Kiểm Soát và Giám Sát Hệ Thống Lưu Trữ Tự Động Sử Dụng S7-1200

Hệ thống lưu trữ tự động sử dụng S7-1200 đang trở thành một giải pháp tối ưu cho… 148 trang · Ho Chi Minh City University of Technology and Education · 2023.

• Tác giả: Vương Hữu Sung
• Người hướng dẫn: Nguyễn Phan Thanh, PhD
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Control and Automation Engineering
• Đề tài: Control And Monitor Automated Storage And Retrieval Systems Using S7 - 1200
• Loại tài liệu: Graduation Project
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENTS
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• LIST OF ACRONYMS
• 1. CHƯƠNG 1: GRADUTAION THESIS
• 1.1. Problem statement
• 1.2. Objectives
• 1.3. Limitation
• 1.4. Research methods
• 1.5. Contents
• 2. CHƯƠNG 2: THEORETICAL BASIS
• 2.1. Product classification methods
• 2.2. Types of AS/RS
• 2.2.1. Unit-Load AS/RS
• 2.2.2. Mini-Load AS/RS
• 2.2.3. Shuttle-based AS/RS
• 2.2.4. Carousel-Based AS/RS
• 2.2.5. Vertical Lift Module (VLM) AS/RS
• 2.2.6. Micro-Load Stocker AS/RS
• 2.2.7. VSM – Vertical Sequence Module for Buffering and Sequencing
• 2.2.8. AS/RS assessment criteria
• 2.3. Types of control system configurations
• 2.4. Introduction to stepper motors
• 2.5. Stepper motor control method
• 2.6. Product detection sensors
• 2.7. Warehouse data management methods
• 2.8. Softwares used for programming
• 2.8.1. Tia Portal software
• 2.8.2. Microsoft Visual Studio and Windows Forms Application
• 2.9. PROFINET and ETHERNET
• 2.10. H-bridge circuit controls a DC motor
• 3. CHƯƠNG 3: CALCULATION, DESIGN AND EQUIPMENT SELECTION
• 3.1. System operating requirements
• 3.2. Axis with 2 degrees of freedom
• 3.3. Selection of model design solutions
• 3.4. Hardware design requirements
• 3.5. Materials for conveyor belts
• 3.6. Mechanical transmission solutions
• 3.7. Cylindrical linear rail
• 3.8. Switching Power Supply
• 3.9. PLC SIEMENS 1214C DC/DC/DC 6ES7214-1AG40-0XB0
• 3.10. Stepper Motor Driver TB6600
• 3.11. Circuit Breaker ANDELI ADB3-63 (CB)
• 3.12. Siemens SM 1223 DC/DC 6ES7 223-1BH32-0XB0
• 3.13. Design sketch drawings for model construction
• 3.13.1. Conveyor belt design
• 3.13.2. Complete model design
• 3.14. Block diagram and functions
• 3.15. System control flow diagrams
• 3.15.1. PLC input and output wiring diagram
• 3.15.2. Wiring diagram of reducer motor and stepper motors
• 3.16. List of devices
• 4. CHƯƠNG 4: SYSTEM CONSTRUCTION
• 5. CHƯƠNG 5: RESULTS - COMMENTS – EVALUATION
• 5.1. Web server interface
• 5.2. QR code image processing interface
• 5.3. Control and monitor on the phone
• 5.4. Analyze and compare
• 6. CHƯƠNG 6: CONCLUSION AND DEVELOPMENT DIRECTION
• 6.1. Limitations of the product model
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• LIST OF ACRONYMS
• ABSTRACTS

Tóm tắt

I. Tổng quan về Hệ Thống Lưu Trữ Tự Động Sử Dụng S7 1200

Hệ thống lưu trữ tự động sử dụng S7-1200 đang trở thành một giải pháp tối ưu cho quản lý kho. Với khả năng tự động hóa quy trình lưu trữ, hệ thống này giúp giảm thiểu thời gian và chi phí, đồng thời nâng cao hiệu quả công việc. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp cải thiện quy trình quản lý kho mà còn tạo ra những lợi ích kinh tế đáng kể cho doanh nghiệp.

1.1. Công nghệ S7 1200 và ứng dụng trong quản lý kho

Công nghệ S7-1200 là một trong những giải pháp tiên tiến nhất trong lĩnh vực tự động hóa. Hệ thống này cho phép điều khiển và giám sát các thiết bị trong kho một cách hiệu quả, từ đó tối ưu hóa quy trình lưu trữ và quản lý hàng hóa.

1.2. Lợi ích của hệ thống lưu trữ tự động hóa kho

Hệ thống lưu trữ tự động hóa kho mang lại nhiều lợi ích như giảm thiểu sai sót trong quản lý hàng tồn kho, tăng tốc độ xử lý đơn hàng và cải thiện độ chính xác trong việc theo dõi hàng hóa.

II. Thách thức trong quản lý kho truyền thống và giải pháp

Quản lý kho truyền thống thường gặp nhiều thách thức như thời gian xử lý chậm, sai sót trong kiểm kê và khó khăn trong việc theo dõi hàng hóa. Những vấn đề này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc mà còn gây ra tổn thất kinh tế cho doanh nghiệp. Hệ thống lưu trữ tự động hóa kho với S7-1200 được xem là giải pháp hiệu quả để khắc phục những thách thức này.

