Đồ án HCMUTE: Giám sát và điều khiển hệ thống lưu kho hàng hóa

Đồ án nghiên cứu hcmute điều khiển và giám sát hệ thống lưu kho hàng hóa, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Nguyễn Văn Hoàng Hiệp
• Người hướng dẫn: ThS. Phùng Sơn Thanh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện-Điện Tử
• Đề tài: Điều Khiển Và Giám Sát Hệ Thống Lưu Kho Hàng Hóa
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI
• MỤC LỤC
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Lý do chọn đề tài
• 1.2.1. Khách quan
• 1.2.2. Chủ quan
• 1.2.3. Cải tiến so với đề tài trước
• 1.2.4. Ưu điểm
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 1.4. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu hệ thống lưu kho hàng hóa
• 2.2. Các hệ thống lưu kho hàng hóa
• 2.2.1. Mô hình xếp chồng (Auto Stacker)
• 2.2.2. Mô hình lưu trữ tự động hóa trên mặt đất (Above ground Automated Parking)
• 3. CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN THIẾT BỊ, THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH
• 3.1. Yêu cầu của hệ thống
• 3.2. Sơ đồ khối của hệ thống
• 3.3. Thiết kế và thi công phần cơ khí
• 3.3.1. Thiết kế kho lưu trữ hàng hóa
• 3.3.2. Thiết kế mô hình xe nâng
• 3.4. Lựa chọn, thiết kế và thi công phần điện
• 3.4.1. Module S7-1200 Digital I/O SM 1223
• 3.4.2. Động cơ bước Sumtor
• 3.4.3. Driver điều khiển động cơ bước Microstep
• 3.4.4. Cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4
• 3.4.5. Sơ đồ kết nối PLC
• 3.4.6. Sơ đồ kết nối động cơ bước với Driver điều khiển
• 3.4.7. Kết quả mô hình
• 3.4.8. Sơ đồ hệ thống cấp nguồn và dừng khẩn cấp
• 4. CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG
• 4.1. Yêu cầu điều khiển và giám sát
• 4.2. Kết quả trên màn hình HMI
• 4.3. Kết quả mô hình
• 4.4. Quy trình hoạt động của mô hình
• 5. CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Đánh giá đề tài
• 5.2. Hạn chế và hướng khắc phục
• 5.3. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển kho hàng

Hệ thống giám sát và điều khiển kho hàng tại HCMUTE được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả quản lý kho hàng. Hệ thống giám sát kho hàng cho phép theo dõi tình trạng hàng hóa theo thời gian thực, từ đó giảm thiểu sai sót trong quá trình lưu trữ và xuất hàng. Hệ thống điều khiển kho hàng sử dụng công nghệ PLC để tự động hóa các quy trình, giúp tiết kiệm thời gian và nhân lực. Việc áp dụng công nghệ quản lý kho hiện đại không chỉ nâng cao năng suất mà còn đảm bảo an toàn cho người lao động.

1.1. Lợi ích của hệ thống

Hệ thống mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho việc quản lý kho hàng. Đầu tiên, việc giám sát kho hàng tự động giúp giảm thiểu rủi ro mất mát hàng hóa. Thứ hai, hệ thống WMS (Warehouse Management System) cho phép tối ưu hóa không gian lưu trữ, từ đó tăng khả năng chứa hàng. Cuối cùng, việc sử dụng công nghệ IoT trong quản lý kho giúp kết nối và thu thập dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, tạo ra một hệ thống thông minh và linh hoạt.

II. Cấu trúc và hoạt động của hệ thống

Cấu trúc của hệ thống giám sát và điều khiển kho hàng tại HCMUTE bao gồm nhiều thành phần chính. Đầu tiên là cảm biến hồng ngoại và động cơ bước, giúp thực hiện các thao tác di chuyển hàng hóa một cách chính xác. Thứ hai, PLC (Programmable Logic Controller) đóng vai trò trung tâm trong việc điều khiển các thiết bị. Cuối cùng, phần mềm SCADA được sử dụng để giám sát và điều khiển hệ thống từ xa, cho phép người quản lý theo dõi tình trạng kho hàng mọi lúc mọi nơi.

2.1. Các thành phần chính

Hệ thống bao gồm các thành phần như mô hình lưu trữ hàng hóa, hệ thống di chuyển lên xuống, và cơ cấu lấy hàng. Mỗi thành phần đều được thiết kế để hoạt động đồng bộ, đảm bảo quy trình lưu trữ và xuất hàng diễn ra trơn tru. Việc lựa chọn thiết bị điện cần thiết và kết nối giữa các thiết bị với PLC là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.

III. Ứng dụng công nghệ trong quản lý kho

Việc ứng dụng công nghệ trong quản lý kho hàng tại HCMUTE không chỉ giúp nâng cao hiệu quả mà còn tạo ra một môi trường làm việc an toàn hơn. Giải pháp quản lý kho thông minh sử dụng các công nghệ như IoT và AI để phân tích dữ liệu và đưa ra quyết định tự động. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu sai sót trong quá trình quản lý hàng hóa.

