1200 làm bộ não điều hành toàn bộ quá trình. PLC Siemens này có khả năng xử lý tín hiệu từ nhiều cảm biến quang điện và cảm biến quang chữ U để phát hiện vị trí hàng hóa. Động cơ servo Mitsubishi HG-KN13J-S100 được điều khiển bởi bộ điều khiển servo MR-JE-10A để thực hiện chuyển động chính xác. Động cơ giảm tốc GB37-3530 cung cấp lực để vận chuyển hàng. Phần mềm TIA Portal lập trình logic điều khiển toàn bộ quy trình, từ nhận lệnh nhập hàng, xác định vị trí lưu trữ, điều khiển tay nâng, cho đến xuất hàng. Giao diện giám sát WinCC hiển thị trạng thái thời gian thực, cho phép người vận hành theo dõi và can thiệp khi cần.

2.1. PLC S7 1200 và Vùng Nhớ

PLC S7-1200 là nên tảng điều khiển mạnh mẽ với vùng nhớ lớn đủ để lưu trữ chương trình phức tạp và dữ liệu quản lý kho. Kiến trúc PLC cho phép xử lý đa tác vụ, giao tiếp với các thiết bị ngoại vi qua các cổng Ethernet và Modbus. Cấu tạo PLC bao gồm CPU, module I/O, cung cấp tính linh hoạt và mở rộng theo nhu cầu.

2.2. Cảm Biến và Bộ Điều Khiển Động Cơ

Cảm biến quang điện phát hiện sự hiện diện hàng hóa trên băng tải, trong khi cảm biến quang chữ U xác định vị trí chính xác. Bộ điều khiển động cơ servo Mitsubishi đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác của tay nâng. Rơ le trung gian kết nối các tín hiệu điều khiển, tạo giao diện an toàn giữa PLC và các thiết bị năng suất.

III. Thiết Kế Mô Hình Hệ Thống 3D và Cơ Khí

Thiết kế hệ thống xuất nhập kho bắt đầu từ mô phỏng 3D bằng Auto CAD, giúp tối ưu hóa bố trí không gian và kiểm chứng khả năng hoạt động trước khi chế tạo. Mô hình tổng thể bao gồm khung kho hàng chứa các ô lưu trữ xếp chồng, băng tải vận chuyển nhập và xuất, tay nâng di chuyển theo trục OXYZ để đặt hàng vào vị trí. Trục nâng được thiết kế với độ chính xác cao, chịu tải lớn. Thiết kế cơ điện kết hợp các thành phần cơ khí như khớp nối, đai truyền, và ray tuyến tính. Quy trình công nghệ được tối ưu để giảm thời gian xuất nhập kho, với các chế độ đặc biệt xử lý khi gặp sự cố. Phương pháp thiết kế đảm bảo an toàn, hiệu quả cao, và dễ bảo trì.

3.1. Thiết Kế Cơ Cấu và Khung Kho

Khung kho hàng được thiết kế với cấu trúc thép chắc chắn, chứa các ô lưu trữ xếp chồng để tối đa hóa dung tích. Thiết kế trục nâng sử dụng ray tuyến tính chất lượng cao, giảm ma sát và nâng cao độ chính xác vị trí. Băng tải được bố trí ở mặt trước để nhập hàng và ở mặt sau để xuất hàng, tạo luồng công việc hiệu quả.

3.2. Quy Trình Vận Hành và Xử Lý Sự Cố

Quy trình công nghệ bắt đầu khi hàng đặt trên băng tải nhập, cảm biến phát hiện và gửi tín hiệu tới PLC S7-1200. Chương trình điều khiển xác định vị trí chổ trống trong kho và điều khiển tay nâng đặt hàng. Khi gặp sự cố như cảm biến hỏng hoặc vượt quá dung tích, hệ thống tự động dừng lại và báo cảnh, yêu cầu can thiệp thủ công.

IV. Phần Mềm Điều Khiển và Giám Sát TIA Portal WinCC

Phần mềm TIA Portal của Siemens là công cụ lập trình chuyên nghiệp cho PLC S7-1200, cho phép viết logic điều khiển toàn bộ hệ thống xuất nhập kho một cách trực quan và linh hoạt. Lập trình PLC bao gồm xử lý tín hiệu từ cảm biến, quản lý trạng thái tay nâng, điều khiển động cơ, và tối ưu hóa quy trình lưu trữ. WinCC (TIA Portal) cung cấp giao diện giám sát hiện đại, hiển thị trạng thái thời gian thực của từng thành phần hệ thống, cho phép người vận hành dễ dàng theo dõi hoạt động kho hàng. Màn hình SCADA đồng hồ hiển thị số lượng hàng nhập, xuất, hàng tồn kho, và cảnh báo bất thường. Lưu trữ dữ liệu trên database cho phép phân tích xu hướng, tối ưu hóa quy trình trong tương lai, hỗ trợ quản lý kho khoa học.