2.1. Vấn đề trong quy trình lưu trữ truyền thống

Quy trình lưu trữ truyền thống thường tốn nhiều thời gian và công sức, dẫn đến việc không thể đáp ứng kịp thời nhu cầu của khách hàng. Điều này gây ra sự không hài lòng và ảnh hưởng đến uy tín của doanh nghiệp.

2.2. Giải pháp tự động hóa quy trình kho

Giải pháp tự động hóa quy trình kho giúp giảm thiểu thời gian xử lý và tăng cường độ chính xác trong việc quản lý hàng hóa. Hệ thống S7-1200 cho phép điều khiển tự động và giám sát liên tục, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động.

III. Phương pháp triển khai hệ thống lưu trữ tự động S7 1200

Để triển khai hệ thống lưu trữ tự động S7-1200, cần thực hiện một số bước quan trọng như phân tích yêu cầu, thiết kế hệ thống và lắp đặt thiết bị. Mỗi bước đều cần được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và ổn định.

3.1. Phân tích yêu cầu và thiết kế hệ thống

Phân tích yêu cầu là bước đầu tiên trong việc triển khai hệ thống. Cần xác định rõ các yêu cầu về lưu trữ, quản lý hàng hóa và các thiết bị cần thiết để thiết kế hệ thống phù hợp.

3.2. Lắp đặt và cấu hình thiết bị

Sau khi thiết kế, việc lắp đặt và cấu hình thiết bị là rất quan trọng. Cần đảm bảo rằng tất cả các thiết bị được kết nối và hoạt động đúng cách để hệ thống có thể hoạt động hiệu quả.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống lưu trữ tự động S7 1200

Hệ thống lưu trữ tự động S7-1200 đã được áp dụng thành công trong nhiều doanh nghiệp, giúp cải thiện quy trình quản lý kho và tăng cường hiệu quả hoạt động. Các ứng dụng thực tiễn cho thấy rõ ràng lợi ích của việc tự động hóa trong quản lý kho.

4.1. Các doanh nghiệp áp dụng thành công

Nhiều doanh nghiệp lớn đã áp dụng hệ thống lưu trữ tự động S7-1200 và ghi nhận sự cải thiện rõ rệt trong quy trình quản lý kho. Họ đã giảm thiểu thời gian xử lý đơn hàng và tăng cường độ chính xác trong kiểm kê.

4.2. Kết quả nghiên cứu và đánh giá hiệu quả

Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng hệ thống lưu trữ tự động không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao năng suất lao động. Điều này chứng tỏ rằng tự động hóa là xu hướng tất yếu trong quản lý kho.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống lưu trữ tự động

Hệ thống lưu trữ tự động S7-1200 không chỉ là một giải pháp hiện tại mà còn là một xu hướng tương lai trong quản lý kho. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, hệ thống này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và lợi ích hơn nữa cho doanh nghiệp.

5.1. Tương lai của tự động hóa trong quản lý kho

Tự động hóa trong quản lý kho sẽ tiếp tục phát triển và mở rộng, với nhiều công nghệ mới được áp dụng. Điều này sẽ giúp doanh nghiệp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu chi phí.

5.2. Khuyến nghị cho doanh nghiệp

Doanh nghiệp nên xem xét việc áp dụng hệ thống lưu trữ tự động S7-1200 để cải thiện quy trình quản lý kho. Việc đầu tư vào công nghệ này sẽ mang lại lợi ích lâu dài và giúp doanh nghiệp cạnh tranh tốt hơn trên thị trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh hội nhập kinh tế quốc tế, ngành công nghiệp và thương mại tại Việt Nam ghi nhận sự phát triển mạnh mẽ với khối lượng hàng hóa lưu chuyển ngày càng lớn. Theo số liệu từ Bộ Công Thương năm 2021, tổng kim ngạch xuất nhập khẩu của Việt Nam đạt mức kỷ lục 668,5 tỷ USD, tăng 22,6% so với năm trước đó; trong đó xuất khẩu tăng 19% và nhập khẩu tăng 26%, đưa Việt Nam vào nhóm 20 nền kinh tế hàng đầu về quy mô thương mại quốc tế. Mức tăng trưởng xuất khẩu bình quân trong 35 năm qua đạt trên 20%/năm, với nhiều mặt hàng thuộc top 5 thế giới như gạo, hạt điều, cà phê, dệt may, giày dép và thủy sản. Sự gia tăng nhanh chóng về lượng sản phẩm đặt ra yêu cầu cấp thiết đối với việc tối ưu hóa quy trình lưu trữ, vận chuyển và quản lý kho hàng nhằm đảm bảo tính khoa học, độ chính xác, tốc độ cao và an toàn lao động.

Tại các nhà máy và trung tâm logistics ở nhiều quốc gia phát triển, các hệ thống kho thông minh cùng robot tự động đã được triển khai rộng rãi để quản lý luân chuyển hàng hóa. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc ứng dụng các hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động (AS/RS - Automated Storage and Retrieval System) vẫn còn nhiều hạn chế và chưa phổ biến sâu rộng trong các khu công nghiệp. Phần lớn các kho hàng vẫn phụ thuộc vào quy trình phân loại và bốc xếp thủ công, dẫn đến năng suất chưa cao, chi phí nhân công lớn và dễ xảy ra sai sót trong quản lý tồn kho.