3.1. Tương lai của hệ thống

Hệ thống giám sát và điều khiển kho hàng tại HCMUTE có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong tương lai. Việc tích hợp thêm các công nghệ mới như machine learning và big data sẽ giúp tối ưu hóa quy trình quản lý kho hàng. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả hoạt động mà còn tạo ra những cơ hội mới cho việc phát triển bền vững trong ngành logistics.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa các dây chuyền sản xuất và hệ thống kho bãi đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao năng suất, độ chính xác và hiệu quả hoạt động của doanh nghiệp. Phương thức lưu trữ và quản lý hàng hóa truyền thống tại các kho bãi bộc lộ nhiều nhược điểm: tiêu tốn diện tích mặt đất lớn, đòi hỏi nhiều nhân công lao động, quy trình vận chuyển bằng máy móc thủ công cồng kềnh và tiềm ẩn nhiều rủi ro về tai nạn lao động. Cùng với áp lực gia tăng dân số khiến quỹ đất sử dụng ngày càng bị thu hẹp, việc ứng dụng các giải pháp tự động hóa vào công tác quản lý kho hàng trở thành yêu cầu cấp thiết. Xuất phát từ quá trình tham quan, thực tập thực tế tại các nhà máy, khu công nghiệp và mong muốn tiếp cận dòng thiết bị điều khiển hiện đại, nhóm tác giả đã lựa chọn và thực hiện đề tài "Điều khiển và giám sát hệ thống lưu kho hàng hóa".

Đề tài đặt ra các mục tiêu nghiên cứu và vận hành cụ thể:

1. Thiết kế và thi công mô hình kho hàng hoạt động ổn định, đạt độ chính xác cao về mặt cơ khí.
2. Xây dựng hệ thống điều khiển điện, thiết lập phương thức vận hành trực tiếp bằng tay và tự động.
3. Thiết lập hệ thống giám sát và điều khiển SCADA trên máy tính thông qua phần mềm chuyên dụng.

Để hiện thực hóa các mục tiêu trên, nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành ba nhóm công việc chính:

1. Yêu cầu về cơ khí: Thiết kế và gia công mô hình lưu trữ hàng hóa; xây dựng hệ thống chuyển động tịnh tiến qua lại; xây dựng hệ thống chuyển động nâng lên hạ xuống; thiết kế cơ cấu lấy và trả hàng.
2. Yêu cầu về điện: Lựa chọn các thiết bị điện và khí cụ phù hợp; thiết kế sơ đồ kết nối giữa các thiết bị ngoại vi với bộ điều khiển lập trình PLC; thiết kế mạch cấp nguồn và mạch dừng khẩn cấp.
3. Lập trình và điều khiển: Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển; thiết lập truyền thông kết nối giữa PLC và máy tính; thiết kế giao diện giám sát SCADA bằng phần mềm TIA Portal.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình hệ thống lưu trữ và xuất nhập hàng hóa tự động hai bậc tự do kết hợp cơ cấu tay gắp khí nén, được điều khiển bởi bộ điều khiển khả trình PLC và giám sát qua giao diện máy tính.

Phạm vi nghiên cứu được xác định rõ:

• Không gian thực hiện: Khoa Đào tạo Chất lượng cao và Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
• Thời gian hoàn thành: Tháng 07 năm 2018.
• Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Simatic S7-1200 của hãng Siemens; chương trình điều khiển được viết hoàn toàn bằng ngôn ngữ hình thang (Ladder - LAD); hệ thống giám sát SCADA được xây dựng và chạy trực tiếp trên máy tính thông qua mạng cục bộ kết nối cổng Profinet, không triển khai giao diện điều khiển qua Web Server trên môi trường Internet.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, đề tài tiếp cận hệ thống lưu kho thông qua việc khảo sát bốn dạng mô hình kho hàng tự động phổ biến: mô hình xếp chồng (Auto Stacker), mô hình lưu trữ tự động hóa trên mặt đất (Above ground Automated Parking), mô hình kho lưu trữ tự động hóa dạng ngầm (Underground Automated Parking) và mô hình kho lưu trữ hàng hóa tự động hóa dạng tròn. Cấu trúc tổng thể của một hệ thống lưu kho hoàn chỉnh được xác định gồm hai thành phần cơ bản: nhà kho chứa hàng (kết cấu giàn không gian chứa các ô hàng) và xe nâng hàng (cơ cấu chấp hành đưa hàng hóa đến các vị trí định sẵn).

Về nền tảng điều khiển tự động, đề tài dựa trên lý thuyết về bộ điều khiển logic khả trình (PLC) theo định nghĩa của Hiệp hội Quốc gia về Sản xuất Điện Hoa Kỳ (NEMA). Cấu trúc phần cứng PLC gồm năm bộ phận chính: bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện nhập/xuất (I/O) và thiết bị lập trình. Luồng thông tin bên trong CPU được xử lý thông qua bốn hệ thống đường dẫn (bus): Bus dữ liệu, Bus địa chỉ, Bus điều khiển và Bus hệ thống. Kiến trúc bộ nhớ của dòng PLC Siemens Simatic S7-1200 bao gồm: bộ nhớ nạp (Load memory), bộ nhớ làm việc (Work memory), bộ nhớ lưu giữ (Retentive memory), bộ nhớ tạm thời (Temp/L), cùng các vùng nhớ trạng thái ngõ vào ảnh tiến trình (I), ngõ ra ảnh tiến trình (Q), bộ nhớ bit nội (M) và khối dữ liệu người dùng (DB). Hệ thống cung cấp ba cấp độ bảo mật mật khẩu: No protection, Write protection và Read/write protection.