4.1. Lập Trình Logic Điều Khiển trong TIA Portal

TIA Portal cung cấp nhiều ngôn ngữ lập trình: Ladder (LAD) trực quan, Structured Text (ST) mạnh mẽ, và Function Block Diagram (FBD). Chương trình điều khiển sử dụng biến toàn cục để quản lý trạng thái hàng hóa, vị trí tay nâng, và tín hiệu cảm biến. Function block được thiết kế để tái sử dụng, giảm độ phức tạp mã nguồn. Các block chương trình được tổ chức theo module để dễ bảo trì.

4.2. Giao Diện Giám Sát WinCC và Cảnh Báo

WinCC tạo giao diện người dùng thân thiện với các biểu tượng hình ảnh đại diện các thành phần kho hàng. Màn hình giám sát hiển thị vị trí hàng trong kho, trạng thái băng tải, công suất tay nâng real-time. Hệ thống cảnh báo tự động phát hiện lỗi cảm biến, quá tải, hay gặp tắc, gửi thông báo tức thời để xử lý nhanh chóng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học - kỹ thuật, nhiều phát minh, sáng chế nối tiếp nhau được sinh ra nhầm thỏa mãn ngày một tốt hơn nhu cầu trong sinh hoạt, đời sống cũng như trong sản xuất của nhân loại. Riêng đối với hoạt động sản xuất thì yêu cầu tăng năng suất và giảm giá thành sản phẩm trở nên cấp thiết hơn, chính vì điều này mà hàng loạt các ngành được sinh ra để nghiên cứu, sáng chế ra các hệ thống tự động hóa, để giảm tối đa sức người và tăng năng suất lao động nhờ các máy móc công cụ cũng dựa trên nhu cầu đó thì việc lưu kho và xuất kho hàng một cách tự động là một đề tài mà xã hội hiện đại phải giải quyết.1 Hệ thống kho thông minh (Nguồn: Internet) [6] Việc lưu và xuất hàng một cách tự động trở nên không thể thiếu và là một thành phần cực kỳ quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong các dây chuyền lắp ráp hiện đại. 2 Nền công nghiệp trong nước nói riêng và nền công nghiệp trên thế giới nói chung đang phát triển mạnh mẽ. trong quá khứ sản phẩm được tạo ra một cách thủ công nên việc vận chuyện sản phẩm ra vào kho chứa chủ yếu được thực hiện bằng sức người, dẫn đến việc không tận dụng hết được các khoảng không gian, sức chứa của kho hàng, việc quản lí hàng hóa kém hiệu quả cũng như tốn nhiều diện tích đát làm nhà kho chứa hàng.

Trong thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa và tự động hóa sản xuất ngày càng phát triển, hàng hóa làm ra càng nhiều đáp ứng nhu cầu tiêu dùng cho xã hội. Từ đó đã nãy sinh cần có những kho hàng hiện đại đáp ứng yêu cầu của sản xuất và khắc phục được những hạn chế của các kho hàng cũ. Hiện tại, trên thế giới có nhiều hệ thống lưu trữ hàng hóa, các hệ thống này rất đa dạng, phong phú về thiết bị cũng như cách thức thực hiện. Nhưng trong đó chủ yếu là sử dụng nhân công để bốc dỡ hàng hóa, các thiết bị bốc dỡ hàng là các máy nâng sử dụng người lái để sắp xếp hàng hóa vào kho.

Các nhà kho hiện nay có các nhược điểm sau: - Sử dụng nhiều diện tích để chứa hàng hóa. - Không phân loại được các hàng hóa khác nhau (các hàng hóa thường để chung với nhau trong 1 kho). - Không bảo quản tốt hàng hóa khi có số lượng nhiều. - Rất khó kiểm soát số lượng hàng hóa ra vào trong kho.