Xuất phát từ thực tiễn đó, tác giả Vương Hữu Sung (ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh) đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài "Control and Monitor Automated Storage and Retrieval Systems Using S7 - 1200" (Điều khiển và giám sát hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động sử dụng PLC S7-1200), dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Phan Thanh.

Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ của đề tài được xác định cụ thể như sau:

1. Thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình phần cứng của hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động AS/RS.
2. Ứng dụng bộ điều khiển lập trình logic PLC Siemens S7-1200 để điều khiển chuyển động và giám sát toàn bộ hoạt động của mô hình theo thời gian thực.
3. Thu thập, phân loại sản phẩm bằng mã QR/mã vạch và lưu trữ, quản lý dữ liệu xuất nhập kho thông qua giao diện máy tính và Web server trên thiết bị di động.

Phạm vi và giới hạn của đề tài:

• Không gian và quy mô: Đề tài được giới hạn nghiên cứu và thực nghiệm trên mô hình kho hàng thu nhỏ gồm 9 ô chứa (3 hàng x 3 cột).
• Khả năng chịu tải: Hệ thống chấp hành cơ khí được tính toán để nâng hạ và vận chuyển các kiện hàng mẫu có khối lượng trong khoảng từ 0 đến 450 gam.
• Thời gian thực hiện: Từ ngày 15/09/2023 đến ngày 20/12/2023.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp nghiên cứu cơ sở lý thuyết chuyên ngành tự động hóa, điều khiển truyền động điện và công nghệ xử lý ảnh công nghiệp để xây dựng hệ thống:

• Phương pháp phân loại sản phẩm trong công nghiệp: Khảo sát các phương pháp phân loại phổ biến như phân loại theo khối lượng (dùng cảm biến lực), phân loại theo màu sắc (cảm biến màu), phân loại theo chiều cao và phân loại nhận dạng bằng mã vạch 1D (EAN8, EAN13, Code128) hoặc mã ma trận 2D (QR code có khả năng lưu trữ tối đa 7.089 ký tự số hoặc 4.296 ký tự chữ-số).
• Các cấu trúc hệ thống AS/RS: Tổng quan các hệ thống kho tự động gồm Unit-Load AS/RS (loại cần trục cố định fixed-aisle và cần trục di chuyển moveable-aisle), Mini-Load AS/RS, Shuttle-based AS/RS, Carousel-based AS/RS (xoay ngang, xoay đứng, robot xoay), Vertical Lift Module (VLM), Micro-Load Stocker và Vertical Sequence Module (VSM).
• Cấu hình hệ thống điều khiển: So sánh cấu hình thu thập tín hiệu tập trung (Centralized I/O) và phân tán (Distributed I/O thông qua chuẩn truyền thông RS-232, RS-485).
• Truyền động và cảm biến: Lý thuyết điều khiển động cơ bước (Stepper motor) bước góc tiêu chuẩn 1,8 độ/bước (200 bước/vòng) không dùng phản hồi vòng kín; nguyên lý cảm biến quang điện (Photoelectric Sensor) và cảm biến tiệm cận loại điện cảm (Inductive Proximity Sensor), điện dung (Capacitive Proximity Sensor); mạch cầu H điều khiển đảo chiều động cơ DC băng tải.
• Giao thức truyền thông và mạng công nghiệp: Phân tích giao thức truyền thông công nghiệp PROFINET và EtherNet/IP hoạt động trên nền tảng mạng Ethernet công nghiệp để truyền nhận dữ liệu giữa PLC, máy tính điều khiển và các thiết bị ngoại vi.
• Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Đề tài sử dụng phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật, mô hình hóa cơ cấu chuyển động cơ khí (trục vít me, ray dẫn hướng trượt tròn), lập trình phần mềm điều khiển trên TIA Portal V18, lập trình giao diện xử lý ảnh WinForms bằng C# trên Visual Studio 2019 và xây dựng giao diện Web server bằng HTML/CSS/JavaScript.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc tích hợp giữa phần cứng cơ - điện và phần mềm điều khiển, giám sát đa nền tảng.

Hạng mục	Thành phần / Công nghệ	Thông số / Đặc điểm kỹ thuật
Bộ điều khiển trung tâm	PLC Siemens S7-1200	CPU 1214C DC/DC/DC (Mã đặt hàng: 6ES7214-1AG40-0XB0)
Module mở rộng	Siemens Signal Module	SM 1223 DC/DC (16 DI / 16 DQ, mã 6ES7 223-1BH32-0XB0)
Cơ cấu truyền động trục	Động cơ bước & Driver	Nema 23 (trục X), Nema 17 (trục Y), Driver điều khiển TB6600
Cơ cấu cơ khí	Dẫn hướng & Truyền động	Trục vít me (Lead screw), ray trượt tròn (Cylindrical linear rail)
Băng tải cấp phôi	Băng tải dây đai PVC	Động cơ DC giảm tốc điều khiển qua mạch cầu H
Thiết bị đóng cắt & Nguồn	Bộ nguồn & Aptomat	Nguồn tổ ong (Switching Power Supply 24VDC), Aptomat ANDELI ADB3-63
Cảm biến vị trí	Cảm biến công nghiệp	Cảm biến quang điện, cảm biến tiệm cận điện cảm/điện dung
Nhận diện sản phẩm	Camera & Xử lý ảnh	Camera đọc mã QR gắn trên trục, xử lý trên C# WinForms (.NET Framework)
Môi trường lập trình PLC	TIA Portal V18	Cấu hình PTO/PWM, Motion Control, cài đặt tốc độ, gia tốc và giảm tốc
Giao diện giám sát	Web Server & Mobile	HTML, CSS, JavaScript tích hợp trực tiếp trên Web server của S7-1200