Về phương pháp lập trình, đề tài ứng dụng phần mềm TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) tích hợp công cụ Simatic Step 7 V14 để lập trình PLC và Simatic WinCC V14 để xây dựng hệ thống SCADA. Cấu trúc chương trình người dùng được xây dựng theo dạng khối kết cấu, sử dụng các khối tổ chức (OB) như OB chu kỳ chương trình chính (OB1), OB ngắt lỗi thời gian (OB80), OB ngắt lỗi chẩn đoán (OB82), kết hợp các hàm (FC), khối hàm (FB) và khối dữ liệu (DB). Tập lệnh lập trình được khai thác bao gồm: các tiếp điểm logic NO/NC, cuộn dây ngõ ra, lệnh Set/Reset, bộ định thời Timer (thông số thời gian đặt PT, thời gian trôi qua ET), các lệnh so sánh, lệnh di chuyển dữ liệu (Move) và các khối hàm điều khiển chuyển động chuyên dụng (Motion Control):

• MC_Power: Khối lệnh cấp nguồn và kích hoạt trục điều khiển.
• MC_MoveRelative: Khối lệnh điều khiển chuyển động vị trí tương đối theo khoảng cách xác định.
• MC_MoveJog: Khối lệnh điều khiển chuyển động theo chế độ nhấp (Jog) phục vụ điều khiển bằng tay.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được thực hiện qua các bước:

1. Phương pháp phân tích và thiết kế kỹ thuật: Tính toán thông số cơ khí, phân tích lựa chọn cơ cấu truyền động vít me - đai ốc bi, tính toán công suất động cơ bước, thiết kế mạch nguyên lý điện và mạch khí nén.
2. Phương pháp thực nghiệm mô hình: Gia công khung cơ khí, lắp ráp các module điện - khí nén, kết nối dây phần cứng giữa PLC, driver và cảm biến; lập trình cấu hình phần cứng trên TIA Portal; nạp chương trình và chạy thử nghiệm từng chu trình lưu và xuất hàng để hiệu chỉnh tham số.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chính hãng từ Siemens về dòng vi điều khiển Simatic S7-1200 và phần mềm TIA Portal V14; bảng thông số kỹ thuật của linh kiện cơ điện (động cơ bước Sumtor, driver vi bước Microstep, vít me bi, cảm biến hồng ngoại, xylanh TPM, van khí nén KOGANEI); cùng số liệu thực nghiệm đo đạc trực tiếp từ mô hình vật lý.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển phân tầng gồm ba khối chức năng: khối điều khiển trung tâm và giao tiếp, khối cơ cấu chấp hành và truyền động, khối cảm biến và mạch an toàn.

Thành phần phần cứng	Model / Thông số kỹ thuật ghi nhận trong văn bản	Chức năng trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình (CPU)	Simatic S7-1200 CPU 1214C (DC/DC/DC), kích thước 110x100x75 mm; Bộ nhớ làm việc 50KB, bộ nhớ nạp 2MB, bộ nhớ giữ lại 2KB; 14 ngõ vào số / 10 ngõ ra số tích hợp, 2 ngõ ra tương tự, 6 bộ đếm tốc độ cao (HSC), 2 ngõ ra phát xung; Cổng Profinet	Xử lý logic chương trình điều khiển trung tâm, phát xung điều khiển vị trí động cơ bước, giao tiếp mạng với máy tính giám sát
Module mở rộng I/O	Module tín hiệu số SM 1223 Digital I/O	Mở rộng số lượng cổng vào/ra số phục vụ kết nối cảm biến và cơ cấu chấp hành
Động cơ truyền động	Động cơ bước Sumtor 3A (02 động cơ)	Dẫn động trục vít me tịnh tiến qua lại (trục X) và trục vít me nâng hạ (trục Y)
Bộ điều khiển động cơ	Driver điều khiển vi bước Microstep (02 bộ)	Nhận xung và tín hiệu hướng từ PLC để cấp dòng điều khiển chính xác bước quay động cơ
Cơ cấu truyền động cơ khí	Bộ trục vít me – đai ốc bi kết hợp thanh trượt dẫn hướng	Biến đổi chuyển động quay của động cơ bước thành chuyển động tịnh tiến cho xe nâng
Cơ cấu gắp / lấy hàng	Xylanh tác động kép TPM kết hợp van điện từ khí nén KOGANEI và van tiết lưu	Đẩy và thu hồi cơ cấu đỡ hàng để đưa sản phẩm vào hoặc lấy sản phẩm ra khỏi ô chứa
Cảm biến nhận diện	Cảm biến quang hồng ngoại E3F-DS30C4	Lắp đặt tại các ô hàng để kiểm tra trạng thái có hoặc không có sản phẩm
Cảm biến giới hạn	Công tắc hành trình cơ khí	Đặt tại các điểm biên của các trục chuyển động nhằm xác định tọa độ gốc và bảo vệ hành trình
Khí cụ đóng cắt & an toàn	Rơ le trung gian Omron; Nút ấn dừng khẩn cấp (Emergency Stop); Mạch nguồn DC/AC	Đệm tín hiệu công suất, bảo vệ quá dòng và ngắt nguồn khẩn cấp cơ cấu chấp hành khi có sự cố

Quy trình thiết kế và triển khai phần mềm được tiến hành trên môi trường TIA Portal V14:

1. Cấu hình phần cứng (Device configuration): Khai báo CPU 1214C DC/DC/DC và module mở rộng SM 1223 trên giao diện Device view; gán địa chỉ IP tĩnh cho cổng Profinet để liên kết với máy tính qua mạng Ethernet.
2. Cấu hình trục công nghệ (Technology Objects): Khai báo tham số cho trục ngang (trục X) và trục đứng (trục Y), thiết lập số xung phát ra cho một vòng quay của động cơ, khoảng cách di chuyển thực tế trên một vòng quay vít me, cài đặt giá trị vận tốc tối đa, vận tốc bắt đầu/kết thúc, độ tăng/giảm tốc độ và vận tốc xử lý trong tình huống sự cố khẩn cấp.
3. Xây dựng chương trình điều khiển: Lập trình bằng sơ đồ Ladder trong OB1 và các khối chức năng phụ trợ, quản lý thẻ biến trong PLC Tags, sử dụng các khối MC_Power để đóng ngắt động cơ, MC_MoveRelative để định vị xe nâng đến từng tọa độ ô kho, và MC_MoveJog để điều khiển dịch chuyển thủ công.
4. Xây dựng giao diện SCADA: Thiết kế màn hình đăng nhập bảo mật phân quyền người dùng và màn hình giám sát - điều khiển trung tâm trên Simatic WinCC V14, liên kết với bảng tag nội bộ của S7-1200 để hiển thị trực quan trạng thái ô hàng (đầy/trống), tọa độ xe nâng và các nút điều khiển chế độ chạy.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu cấp bách của quá trình tự động hóa sản xuất, thực trạng chiếm dụng mặt bằng và nguy cơ mất an toàn của các kho hàng thủ công. Tác giả phân tích tính khách quan của việc ứng dụng công nghệ cao để giảm giá thành, tiết kiệm nhân công, đồng thời nêu rõ lý do chủ quan nhằm tiếp cận và làm chủ dòng PLC Simatic S7-1200 thay vì chỉ dừng lại ở dòng S7-300 đã học trên lớp. Chương này vạch rõ các điểm cải tiến so với những đề tài đi trước: khắc phục tình trạng kết cấu mô hình lỏng lẻo, cải thiện tốc độ xử lý của động cơ bước, hướng tới sự ổn định khi vận hành. Tác giả xác định các giới hạn nghiên cứu về thời gian, thiết bị, chỉ viết chương trình dạng Ladder và giám sát SCADA trên máy tính nội bộ.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp hệ thống lý thuyết toàn diện phục vụ việc xây dựng đề tài. Nội dung bao gồm việc phân loại các hệ thống lưu kho tự động (xếp chồng, trên mặt đất, dạng ngầm, dạng tròn); lịch sử phát triển của thiết bị điều khiển lập trình từ năm 1968; cấu trúc phần cứng năm khối và các hệ thống Bus nội bộ của PLC. Chương này đi sâu vào dòng sản phẩm Siemens S7-1200, trình bày thông số kỹ thuật chi tiết của các CPU 1211C, 1212C, 1214C (thể hiện qua Bảng 2.1), các loại module tín hiệu số/analog (Bảng 2.2), module truyền thông RS232/RS485, cơ chế thực thi chương trình qua các khối OB, FC, FB, DB, cấu trúc bộ nhớ và ba cấp độ bảo vệ mật khẩu (Bảng 2.3). Tiếp đó, chương giới thiệu phần mềm TIA Portal, quy trình cấu hình địa chỉ IP, bảng kiểu dữ liệu (Bảng 2.5), tập lệnh logic cơ bản, tập lệnh Timer (Bảng 2.11, Bảng 2.12), lệnh so sánh (Bảng 2.13, Bảng 2.14), lệnh di chuyển dữ liệu (Bảng 2.15) và các khối điều khiển chuyển động MC_Power, MC_MoveRelative, MC_MoveJog (Bảng 2.16 đến 2.18). Cuối cùng, chương thuyết minh nguyên lý hoạt động của các thiết bị cơ điện: động cơ bước (biến từ trở, đơn cực, lưỡng cực, nhiều pha), driver điều khiển vi bước, cơ cấu trục vít me - đai ốc bi, cảm biến quang hồng ngoại E3F-DS30C4, hệ thống van khí nén - xylanh tác động kép, rơle trung gian Omron và công tắc hành trình.

Chương 3: Lựa chọn thiết bị, thiết kế thi công mô hình

Chương 3 tập trung vào quá trình hiện thực hóa mô hình vật lý. Tác giả thiết lập sơ đồ khối hệ thống và tiến hành thiết kế, thi công phần cơ khí gồm: khung giàn kho lưu trữ hàng hóa chia thành các ô chứa cố định, mô hình xe nâng hai trục tịnh tiến qua lại và nâng lên hạ xuống dẫn động bằng trục vít me - đai ốc bi, cùng cơ cấu lấy hàng hoàn chỉnh sử dụng van khí nén KOGANEI và xylanh TPM. Về phần điện, chương thuyết minh căn cứ lựa chọn các thiết bị: PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, module mở rộng ngõ vào/ra số SM 1223, hai động cơ bước Sumtor dòng định mức 3A, hai driver điều khiển vi bước Microstep, các cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4, rơle trung gian và công tắc hành trình. Chương cung cấp các bản vẽ kỹ thuật quan trọng: sơ đồ kết nối I/O của PLC S7-1200, sơ đồ đấu nối giữa PLC với driver điều khiển động cơ bước, và sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn kết hợp nút nhấn dừng khẩn cấp để đảm bảo an toàn cho toàn bộ hệ thống.