Với sự ra đời của các hệ thống lưu kho tự động, người ta có thể quản lí tốt hàng hóa cũng như nhanh chóng trong việc lưu trữ và xuất hàng hóa ra khỏi kho, các hệ thống kho tự động được sử dụng robot để vận chuyển hàng hóa, điều này đồng nghĩa với việc đầu tư trang thiết bị hiện đại cho các hệ thống kho khá nhiều chi phí cho việc vận chuyển hàng hóa nhưng bù lại là hàng hóa được bảo quản tốt, thuận tiện cho việc quản lý và kiểm soát, tiết kiệm được nhân công. Vì thế hệ thống kho hàng tự động đã trở thành một trong những sản phẩm công nghệ được chú ý tới và sẽ có hướng phát triển thuận lợi lâu dài về sau này. Do đó việc 3 nghiên cứu về đề tài “Hệ thống điều khiển xuất nhập kho tự động”. Là sự lựa chọn hợp lý và phú hợp với nhu cầu thực tế.2 Tình hình nghiên cứu Hệ thống được thuộc loại các kệ hàng cao, pallet hàng hoá được vận chuyển ra vào bằng các crane tự động.

Với mật độ kho hàng dày đặc, hệ thống kho hàng có thể lưu trữ hàng hoá với số lượng lớn. Hệ kho chứa hàng tự động được thiết kế tối ưu hóa không gian và diện tích, trong đó có các hệ thống băng tải hỗ trợ hoạt động bốc xếp của người công nhân, tự động sắp xếp thứ tự các pallet và có khả năng truy xuất palet bất kỳ. Hệ thống kho hàng của Vinamilk đều được quản lí bởi hệ thống máy tính thông minh. Những chiếc máy tính công nghiệp được thiết kế đặc biệt với bộ vi xử lý cao, giúp lưu trữ, truy xuất, xử lý,.

Những yêu cầu trong quy trình sản xuất. Toàn bộ hệ thống được kiểm soát và quản lí bằng 1 hệ thống phần mềm thống nhất, có khả năng tích hợp với các phần mềm ERP của doanh nghiệp.2 Kho tự động của nhà máy Vinamilk (Nguồn: Internet) [5] 4 Các robot tự động vận chuyển hàng hóa vào kho. Kho chứa hàng có 27.168 đơn vị chứa hàng pallet, có khả năng chống chịu động đất. Gồm 8 dãy kệ chứa và đi kèm là các crane Exyz với công nghệ mới và hiện đại nhất hiện nay.

Hệ thống vận chuyển này cho phép vận chuyển hàng hoá nhanh hơn, nhẹ hơn, tiết kiệm năng lượng hơn.3 Robot tự động vận chuyển hàng hóa (Nguồn: Internet) [5] Toàn bộ hệ thống được kiểm soát và quản lý bằng 1 hệ thống phần mềm thống nhất, có khả năng tích hợp với các phần mềm ERP của doanh nghiệp.3 Mục tiêu đề tài Xây dựng mô hình hệ thống lưu trữ kho hàng giúp giải quyết các vấn đề cụ thể như: - Giảm chi phí nhân công và các chi phí hoạt động khác. - Tối đa hóa việc sử dụng, bố trí và lưu chuyển không gian trong nhà kho. - Tăng độ chính xác, hiệu quả và năng suất của người lao động trong hi giảm thiểu số lượng nhan viên.4 Nhiệm vụ cần thực hiện Cụ thể như việc nghiên cứu tìm tòi thông qua việc thực hiện đề tài đồ án tốt nghiêp “Hệ thống điều khiển xuất nhập kho tự động” với các nội dụng chính sau: - Nghiên cứu, tìm hiểu về hệ thống điều khiển và giám sát qua phần mềm TIA Portal V16 và Win cc. - Khảo sát tìm hiểu về hệ thống kho hàng tự động.

- Khảo sát tìm hiểu mô hình Robot lưu xuất kho hàng. - Thiết kế kho hàng, lắp đặt khung kho hàng. - Thiết kế băng tải, lắp đặt băng tải, lắp đặt băng tải với motor. - Thiết kế, lắp đặt, đấu dây mô hình Robot lưu kho tự động.

- Thiết kế tủ điều khiển mô hình Robot. - Thu nhập số liệu, đánh giá kết quả mô hình, đề xuất hướng phát triển đề tài.5 Phạm vi nghiên cứu - Điều khiển và giám sát Robot tự động lưu, xuất kho hàng hướng đến các xí nghiệp nhỏ và lớn, mang lại lợi ích cho nhà máy tốn kém chi phí nhân công, thời gian và giúp việc quản lí lưu và xuất kho hàng hiệu quả hơn. - Nhưng trong phạm vi của đề tài nhóm chỉ tập trung nghiên cứu, thiết kế và lắp đặt mô hình hệ thống lưu, xuất kho hàng tự động bằng cánh tay Robot, được điều khiền và giám sát bằng phần mềm TIA Portal V16 sử dụng PLC S7 - 1200. - Tìm hiểu cách vận hành xuất, nhập kho trong thực tế, xây dựng mô hình và tái hiện lại cơ cấu và chức năng của các đối tượng trong kho và tìm tài liệu tham khảo trên các trang tự động hóa.6 Phương thức nghiên cứu - Tìm hiểu, thu thập thông tin, dữ liệu từ các nguồn báo, sách khác nhau để có được thông tin chi tiết về để tài nghiên cứu.