Quy trình công nghệ và thuật toán vận hành

1. Quá trình nhập kho (Import Mode): Sản phẩm được đặt lên băng tải PVC. Động cơ DC kéo băng tải đưa kiện hàng đến vị trí quét mã. Camera cố định trên trục quét mã QR trên bao bì sản phẩm; thông tin được phần mềm C# giải mã và truyền lệnh tới PLC S7-1200 thông qua mạng PROFINET/Ethernet. PLC kiểm tra các ô chứa còn trống trong kho 9 ô, kích hoạt bộ phát xung điều khiển các driver TB6600 để động cơ bước Nema 23 và Nema 17 di chuyển cơ cấu gắp đến vị trí nhận hàng, nâng kiện hàng và đưa vào ô lưu trữ tương ứng, sau đó cập nhật trạng thái ô sang "đã có hàng".
2. Quá trình xuất kho (Export Mode): Người vận hành lựa chọn loại hàng hóa hoặc vị trí ô cần xuất trên giao diện Web server hoặc phần mềm WinForms. PLC nhận tín hiệu, điều khiển cơ cấu cần trục 2 bậc tự do di chuyển đến đúng tọa độ ô chứa, gắp kiện hàng ra và chuyển tới băng tải để đưa ra ngoài vị trí nhận hàng, đồng thời hệ thống tự động trừ số lượng tồn kho và cập nhật trạng thái ô thành "trống".

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu (Problem Statement, Objectives, Limitations, Research Methods, Contents)

Chương này nêu bật bức tranh tổng quan về sự bùng nổ kim ngạch xuất nhập khẩu của Việt Nam (đạt 668,5 tỷ USD năm 2021) và nhu cầu cấp thiết của việc hiện đại hóa hệ thống kho bãi. Tác giả trình bày tính cấp thiết của đề tài, các mục tiêu cụ thể, phương pháp tiếp cận nghiên cứu dựa trên việc khảo sát các hệ thống tự động hóa trên thị trường, cùng các giới hạn kỹ thuật của mô hình thử nghiệm (kho 9 ô, tải trọng 0-450g).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết (Theoretical Basis)

Chương 2 trình bày chi tiết các lý thuyết nền tảng phục vụ cho việc tính toán và thiết kế:

• Tổng hợp các phương pháp phân loại hàng hóa (khối lượng, màu sắc, chiều cao, barcode/QR code) và 8 dạng hệ thống AS/RS phổ biến (Unit-Load, Mini-Load, Shuttle, Carousel, VLM, Micro-Load Stocker, VSM).
• So sánh các cấu hình hệ thống I/O tập trung và phân tán, mạng truyền thông RS-232, RS-485, PROFINET và EtherNet/IP.
• Phân tích cấu trúc và đặc tính lập trình của dòng PLC Siemens (S7-1200, S7-1500, S7-300...) so với PLC Mitsubishi.
• Nguyên lý hoạt động của động cơ bước, driver điều khiển TB6600, các loại cảm biến quang điện, cảm biến tiệm cận điện cảm/điện dung.
• Các khái niệm về xử lý ảnh số, mã vạch 1D/2D và cấu trúc phát triển ứng dụng giao diện người dùng trên TIA Portal V18, Microsoft Visual Studio (C# Windows Forms) và lập trình Web server (HTML, CSS, JavaScript).

Chương 3: Tính toán, thiết kế và lựa chọn thiết bị (Calculation, Design and Equipment Selection)

Nội dung chương tập trung vào việc thiết kế kỹ thuật chi tiết:

• Phân tích lực tác động lên trục X và trục Y, tính toán mô men quán tính của trục vít me để lựa chọn công suất động cơ bước phù hợp (Nema 17 cho trục đứng/ngang phụ và Nema 23 cho trục chính).
• Thiết kế cơ khí chi tiết cho hệ thống băng tải PVC, ray dẫn hướng trượt tròn và kết cấu khung kho hàng 9 ngăn.
• Lựa chọn thiết bị điện gồm PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, module mở rộng SM 1223 DC/DC (6ES7 223-1BH32-0XB0), bộ nguồn xung, CB ANDELI ADB3-63, các rơ-le trung gian và mạch cầu H.
• Thiết lập sơ đồ khối chức năng hệ thống, lưu đồ thuật toán điều khiển cần trục, lưu đồ thuật toán xử lý mã QR, sơ đồ đấu nối dây I/O cho PLC và sơ đồ kết nối giữa driver TB6600 với động cơ bước.