Chương 4: Điều khiển và giám sát hệ thống

Chương 4 trình bày chi tiết về quy trình điều khiển và kết quả vận hành thực nghiệm. Tác giả xây dựng lưu đồ giải thuật cho các chế độ vận hành bằng tay (Manual) và tự động (Auto). Trên giao diện máy tính, chương trình SCADA hiển thị màn hình đăng nhập xác thực và màn hình giám sát - điều khiển trung tâm. Kết quả thử nghiệm trên mô hình được ghi nhận qua các kịch bản cụ thể:

• Quá trình nhập hàng: Cơ cấu lấy hàng nhận vật phẩm tại vị trí nhận hàng, nâng hạ và dịch chuyển đưa hàng vào đúng ô chứa do người điều khiển chỉ định hoặc tự động phát hiện ô trống (ví dụ tự đưa vào ô số 2, ô số 3) và dừng tiếp nhận khi hệ thống ghi nhận các ô hàng đã đầy.
• Quá trình xuất hàng: Cơ cấu xe nâng tự động di chuyển đến ô hàng được chọn (ví dụ ô hàng 1 hoặc ô hàng 2), gắp vật phẩm và đưa ra vị trí xuất hàng theo yêu cầu công nghệ.

Chương 5: Đánh giá và hướng phát triển đề tài

Chương 5 tổng kết mức độ hoàn thành của đồ án. Nhóm tác giả khẳng định hệ thống đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thiết kế ban đầu: mô hình cơ khí vững chắc, xe nâng định vị chính xác vị trí các ô hàng, cơ cấu gắp khí nén hoạt động dứt khoát, mạch điện điều khiển và giao diện SCADA trên WinCC V14 vận hành ổn định. Đồng thời, chương chỉ rõ các điểm còn hạn chế về tốc độ đáp ứng của động cơ bước và việc chưa mở rộng được tính năng giám sát qua giao diện Web Server trên nền Internet. Từ đó, tác giả đề xuất các giải pháp khắc phục và phương hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án ghi nhận các kết quả kỹ thuật cụ thể đã đạt được trên mô hình thực nghiệm:

• Về cơ khí: Chế tạo hoàn thiện mô hình kho hàng nhiều ô chứa và cơ cấu xe nâng hai trục tọa độ (X-Y) chuyển động ổn định; ứng dụng thành công bộ truyền vít me – đai ốc bi giúp chuyển động tịnh tiến và nâng hạ đạt độ chính xác cao, loại bỏ hiện tượng rung lắc so với các cơ cấu truyền động trước đây.
• Về khí nén: Cơ cấu chấp hành gồm van khí nén KOGANEI và xylanh TPM thực hiện trơn tru các thao tác đẩy và thu hồi để đưa hàng hóa vào ô lưu trữ hoặc lấy hàng ra vị trí xuất kho.
• Về điều khiển và điện tự động: Kết nối hoàn chỉnh phần cứng CPU 1214C DC/DC/DC với module mở rộng SM 1223; phát xung điều khiển chính xác hai động cơ bước Sumtor 3A thông qua driver Microstep; hệ thống cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4 nhận biết chính xác trạng thái vật lý có/không có hàng tại từng ô chứa.
• Về giám sát SCADA: Xây dựng hệ thống giao diện SCADA trên phần mềm TIA Portal (Simatic WinCC V14), hỗ trợ người vận hành đăng nhập bảo mật, chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ điều khiển bằng tay và chế độ tự động, theo dõi trực quan vị trí xe nâng và trạng thái kho hàng theo thời gian thực.

Về giải pháp và kiến nghị kỹ thuật:

• Tác giả đề xuất phương án thiết kế mạch an toàn độc lập với PLC, sử dụng nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop) can thiệp trực tiếp vào mạch cấp nguồn nhằm ngăn chặn rủi ro hư hỏng thiết bị hoặc va đập cơ khí ngoài tầm kiểm soát của chương trình.
• Chuẩn hóa quy trình thiết kế phần mềm điều khiển bằng việc cấu trúc hóa các khối hàm chức năng và ứng dụng các khối công nghệ Motion Control tiêu chuẩn của Siemens, giúp chương trình tường minh, dễ gỡ lỗi và thuận tiện cho việc mở rộng số lượng ô kho.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước:

• Cải thiện độ cứng vững và tính thẩm mỹ của khung mô hình cơ khí, giải quyết tình trạng lỏng lẻo của các phiên bản thử nghiệm tiền nhiệm.
• Tăng cường độ chính xác định vị vị trí xe nâng nhờ sự kết hợp giữa động cơ bước, driver vi bước và trục vít me - đai ốc bi có thanh trượt dẫn hướng.
• Ứng dụng thành công phần mềm tích hợp TIA Portal V14 để thực hiện đồng bộ việc lập trình PLC S7-1200 và thiết kế giao diện SCADA giám sát trực quan trên máy tính, thay thế các phương thức điều khiển nút bấm cơ học rời rạc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản đề tài trực tiếp ghi nhận bao gồm:

• Tốc độ xử lý và đáp ứng chuyển động của động cơ bước trên mô hình thực tế vẫn còn hạn chế, chưa đạt mức vận tốc cao để tối ưu hóa triệt để thời gian lưu và xuất hàng.
• Hệ thống mới chỉ dừng lại ở việc điều khiển và giám sát cục bộ thông qua phần mềm SCADA WinCC cài đặt trên máy tính liên kết mạng Profinet nội bộ; chưa triển khai được tính năng điều khiển và giám sát từ xa thông qua giao diện Web (Web Server qua mạng Internet).
• Quy mô của mô hình dừng lại ở mức phòng thí nghiệm phục vụ học tập, số lượng ô chứa hàng và kích thước tải trọng hàng hóa còn mang tính mô phỏng, chưa chịu được tải trọng thực tế như trong môi trường công nghiệp.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Khai thác tính năng Web Server tích hợp sẵn trên CPU S7-1200 để xây dựng trang web quản trị, cho phép người dùng giám sát và điều khiển hoạt động của hệ thống kho hàng từ xa qua mạng Internet trên nhiều thiết bị khác nhau.
• Tối ưu hóa thuật toán điều khiển chuyển động và nâng cao tần số điều khiển xung cấp cho driver vi bước để tăng tốc độ vận hành của động cơ bước mà vẫn bảo đảm độ mịn và độ chính xác dừng vị trí.
• Nghiên cứu mở rộng quy mô hệ thống, tăng số lượng tầng và ô chứa hàng, tích hợp thêm các công nghệ nhận diện tự động như quét mã vạch (Barcode) hoặc công nghệ nhận dạng qua tần số vô tuyến (RFID) để quản lý chi tiết thông tin chủng loại hàng hóa lưu kho.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Robot khi thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp có liên quan đến hệ thống lưu kho tự động, hệ thống định vị nhiều trục và ứng dụng thiết bị điều khiển khả trình.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

• Toàn bộ nội dung Chương 2 và Chương 3: Cung cấp tài liệu chi tiết về thông số kỹ thuật, phương pháp cấu hình phần cứng dòng PLC Simatic S7-1200 CPU 1214C, sơ đồ nguyên lý ghép nối giữa ngõ ra phát xung của PLC với driver điều khiển động cơ bước Microstep, cùng phương pháp thiết kế mạch dừng khẩn cấp và bảo vệ an toàn.
• Hướng dẫn ứng dụng các khối điều khiển vị trí Motion Control (MC_Power, MC_MoveRelative, MC_MoveJog) trong môi trường TIA Portal V14 để điều khiển chính xác trục cơ điện vít me - đai ốc bi.
• Phương pháp xây dựng giao diện điều khiển và giám sát SCADA trên phần mềm Simatic WinCC V14 kết nối qua giao thức Profinet, hỗ trợ sinh viên nắm vững kỹ năng thiết kế giao diện vận hành và liên kết biến PLC Tags với các đối tượng hiển thị đồ họa.

Câu hỏi thường gặp

Đồ án sử dụng dòng vi điều khiển PLC nào và thông số kỹ thuật phần cứng chính được ghi nhận ra sao?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens Simatic S7-1200 với model CPU 1214C (DC/DC/DC), kết hợp module mở rộng tín hiệu số SM 1223 Digital I/O. Theo số liệu tại Bảng 2.1 của đồ án, CPU 1214C có kích thước vật lý 110x100x75 mm, bộ nhớ làm việc 50KB, bộ nhớ nạp 2MB, bộ nhớ lưu giữ 2KB, tích hợp sẵn 14 ngõ vào số / 10 ngõ ra số, 2 ngõ ra tương tự, 6 bộ đếm tốc độ cao (HSC), 2 ngõ ra phát xung và tích hợp 1 cổng truyền thông Ethernet/Profinet.

Cơ cấu dẫn động xe nâng và cơ cấu lấy/trả hàng trong mô hình kho được chế tạo từ các thiết bị gì?
Chuyển động tịnh tiến hai trục (trục ngang X và trục đứng Y) của xe nâng được dẫn động bởi hai động cơ bước Sumtor dòng 3A thông qua hai bộ driver vi bước Microstep kết hợp cùng bộ truyền trục vít me – đai ốc bi và thanh trượt dẫn hướng. Cơ cấu lấy và trả hàng sử dụng năng lượng khí nén, gồm một xylanh tác động kép TPM điều khiển bằng van điện từ khí nén KOGANEI có tích hợp van tiết lưu để thực hiện thao tác đẩy phôi vào hoặc kéo phôi ra khỏi ô chứa.

Những khối hàm điều khiển chuyển động (Motion Control) nào được sử dụng trong chương trình PLC?
Tác giả sử dụng các khối hàm công nghệ chuyên dụng của Siemens trong môi trường TIA Portal bao gồm: khối MC_Power dùng để đóng ngắt nguồn và kích hoạt trạng thái điều khiển cho trục, khối MC_MoveRelative dùng để điều khiển xe nâng dịch chuyển tương đối một khoảng cách xác định đến các ô hàng, và khối MC_MoveJog dùng để dịch chuyển nhấp trục phục vụ chế độ vận hành bằng tay.

Hệ thống phát hiện hàng hóa tại các ô lưu trữ bằng phương thức nào?
Trạng thái có hay không có sản phẩm tại từng ô chứa hàng trong kho được phát hiện tự động bằng các cảm biến quang hồng ngoại model E3F-DS30C4 lắp đặt tại các ô. Tín hiệu số từ các cảm biến này được đưa về các ngõ vào của module mở rộng SM 1223 để PLC xử lý logic và cập nhật trạng thái hiển thị lên màn hình SCADA.