- Tiến hành thảo luận, phân tích các dữ liệu đã thu thập được và lên danh sách các thiết bị cụ thể cho quá trình làm mô hình. 6 - Sau khi đã thu thập đầy đủ thiết bị, tiến hành đấu nối, lắp ráp, nạp code để hoàn thiện mô hình. - Sau khi mô hình đã hoàn thiện, tiến hành cho chạy thực nghiệm để rút ra kết luận. - Từ những ưu nhược điểm của đề tài, cải tiến thêm những thứ mới mẻ và khoa học vào mô hình để có thể áp dụng vào thực tế sau này.7 Kết cấu đồ án Nhiệm vụ của đồ án tốt nghiệp Nhận xét của giáo viên hướng dẫn Nhận xét của giáo viên phản biện Lời cam đoan Lời cảm ơn Tóm tắt Abstract Mục lục Danh mục các từ viết tắt Danh mục hình ảnh Danh mục bảng Chương 1 Giới thiệu đề tài Chương 2 Tổng quan giải pháp hệ thống lưu kho tự động Chương 3 Thiết kế hệ thống lưu kho tự động Chương 4 Thi công mô hình thực nghiệm và mô phỏng Chương 5 Kết luận và hướng phát triển 7 Chương 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP HỆ THỐNG XUẤT NHẬP KHO TỰ ĐỘNG 2.

Tìm hiểu về hệ thống lấy cất hàng hóa tự động (ASRS) ASRS là hệ thống lấy cất hàng hóa tự động là công nghệ hiện đại nhất dược sử dụng trong các nhà kho hoàn toàn tự động. Hệ thống gồm có 2 phần chính: phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồ các hệ thống giá kệ cố định, các robot lấy hàng, hệ thống băng tải vận chuyển hàng và hệ thống xuất nhập hàng. Phần mềm gồ có phần mềm quản lí các robot lấy cất hàng và phần mềm quản lí hàng hóa.

Tại các nước phát triển chẳng hạn như Anh, Pháp, Mỹ, Đức, … nhà kho tự động đã xuất hiện từ lâu nên rất phổ biến trong các nhà máy, kho xưởng ở đây. Loại kho này ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cao về tốc độ xuất nhập, quản lý chuyên nghiệp trong môi trường làm việc khắc nghiệt. Giải pháp này được đánh giá là tối ưu cho các kho hàng đông lạnh do những ưu điểm và mức đầu tư hợp lý mà giải pháp này mang lại như: - Mật độ lưu trữ cao: do giải pháp này tận dụng được chiều cao và đường chạy của robot nhỏ nên diện tích sử dụng sẽ ít hơn những giải pháp khác, so sánh trên cùng khả năng lưu trữ giúp tiết kiệm chi phí đầu tư cho diện tích sử dụng xây dựng và hệ thống lạnh. - Tốc độ xuất nhập cao trung bình 1 tấn hàng/phút/robot.

- Công nghệ chuyển dường cho phép chỉ cần 1 con robot cho một nhà kho giúp tiết kiệm đáng kể chi phí đầu tư. - Không cần hệ thống chiếu sáng, tiết kiệm chi phí đầu tư hệ thống chiếu sáng, chi phí bảo trì, chi phí vận hành. 8 - Thất thoát nhiệt thấp: that thoát nhiệt xuống đất qua các cửa ra vào, bù nhiệt cho hệ thống chiếu sáng là những nguồn thất thoát nhiệt chính trong các kho lạnh. Sử dụng diện tích nhỏ hơn các giải pháp khác nên thất thoát nhiệt xuống đất sẽ thấp hơn, hơn nữa do không cần sử dụng hệ thống chiếu sáng nên phần thất thoát nhiệt này bị loại trừ, ngoài ra với hệ thống cửa ra vào tự động và có phòng cách ly nên thất thoát nhiệt sẽ là rất thấp, giảm điện năng và thời gian xả đá của hệ thống lạnh.