Chương 4: Thi công hệ thống (System Construction)

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình gia công cơ khí, lắp đặt khung mô hình, bố trí tủ điện công nghiệp và kết nối dây tín hiệu. Tác giả trình bày các bước cấu hình phần cứng trong phần mềm TIA Portal:

• Cấu hình phát xung (Pulse Generation) trên ngõ ra số của PLC để điều khiển vị trí và vận tốc.
• Khai báo chân phát xung (Pulse pin), chân điều khiển hướng quay (Direction pin).
• Thiết lập thông số số xung trên mỗi bước (Pulse per step), bước dịch chuyển vít me, vận tốc tối đa, thời gian tăng tốc (acceleration) và thời gian giảm tốc (deceleration).
• Lập bảng danh mục tổng hợp thiết bị sử dụng trong toàn bộ hệ thống.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá (Results - Comments - Evaluation)

Trình bày kết quả hoàn thiện của mô hình thực tế và kiểm thử chức năng:

• Hoàn thiện giao diện phần mềm quét và nhận diện mã QR trên C# WinForms, cho phép chọn nguồn camera và hiển thị hình ảnh quét trực tiếp.
• Xây dựng giao diện Web server giám sát và điều khiển trên máy tính và điện thoại thông minh, bao gồm các nút bật nguồn, chọn chế độ nhập kho, chọn loại hàng xuất kho, hiển thị số lượng tồn kho theo thời gian thực và cảnh báo trạng thái kho đầy/hết hàng.
• Lập bảng so sánh thời gian thực hiện các chu trình nhập kho và xuất kho ở các vị trí ô chứa khác nhau để đánh giá hiệu suất vận hành của hệ thống.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển (Conclusion and Development Direction)

Tổng kết các hạng mục đã hoàn thành gồm: mô hình cơ khí hoạt động ổn định, hệ thống điều khiển PLC phát xung chính xác, nhận diện mã QR nhạy và giao diện giám sát web phản hồi nhanh. Đồng thời, chương này chỉ ra các mặt hạn chế còn tồn tại của mô hình thử nghiệm và đề xuất các hướng nâng cấp trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả đạt được

• Chế tạo thành công mô hình vật lý: Xây dựng hoàn chỉnh mô hình hệ thống kho tự động AS/RS 9 ô chứa với cơ cấu cơ khí 2 bậc tự do sử dụng trục vít me, ray trượt tròn và băng tải chuyển hàng PVC, vận hành mượt mà với tải trọng mẫu từ 0 đến 450 gam.
• Hệ thống điều khiển chính xác: Lập trình thành công bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C kết hợp module SM 1223, phát xung điều khiển chính xác tọa độ vị trí của các động cơ bước Nema 23, Nema 17 thông qua driver TB6600.
• Tích hợp xử lý ảnh và truyền thông công nghiệp: Xây dựng ứng dụng C# WinForms kết nối camera nhận diện nhanh mã QR dán trên sản phẩm, truyền dữ liệu phân loại xuống PLC qua mạng Ethernet/PROFINET.
• Giám sát thời gian thực: Triển khai giao diện Web server tích hợp sẵn trong S7-1200 bằng ngôn ngữ HTML/CSS/JS, cho phép người quản lý theo dõi tồn kho, điều khiển nhập/xuất hàng hóa từ xa thông qua trình duyệt web trên máy tính hoặc điện thoại thông minh.
• Đánh giá thời gian chu trình: Ghi nhận và so sánh dữ liệu thời gian thực hiện chu trình nhập/xuất kho tại từng vị trí ngăn chứa trong bảng số liệu thực nghiệm của đồ án.

Đóng góp kỹ thuật

Đồ án đã chứng minh tính khả thi của giải pháp tự động hóa kho hàng sử dụng thiết bị điều khiển công nghiệp tiêu chuẩn (PLC Siemens S7-1200) kết hợp với công nghệ phần mềm hiện đại (C# WinForms, Web Server). Giải pháp này cung cấp một mô hình thực nghiệm trực quan cho việc ứng dụng công nghệ nhận dạng mã QR và giám sát từ xa trong quản lý chuỗi cung ứng logistics.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của mô hình

• Quy mô hệ thống còn nhỏ, mới chỉ dừng lại ở mô hình thử nghiệm phòng thí nghiệm với 9 ô chứa hàng.
• Giới hạn tải trọng nâng hạ còn thấp (chỉ nâng được vật phẩm có khối lượng từ 0 đến 450 gam).
• Cảm biến quang và camera nhận diện có thể bị ảnh hưởng bởi điều kiện bụi bẩn hoặc ánh sáng môi trường không đồng đều.

Hướng phát triển tiếp

• Mở rộng số lượng tầng và dãy ô chứa hàng của hệ thống kho để tăng dung lượng lưu trữ.
• Nâng cấp kết cấu cơ khí, sử dụng động cơ Servo công suất lớn hơn nhằm tăng tải trọng nâng hạ và tốc độ di chuyển của cần trục.
• Tích hợp thêm các thuật toán tối ưu hóa vị trí sắp xếp hàng hóa thông minh (dựa trên tần suất xuất nhập) và kết nối với hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu cấp cao (SQL Server, ERP/WMS).