So với các đề tài khóa trước, đồ án đã khắc phục được nhược điểm gì và còn tồn tại hạn chế nào?
Đồ án đã khắc phục được nhược điểm của các nhóm sinh viên đi trước nhờ gia cố mô hình cơ khí chắc chắn hơn, sử dụng trục vít me - đai ốc bi giúp tăng độ chính xác định vị và tối ưu hóa điều khiển động cơ bước. Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn hai hạn chế kỹ thuật chưa hoàn thiện: tốc độ xử lý của động cơ bước vẫn chưa thật sự nhanh và chưa xây dựng được giao diện điều khiển, giám sát qua Web Server trên môi trường Internet.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát hệ thống lưu kho hàng hóa" của sinh viên Nguyễn Văn Hoàng Hiệp và Trần Hồng Quân đã hoàn thành mục tiêu thiết kế và thi công mô hình kho lưu trữ tự động vận hành ổn định. Đề tài kết hợp thành công cơ cấu truyền động vít me - đai ốc bi dẫn động bởi động cơ bước Sumtor 3A, cơ cấu tay gắp khí nén KOGANEI - TPM, cùng hệ thống điều khiển trung tâm PLC Simatic S7-1200 CPU 1214C và phần mềm TIA Portal V14. Toàn bộ chu trình lưu, xuất hàng hóa ở hai chế độ tự động và bằng tay đều được hiển thị, giám sát trực quan thông qua giao diện SCADA trên WinCC. Dù vẫn còn hạn chế về mặt tốc độ động cơ và chưa triển khai giao diện Web Server qua mạng Internet, kết quả nghiên cứu mang lại giá trị thực nghiệm và tài liệu học thuật hoàn chỉnh cho sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện - điện tử và tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin…. do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng. Xuất phát từ những đợt đi thực tập tốt nghiệp tại nhà máy, các khu công nghiệp và tham quan các doanh nghiệp sản xuất, chúng em đã được thấy nhiều khâu được tự động hóa trong quá trình sản xuất. Từ những điều đã được nhìn thấy trong thực tế cuộc sống và những kiến thức mà em đã học được ở trường muốn tạo ra hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời vẫn đảm bảo được độ chính xác cao về vị trí .Nên chúng em đã quyết định thiết kế và thi công một mô hình “Lưu, xuất kho bằng tay và tự động”, điều này rất quan trọng bởi nó giúp cho chúng ta có thể quản lý hàng hóa của mình một cách khoa học, có hệ thống và có tính linh hoạt cao, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động, giảm giá thành hoạt động, giảm bớt phần nào sức lao động và giảm bớt tai nạn lao động và tiết kiệm được một diện tích đất rất lớn khi làm việc.

Góp phần giúp ích cho xã hội và đất nước ta phát triển. Tuy nhiên do hạn chế về kinh nghiệm thực tế cũng như về kiến thức,thời gian thực hiện,nên việc thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy,rất mong sự chỉ bảo thêm của quí Thầy Cô cũng như những đóng góp của các bạn sinh viên. Lý do chọn đề tài 1.

Khách quan Thay vì cách lưu trữ hàng hóa thủ công tốn nhiều diện tích cũng như nhân công lao động, hệ thống kho hàng tự động sẽ giúp cho chúng ta giải quyết cái vấn đề trên. Với việc ứng dụng công nghệ cao trong việc cất giữ hàng hóa, giờ đây bạn có thể quản lý hàng hóa của mình một cách khoa học , có hệ thống và có tính linh hoạt cao - từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động và giảm giá thành hoạt động. Chủ quan Hiện nay hệ thống điều khiển dùng PLC được sử dụng rất nhiều trong mọi lĩnh vực của đời sống và lao động sản xuất. Vì vậy, nhóm muốn tìm hiểu đề tài để có thể ngoài PLC S7-300 có thể biết thêm PLC S7-1200 để có thể chủ động hơn khi ra trường.

Ngoài ra việc thiết kế hệ thống giúp nhóm có thể ứng dụng những lý thuyết đã học trên lớp vào thực tiễn giúp có kinh nghiệm hơn trong công việc làm sau này. Cải tiến so với đề tài trước. Sau khi tham khảo những đề tài lưu kho tương tự của các nhóm sinh viên đi trước chúng em nhận thấy các nhóm trước đây đều đã hoàn thành được các yêu cầu cơ bản của một hệ thống lưu và xuất kho như lưu và xuất kho chính xác có thể điều khiển bằng tay và tự động, sử dụng vít me-đai ốc bi và thanh trượt để tăng độ chính xác, chắc chắn cho hệ thống, đồng thời sử dụng động cơ bước để điều khiển, có thể nhận biết được sản phẩm ở từng ô hàng là có hay không,ngoài ra còn có thể giám sát và điều khiển thông qua SCADA trên màn hình máy tính… nhưng vẫn còn một số hạn chế như mô hình chưa chắc chắn,tốc độ xử lý của động cơ bước còn chưa nhanh, chưa thể giám sát và điều khiển được trên giao diện web ( thông qua Internet, web Server) … Vì vậy nhóm chúng em sẽ tập trung khắc phục những hạn chế trên.  Ưu điểm :  Tận dụng được thể tích kho chứa  Cố định vị trí hàng hóa trong kho  Đảm bảo tự động hóa kho hàng  Khi cần sản phẩm nào chỉ cần nhấn nút, sản phẩm sẽ được đưa tới nói cần thiết.