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử: Tham khảo phương pháp tính toán chọn động cơ bước, cách lập trình điều khiển phát xung (Motion Control/PTO) trên PLC Siemens S7-1200 bằng phần mềm TIA Portal V18.
• Người nghiên cứu phát triển hệ thống SCADA/IoT công nghiệp: Tham khảo cách nhúng Web server vào PLC S7-1200 bằng HTML/CSS/JavaScript để giám sát hệ thống qua điện thoại thông minh mà không cần màn hình HMI phần cứng đắt tiền.
• Kỹ sư phát triển ứng dụng xử lý ảnh: Tham khảo giải pháp giao tiếp giữa phần mềm C# WinForms xử lý ảnh qua Camera và PLC thông qua giao thức Ethernet công nghiệp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm và các module mở rộng được sử dụng trong đồ án là loại nào?
Đồ án sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 dòng CPU 1214C DC/DC/DC (mã đặt hàng 6ES7214-1AG40-0XB0) kết hợp cùng module mở rộng ngõ vào/ngõ ra số Siemens SM 1223 DC/DC (16 DI / 16 DQ, mã đặt hàng 6ES7 223-1BH32-0XB0).

2. Hệ thống truyền động cơ khí của cần trục sử dụng loại động cơ và cơ cấu dẫn hướng nào?
Hệ thống sử dụng động cơ bước Nema 23 cho trục X và Nema 17 cho trục Y, được điều khiển thông qua các bộ driver TB6600. Cơ cấu chuyển động sử dụng trục vít me (lead screw) kết hợp với ray trượt tròn (cylindrical linear rail) để định vị vị trí gắp hàng.

3. Phương pháp nhận dạng và phân loại sản phẩm được thực hiện ra sao?
Sản phẩm được phân loại bằng mã ma trận 2D (QR code). Camera gắn trên hệ thống sẽ thu nhận hình ảnh mã QR dán trên kiện hàng, phần mềm viết bằng C# Windows Forms trên máy tính sẽ xử lý, giải mã thông tin và gửi dữ liệu phân loại tới PLC qua mạng Ethernet/PROFINET.

4. Người dùng giám sát và điều khiển kho hàng từ xa bằng phương thức nào?
Hệ thống tích hợp tính năng Web server trực tiếp trên PLC S7-1200 được lập trình bằng HTML, CSS và JavaScript. Người dùng có thể truy cập giao diện quản lý trên trình duyệt của máy tính hoặc điện thoại thông minh để xem trạng thái ô chứa, lượng hàng tồn, điều khiển nhập/xuất và theo dõi cảnh báo sự cố.

5. Phạm vi tải trọng và quy mô ô chứa của mô hình thử nghiệm là bao nhiêu?
Mô hình được thiết kế với quy mô thử nghiệm gồm 9 ô chứa hàng, có khả năng nâng hạ và vận chuyển các kiện hàng mẫu có khối lượng trong khoảng từ 0 đến 450 gam.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Vương Hữu Sung đã nghiên cứu, thiết kế và thi công thành công mô hình hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động AS/RS điều khiển bởi PLC Siemens S7-1200. Hệ thống tích hợp hoàn chỉnh giữa cơ cấu cơ khí 2 bậc tự do, công nghệ nhận diện mã QR qua xử lý ảnh C# và giao diện Web server giám sát linh hoạt trên điện thoại di động. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống vận hành chính xác, ổn định, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đề ra và là tài liệu tham khảo có giá trị trong lĩnh vực tự động hóa kho vận và điều khiển truyền động công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS AUTOMATION AND CONTROL ENGINEERING TECHNOLOGY CONTROL AND MONITOR AUTOMATED STORAGE AND RETRIEVAL SYSTEMS USING S7 - 1200 INSTRUCTOR: DR.NGUYEN PHAN THANH STUDENT: VUONG HUU SUNG SKL012370 Ho Chi Minh City, SEPTEMBER, 2023 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION GRADUATION PROJECT CONTROL AND MONITOR AUTOMATED STORAGE AND RETRIEVAL SYSTEMS USING S7 - 1200 VƯƠNG HỮU SUNG Student ID: 17151024 Major: CONTROL AND AUTOMATION ENGINEERING Supervisor: NGUYỄN PHAN THANH, PhD. Ho Chi Minh City, September 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BẢN CAM KẾT VÀ XÁC NHẬN KẾT QUẢ KIỂM TRA ĐẠO VĂN (DÀNH CHO BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN, KHÓA LUẬN, LUẬN VĂN, LUẬN ÁN) I. Thông tin chung 1. Tên sản phẩm học thuật: Automatic storage system based on PLC S7-1200.

Loại hình sản phẩm học thuật: Hardware model. Mã số sản phẩm học thuật (nếu có): 3. Thông tin tác giả (ghi tất cả tác giả của sản phẩm) Vai trò Stt Họ và tên MSSV/MSHV (Chủ nhiệm/thành viên/tác giả chính/đồng tác giả…) 1 Vương Hữu Sung 17151024 Tác giả 4. Thông tin giảng viên hướng dẫn Họ và tên: Nguyễn Phan Thanh.

Khoa:Điện – Điện tử. Kết quả kiểm tra đạo văn Ngày kiểm tra đạo % trùng lặp toàn % trùng lặp cao Ngày nộp sản phẩm văn nội dung nhất từ 1 nguồn 30/12/2023 29/12/2023 16% www.com Lưu ý: % trùng lặp nêu ở bảng trên không tính % trùng lặp của danh mục tài liệu tham khảo. Cam kết Nhóm tác giả sản phẩm học thuật và giảng viên hướng dẫn cam kết rằng: 1. Nội dung trong sản phẩm học thuật nêu trên không vi phạm đạo đức và liêm chính khoa học.

Kết quả % trùng lặp nêu tại mục II là hoàn toàn chính xác và trung thực. Bằng việc ký xác nhận vào mẫu này, nhóm tác giả và giảng viên hướng dẫn cam kết chịu hoàn toàn trách nhiệm có liên quan đến sản phẩm học thuật nói trên. Xác nhận của đại diện nhóm tác giả Xác nhận của giảng viên hướng dẫn (ký ghi rõ họ và tên) (ký ghi rõ họ và tên) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, September 15, 2023 GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT Student name: Vương Hữu Sung Student ID: 17151024 Major: Control and Automation Engineering Class: 17151CLA Supervisor: Nguyễn Phan Thanh Phone number: 0907489309 Date of assignment: 15/09/2023 Date of submission: 20/12/2023 1. Project title: CONTROL AND MONITOR AUTOMATED STORAGE AND RETRIEVAL SYSTEMS USING S7 - 1200 2.

Initial materials: • Product classification methods in practice. • Real-world storage system models. Content of the project: • Learn product classification methods, goods storage systems, system configuration, types of PLCs, sensors,. available on the market.

• From the system requirements, the team proposes technological processes; Calculate, design and select configuration and equipment for the system. • System construction: Provide software requirements, PLC program operation diagram, HMI design; mechanical and electrical construction, QR code reading interface, system control and monitoring interface. • Practically operate the system and draw conclusions. CHAIR OF THE PROGRAM SUPERVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- SUPERVISOR’S EVALUATION SHEET Student name: Vương Hữu Sung Student ID: 17151024 Major: Control and Automation Engineering Supervisor: Nguyễn Phan Thanh EVALUATION 1.

Content of the project: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… 2. Approval for oral defense? (Approved or denied) ……………………………………………………………………………………………… 5.) ……………………………………………………………………………………………… Ho Chi Minh City, month…., 2023 SUPERVISOR (Sign with full name) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET Student name: Vương Hữu Sung Student ID: 17151024 Major: Control and Automation Engineering Name of Examier:…………………………………………………………………………. Content and workload of the project: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… 2. Approval for oral defense? (Approved or denied) ……………………………………………………………………………………………… 5.) ……………………………………………………………………………………………… Ho Chi Minh City, month…., 2023 EXAMINER (Sign with full name) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- EVALUATION SHEET OF DEFENSE COMMITTEE MEMBER Student name: Vương Hữu Sung Student ID: 17151024 Major: Control and Automation Engineering Name of Defense Committee Member:…………………………………………………….

Content and workload of the project: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… 2.) ……………………………………………………………………………………………… Ho Chi Minh City, month…., 2023 COMMITTEE MEMBER (Sign with full name) DISCLAIMER We guarantee that all the results in this work are due to our serious research and implementation process based on several previous documents, without copying or falsifying the data contained in the report. The results stated in the report are honest and have never been published in any other work. If there is anything untrue in the report, we accept full responsibility. IMPLEMENTER (Sign with full name) Vương Hữu Sung ACKNOWLEDGEMENTS During the process of implementing the graduation project at Ho Chi Minh City University of Technical Education, the group received a lot of attention and help from teachers.

The group would like to express their deep gratitude to the teachers of the Department of Electrical and Electronics Engineering for creating favorable conditions for the group to carry out the project. With deep gratitude, the implementation team would like to thank the instructor - Ph. Nguyen Phan Thanh, dedicatedly guided, imparted knowledge, and created favorable conditions for the group to carry out this project. Thank you to my family and friends who have always been there to encourage and help me throughout the process of studying and implementing this project.

Although the group has tried to research and implement the topic most seriously, the group will certainly not be able to avoid shortcomings. Therefore, the implementation team is looking forward to receiving comments from teachers and readers to improve the topic. Sincerely thank! IMPLEMENTER (Sign with full name) Vương Hữu Sung I TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGEMENTS. I TABLE OF CONTENTS.