Giảm thời gian lựa chọn hàng hóa  Đảm bảo an toàn công tác kho nhờ ổn định vững chắc vị trí hàng hóa 1. Giới hạn đề tài Do các điều kiện khách quan và chủ quan như thời gian, nhân lực, kiến thức,…nên nhóm chúng em sẽ thực hiện các nội dung sau:  Thiết kế và thi công mô hình.  Kết nối PLC với máy tính.  Thiết lập lưu đồ điều khiển.

 Lập trình cho PLC S7-1200 của Simatic.  Thiết kế giao diện SCADA để điều khiển và giám sát hệ thống.  Chỉ viết chương trình dạng Ladder. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài này sẽ giúp cho nhóm chúng em cũng như các bạn sinh viên khác hiểu thêm về PLC, tăng khả năng tư duy, sáng tạo để có được ý tưởng thực hiện đề tài, thấy được tầm quan trọng của môn học PLC cũng như các môn học khác, có khả năng vận dụng những kiến thức, lý thuyết đã được học để giải quyết những vấn đề trong thực tiễn qua đó tích lũy được thêm kiến thức, kinh nghiệm để có thể hoàn thành tốt công việc thực tiễn.

3 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu hệ thống lưu kho hàng hóa 2. Các hệ thống lưu kho hàng hóa  Mô hình xếp chồng (Auto Stacker) Hình 2. 1:Mô hình xếp chồng Mô hình này sử dụng một hệ thống thủy lực để nâng tối đa 4 thùng hàng xếp cạnh nhau lên một tầng cao để dành chỗ cho 4 thùng hàng khác ở bên dưới.Tuy nhiên, giải pháp này chỉ phù hợp với qui mô nhỏ, hiệu quả kinh tế không cao.

 Mô hình lưu trữ tự động hoá trên mặt đất (Above ground Automated Parking) Hình 2. 2:Mô hình lưu trữ tự động hóa trên mặt đất 4 do an Mô hình này là một bước cải tiến so với mô hình trên,sức chứa có thể tăng gấp nhiều lần so với mô hình xếp chồng. Bố trí các hàng hóa sát nhau và thu hẹp khoảng cách giữa các tầng, các khâu nhận bảo quản và trả hàng hoàn toàn được tự động hóa,với sự trợ giúp của công nghệ hiện đại việc điều khiển, giám sát kho lưu trữ hàng hóa tự động được thực hiện khá dễ dàng.  Mô hình kho lưu trữ tự động hoá dạng ngầm ( Underground Automated Parking) Hình 2.

3:Mô hình lưu trữ tự động hóa dạng ngầm Có cấu trúc tương tự mô hình kho lưu trữ hàng tự động hoá nhưng đươc thiết kế dạng ngầm dưới đất. Do đó ở mô hình này có thể tiết kiệm không gian nhưng thi công tương đối khó khăn.  Mô hình kho lưu trữ hàng hóa tự động hóa dạng tròn Hình 2. 4: Mô hình lưu trữ tự động hóa dạng tròn 5 do an Mô hình này là một trong những bước phát triển lớn của mô hình kho lưu trữ hàng tự động hóa, hàng được xếp thành nhiều tầng và những ô hay vị trí nâng hàng được xếp theo dạng vòng tròn, mức độ hiện đại cao hơn so với những mô hình trước, dùng sử dụng cho các kho có số lượng hàng lớn có mức độ hàng hóa tương đối cao,ở mô hình kho lưu trữ hàng hóa tự động dạng tròn có những ưu điểm đó là số lượng hàng hóa gửi vào tương đối lớn,mức độ tự động hóa cao,việc điều khiển giám sát dễ dàng.

Cấu trúc hệ thống lưu kho hàng hóa Cấu trúc của một hệ thống lưu kho hàng hóa gồm có 2 phần:  Nhà kho chứa hàng  Xe nâng hàng Xe nâng hàng được kết nối với thiết bị lập trình và các thiết bị điều khiển khác để vận hành đưa hàng tới các vị trí trong nhà kho. Tổng quan về PLC 2. Sơ lược về sự phát triển Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable Controller) đã được thiết kế lần đầu tiên cho ra đời năm 1968 (Công ty General Moto - Mỹ). Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người dùng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống.

Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn gặp nhiều khó khăn, lúc này không có các thiết bị hỗ trợ cho công việc lập trình. Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable controller handle) đầu tiên được ra đời năm 1969. Điều này đã tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình. Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống cổ điển.

Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là lập trình dùng giản đồ hình thang (The diagroom format). Trong những năm đầu tiên của thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hỗ trợ (Arithmetic), “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (Data manipulation). Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính ( Cathode Ray Tube : CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển và lập trình cho hệ thống ngày càng trở nên thuận tiện hơn. 6 do an Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệ thống ngõ vào/ra có thể tăng thêm 800 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128.000 từ bộ nhớ (Word of memory).

Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kĩ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ. Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kì quét (Scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt hơn với những chức năng phức tạp số lượng cổng vào/ra lớn. Trong các tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam. ngoài ra các thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển “thông minh” (Intelligent) còn gọi là các siêu PLC (Super PLC) cho tương lai.

Khái niệm về PLC PLC là các chữ được viết tắt từ : Programmable Logic Controller. Theo hiệp hội quốc gia về sản xuất điện Hoa kỳ thì PLC là một thiết bị điều khiển mà được trang bị các chức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung và tính toán cho phép điều khiển nhiều loại máy móc và các bộ xử lý. Các chức năng đó được đặt trong bộ nhớ mà tạo lập sắp xếp theo chương trình.