II LIST OF FIGURES .VI LIST OF TABLES. X LIST OF ACRONYMS .1 Product classification methods .2 Types of AS/RS .1 Unit-Load AS/RS .2 Mini-Load AS/RS .3 Shuttle-based AS/RS .4 Carousel-Based AS/RS .5 Vertical Lift Module (VLM) AS/RS .6 Micro-Load Stocker AS/RS .7 VSM – Vertical Sequence Module for Buffering and Sequencing .8 AS/RS assessment criteria .3 Types of control system configurations .1 Introduction to stepper motors.2 Stepper motor control method .6 Product detection sensors .7 Warehouse data management methods .9 Softwares used for programming .1 Tia Portal software .2 Microsoft Visual Studio and Windows Forms Application .10 PROFINET and ETHERNET .11 H-bridge circuit controls a DC motor. CALCULATION, DESIGN AND EQUIPMENT SELECTION .1 System operating requirements .3 Selection of model design solutions .4 Hardware design requirements .2 Axis with 2 degrees of freedom .4 Materials for conveyor belts .5 Mechanical transmission solutions .3 Cylindrical linear rail .1 Switching Power Supply .2 PLC SIEMENS 1214C DC/DC/DC 6ES7214-1AG40-0XB0 .3 Stepper Motor Driver TB6600 .8 Circuit Breaker ANDELI ADB3-63 (CB).13 Siemens SM 1223 DC/DC 6ES7 223-1BH32-0XB0 .7 Design sketch drawings for model construction.2 Conveyor belt design .3 Complete model design .8 Block diagram and functions .9 System control flow diagrams .1 PLC input and output wiring diagram .2 Wiring diagram of reducer motor and stepper motors .1 List of devices. RESULTS - COMMENTS – EVALUATION .1 Web server interface .2 QR code image processing interface .3 Control and monitor on the phone .4 Analyze and compare.

CONCLUSION AND DEVELOPMENT DIRECTION .2 Limitations of the product model. 106 V LIST OF FIGURES Figure 1.1 A warehouse in reality .1 Fixed-Aisle Unit-Load .2 Moveable-Aisle Unit Load.6 Robotic Horizontal Carousel .7 Vertical Lift Module .8 Micro-Load Stocker .9 Vertical Sequence Module .12 PLC Block Diagram .15 Stepper motor control system .17 Inductive Proximity Sensor .18 Capacitive Proximity Sensor .20 Popular QR codes .21 Image processing steps.22 Image processing process.23 File configuration screen .24 Creating a new project .25 Project configuration options .26 Devices to choose from .27 Select project type .29 Design application interface.33 State when S1 and S4 are closed .34 State when S3 and S2 are closed .35 Structure of remote monitoring and control system .36 HTML language logo .39 Contact between 3 languages when programming Web server .40 Create a new project in VS code .41 Code to set up a Web server and connect to PLC .1 Force causes the Y axis to move .2 Structure displacement graph .3 Moment of inertia of lead screw .4 Dimensions of Nema 17 stepper motor.5 Force causes the X-axis to move.6 Structure displacement graph .7 Moment of inertia of lead screw .8 Dimensions of Nema 23 stepper motor.9 PVC conveyor belts .14 Linear Guide Structure .15 Cylindrical linear rail .18 Switching Power Supply .19 SIEMENS 1214C DC/DC/DC .20 PLC wiring diagram .23 Activate pulse generation .24 Declare pulse generator pin, control direction pin .25 Pulse per step and lead screw step distance .26 Declare speed, acceleration ,and deceleration time .36 Some type of push-button .39 Wiring diagram instructions.41 Dimensions of the warehouse .43 Size of conveyor belt .45 Block diagram of the system .48 Crane control algorithm .52 QR code processing algorithm .53 PLC input and output connection diagram .54 Connection diagram of drivers and relays .4 rear of the outside .2 System management interface .3 Turn on the power button .4 Enter import mode .5 Display mode when goods are in stock .6 Select the type of goods to export .7 Displays the remaining quantity of goods .8 Display mode when goods are out of stock .9 Display mode when the conveyor belt is operating .10 QR code scanning software interface.11 Select the image source .12 Display QR code image .13 Connect the devices .14 Interface displayed on the phone .15 System management interface on the phone. 101 IX LIST OF TABLES Table 2-1 Stepper motor parameter. 16 Table 4-1 List of devices used.

86 Table 5-1 Comparison table of import and export times. 102 X LIST OF ACRONYMS CPU: Central Processing Unit I/O: Input/Output PLC: Programmable Logic Controller PIC: Programmable Intelligent Computer AS: Automated Storage RS: Retrieval System SQL: Structured Query Language HTML: HyperText Markup Language CSS: Cascading Style Sheets JS: JavaScript XI ABSTRACTS The topic "CONTROL AND MONITOR AUTOMATED STORAGE AND RETRIEVAL SYSTEMS USING S7 - 1200" aims to reduce automatic storage time compared to traditional systems, thereby increasing productivity and economic efficiency. To design the system, the team first researched the warehouse systems being used and found out the advantages and disadvantages of those systems including storage time, the system could store a product for How long does it take? What is the area of the machine? From a theoretical basis, the team designed a separate process for the system to overcome some of the disadvantages of current systems from how to operate, to control and monitor equipment in the system. Then, the team constructed and programmed the system including using stepper motor control to control the speed and position of the lead screw and belt, HMI monitored the system during operation and displayed warnings when the device if the system fails, the camera is mounted on a horizontal axis of the system used to identify product codes.

The system has a web server so users can remotely monitor. XII GRADUTAION THESIS 1.1 Problem statement According to data from the Ministry of Industry and Trade in 2021, total import- export turnover reached a record of 668.5 billion USD, an increase of 22.6% compared to the previous year, bringing Vietnam into the group of 20 leading economies in terms of trade. international trade; of which exports increased by 19%, imports increased by 26. The average export growth over the past 35 years has reached over 20%/year, among the highest in the world.